GPS Raumsegment

GPS

Titel

GPS Raumsegment

Bearbeitet von

GMV

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Basic

Jahr der Veröffentlichung

Die Hauptfunktionen des Raumsegments sind die Übertragung von Funknavigationssignalen sowie die Speicherung und Weiterleitung der vom Kontrollsegment gesendeten Navigationsnachricht. Diese Übertragungen werden durch hochstabile Atomuhren an Bord der Satelliten gesteuert.

Das GPS-Raumsegment besteht aus einer Satellitenkonstellation mit genügend Satelliten, um sicherzustellen, dass die Nutzer zu jeder Zeit mindestens 4 Satelliten gleichzeitig von jedem Punkt der Erdoberfläche aus im Blick haben. Die Vereinigten Staaten haben sich verpflichtet, die Verfügbarkeit von mindestens 24 einsatzfähigen GPS-Satelliten zu 95 % der Zeit aufrechtzuerhalten. Um diese Verpflichtung zu gewährleisten, hat die Air Force in den letzten Jahren rund 30 einsatzbereite GPS-Satelliten im Einsatz.

GPS-Satellitenkonstellation

Die Satelliten in der GPS-Sollkonstellation sind in sechs gleichmäßig verteilten Bahnebenen mit einer Neigung von 55 Grad gegenüber dem Äquator angeordnet. Jede Ebene enthält vier „Slots“, die mit Basisliniensatelliten besetzt sind. Diese 24-Slot-Anordnung stellt sicher, dass Benutzer mindestens vier Satelliten von praktisch jedem Punkt der Erde aus sehen können.

Die Air Force fliegt normalerweise mehr als 24 GPS-Satelliten, um die Abdeckung aufrechtzuerhalten, wenn die Basisliniensatelliten gewartet oder außer Dienst gestellt werden. Die zusätzlichen Satelliten können die GPS-Leistung erhöhen, werden aber nicht als Teil der Kernkonstellation betrachtet.

Im Juni 2011 schloss die Air Force erfolgreich eine Erweiterung der GPS-Konstellation ab, die als „Expandable 24“-Konfiguration bekannt ist. Drei der 24 Slots wurden erweitert und sechs Satelliten wurden neu positioniert, so dass drei der zusätzlichen Satelliten Teil der Grundkonstellation wurden. Als Ergebnis arbeitet GPS jetzt effektiv als 27-Slot-Konstellation mit verbesserter Abdeckung in den meisten Teilen der Welt.

Bahnen sind nahezu kreisförmig, mit einer Exzentrizität von weniger als 0,02, einer Halbachse von 26 560 km, d.h. einer Höhe von 20 200 km. Orbits in dieser Höhe werden als MEO – Medium Earth Orbit – bezeichnet. Die Satelliten haben eine Geschwindigkeit von 3,9 km pro Sekunde und eine nominelle Periode von 12 h siderischer Zeit (11 h 58m 2 s), wobei sich die Geometrie an jedem siderischen Tag wiederholt. Das Raumsegment wird gewartet und weiterentwickelt.

GPS-Satellitenbeschreibung

Das Design der GPS-Satelliten hat sich mit der Zeit weiterentwickelt. Jede Generation von Satelliten mit ähnlichen Eigenschaften wird als Block bezeichnet. Es folgt eine kurze Beschreibung der verschiedenen GPS-Blöcke:

Block I

• Block I, Navigationsentwicklungssatelliten: Elf Satelliten dieses Typs wurden zwischen 1978 und 1985 gestartet. Die Selective Availability (S/A) wurde nicht implementiert. Sie wogen etwa 845Kg und hatten eine geplante durchschnittliche Lebensdauer von 4,5 Jahren, obwohl einige von ihnen bis zu 10 Jahre hielten. Sie waren in der Lage, Positionierungsdienste durch L1- und L2-Signale und für 3 oder 4 Tage ohne Kontakt mit dem Kontrollzentrum zu leisten.

Block II

• Block II und IIA, Operational Satellites: Sie bestehen aus insgesamt 28 Satelliten, die von 1989 bis 1997 gestartet wurden und alle bereits außer Dienst gestellt wurden (der letzte im Jahr 2019). Sie wogen etwa 1 500 kg und hatten eine geplante durchschnittliche Lebensdauer von 7,5 Jahren, obwohl die durchschnittliche Lebensdauer fast 26 Jahre erreichte, mehr als das Dreifache der geplanten Lebensdauer. Seit 1990 wurde eine verbesserte Version eingesetzt, Block IIA (advanced), mit der Fähigkeit zur gegenseitigen Kommunikation. Sie waren in der Lage, den Positionierungsdienst für 180 Tage ohne Kontakt mit dem Kontrollsegment zu liefern. Im normalen Betriebsmodus kommunizierten sie jedoch täglich. Diese Satelliten enthielten die Fähigkeit zur selektiven Verfügbarkeit.
• Block IIR, ErsatzbetriebssatellitenVon 1997 bis 2004 werden diese Satelliten als Ersatz für Block II eingesetzt. Block IIR besteht aus einem Satz von 20 Satelliten, obwohl er um 6 weitere aufgestockt werden könnte. Sie wiegen etwa 2 000Kg, enthalten Rubidium-Uhren und haben eine geplante durchschnittliche Lebensdauer von 10 Jahren, obwohl die durchschnittliche Lebensdauer bereits die 18 Jahre erreicht hat. Die wichtigste neue Funktionalität dieser Satelliten ist die Implementierung der AUTONAV-Fähigkeit, bei der die Satelliten ihre Umlaufbahnen selbst bestimmen und ihre eigene Navigationsnachricht autonom berechnen können. Sie haben die Fähigkeit, Entfernungen zwischen sich selbst zu messen und Daten an andere Satelliten oder an das Kontrollsegment zu übertragen. Ein Block IIR-Satellit muss in der Lage sein, etwa ein halbes Jahr ohne Unterstützung durch das Kontrollsegment zu arbeiten, ohne dass die Ephemeridengenauigkeit beeinträchtigt wird.
• Block IIR-M, modernisierte Satelliten: Diese 8 Satelliten stellen eine modernisierte Version der IIR-Familie dar, die ein neues militärisches M-Code-Signal und das robustere zivile Signal L2C enthält. Sie wurden von September 2005 bis August 2009 gestartet.
• Block IIF, Follow-on Operational Satellites: Dieser Block stellt eine Verbesserung des Blocks IIA dar, basierend auf der Anwendbarkeit neuer Technologien und neuer Verbesserungen im System, einschließlich der Übertragung einer dritten zivilen Frequenz L5, die für Safety-of-Life-Anwendungen bestimmt ist, und der Bereitstellung einer verbesserten Genauigkeit durch fortschrittliche Atomuhren (2 strahlungsgehärtete Rubidium-Atomuhren und 1 Cäsiumuhr mit hochstabiler Zeitmessung). Der erste Satellit (SVN62) wurde am 28. Mai 2010 gestartet. Ihre theoretische durchschnittliche Lebensdauer beträgt ca. 12 Jahre, obwohl keiner dieser Satelliten bis heute seine geplante Lebensdauer erreicht hat.

	Block II/IIA	Block IIR	Blork IIR-M	Block IIF
Primäre Auftragnehmer	Rockwell International (Boeing North American)	Lockheed Martin	Lockheed Martin	Boeing North American
Solarkraftwerk	800 Watt	800 Watt	800 Watt	2450 Watt
Gewicht	1,816 kg	2,217 kg	2,217 kg	1,705 kg
	Höhe	3.4 Meter	1,7 Meter	1,7 Meter	2,4 Meter
Breite	5.3 Meter	11,4 Meter	11,4 Meter	35,5 Meter
Design Life	7.5 Jahre	10 Jahre	10 Jahre	12 Jahre

Block III

• Block III: Es handelt sich um eine Weiterentwicklung von Block II, zum Teil durch die Weiterentwicklung der Satelliten, aber auch durch Änderungen am Kontrollsegment. GPS III wird benötigt, um die Bereitstellung von L2C- und L5-Signalfähigkeiten zu vervollständigen, die mit den modernisierten GPS IIR-M- und GPS IIF-Satelliten begonnen wurde. Die neue Generation von GPS-Satelliten führt auch erhebliche Verbesserungen der Navigationsfähigkeiten ein, indem sie die Interoperabilität und die Störungsresistenz verbessert und eine Designlebensdauer von 15 Jahren hat. Sie bieten das vierte zivile Signal auf dem L1-Band (L1C), das mit anderen GPS-Signalen interoperabel ist, und bringen die volle Fähigkeit zur Nutzung des militärischen M-Code-Signals. Außerdem ist eine verbesserte Leistung für eine erhöhte Genauigkeit des Subsystems und eine verbesserte Auflösung von Anomalien vorgesehen. Es enthält mehrere atomare Frequenzstandards (Rubidium-Uhren), strahlungsgehärtetes Design, hochstabiles Timing und automatische Integritätsüberwachung. Der erste Start erfolgte im Dezember 2018 und besteht aus 10 Einheiten.
• Block IIIF, Follow-on Operational Satellites: GPS IIIF, wird GPS III-Satelliten über die ersten zehn SVs hinaus liefern, die vom GPS III-Programm geliefert werden. GPS IIIF SVs (11-32) werden neue Fähigkeiten einführen, um die gestiegenen Anforderungen von militärischen und zivilen Nutzern zu erfüllen. Sie werden die technische Basis von GPS III beibehalten, aber die Gesamtgröße, das Gewicht und die Leistung reduzieren, um die Missionsbereiche Positionierung, Navigation, Zeitmessung und Nuclear Detonation Detection System (NDS) mit einem neu gestalteten NDS zu erfüllen. Außerdem sollen neue Fähigkeiten an Bord gebracht werden, indem eine Such- und Rettungs-GPS-Nutzlast untergebracht wird, die zur Unterstützung des globalen Such- und Rettungseinsatzes entwickelt wurde. Es ermöglicht präzise Entfernungsmessungen durch die Aufnahme eines Laser-Retro-Reflektor-Arrays. Es wird die Konsolidierung von Telemetrie-, Verfolgungs- und Kommandofrequenzen ansprechen, indem es die Übereinstimmung mit den Unified S-Band-Fähigkeiten ermöglicht. Schließlich wird das Programm mit einer regionalen militärischen Schutzfunktion für das Militär eine verbesserte Störungsabwehr anstreben.

Abschließend sind in der folgenden Tabelle die wichtigsten Eigenschaften der verschiedenen GPS-Satellitenblöcke zusammengefasst:

Aktuelle GPS-Satellitenkonstellation

Mehr aktuelle Informationen zum Status der GPS-Konstellation finden Sie unter NAVCEN GPS constellation status.