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2.1 GPS-Systemsegmente

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Das GPS-System läßt sich in drei unterschiediche Segmente gliedern, welche in ihrer Funktionalität aufeinander abgestimmt sind:

• Weltraumsegment
• Bodensegment
• Nutzersegment

Letzteres ist im Gegensatz zu den beiden Betreibersegmenten stark nutzer- bzw. zweckdefiniert und damit technisch sehr variabel gestaltet. Alle Grundlagen sind sehr gut bei Schüttler, T. (2014), Bauer, M. (2011) und Mansfeld, W. (2009) dargelegt.

Das Weltraumsegment

Die Anwendung der GPS-Technik hängt wesentlich von der Konstellation und Charakteristik der Satelliten ab. Parameter wie Bahnhöhe, Bahnneigung, Symmetrie und Gleichverteilung der Satelliten definieren das sogenannte Weltraumsegment des GPS-Systems (Hartl & Thiel, 1984). Wie bereits angedeutet kreisen momentan 28 Block II/IIA-Satelliten (inkl. Reserve) in einem kreisförmigen, 20.183 km hohen Orbit um die Erde. Die einzelnen Bahnen sind 55° gegen den Äquator und 60° gegeneinander geneigt (vgl. Abb. 1.31). Jedes Orbit ist mit mindestens vier Satelliten bestückt, wobei jeder Satellit eines identischen Orbits 120° geogr. Breite gegen seinen Vor- bzw. Nachläufer versetzt ist. Diese spezielle Bahngeometrie gewährleistet, daß zu jeder Zeit ausreichend viele Satelliten vom GPS-Empfänger am Boden empfangen werden kann.

Die jeweilige aktuelle orbitale Systemkonfiguration der Satelliten kann auch online abgerufen werden …

Die Umlaufdauer eines jeden Satelliten beträgt 12 Stunden. Folge ist eine sich täglich im Vier-Minuten-Takt gegenüber UTC (Weltzeit = Universal Time Coordinated ) verschiebende Konstellation der Satelliten. Daraus ergibt sich heute i.d.R. eine Sichtbarkeit von durchschnittlich 10 Satelliten oberhalb 10° Beobachtungshöhe (Mindestsichthöhe!). Die Orbitalinformation wird vom Satelliten direkt an den Empfänger und an die Kontrollstationen gesandt, wobei die Zuschaltung einer Selective Availability (SA) für den zivilen Bereich bis vor kurzem eine Positionsbestimmung mit dem C/A-Code weiter einschränkte (vgl. Kap.2.3).

Auflistung einiger wichtiger Statusparameter der Block I, -II und -IIA/R NAVSTAR-GPS-Satelliten

In folgender Tabelle sind beispielhaft einige wichtige Statusparameter der durch Nummern gekennzeichneten Satelliten im Weltraumsegment des GPS-Systems wiedergegeben:

Navstar GPS Constellation Status   (98-07-07)

	Blk					NORAD		Orbit	Launch
	II		Internat.	Catalog		Plane		Date	Clock
	Seq	SVN	ID	Number		Pos'n		(UT)	Available/ Decommissioned
Block I
	01	04	1978-020A	10684		78-02-22		78-03-29	85-07-17
	02	07	1978-047A	10893		78-05-13		78-07-14	81-07-16
	03	06	1978-093A	11054		78-10-06		78-11-13	92-05-18
	04	08	1978-112A	11141		78-12-10		79-01-08	89-10-14
	05	05	1980-011A	11690		80-02-09		80-02-27	83-11-28
	06	09	1980-032A	11783		80-04-26		80-05-16	91-03-06
	07					81-12-18		Launch failure
	08	11	1983-072A	14189		83-07-14		83-08-10	93-05-04
	09	13	1984-059A	15039		84-06-13		84-07-19	94-06-20
	10	12	1984-097A	15271		84-09-08		84-10-03	95-11-18
	11	03	1985-093A	16129		85-10-09		85-10-30	94-04-13
Block II
II-1	14	14	1989-013A	19802	E-1	89-02-14	Cs	89-04-15	05:02 UT
II-2	13	02	1989-044A	20061	B-3	89-06-10	Cs	20:46 UT	20:46 UT
II-3	16	16	1989-064A	20185	E-5	89-08-18	Cs	89-10-14	20:21 UT
II-4	19	19	1989-085A	20302	A-4	89-10-21	Rb	89-11-23	03:13 UT
II-5	17	17	1989-097A	20361	D-3	89-12-11	Cs	90-01-06	03:30 UT
II-6	18	18	1990-008A	20452	F-3	90-01-24	Cs	90-02-14	22:26 UT
II-7	20	20	1990-025A	20533		90-03-26		90-04-18	96-05-10
II-8	21	21	1990-068A	20724	E-2	90-08-02	Cs	90-08-22	15:00 UT
II-9	15	15	1990-088A	20830	D-2	90-10-01	Cs	90-10-15	00:39 UT
Block IIA
II-10	23	23	1990-103A	20959	E-4	90-11-26	Cs	90-12-10	23:45 UT
II-11	24	24	1991-047A	21552	D-1	91-07-04	Rb	91-08-30	04:44 UT
II-12	25	25	1992-009A	21890	A-2	92-02-23	Cs	92-03-24	11:00 UT
II-13	28	28	1992-019A	21930		92-04-10		92-04-25
II-14	26	26	1992-039A	22014	F-2	92-07-07	Rb	92-07-23	19:43 UT
II-15	27	27	1992-058A	22108	A-3	92-09-09	Cs	92-09-30	20:08 UT
II-16	01	01	1992-079A	22231	F-1	92-11-22	Cs	92-12-11	14:49 UT
II-17	29	29	1992-089A	22275	F-4	92-12-18	Rb	93-01-05	16:39 UT
II-18	22	22	1993-007A	22446	B-1	93-02-03	Cs	93-04-04	05:20 UT
II-19	31	31	1993-017A	22581	C-3	93-03-30	Cs	93-04-13	20:53 UT
II-20	07	07	1993-032A	22657	C-4	93-05-13	Cs	93-06-12	16:15 UT
II-21	09	09	1993-042A	22700	A-1	93-06-26	Cs	93-07-20	12:54 UT
II-22	05	05	1993-054A	22779	B-4	93-08-30	Cs	93-09-28	19:29 UT
II-23	04	04	1993-068A	22877	D-4	93-10-26	Cs	93-11-22	18:20 UT
II-24	06	06	1994-016A	23027	C-1	94-03-10	Cs	94-03-28	14:20 UT
II-25	03	03	1996-019A	23833	C-2	96-03-28	Cs	96-04-09	21:17 UT
II-26	10	10	1996-041A	23953	E-3	96-07-16	Cs	96-08-15	15:05 UT
II-27	30	30	1996-056A	24320	B-2	96-09-12	Cs	96-10-01	15:28 UT
II-28	08	08	1997-067A	25030	A-5	97-11-06	Rb	97-12-18	15:24 UT
Block IIR
IIR-1	42	12	97-01-17			Launch failure
IIR-2	43	13	997-035A	24876	F-5	97-07-23	Rb	98-01-31	00:57 UT

Notes: oben
1.  NORAD Catalog Number is also known as U.S. Space Command (USSPACECOM) object number and NASA catalog number.
2.  No orbital plane position = satellite no longer operational.
3.  Clock:  Rb = Rubidium; Cs = Cesium.
4.  Selective Availability (S/A) had been enabled on Block II satellites during part of 1990; S/A off between about 10 August 1990 and 1 July 1991 due to Gulf crisis; standard level re-implemented on 15 November 1991; occasionally off for test and other purposes.  Currently, PRN15 appears to have little or no S/A imposed.
5.  Anti-spoofing (A-S) was activated on 94-01-31 at 00:00 UT on all Block II satellites (ref. NANU 050-94042); occasionally off for test and other purposes.
6.  Decommissioning dates:
The decommissioning date for PRN06/SVN03 is the date of termination of operations of this satellite (ref. USNO) and is about 3 weeks later than other published dates for "deactivation". PRN20 has been unusable since 10 May 1996 according to NANU 118-96204 although it was set usable between 07:36 UT on 20 May 1996 and 22:42 UT on 21 May 1996 (ref. NANUs 094-96141 and 095-96142). PRN28 was last usable on 4 November 1996 at 16:34 UT (ref. NANU 179-96309). It was declared inoperable in May 1997.  It was removed from the broadcast almanacs of all satellites on 15 August 1997.  See Navstar GPS Constellation Status report of 6 November 1997 for more information.
7.  PRN number of SVN32 was changed from 32 to 01 on 93-01-28.
8.  PRN05 and PRN06 are equipped with corner-cube reflectors for satellite laser ranging (SLR).  SLR tracking of the satellites will permit onboard clock errors and satellite ephemeris errors in GPS tracking to be differentiated.
9.  PRN08 was declared operational on 18 December 1997 at 15:24 UT (ref. NANU 97121).
10. PRN13 was declared operational on 31 January 1998 at 00:57 UT (ref. NANU 98020).
11. PRN26's active clock was switched from a cesium to a rubidium on 10 March 1998 (ref. NANUs 1998030, 1998035, and USNO).
Compiled by Richard B. Langley , Dept. of Geodesy and Geomatics Engineering (University of New Brunswick).

Jeder Satellit ist nummeriert und gibt sich so auch dem Empfänger zu erkennen. Wie sich zeigt, sind die älteren Block I-Satelliten komplett ausgefallen oder wurden abgeschaltet; die Block II/IIA-Satelliten arbeiten hingegen in vollem Umfang und dienen der GPS-Navigation. Die 845 kg schweren Satelliten (Abb. 2.1.2) besitzen eine mittlere Lebensdauer von ca. 8 Jahren und werden über Solarflügel mit Strom versorgt. An Bord sind ein Radio-Transceiver, eine Cäsium/Rubidium-Atomuhr, div. Mikroprozessoren und weiteres Steuerequipment untergebracht. Jeder Satellit verfügt über ein eigenes, kleines Antriebssystem zur Lagekorrektur. Die Hauptaufgaben des GPS-Satelliten sind nach Brinkkötter-Runde (1995):

• Empfangen und Speichern, der vom terrestrischen Kontrollsegment übertragenen Informationen
• Einfache Datenverarbeitung mittels Mikroprozessoren
• Vorhalten einer auf 10 -13 Sekunden genauen Uhrzeit (Atomuhr)
• Bahnkorrekturen durch Steuerungselemente

Abb. 2.1.2: NAVSTAR-GPS-Satellit im Orbit  Brinkkötter-Runde (1995)

Das Kontrollsegment

Die GPS-Satelliten werden über unterschiedliche Bodenstationen in ihrer Funktionalität überwacht und gesteuert. Dieses sogenannte Kontroll- oder auch Bodensegment nimmt folgende Aufgaben war:

• Kontrolle des Gesamtsystems
• Datenverarbeitung und Datenübermittlung
• Bestimmung der GPS-Systemzeit

  (Atomuhr)

• Vorausberechnung der Navigationsdaten und Bahnephemeriden bzw. Steuerung der Satelliten

Die GPS-Satelliten werden über unterschiedliche Bodenstationen in ihrer Funktionalität überwacht und gesteuert. Das Operationelle Kontrollsegment (OCS) besteht aus der Master Control Station in Colorado Springs, CO, USA, drei Monitorstationen mit Bodenantennen in Diego Garcia, Ascension und Kwajalein sowie zwei weiteren Monitorstationen in Colorado und Hawaii (Abb. 2.1.3).

Abb. 2.1.3: Das GPS-Kontrollsegment  modifiziert nach Brinkkötter-Runde (1995)

Aufgabe der Monitorstationen ist das Empfangen der Signale vom Satelliten und das Berechnen der Entfernungsdaten. Diese werden dann an die Master Control Station weitergeleitet, welche dann die genauen Satellitenephemeriden ermittelt und evtl.Bahnkorrekturen einleitet. Zusammen mit der Zeitinformation (Atomuhren) werden diese dann über die Bodenantennen an den Satelliten zurückgesandt. All diese Informationen sendet der Satellit nun wiederum an die Empfänger der GPS-Nutzer, wo letztlich die Positionsbestimmung erfolgt.

Das Nutzersegment

Das Nutzersegment stellt von allen drei notwendigen Segmenten des Gesamtsystems den wohl breitgefächersten bzw. individuell verschiedenartigst gestalteten Hardware-Bereich dar. Prinzipiell wird das Segment aber immer durch einen GPS-Empfänger repräsentiert, der je nach Typ, Bauart und Anwendung (zivil oder militärisch) in technischen Details voneinander abweicht.

Die Hauptunterschiede bei GPS-Empfängern liegen in der Art der Signalakquisition und Datenverarbeitung: Einfrequenzempfänger arbeiten immer nur mit dem sog. L1-Signal (1575,42 MHz), Doppelfrequenzempfänger entsprechend mit dem L1- und L2-Signal (1575,42 + 1227,60 MHz). Nach Petersen (1990) können beide Typen in empfangstechnisch in drei Klassen eingeteilt werden:

• Sequentielle Empfänger: Diese Empfänger verfügen über ein oder max. zwei Hardwarekanäle mit denen die Signale mehrerer Satelliten nur zeitversetzt empfangen werden können. Dies wirkt sich negativ auf die Dauer und Genauigkeit der Positionsbestimmung aus (entsprechende Geräte stammen aus der Frühzeit der Entwicklung und finden heute kam noch Verwendung!)
  
• Multiplexempfänger: Obwohl dieser Typ nur einen Hardwarekanal besitzt, kann im Millisekundentakt auf die Signale aller verfügbaren Satelliten umgeschaltet werden, was zu einer Pseudo-Mehrkanalfunktionalität führt. Die Datenakquisition läuft rascher, die Position ist genauer (dieser Empfänger findet noch vereinzelt Einsatz, wird aber auch zunehmend vom Markt verdrängt)
  
• Mehrkanalempfänger: Dieser heute am weitesten verbreitete Empfängertyp arbeitet synchron mit tw. bis zu mehreren hundert (!) Kanälen und ist auf alle weltweit verfügbaren Systeme (GPS, GLONASS, GALLILEO etc.) vorbereitet. Zusätzlich werden sequentielle Kanäle zur Überwachung und Auswahl aller zur Verfügung stehenden Satelliten herangezogen wird. Die Datenakquisition und Positionierung erfolgt in Echtzeit (realtime) und ist sehr genau (Abb. 2.1.3).

Abb. 2.1.3: Moderner, geodätischer Mehrkanalempfänger der Firma LEICA, Typ VIVA GS 16 und Handgeräte ZENO 10/15 für die mobile GIS Lösung (LEICA, 20017)

Neben der unterschiedlichen Anzahl der zum Empfang des Satellitensignals notwendigen Kanäle spielt auch die Art der  Daten-/Signalverarbeitung eine wichtige, typabhängige Rolle Brinkkötter-Runde (1995).

 Hier unterscheidet Seeber (1989)

• codeabhängige Empfänger

von

• codefreien Empfängern

Codeabhängige Empfänger können nur Signale verarbeiten, deren Code sie kennen um so an die Navigationinformation zu gelangen. Codefreie Empfänger benötigen diese Information nicht und können auch unterschiedlich verschlüsselte Signale auswerten. Handelsübliche GPS-Empfänger sind meist codeabhängige Geräte, die nur den ungenauen C/A-Code empfangen können. Genauere Ausführungen zu den Signalcodes sollen hier nicht erfolgen, werden aber in Kap.2.3 näher erläutert.