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Fehlerquellen bei der Satellitennavigation

Erstellt am: 23.11.2004 | Stand des Wissens: 09.04.2020
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Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck

Festgelegte Anforderungskriterien, zu denen bei Navigationssystemen insbesondere die GNSS-Systemanforderungen (Verfügbarkeit, Kontinuität, Genauigkeit und Verlässlichkeit) zählen bestimmen die Qualität und damit die Anwendungsbereiche eines Navigationssystemsystems. Für flugnavigatorische Zwecke sind die Anforderungen an ein Navigationssystem je nach Anwendungsbereich (Strecken- oder Anflugbereich) verschieden. Auch die Satellitennavigation weist einige Fehler auf, die zu Einschränkungen führen können [DoHa10a].
Grundsätzlich ist für Luftfahrtanwendungen der Gesamtfehler (Total System Error, TSE) in Betracht zu ziehen, der sich aus dem flugtechnischen (Flight Technical Error, FTE) und dem navigationssystemseitigen Fehler (Navigation System Error, NSE) zusammensetzt [DoHa10].
Abb. 1: Darstellung des Gesamtfehlers aus dem Navigationssystemfehler und dem flugtechnischen Fehler [ESA01] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Der Navigationssystemfehler ist eine Flugzeug-/Mensch-unabhängige Fehlergröße und lässt sich in Fehler der Bordavionik (User Receiver Error, URE) und der Signalübertragung (Signals in Space, SIS) untergliedern. Der Fehler der Signalübertragung ist wiederum in die Einflussgrößen als Fehler der Messung der Entfernung (User Equipment Range Error, UERE) und dem Faktor für geometrisch bedingten Fehler der Satellitenkonstellation (Dilution of Precision, DOP) zu untergliedern [Janu17].
123006_Fehlergroessen_2020-04-09.pngAbb.2: Zuordnung der Fehlergrößen [eigene Darstellung basierend auf Sch04]

Die wichtigsten Fehlereinflüsse, die bei Anwendung der Satellitennavigation auftreten, werden im Folgenden beschrieben.
Die Atom-Uhren in den Satelliten liefern eine sehr genaue Zeitbasis, da sie über eine hohe Frequenzstabilität verfügen. Die hochpräzise Zeitangabe wird zur Berechnung der Laufzeit und damit zur Entfernungsbestimmung genutzt. Der Uhrenfehler, die Fehlergröße pro Halbtag liegt im einstelligen Nanosekundenbereich. Weitaus ungenauer ist die empfängerseitige Quarzuhr, die durch die Zeitübermittlung vom Satellitensignal synchronisiert werden muss. Es bleiben Restfehler, die zur Ungenauigkeit der Positionsdaten beitragen [Mans98a].
Physikalische Laufzeitfehler (Atmosphärische Fehler) entstehen aus Störungen in der Laufstrecke der elektromagnetischen Wellen zwischen Satellit und Empfänger. Insbesondere die Ionosphäre und Troposphäre tragen zu den Störeinflüssen bei. Da die Laufstrecke in der Troposphäre kürzer ist, hat der durch die Ionosphäre verursachte Fehler eine höhere Bedeutung.
Durch die Reflektion und Ablenkung der Signale durch ionisierte Teilchen in den Atmosphärenschichten ergibt sich eine veränderte (verlängerte) Laufzeit. Die Größe der Verzögerung ist von der Sendefrequenz abhängig und in aller Regel für niederfrequente Signale größer. Stehen, wie bei einem Zweifrequenzempfänger, mehrere Empfangssignale (L1 und L2) zur Verfügung kann durch den Vergleich eine Fehlergröße bestimmt werden und als Korrekturwert Verwendung finden.
Zudem kommt es durch die Zusammensetzung der Atmosphäre (Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchte) zu einer Laufzeitverzögerung. Durch Berechnungsmodelle, die die örtlichen und aktuellen Wetterbedingungen berücksichtigen, kann eine Reduktion dieses Fehlers erreicht werden.
Diese atmosphärisch bedingte Fehlergröße ist zudem vom Erhebungswinkel des Empfangssignals vom Satelliten abhängig, und wächst je geringer der Winkel ist [DoHa10a].
Bei der Mehrwegausbreitung, in der englischen Fachsprache als Multipath-Error bezeichnet, wird der Strahlengang des Signals vor dem Eintreffen am Empfänger durch andere Objekte reflektiert. Daraus resultiert eine verlängerte Laufzeit, die dem Empfänger folglich eine verfälschte Information liefert. Wenn die Zahl der eintreffenden, indirekten Signale zu groß wird, wie beispielsweise in dichtbebauten Stadtgebieten, können die Störungen dazu führen, dass die Positionsinformation unbrauchbar wird [Wild06].
Die Auswirkung der indirekten Wellen im Empfänger ist wiederum vom Leistungsverhältnis zwischen direkter und indirekter Welle sowie der Größe des Laufzeitunterschiedes, der Richtcharakteristik und der Signalverarbeitung im Empfänger abhängig. Die aus der Mehrwegeausbreitung resultierenden Fehler können bis zu 100 Meter betragen, werden aber durch systemseitige Signalvergleichsmessung (Fehlerdetektion) unterdrückt.
Die Mindestwerte der Empfangseingangsleistung für Global Positioning System (GPS)- Empfänger liegen in der Größenordnung von 10-16 Watt. Auf Grund dieser geringen Leistung können die Signale anderer hochfrequenter Sender auch bei geringer Feldstärke zu Interferenzen mit einem GPS-Empfänger führen und Messfehler zur Folge haben es kommt zur Störung durch Hochfrequenzsignale. Zu den potentiellen Störquellen sind daher Harmonische der Sendefrequenzen von TV- und Hörfunksendern, Mobilfunknetzen, Richtfunksendern, Radarsendern und anderen funktechnischen Geräten zu zählen. Das Auftreten dieser Störung ist vom Nutzenden nicht unbedingt zu erkennen, so dass Korrekturen nicht einfach vorgenommen werden können [Wild06].
Die Genauigkeit des Satellitennavigationssignals ist nicht ausschließlich von der Anzahl der Satelliten, sondern auch von ihrer Stellung zueinander bzw. gegenüber dem Empfänger von Bedeutung. Die Ortung beruht auf der Bestimmung von Abständen, die als Schnittlinien zu den verschiedenen Satelliten gemessen werden.
Denkbar ungünstig für den Empfänger wäre die theoretische Überdeckung der Satelliten, wenn alle in einer Reihe hintereinander lägen, da bei geringem Abstand der angepeilten Satelliten untereinander die räumliche Positionsbestimmung ungenauer ist. Vergleichbares gilt für sehr große bzw. stumpfe Winkel sodass der Idealfall bei einem rechten Winkel zwischen den Satelliten zu sehen ist. Ein geringer oder zu großer Satellitenabstandswinkel bedingt einen Fehler der aus der Konstellation der Satelliten zueinander resultiert. Dieser geometrisch bedingte Positionsfehler, der aus der Bedeckungsgeometrie resultiert, wird als DOP bezeichnet. Eine allgemeine Angabe des Fehlers wird durch den DOP-Faktor erreicht, der für eine bestimmte Zeit und einen bestimmten Ort durch die Konstellation der Satelliten vorberechnet werden kann [DoHa10a].
Infolge dieser vielfältigen Fehlereinflussgrößen und Ungenauigkeiten gegenüber der tatsächlichen geometrischen Entfernung zwischen Satellit und Empfänger spricht man auch von einer so genannten Pseudo-Entfernung, in der englischen Fachsprache als pseudo-range bezeichnet [Mans98a].
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Literatur
[DoHa10] Dodel, Hans, Häupler, Dieter Die Satellitennavigation, veröffentlicht in Satellitennavigation - GALILEO, GPS, GLONASS, Integrierte Verfahren, Ausgabe/Auflage 2, Springer-Verlag/Berlin, Heidelberg, 2010, ISBN/ISSN 978-3-540-79443-1
[DoHa10a] Dodel, Hans, Häupler, Dieter Die Auslegung der GNSS-Elemente, veröffentlicht in Satellitennavigation - GALILEO, GPS, GLONASS, Integrierte Verfahren, Ausgabe/Auflage 2, Springer-Verlag/Berlin, Heidelberg, 2010, ISBN/ISSN 978-3-540-79443-1
[ESA01] Soely, S., Breeuwer, E., Farnworth, R., Dupont, J.-P., Coutier, Y. Approaching Nice with the EGNOS System Testbed, 2001
[Janu17] Januszewski, J. Sources of Error in Satellite Navigation Positioning, veröffentlicht in TransNav - the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Ausgabe/Auflage Volume 11, Number 3, 2017/09
[Mans98a] Werner Mansfeld Satellitenortung und Navigation: Grundlagen und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme, Springer Fachmedien/Wiesbaden, 1998
[Sch04] Schulz, H. Entwicklung von Verfahrenssschutzraum für satellitengestützte Präzisionsanflüge mit bodenseitger Augmentierung, 2004/04
[Wild06] Wildt, Steffen Mehrwegeausbreitung bei GNSS-gestützter Positionsbestimmung, 2006
Glossar
GNSS Globale Navigationssatellitensysteme (englisch Global Navigation Satellite System) oder GNSS dienen der weltweiten Positionsbestimmung, sowie der Koordinaten- und Zeitübermittlung.
Global Positioning System Global Positioning System (GPS), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. GPS basiert auf Satelliten, die mit kodierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?123006

Gedruckt am Sonntag, 19. September 2021 07:02:30