Varför är GPS-konstellationssatelliterna i en så hög omloppsbana?

främsta anledningen till att de befinner sig i en så hög omloppsbana är att möjliggöra att mer av jorden kan synas när som helst. För att ha en rimlig mängd av jorden synlig måste du vara högt uppe. En lägre höjd kan i teorin fungera också, men den valda höjden verkar vara tillräckligt långt för att vara användbar, men inte så långt att det har problem med kommunikationslänkar etc.

Kostnaden för att få en GPS-satellit till dess omlopp är inte väsentligt annorlunda än om den hade en, till exempel, 6-timmars bana. Länkbudgeten skulle förbättras något, vilket möjliggjorde att en lite billigare satellit skulle byggas. Det stora problemet är dock att du skulle behöver fler satelliter för att säkerställa att den fullständiga täckningen har uppnåtts. GPS är i grunden ett militärt system, och det krävs inte att ha luckor på marken. Det bör noteras, här är procentandelen av jorden synlig från olika höjder:

• 12-timmars bana- 38%
• 8-timmars bana – 34,3%
• 6-timmars bana – 31%

Det bör noteras att alla andra GNSS-system som har lanserats använder en liknande bana till GPS. GLONASS är 8/17 på en dag, BeiDou 9/17 och Galileo är 10/17. Indien arbetar med ett system som använder rent GEO-satelliter. Dessa valde ett liknande band eftersom GPS visade att det fungerade bra på dessa höjder.

En annan faktor är omloppshastigheten. Omloppshastigheten vid en 6-timmars bana är cirka 5 km / s. Vid GPS är det 3,8 km / s. Denna långsammare hastighet möjliggör en smalare bandbredd (eftersom Doppler-frekvensförskjutningarna är mindre), använder mindre spektrum och låter fler kanaler användas.

Det finns också andra skäl som involverar GPS-noggrannhet. Den speciella höjden fungerar bra för att ge tillräcklig noggrannhet.

Slutsatsen, höjden som GPS är på fungerar ganska bra för det, det finns få andra rymdfarkoster som använder sådana banor som gör dem mer stabila totalt sett, och det verkar som en bra idé att fortsätta använda GPS-satelliter i 12-timmars banor de placeras i.

Kommentarer

• Relativistiska effekter är ’ t viktiga, de kan beräknas bort. Hastigheten till marken kan vara ett problem, det tar 15 minuter att få ett komplett lås på en satellit, så om du lämnar den tiden kan det skapa problem. Jag ’ Jag tror att fotavtrycket är problemet, inte täckning, jag ’ Jag måste arbeta med att fixa mitt svar för att ta itu med det .. .
• Nåväl, avståndet till satelliten skulle förändras snabbare då, så en mer uttalad fasförskjutning (på grund av Doppler-effekt) kan skapa problem med klocksynkronisering, vilket skulle minska noggrannheten för den civila GPS-användningen. Jag antar att jag borde ha förklarat det, men jag fick slut på utrymme.
• @DavidGrinberg Ja, lägre banor är föremål för högre nedbrytningshastighet på grund av fortfarande icke försumbar atmosfärstryck, så det krävs periodiska omstarter . Se några av trådarna som diskuterar det på vår webbplats. Men detta skulle ’ inte ha gjort stor skillnad för orbitalhöjder som diskuterats i frågan, de ’ är alla inom Van Allen-strålningen bälten. Det ’ är nästan exakt vid GPS-konstellationsbana (20.194.292 km över havet) som protonintensitetsflöde är störst inom banden. Att gå högre eller lägre skulle vara något bättre även.
• Högre banor skulle också sänka signaleffekten vid mottagaren, såvida inte varje satellits effekt ökades.
• PearsonArtPhoto (och @costrom) GPS-signaler moduleras av olika koder för att uppnå en exakt, tvetydighetsfri lokalisering (dvs inte frynsräkning). Alla satelliter sänder med samma frekvens (ok 2 frekvenser) och alla har en bandbredd på cirka 1 MHz, vilket är nästan 2 storleksordningar större än dopplaren. Det finns inga faktiska ” kanaler ”, Hedy Lamarr och OK mer än ett fåtal andra, har gett oss miraklet av spritt spektrum. En GPS-mottagare har flera korrelatorer som väljer olika koder. Kanske kan du uppdatera ditt svar?

GPS / GNSS-satelliter kretsar på en höjd där deras omloppsbana perioden är halva jordens genomsnittliga sidodag (23 timmar, 56 minuter, 4,0916 sekunder) så deras nodal precession är både liten (ungefär 4 minuter eller ± 222 km öst-västdrift längs jordens ekvator per dag) och ganska konstant, eller kanske bättre sagt stabil, över längre tidsperioder. Detta håller deras longitud för den stigande noden inom ± 2 grader från nominell och möjliggör markspårs repeterbarhet för konstellationen :

^{Dagstid förskjutning av GPS-satellitspårupprepning i förhållande till 24 timmar baserat på sändningseffemerisdata. Källa: InsideGNSS.com}

Denna markbana repeterbarhet var viktig i början av GPS, så att tillräcklig marktäckning försäkrades (i sessioner, inte riktigt hela dagen) med ett mycket mindre antal konstellationssatelliter. Nedre banor skulle ha varit föremål för starkare orbital störningar, särskilt den redan nämnda nodala nedgången på grund av att jordens form är en oblat sfäroid och inte en perfekt sfär, så satelliter ”Öst-väst-avdrivningshastighet skulle ha varit högre, utan att helt eliminera andra störande effekter (som solens och månens tyngdkraft, solstrålningstryck, …) eller skulle ha varit högre fortfarande (atmosfäriskt drag ) och orsakar högre förfallshastighet eller på annat sätt kräver frekventare korrigerande brännskador.

Detta förklaras mer detaljerat i Juni / juli 2006 av Inside GNSS , i GNSS Solutions: Orbital precession, optimal dual-frequency teknik och Galileo-mottagare artikel av Penina Axelrad och Kristine M. Larson.

De korta svaren är för att säkerställa repeterbarhet på markbanan. Och perioden är inte 12 timmar utan en halv sidor dag (det är ungefär 4 minuter kortare), så att när jorden har gjort en rotation har satelliterna gjort två och geometrin för hela konstellationen i förhållande till jorden är densamma än en siderisk dag innan.Repeterbarhet är viktigt av flera anledningar, en av dem var att vissa fel relaterade till atmosfären eller markreflektioner (dvs. flerväg) är beroende av geometri. Om geometrin är densamma varje siderisk dag kommer felen att vara lika, därför är de förskjutningar som beräknas på en sid-dag-till-sid-dag-basis mycket exakta, eftersom fel var så lika att de avbryts när beräkningsförskjutningar (eller hastigheter ). Korrigeringar av atmosfäriska effekter eller flervägseffekter är mycket lättare att beräkna och återanvända om markbanorna upprepas (vilket är detsamma än att säga att satelliterna återvänder till samma positioner på himlen varje enskild dag). > Nu är en annan fråga varför man väljer en halv sidodag istället för en tredjedel eller ett kvartal. Jag är inte 100% säker på detta men jag är ganska säker på att det beror på det faktum att i motsats till andra satelliter, för att GPS-satelliter ska vara användbara måste deras position vara känd med riktigt hög noggrannhet och i realtid, så för att detta ska uppnås, ju större bana desto lättare, på grund av långsammare hastighet och mindre störningar på grund av jordens icke-centrala tyngdkraftsfält och luftmotstånd. Så varför inte banor med en hel sideperiod? Förmodligen på grund av kostnad (för att få dem till banan och för att sända med mer kraft), så en halv dag var det billigare som fortfarande tillät att uppfylla specifikationerna för satellitpositionens noggrannhet.

Detta papper har en bra behandling och förklara hur repeterbarhet för flera vägar är viktig för lösningens kvalitet och hur sådan repeterbarhet kan användas för att förbättra GPS-lösningar. Förklarar också att perioden är nära en Sidereal-dag: Förbättrar precisionen för höghastighets-GPS

Kommentarer

• Denna uppsats har en god behandling och förklarar hur flervägsrepetabilitet är viktigt för lösningskvaliteten och hur sådana repeteabiliti kan användas för att förbättra GPS-lösningar. Förklarar också att perioden är nära en Sidereal-dag: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf