Die meisten Satelliten befinden sich im erdnahen Orbit. Einige andere Satelliten befinden sich im geostationären Orbit, weil ihre Funktion dies erfordert.
Die GPS-Satelliten (und andere GNSS-Satelliten, z. B. GLONASS) befinden sich in einem viel höheren MEO-Orbit (Sub-GEO):
Warum müssen sie so hoch sein? Orbit? Das GPS-Design erfordert natürlich nicht, dass sie sich in GEO befinden müssen.
Die GPS-Wikipedia-Seite erwähnt, dass bei dieser Umlaufbahn die Satelliten haben eine Umlaufzeit von ungefähr 12 Stunden und folgen somit der gleichen Spur über die Erde – dies war nützlich für das Debuggen, als das System zum ersten Mal eingerichtet wurde. Aber sicherlich hätte ein ähnlicher Effekt mit einer Umlaufzeit von 8 oder 6 Stunden (oder einem anderen Teiler von 24) für viel weniger Aufwand erzielt werden können.
Mögliche, wenn auch unbestätigte Gründe, die ich mir für die hohe Umlaufbahn vorstellen kann :
- Ursprünglich (und immer noch) ein militärisches Projekt, bei dem sich die Satelliten in einer so hohen Umlaufbahn befinden, ist es für den Feind schwieriger, abzuschießen.
- LEO-Satelliten sind stärker vom Luftwiderstand betroffen und müssen daher regelmäßigere Manöver zur Stationierung durchführen. Vermutlich müssen sie bei diesen Manövern vorübergehend aus dem GPS-Dienst genommen werden – möglicherweise ist dies im GPS-Design nicht akzeptabel. Außerdem wird mehr Kraftstoff für die Stationierung benötigt, oder es wird kürzere Lebensdauer geben, was möglicherweise die zusätzlichen Kosten der höheren Umlaufbahn ausgleicht.
Warum befinden sich GPS-Satelliten in so hohen Umlaufbahnen?
Kommentare
- Ich ‚ bin mir nicht sicher, ob eine der Antworten dies klar genug hervorgehoben hat. Kommerzielle und militärische Satelliten (GPS) werden im Allgemeinen dort platziert, wo sie platziert werden müssen, was durch die Verfügbarkeit der Umlaufbahn eingeschränkt wird. Es gibt viele Faktoren, von denen einer die Gesamtzahl der Satelliten sein könnte, aber Ihr erster Satz “ Die meisten Satelliten befinden sich aus dem einfachen Grund im Low Earth Orbit, weil es billiger ist, sie zu bekommen sie dort als weiter oben “ ist einfach falsch. Da viele Leute sowohl Fragen als auch Antworten lesen, ist es ‚ eine gute Idee, falsche Aussagen zu korrigieren, wenn sie bemerkt werden, um die Verbreitung falscher Faktoide zu vermeiden.
- I ‚ Ich gehe davon aus, dass Sie in LEO ‚ mehr von ihnen benötigen als in MEO. In MEO wäre ihre Abdeckung größer als in LEO, was dies erfordert weniger, aber die gleiche Funktionalität erhalten; Warum ich diesen Kommentar gepostet habe, bevor ich die Antwort gelesen habe, die dasselbe besagt, von dem ich keine Ahnung habe.
Antwort
Die Der Hauptgrund, warum sie sich in einer so hohen Umlaufbahn befinden, besteht darin, dass zu jedem Zeitpunkt mehr von der Erde sichtbar sein kann. Um eine angemessene Menge der Erde sichtbar zu machen, muss man hoch oben sein. Eine niedrigere Höhe könnte theoretisch auch funktionieren, aber die gewählte Höhe scheint weit genug entfernt zu sein, um nützlich zu sein, aber nicht so weit, dass Kommunikationsverbindungsprobleme usw. auftreten.
Die Kosten, um eine zu erhalten Der GPS-Satellit in seiner Umlaufbahn unterscheidet sich nicht wesentlich von einer Umlaufbahn von beispielsweise 6 Stunden. Das Verbindungsbudget würde sich etwas verbessern und den Bau eines etwas billigeren Satelliten ermöglichen. Das große Problem ist jedoch, dass Sie dies tun würden benötigen mehr Satelliten, um sicherzustellen, dass die vollständige Abdeckung erreicht wurde. GPS ist im Grunde ein militärisches System, und es ist erforderlich, keine Lücken am Boden zu haben. Es sollte beachtet werden, dass hier der Prozentsatz der Erde aus verschiedenen Höhen sichtbar ist:
- 12-Stunden-Umlaufbahn – 38%
- 8-Stunden-Umlaufbahn – 34,3%
- 6-Stunden-Umlaufbahn – 31%
Es ist zu beachten, dass jedes andere GNSS-System , das gestartet wurde, eine ähnliche Umlaufbahn wie GPS verwendet. GLONASS ist 8/17 eines Tages, BeiDou 9/17 und Galileo ist 10/17. Indien arbeitet an einem System mit reinen GEO-Satelliten. Diese wählten ein ähnliches Band, weil GPS bewies, dass es in diesen Höhen gut funktioniert.
Ein weiterer Faktor ist die Umlaufgeschwindigkeit. Die Umlaufgeschwindigkeit bei einer Umlaufbahn von 6 Stunden beträgt ca. 5 km / s. Bei GPS sind es 3,8 km / s. Diese langsamere Geschwindigkeit ermöglicht eine engere Bandbreite (da die Doppler-Frequenzverschiebungen kleiner sind), verwendet weniger Spektrum und ermöglicht die Verwendung von mehr Kanälen.
Es gibt auch andere Gründe, die das betreffen Genauigkeit des GPS. Diese bestimmte Höhe funktioniert gut, um eine ausreichende Genauigkeit zu gewährleisten.
Unterm Strich funktioniert die Höhe, in der sich GPS befindet, recht gut. Es gibt nur wenige andere Raumfahrzeuge, die solche Umlaufbahnen verwenden, um sie insgesamt stabiler zu machen, und es scheint eine gute Idee zu sein, weiterhin GPS-Satelliten in den USA zu verwenden 12-Stunden-Umlaufbahnen, in denen sie platziert werden.
Kommentare
- Relativistische Effekte sind ‚ nicht wichtig, Sie können weg berechnet werden. Die Geschwindigkeit zum Boden kann ein Problem sein. Es dauert 15 Minuten, bis ein Satellit vollständig gesperrt ist. Wenn Sie also in dieser Zeit abreisen, kann dies zu Problemen führen. Ich ‚ denke, der Fußabdruck ist das Problem, nicht die Abdeckung. Ich ‚ muss daran arbeiten, meine Antwort zu korrigieren, um das zu beheben.
- Nun, die Entfernung zum Satelliten würde sich dann schneller ändern, so dass eine stärkere Phasenverschiebung (aufgrund des Doppler-Effekts) Probleme mit der Taktsynchronisation verursachen könnte, die die Genauigkeit der zivilen GPS-Nutzung verringern würden. Ich denke, ich hätte das erklären sollen, aber mir ging der Platz aus.
- @DavidGrinberg Ja, niedrigere Umlaufbahnen unterliegen aufgrund des immer noch nicht zu vernachlässigenden atmosphärischen Drucks einer höheren Orbitalzerfallsrate, daher sind regelmäßige Orbital-Neustarts erforderlich . Sehen Sie sich einige der Themen an, die dies auf unserer Website diskutieren. Aber dies hätte ‚ für die in der Frage diskutierten Umlaufhöhen keinen großen Unterschied gemacht, sie ‚ befinden sich alle innerhalb der Van-Allen-Strahlung Gürtel. ‚ ist fast genau auf der Umlaufbahnhöhe der GPS-Konstellation (20.194,292 km über dem mittleren Meeresspiegel), dass der Protonenintensitätsfluss innerhalb der Gürtel am größten ist. Ein höheres oder niedrigeres Signal wäre also sogar etwas besser.
- Höhere Umlaufbahnen würden auch die Signalleistung am Empfänger verringern, es sei denn, die Ausgangsleistung jedes Satelliten wurde erhöht.
- PearsonArtPhoto (und @costrom) GPS-Signale werden durch verschiedene Codes moduliert, um eine präzise, anbiguitätsfreie Ortung (dh keine Randzählung) zu erreichen. Alle Satelliten senden mit der gleichen Frequenz (ok 2 Frequenzen) und haben eine Bandbreite von ca. 1 MHz, was fast 2 Größenordnungen größer ist als der Doppler. Es gibt keine tatsächlichen “ Kanäle „, Hedy Lamarr und OK mehr als einige andere haben uns das Wunder des Spreizspektrums beschert. Ein GPS-Empfänger verfügt über mehrere Korrelatoren, die die verschiedenen Codes auswählen. Vielleicht können Sie Ihre Antwort aktualisieren?
Antwort
GPS / GNSS-Satelliten umkreisen in einer Höhe, in der sich ihre Umlaufbahn befindet Die Periode ist die Hälfte des mittleren Sternentages der Erde (23 Stunden, 56 Minuten, 4,0916 Sekunden), daher ist ihre Knotenpräzessionsrate beide gering (ungefähr 4 Minuten oder ± 222 km Ost-West-Drift entlang des Erdäquators pro Tag) und über längere Zeiträume ziemlich konstant oder besser gesagt stabil. Dies hält ihre Länge des aufsteigenden Knotens innerhalb von ± 2 Grad vom Nennwert und ermöglicht die Wiederholbarkeit der Bodenspur für die Konstellation :
Tägliche Zeit Verschiebung der Wiederholung der GPS-Satelliten-Bodenspur relativ zu 24 Stunden basierend auf den ausgestrahlten Ephemeridendaten. Quelle: InsideGNSS.com
Diese Wiederholbarkeit der Bodenspur war in den frühen Tagen des GPS wichtig, damit eine ausreichende Bodenbedeckung gewährleistet ist wurde (in Sitzungen, nicht wirklich den ganzen Tag) mit einer viel geringeren Anzahl von Konstellationssatelliten versichert. Niedrigere Umlaufbahnen wären stärkeren Umlaufbahnstörungen ausgesetzt gewesen, insbesondere der bereits erwähnten Knotenpräzession, da die Erdform ein abgeflachter Sphäroid und keine perfekte Kugel ist Satelliten „Die Ost-West-Driftrate wäre höher gewesen, während andere störende Effekte (wie die Schwerkraft der Sonne und des Mondes, der Sonnenstrahlungsdruck usw.) nicht vollständig beseitigt worden wären, oder wäre noch höher gewesen (Luftwiderstand ) und verursachen eine höhere Zerfallsrate der Umlaufbahn oder erfordern auf andere Weise häufigere Verbrennungen der Umlaufbahn.
Dies wird ausführlicher in der Ausgabe von Juni / Juli 2006 von Inside GNSS erläutert im Artikel GNSS Solutions: Orbitalpräzession, optimale Zweifrequenztechniken und Galileo-Empfänger von Penina Axelrad und Kristine M. Larson.
Antwort
Die kurzen Antworten dienen dazu, die Wiederholbarkeit der Bodenspur sicherzustellen. Und die Periode beträgt nicht 12 Stunden, sondern einen halben Sternentag (das sind ungefähr 4 Minuten kürzer), so dass die Satelliten, wenn die Erde eine Umdrehung gemacht hat, zwei gemacht haben und die Geometrie der gesamten Konstellation relativ zur Erde dieselbe ist als einen Sternentag zuvor.Die Wiederholbarkeit ist aus mehreren Gründen wichtig. Einer davon war, dass einige Fehler in Bezug auf die Atmosphäre oder Bodenreflexionen (d. H. Mehrwege) von der Geometrie abhängen. Wenn die Geometrie an jedem Sternentag gleich ist, sind die Fehler ähnlich, daher sind die Verschiebungen, die von Sternentag zu Sternentag berechnet werden, sehr genau, da die Fehler so ähnlich sind, dass sie sich bei der Berechnung von Verschiebungen (oder Geschwindigkeiten) aufheben ). Auch Korrekturen von atmosphärischen Effekten oder Mehrwegeffekten sind viel einfacher zu berechnen und wiederzuverwenden, wenn sich die Bodenspuren wiederholen (was gleichbedeutend ist mit der Aussage, dass die Satelliten jeden Sternentag an die gleichen Positionen am Himmel zurückkehren).
Eine andere Frage ist nun, warum Sie einen halben Sternentag anstelle eines dritten oder eines Viertels wählen sollten. Ich bin mir da nicht 100% sicher, aber ich bin ziemlich sicher, dass es im Gegensatz zu anderen Satelliten, damit GPS-Satelliten nützlich sind, ihre Position mit wirklich hoher Genauigkeit und in Echtzeit wissen muss, damit sie nützlich sind Je größer die Umlaufbahn, desto einfacher ist dies, da die Geschwindigkeit langsamer ist und die Störungen aufgrund des nicht zentralen Schwerefelds der Erde und des Luftwiderstands geringer sind. Warum also nicht mit einem vollen Sternentag umkreisen? Wahrscheinlich aufgrund der Kosten (um sie in die Umlaufbahn zu bringen und mit mehr Leistung zu senden), war ein halber Sternentag der billigere, der es immer noch erlaubte, die Spezifikationen für die Genauigkeit der Satellitenposition zu erfüllen.
Dieses Papier hat eine gute Qualität Behandlung und Erläuterung, wie wichtig die Mehrweg-Wiederholbarkeit für die Lösungsqualität ist und wie diese Wiederholbarkeit zur Verbesserung von GPS-Lösungen verwendet werden kann. Erklärt auch, dass der Zeitraum nahe an einem Sternentag liegt: Verbesserung der Präzision von Hochgeschwindigkeits-GPS
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- In diesem Artikel wird gut behandelt und erläutert, wie wichtig die Mehrweg-Wiederholbarkeit für die Lösungsqualität ist und wie diese Wiederholbarkeit zur Verbesserung von GPS-Lösungen verwendet werden kann. Erklärt auch, dass der Zeitraum nahe an einem Sternentag liegt: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf