Warum befinden sich die GPS-Konstellationssatelliten in einer so hohen Umlaufbahn?

Der Hauptgrund, warum sie sich in einer so hohen Umlaufbahn befinden, besteht darin, dass mehr von der Erde gleichzeitig sichtbar ist. Um einen angemessenen Teil der Erde sichtbar zu haben, 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 es zu Kommunikationsproblemen usw. kommt.

Die Kosten, um einen GPS-Satelliten in seine Umlaufbahn zu bringen, sind nicht wesentlich anders als bei einer Umlaufbahn von beispielsweise 6 Stunden. Das Verbindungsbudget würde sich etwas verbessern, was den Bau eines etwas billigeren Satelliten ermöglichen würde. Das große Problem ist jedoch, dass Sie mehr Satelliten benötigen würden, um sicherzustellen, dass die vollständige Abdeckung erreicht wurde. GPS ist im Grunde ein militärisches System und darf keine Lücken am Boden haben. Es sollte beachtet werden, hier ist der Prozentsatz der Erde, der aus verschiedenen Höhen sichtbar ist:

• 12-Stunden-Umlaufbahn – 38 %
• 8-Stunden-Umlauf - 34,3 %
• 6-Stunden-Umlauf - 31 %

Es sei darauf hingewiesen, 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 bewiesen hat, dass es in diesen Höhen gut funktioniert.

Ein weiterer Faktor ist die Umlaufgeschwindigkeit. Die Umlaufgeschwindigkeit bei einer Umlaufbahn von 6 Stunden beträgt etwa 5 km/s. Bei GPS sind es 3,8 km/s. Diese langsamere Geschwindigkeit ermöglicht eine schmalere Bandbreite (da die Doppler-Frequenzverschiebungen kleiner sind), die Verwendung von weniger Spektrum und die Verwendung von mehr Kanälen.

Es gibt auch andere Gründe, die die Genauigkeit des GPS betreffen. Diese bestimmte Höhe funktioniert gut, um eine ausreichende Genauigkeit bereitzustellen.

Unterm Strich funktioniert die Höhe, in der sich das GPS befindet, recht gut, es gibt nur wenige andere Raumfahrzeuge, die solche Umlaufbahnen verwenden, was sie insgesamt stabiler macht, und es scheint eine gute Idee zu sein, weiterhin GPS-Satelliten in den 12-Stunden-Umlaufbahnen zu verwenden, in denen sie platziert werden in.

GPS/GNSS-Satelliten umkreisen sich in einer Höhe, in der ihre Umlaufzeit die Hälfte des mittleren Sterntages der Erde beträgt (23 Stunden, 56 Minuten, 4,0916 Sekunden), sodass ihre Knotenpräzessionsrate gering ist (ungefähr 4 Minuten oder ±222 km Ost-West ). pro Tag am Erdäquator entlang driften) 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 Bodenverfolgung für die Konstellation:

^{Tägliche Zeitverschiebung der GPS-Satelliten-Bodenverfolgungswiederholung relativ zu 24 Stunden basierend auf gesendeten Ephemeridendaten. Quelle: InsideGNSS.com}

Diese Reproduzierbarkeit der Bodenverfolgung war in den frühen Tagen von GPS wichtig, damit eine ausreichende Bodenabdeckung (in Sitzungen, nicht wirklich den ganzen Tag lang) mit einer viel kleineren Anzahl von Konstellationssatelliten gewährleistet war. Niedrigere Umlaufbahnen wären stärkeren Bahnstörungen ausgesetzt gewesen, insbesondere der bereits erwähnten Knotenpräzession, da die Form der Erde ein abgeflachtes Sphäroid und keine perfekte Kugel ist, sodass die Ost-West-Driftrate der Satelliten höher gewesen wäre, während andere Störungen nicht vollständig beseitigt worden wären Auswirkungen (wie die Schwerkraft von Sonne und Mond, Sonnenstrahlungsdruck, ...) oder noch höher gewesen wäre (atmosphärischer Widerstand) und eine höhere Zerfallsrate der Umlaufbahn verursacht hätte oder anderweitig häufigere Korrekturverbrennungen der Umlaufbahn erfordert hätte.

Dies wird ausführlicher in der Juni/Juli 2006-Ausgabe von Inside GNSS im Artikel GNSS-Lösungen: Orbitale Präzession, optimale Zweifrequenztechniken und Galileo-Empfänger von Penina Axelrad und Kristine M. Larson erläutert.

Die kurze Antwort ist, die Wiederholbarkeit der Bodenspur sicherzustellen. Und die Periode beträgt nicht 12 Stunden, sondern einen halben Sternentag (das sind etwa 4 Minuten kürzer), so dass, wenn die Erde eine Umdrehung gemacht hat, die Satelliten zwei gemacht haben und die Geometrie der gesamten Konstellation relativ zur Erde dieselbe ist als einen Sterntag vorher. Wiederholbarkeit ist aus mehreren Gründen wichtig, einer davon war, dass einige Fehler in Bezug auf die Atmosphäre oder Bodenreflexionen (dh Mehrwege) von der Geometrie abhängen. Wenn die Geometrie an jedem Sterntag gleich ist, sind die Fehler ähnlich, daher sind die von Sterntag zu Sterntag berechneten Verschiebungen sehr genau, da die Fehler so ähnlich waren, dass sie sich bei der Berechnung von Verschiebungen (oder Geschwindigkeiten) aufheben ).

Eine andere Frage ist nun, warum man einen halben Sternentag anstelle eines dritten oder viertels wählt. Ich bin mir da nicht 100 % sicher, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass es daran liegt, dass im Gegensatz zu anderen Satelliten, damit GPS-Satelliten nützlich sind, ihre Position mit sehr hoher Genauigkeit und in Echtzeit bekannt sein muss Um dies zu erreichen, ist es umso einfacher, je größer die Umlaufbahn ist, da die Geschwindigkeit langsamer ist und kleinere Störungen aufgrund des nicht zentralen Schwerefelds der Erde und des atmosphärischen Widerstands auftreten. Warum also nicht mit einem vollen Sternentag umkreisen? Wahrscheinlich aus Kostengründen (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 Genauigkeitsspezifikationen für die Satellitenposition zu erfüllen.

In diesem Artikel wird gut behandelt und erklärt, wie wichtig die Mehrwege-Wiederholbarkeit für die Lösungsqualität ist und wie eine solche Wiederholbarkeit zur Verbesserung von GPS-Lösungen verwendet werden kann. Erklärt auch, dass der Zeitraum in der Nähe eines Sterntages liegt: Verbesserung der Präzision von Hochgeschwindigkeits-GPS