Heft 72

Schriftenreihe des Studiengangs Geodäsie und Geoinformation
der Universität der Bundeswehr München

 


 

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Heft 72

Entwicklung eines "end-to-end" Simulators zur Satellitennavigation unter besonderer Berücksichtigung von Pseudolite gestützten GNSS-Landesystemen

Autor: V. Oehler

Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, 2001
IV, 206 Seiten

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Mayer
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Onken
3. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Eissfeller

Die Dissertation wurde am 04.04.2000 bei der Universität der Bundeswehr München,
Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung: 19.12.2000

 


 

Inhalt

Einführung

  • Einleitung
  • Stand der Pseudolite gestützten GNSS-Landesysteme
  • Zielsetzung

Allgemeine Grundlagen

  • Anforderungen an ein Landesystem
    • RNP-Parameter
    • Anforderungen
  • NAVSTAR GPS
    • Aufbau
      • Raumsegment
      • Kontrollsegment
      • Nutzer
    • Signalstruktur
    • Funktionsweise
      • Datenerfassung
      • Kodemessung
      • Phasenmessung
      • Dopplermessung
      • Fehlerquellen
      • Beobachtungsgleichungen und Positionierung
    • Empfänger
      • Allgemein
      • Signalverarbeitung
    • GPS als Landesystem
  • Galileo
    • Allgemein
    • Raumsegment
    • Signalstruktur
    • Empfänger
    • Galileo als Landesystem
  • Pseudolites
    • Allgemein
    • Verbesserung
    • Zusätzliche Problematik
    • Beobachtungsgleichungen und Positionierung
    • GNSS & Pseudolites als Landesystem
  • Weitere Landesysteme
    • Instrumentenlandesystem (ILS)
    • Mikrowellenlandesystem (MLS)

Theoretische Entwicklung des Simulators

  • Anforderungen
  • Fehlermodelle
    • Uhrenfehler
    • Troposhärische Refraktion
      • Hopfield-Modell
      • Variiertes Hopfield-Modell
      • Pseudolite Troposhärenmodell
    • Ionosphärische Refraktion
    • Mehrwege
      • Signalausbreitung
      • Geometrischer Mehrweg
      • Elektrodynamische Auswirkung
    • Mehrwegefehler
      • Einfluß der Mehrwege
      • Stationäre Betrachtung
    • Ablage vom Phasenzentrum
    • Orbitfehler
    • Selective Availability
    • Weitere Empfängerfehler
      • Thermisches Rauschen
      • Dynamischer Regelkreisfehler
    • Relativistische Effekte
    • Pseudolite-Synchronisationsfehler
  • Sender
    • Leistungsbilanz und Störabstand
    • Pulsen
    • Sättigung
  • Empfänger
    • Allgemein
    • Signalerfassung
      • Rechteckige Pulsform mit unendlicher Bandbreite
      • Rechteckige Pulsform mit begrenzter Bandbreite
      • "Raised Cosine" Pulsform
      • Manchester Koding
      • Mehrfach geteilter Chip (Split)
  • Positionierung
    • Linearisierung
    • Methode der kleinsten Quadrate
    • Filterung
    • Bewertung
  • Überwachung
    • B-Values
    • RAIM
  • Lagebestimmung

Anforderungen, Umsetzung und Implementierung

  • Anforderungen
  • Umsetzung
    • Sender
    • Empfänger und Nutzer
    • Sonstige Umgebung
    • Zusammenfassung und Aufbau
  • Implementierung
    • Allgemein
    • Raumsegment
    • Umgebung
      • Pseudolites und Referenzstationen
      • Gebäude und Landschaft
      • Nutzer
    • Fehlerquellen
    • Positionierung
    • Monitoring
    • Sonstiges

Validierung

  • Allgemein
  • Statistische Analyse
  • Dynamische Analyse
  • Wertung

Rechnung und Analyse

  • Grundlagen
    • Umgebung
    • Durchführung
  • Rechnung
    • NAVSTAR GPS
    • Galileo
    • NAVSTAR GPS & Galileo
  • Analyse und Wertung
    • NAVSTAR GPS
    • Galileo
    • NAVSTAR GPS & Galileo
  • Zusammenfassung

Weitere Anwendungen

  • GNSS im Stadtverkehr
    • Aufbau und Durchführung
    • Rechnung und Analyse
    • Wertung
  • Maritime Nutzung von GNSS
    • Aufbau und Durchführung
    • Rechnung und Analyse
    • Wertung

Zusammenfassung

Ausblick

Referenzen

Abkürzungen

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhang

  • Eigenschaften von Reflexionskoeffizienten
  • Stationäre Mehrwegefehler
  • Auswirkungen verschiedener Korrelationsprozesse
  • Benutzerhandbuch
    • Starten der Software und erstellen eines Dokuments
    • Setzen der ersten Parameter
    • Erstellen bzw. Auswahl einer geeigneten Umgebung
    • Nutzer-Implementierung
    • Erstellen von verschiedenen Antennencharakteristika
    • Fehlermodelle und weitere Konfigurationen
    • Starten der Simulation
    • Zwei- und dreidimensionale Analyse
    • Formatbeschreibung
    • Sonstiges

Lebenslauf

Dank


Zusammenfassung

Der Landeanflug mit anschließender Landung ist einer der kritischsten Abschnitte während eines kompletten Fluges, besonders wenn keine Sichtbedingungen gewährleistet sind. Der Anflug erfolgt dann mit Hilfe der Instrumente.

Die bisher im Einsatz befindlichen Landesysteme ILS und MLS können nur lokal genutzt werden, so daß für die Abschnitte des Fluges neben dem Anflug mit Landung zusätzliche Systeme integriert werden müssen.

Eine Abhilfe würde die satellitengestützte Navigation bieten, da mit ihrer Hilfe der komplette Flug zwischen Start und Landung inklusive Rollfeldführung mit nur einem System abgedeckt wäre. Jedoch können derzeit die geforderten Parameter zur Zulassung als Landesystem von den bestehenden Satellitensystemen NAVSTAR GPS und GLONASS nicht eingehalten werden.

Einen entscheidenden Beitrag können Pseudolites liefern, da sie beim Landeanflug die Anzahl der sichtbaren Satelliten erhöhen und somit direkt die zu erreichenden RNP-Parameter beeinflussen.

Das Aufstellen und die damit verbundenen Eigenschaften der Pseudolites und ihre Auswirkungen auf die einzuhaltenden Parameter ist von den lokalen Gegebenheiten abhängig und kann somit nur anhand einer Vielzahl von Flugversuchen analysiert werden. Das Durchführen solcher Flugversuche ist jedoch kostspielig und enorm zeitaufwendig. Zusätzlich lassen sich die einzelnen Einflüsse der Umgebung nicht separat erfassen, so daß eine korrekte Analyse erschwert wird.

Eine komplette Simulation solcher Flugversuche unter Einbindung sämtlicher auftretender Einflüsse würde die angesprochenen Aufwendungen minimieren und ließe die separate Untersuchung sämtlicher Parameter zu.

Desweiteren könnte durch eine variable Entwicklung der Software nicht nur die bereits bestehenden Satellitensysteme eingebunden, sondern auch zukünftige Systeme wie das geplante europäische Galileo System implementiert werden. Die Auswirkungen sind somit bereits vor der Entstehung des ersten Satelliten zu erfassen.

Eine geeignete Simulationssoftware existiert bisher nicht.

Daher erfolgte im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Entwicklung einer kompletten Simulationssoftware. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen wurden dabei das NAVSTAR GPS und das zukünftige Galileo System umgesetzt.

Zur Realisierung wurden sämtliche Eigenschaften, die in einer realen Umgebung die Positionierung beeinflussen, erfaßt und geeignet modelliert. Die Implementierung erfolgte in einer variablen Oberfläche, so daß die freie und einfache Konfiguration sämtlicher relevanter Parameter gewährleistet ist.

Durch eine zwei- und dreidimensionale Visualisierung lassen sich Analysen der verschiedenen Satellitensysteme bzw. ihrer Optionen, der aktuellen Konfigurationen (Referenzstationen, Pseudolites) und der lokalen Einflüssen der Umgebung (Topographie, Gebäude) durchführen. Neben den Positionslösungen durch den implementierten Positionierungsalgorithmus kann zur Analyse ebenfalls die Darstellung der einzelnen Fehleranteile sowohl für sämtliche Referenzstationen, als auch für die implementierten Nutzerantennen verwendet werden.

Die plausible Funktionsweise der Simulationssoftware wurde anhand von statischen und dynamischen NAVSTAR GPS Datensätzen durch den Vergleich mit entsprechenden Rechnungen demonstriert. Dazu wurde der Flughafen Braunschweig modelliert und geeignete Simulationen durchgeführt.

Eine Modellierung des Flughafens München und eines Airbus A340-300 als Nutzer erfolgte. Umfangreiche Simulationen mit entsprechenden Analysen der RNP-Parameter mit Hilfe eines implementierten RAIM Algorithmus wurden durchgeführt. Die Einflüsse sowohl der Pseudolites, als auch des aktuell genutzten Satellitensystems bzw. seiner Optionen konnten erfaßt und analysiert werden.

Zusätzlich wurden die aufgrund der variablen Entwicklung möglichen Einsätze der Simulationssoftware in anderen Gebieten demonstriert. Dazu erfolgten beispielhafte Rechnungen zu Land in einem komplexen Stadtszenario und zu Wasser beim Andocken eines Tankers in einem norwegischen Fjord.

Prinzipiell entstand somit im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine komplette Simulationssoftware, die eine freie Konfiguration sämtlicher Parameter erlaubt, so daß ein flexibler Einsatz für jedes Szenario gewährleistet ist.

 


 

 

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