Navigasyon uydusu

Doğru yükseklik ölçümleri için 1992'de fırlatılan TOPEX / Poseidon uydusu

Gibi navigasyon uyduları olan yapay yeryüzü uydular için o adlandırılan konumlandırma kara, deniz ve hava araçları tarafından kullanılmaktadır.

işlevsellik

Bu amaçla yörüngesi hassas bir şekilde ölçülen uydu , yeryüzündeki ölçüm cihazları tarafından alınan ve analiz edilen radyo sinyalleri yayar . Geçmişte 100 ile 500 MHz ( metre ve desimetre dalgaları ) arasındaki frekanslar , bugün 20 GHz'e ( santimetre dalgalar ) kadar kullanılmaktaydı.

Temel , alıcı ile mevcut uydu konumu arasındaki mesafe ölçümüdür. Bu aynı zamanda " sahte değiştirme " veya Doppler efekti ( hiperbol navigasyonu ) aracılığıyla da yapılabilir. Güneş pilleri , güç kaynağı için, zaman standartları olarak atomik saatler (eski adıyla kuvars osilatörleri) ve yörüngeyi belirlemek için ilişkili bir veri merkezine sahip bir gözlem istasyonları ağı kullanılır.

TRANSIT-NNSS uydularının yörüngeleri
Orijinal 18 GPS uydusunun hareketi

Gözlemciye göre hareket eden bir sistemde zaman daha yavaş ilerler (bkz. Zaman genişlemesi ve Hafele-Keating deneyi ). Bir navigasyon uydusundaki saatler tekrar tekrar ayarlanmalıdır. Alternatif olarak, atom saati düzeltilmeden çalışmaya devam edebilir, ancak bunun yerine bir düzeltme değeri güncellenir.

Yörüngeler

Yörünge seçimi, esas olarak sistemin performansını belirler. Düşük yörüngelerdeki uydular daha doğru nirengi sağlar, ancak daha kısa ömre ve daha kısa görüş süresine sahiptir, bu nedenle tam kapsama için daha fazla uydu gerekir. Buna göre, navigasyon uydularının yörünge yükseklikleri ve eğimleri - amaca bağlı olarak - çok farklı olabilir. 1965–1990'da yaygın olarak kullanılan transit NNSS sistemi, 1000–1100 km yüksek kutup yörüngelerinde 5–6 uyduya sahipti . Birbirlerinden öylesine uzaklaşmışlardı ki (sağdaki resme bakın), her saat başı ufukta bir uydu beliriyordu. Dünya, bu uydu yörüngelerinin altında bir kafes gibi dönüyor.

Bugünün küresel konumlandırma sistemi , 20.200 km yükseklikte 25–30 uydu ve ekvatora 55 ° eğimli yörüngeler kullanıyor. GLONASS (daha yüksek enlemleri daha iyi kaplamak için biraz daha yüksek bir eğime sahip) ve Avrupa Galileo sistemi çok benzer bir konfigürasyon kullanırken , BeiDou benzer sayıda uyduyu 22.000 km yüksekliğindeki jeosenkron ve jeostasyonel yörüngelerde dağıtır . Her durumda amaç, dünyanın herhangi bir noktasında herhangi bir zamanda ufkun üzerinde belirli sayıda uyduya (en az dört, pratikte en az altı ila sekiz) sahip olmaktır. Yörünge yüksekliği, daha karmaşık başlangıçlar anlamına gelir, ancak uydular bir konum üzerinde uzun süre görülebilir ve ömürleri uzundur (10-15 yıl). Yüksek frekanslı teknoloji sinyalleri kolayca hala yeryüzünde ölçülebilir sadece yaklaşık 50 watt ile yayılan o kadar ileri düzeydedir. Çoğu uydu şu anda yaklaşık 2000 kg kütleye sahiptir ve her birinin sezyum veya rubidyuma dayalı 2 atom saati vardır . Ayrıca uydu yörüngelerini yüksek hassasiyetle ölçen ve bu verileri uydular için erişilebilir kılmak zorunda olan yer istasyonları da bulunmaktadır. Kesin bir konum belirleme için yolların bilgisi çok önemlidir.

Ölçüm prensipleri

Doppler etkisi ve değerlendirilmesi

Ekim 1957'de fırlatılan ilk uydu, Sputnik , sürekli olarak radyo sinyalleri iletiyordu. O zamanlar bile bilim adamları Sputnik'in yörüngesini hem girişimölçerler hem de basit, tek yönlü antenlerle incelemişlerdi. Yeterince hassas bir saat, Sputnik'in yörünge unsurları ve Sputnik sinyallerinin Doppler kayması ile kişinin kendi konumunu hesaplayabileceği sonucuna çabucak varıldı. Nihayetinde, tek bir uydu uçuşundan bir konum belirleme için yeterli veri elde etmek bile mümkündü.

İlk güvenilir ve kullanışlı uydu navigasyon sistemi 1960'larda ABD Transit NNSS sistemiydi . Geçiş uydularının radyo sinyallerindeki kodlanmış zaman damgaları üzerinde ölçülen uydu hareketinden kaynaklanan Doppler etkisini kullandı . Denizaltılar arasında Deniz Kuvvetleri böylece bakılmaksızın yerin, fırsat vardı (ilk Loran , en iyi, birkaç bin mil bir dizi vardı) ve hava ( göksel navigasyon ) pozisyonunu ve yörüngesini belirlemek için Polaris doğru programı -Atomraketen.

Doppler kayması kaydedildi ve 1 dakika boyunca entegre edildi, bu da ilgili uydu kelimeleri ile alıcı arasındaki mesafe farklılıklarına karşılık geliyor. Geminin konumu bu hiperbolik hatlardan yaklaşık 50 m'lik bir doğrulukla - ancak günde sadece 15-30 kez - elde edildi.

Doppler uydusu ana makalesine bakın .

Her Doppler ölçümünün doğrudan hızlarla veya bunların farklarıyla ilgili olması gerektiğinden, aracın kendi hızı ve dünyanın dönüşü de kaydedilebilir. Ek olarak, ulusal ölçümler için NNSS sistemi kullanıldı : iki veya daha fazla alıcıyla uzak ölçüm noktalarında gerçekleştirilen eşzamanlı ölçümler , aralarındaki mesafeyi kesin olarak belirleyebilir. Özel diferansiyel yöntemlerle ( hiperboloidlerin bölümü ) değerlendirme, yaklaşık ± 50 cm hassasiyette olan son işlem pozisyonları ile sonuçlandı .

1970'lerin gelişmiş navigasyon uyduları ( NOVA tipi ) , uydu yörüngeleri üzerindeki yerçekimsel olmayan kuvvetleri ortadan kaldırmak için özel ivmeölçerlere sahipti . Bu, navigasyonun dünya çapında 20 metre doğruluğa ve daha uzun ulusal ölçüm kampanyalarında ± 20 cm'ye kadar yükseltilmesini sağladı .

Doppler kaymaları ayrıca Fransa tarafından geliştirilen Doppler Orbitografi ve Uydu ile Entegre Radyopozisyon (DORIS) uydu sistemi ile ölçülür . Bununla birlikte, ölçümler yerde değil, uzay sondalarının kendisinde yapılır, bu da eforu azaltır. Bugün DORIS'in odak noktası navigasyon değil, dünyanın dönüşünün , iyonosferin ve jeodezik referans sisteminin izlenmesidir .

Bugün bile, düşen gemileri ve uçakları bulmak için bir uydu sistemi olan COSPAS-SARSAT , Doppler etkisini kullanıyor - ancak uydudan gelen acil durum sinyalleri bir yer istasyonunda kaydediliyor ve değerlendiriliyor.

İki yönlü ölçümler ve GPS sözde rotaları

Diğer sistemler (örneğin PRARE ) , bir yer istasyonundan gelen radyo sinyallerine ( ikincil radara benzer ) cevap vermek için transponderler taşır . Bu iki yönlü ölçüm , GPS'in aksine, gerçek zamanlı uçuş ölçümü ve atmosferik kırılmanın daha iyi kaydedilmesini sağlar .

Günümüzün tüm küresel navigasyon uydu sistemleri (GPS, GLONASS, Galileo veya BeiDou) , kodlanmış sinyallerin gerçek çalışma süresi ölçümüyle (bkz. Üçleme ), ancak sahte rotalarla çalışmaz . Uydu ve alıcı saatleri yalnızca yaklaşık olarak senkronize edilebildiğinden, tüm ölçüm mesafelerinin gerçek değerden sabit bir miktarda saptığı bir mesafe ölçümü anlamına gelir . Sinyalin alıcıya ulaştığı an kendi zaman sistemine kaydedilir ve küçük zaman farkı δt, konum koordinatlarıyla birlikte bilinmeyen olarak belirlenir. Bu nedenle, üç uyduya olan mesafeyi ölçmek (üç kürenin kesişimi) yeterli değildir , ancak dördüncüsü gereklidir. Aslında, genellikle ufkun üzerinde 6–10 uydu vardır, böylece geometrik olarak en iyi takımyıldız seçilebilir (bkz. Doğruluk parametreleri PDOP ve GDOP ). Modern cihazlar, birkaç sistemin sinyallerini alabilir ve bunları paralel olarak değerlendirebilir, böylece doğruluk ve kullanılabilirlik artar.

Ayrıca bakınız

Bireysel kanıt

  1. ^ William H. Guier, George C. Weiffenbach: Uydu Navigasyonunun Doğuşu . In: Johns Hopkins APL Teknik Özet . bant 19 , hayır. 1 , 1998, s. 14–17 (İngilizce, çevrimiçi [PDF; 42 kB ; 7 Ağustos 2020'de erişildi]).