Table Of ContentWerner Mansfeld
Satellitenortung
und Navigation
Aus dem Programm
Nachrichtentechnik/ Kommunikationstechnik
Telekommunikation
von D. Conrads
Operationsverstärker
von J. Federau
Handbuch Radar und Radarsignalverarbeitung
von A. Ludloff
Satellitenortung und Navigation
von W. Mansfeld
Kommunikationstechnik
von M. Meyer
Signalverarbeitung
von M. Meyer
Übertragungstechnik
von 0. Mildenherger
Optische Nachrichtensysteme und Sensornetzwerke
von R. Thiele
Datenübertragung
von P. Welzel
Nachrichtentechnik
von M. Werner
Signale und Systeme
von M. Werner
vieweg -----------------~
Werner Mansfeld
Satellitenortung
und Navigation
Grundlagen und Anwendung globaler
Satellitennavigationssysteme
2., überarbeitete und ergänzte Auflage
Mit 275 Abbildungen und 71 Tabellen
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vaeweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage 1998
2., überarbeitete und ergänzte Auflage März 2004
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2004
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn VerlagjGWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2004
Softcoverreprint ofthe bardeover 2nd edition 2004
www.vieweg.de
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Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Technische Redakion: Andreas Meißner, Wiesbaden
ISBN 978-3-663-11329-4 ISBN 978-3-663-11328-7 ( eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-11328-7
V
Vorwort
Die Ortung und die auf ihr beruhende Navigation ist seit dem Altertum eine wesentliche Vor
aussetzung zur Seefahrt. Sie erfolgte in früheren Zeiten ausschließlich mit optischen Methoden
und benutzte die Gestirne als Bezugspunkte. Im 20. Jahrhundert kamen mit den Erfindungen
auf dem Gebiet der elektromagnetischen Wellen funktechnische Einrichtungen für die Ortung
und Navigation zum Einsatz. Die damit durchgeführte Navigation benötigte keine optische
Sicht, war wesentlich einfacher zu handhaben und ging viel schneller. Die weltweit sich stark
entwickelnde Luftfahrt verlangte zudem die Bereitstellung von Navigationssystemen, die eine
hohe Genauigkeit und große Reichweite gewährleisteten. Vor und während des 2. Weltkrieges
entstanden für die Navigation in der See-und Luftfahrt eine Anzahl von Systemen, die sich auf
funktechnische Bodenstationen stützten. Die meisten dieser Systeme fanden nach dem Kriege
eine internationale Anwendung. Eine alternative Lösung zur bodengestützten Navigation war
die bordautonome Navigation mit Doppler-Sensoren und Trägheitssystemen. Mit dem Start des
ersten Erdsatelliten Sputnik setzte die Entwicklung von Ortungssystemen ein, bei denen anstelle
funktechnischer Einrichtungen in Bodenstationen ganz entsprechende Einrichtungen in Satelli
ten verwendet wurden. Ursprünglich waren Satellitenortungssysteme für militärische Aufgaben
geschaffen worden, jedoch erfolgte im Laufe der Zeit die Freigabe für zivile Zwecke. Mit den
Satellitensystemen wurden folgende Vorteile erreicht: Ständige weltweite Nutzbarkeit, relativ
geringer Geräteaufwand beim Nutzer und eine hohe, von Zeit und Ort unabhängige Genauigkeit
der Ortung und damit auch der Navigation. Diese Vorteile führten sehr schnell zu einer Anwen
dung in allen Bereichen, in denen Positionsbestimmungen erforderlich waren. Neben dem Ein
satz im Verkehrswesen zur Navigation auf See, in der Luft und auf dem Lande, fanden die
Satellitenortungssysteme auch eine breite Anwendung im Vermessungswesen und in den Ge
bieten der Bautechnik Da die Satellitensysteme zusätzlich eine Uhrzeitinformation hoher Ge
nauigkeit liefern, können sie von allen Einrichtungen benutzt werden, die ein Zeitnormal benö
tigen.
Das Buch erschien in der ersten Auflage 1998 und stellte eine Einführung zur Wirkungsweise
und zu den Einsatzmöglichkeiten der Satellienortungsysteme und der satellitengestützten Navi
gation dar. Da das Buch inzwischen vergriffen ist, wurde eine zweite Auflage erforderlich. In
den Jahren seit der Abfassung des Manuskriptes zur ersten Auflage ist im Bereich der Satelli
tenortungssysteme eine intensive und internationale Aktivität zu verzeichnen. Neben der Ent
wicklung von Ergänzungssystemen und dem Beginn der Modernisierung bestehender Systeme,
ist der Beschluss der europäischen Länder zur Entwicklung eines eigenen und rein zivilen Satel
litenortungssystems das bedeutendste Ereignis. Diese Tatsachen wurden in der hier vorliegen
den 2.Auflage berücksichtigt. Gleichzeitig ist auf einige Abhandlungen verzichtet worden,
deren Inhalt inzwischen an Bedeutung verloren hat.
Das Kapitel 1 (Grundlagen) vermittelt die physikalischen Grundlagen, die zum Verständnis der
Wirkungsweise von Satellitensystemen notwendig sind. Neu aufgenommen wurde eine Ab
handlung zur Frequenzbandspreizung und zur Subträgermodulation. Das Kapitel 2 (Satelliten
systeme für Ortung und Navigation) bietet jetzt in gestraffter Form eine Übersicht zum Stand
im Jahr 2003. Das zurzeit bedeutendste, amerikanische Global Positioning System (GPS) wird
im Kapitel 3 beschrieben. Ergänzt wird dieses Kapitel durch einen Abschnitt über die inzwi
schen angelaufene Modernisierung von GPS. Die internationalen Arbeiten zur Verbesserung
dieses Systems bzw. zu dessen Ergänzung werden im jetzt auf den neusten Stand gebrachten
Kapitel 4 (Ergänzungen zu GPS, GLONASS und anderen Satellitenortungssystemen) erläutert.
Das in der ehemaligen Sowjetunion entwickelte und jetzt von Russland betriebene System
GLONASS ist im Prinzip dem GPS ähnlich. Die Funktion dieses Systems und seine Unter-
VI Vorwort
schiede zu GPS gehen aus dem Kapitel 5 (Global Navigation Satellite System, Abkürzung
GLONASS) hervor. Im Kapitel 6 (Internationale Aktivitäten zur Weiterentwicklung der Satel
litenortungs- und -navigationssysteme) wird der aktuelle Stand der Planung und Perspektive
behandelt. Das Kapitel 7 (Galileo) erläutert die Konzeption des zurzeit von den europäischen
Staaten entwickelte System Galileo. In einer Übersicht werden schließlich im Kapitel 8 (Über
sicht zur zivilen Anwendung der Satellitenortungs- und -navigationssysteme) die wesentlichs
ten Anwendungsbereiche aufgeführt. Kapitel 9 (lnformationsquellen) enthält vor allem Hinwei
se zu ausgewählten Seiten des Internet.
Das Manuskript des Buches basiert auf Niederschriften der langjährigen Vorlesungen, die ich
an der Technischen Universität Dresden unter dem Titel "Funkortungs- und Navigationssyste
me" und "Satellitenortungssysteme" halte.
Das Buch ist in erster Linie als Informationsquelle für Nutzer und potenzielle Nutzer konzipiert.
Außerdem ist es als Lehrbuch und Nachschlagewerk für die Studierenden in den Fachrichtun
gen bestimmt, in denen die Verwendung der Satellitenortungstechnik zur Diskussion steht oder
zur Anwendung gekommen ist. Für den in diesem Fachbereich tätigen Ingenieur soll das Buch
der Einführung dienen. Schließlich ist das Buch für alle an dieser modernen und zukunftsträch
tigen Technik Interessierte gedacht. Ich hoffe, dass es in Inhalt und Darstellungsweise den Ziel
stellungen entspricht und es dem Leser nützlich ist.
Dem Verlag Vieweg und seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern danke ich für die gute und
verständnisvolle Zusammenarbeit. Für die Mitarbeit bei der Anfertigung des Typoskriptes,
insbesondere bei dem Formelsatz, danke ich Elisabeth und Fabian Mansfeld.
Dresden/Radeberg, Februar 2004 Werner Mansfeld
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort .................................................................................................................................... V
1 Grundlagen ............................................................................................................... 1
1.1 Einführung ...................................................................................................................... 1
1.2 Grundprinzip kooperativer Funkortungssysteme ............................................................ 3
1.2.1 Orten durch Messung des Winkels in einer Ebene ........................................... 4
1.2.2 Orten durch Messung der Entfernung .............................................................. 5
1.2.3 Orten durch Messung der Entfernungsdifferenz .............................................. 9
1.2.4 Orten durch Messung der Entfernungsänderung ............................................ 11
1.3 Übersicht zur Konzeption von Satellitenortungssystemen ........................................... 11
1.3.1 Allgemeine Parameter .................................................................................... 11
1.3.2 Verwendete Ortungsverfahren ....................................................................... 18
1.4 Satellitenbahn ............................................................................................................... 24
1.4.1 Kep1ersche Gesetze ........................................................................................ 24
1.4.2 Bahnparameter ............................................................................................... 24
1.4.3 Sichtbarkeitsbereich ....................................................................................... 26
1.5 Bezugssysteme und Koordinaten .................................................................................. 29
1.5.1 Kartesisches Koordinatensystem .................................................................... 30
1.5.2 Vereinbartes raumfestes Bezugssystem ......................................................... 31
1.5.3 Vereinbartes erdfestes Bezugssystem ............................................................ 32
1.5.4 Elliptisches Bezugssystem ............................................................................. 33
1.5.5 Geoid .............................................................................................................. 34
1.5.6 Geodätisches We1tsystem ............................................................................... 35
1.6 Zeitsysteme ................................................................................................................... 36
1.6.1 Sternzeit und Weltzeit .................................................................................... 37
1.6.2 Dynamische Zeit ............................................................................................ 37
1.6.3 Atornzeit ......................................................................................................... 38
1.6.4 Koordinierte Weltzeit UTC ............................................................................ 38
1.7 Frequenz-und Zeitnorma1e ........................................................................................... 38
1. 7.1 Quarzoszillatoren ........................................................................................... 39
1. 7.2 Atomfrequenznormale .................................................................................... 40
1.8 Elektromagnetische Wellen .......................................................................................... 44
1.8.1 Struktur der Welle .......................................................................................... 44
1.8.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit ........................................................................ 47
1.8.3 Frequenzbereiche für Satellitenortungssysteme ............................................. 48
1.8.4 Richtantennen ................................................................................................. 49
1.9 Ausbreitungserscheinungen .......................................................................................... 56
1.9.1 Freiraumausbreitung ...................................................................................... 56
1.9.2 Reflexion ........................................................................................................ 57
1.9.3 Brechung (Refraktion) in der Troposphäre und Ionosphäre ........................... 58
1.9.4 Beugung ......................................................................................................... 62
1.9.5 Absorption ...................................................................................................... 62
1.9.6 Streuung ......................................................................................................... 64
1.9.7 Wellenarten .................................................................................................... 65
1.9.8 Beurteilung der zu wählenden Frequenz ........................................................ 68
VIII Inhaltsverzeichnis
1.10 Informationsübertragung .............................................................................................. 69
1.10.1 Verfahren zur Übertragung und Gewinnung der Ortungsinformation ........... 69
1.1 0.2 Formen des Basisbandsignals ......................................................................... 70
1.1 0.3 Multiplexverfahren ......................................................................................... 71
1.1 0.4 Modulation des hochfrequenten Trägers ........................................................ 71
1.1 0.5 Spezielle Übertragungsverfahren ................................................................... 73
1.1 0.6 Frequenzumsetzung ........................................................................................ 80
1.1 0.7 Doppler-Frequenzverschiebung ..................................................................... 83
1.11 Fehlermaße in der Ortung ............................................................................................. 88
1.11.1 Fehlerarten ..................................................................................................... 88
1.11.2 Fehlermaße der Standlinie .............................................................................. 88
1.11.3 Fehlermaße des Standortes ............................................................................. 90
2 Satellitensysteme für Ortung und Navigation ........................................... 97
2.1 TRANSIT ..................................................................................................................... 97
2.1.1 Einführung ..................................................................................................... 97
2.1.2 Systembestandteile ......................................................................................... 97
2.1.3 Ortungsverfahren ........................................................................................... 98
2.1.4 Genauigkeit und Fehlerursachen .................................................................... 99
2.1.5 Perspektive ..................................................................................................... 99
2.2 Cikada ......................................................................................................................... 100
2.3 NAVSTAR-GPS ......................................................................................................... lOO
2.4 GLONASS .................................................................................................................. 100
2.5 EUTELTRACS ........................................................................................................... 100
2.5.1 Einführung ................................................................................................... 100
2.5.2 Systembestandteile ....................................................................................... 101
2.5.3 Ortungsverfahren ......................................................................................... 102
2.5.4 Perspektive ................................................................................................... 103
2.6 QA-SPR ...................................................................................................................... 103
2.7 BNS (China) ............................................................................................................... 104
2.8 GALILEO ................................................................................................................... l04
2.9 INMARSAT ............................................................................................................... 104
2.10 Spezielle Satellitenortungssysteme ............................................................................. 104
2.10.1 Starfix ........................................................................................................... l05
2.10.2 SECOR ......................................................................................................... 105
2.10.3 DORIS .......................................................................................................... 105
2.10.4 PRARE ......................................................................................................... 105
3 Global Positioning System (GPS) ................................................................. 107
3.1 Einführung .................................................................................................................. l07
3.2 Segmente des Systems ................................................................................................ 110
3.2.1 Raumsegment ............................................................................................... 110
3.2.2 Kontrollsegment (Bodensegment) ................................................................ 114
3.2.3 Nutzersegment ............................................................................................. 118
3.3 Satellitensignale .......................................................................................................... 119
3.3.1 Übersicht ...................................................................................................... 119
3.3.2 Hochfrequenz-Träger ................................................................................... 120
3.3.3 Ortungssignale ............................................................................................. 121
3.3.4 Navigationsmitteilung .................................................................................. 127
Inhaltsverzeichnis IX
3.3.5 Sendesignale ................................................................................................. 129
3.3.6 GPS-Systemzeit ........................................................................................... 133
3.3.7 Verfügte Veränderungen von GPS-Informationen ....................................... 135
3.3.8 Leistungsbilanz der Funkverbindung zwischen Satellit und Nutzer ............ 135
3.4 Messvorgang-Empfang und Aufbereitung der Satellitensignale ............................ 137
3.4.1 Erfassen der Satellitensignale ....................................................................... l37
3.4.2 Korrelationsfunktion .................................................................................... 139
3.4.3 Grundkonzeption der GPS-Empfänger ........................................................ 145
3.5 Messsignal-Verarbeitung und Auswertung ................................................................. l52
3.5.1 Beobachtungsgrößen .................................................................................... 152
3.5.2 Auswertung der Messgrößen ........................................................................ l57
3.6 Genauigkeit und genauigkeitsbeeinflussende Faktoren .............................................. 171
3.6.1 Fehlermaße ................................................................................................... 171
3.6.2 Fehler und Fehlerursachen bei der Messung der Pseudoentfemung ............ 171
3.6.3 Fehler und Fehlerursachen durch hochfrequente Störungen ........................ 177
3.6.4 Geometrisch bedingte Positionsfehler. ......................................................... 183
3.6.5 Fehlerübersicht ............................................................................................. 194
3.7 Sichtbarkeit und Verfügbarkeit... ................................................................................ 195
3.7.1 Begriffsbestimmung ..................................................................................... l95
3.7.2 Sichtbarkeit der GPS-Satelliten .................................................................... 196
3.7.3 Verfügbarkeil der GPS-Satelliten ................................................................. 200
3.7.4 Auswirkung der Verringerung der Anzahl der verfügbaren Satelliten ......... 201
3.8 Integrität ..................................................................................................................... 202
3.9 Übersicht zu der mit GPS -Satelliten Block II erzielbaren Genauigkeit ................... 203
3.9.1 Genauigkeit bei GPS .................................................................................... 203
3.9.2 Genauigkeit bei Differential-GPS ................................................................ 204
3.10 Modernisierung von GPS ........................................................................................... 205
3.10.1 Zielstellung und Umfang .............................................................................. 205
3.10.2 Struktur und Inhalt der Dienste und Signale ................................................ 206
3.10.3 Angewendete Modulation ............................................................................ 209
3.10.4 Raumsegment ............................................................................................... 210
3.1 0.5 Kontrollsegment (Bodensegment) ................................................................ 211
3.10.6 Erwartete Ergebnisse der Modemisierung ................................................... 211
4 Ergänzungen zu GPS, GLONASS und anderen
Satellitenortungssystemen ............................................................................... 213
4.1 Systeme des Differential-Messverfahrens .................................................................. 213
4.1.1 Differential-GPS (DGPS) ............................................................................. 215
4.1.2 Differentialverfahren zur hochgenauen Entfernungs-und Positions-
bestimmung, insbesondere im Vermessungswesen ...................................... 223
4.1.4 DGPS-Referenzstationen verschiedener Dienste des Verkehrswesens ........ 227
4.1.5 Weitbereich-DGPS (WADGPS) ................................................................ 232
4.2 Pseudolit ..................................................................................................................... 233
4.3 Integritätsprüfung ....................................................................................................... 235
4.3.1 Empfängerautonome Integritätsprüfung (RAIM) ......................................... 235
4.3.2 GPS-Integritätskanal .................................................................................... 236
4.4 Eurofix ........................................................................................................................ 237
4.4.1 Einführung ................................................................................................... 237
4.4.2 Funktionsprinzip .......................................................................................... 238
