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AKTUELLE INFORMATIONEN AUS DEM
GPS-PLANUNGSBÜRO
Franz Josef LOHMAR
In: SCHÖDLBAUER, Albert (Hrsg.) [1990]: Moderne Verfahren der Landesvermessung.
Teil I: Global Positioning System.
Beiträge zum 22. DVW-Seminar, 12.-14. April 1989.
Schriftenreihe Studiengang Vermessungswesen, Universität der Bundeswehr München, Heft 38-1,
Neubiberg, S. 13-20
ISSN: 0173-1009.
13
AKTUELLE INFORMATIONEN AUS DEM GPS-PLANUNGSBÜRO
Franz Josef LOHMAR
Amt für Militärisches Geowesen
Frauenberger Straße 250
D-5350 Euskirchen
ZUSAMMENFASSUNG
Das NAVSTAR Global Positioning System (GPS) wird von den USA primär zur
Navigation von militärischen Fahrzeugen entwickelt. Andere NATO-Staaten, unter
anderem die Bundesrepublik Deutschland, tragen über Projektgruppen und ein
Team im GPS Joint Program Office der US Airforce zum Management des Systems bei. Das GPS ist für zivile Zwecke nur eingeschränkt freigegeben; kontrolliert
wird der Zugriff über spezielle Techniken. Die bestehenden Erklärungen der
amerikanischen Seite zur Freigabe werden wiedergegeben.
Nach ca. drei Jahren Wartezeit, bedingt durch den Challenger-Unfall, ist am 14.
Februar 1989 der erste Block-II-Satellit mit einer Delta-II-Trägerrakete in seine
Umlaufbahn gebracht worden. Die weitere Planung sieht Starts in zweimonatiger
Folge vor, so daß Ende 1991 die dreidimensionale Überdeckung verfügbar sein soll.
Zur Zeit sind mehrere Satellitenkonstellationen im Gespräch, die nacheinander
eingenommen werden könnten, um eine Optimierung der Überdeckung mit 18, 21
und 24 Satelliten zu erzielen. Für die ab Mitte der neunziger Jahre vorgesehenen
Block-IIR-Satelliten hat bereits heute die Entwicklung begonnen.
ABSTRACT
NAVSTAR Global Positioning System (GPS) is primarily developped from the US
as a navigation system for military vehicles. Other N ATO-countries, among others
the Federal Republic of Germany, are participating to the system management
through project groups and a NATO team within the GPS Joint Program Office
of the US Airforce.
GPS is released for public use with restrictions; the access is controlled by special
techniques. The actual statements of the US government are reported.
After a three year delay due to the space shuttle desaster the first Block II
satellite has been successfully launched on 14. February 1989. The schedule contains launches in a 60 day sequence. The 3D capability should be reached end of
1991. Today, several satellite constellations are in discussion, which could be
implemented sequentially to optimize the coverage with 18, 21 and 24 space
vehicles.
The development of the Block IIR satellites which are to be operated in the mid
nineties is already going on.
14
1.
GPS PROJEKTMANAGEMENT UND EINBINDUNG DER ALLIIERTEN
Das NAVSTAR Global Positioning System (GPS) wird primär zur Navigation von
militärischen
Fahrzeugen
entwickelt.
Innerhalb
der
US-Streitkräfte
liegt
das
Management des Projekts bei der US Airforce Space Division in Los Angeles. Da das
NAVSTAR GPS von Beginn an als gemeinsames Navigationssystem für Land-, Luftund Seefahrzeuge konzipiert war, galt es, eine Mitwirkung auch der anderen
Teilstreitkräfte, Heer und Marine, zu realisieren. Zu diesem Zweck wurde innerhalb der
Space Division das "NAVSTAR GPS Joint Program Office'' (JPO) eingerichtet und
mit dem Projektmanagement beauftragt.
Die US Defense Mapping Agency (DMA) ist wegen der engen wechselseitigen
Beziehungen zwischen Geodäsie und satellitengestützter Navigation permanent im
Joint Program Office vertreten.
Auch die nicht-militärischen Nutzer, insbesondere aus der Navigationsgemeinschaft,
sind im Joint Program Office repräsentiert. Diese Aufgabe hat das US amerikanische
Verkehrsministerium (Department of Transportation) übernommen.
Die NATO wird über den Entwicklungsstand des Vorhabens NAVSTAR GPS im
Rahmen eines Gremiums, das sich von seiten der Rüstung mit Navigation- und
Positionsbestimmung befaßt, regelmäßig unterrichtet.
Darüber hinaus haben 10 NATO-Staaten mit den USA ein Regierungsabkommen zu
GPS geschlossen. Auf dieser Basis sind zwei NATO-GPS-Projektgruppen – ein Lenkungsausschuß und eine technische Unterstützungsgruppe – eingesetzt worden. Ein
NATO-Team ist in die Arbeit des Joint Program Office mit eingebunden, um so das
Entwicklungsprogramm direkt verfolgen zu können und Informationen den Vertragspartnerstaaten bereitzustellen. Dieses Regierungsabkommen deckt zunächst nur die
Entwicklungs- und Aufbauphase von GPS ab und läuft Ende 1991 aus. Ein Folgeabkommen für die operationelle Phase von GPS ist in Arbeit.
Der Militärgeographische Dienst der Bundeswehr ist an den Informationsfluß über den
NATO-Kanal angebunden und entsendet je nach Tagesordnung Vertreter in die
entsprechenden NATO-Arbeitsgruppen. Zudem werden innerhalb der Gemeinschaft
der MilGeo-Dienste bei Tagungen fallweise auch Fakten über GPS ausgetauscht.
15
Im folgenden werden einige Informationen aus dem Joint Program Office über den
Stand der Entwicklung und Planung von GPS in technischer und politischer Hinsicht
wiedergegeben, die für die geodätische Nutzung des Systems interessant sein könnten.
2.
ZUGANG ZU DEN GPS-CODES
Mit den Signalen von GPS ist die Trennung der Nutzergemeinschaft in zwei Gruppen
möglich, indem der Zugang zu
– dem Precise Positioning Service (PPS) und
– dem Standard Positioning Service (SPS)
gesteuert werden kann. Der PPS ermöglicht die volle systemeigene Navigationsgenauigkeit und bietet ein Höchstmaß an Störschutz. Er steht aus militärischen Gründen
nur einem eingeschränkten Nutzerkreis zur Verfügung. Der SPS weist hingegen
eine geringere, vom Systembetreiber voreinstellbare Positionsbestimmungsgenauigkeit
auf. Der SPS ist jedermann gebührenfrei zugänglich.
Dieser eingeschränkte Zugriff auf das GPS wird durch zwei Techniken realisiert: Die
"Anti-Spoofing"-Technik (A-S) sperrt den Zugang zu dem P-Code, indem der
P-Code verschlüsselt wird und damit in den Y-Code übergeht. Der SPS-Navigationsanwender bleibt somit – wenn A-S eingeschaltet ist – auf den C/A-Code beschränkt.
Die Technik der "Selective Availability" (S/A) dient zur Steuerung der mit Hilfe des
C/A-Code erzielbaren Navigationsgenauigkeit. Durch S/A ist es möglich, vom Kontrollsegment aus die systembedingten Meßfehler kontrolliert zu erhöhen. Eine genaue
Darstellung über die Eingriffe der S/A-Technik in den Fehlerhaushalt wird von den
USA nicht veröffentlicht. Zu erwarten ist, daß ein künstliches Rauschen auf Code- und
Trägersignal gelegt und die Daten der Navigationsmessage, wie Satellitenephemeriden
und Satellitenuhrenparameter verändert werden.
Die Größenordnung der bewußt hinzugefügten Fehler ist abhängig von dem gewünschten Effekt in der Positionsbestimmung für Navigationsanwender. Nach dem heutigen
Stand der Diskussion soll ein mittlerer Punktfehler von ca. 60 m (dies entspricht 100 m
bei einer Sicherheitswahrscheinlichkeit von 95%) oder kleiner im Normalfall mit dem
SPS erreichbar sein. Im Spannungsfall wird der Systembetreiber eine weitere Minderung dieser Genauigkeiten mittels S/A bewirken.
16
Die S/A-Technik wird in der Regel bei den Block-II-Satelliten eingeschaltet sein. Der
Systembetreiber behält sich vor, A-S bei den Block-II-Satelliten ohne Vorankündigung an- und auszuschalten.
Das US Verteidigungsministerium sieht generell die Möglichkeit vor, daß fallweise auch
zivile Stellen Zugang zu dem PPS haben. Folgende Bedingungen müssen im Einzelfall
erfüllt sein:
– es besteht ein nationales Interesse der USA daran,
– der Nutzer ist in der Lage, die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, und
– es gibt keine vernünftige Alternative zur Nutzung des PPS.
Jeder Nutzer des PPS wird sich einer Zulassung durch eine entsprechende Behörde
unterziehen müssen. Innerhalb der USA ist das Verkehrsministerium mit der Einrichtung
einer
entsprechenden
Verwaltung
beauftragt
worden.
Die
NATO-Ver-
tragspartner sind aufgefordert, ihre nationalen Ansprechstellen für diese Angelegenheit
zu benennen.
Wesentlich ist, daß sich die Kontrolle der Genauigkeiten aus militärischer Sicht
ausschließlich auf Navigationsanwendungen beschränkt. Geodätische Messungen und
auch Differential-GPS-Methoden in Echtzeit bleiben bei diesen Maßnahmen unbeachtet und werden nicht in diese Betrachtungen miteinbezogen.
Dennoch bleibt die Frage nach wie vor offen, ob die S/A-Technik nicht auch geodätische GPS-Messungen beeinträchtigen wird. So gehen Fehler der Broadcast Ephemerides in die Basislinienlösungen ein; hier kann allerdings die Verwendung von Precise
Ephemerides oder eine Bahnverbesserungstechnik leicht Abhilfe schaffen.
3.
PLANUNG ZUM AUFBAU DES RAUMSEGMENTS
Am 14. Februar 1989 ist nach etwa dreijähriger Wartezeit, die durch den Challenger
Unfall bedingt war, der erste Block-II-Satellit (PRN-Nr. 14) in eine Umlaufbahn
gebracht worden. Als Träger kam erstmals eine Delta-II-Rakete zum Einsatz, die für
diesen Zweck entwickelt worden ist. Starts mittels Space Shuttle sind ebenfalls
vorgesehen, spielen aber künftig nur eine untergeordnete Rolle. Die weiteren Satelliten
17
sollen in zweimonatiger Folge gestartet werden, so daß sich – wenn alles planmäßig
verläuft – Ende 1991 18 Block-II-Satelliten in Umlauf befinden.
Für die ersten vier Block-II-Satelliten sind die Bahnparameter so festgelegt worden,
daß sich gemeinsam mit den zuverlässigsten Block-I-Satelliten (PRN-Nr. 3, 11, 12
und
13)
gute
Beobachtungsbedingungen
über
dem
amerikanischen
Kontinent
ergeben. Tabelle 1 enthält die Kepler Elemente für diese Konstellation.
Grundlage zur Planung der operationeilen Satellitenkonstellation sind Optimierungsrechnungen bezüglich globaler guter Beobachtungsbedingungen für die Navigation.
Hierbei werden bei vorgegebenem minimalem Höhenwinkel und einem festgelegten
obersten Grenzwert für PDOP die orts- und zeitabhängigen PDOP-Werte global
minimiert. Ein wesentliches zusätzliches Kriterium für die Navigation ist die Änderung
dieser Funktion bei Ausfall eines oder mehrerer Satelliten.
Tabelle 1: Bahndaten der geplanten Konstellation für Herbst 1989 (in den üblichen
Dimensionen: km, Grad)
Bezugsepoche:
01. April 1989 0 Uhr UT
a
e
i
Ω
ω
M
3
29561
0.0117
63.61
101.80
149.72
60.13
11
26558
0.0133
63.09
101.91
214.16
75.41
12
26560
0.0098
63.42
340.12
320.93
359.55
13
26559
0.0014
62.83
101.22
283.09
326.33
26560
0.0000
55.00
215.00
0.00
201.00
26560
0.0000
55.00
35.00
0.00
62.00
26560
0.0000
55.00
155.00
0.00
105.00
26560
0.0000
55.00
335.00
0.00
86.00
PRNNr.
Die ursprünglich geplante 18-Satelliten-Konstellation mit 3 aktiven Reservesatelliten
wird so abgeändert werden, daß die Reservesatelliten stärker in die Überdeckungsrechnungen eingebunden werden. Diese Konstellation wird als die optimierte 21-Satelliten-Konstellation bezeichnet und soll bis 1992 realisiert werden. In Tabelle 2 sind die
zugehörigen Kepler Elemente angegeben.
18
Tabelle 2:
Bahndaten der optimierten 21-Satelliten-Konstellation (in den üblichen
Dimensionen: km, Grad)
Bezugsepoche: 26. November 1989 0 Uhr UT
Für alle Satelliten gleiche Parameter:
a
=
26609
e
=
0.0
i
=
55.0
ω
=
0.0
Satelliten
Position
Ω
M
Satelliten
Position
Ω
M
A1
325.73
190.88
D1
145.73
328.12
A2
325.73
329.88
D2
145.73
86.63
A3
325.73
87.13
D3
145.73
216.88
B1
25.73
260.88
E1
205.73
12.13
B2
25.73
358.88
E2
205.73
108.88
B3
25.73
129.88
E3
205.73
247.63
C1
85.73
289.88
F1
265.73
42.88
C2
85.73
68.88
F2
265.73
173.13
C3
85.73
172.63
F3
265.73
291.63
A4
325.73
224.38
E4
205.73
150.88
C4
85.73
35.38
Etwa Mitte der neunziger Jahre soll dann eine aus 21 Satelliten und 3 zusätzlichen
Reservesatelliten bestehende Konstellation eingenommen werden. Die vorgesehenen
Bahndaten finden sich in Tabelle 3.
Für die Testphase war die Satellitenumlaufhöhe so gewählt worden, daß sich die
Satellitenkonstellation für einen erdfesten Punkt nach 24 Stunden Sternzeit wiederholt.
Durch diese quasi erdsynchrone Bewegung entstehen Resonanzeffekte mit höheren
Gliedern des Erdschwerefeldes, wodurch sich zusätzliche Driften der Satellitenbahnen
ergeben. Diese müssen durch Positionskorrekturen mit Hilfe der Antriebe in Grenzen
gehalten werden. Die Zahl solcher Manöver, die stets zu einem Ausfall des Satelliten
für mehrere Tage führen, kann reduziert werden, wenn diese Synchronität leicht
gemindert wird. Hierzu ist eine Änderung der großen Halbachse von 26 559.8 km auf
26 609.0 km vorgesehen. Die Satellitenspur wird dadurch täglich ca. 1 Grad westwärts
wandern.
19
Tabelle 3:
Bahndaten der optimierten 21-Satelliten-Konstellation (in den üblichen
Dimensionen: km, Grad)
Bezugsepoche: 26. November 1989 0 Uhr UT
Für alle Satelliten gleiche Parameter:
a
=
26609
e
=
0.0
i
=
55.0
ω
=
0.0
Satelliten
Position
Ω
M
Satelliten
Position
Ω
M
A1
325.73
190.96
D1
145.73
312.30
A2
325.73
220.48
D2
145.73
340.93
A3
325.73
330.17
D3
145.73
87.06
A4
325.73
83.58
D4
145.73
209.81
B1
25.73
249.90
E1
205.73
11.90
B2
25.73
352.12
E2
205.73
110.76
B3
25.73
25.25
E3
205.73
143.88
B4
25.73
124.10
E4
205.73
246.11
C1
85.73
286.20
F1
265.73
52.42
C2
85.73
48.94
F2
265.73
165.85
C3
85.73
155.08
F3
265.73
275.52
C4
85.73
183.71
F4
265.73
305.04
Diese Höhenänderung ist vorgesehen, wenn 6 oder 7 Block-II-Satelliten in Umlauf
sind, und wird auch die vier zuverlässigsten Block-I-Satelliten betreffen. In Tabelle 2
und 3 sind bereits die neuen Werte der großen Halbachsen aufgelistet.
4.
ENTWICKLUNG DER BLOCK-IIR-SATELLITENGENERATION
Die GPS-Satelliten sind für eine Lebensdauer von etwa fünf Jahren konzipiert. Bereits
1987 lief daher die Entwicklung für die 2. Generation operationeller Satelliten, genannt
Block-IIR ("R" steht für Replenishment), an. Block-IIR-Satelliten werden ab Mitte
der neunziger Jahre eingesetzt werden.
Die bemerkenswerteste bekanntgegebene Neuerung von Block-IIR ist, daß diese Satelliten in der Lage sind, Pseudoranges von Satellit zu Satellit zu messen ("Crosslink
20
Ranging" genannt). Die Vorteile dieser in der Satellitengeodäsie wohlbekannten
Methode sind offensichtlich: Kein Refraktionsproblem, bessere Konditionierung der
Bahnbestimmung, größere Unabhängigkeit von geodynamischen Faktoren.
Block-IIR-Satelliten sollen zudem über die Möglichkeit verfügen, an Bord der Satelliten Ephemeriden zu berechnen. Hierzu werden die Crosslink-Streckenmessungsergebnisse zwischen den Satelliten ausgetauscht. Durch diese Technik wird eine aus
militärischer Sicht bedeutsame Unabhängigkeit von dem Bodenkontrollsegment des
GPS erreicht.
5.
ZUSAMMENFASSUNG
Für NAVSTAR-GPS soll Ende 1991 die operationelle Phase beginnen. Der zivilen
Gemeinschaft wird bislang nur in eingeschränktem Umfang Zugang gewährt. Ziel der
Einschränkungen ist, die Navigationsgenauigkeit kontrolliert steuern zu können.
Inwieweit geodätische Anwendungen von dieser Einschränkung betroffen sein werden,
kann heute nicht abschließend beurteilt werden.
Für das Raumsegment werden zur Zeit verschiedene Konstellationen betrachtet, die
nacheinander eingenommen werden könnten, um mit der gerade verfügbaren Zahl an
Satelliten eine optimale Überdeckung zu erreichen.
Auch nach Beginn der operationellen Phase des GPS wird sich – schon mit der BlockIIR-Satellitengeneration – die GPS-Technologie weiterentwickeln.
6.
LITERATUR
GREEN, G.B.; MASSATT, P.D.; RHODUS, N.W.: The GPS 21 Primary Satellite
Constellation. In: Niederschrift der 22. Sitzung des NATO-GPS-Lenkungsausschusses,
25. bis 28. Oktober 1988, Cape Canaveral
Niederschrift der 9. Sitzung der NATO-GPS-technischen Unterstützungsgruppe, 14.17. März 1989, Verona
Niederschrift der 22. Sitzung des NATO-GPS-Lenkungsausschusses, 25. bis 28.
Oktober 1988, Cape Canaveral
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