Hvorfor er GPS-konstellationssatellitterne i en så høj bane?

Hovedårsagen til, at de befinder sig i en så høj bane, er at give mulighed for, at mere af jorden kan være synlig på et hvilket som helst tidspunkt. For at have en rimelig mængde af jorden synlig, skal du være højt oppe. En lavere højde kunne i teorien også fungere, men den valgte højde synes at være en langt nok afstand til at være nyttig, men ikke så langt som at have kommunikationslinkproblemer osv.

Omkostningerne ved at få en GPS-satellit til sin bane er ikke væsentlig anderledes, end hvis den var ved en fx 6 timers bane. Forbindelsesbudgettet ville forbedres noget, så der kunne bygges en lidt billigere satellit. Det store problem er dog, at du ville har brug for flere satellitter for at sikre, at den fulde dækning var opfyldt. GPS er grundlæggende et militært system, og det kræves ikke at have huller på jorden. Det skal bemærkes, her er procentdelen af jorden synlig fra forskellige højder:

• 12 timers bane- 38%
• 8 timers bane – 34,3%
• 6 timers bane – 31%

Det skal bemærkes, at alle andre GNSS-system , der er lanceret, bruger en lignende bane til GPS. GLONASS er 8/17 om dagen, BeiDou 9/17, og Galileo er 10/17. Indien arbejder på et system, der bruger rent GEO-satellitter. Disse valgte et lignende bånd, fordi GPS viste, at det fungerede godt i disse højder.

En anden faktor er orbitalhastigheden. Omløbshastigheden ved en 6 timers bane er ca. 5 km / s. Ved GPS er det 3,8 km / s. Denne langsommere hastighed giver mulighed for en smallere båndbredde (da Doppler-frekvensskiftene er mindre), ved at bruge mindre spektrum og give flere kanaler mulighed for at være i brug.

Der er også andre grunde, der involverer GPS nøjagtighed. Den særlige højde fungerer godt for at give tilstrækkelig nøjagtighed.

Bundlinjen, den højde, GPS er i, fungerer ret godt for det, der er få andre rumfartøjer, der bruger sådanne baner, hvilket gør dem mere stabile generelt, og det ser ud som en god ide at fortsætte med at bruge GPS-satellitter i 12-timers kredsløb, de placeres i.

Kommentarer

• Relativistiske effekter er ‘ t vigtige, de kan beregnes væk. Hastigheden til jorden kan være et problem, det tager 15 minutter at få en komplet lås på en satellit, så hvis du forlader den tid, kan det skabe problemer. Jeg ‘ Når jeg tænker, at fodaftryk er problemet, ikke dækning, skal jeg ‘ arbejde på at ordne mit svar for at løse det .. .
• Nå, afstanden til satellitten ville ændre sig hurtigere, så mere udtalt faseforskydning (på grund af Doppler-effekt) kan skabe problemer med ursynkronisering, hvilket vil reducere nøjagtigheden af den civile GPS-brug. Jeg skulle vel have forklaret det, men jeg løb tør for plads.
• @DavidGrinberg Ja, lavere kredsløb er udsat for højere nedbrydningshastighed på grund af stadig ikke-ubetydelig atmosfærisk tryk, så der er behov for periodiske omfordelinger . Se nogle af de tråde, der diskuterer dette på vores websted. Men dette ville ‘ ikke have gjort meget af en forskel for orbitalhøjder, der er diskuteret i spørgsmålet, de ‘ er alle inden for Van Allen-strålingen bælter. Det ‘ er næsten nøjagtigt i GPS-konstellationens orbitale højde (20.194.292 km over havets overflade), at protonintensitetsstrømmen er den største inden for bælterne. Så at gå højere eller lavere ville være lidt bedre endnu.
• Højere baner ville også sænke signaleffekten på modtageren, medmindre hver satellits effekt blev øget.
• PearsonArtPhoto (og @costrom) GPS-signaler moduleres af forskellige koder for at opnå præcis, klarhed (dvs. ikke frynsetælling) lokalisering. Alle satellitter sender ved hjælp af den samme frekvens (ok 2 frekvenser) og har alle en båndbredde på ca. 1 MHz, hvilket er næsten 2 størrelsesordener større end doppleren. Der er ingen faktiske ” kanaler “, Hedy Lamarr og OK mere end et par andre har givet os miraklet med spredt spektrum. En GPS-modtager har flere korrelatorer, som vælger de forskellige koder. Måske kan du opdatere dit svar?

GPS / GNSS-satellitter kredser i en højde, hvor deres kredsløb periode er halvdelen af jordens gennemsnitlige dag (23 timer, 56 minutter, 4,0916 sekunder), så deres nodepræession er begge små (ca. 4 minutter eller ± 222 km øst-vest drift langs jordens ækvator pr. dag) og temmelig konstant, eller måske bedre sagt stabil, over længere perioder. Dette holder deres længden af den stigende knudepunkt inden for ± 2 grader fra nominel og muliggør gentagelse af jordspor for konstellationen :

^{Daglig tid gentagelse af GPS-satellitjordspor i forhold til 24 timer baseret på udsendte kortvarige data. Kilde: InsideGNSS.com}

Denne grundspor gentagelighed var vigtig i de tidlige dage af GPS, så tilstrækkelig grunddækning blev forsikret (i sessioner, ikke rigtig hele dagen) med et meget mindre antal konstellationssatellitter. Lavere baner ville have været udsat for stærkere forstyrrelser i kredsløb, især den allerede nævnte knudepræession på grund af Jordens form er en oblat sfæroid og ikke en perfekt sfære, så satellitter “Drifthastighed øst-vest ville have været højere, mens ikke andre forstyrrende effekter (såsom solens og månens tyngdekraft, solstrålingstryk, …) helt blev elimineret eller ville have været højere stadig (atmosfærisk træk ) og forårsager højere kredsløbshastighed eller på anden måde kræver hyppigere korrigerende forbrændinger i kredsløb.

Dette forklares mere detaljeret i Juni / juli 2006-udgave af Inside GNSS , i GNSS Solutions: Orbital precession, optimal dobbeltfrekvensteknik og Galileo-modtagere artiklen af Penina Axelrad og Kristine M. Larson.

De korte svar er for at sikre gentagelsesnøjagtighed på jorden. Og perioden er ikke 12 timer men en halv siderisk dag (det er cirka 4 minutter kortere), så når jorden har foretaget en rotation, har satellitterne gjort to, og geometrien af hele konstellationen i forhold til jorden er den samme end en siderisk dag før.Gentagelsesevne er vigtig af flere grunde, en af dem har været, at nogle fejl relateret til atmosfæren eller jordrefleksioner (dvs. flervej) er afhængige af geometri. Hvis geometrien er den samme hver siderisk dag, vil fejlene være ens, derfor er forskydningerne beregnet på en siderisk-dag-til-side-dag-basis meget nøjagtige, fordi fejlene har været så ens, at de annulleres, når de beregner forskydninger (eller hastigheder ). Korrektioner af atmosfæriske effekter eller flervejseffekter er meget lettere at beregne og genbruge, hvis jordsporene gentages (hvilket er det samme end at sige, at satellitterne vender tilbage til de samme positioner på himlen hver eneste dag).

Nu er et andet spørgsmål, hvorfor man vælger en halv siderisk dag i stedet for en tredjedel eller et kvartal. Jeg er ikke 100% sikker på dette, men jeg er ret sikker på, at det skyldes det faktum, at i modsætning til andre satellitter, for at GPS-satellitter kan være nyttige, skal deres position være kendt med virkelig høj nøjagtighed og i realtid, så for at dette skal opnås, jo større bane jo lettere, på grund af lavere hastighed og mindre forstyrrelser på grund af jordens ikke-centrale tyngdefelt og atmosfærisk træk. Så hvorfor ikke baner med en hel periode på en dag? Sandsynligvis på grund af omkostninger (for at få dem til kredsløb og sende med mere strøm), så en halv dag var billigere, der stadig tillod at opfylde specifikationerne for satellitpositionens nøjagtighed.

Dette papir har en god behandling og forklaring af, hvordan gentagelsesnøjagtighed på flere veje er vigtig for løsningskvaliteten, og hvordan sådan gentagelighed kan bruges til at forbedre GPS-løsninger. Forklarer også, at perioden er tæt på en Sidereal-dag: Forbedring af præcisionen ved højhastigheds-GPS

Kommentarer

• Dette papir har en god behandling og forklarer, hvordan gentagelighed af flere veje er vigtig for kvaliteten af løsningen, og hvordan sådan gentagelse kan bruges til at forbedre GPS-løsninger. Forklarer også, at perioden er tæt på en Sidereal-dag: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf