7.1 Aktuelle Entwicklungen
Die GPS-gestützten Navigationshilfen haben in der militärischen und zivilen Nutzergemeinde
rasch Anhänger gefunden und besitzen zudem wachsendes wirtschaftliches Potential. Zusätzlich schreiten
Software- und Hardware-Entwicklung bzgl. der GPS-Technologie mit rasanter Geschwindigkeit voran, so daß
Navigations- und Ortungssysteme auf Basis der Satellitentechnik bereits heute zu Alltag gehören. Der Trend
geht zu kleineren, leistungsstarken Empfängern und kombinierten Sende-/Empfangsanlagen, welche zukünftig
in alle Anwendungsbereiche Einzug halten werden, wo raumbezogenen Daten rasch und möglichst lagegenau
verarbeitet werden sollen.
Obiger Entwicklung stand jedoch die bisherige Charakteristik der zivilen GPS-Datenstruktur mit S/A entgegen! Nach dem Abschalten der SA-Funtionalität über die Zunahme des wirtschaftlichen Druckes hinsichtlich der Verfügbarkeit eines präzisen Signals sind die Hürden für den unverschleierten Empfang einer dem P-Code ähnlicheren Information zunächst genommen. Diese Maßnahme ist auch vor dem Hintergrund eines wachsenden Konkurrenzdruckes zu sehen, da prinzipiell alle weltraumfahrenden Nationen zum Aufbau eines (regionalen) Satelliten-Navigationssystems in der Lage sind und dies z.T. bereits umsetzen (eine ähnliche Entwicklung zeigte sich in den 90'ziger Jahren bei Fernerkundungssatelliten und ihren Daten)! So setzt z.B. die EU auf ein eigenes, GPS-unabhängiges Satellitennavigationssystem GALILEO, welche genauer als GPS arbeiten wird, Letzteres aber miteinbeziehen kann. Seit Anfang 2006 läuft ein wesentlicher teilbereich von GALILEO bereits im Testverfahren (EGNOS). Aus diesem Grunde wird in den USA bereits heute eine Freigabe des P-Signals diskutiert, da andere Nationen bereits seit langem eine höhere allgemeine Positionierungsgüte für den zivilen Bereich anbieten könnten. Kommerziell sind diese Anbieter bis heute jedoch an der ökonomischen Verfügbarkeit leistungsstarker Empfänger gescheitert; ein guter Beispiel hierfür ist das russische System GLONASS. Auch für GALILEO sind noch keine Empfänger im Handel - dies wird sich vmtl. in naher Zukunft ändern.
GLONASS
Auch in die ehemalige Sovietunion wurde Anfang der 70'er Jahre ein für den militärischen Einsatz konzipiertes, weltweit einsetztbares und jederzeit verfügbares Satelliten-Navigationsystem entwickelt. Bereits 1966 wurde der Prototyp CIKADA in Betrieb genommen und 1982 durch das Global Navigation Satellite System (GLONASS) ersetzt. Dieses liefert seitdem Navigationdaten hauptsächlich für die Marine. Anders als in den USA betrachtete man die zivile Nutzung des Systems nicht als Gefährdung der militärischen Belange, so daß keine Einschränkungen für die zivilen Nutzer vorgesehen wurde!
Der erste GLONASS Satellitenstart erfolgte 1982 (mit drei Satelliten); es folgen mehrere Ergänzungsorbits, so daß zwischen 1990 und 1991 das System mit zwölf Satelliten erfolgreich getestet werden konnte. Daraufhin gab die UDSSR bekannt, daß die GLONASS-Signale ohne Einschränkung für eine internationale Nutzung zur Verfügung stehen würden. Diese Angebot wurde nach Auflösung der UDSSR von der Administration Rußlands erneuert! 1993 gab Präsident Jelzin bekannt, daß GLONASS operationell einsatzfähig sei und sich im vollen kontinuierlichem Betrieb befinde. Heute befinden sich 24 Satelliten des Systems im Orbit.
Die grundsätzliche technische Systemkonfiguration ähnelt der des GPS. Diese Übereinstimmung hat in den letzten Jahren auch zur Entwicklung und Produktion geeigneter GLONASS-Empfänger für den zivilen Bereich geführt, welche z.T. beide Systeme alternativ oder kombiniert benutzen können (Mansfeld, 1998) .
Auch GLONASS umfaßt drei Segmente:
- ein Raumsegment
- ein Kontrollsegment
- ein Nutzersegment
Das Raumsegment besteht aus 24 Satelliten, die gleichmäßig auf drei Orbits verteilt sind (Abb. 7.1.1). Die Bahnebenen haben einen Abstand von 120°, wobei jeder Satellit eine Kreisbahn um die Erde in eine Höhe von etwa 19.000 km mit einer 64,8° Inklination gegenüber dem Äquator beschreibt. Die Bahnperiode liegt bei 11h und 16' Sonnenzeit.
Abb. 7.1.1: Schematische Konstellation der Satellitenorbits von GLONASS (Mansfeld, 1998)
Die gewählte Mindest-Konstellation von 21 Satelliten gewährleistet eine kontinuierliche Sichtbarkeit von mindestens fünf Trabanten für 99% der Erdoberfläche! Abbildung 7.1.2 zeigt die Projektion der Satellitenbahnen zum Zeitpunkt 21.08.95 um 1.17 Uhr UTC.
Abb. 7.1.2: Projektion der Bahnen von Satelliten des GLONASS auf den Äquator (Mansfeld, 1998)
Aufgrund des Betriebskonzeptes mit 21 Satelliten überprüft das GLONASS-Kontrollsegment ständig die Leistungsfähigkeit von allen 24 Satelliten und aktiviert immer nur die besten 21; die übrigen drei gelten als Reserve. Momentan überlegt man, ob die Gesamtzahl der künstlichen Trabanten auf 27 angehoben werden sollte, wobei 24 ständig im Einsatz wären. Auch die GLONASS-Satelliten werden in zwei unterschiedliche Generationen eingeteilt. Block I stellt den ersten, älteren Satz dar, wobei keiner der Satelliten noch aktiv ist. Block II ist monentan im Einsatz; die mittlere Lebensdauer beträgt nur 3 Jahre, was regelmäßige Austauschvorhaben zur Folge hat.
Im Satelliten befindet sich ein Navigationssystem, ein Kontroll- und Regelsystem, das Fluglageregelsystem, ein Manövriersystem, Temperaturfühler und Elektroenergiesystem (Sonnensegel). Das Navigationssystem ist das Herzstück des Satelliten: Es empfängt und sendet die Navigationsinformationen und enthält die drei Frequenznormalen (Cs-Uhren!). Die Navigationsnachricht wird auf zwei unterschiedlichen Frequenzbändern gesendet (L 1 und L 2 ) und werden als Kanalfrequenzen bezeichnet. Das Verfahren ähnelt somit der Rundfunk- und Fernsehtechnik (Frequenz-Multiplexzugriff = FDMA).
Genau wie bei dem GPS gibt es eine C/A-Code und einen P-Code mit vergleichbaren Aufgaben und Zugänglichkeiten! Der C/A-Code hat folgende Charakteristik:
| Code-Typ | Code maximaler Länge eines 9-bit Registers |
| Codegeschwindigkeit | 0,511 x 10 6 chip/s |
| Codelänge | 511 chip |
| Codeperiode | 1 ms |
Der Vorteil des relativ kurzen Codes ist die geringe Erfassungszeit, welche zu einem schnelleren Einrasten des Empfängers führt. Allerdings hat der kurze Code den Nachteil unerwünschter Frequenzkomponenten bei 1KHz, die in einer Verringerung der Interferenzunterdrückung durch die Spektrumsspreizung resultiert (Mansfeld, 1998).
Der P-Code ist wie beim GPS für die militärische Nutzung vorgesehen. Er besitzt folgende Charakteristik:
| Code-Typ | Code maximaler Länge eines 25-bit Registers |
| Codegeschwindigkeit | 0,511 x 10 6 chip/s |
| Codelänge | 33554432 chip |
| Codeperiode | 1 s |
Der Code enthält 511 x 10 6 mögliche Codephasenverschiebungen, deshalb wird vom Empfänger zunächst der kurze C/A-Code benutzt und erst danach erfolg das 'Einrasten' in den P-Code. Da sich der P-Code bereits zu jeder Sekunde wiederholt, erfolgt das Einrasten ohne die Schwierigkeiten des P-Codes beim vergleichbaren GPS. Weiterhin bedarf es keines Übergabewortes (HOW); dafür bietet der GPS-Code jedoch eine höhere Sicherheit gegen Mißbrauch!
Die Navigationsmitteilung des GLONASS enthalten
- Ephemeriden der Satelliten
- Frequenzkanalzuteilung
- Synchronisationsdaten
- Informationen über den Betriebszustand der Satelliten
- Korrekturdaten
- Alter der Daten
Die Navigationsmitteilung von C/A- und P-Code unterscheiden sich voneinander: Die C/A-spezifische Navigationsmitteilung besteht aus einem Rahmen mit fünf Unterrahmen zu je 15 Zeilen. Jede Zeile enthält 100 Informationsbits. Die Übertragung eines Unterrahmens dauert etwa 30 s, ein kompletter Rahmen somit ca. 2,5 min (Mansfeld, 1998). Die ersten drei Unterrahmen enthalten die Ephemeridendaten des Satelliten, welcher die Navigationsmitteilung aussendet; in den weiteren Reihen befinden sich die angenäherten Daten der anderen GLONASS-Satelliten. Jeder Unterrahmen kann die Ephemeriden von fünf Satelliten aufnehmen, so daß im ungünstigsten Fall die Information bzgl. eines beliebigen Satelliten evtl. erst nach 2,5 Minuten vorliegen kann!
Die P-Code-Navigationsmitteilung besteht aus einem Rahmen mit 72 Unterrahmen zu je fünf Zeilen und 100 Informationsbits. Die Übertragung eines Unterrahmens dauert 10 s und die des kompletten Rahmens also 12 Minuten! Die Daten sind gegenüber dem C/A-Code genauer und umfangreicher, so daß die Meßergebnisse beim Nutzer zu geringeren Fehlern führen, allerdings erhält er diese bzgl. eines beliebigen Satelliten ggf. erst nach 12 Minuten!
Der Meßvorgang bei GLONASS ähnelt dem des GPS; im Gegensatz hierzu erfolgt jedoch bei GLONASS die Selektion der einzelnen Satelliten mittels der unterschiedlichen Frequenzen der vom jeweiligen Satelliten ausgestrahlten L 1 und L 2 Frequenzen. Das 'Einrasten' wie beim GPS ist also eher ein 'Frequenzumschalten' im GLONASS-Empfänger! Da im Vergleich zum GPS der P-Code relativ kurz ist, erfolgt die Übergabe immer unter Berücksichtigung des gesamten Codes.
Für die zivile Nutzung steht beim GLONASS nur der C/A-Code zur Verfügung. Da dieser jedoch nicht durch die S/A-Funktion beeinträchtigt wird, liegen die im Mittel erreichbaren Genauigkeiten (besser: Fehlerbehaftung!) bei etwa 25 m (RMS); beim GPS betrug diese immerhin 100 m mit S/A! Die höhere Genauigkeit liegt bei GLONASS nicht nur in der fehlenden S/A-Beeinträchtigung begründet, sondern wird zusätzlich auch durch eine günstigere geometrische Verteilung der Orbits und damit kleineren DOP-Faktoren unterstützt (Abb. 7.1.3). Nach Abschalten der SA auf GPS-Seite sind nun beide Systeme bzgl. der Genauigkeit vergleichbar!
Abb. 7.1.3: Positionsfehler C/A-Code von GLONASS in Abhängigkeit zum HDOP-Faktor (Mansfeld, 1998)
Weiterentwicklung von GLONASS
1994 wurde von Rußland in Aussicht gestellt, daß eine Verbesserung, Erweiterung und internationale Angleichung von GLONASS auch an das GPS angestrebt wird. Hierzu wurde das Programm GLONASS-M initiiert, wobei folgende Teilziele avisiert wurden:
- Modifizierung und Modernisierung der Satelliten
- Erweiterung um ein Subsystem für die Kommunikation
- Erweiterung des Kontrollsegmentes
- Verbesserung der Systemacharakteristik durch Veränderung von Trägern und Signalen
Die Modifizierung der Satelliten betrifft vor allem die Erhöhung der Lebensdauer auf mindestens fünf Jahre (abhängig von der verwendeten Atomfrequenznormalen). Darüber hinaus soll eine Erweiterung des Subsystems durch mehrere geostationäre Satelliten erfolgen. Eng hiermit verknüpft ist eine weltweite Erweiterung der Bodenkontrollsegmente, damit auch Korrekturdaten ausgesandt und zu einem Differentiellen-GLONASS (DGLONASS) verknüft werden können. Innerhalb des Systems selbst soll die L1-Frequenz auf 1598,0625 bis 1605,3756 MHz verschoben werden, da hier dem Standard der Internationalen Telekommunikation entsprochen werden muß.
Als wichtigste Neuerung wird die Aussendung von Synchronisationsdaten im Hinblick auf das GPS angesehen, da hier die Möglichkeit zur kombinierten Nutzung von GLONASS und GPS eröffnet werden soll. Weiterhin ist an eine automatisierte Flugverkehrsüberwachung gedacht. Zielsetzung sind die in Abbildung 7.1.4 angestrebten Sollwerte der Genauigkeiten von GPS und GLONASS im C/A-Mode.
Abb. 7.1.4: Angestrebte Positiongenauigkeiten im C/A-Mode von GLONASS und GPS bzw. in ihrer Kombination (Mansfeld, 1998)
Prototypische Kombination von GPS und GLONASS
Seit 1996 wurden erste prototypische Ortungen mittels Kombination von GPS und GLONASS durchgeführt. Die Vorteile liegen in der Verdopplung der Anzahl verfügbarer Satelliten und die damit höhere Wahrscheinlichkeit günstige geometrische Konstellationen abzugreifen (Sichtbarkeit!); zusätzlich entfällt bei GLONASS immer die SA-Beeinträchtigung, wobei dies grundsätzlich zur einer zweifachen Verbesserung der Genauigkeit führt (vgl. Abb. 7.1.5 und 7.1.6).
Abb. 7.1.5: Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Sichtbarkeit von Satelliten von GLONASS und GPS bzw. in ihrer Kombination (Mansfeld, 1998)
Abb. 7.1.6: Gleichzeitige Sichtbarkeit von Satelliten von GLONASS und GPS in Europa und
Mittelasien (Mansfeld, 1998)
Ein weiterer gravierender Vorteil ist die deutliche Verringerung der (H,V)DOP's und damit die weitere Einschränkung des Positionsfehlers (Abb. 7.1.7)! Die DOP-Fehler liegen im Dauertest der Kombination (24 h) deutlich unterhalb vorheriger Werte.
Abb. 7.1.7: DOP-Faktoren von GLONASS und GPS (je 24 Satelliten) in Kombination
(Mansfeld, 1998)
Unter verschiedensten Betriebsbedingungen wurden gemittelte Positionierungsfehler in der Kombination von max. 20 m gemessen (Abb. 7.1.8). Im ungünstigsten Fall sind weltweit im kombinierten GPS/GLONASS-Einsatz immerhin noch neun Satelliten gleichzeitig zu sehen!
Abb. 7.1.8: Positionsfehler über 24 h von a) GPSmit SA, b) GLONASS und c) Kombination GPS/GLONASS (Mansfeld, 1998)
Das Kurzbrevier zu GLONASS (nach dkg/IFAG ):
Welchen Zwecken dient GLONASS ?
- Luft- und Seeverkehr, Steigerung der Sicherheit
- Geodäsie und Kartographie
- Überwachung des Landverkehrs
- Zeitsynchronisation aus der Ferne von jedem beliebigen Objekt aus
- Überwachung der Umwelt, Organisation von Such- und Rettungsaktionen
GLONASS-Leistungen
Das GLONASS-System wird von den Russischen Weltraum-Streitkräften - als Systemoperator - für die Regierung der russischen Föderation betrieben und bietet auch für die zivilen Nutzer aufgrund seiner Anwendungsbreite bedeutende Vorzüge. Das GLONASS-System besitzt zwei verschiedene Navigationssignale:
- das normalpräzise Navigationssignal (SP=C/A) und
- das hochpräzise Navigationssignal (HP=P).
Die Dienste der SP-Positions- und Zeitbestimmung sind allen zivilen GLONASS-Nutzern ständig und weltweit zugänglich und bieten die Möglichkeit, horizontale Lagegenauigkeiten von 57-70 Metern (Wahrscheinlichkeit von 99,7 %) zu erzielen, vertikale Lagegenauigkeiten von 70 Metern (Wahrscheinlichkeit von 99,7 %), Messkomponenten des Geschwindigkeitsvektors mit einer Genauigkeit von 15 cm/s Wahrscheinlichkeit von 99,7 %) und einer Zeitgenauigkeit von 1 µs (Wahrscheinlichkeit von 99,7 %). Diese Eigenschaften können bei Verwendung des differentialen Navigationsmodus und besonderen Messmethoden noch bedeutend verbessert werden (z.B. Trägerphase usw.)
Geschichte von GLONASS - Vergangenheit
Der erste Satellit vom Typ GLONASS (COSMOS 1413) wurde am 12.Oktober 1982 gestartet. Das GLONASS-System wurde offiziell am 24. September 1993 durch Verordnung des Präsidenten der Russischen Föderation in Betrieb genommen.
Chronologische GLONASS-Starts
| Blocknr. | GLONASSnr. | COSMOSnr. | Launch date | date | Intro Status | NN |
| 1 | - | 1413 | 12.10.82 | 10.11.82 | withdrawn since 30.03.84 | 1 |
| 2 | - | 1490 | 10.08.83 | 02.09.83 | withdrawn since 29.10.85 | 2 |
| 2 | - | 1491 | 10.08.83 | 31.08.83 | withdrawn since 09.06.88 | 3 |
| 3 | - | 1519 | 29.12.83 | 07.01.84 | withdrawn since 28.01.88 | 4 |
| 3 | - | 1520 | 29.12.83 | 15.01.84 | withdrawn since 16.09.86 | 5 |
| 4 | - | 1554 | 19.05.84 | 05.06.84 | withdrawn since 16.09.86 | 6 |
| 4 | - | 1555 | 19.05.84 | 09.06.84 | withdrawn since 17.09.87 | 7 |
| 5 | - | 1593 | 04.09.84 | 22.09.84 | withdrawn since 28.11.85 | 8 |
| 5 | - | 1594 | 04.09.84 | 28.09.84 | withdrawn since 16.09.86 | 9 |
| 6 | - | 1650 | 18.05.85 | 06.06.85 | withdrawn since 28.11.85 | 10 |
| 6 | - | 1651 | 18.05.85 | 04.06.85 | withdrawn since 17.09.87 | 11 |
| 7 | - | 1710 | 25.12.85 | 17.01.86 | withdrawn since 06.03.89 | 12 |
| 7 | - | 1711 | 25.12.85 | 20.01.86 | withdrawn since 17.09.87 | 13 |
| 8 | - | 1778 | 16.09.86 | 17.10.86 | withdrawn since 05.07.89 | 14 |
| 8 | - | 1779 | 16.09.86 | 17.10.86 | withdrawn since 24.10.88 | 15 |
| 8 | - | 1780 | 16.09.86 | 17.10.86 | withdrawn since 12.10.88 | 16 |
| 9 | - | 1838 | 24.04.87 | - | failed launch | 17 |
| 9 | - | 1839 | 24.04.87 | - | failed launch | 18 |
| 9 | - | 1840 | 24.04.87 | - | failed launch | 19 |
| 10 | - | 1883 | 16.09.87 | 10.10.87 | withdrawn since 06.06.88 | 20 |
| 10 | - | 1884 | 16.09.87 | 09.10.87 | withdrawn since 20.08.88 | 21 |
| 10 | - | 1885 | 16.09.87 | 05.10.87 | withdrawn since 07.03.89 | 22 |
| 11 | - | 1917 | 17.02.88 | - | failed launch | 23 |
| 11 | - | 1918 | 17.02.88 | - | failed launch | 24 |
| 11 | - | 1919 | 17.02.88 | - | failed launch | 25 |
| 12 | - | 1946 | 21.05.88 | 01.06.88 | withdrawn since 10.05.90 | 26 |
| 12 | 234 | 1947 | 21.05.88 | 03.06.88 | withdrawn since 18.09.91 | 27 |
| 12 | 233 | 1948 | 21.05.88 | 03.06.88 | withdrawn since 18.09.91 | 28 |
| 13 | - | 1970 | 16.09.88 | 20.09.88 | withdrawn since 21.05.90 | 29 |
| 13 | - | 1971 | 16.09.88 | 28.09.88 | withdrawn since 30.08.89 30 | 30 |
| 13 | 236 | 1972 | 16.09.88 | 03.10.88 | withdrawn since 12.08.92 31 | 31 |
| 14 | 239 | 1987 | 10.01.89 | 01.02.89 | withdrawn since | 32 |
| 14 | 240 | 1988 | 10.01.89 | 01.02.89 | withdrawn since | 33 |
| 14 | - | 1989* | 10.01.89 | 04.07.89 | etalon geodetic satellite | |
| 15 | - | 2022 | 31.05.89 | 04.07.89 | withdrawn since | 34 |
| 15 | - | 2023 | 31.05.89 | 15.06.89 | withdrawn since | 35 |
| 15 | - | 2024* | 31.05.89 | etalon geodetic satellite | ||
| 16 | 242 | 2079 | 19.05.90 | 20.06.90 | withdrawn since 17.08.94 | 36 |
| 16 | 228 | 2080 | 19.05.90 | 17.06.90 | withdrawn since 27.08.94 | 37 |
| 16 | 229 | 2081 | 19.05.90 | 11.06.90 | withdrawn since 20.01.93 | 38 |
| 17 | 247 | 2109 | 08.12.90 | 01.01.91 | withdrawn since 10.06.94 | 39 |
| 17 | 248 | 2110 | 08.12.90 | 29.12.90 | withdrawn since 20.01.94 | 40 |
| 17 | 249 | 2111 | 08.12.90 | 28.12.90 | is part of constellation | 41 |
| 18 | 750 | 2139 | 04.04.91 | 28.04.91 | withdrawn since 14.11.94 | 42 |
| 18 | 753 | 2140 | 04.04.91 | 28.04.91 | withdrawn since 04.06.93 | 43 |
| 18 | 754 | 2141 | 04.04.91 | 04.05.91 | withdrawn since 16.06.92 | 44 |
| 19 | 768 | 2177 | 30.01.92 | 24.02.92 | withdrawn since 29.06.93 | 45 |
| 19 | 769 | 2178 | 30.01.92 | 22.02.92 | is part of constellation | 46 |
| 19 | 771 | 2179 | 30.01.92 | 18.02.92 | is part of constellation | 47 |
| 20 | 756 | 2204 | 30.07.92 | 19.08.92 | is part of constellation | 48 |
| 20 | 772 | 2205 | 30.07.92 | 29.08.92 | withdrawn since 27.08.94 | 49 |
| 20 | 774 | 2206 | 30.07.92 | 25.08.92 | is part of constellation | 50 |
| 21 | 773 | 2234 | 17.02.93 | 14.03.93 | withdrawn since 17.08.94 | 51 |
| 21 | 759 | 2235 | 17.02.93 | 25.08.93 | is part of constellation | 52 |
| 21 | 757 | 2236 | 17.02.93 | 14.03.93 | is part of constellation | 53 |
| 22 | 758 | 2275 | 11.04.94 | 04.09.94 | is part of constellation | 54 |
| 22 | 760 | 2276 | 11.04.94 | 18.05.94 | is part of constellation | 55 |
| 22 | 761 | 2277 | 11.04.94 | 16.05.94 | is part of constellation | 56 |
| 23 | 767 | 2287 | 11.08.94 | 07.09.94 | is part of constellation | 57 |
| 23 | 770 | 2288 | 11.08.94 | 04.09.94 | is part of constellation | 58 |
| 23 | 775 | 2289 | 11.08.94 | 07.09.94 | is part of constellation | 59 |
| 24 | 762 | 2294 | 20.11.94 | 11.12.94 | is part of constellation | 60 |
| 24 | 763 | 2295 | 20.11.94 | 15.12.94 | is part of constellation | 61 |
| 24 | 764 | 2296 | 20.11.94 | 16.12.94 | is part of constellation | 62 |
| 25 | 765 | 2307 | 07.03.95 | 30.03.95 | is part of constellation | 63 |
| 25 | 766 | 2308 | 07.03.95 | 05.04.95 | is part of constellation | 64 |
| 25 | 777 | 2309 | 07.03.95 | 05.04.95 | is part of constellation | 65 |
| 26 | 780 | 2316 | 24.07.95 | 26.08.95 | is part of constellation | 66 |
| 26 | 781 | 2317 | 24.07.95 | 22.08.95 | is part of constellation | 67 |
| 26 | 785 | 2318 | 24.07.95 | 22.08.95 | is part of constellation | 68 |
Note: all the dates (DD.MM.YY) are given at Moscow Time (UTC+0300)
Wie GLONASS funktioniert
Zur Durchführung von 3 D-Positionierungen, Geschwindigkeitsmessungen und Zeitbestimmungen verwendet der GLONASS-Nutzer Navigationsfunksignale, die von Satelliten ständig ausgesendet werden. Jeder GLONASS-Satellit überträgt zwei Signaltypen; Standardgenauigkeit (SP) und Hochgenauigkeit (HP). Das SP-Signal L1 hat Frequenzteilung mit multiplem Zugriff im L-Band: L1 = 1602 MHz + n0.5625 MHz, wobei "n" die Nummer des Frequenzkanals ist (n=0,1,2 ...). Das bedeutet, dass jeder Satellit Signale in seiner eigenen Frequenz ausstrahlt, die sich von der anderer Satelliten unterscheidet. Einige Satelliten besitzen jedoch die gleichen Frequenzen, aber diese Satelliten sind in antipodischen Slots der Umlaufebenen plaziert und erscheinen nicht zur gleichen Zeit im Sichtbereich des Nutzers. GLONASS-Empfänger empfangen automatisch Navigationssignale von mindestens 4 Satelliten und messen ihre Pseudoranges und ihre Geschwindigkeiten. Gleichzeitig wählen sie die Navigationsbotschaft aus den Satellitensignalen aus und verarbeiten sie. Die Computer der GLONASS-Empfänger verarbeiten alle eingegebenen Daten und berechnen drei Koordinaten, drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors und die genaue Zeit.
Die einzelnen Bestandteile des GLONASS-Systems
Zusammensetzung des GLONASS - GLONASS besteht aus 3 Teilen (s.o.):
- GLONASS-Konstellation (Raumsegment)
- Bodenkontrollkomplex
- Navigationsgeräte der GLONASS-Nutzer
GLONASS-Systemzeit
Die GLONASS-Satelliten sind mit Cäsiumuhren ausgestattet, deren tägliche Schwankungen 5x10E(-13) nicht
überschreitet. Diese liefern eine Genauigkeit der Satellitenzeitsynchronisation in Bezug auf die GLONASS-Systemzeit
von ca. 15 ns (ein Sigma), wobei zweimal täglich
Uhrenkorrekturen im Satelliten geladen werden. Die GLONASS-Systemzeit (GLONASST) wird auf der Basis der Central
Synchronizer-Zeit erzeugt. Die täglichen Schwankungen der zentralen Synchronizer Wasserstoff-Uhren betragen nur
5x10E(-14). Die Abweichung von GLONASST zu UTC (CIS) sollte höchstens eine Millisekunde betragen. Die Genauigkeit
der Abweichung sollte unter 1 Mikrosekunde betragen.
Bekanntlich erfolgt die gesamte Zeithaltung auf der Erde auf der Grundlage der Internationalen Atomzeit (TAI).
Sie ist das Ergebnis aus Untersuchungen des Bureau International de l'Heure (BIH) in Paris von Daten der Atomuhrstandards
aus vielen Ländern. Die Grundeinheit von TAI ist die SI-Sekunde, definiert als "die Dauer von 9 192 631 770 Perioden
der Schwingung, was der Übertragungszeit zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des
Cäsium-133-Atoms entspricht". Da TAI eine kontinuierliche Zeitskala ist, gibt es bei der praktischen Anwendung ein
Problem: die Erdbewegung verringert sich in bezug auf die Sonne um einen variablen Betrag, der gegenwärtig im Mittel
etwa eine Sekunde pro Jahr beträgt. Auf diese Weise würde TAI eventuell auf störende Weise zum Sonnentag
asynchron werden. Dieses Problem wurde mit der Einfhrung von UTC bewältigt, die im gleichen Rhythmus wie TAI
verläuft, aber um Einsekunden schritte ergänzt wird ("Schaltsekunden"), wenn dies erforderlich ist,
normalerweise Ende Juni oder Dezember eines jeden Jahres.
Bekanntlich hält auch jedes Weltzeitzentrum eine lokale Ausgabe von UTC bereit, deren Epoche und Gang in bezug auf UTC (BIH) regelmässig berwacht und korrigiert werden. UTC (CIS) wird laufendgehalten durch das Main Metrological Center of Russian Time and Frequency Service (VNIIFTRI) in Mendeleevo in der Region Moskau. Wenn UTC um Schaltsekunden erweitert wird, so ist das auch bei GLONASS der Fall. Daher gibt es keine Differenzen in ganzen Sekunden zwischen GLONASST und UTC. Jedoch besteht ein beständiger Ausgleich von drei Stunden zwischen GLONASST und UTC (CIS) wegen der besonderen Gegebenheiten bei der Überwachung von GLONASS.
GLONASST = UTC+3h.00min
Bei GPS wird die GPS-Systemzeit nicht durch Schaltsekunden ergänzt, und es besteht eine Differenz in ganzen Sekunden zwischen GPST und UTC.
GPST-UTC = +10 s und TAI-UTC = +29 s (zur Zeit als dieser Text verfasst wurde)
In jedem Fall: GPST + 19 s = TAI
Differential-GLONASS in Russland
In Russland wurde eine aktive Forschung auf dem Gebiet des "differential" GLONASS-Systems Ende der siebziger Jahre begonnen, d.h. praktisch zur gleichen Zeit, als GLONASS selbst entwickelt wurde. Die Wissenschaftler des Central Research Institute of the Russian Space Forces (TsNII VKS), des Russian Research Institute of Space Device Engineering (RNII KP) und der Scientific Producting Corporation of Applied Mechanics (NPO PM) haben bei diesen Forschungsarbeiten einen aktiven Beitrag geleistet. Jedoch hat sich wegen unterschiedlicher objektiver Gründe eine Einführung von Differential-GLONASS in Russland in die Länge gezogen. Ein Fehlen des selektiven Verfügbarkeitsmodus im GLONASS spielte im gesamten Prozess eine nicht unwichtige Rolle. Die Standardgenauigkeit von GLONASS auf dem Niveau von einigen zehn Metern erfüllte die Forderungen der allgemeinen Nutzer in Russland.
Die Arbeiten auf diesem Gebiet wurden dann 1990-1991 verstärkt fortgesetzt. Dabei sollte angemerkt werden, dass
die Operationszonen einiger ausländischer DGPS-Netze zum Teil Über dem russischen Territorium und seiner
Hoheitsgewässer verstreut sind. Daneben lassen einige ausländische Firmen ein grosses Interesse daran erkennen,
auf den russischen Markt für Nutzerausrüstung zu gelangen und ihre eigenen Differentialsysteme in Russland zu
verbreiten. Unter diesen Umständen steigt das Interesse der russischen Nutzer und der Hersteller von
Nutzerausrüstungen für die Differential-Navigationsformen. Daher wurden die Arbeiten zur Schaffung von Differentialstationen für verschiedenartige Anwendungen beschleunigt.
Zur Zeit ist die Schaffung von lokalen und regionalen Differentialsystemen für die Überwachung des Luftverkehrs und für den Schiffsverkehr geplant. Wenn man die gebietsweise Spezialisierung in Betracht zieht, die im grossen und ganzen dadurch entsteht, dass bestimmte Kanäle für differentiale Korrektionsbertragungen a usgewählt werden, so ist die Nutzung dieser Systeme durch allgemeine Nutzer problematisch. Daher sollte man auf Bemühungen hoffen, in Zukunft andere Differentialsysteme zu schaffen, z.B. der Überwachung des Landverkehrs. Somit kann hier festgestellt werden, dass die Tendenz besteht, das russische Netzwerk von gebietsweisen Differentialsystemen so zu gestalten, dass es sich an bestimmte Nutzer wendet. Diese Systeme sind lokale Differentialsysteme (LADS), und ihre Operationszonen erstrecken sich nicht auf das gesamte russische Territorium. Das Verfahren, die Differentialsysteme durch einfache Vermehrung der LADS-Anzahl auszudehnen, ist zu sehr am wirtschaftlichen Standpunkt orientiert. Daher wird der andere Weg der Ausbreitung von Differential systemen vorgeschlagen.
Im Jahre 1994 entwickelte das zentrale Forschungsinstitut der Russischen Weltraumstreitkräfte gemeinsam mit dem Koordinierenden Wissenschaftlichen Informationszentrum der Russischen Weltraumstreitkräfte (KNITs VKS) ein Projekt zum künftigen russischen Differentialsystem mit Verwendung der auf der Erde befindlichen Infrastruktur der Kontrolleinrichtungen für die russischen Weltraumfahrzeuge. Dieses Differentialsystem wird dann imstande sein, praktisch alle GLONASS-Nutzer in Russland zu bedienen.
Funktionsprinzipien dieses Systems und Algorithmen von Berechnung und Bildung differentieller Korrekturen sind bereits früher entwickelt und untersucht worden, mit Messdaten von den auf der Erde befindlichen Kontrolleinrichtungen, die sich aus den gemeinsamen Arbeiten von TsNII VKS/KNITs VKS/Russische Meeresgeodätische Gesellschaft in Gebieten des Fernen Ostens und Südostasien ergaben.
Eine Analyse der Situation im In- und Ausland zur Entwicklung des Differentialsystems, von TsNII im Jahre 1994
durchgeführt, ergab eindeutig, dass eine isolierte Weiterentwicklung von WADS und LADS den heutigen Erfordernissen
nicht gerecht werden. Um die Entwicklung von separaten Differentialsystemen in Russland und ihre darauffolgende
Integration in das Vereinigte (-Staaten)- Differentialsystem (UDS) zu koordinieren, wurde das Konzept des differentiellen
GLONASS-Systemdesigns zur weiteren Entwicklung bestimmt. Die ressortübergreifende
Resolution "Über die Ausführung von Arbeiten bei Differentialsystemen unterschiedlichen Niveaus und
Systementwicklung mit Integritätsüberwachung" von 1994 enthält diese Bestimmung. Das Konzept wurde
von den Russischen Weltraumstreitkräften (VKS) zusammen mit der Russischen Raumfahrtbehörde (RKA) und dem
Ministerium für Verkehr entwickelt. Zur Zeit liegt die erste Fassung des Dokuments den zuständigen Ministerien
und Behörden zur Zustimmung vor.
UDS - Konzept
In dem Konzept ist vorgesehen, dass das russische Differentialsystem eine dreistufige hierarchische Struktur erhält, einschliesslich WADS, RADS und LADS. Jede Stufe des UDS ist ein autonomes System, das seine eigenen Aufgaben erfüllt. Zusammen bilden die Systeme ein vereintes System, das den Nutzern genaue Navigationsdienste leistet. Die erste Stufe des UDS ist das weiträumige Differentialsystem WADS, das folgendes leistet:
- Sammeln und Verarbeiten von Daten aus den Überwachungsstationen, Differentialstationen zweiter und dritter Ordnung, zur sofortigen Korrektur der Parameter des regionalen Ionosphärenmodells sowie GLONASS-Ephemeriden, Uhrenkorrekturen und Integritätsdaten;
- Übertragung benötigter WADS-Daten auf Differentialstationen zweiter und dritter Ordnung oder direkt auf die Nutzer;
- Interaktion zwischen dem WADS und dem GLONASS-Kontrollzentrum (Abteilung Navigationsüberwachung im Gelände).
Die erforderliche Anzahl an Differentialstationen erster Ordnung liegt bei drei bis fünf. Jede der Stationen ist das WADS-Zentrum. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung innerhalb eines 1500-2000 km grossen Gebietes liegt bei 5 bis 10 Metern. Unserer Meinung nach kann die Strukturierung des Netzes Differentialstationen erster Ordnung auf der Grundlage der vorhandenen Infrastruktur des russischen Kontrollkomplexes für Weltraumfahrzeuge erfolgen, das Kontrollstationen auf der Erde, Datenaustauschsysteme und leistungsfähige Rechenanlagen umfasst.
Folgende Umstände sprechen für ein solches Vorhaben:
- die auf der Erde stationierten Teile der russischen Weltraumfahrzeugkontrolle befinden sich weit verstreut über ganz Russland, wodurch eine komplette Erfassung der russischen Hauptregionen durch die Differentialdienste möglich ist;
- die Infrastruktur der russischen Weltraumfahrzeugkontrolle bietet ausgezeichnete Möglichkeiten zum Sammeln und Verarbeiten von Navigationsdaten von vielen Standorten;
- der einfachste Weg, ein Zusammenspiel zwischen dem GLONASS-Kontrollkomplex und den Einrichtungen des Differentialsystems zu erreichen, geht über das WADS. WADS wiederum nutzt die Daten aus RADS und LADS
Die zweite Stufe des UDS ist das regionale Differentialsystem RADS (spezielles Differentialsystem), das geschaffen wird, um die hochentwickelten Regionen mit einer starken Wirtschaft und sehr vielen Nutzern zu bedienen. RADS kann in Gebieten mit viel Verkehr (Luft, Wasser, Strasse, Schiene), schwierigen Wetterbedingungen, sich entwickelnder Vermessungsstruktur usw. aufgebaut werden.
Die Genauigkeit von Positionsbestimmungen durch Diffferentialstationen zweiter Ordnung innerhalb eines Bereichs von 500 km beträgt 3 bis 10 m.
Die dritte Stufe der UDS ist das LADS, das lokal für besondere wirtschaftliche, wissenschaftliche oder
militärische Anwendungen aufgebaut wird. Das LADS wird zudem imstande sein, Sonderarbeiten (zeitweise) in
kleineren Gebieten einschliesslich der Nachverarbeitung von Daten.
Das genaue LADS kann im Bereich von einigen zehn Kilometern bei der Positionsbestimmung Dezimeterniveau erreichen.
Das LADS kann auch als mobile Version hergestellt werden. Differential systeme dritten Grades können Pseudocharakter
haben.
Zeiträume und Stand des Aufbaus der russischen Differentialsysteme hängen von vielen Faktoren ab. Es ist jedoch zu erwarten, dass das russische RADS und LADS aktiv in den Jahren 1996-1997 entfaltet wird; sie werden dann von 1998-2000 in das UDS integriert. Das UDS wird die Möglichkeiten der Infrastruktur des russichen Kontrollkomplexes der Weltraumfahrzeuge nutzen.
GLONASS-Strategie
Am 7. März 1995 wurde von der Regierung der Russischen Föderation ein Dekret " über die Ausführung von Arbeiten unter Verwendung des GLONASS-Systems für zivile Nutzer" verkündet. Das Dekret bekräftigt die bereits früher abgegebene Verpflichtung hinsichtlich einer möglichen Nutzung des GLONASS-Systems durch zivile Nutzer.
Gemäss besagtem Dekret ist über die Nutzung des GLONASS-Systems durch die in- und ausländischen zivilen
Nutzer ein Koordinierungsrat aufzustellen, dem Vertreter der Ministerien für Verkehr und Verteidigung der Russischen
Föderation, der russischen Raumfahrtbehörde und des Staatskomitees über die verteidigungsorientierte Industrie
angehören. Das Dekret sieht auch die Entwicklung einer Normvorschrift für den Austausch zwischen den Ministerien
und Abteilungen der Russischen Föderation hinsichtlich Betrieb und Nutzungsunterstützung hinsichtlich des
GLONASS-Systems vor. Vermutlich legt das Verkehrsministerium schon in nächster Zukunft im Namen der Regierung der
Russischen Föderation der ICAO und der IMO die erforderlichen Unterlagen vor zwecks Abschluss von Vereinbarungen zur
Nutzung des GLONASS-Systems als GNSS-Element.
Geschichte von GLONASS - Gegenwart
Zur Zeit besteht GLONASS aus 22 aktiven Satelliten, und bis zum Ende des Jahres ist der Start dreier neuer Satelliten geplant. Aber auch jetzt schon liefern die 22 Satelliten ein geschlossenes Navigationsfeld. Beispielsweise liefert die GLONASS-Konstellation für Nutzer im Londoner Raum eine Sichtbarkeit von 5 - 8 Satelliten über 24 Stunden am Tag. Nebenbei gesagt ist die Sichtbarkeit der GLONASS-Satelliten besser als der von GPS für nördliche Breiten > 50 Grad.
Geschichte von GLONASS - Zukunft
Die volle Ausdehnung des Systems (bis 24 Satelliten) sollte bis 1995 erreicht sein. Die Arbeiten zur Modernisierung der terrestrischen Kontrollstationen und die Herstellung der GLONASS-M-Satelliten kommen gut voran. Die russischen Weltraumstreitkräfte planen den Beginn von Testflügen des neuen GLONASS-M-Programms. Die neuen GLONASS-M-Satelliten werden eine längere garantierte Betriebsdauer (5 Jahre anstatt von 3 heute) und bessere Eigenschaften haben. Dadurch kann die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit des Systems als Ganzes erhöht werden. Momentan stehen aber erhebliche Finanzielle Probleme dieser Entwicklung im Wege.