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Satellitennavigationssysteme erhöhendie LuftraumkapazitätHans-Ulrich OhlDer AnfangAnfang der 80er Jahre nahm das US –Verteidigungsministerium (Department OfDefence, (DOD) ein Satelliten-Navigationssystemunter dem Namen “NAVSTAR“ (NA-Vigation System for Timing And Ranging)in Betrieb. Was damals noch einer rein militärischenNutzung vorbehalten war, dominiertheute allgemein verfügbar unter demNamen „GPS“ (Global Positioning System)nicht nur die Luftfahrt, sondern veränderteauch alle bis dahin bekannten konventionellenNavigationssysteme nachhaltig. Esbesteht aus mindestens 24 aktiven und biszu 5 weiteren Reservesatelliten, die in 20200Kilometern Höhe (10900 Nautical Miles),auf jeweils 6 Umlaufbahnen die Erde im11 Std. 58 Min. Rhythmus Umkreisen. Jededieser Umlaufbahnen kreuzt den Äquatorunter einem Winkel von 55° (Inklinationswinkel).Bezogen auf unser Erdkoordinatensystemführt das zu einer Totalüberdeckungzwischen den beiden Breitenkreisen 55°Süd und Nord. Das System ist so ausgelegt,dass mindestens vier GPS-Satelliten gleichzeitigan jedem beliebigen Ort der Erderund um die Uhr für navigatorische Zweckeempfangen werden können. Eine zwingendeVoraussetzung für eine weltweite,verlässliche navigatorische Nutzung dieserSatellitendaten, war jedoch die Schaffungeines neuen, einheitlichen, weltumfassendenErdkoordinaten-Systems. Mit der Einführungdes „World Geodatic System 1984“(WGS 84) wurden die Voraussetzungendafür geschaffen. Die Anerkennung durchdie „International Civil Aviation Organisation“(ICAO) als eine Organisation innerhalbder „United Nation Organisation“ (UNO),schuf die Voraussetzungen für die Einführungdes WGS 84-Koordinatensystem imLuftfahrtbereich. Im Jahr 1989 wurde esdann auch für die zivile Luftfahrt verbindlicheingeführt, nachdem es von den einzelnenMitgliedstaaten in ihre nationale Luftfahrtgesetzgebungintegriert worden war.Damit waren die legalen Voraussetzungenfür eine offi zielle navigatorische Nutzungweltweit verbindlich geschaffen. Alle darausresultierenden zivilen Planungsunterlagenund Betriebsverfahren im nationalen undinternationalen Luftverkehr, gleich ob nachSichtfl ug- oder Instrumentenfl ugregeln erfolgtendanach ausschließlich auf der Basisvon WGS 84 - Systemdaten.Die FunktionsweiseJede Orts- oder Positionsbestimmung indiesem Navigationssystem erfolgt auf derBasis einer individuellen Laufzeitmessungelektromagnetischer Wellen zwischen denbeteiligten GPS-Satelliten und dem bordseitigenGPS-Navigationsempfänger. DieAusbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischenWellen beträgt genau299 792 488 Meter pro Sekunden, so dasman über eine Laufzeitmessung die Entfernungzwischen Satelliten und GPS-Empfängerberechnen kann. Jeder der beteiligtenSatelliten sendet kontinuierlich seineErkennungsdaten wie: Ich bin der Satellit„X“, meine Position im Orbit ist „Y“, dieseNachricht wurde zum Zeitpunkt „Z“ gesendet.Zusätzlich übermittelt der Satellit nochweitere Informationen über seine Umlaufbahnund seinen Allgemeinzustand (Ephemeriden-und Almanachdaten), die von denGPS-Empfängern gespeichert werden, umsie bei einer späteren Neubestimmung dereigenen Position verwenden zu können.Um jedoch die eigene Position auf der Erdeoder im Luftraum ermitteln zu können, vergleichtein mehrkanaliger GPS-Empfängerdie Zeit, zu der ein Satellitensignal gesendetwurde, mit dem Zeitpunkt des Empfangs.Aus den Zeitdifferenzen und den Raumpositionender beteiligten Satelliten auf ihrenUmlaufbahnen zueinander, lassen sich danndie Entfernungen zu den einzelnen Satellitenund dem GPS-Empfänger bestimmen.Erfolgt dieser Prozess zu allen in Sichtweitebefi ndlichen Satelliten auf der Basis ihrer unterschiedlichenPositionen, so lässt sich übereine trigonometrische Funktion, der Standortdes betroffenen GPS-Empfängers näherungsweiseermitteln (Pseudorange), da biszu diesem Zeitpunkt noch keine Synchronisierungder GPS-Empfängeruhr mit denSatellitenuhren stattgefunden hat. Bewegtsich dieser GPS-Empfänger auf oder oberhalbder Erdoberfl äche, so lässt sich späterüber eine kontinuierliche NeuberechnungBild 1. Messdaten von zwei Satelliten liefern zweiMesspunkte, wovon einer auf Grund seiner entferntenPosition im All als unrealistisch entfälltBild 2. Erst durch die Messdaten von drei Satellitensignalenwird ein Fehler offensichtlich. DerSynchronisierungsprozess zwischen EmpfängerundSatellitenuhr beginntBild 3. Schneiden sich die Signale von zwei Satellitenunter einem spitzen Winkel, so führt das zueinem ungenaueren Messergebnisder jeweiligen Position, sowohl die Bewegungsrichtungals auch die Geschwindigkeitim Raum oder auf der Erdoberfl ächebestimmen.Auf der Basis welcher Funktionsabläufeerfolgt nun aber eine genaue Positionsbestimmung?Im ersten Bild betragenbeispielsweise die angenommenen tatsächlichenLaufzeiten zum ersten Satellitenunrealistische 4 und zum zweiten Satelliten6 Sekunden. Dadurch entstehen zwei12 aviation news Satellitennavigation
Bild 4. Die tatsächliche Position von „A“ kann beieiner Auswertung von nur zwei Satellitensignalennicht genau ermittelt werden, da die Empfängeruhrmit den Satellitenuhren noch nicht synchronisiertistBild 5. Nachdem der Synchronisierungsprozessabgeschlossen ist, erfolgt eine genaue ZielverfolgungBild 6. Je stumpfer die Winkel unter dem sich Signaleschneiden, umso genauer wird die PositionsbestimmungKreisbögen, die sich an zwei Überlappungspunktenschneiden. Auf Grund einerlogischen Plausibilitätsüberlegung scheidetdie zweite Überlappungsposition für alleweiteren Betrachtungen aus, weil der sichweitab irgendwo im Weltraum befi ndet. Dieweiteren Betrachtungen konzentrieren sichauf den Messpunkt „A“. Angenommen dieUhr in dem GPS-Empfänger geht gegenüberden atomaren Satellitenuhren um eineSekunde vor. Das veranlasst den Bordempfängerzu der Annahme man befände sicham Punkt „B“, statt am Punkt „A“, da dieLaufzeit, wie im zweiten Bild erkennbar, umscheinbar eine Sekunde länger gedauerthat. Die Kreise, die sich am Punkt „B“ schneiden,bezeichnet man in erster Nährung als„Pseudoentfernungen“ (Pseudorange), biszu dem Zeitpunkt, wo über einen Anpassungsprozessder GPS-Empfängeruhr (Bias),eine präzise Zeitsynchronisierung mit denSatellitenuhren stattgefunden hat. Bereitsbei einem Zeitfehler von nur einer 1/100 sec,würde der Messfehler bei der Positionsbestimmungzu einer Abweichung von 3000Kilometern führen und damit das Systeminsgesamt wertlos werden lassen. Will maneine 10 Meter Genauigkeit erreichen, so darfder Zeitfehler nicht mehr als 0,000 000 03Sekunden betragen. Da jedoch der Einbaueiner Atomuhr in einem GPS-Empfänger aufGrund seiner Ausmaße und seines Preisesunrealistisch ist, muss diese zwingend notwendigeZeitsynchronisierung zwischenSatellit- und GPS-Empfängeruhren auf andereWeise erreicht werden.Erst die Einbeziehung eines dritten Satellitenführt zur Lösung des Problems einer genauenOrtsbestimmung. Betrachtet man dieSituation unter der Annahme, dass die GPS-Empfängeruhr eine Sekunde vorgeht, soerhält man drei Schnittpunkte, bei „B,C undD“ unter Verwendung von jeweils zwei Satelliten-Entfernungskreisen.Verschiebt mannun die Zeit in der Empfängeruhr solange,bis sich die drei Schnittpunkte in einemgemeinsamen „A“- Schnittpunkt vereinen,so hat man den Zeitfehler in der Empfängeruhr,wie im dritten Bild zu erkennen ist,korrigiert. Beide Uhrensysteme laufen vonnun an absolut synchron und generiereneine relativ genaue geographische Ortsangabedie im vierten Bild dargestellt ist. Ausden ursprünglichen Pseudoentfernungenerhält man nun verlässliche Messdatenfür die eigene Positionsbestimmung. Wäreunsere Erde eine absolute Kugel mit einervollkommenen ebenen Oberfl äche, wärendamit alle Messprobleme gelöst, da sichdie ermittelten Messdaten auf eben dieseberechnete, mittlere Meeresoberfl äche beziehen.Bewegt sich beispielsweise ein Objektauf der Meeresoberfl äche, wären damitauch die Positionsdaten weitestgehendzuverlässig. Erfolgt der Messvorgang jedochaus einem Flugzeug in 5000 Metern Höhe,wäre die ermittelte Position erneut fehlerhaft,da die Höhendifferenz zwischen mittlererErdoberfl äche und dem Flugzeug inder Messung nicht berücksichtigt wäre. Umauch diesen Fehler zu erfassen und zu korrigieren,benötigt man den vierten Satelliten.Das Ergebnis ist danach eine relativ genaudefi nierte Position im Raum. Daraus ergibtsich für den Bereich der Luftfahrt letztlichdas Erfordernis nach mindestens vier Satelliten,um eine navigatorisch relativ genauePositionsbestimmung im Raum zu ermitteln.Ein weiteres Problem entsteht beimeigentlichen Messvorgang auf Grund derSatellitenstandorte auf ihren Umlaufbahnenzueinander. Der Winkel unter dem sichdie einzelnen Messkreise schneiden, gehtebenfalls in die Positions-genauigkeit ein.Befi nden sich die Satellitenstandorte dichtbeieinander, so erfolgt der Messvorganggeometrisch gesehen unter einem spitzenWinkel und fällt damit deutlich ungenaueraus, als dies bei einem stumpfen Winkel derFall ist (Bilder 5 + 6). Man spricht in diesemZusammenhang auch von einer effektivenErfassungsgüte, bedingt durch die tatsächlicheSatellitengeometrie zum Zeitpunkt derDatenauswertung und bezeichnet dies als„Geometric Dilution of Precision“ (GDOP).Über ein integrites empfängereigenes Selektionsprogrammfi nden für jede Positionsdatenermittlungvorzugsweise die SatellitenstandorteBerücksichtigung, die zu eineroptimalen GDOP-Messung führen.KorrektursystemeUm frei von eventuell vorhandenen äußerenEinfl üssen eine noch höhere Messgenauigkeitzu erreichen, hat man heutebereits in einigen Regionen der Erde zusätzlicheKorrekturdatensysteme für dieStreckennavigation installiert. Dabei handeltes sich um hochpräzis vermessene, stationäreBodenempfangsstationen. Flächenmäßigsind sie über das jeweilige Territoriumverteilt. Empfängt nun eine solche StationSatellitensignale, die nicht mit der eigenenPosition genau übereinstimmen, so sendetsie eine Korrekturmeldung an eine dafürvorgehaltene Referenzstation. Die VereinigtenStaaten betreiben seit 1999 ein solchesSystem unter dem Namen „Wide AreaAugmentation System“, (WAAS), was sovielheißt wie „Weiträumiges KorrekturdatenVerteilersystem“. Dabei handelt es sich umbis zu 25 festinstallierte Bodenempfangsstationen,die ermittelte Korrekturdaten anzwei Referenzstationen senden. Die darinenthaltenen Korrekturwerte beziehen sichauf die Umlaufbahnen der Satelliten, möglicheUhrenfehler, sowie atmosphären bedingteLaufzeit-verzögerungen von Satellitensignalen,verursacht durch die erdnaheIonosphäre und/oder Wetterereignisse inder Troposphäre. Für den fl ugzeugseitigenBordempfang dieser Korrektursignale sindkeine zusätzlichen Empfängerkomponentenerforderlich. Es reicht aus, wenn die Softwaredes GPS-Empfängers für den Empfang vonWAAS-Korrektursignalen vorbereitet ist. Fürden europäischen Raum ist ein solches Sys-» Fortsetzung auf Seite 14Satellitennavigationaviation news13
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