Kinematic GNSS positioning of Low Earth Orbiters (CRC 1128, B03)

Überblick

Eine absolute LEO-Positionierung ist notwendig, um die niedrigen Grade und Ordnung des Gravitationsfeldes zu bestimmen. Aktuelle und zukünftige Schwerefeldmissionen setzen bei dieser Aufgabe als integrierter Bestandteil der Satellitennavigation auf das GNSS.

Insbesondere die GNSS-basierte kinematische LEO-Orbitbestimmung ist sinnvoll, da keine a priori Kenntnisse des Schwerefeldes erforderlich sind. Die aktuelle Genauigkeit und Zuverlässigkeit von GNSS-bestimmten LEO-Orbits wird jedoch durch die schwache Geometrie aufgrund der epochenweisen Schätzung von Empfängeruhren, der großen Anzahl von Mehrdeutigkeiten, die eingerichtet werden müssen, und aufgrund der Systematik wie Antennenphasenzentrumsvariationen (PCV) oder Nahfeldmultipath eingeschränkt. Daher sollten neue Konzepte und Perspektiven für eine präzise und zuverlässige LEO-Positionierung entwickelt werden. Zu diesem Zweck können wir von den neuen Technologien profitieren, die derzeit verfügbar sind, wie z.B. ultra-stabile Uhren, Inter-Satelliten-Laserverbindungen und zukünftige Empfängertypen, die Multifrequenz-Multi-GNSS verfolgen.

Ziele

Das Projekt wird sich auf zwei Ansätze zur Verbesserung der Orbitqualität für zukünftige Missionen konzentrieren: (i) Unter Ausnutzung der neuen ultra-stabilen für den Weltraumeinsatz qualifizierten Uhren werden Konzepte der Uhrenmodellierung untersucht, d.h. der Empfängeruhrfehler wird durch ein Polynom niedriger Ordnung modelliert und nicht in jeder Epoche geschätzt. Dies führt zu einer Stärkung der Geometrie und einer Verbesserung der Genauigkeit und Integrität. Darüber hinaus können Mehrwege und PCV besser erkannt und von anderen Fehlerquellen getrennt werden. (ii) Der zweite Ansatz ist die Entwicklung des sogenannten virtuellen Empfängers, d.h. die Beobachtungen von mehreren Antennen/Empfängern werden zu einer Raumfahrzeuglösung kombiniert. Die Beobachtungen können entweder von mehreren optimal ausgerichteten Antennen an einem Raumfahrzeug oder von verschiedenen Antennen, die über mehrere Satelliten verteilt sind, gesammelt werden, wenn die Inter-Satelliten-Verbindung gegeben ist. Auf diese Weise können mehr GNSS-Beobachtungen verfolgt werden und das gemeinsame Sichtfeld wird deutlich vergrößert, was zu einer besseren Integrität und einer besseren Mehrdeutigkeitsauflösung dank länger sichtbarer GNSS-Satellitenbögen führt. Die Konzepte werden in enger Zusammenarbeit mit den Projekten B02 - B06 und C01 entwickelt. Simulationsstudien sowie echte GNSS-Datenanalysen aktueller und zukünftiger Schwerefeldmissionen werden zur Demonstration und Validierung der Konzepte herangezogen.