なぜGPSコンステレーション衛星はこんなに高い軌道にあるのですか？

それらがそのような高い軌道にある主な理由は、一度により多くの地球が見えるようにするためです。適度な量の地球を見るには、高い位置にいる必要があります。理論的にはより低い高度でも機能する可能性がありますが、選択した高度は有用であるために十分な距離であるように見えますが、通信リンクの問題などがあるほどではありません。

取得するためのコスト軌道へのGPS衛星は、たとえば6時間の軌道にある場合と実質的に違いはありません。リンクバジェットがいくらか改善され、わずかに安価な衛星を構築できるようになります。ただし、大きな問題は、完全なカバレッジを確実に満たすには、より多くの衛星が必要です。GPSは基本的に軍事システムであり、地面に隙間がないようにする必要があります。ここでは、さまざまな高度から見える地球の割合を示します。

• 12時間軌道-38％
• 8時間軌道-34.3％
• 6時間軌道-31％

打ち上げられた他のすべての GNSSシステムはGPSと同様の軌道を使用していることに注意してください。 GLONASSは1日の8/17、BeiDouは9/17、Galileoは10/17です。インドは、純粋に静止衛星を使用するシステムに取り組んでいます。 GPSがそれらの高度でうまく機能することを証明したので、これらは同様の帯域を選択しました。

別の要因は軌道速度です。 6時間の軌道での軌道速度は約5km / sです。 GPSでは3.8km / sです。この遅い速度により、帯域幅が狭くなり（ドップラー周波数シフトが小さいため）、使用するスペクトルが少なくなり、使用するチャネルが増えます。

他にも理由があります。 GPSの精度。その特定の高度は、十分な精度を提供するためにうまく機能します。

結論として、GPSの高度は非常にうまく機能し、そのような軌道を使用して全体的に安定している宇宙船は他にほとんどありません。GPS衛星を引き続き使用することをお勧めします。それらが配置されている12時間の軌道。

コメント

• 相対論的効果は重要ではありません'、それらは離れて計算することができます。地上までの速度が問題になる可能性があります。衛星を完全にロックするには15分かかるため、その時間内に離れると問題が発生する可能性があります。 'フットプリントが問題であり、カバレッジではないと考えています。'これに対処するには、回答の修正に取り組む必要があります。 。
• 衛星までの距離はそれよりも速く変化するため、（ドップラー効果による）より顕著な位相シフトにより、クロック同期に問題が発生し、民間のGPS使用の精度が低下する可能性があります。説明すべきだったと思いますが、スペースが足りなくなりました。
• @DavidGrinbergはい、大気圧が無視できないため、軌道が低くなると軌道の減衰率が高くなるため、定期的な軌道の再ブーストが必要です。 。私たちのサイトでそれについて議論しているスレッドのいくつかを見てください。しかし、これは'質問で説明されている軌道高度に大きな違いをもたらすことはなく、'すべてがヴァンアレン放射の範囲内にあります。ベルト。 'は、ほぼ正確にGPSコンステレーションの軌道高度（平均海抜20,194.292 km）で、陽子強度フラックスがベルト内で最大になることを示しています。したがって、高くしたり低くしたりしても、わずかに良くなります。
• 各衛星の出力を上げない限り、軌道を高くすると受信機の信号電力も低下します。
• PearsonArtPhoto（および@costrom）GPS信号はさまざまなコードによって変調され、正確で曖昧さのない（つまり、フリンジカウントではない）位置特定を実現します。すべての衛星は同じ周波数（ok 2周波数）を使用して送信し、すべての帯域幅は約1 MHzであり、これはドップラーよりもほぼ2桁大きいです。 実際の "チャネル"、 HedyはありませんLamarr と他のいくつかのOKは、スペクトラム拡散の奇跡を私たちに与えてくれました。 GPS受信機には、さまざまなコードを選択する複数の相関器があります。答えを更新できるかもしれませんか？

GPS / GNSS衛星は、軌道を回っている高度で軌道を回っています。周期は地球の平均恒星日（23時間56分4.0916秒）の半分であるため、ノードの進行率はどちらも小さい（約4分、または± 222 kmの東西ドリフトは、地球の赤道に沿って1日あたり）、長期間にわたってかなり一定であるか、おそらく安定していると言えます。これにより、昇交点の長さが公称値から± 2度以内に保たれ、コンステレーションの地上軌道の再現性が可能になります。 ：

^{毎日の時間放送エフェメリスデータに基づく24時間に対するGPS衛星地上トラックリピートのシフト。出典： InsideGNSS.com}

この地上トラックの再現性は、GPSの初期には重要であったため、十分な地上カバレッジが得られました。はるかに少数のコンステレーション衛星で（セッションでは、実際には1日中ではありませんが）保証されました。より低い軌道は、より強い軌道摂動の影響を受けていたでしょう。特に、地球の形状が偏平球であり、完全な球ではないため、すでに述べた節の歳差運動がありました。衛星」の東西ドリフト率は、他の摂動効果（太陽と月の重力、太陽放射圧力など）を完全に排除するわけではないが、より高いか、さらに高い（大気抗力など）でしょう。 ）そして、より高い軌道減衰率を引き起こすか、さもなければより頻繁な軌道修正燃焼を必要とします。

これは、 InsideGNSSの2006年6月/ 7月号でより詳細に説明されています。 、PeninaAxelradとKristineM.Larsonによる GNSSソリューション：軌道歳差運動、最適な二重周波数技術、およびガリレオ受信機の記事。

簡単な回答は、地上軌道の再現性を確保することです。また、周期は12時間ではなく、恒星日半日（つまり、約4分短い）であるため、地球が1回転すると、衛星は2回転し、地球に対する星座全体のジオメトリは次のようになります。ある恒星日の前日。再現性は複数の理由で重要です。そのうちの1つは、大気または地面の反射に関連するいくつかのエラー（つまり、マルチパス）がジオメトリに依存していることです。ジオメトリが恒星日ごとに同じである場合、エラーは類似します。したがって、恒星日ごとに計算された変位は非常に正確です。これは、エラーが非常に類似しているため、変位（または速度）を計算するときにキャンセルされるためです。 ）。また、大気効果やマルチパス効果の補正は、地上の軌跡が繰り返される場合、計算と再利用がはるかに簡単になります（これは、恒星日ごとに衛星が空の同じ位置に戻ると言うのと同じです）。

もう1つの質問は、なぜ3分の1または4分の1ではなく半恒星日を選択するのかということです。私はこれについて100％確信はありませんが、他の衛星とは対照的に、GPS衛星が有用であるためには、その位置を非常に高い精度でリアルタイムに知る必要があるという事実によるものだと確信しています。これを達成するには、地球の非中心重力場と大気抵抗による速度が遅く、摂動が小さいため、軌道が大きいほど簡単になります。では、恒星日を1日で周回してみませんか？おそらくコスト（軌道に乗せてより多くの電力で送信するため）が原因であるため、恒星日は半日安く、衛星の位置精度の仕様を満たすことができました。

この論文は優れています。マルチパスの再現性がソリューションの品質にとってどのように重要であるか、およびそのような再現性を使用してGPSソリューションを改善する方法について説明します。また、恒星日が1日に近いことも説明しています：高速GPSの精度の向上

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• このホワイトペーパーでは、マルチパスの再現性がソリューションの品質にとってどのように重要であるか、およびそのような再現性を使用してGPSソリューションを改善する方法について説明しています。また、期間が恒星日1日に近いことも説明しています： xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf