Mit dieser Facharbeit soll beschrieben werden, wie Galileo den Standort des Empfängers bestimmt und wie sich Galileo von anderen GNSS unterscheidet.
Galileo ist ein nach dem italienischen Astronomen Galileo Galilei benanntes globales Satellitennavigationssystem (GNSS) in ziviler Hand. Die Anforderung von Galileo bestehen darin, ein unabhängiges, jedoch interoperables Positionsbestimmungssystem für Europäische Nationen bereitzustellen, welches anders als die militärisch verwalteten Systeme wie GPS (Vereinigten Staaten), GLONASS (Russische Föderation) oder BeiDou (Volksrepublik China) nicht jederzeit und willkürlich abgeschaltet werden kann. Außerdem zielt Galileo darauf ab höhere Genauigkeiten bei der Positionsbestimmung bis zu einigen Zentimetern in horizontaler und vertikaler Richtung zu ermöglichen.
Der Aufbau des Galileo Netzwerkes ist ein 3 Phasen gegliedert. Aktuell befindet man sich in der dritten und somit letzten Phase welche als „Full Operational Capabillity“ Phase bezeichnet wird. In dieser wird das Satellitensystem auf seine volle Netzwerkgröße von 30 Satelliten und vielen verteilen Kontrollzentren sowie Sensoren und Uplink Stationen ausgedehnt. Mit dem Start einer Ariane Rakete am 25. Juli 2018 wurde die Anzahl der aktiven Satelliten auf 26 der 30 vorgesehenen erhöht.
Seit dem 15. Dezember 2016 ist das System im sogenannten Open Service für die Allgemeinheit nutzbar welcher eine theoretische Genauigkeit von bis zu einem Meter jedoch keine erhöhte Ausfallsicherheit bietet.
Dabei wird Galileo bspw. für das europaweit gesetzlich vorgeschriebene Notrufsystem eCall zur Positionsbestimmung genutzt. Für kommerzielle und von Regierungen genehmigte Zwecke verfügt es über verschlüsselte Signale mit höherer Präzision und Mechanismen zur Sicherstellung des Betriebs auch bei einem aktiven Störungsversuch.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Hauptteil
2.1 Kernkomponenten von Galileo
2.1.1 Das Weltraumsegment (Space Segment)
2.1.2 Die Bodensegmente (Ground Segments)
2.1.3 Das Nutzersegment (User Segment)
2.2 Berechnung der Position
2.2.1 Ortsbestimmung im Zweidimensionalen
2.2.2 Ortsbestimmung im dreidimensionalen Raum
2.3 Maßnahmen zum Erhöhen der Genauigkeit
2.3.1 Differential Global Positioning System (DGPS)
2.3.2 Nutzung verschiedener Bänder
2.4 Galileo Services
2.4.1 Offener Dienst
2.4.2 Kommerzieller Dienst
2.4.3 Sicherheitskritischer Dienst (SOL)
2.4.4 Öffentlich regulierter Dienst oder Staatlicher Dienst (PRS)
3 Schlussteil
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit verfolgt das Ziel, die Funktionsweise des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo zu erläutern und die Methode zur Standortbestimmung von Empfängern detailliert darzustellen, wobei insbesondere die Abgrenzung zu anderen GNSS-Systemen untersucht wird.
- Technische Kernkomponenten des Galileo-Netzwerks
- Mathematische Grundlagen der Ortsbestimmung mittels Trilateration
- Methoden zur Steigerung der Positionsgenauigkeit
- Detaillierte Analyse der verschiedenen Galileo-Dienste
- Strategische Bedeutung von Galileo als ziviles, unabhängiges System
Auszug aus dem Buch
Ortsbestimmung im dreidimensionalen Raum
Die Bestimmung der Position im Dreidimensionalen ist verglichen mit der im zweidimensionalen Raum sehr ähnlich. Der größte Unterschied besteht darin, dass sich die Signale hierbei nicht kreisförmig, sondern kugelförmig ausbreiten. Dem entsprechend befindet sich ein unbekannter Punkt E dessen Distanz zu einem bekannten Punkt S gegeben ist, auf der Oberfläche einer Kugel deren Radius gleich der Länge der Strecke Punkte SE ist mit Punkt S als Kugelmittelpunkt (siehe Abbildung 5).
Genau wie bei dem Beispiel im Zweidimensionalen grenzt ein weiteres Signal die möglichen Standorte des Empfängers weiter ein. Der Empfänger muss sich in diesem Falle auf der Schnittmenge der Kugeloberflächen mit einander befinden (siehe Abbildung 6).
Empfängt man ein weiteres Signal schneiden sich drei Signalkugeln und die möglichen Standorte des Empfängers reduzieren sich auf zwei spezifische Punkte.
Mit einem vierten Satelliten ließe sich diese zwei möglichen Lösungen auf genau eine reduzieren (siehe Abbildung 7 und Abbildung 8)
Wie in einem früheren Kapitel bereits erwähnt benötigt Galileo jedoch nur drei Satelliten zur Positionsbestimmung und einen zur Zeitkorrektur. Dies lässt sich damit erklären das für den Fall, dass nur vier Satellitensignale empfangbar sind, immer eine der beiden Lösung schlicht nicht sinnvoll ist. Sei es da sich die Koordinaten dieser Lösung entweder im Weltraum oder unter der Erdoberfläche befinden. Somit wird für den Fall das nur vier Satelliten zur Verfügung stehen immer die Lösung gewählt, welche der Erdoberfläche im Bezugssystem am nächsten ist. Im realen Gebrauch stehen jedoch fast immer mehr als fünf Signale zur Verfügung weshalb auf solche Ausschlussverfahren nicht zurückgegriffen werden muss. [7]
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Historie und die strategische Notwendigkeit von Galileo als zivilem, unabhängigem Navigationssystem für Europa.
2 Hauptteil: Detaillierte Darstellung der Systemkomponenten, der mathematischen Grundlagen der Positionsberechnung sowie technischer Maßnahmen zur Genauigkeitsoptimierung und der verfügbaren Dienste.
3 Schlussteil: Zusammenfassende Betrachtung der Funktionsweise sowie Einschätzung der Bedeutung von Galileo für zivile Anwendungen und die technologische Zukunft, etwa im Bereich autonomer Fahrzeuge.
Schlüsselwörter
Galileo, GNSS, Satellitennavigation, Positionsbestimmung, Trilateration, DGPS, Erdbeobachtung, Signallaufzeit, Weltraumsegment, Bodensegment, Nutzersegment, Offener Dienst, PRS-Dienst, Frequenzbänder, Atomuhr
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Facharbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt das europäische Satellitennavigationssystem Galileo, dessen technischen Aufbau und die physikalischen sowie mathematischen Prinzipien, nach denen es Standorte auf der Erde bestimmt.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf dem Aufbau des Weltraum-, Boden- und Nutzersegments, der mathematischen Positionsberechnung durch Signallaufzeiten sowie der Differenzierung und den spezifischen Einsatzgebieten der verschiedenen Galileo-Dienste.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das Hauptziel ist es, die Funktionsweise von Galileo transparent zu machen und aufzuzeigen, wie das System durch zivile Unabhängigkeit und hohe Präzision eine Alternative zu existierenden militärischen Systemen bietet.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf eine Literaturanalyse sowie die mathematische Herleitung des Trilaterationsverfahrens, ergänzt durch technische Beschreibungen der Systemarchitektur.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der Kernkomponenten, die detaillierte Erklärung der 2D- und 3D-Ortsbestimmung, Methoden zur Genauigkeitssteigerung (wie DGPS und Dual-Frequenz-Nutzung) sowie die Klassifizierung der Dienste (Open Service, kommerzieller Dienst, SOL und PRS).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Galileo, GNSS, Trilateration, Pseudodistanz, DGPS, Frequenzbänder und die Unterscheidung zwischen verschiedenen Sicherheits- und Leistungsdiensten.
Warum ist die Zeitmessung für Galileo so kritisch?
Da die Positionsbestimmung auf der Messung der Signallaufzeit basiert, führen bereits minimale Zeitabweichungen aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit zu massiven Fehlern in der Berechnung der Distanz zum Satelliten.
Welche Rolle spielt die Erddrehung bei der Positionsberechnung?
Die Erddrehung muss bei der Angabe finaler Koordinaten berücksichtigt werden, da sich sonst der berechnete Standort durch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde verschieben würde, was eine Umrechnung in ein erdfestes Koordinatensystem erforderlich macht.
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- Anonym (Author), 2018, Das Satellitennavigationssystem "Galileo". Wie erfolgt die digitale Positionsbestimmung?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/470702
