Galileo Finanzierung gesichert

2. Dezember 2007

Nach jahrelangen Kontroversen verständigten sich die europäischen Finanz- und Verkehrminister der 27 Mitgliedsländer in der letzten Novemberwoche über die Finanzierung des Satellitennavigationssystem Galileo: 3,4 Milliarden Euro sind im Haushalt der EU reserviert, wobei Experten damit rechnen, dass bis zu 4,5 Milliarden Euro nötig sind. Ursprünglich wollte die EU lediglich 1 Milliarde beisteuern, den Rest sollte ein privates Konsortium übernehmen. Doch zu einer Einigung kam es nicht, weil den privaten Investoren das Risiko der Finanzierung zu hoch war. Nach der Zusage der Anschubfinanzierung durch die EU kann jetzt die Auftragsvergabe für den Bau der Satelliten beginnen.

Das Galileo kommen wird steht jetzt fest, allerdings soll das Satellitennavigationssystem mit mehreren Jahren Verspätung voraussichtlich erst im Jahr 2013 startklar sein. Bis dahin können die Amerikaner mit ihrem GPS die Vormachtstellung weiter ausbauen. China hat ebenfalls erkannt, welche Potentiale im Bereich Satellitenavigation stecken und will bereits im kommenden Jahr ein eigenes System mit dem Namen Compass in Betrieb nehmen. Russland plant bis 2009 die volle Glonass Konstellation wiederherzustellen.

Nachdem die Finanzierung von Galileo gesichert ist, wollen viele Firmen in Europa von dem Projekt profitieren. Der Systemaufbau wird in sechs Pakete aufgeteilt: etwa für das System, den Bau der Satelliten, die Bodenstationen sowie die Kontrollzentren. Durch diese Aufteilung soll verhindert werden, dass sich einige Länder übermäßig viele Aufträge sichern. Keine Firma darf mehr als zwei Pakete des Gesamtprojekts beherrschen. Der jeweils führende Lieferant muss wiederum 40 Prozent seines Auftrags an Subunternehmen weitergeben, so dass auch kleinere Firmen zum Zug kommen können.

Chancen für den lukrativen Auftrag für den Bau der Satelliten, die mit 1,2 Milliarden Euro den größten Anteil am Galileo Projekt haben rechnen sich auch deutsche Luft- und Raumfahrunternehmen; darunter die EADS-Raumfahrttochter Astrium sowie die Bremer OHG Technologies und deren britischen Partner SSTL aus.
Der Transport der Satelliten ins All bildet einen weiteren Großauftrag im Volumen von rund 750 Millionen Euro. Zum Zuge kommen dürfte hier die Europa-Rakete Ariane, für die wiederum OHB und Astrium wichtige Zulieferer sind. Denkbar sei allerdings auch, dass die Galileo-Satelliten mit russischen Raketen ins All befördert würden.

GPS Signalstruktur

17. Mai 2007

Eine GPS-Beobachtung beinhaltet die Messung und Verarbeitung der abgestrahlten Satellitensignale. Hochpräzise Oszillatoren (Cäsium- und Rubidiumfrequenznormale) in den Satelliten dienen der Übermittlung genauer Zeitinformationen. Die Oszillatoren bilden die Grundlage für eine Fundamental-Frequenz von 10.23 MHz, aus der alle weiteren GPS-Signale abgeleitet werden. Die Fundamental-Frequenz ist somit Basis für die drei relevanten Signaltypen:
- Trägersignale (L1 und L2)
- Codesignale (PRN-Codes)
- Datensignal (Satelliten-Message)

Die Frequenzen der zwei Trägersignale L1 und L2 kommen durch je eine Multiplikation mit der Grundfrequenz zu stande. Für die Zukunft (ab 2013) ist ein weiteres Trägersignal L5 für die zivile Nutzung geplant:
- L1: 154 * 10.23 MHz = 1575.42 MHz (Wellenlänge = 19.05 cm)
- L2: 120 * 10.23 MHz = 1227.60 MHz (Wellenlänge = 24.45 cm)
- L5: 115 * 10.23 MHz = 1176.45 MHz (Wellenlänge = 25.5 cm)

Auf die Trägerphasen sind mehrere PRN-Codes (Pseudo Random Noise Codes) aufmoduliert:
- Der C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) ist mit einer Periode von einer Millisekunde dem L1 Trägersignal aufmoduliert. Seine Frequenz beträgt 1.023 MHz und die Wellenlänge = 293.1 m. Ab dem Jahr 2005 wird auf die neuen Satelliten der Block IIR-M Generation der C/A-Code auch auf das L2 Trägersignal aufmoduliert.

- Der P-Code (Precise Code) befindet sich auf L1 und L2. Seine Frequenz beträgt 10.23 MHz, die Wellenlänge = 29.31 m und die Periode ca. 266.4 Tage (7 Tage/Satellit).
- Als dritte Codesequenz überlagert der W-Code den P-Code bei aktivem Anti-Spoofing. Daraus resultiert der Y-Code, der dem nicht autorisierten Nutzer den direkten Zugriff auf das L2-Signal verwehrt. Die Rekonstruktion der L2-Trägerphase kann jedoch durch verschiedene empfängerinterne Techniken gelingen.

Das Datensignal, auch Satelliten-Message genannt, befindet sich auf dem L1- und L2-Träger. Der Datenumfang eines Navigationsdatensatzes beträgt 1500 Bit und benötigt bei einer Übertragungsrate von 50 Bits/Sekunde 30 Sekunden.

Die Zusammenhänge der einzelnen Signaltypen mit der Fundamental-Frequenz werden in der unteren Abbildung dargestellt.

GPS Signalstruktur

GPS Benutzersegment

8. Februar 2007

Das Benutzersegment wird durch die zivilen und militärischen Anwender repräsentiert, die mit Hilfe von Satellitenempfängern GPS zur Positions-, Geschwindigkeits- oder Zeitbestimmung benutzen.

Ein Satellitenempfänger besteht aus folgenden Komponenten:
- GPS-Antenne mit Vorverstärker
- Oszillator
- Hochfrequenz (HF)-Einheit
- Signalverarbeitungsprozessor
- Datenverarbeitungsprozessor
- Schnittstellen, Bedieneinheit

Für den Empfang der GPS-Signale dienen ungerichtete Antennen. Es werden z.B. Spiralantennen, gekreuzte Dipole und Patch-Antennen verwendet.
Der temperaturstabilisierte Quarzoszillator ist ausschlaggebend für die Qualität der Referenzuhr und damit die Güte des Empfängers. Alle Zeittakte und Mischfrequenzen werden vom Oszillator abgeleitet.
In der HF-Einheit geschieht eine kohärente (zweistufige) Frequenzumsetzung der Satellitensignale auf eine Zwischenfrequenz. Das Nutzsignal wird verstärkt und anschließend im Analog/Digital-Wandler zu einem hochfrequenten digitalen Datenstrom transformiert.
In den Codegeneratoren der Signalverarbeitungsprozessoren werden der C/A- bzw. P(Y)-Code nachgebildet. Ein empfangenes Satellitensignal wird mit seiner intern erzeugten Kopie korreliert und so lange schrittweise gegeneinander phasenverschoben, bis maximale Korrelation erreicht ist. Daraus ergeben sich Informationen über die Codeverzögerung und die Dopplerverschiebung des Signals. Die über die Codeverzögerung ermittelte Zeitverschiebung wird über die Signalausbreitungsgeschwindigkeit in eine Entfernung umgerechnet. Die Kenntnis der Dopplerverschiebung erlaubt eine Verfolgung der Satellitensignale. Der Datenverarbeitungsprozessor steuert die Signalprozessoren und liest die Rohdaten (Codephasen, Trägerphasen und Navigationsdaten) aus. Daraus berechnet er Position, Geschwindigkeit und Zeit.

Die Schnittstellen ermöglichen die Kommunikation und Datenspeicherung mit dem Empfänger über einen Controller. Grundsätzlich muß zwischen Empfängern unterschieden werden, die direkt über eine Bedieneinheit mit entsprechendem Display gesteuert werden und sogenannten Sensoren, die nur über einen externen Controller steuerbar sind. Geodätische Empfänger verfügen oftmals über internen Speicher zum Aufzeichnen von GPS-Rohdaten.
Die Charakterisierung der verschiedenen GPS-Empfänger kann über die unterschiedlichen Datentypen, die verarbeitet werden können, erfolgen. Gängig sind die Verarbeitung von:
- C/A-Code
- C/A-Code + L1 Trägerphase
- C/A-Code + P-Code + L1, L2 Trägerphase

GPS Kontrollsegment

4. Februar 2007

GPS Kontrollsegment

In der oberen Abbildung wird das GPS-Kontrollsegment dargestellt, das aus einer Hauptkontrollstation sowie mehreren Beobachtungs- und Bodenkontrollstationen besteht. Die Hauptkontrollstation (Master Control Station) befindet sich in Colorado Springs. Dieser Station obliegt die Kontrolle des Systembetriebs und der GPS Systemzeit. Hierfür werden die Daten der Beobachtungsstationen gesammelt und daraus die voraussichtlichen Orbits (Broadcast Ephemeriden) und Uhrparameter der Satelliten berechnet, die über die Bodenkontrollstationen zu den Satelliten gesendet werden.

Es existieren fünf Beobachtungsstationen (Monitor Stations) in Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia und Kwajalein. Jede dieser Stationen ist mit einem hochpräzisen Cäsium-Frequenznormal und mehreren GPS-Empfängern ausgestattet, die kontinuierlich die Pseudoentfernungen zu allen sichtbaren Satelliten im 1.5 Sekundentakt messen. Diese Daten werden mit Hilfe von ionosphärischen und meteorologischen Daten geglättet und im 15-Minuten-Intervall zur Hauptkontrollstation gesendet.

Die drei Bodenkontrollstationen (Ground Control Stations) in Ascension, Diego Garcia und Kwajalein sind die Kommunikationsschnittstelle zu den Satelliten. Sie bestehen hauptsächlich aus den Sendeantennen, mit denen die Broadcast Ephemeriden und Uhrparameter einmal täglich über das S-Band zu den Satelliten gesendet werden. Unabhängig von einem eventuellen Ausfall der Bodenkontrollstationen können die Satelliten noch für ca. 180 Tage die Positionierung mit GPS ermöglichen.

GPS Raumsegment

1. Februar 2007

Das GPS-Raumsegment besteht aus 24 Satelliten, die in etwa 20200 km Höhe in sechs Bahnebenen mit je 4 Satelliten die Erde umkreisen. Die Bahnen besitzen eine Inklination von 55° gegenüber der Äquatorebene, wobei die Umlaufzeit der Satelliten ungefähr 12 Stunden beträgt. Aufgrund der überdurchschnittlich langen Lebensdauer von einigen älteren Satelliten stehen zusätzlich zu den 24 Standard-Satelliten zur Zeit 4 aktive Ersatzsatelliten zur Verfügung, die bei Bedarf an die Stelle von ausgefallenen GPS-Satelliten treten. Im Jahre 1995 wurde das GPS für voll operationell erklärt (FOC, Full Operational Capability). Mir der FOC wird die elektronische Sichtbarkeit von mindestens vier Satelliten jederzeit global ermöglicht. Nicht selten können sogar die Signale von acht bis zu zehn GPS-Satelliten simultan empfangen werden.

GPS Konfiguration

In der oberen Abbildung wird die GPS-Satellitenkonstellation schematisch dargestellt. Ein GPS-Satellit ist im Grunde genommen eine Plattform, mit der Atomuhren, Computer, Radio-Transceiver und diverse andere Komponenten für den Betrieb des Satelliten befördert werden. Es existieren sieben Typen von GPS-Satelliten:
- Block I (Start: 1978 – 1985)
- Block II (Start: 1989 – 1990)
- Block IIA (Start: 1990 – 1997)
- Block IIR (Start: 1997 - 2004)
- Block IIR-M (Start: 2005 - 2008)
- Block IIF (geplanter Start: 2008 – 2011)
- Block III (geplanter Start: ab 2013)

Die GPS-Satelliten haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 10 Jahren, die mit jeder neuen Generation immer weiter verlängert wird. Die aktuelle Satellitenkonstellation besteht aus Block IIA / IIR / IIR-M Satelliten. In der unteren Abbildung werden einige Beispiele für GPS-Satelliten dargestellt.

GPS Satelliten

Grundprinzip des GPS

31. Januar 2007

Das satellitengestütze Radionavigationssystem NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System) wird seit 1973 im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums (Department of Defense, DoD) entwickelt und vom JPO (Joint Program Office) betrieben.

GPS ermöglicht auf der gesamten Erde genaue Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitbestimmungen in einem globalen Referenzsystem (WGS84). Eine Positionsbestimmung mit GPS erfordert die Messung von Entfernungen zu mindestens vier GPS-Satelliten, deren elektronische Sichtbarkeit vom Systembetreiber jederzeit und wetterunabhängig garantiert wird. Die vier Entfernungsmessungen sind nötig, da zusätzlich zu den drei Positionskomponeten noch der Fehler der Satellitenempfängeruhr mitbestimmt werden muß. Für eine hochgenaue Entfernungsmessung sollte ein GPS-Satellitenempfänger in der Lage sein, Signallaufzeiten im Nanosekunden Bereich (der 1000000000ste Teil einer Sekunde) zu messen. Diese Meßgenauigkeiten werden aber nicht von den Quarzuhren der Satellitenmpfänger, sondern nur von den Atomuhren der GPS Satelliten erreicht. Somit dient die vierte Entfernungsmessung zur Bestimmung des Fehlers der Satellitenempfängeruhr. Da der Uhrfehler fehlerhaft in der Entfernungsmessung wirkt, werden die gemessenen Entfernungen als Pseudoentfernungen bezeichnet.

Grundprinzip GPS

Das Prinzip der Positionsbestimmung mit Satelliten wird in der oberen Abbildung deutlich. Der Beobachter benötigt die dreidimensionale Position eines Punktes oder eines sich bewegenden Objektes auf oder in der Nähe der Erdoberfläche. Die unbekannte Position des Empfängers, genauer des Phasenzentrums der an den Satellitenempfänger angeschlossenen Empfangsantenne, wird durch den Vektor XE vom Massenmittelpunkt der Erde (Geozentrum) zum Empfänger definiert. Der Empfänger kann aus dem auf die Trägerwelle des Satellitensignals aufmodellierten Code jederzeit die Position der Satelliten und damit den Vektor XS bestimmen. Gleichzeitig erfolgt die Messung der Pseudoentfernung SES zwischen Empfänger und Satelliten. Sobald die Pseudoentfernungen zu mindestens vier Satelliten über einen gewissen empfängerabhängigen Zeitraum erfaßt worden sind, ist eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von ungefähr 20 Metern verfügbar.

Obwohl GPS unter militärischer Kontrolle steht, treten seit langem immer mehr zivile Anwendungen in den Vordergrund. Das volle Genauigkeitspotential von GPS steht nur den autorisierten Nutzern (i.A. dem Militär) zur Verfügung. Die zivilen Anwender können jedoch durch Verwendung von bestimmten Empfängertechnologien in Verbindung mit relativen Meßverfahren die Genauigkeitsbeschränkungen quasi umgehen. Das GPS-Genauigkeitspotential reicht von 20 Metern (absolute Positionierung) bis in den Millimeterbereich (relative Positionierung).

Positionsbestimmung mit Radiowellen

29. Januar 2007

In der Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler die Möglichkeit Entfernungen mit Hilfe von Radiowellen zu messen. Das Prinzip besteht darin, die Zeit zu messen, die ein bestimmtes Radiosignal benötigt, um von der Sendestation zur Empfangsstation zu gelangen. Die so ermittelte Signallaufzeit multipliziert mit der Signalausbreitungsgeschwindigkeit ergibt dann die Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Radiowellen liegt wie die Lichtgeschwindigkeit bei 299792458 Metern pro Sekunde. Aufgrund der sehr hohen Signalausbreitungsgeschwindigkeit ist die genaue Messung der Signallaufzeit wichtig, da ein Zeitmeßfehler von einer Mikrosekunde (der 1000000ste Teil einer Sekunde) einen Entfernungsmeßfehler von ungefähr 300 Metern zur Folge hat.

Positionsbestimmung mit Radiowellen

Das Prinzip der Positionsbestimmung mit Radiowellen wird in der oberen Abbildung deutlich. Eine Sendestation auf einem koordinatenmäßig bekannten Referenzpunkt A sendet auf einer festgelegten Frequenz Radiosignale aus. Nach der oben beschriebenen Methode bestimmt der Beobachter mit einem speziellen Empfangsgerät die Entfernung zur Station A auf beispielsweise 14.321 Meter. Damit weiß der Beobachter noch nicht seine Position, sondern nur, daß er sich irgendwo auf einem Kreis mit dem Radius von 14.321 Metern um die Sendestation A befindet. Beim Vorhandensein einer zweiten Sendestation auf einem Referenzpunkt B, hat der Beobachter die Möglichkeit eine weitere Entfernungsmessung mit angenommen 10.583 Metern zu tätigen. Da sich der Beobachter auf beiden Kreisen gleichzeitig befinden muß, bleiben als mögliche Positionen nur die Schnittpunkte der beiden Kreise P und Q übrig. Die Messung der Entfernung zu einer dritten Sendestation würde eine eindeutige zweidimensionale Positionsbestimmung (Länge und Breite) ermöglichen.

Das gleiche Prinzip wird bei der Positionsbestimmung mit Satelliten verwendet. Die Satelliten kann man sich als um die Erde bewegende Referenzpunkte vorstellen, die kontinuierlich Radiosignale aussenden. Der Beobachter mißt mit seinem Satellitenempfänger die Entfernung zu den einzelnen Satelliten. Die hierzu benötigte Bestimmung der Signallaufzeit erfolgt über die Phasenverschiebung des empfangenen Satellitensignals mit einem im Empfänger generierten identischen Signal, bis die maximale Korrelation erreicht ist. Der Satellitenempfänger berechnet aus den gemessenen Entfernungen eine dreidimensionale Position (Länge, Breite und Höhe). Während bei der zweidimensionalen Positionsbestimmung der Standpunkt des Beobachters als Schnittpunkt von mehreren Kreisen definiert wird, ist bei der dreidimensionalen Positionsbestimmung der Beobachterstandpunkt als Schnittpunkt von mehreren Kugelschalen anzusehen. Die Radien der Kugelschalen entsprechen den gemessenen Entfernungen zu den Satelliten. Dieses Verfahren der Positionsbestimmung wird als räumlicher Bogenschnitt bezeichnet; es ermöglicht eine Positionsbestimmung nur durch die Messung von Entfernungen.