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Über dieses Buch

Ortung und Navigation mit Hilfe von Satelliten steht an einem Wendepunkt. Mit Galileo ist die Entscheidung für ein europäisches Navigationssystem gefallen, das der europäischen Wirtschaft nachhaltige Impulse geben kann. Im Buch werden die Grundlagen der Funkortung wie Messungen von Richtungen und Entfernungen oder Signallaufzeiten beschrieben. Der Hauptteil befasst sich mit Galileo, GPS und GLONASS. GPS (und später Galileo) werden auch die Basis für einen Großteil der Geräte der sog. "Integrierten Navigation" bilden, der Einfügung von und der Verbund mit anderen Navigationssystemen zu einem Ganzen. Ein Blick auf aktuelle Anwendungen zeigt die vielseitige Anwendbarkeit von Navigationssystemen in der See-, Luft- und Raumfahrt, bei der Standortbestimmung von Handys und der Fahrzeugortung. Die große Bedeutung von Ortungssystemen für das Militär werden im Abschlusskapitel über die sicherheitspolitische Rolle der Satellitennavigation behandelt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Die Satellitennavigation

Das einführende Kapitel schildert die Entstehung der Satellitennavigation und erklärt, was Navigation ist und warum man auch dann Navigation sagt, wenn man Ortung/Ortsbestimmung meint. Dann folgen Betrachtungen zum Erfolg der weltweiten Navigationssysteme. Ein kurzer Abschnitt erklärt, wie Satellitenortung funktioniert, wie sie sich entwickelt hat und wie man Ortungssysteme bewertet. Die Anforderungen an Funknavigationssysteme in Verlässlichkeit, Verfügbarkeit, Servicebedeckung, Stetigkeit brauchbarer Navigationsdaten (Continuity of Service) und Genauigkeit werden definiert und Zahlenwerte für den Landverkehr, die Schifffahrt, die Raumfahrt und ganz ausführlich für die Luftfahrt aufgezeigt.

Der satellitengestützte Seenotfunk COSPAS-SARSAT wird ausführlich beschrieben, und am Schluss steht eine kleine Übersicht über die restlichen Kapitel des Buches.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 2. Die Funkortung

Die sieben möglichen Arten der Funkortung werden beschrieben und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile dargestellt, gefolgt von der Koppelnavigation zu Lande und zur See und der Beschreibung der Differenzialverfahren. Danach werden die Verfahren der „Automatischen Kooperierenden Vehikelverfolgung“ (Automatic Dependent Surveillance, ADS-A, ADS-B, ADS-C und ADS-S) vorgestellt. Diesen Betrachtungen folgt eine Zusammenfassung.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 3. Die Frequenz- und Orbitnutzung

Keine Funkortung ohne Frequenzen – deshalb werden in diesem Kapitel die regulatorischen und funkrechtlichen Aspekte der Nutzung von Funkfrequenzen angesprochen, unterteilt in die Dienstekategorien. Dazu werden auch die nationalen und internationalen Funkverwaltungen vorgestellt und deren Zulassungsprozedere erläutert. Für die satellitengestützte Funkortung werden die Gattungen von den für eine Satellitenanmeldung möglichen Satellitenbahnen aufgeführt. Schliesslich werden die international geltenden Regularien beschrieben, die Funkstörungen begrenzen sollen.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 4. Bahnen für die Satellitennavigation

Das Kapitel erklärt die verschiedenen Arten von Umlaufbahnen, in Erdnähe und -ferne, in der Äquatorialebene und inkliniert zu ihr. Dazu werden die charakteristischen Parameter der Bahnen gezeigt und ihre Eigenschaften erläutert. Mit dem DOP-Wert werden die unterschiedlichen Konstellationen dann auf ihre Eignung für die satellitengestützten Funkortung verglichen. Für die Konstellation von Satelliten werden die Walker-Parameter vorgestellt und die Eignung der Konstellation für verschiene Dienste, insbesondere die Positionsbestimmung (Navigation), dargestellt und diverse, für Navigationsanwendungen optimale Umlaufbahnen, anhand der Konstellationsgüte ermittelt und bewertet.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 5. Die Systemfaktoren

Die Verfügbarkeit der Navigationssignale und die Störungen, die zu Signalausfällen führen können, wie Mehrwegeeffekte, Funkstörungen, absichtliche Störungen, Solarprotuberanzen und Täuschsendungen etc. werden in ihrer Auswirkung auf den Betrieb des Navigationsempfängers beschrieben. Danach wird die Basis der Einwegentfernungsmessung, die hochgenaue Uhr im Satelliten, betrachtet, ihre Leistungsparameter und die Synchronisierung im Netzwerk der Konstellation einschliesslich Relativitäts- und Sagnac-Effekte angesprochen. Darauf aufbauend wird die Zuverlässigkeit des Satelliten beziehungsweise werden Satellitenausfälle und die Wartung der Satellitenkonfiguration betrachtet.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 6. Die Auslegung der GNSS-Elemente

Dieses Kapitel beschreibt die generelle Auslegung und Dimensionierung eines GNSS-Systems, angefangen mit der Frage, ob die mit Atomuhren generierten Navigationssignale unter kontrollierten Bedingungen am Boden oder im fliegenden Satelliten untergebracht werden sollen. Die Bewertung der Satellitennutzlast erfolgt dann auf der Basis der gewählten Arbeitsfrequenz anhand von Streckenbilanzen für alternative Trägerfrequenzen. Die Wahl der Trägerfrequenz als Funktion der Ausbreitungseffekte (Atmosphäre, Regendämpfung, ionosphärische Signallaufzeitverzögerung, Szintillation) wird diskutiert. Dann werden die Gütekriterien einer Satellitenkonstellation, die über eine Bewertung zu einer Konstellationswahl führen, betrachtet. Lokale Verbesserung durch Pseudolites, Kontinuitätskriterien, Integritätsbetrachtungen und die Bewertung der Performancekriterien runden das Kapitel ab.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 7. GPS/NAVSTAR

Das Kapitel beschreibt einleitend die Anfänge des Global Positioning System GPD/NAVSTAR und zeigt dann dessen Systemparameter auf. Die verschiedenen Dienste der Flotte von Satelliten, die Bahndaten der Flotte und der Datenrahmen der Signale werden beschrieben, gefolgt von der GPS-Signalstruktur und dem Empfang der Signale. Danach folgt eine Erörterung der Fehlerquellen bei der GPS-Ortung und der Generierung des Zeitstandards in den Satelliten.

Ein Abschnitt ist der Signalstörung (

Self Jamming and Hostile Jamming

) und den Gegenmassnahmen (geschützter GPS-Empfang) gewidmet; eingegangen wird auch auf die Vortäuschung falscher Signale (

Spoofing, Meaconing

).

Der Empfang der Signale ohne Kenntnis des Codes (mit

Codeless Receivers

) bei mässigen Fahrgeschwindigkeiten (<100 km/h) wird angesprochen und auf den Genauigkeitsvorbehalt (

Selective Availability

) eingegangen. Die Chiffrierung der GPS-Signale wird erläutert und abschliessend die Entwicklung von GPS-II zu GPS-III aufgezeigt (ein GPS-Satellit ist in Abb. 7.1 dargestellt).

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 8. GPS/GNSS-Augmentierung

Die Gründe für die Unterstützung (Nachbesserung) der Satellitensysteme werden genannt und anhand des Standardverfahrens im GPS-System dargestellt, sowohl bodengebunden wie auch raumgestützt, gefolgt von lokalen Systemen und flächendeckenden Einrichtungen für die US-Geodäsie und US-Küsten- und Landverkehr. Die SAPOS-Dienste in Deutschland werden erläutert, mit EPS, HEPS, GPPS und GHPS. Für die satellitengestützte Augmentierung werden EGNOS (Europa), WAAS (USA), GAGAN (Indien), MSAS (Japan), QZSS (Japan) und SBAS by Fugro erklärt. Danach wird die Nützlichkeit von Pseudolites ausgeführt und das Testbed GATE vorgestellt, gefolgt von der Beschreibung der Integrated Beacon Pseudolites.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 9. GLONASS

Es wird die Entwicklung in den USA angesprochen, wie die Marine in den 1960er-Jahren das System Transit hatte, das dann von der Luftwaffe mit GPS mit höheren Genauigkeiten überholt wurde, und das Dopplersystem Chayka der Marine der SU, das dann durch die sowjetische Luftwaffe in den 1970er-Jahren durch GLONASS (siehe Abb. 9.1) mit höheren Genauigkeiten abgelöst wurde. GLONASS hat dedizierte Frequenzen pro Satellit, hat nie seine Signale künstlich verschlechtert, robusteren Betrieb und mit der höheren Inklination insbesondere in Nordeuropa die bessere Abdeckung als GPS.

GLONASS zeigt die gleiche Technik wie GPS – einzig der Vielfachzugriff ist anders. Hierzu werden die Systemparameter, die Signale und Frequenzen, die Modulationsverfahren und die C/A- und P-Codes des GLONASS-GNSS beschrieben, der Datenrahmen (der C/A-Coderahmen, P-Coderahmen) angesprochen und es wird auf die Streckenbilanz der Systeme eingegangen.

Den Abschluss des Kapitels bildet eine Betrachtung Quo Vadis GLONASS zu den Zukunftsaussichten des Systems.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 10. Galileo

Die Anfänge des EU-Programmes Galileo und die Anforderungen an das System werden geschildert und die Galileo-Systemarchitektur erläutert, mit dem Raumsegment, dem Bodensegment und dem Nutzersegment. Die Galileo-Funknavigationsdienste Open Service, Commercial Service, Safety of Life Service, Public Regulated Service und Search and Rescue werden angesprochen, sowie systemexterne Integritätsdienste und systemexterne Fernmeldedienste. Dem folgt eine Diskussion der Galileo-Frequenzen, die ITU-Zuweisungen, die Störresistenz – CDMA vs. FDMA, das BOC-Coding einschliesslich Alt-BOC und Grundsatzüberlegungen zu neuen GNSS-Diensten. Danach werden Accuracy, Availability, Integrity, Continuity of Function, die ortsabhängige Genauigkeit und der geschützte Zugriff erläutert und abschliessend der Status des Galileo-Systems angezeigt.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 11. BeiDou/Compass und IRNSS

Dieses Kapitel umfasst die zugängliche Information zum Satellitennavigationssystem BeiDou/Compass der Volksrepublik China. Die Dienste werden beschrieben, die Bahnen der Satelliten (GEO und MEO) und die verwendeten Funkfrequenzen (L-Band) werden genannt, die Vorzüge und Einschränkungen des Systems diskutiert und die Einsatzmöglichkeiten des Systems in China angesprochen. Auch das ebenfalls im BeiDou-Gesamtsystem beinhaltete geostationäre

Satellite Based Augmentation System

(SBAS) wird erläutert. Dann folgt ein kurzer Überblick über das indische Satellitenortungssystem IRNSS, das weltweit erste nationale System dieser Art, auf der Basis von IGSO-Bahnen mit Funkfrequenzen im S-Band, das für den regionalen Einsatz ab ca. 2012 vorgesehen ist.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 12. Übersicht GPS, GLONASS, Galileo

Die Aufgabe dieses Kapitels ist es, in Kurzform nochmals die Essentials darzustellen, welche die drei Satellitennavigationssysteme GPS, GLONASS und Galileo voneinander unterscheiden und welche sie gemeinsam haben – beginnend mit der Frage, ob GLONASS oder Galileo besser sein werden als GPS.

Beschrieben wird die Einführung von GPS als der ungeheure Schritt nach vorn in der Funknavigation und im gesamten Navigationswesen mit seinen positiven Folgen für das Verkehrswesen, die Wirtschaft und nicht zuletzt für die Sicherheitspolitik. Eingegangen wird auf die Handicaps, unter denen GLONASS seit seiner Indienststellung zu leiden hatte, die Hoffnung auf Besserung und sein Alleinstellungsmerkmal in Form von FDMA, das die GLONASS-Nutzung mithilfe von Pseudolites technisch und wirtschaftlich attraktiv erscheinen lässt.

Dargestellt werden die ordnungs- und wirtschaftspolitischen Zielsetzungen der Europäischen Gemeinschaft, sich mit dem Galileo-Vorhaben aus Abhängigkeiten von den USA zu befreien, die sich aus einer faktischen Monopolstellung des GPS ergeben hätten. Beschrieben werden aber auch die ungenutzten Möglichkeiten, mithilfe eines die technisch-physikalischen und die administrativen Gegebenheiten optimal nutzenden Layouts Galileo einen signifikanten Vorsprung vor GPS zu verschaffen.

Beschlossen wird dieses Kapitel mit einem zusammenfassenden Überblick über die Essential-Parameter, deren Einhaltung allen GNSS gemeinsam ist.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 13. GNSS-3 - Navigationssysteme der 3. Generation

Nach der Evolution der Satellitennavigation von Transit bis Galileo stellt sich die Frage, wie ein zukünftiges GNSS gestaltet werden muss. Leistungssteigerung und Sicherheitsgewinn werden angesprochen und die Architektur eines Systems diskutiert, die direkte Kommunikationsverbindung zwischen den Satelliten einer Konstellation (

Inter Satellite Links

), die Konstellation von Satelliten einschl. Hybridkonstellationen. Die weltweiten Funkfrequenzen (Signalausbreitung, Ionosphäre, Resolution und Betriebssicherheit) werden präsentiert, die optimale Signalstruktur, die Vielfachzugriffs- und Modulationsverfahren und die Signalchiffrierung erklärt. Die Übertragungstechnik, Modulations- und Codierverfahren und die Streckenbilanz/Satellitensendeleistung werden hergeleitet. Danach werden die Gerätetechnik und die Genauigkeits- und Fehlerabschätzung erläutert.

High End Applications

werden angesprochen (Kommunikation – Navigation – Geoinformation). Die Finanzierung im Rahmen einer PPP und PPP-Kriterien werden angesprochen und der Weg zu neuen Lösungen aufgezeigt, ein Rückblick auf die GNSS-2-Essentials gewährt und auf die Fragen „Warum ein eigenständiges europäisches System?“ und „Warum die C-Band-Lösung?“ eingegangen.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 14. Integrierte Navigation

Eine sinnvolle Systemauslegung basiert nicht auf einem Einzelsystem, sondern fügt mindestens drei physikalisch dissimilare und technisch unabhängige Systeme zusammen, so wie es Bahn und Seefahrt von alters her praktizieren – die Integrierte Navigation, bei der die mit bordeigenen Sensoren gewonnenen Ortungswerte sinnvoll mit den Werten von z. B. Funknavigationsempfängern fusioniert werden. Die Glättung der Rohwerte (Kalman-Filterung), ihre Gewichtung, die Prüfung der Resultate auf Glaubwürdigkeit und ihre Integration zu einem Bestwert höherer Genauigkeit, besserer Kontinuität und gesteigerter Integrität werden beschrieben. Die Vorteile der Integrierten Navigation kommen umso mehr zur Wirkung, je mehr unterschiedliche Sensoren zur Verfügung stehen und semi-autarke Systeme wie INS

1

, Map Matching etc. eingesetzt werden.

Die Optimierung der Software der Integrierten Navigation wird angesprochen und die

Performance Tripod Parameter Accuracy

,

Integrity and Continuity of Function

erläutert. Bei Datenfusion und Extrapolationsrechnung in der

Tightly- Coupled

-Integration werden relevante Daten nicht nur in einer Richtung vom Messgeber zum Anzeigegerät angegeben, sondern es findet auch eine Rückkopplung valider Messwerte zum Rechnerteil eines GNSS-Empfängers oder eines INS, für hohe Messgenauigkeit bei Kurvenbewegungen und permanenter INS-Driftkorrektur, statt.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 15. Aktuelle Anwendungen

Anhand einiger ausgewählter Beispiele soll aufgezeigt werden, welchen Einfluss verbesserte Möglichkeiten zur Positionsbestimmung auf die Gestaltung von Ablaufprozessen im Automobilverkehr, im Transportwesen und in der Landwirtschaft haben. Charakteristisch ist, dass sich in allen Fällen Effizienzsteigerungen erzielen lassen, allerdings unter der Voraussetzung, dass auch Datenverarbeitung und die Datenkommunikation einen bestimmten Leistungsstandard erreichen.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 16. Ordnungspolitik

Von den Ausführungen über die ordnungspolitische Aufgabe eines Staates zur Beistellung und Gestaltung eines Ortungs- und Navigationswesens führt das Kapitel hin zur Privatisierung von Navigationsdiensten und behandelt die Frage der privatwirtschaftlich betriebenen Funknavigationsdienste in hoheitlicher Funktion – die

Public Private Partnership

am Beispiel Galileo, was ein Fehlschlag war. Die Trennlinie zwischen Monopol und Dominanz wird betrachtet und der Umgang mit Haftungsfragen erläutert, auch am

Worst Case Scenario

des US-Haftungsrechts. Auch in diesem Zusammenhang wird die Integrierte Navigation angesprochen, hier zur Haftungsabsicherung und als ordnungspolitisches Gebot. Danach werden die Rollen von Satellitennavigation und Integrierter Navigation erläutert und dann die Episode „

GPS as Primary Means of Navigation

“ abschliessend behandelt.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 17. Sicherheitspolitik und Satellitennavigation

Nach einer Einführung in die Sicherheitspolitik und das Militärpotenzial werden die drei Begründungsebenen der Sicherheitspolitik aufgezeigt und die Aufgabe der Sicherheitspolitik erläutert. Die Evolution der militärischen GPS-Nutzung wird dargestellt, was zu der Frage führt: Galileo – ein rein ziviles Satellitennavigationssystem? Die Verfügbarkeit von globaler, referenzwertunabhängiger Navigation zur Vermeidung von Kollateralschäden und eigenen Verlusten und letztlich zur Anhebung der Nuklearschwelle wird angesprochen und Europas zweiter Schritt in Richtung GPS diskutiert. Dann wird die SIS-Verschlüsselung zu militärischen Zwecken erklärt. Eine querschnittliche Zusammenfassung und ein Ausblick beschliessen dieses Kapitel.

Hans Dodel, Dieter Häupler

Kapitel 18. Schlussbetrachtung

Am Ende der Ausführungen zur Evolution der Navigation soll ein Blick auf die übergeordneten Entwicklungslinien des Navigationswesens geworfen werden. Zunächst hat es intensiver Entdeckungsreisen und der Kartografenarbeit vieler Jahrhunderte bedurft, um die Erdoberfläche auf Landkarten abzubilden, in denen jedem Punkt auf dem Globus

x

-,

y

- und

z

-Koordinaten zugeordnet sind. So erst wurde es möglich, Ausgangs- und Zielpunkt einer Fahrt oder eines Fluges exakt durch Koordinatenwerte zu beschreiben und aus diesen Angaben einen Kurs zu berechnen.

Bis in die jüngste Zeit spielte auf Rechenverfahren beruhende Navigation im Landverkehr kaum eine Rolle, weil ausgeschilderte Strassen, Flussläufe oder Schienenwege zum Ziel führten.

Anders verhielt es sich mit der Seefahrt, wenn die Küste nicht mehr in Sichtweite war. Kompass und Sextant bildeten über Jahrhunderte die Grundpfeiler seemännischer Navigation. Die grosse Umwälzung im Navigationswesen bahnte sich erst an, als die Funkübertragung von Signalen erfunden worden war. Ingenieure stellten der aufblühenden Verkehrsluftfahrt zuerst Funkfeuer zur Markierung von Luftstrassen und später terrestrische Funknavigationssysteme zur Verfügung, die die Funknavigation auch ausserhalb von Luftstrassen möglich machten.

Mithilfe eines komfortablen Funknavigationsdienstes mitten auf dem Atlantik oder in den unerschlossenen Weiten Afrikas zu navigieren, darauf musste man allerdings bis zum Ende des 20. Jh. warten, als das GPS seinen Betrieb aufnahm.

Hans Dodel, Dieter Häupler

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