Satélite de navegación

El satélite TOPEX / Poseidon, lanzado en 1992 para mediciones precisas de altitud

Como los satélites de navegación son satélites artificiales de la Tierra llamados que para el posicionamiento son utilizados por vehículos terrestres, marítimos y aéreos.

funcionalidad

Para ello, el satélite, cuya órbita se mide con precisión, emite señales de radio que son recibidas y analizadas por dispositivos de medición en la tierra. En el pasado, las frecuencias entre 100 y 500 MHz ( metro y las ondas decimétricas se utilizaron), en la actualidad hasta 20 GHz ( centímetro olas ).

La base es la medición de la distancia entre el receptor y la posición actual del satélite. También se puede realizar mediante " pseudorrango " o el efecto Doppler ( navegación por hipérbola ). Las células solares se utilizan para suministro de energía, relojes atómicos (antes osciladores de cuarzo) como estándares de tiempo y una red de estaciones de observación con un centro de datos asociado para determinar la órbita .

Órbitas de los satélites TRANSIT-NNSS
Movimiento de los 18 satélites GPS originales

En un sistema que se mueve en relación con el observador, el tiempo corre más lento (ver dilatación del tiempo y el experimento de Hafele-Keating ). Los relojes a bordo de un satélite de navegación deben reajustarse una y otra vez. Alternativamente, el reloj atómico puede continuar funcionando sin corregir, pero en su lugar se actualiza un valor de corrección.

Órbitas

La elección de las órbitas determina esencialmente el rendimiento del sistema. Los satélites en órbitas bajas permiten una triangulación más precisa, pero tienen una vida útil más corta y un tiempo de visibilidad más corto, por lo que se requieren más satélites para una cobertura completa. En consecuencia, las alturas e inclinaciones de los satélites de navegación, según el propósito, pueden ser muy diferentes. El sistema NNSS de tránsito , que fue ampliamente utilizado en 1965-1990 , tenía 5-6 satélites en órbitas polares de 1000-1100 km de altura . Estaban tan desplazados entre sí (vea la imagen de la derecha) que un satélite se eleva sobre el horizonte cada hora. La tierra gira bajo estas órbitas de satélites como en una jaula.

El sistema de posicionamiento global actual utiliza entre 25 y 30 satélites a una altitud de 20.200 km y orbitas con una inclinación de 55 ° con respecto al ecuador. GLONASS (con una inclinación ligeramente más alta para cubrir mejor latitudes más altas) y el sistema europeo Galileo utilizan una configuración muy similar , mientras que BeiDou distribuye un número similar de satélites en órbitas geosincrónicas y geoestacionarias de 22.000 km de altura. En todos los casos, el objetivo es tener un cierto número de satélites (al menos cuatro, en la práctica al menos seis a ocho) por encima del horizonte en cualquier punto de la Tierra en cualquier momento. La altura de la órbita significa inicios más complejos, pero los satélites son visibles durante mucho tiempo en una ubicación y su vida útil es larga (10 a 15 años). La tecnología de alta frecuencia es tan avanzada que las señales irradiadas con solo unos 50 vatios todavía se pueden medir fácilmente en la Tierra. La mayoría de los satélites tienen actualmente masas de alrededor de 2000 kg y cada uno tiene 2 relojes atómicos basados ​​en cesio o rubidio . Además, están las estaciones terrestres que miden las órbitas de los satélites con alta precisión y tienen que hacer que estos datos sean accesibles a los satélites. El conocimiento de las rutas es esencial para una determinación precisa de la posición.

Principios de medición

Efecto Doppler y su evaluación

El primer satélite, Sputnik, lanzado en octubre de 1957, transmitía continuamente señales de radio. Incluso entonces, los científicos habían estudiado la trayectoria del Sputnik tanto con interferómetros como con antenas unidireccionales simples. Rápidamente se llegó a la conclusión de que se podía calcular la propia posición con un reloj suficientemente preciso, los elementos orbitales del Sputnik y el desplazamiento Doppler de las señales del Sputnik. En última instancia, incluso fue posible obtener datos suficientes para determinar la posición a partir de un solo sobrevuelo del satélite.

El primer sistema de navegación por satélite confiable y utilizable fue el sistema NNSS de tránsito de EE. UU. En la década de 1960 . Utilizó el efecto Doppler resultante del movimiento del satélite , que se midió con marcas de tiempo codificadas en las señales de radio de los satélites de tránsito. Los submarinos de la Armada tuvieron así la oportunidad, independientemente de su lugar (primero LORAN tenía, en el mejor de los casos, unos miles de millas de alcance) y el clima ( navegación celeste ) de determinar la posición y trayectoria del programa Polaris- Atomraketen correctamente.

El desplazamiento Doppler se registró e integró durante 1 minuto, que corresponde a las diferencias de distancia entre las palabras de satélite relevantes y el receptor. La posición del barco se obtuvo a partir de estas líneas hiperbólicas con una precisión de unos 50 m, pero solo de 15 a 30 veces al día.

ver artículo principal Satélite Doppler .

Dado que cada medición Doppler tiene que ver directamente con velocidades o sus diferencias, también se podría registrar la propia velocidad del vehículo y la rotación de la tierra . Además, el sistema NNSS se utilizó para levantamientos nacionales : las mediciones simultáneas realizadas con dos o más receptores en puntos de levantamiento distantes pudieron determinar con precisión la distancia entre ellos. La evaluación con métodos diferenciales especiales (sección de hiperboloides ) dio como resultado posiciones de posprocesamiento con una precisión de aproximadamente ± 50 cm.

Los satélites de navegación avanzados de la década de 1970 (tipo NOVA ) tenían acelerómetros especiales a bordo para eliminar las fuerzas no gravitacionales en las órbitas de los satélites. Esto permitió aumentar la navegación a una precisión de 20 metros en todo el mundo, y en campañas de levantamiento nacionales más largas , incluso a ± 20 cm.

Los desplazamientos Doppler también se miden mediante el sistema de satélite de Orbitografía Doppler y Radioposicionamiento Integrado por Satélite (DORIS) desarrollado por Francia . Sin embargo, las mediciones no se realizan en tierra, sino en las propias sondas espaciales, lo que reduce el esfuerzo. El enfoque actual de DORIS no es la navegación, sino el seguimiento de la rotación de la tierra , la ionosfera y el sistema de referencia geodésico .

Incluso hoy en día, COSPAS-SARSAT , un sistema satelital para localizar barcos y aviones estrellados, utiliza el efecto Doppler, pero las señales de emergencia del satélite se registran y evalúan en una estación terrestre.

Mediciones bidireccionales y pseudo-rutas GPS

Otros sistemas (por ejemplo, PRARE ) llevan transpondedores para responder a las señales de radio que llegan desde una estación terrestre (similar al radar secundario ). Esta medición bidireccional permite, a diferencia del GPS, un tiempo real de medición de vuelo y un mejor registro de la refracción atmosférica .

Todos los sistemas globales de navegación por satélite actuales (GPS, GLONASS, Galileo o BeiDou) no funcionan, como se suele afirmar, con la medición en tiempo real de las señales codificadas (ver trilateración ), sino con pseudo-rutas . Significan una medición de distancia en la que todas las distancias de medición se desvían del valor real en una cantidad constante, porque los relojes del satélite y del receptor solo pueden sincronizarse aproximadamente. El momento en que la señal llega al receptor se registra en su sistema de tiempo y la pequeña diferencia de tiempo δt se determina como desconocida junto con las coordenadas de ubicación . Por lo tanto, medir la distancia a tres satélites (intersección de tres esferas) no es suficiente , pero se requiere un cuarto . De hecho, normalmente hay entre 6 y 10 satélites sobre el horizonte de todos modos, por lo que se puede seleccionar la mejor constelación geométricamente (consulte los parámetros de precisión PDOP y GDOP ). Los dispositivos modernos pueden recibir las señales de varios sistemas y evaluarlas en paralelo, de modo que se aumentan la precisión y la disponibilidad.

Ver también

Evidencia individual

  1. ^ William H. Guier, George C. Weiffenbach: Génesis de la navegación por satélite . En: Johns Hopkins APL Technical Digest . cinta 19 , no. 1 , 1998, pág. 14-17 (inglés, en línea [PDF; 42 kB ; consultado el 7 de agosto de 2020]).