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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sendeleistung eines GPS Satelliten


Autor: N. K. (bennjo)
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Hallo,
da ich mich derzeit grade intensiv mit dem Thema GPS auseinandersetze
hab ich mich mal gefragt weshalb GPS Signale nicht stärker sein
können/sind.

Hier ein paar Fragen, die sich mir so aufgedrängt haben:

Entwickelt wurde das ganze ja Ende der 70er...wie gut waren damals
eigentlich ordentliche Verstärker und was haben die gekostet?

Hätte das Militär möglicherweise absichtlich schwache Signale gewollt
um die technische Hürde hoch zu halten - und nicht Interesse am Empfang
in Gebäuden gehabt?

Wieviel Watt hat man eigentlich auf sonem Sat. zur Verfügung? Ich geh
mal von Solar-Versorgung aus? Wirkungsgrad Solarzellen ende der 70er?
Wie viel Leistung braucht eigentlich eine Atomuhr?

Wie groß ist eigentlich die Kreis-Fläche die von so einem Satellit auf
der Erdoberfläche abgedeckt wird?

Was dürfte so ein Satellit also an Sendeleistung haben?

Bin mal auf eure Antworten gespannt!

Gruß,
Nikias

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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> Wirkungsgrad Solarzellen ende der 70er?

Von den GPS Satelliten von damals ist keiner mehr in
Betrieb

http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm

Autor: MasterFX (Gast)
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Also eine Atomuhr brauch eigentlich fast gar keine Leistung. Ich glaube
die, die aktuell in den Satelliten verbau werden liegen so bei einem
Watt. Die Solarzellen von heute bringen genug Leistung. Die Astra
Satelliten senden z.B. mit 30W(Astra 3A)-140W(Astra 1KR). Eutel hat
glaub ich sogar noch mehr Sendeleistung.
Bei GPS wird längst nicht soviel benötig, da nicht so viele Daten (und
auch nicht so schnell) übertragen werden. Hier kann die Leistung
herabgesetzt werden und mehr auf das B*T geachtet werden
(Bandbreiten-Zeitprodukt), nehme ich zumindest einfach mal an.

Autor: Andreas B. (baitronic)
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"Wie gut waren damals eigentlich ordentliche Verstärker und was haben
die gekostet?"

Also wir bewegen uns in der Zeit des Kalten Krieges, Wettrüsten zw.
Nato und dem Warschauer Pakt - ich glaube nicht dass Geld der
limitierende Faktor war, eher die Zeit. Die Qualität der Verstärker
(v.a. im militär) schätze ich als sehr gut ein.

Gruß Andreas

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Verstärkertransistoren für 1,7 GHz Ende der 70er waren üblicherweise
bipolar in Basisschaltung, mit Leistungsverstärkungen um 8 dB oder so.
Max. Output ein paar Watt. Für mehr Leistung waren Röhren (TWT) nötig,
die eine begrenzte Lebensdauer von wenigen Jahren haben.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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die 1,7 hab ich mit Meteosat verwechselt, aber auf 1,2/1,5 GHz oder auch
2,3 GHz sah es genauso aus. Ich muß irgendwo noch solche BeO-gefüllten
SD... von SGS/Thomson oder MSC rumliegen haben.

Autor: N. K. (bennjo)
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Ich meinte bezüglich der Verstärker eigentlich eher die Empfangsseite...
Damals hatte sicher keiner daran gedacht, dass man irgendwann einen GPS
Empfänger in der Größe einer Streichholzschachtel mit sich rumträgt!
Daher hätte mich interessiert wie damals so ein Empfänger ausgesehen
hat...der muss ja auch aufwändig gewesen sein, die Signale waren ja
genauso schwach wie heute und das alles in einem IC zu machen war ja
nicht möglich.

Gruß,
Nikias

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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Der Erste von Texas Instruments:
http://www.photolib.noaa.gov/historic/c&gs/theb1541.htm
Heutige Geräte sind kleiner als das Handbedienteil.

Gruss
Jadeclaw.

Autor: Axel (Gast)
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So furchtbar aufwendig war das nun auch wieder nicht. Immerhin war man
damals froh, wenn man auf 300m Genauigkeit kam, nur die Militärcodes
waren besser. Was übrigends mit der physikalischen Länge der gesendeten
Datenbits zu tun hat. Die Militärcodes arbeiteten mit kürzeren
Datenbits. Und das ganze Konzept war so ausgelegt, dass die Daten
möglichst gut aufbereitet vom Satelliten kamen, so dass man nicht
alllzuviel Rechnerei mehr im Empfänger hatte.

Ein Bekannter von mir hat Anfang der 90er Empfänger selbstgebaut, die
in eine Zigarrettenschachtel passten.

Die Genauigkeit, die heutige Empfänger erreichen, waren damals
überhaupt nicht vorgesehen, ebensowenig wie manche Methoden, mit denen
die Empfänger heute arbeiten. Und Dinge wie Reflexionen etc,. waren
schlicht nicht vorgesehen. Heute wird die Genauigkeit erreicht, indem
man sich auf die Flanken der Datenbists synchronisiert, das war damals
gar nicht vorstellbar. Deswegen hat der Militärcode heute übrigends
auch fast keine Vorteile mehr.

Gruss
Axel

Autor: Axel (Gast)
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"Hätte das Militär möglicherweise absichtlich schwache Signale gewollt
um die technische Hürde hoch zu halten"

Nee, wie geschrieben, die Empfänger sollten sogar möglichst günstig
sein.

" - und nicht Interesse am Empfang in Gebäuden gehabt?"

Davon haben die nicht mal geträumt. Es ging darum, für Schiffe und
Flugzeuge eine zuverlässige Positionierung zu erreichen. Naja, und
Cruise Missiles mit dem militärischen Code. Aber wenn die innerhalb von
Gebäuden waren, war ja das Ziel erreicht :)

Gruss
Axel

Autor: SuperUser (Gast)
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Na die Leistung der Satelliten ist auch deshalb so niedrig, damit das
Signal unterhalb des Rausch-Levels liegt.

Ohne die Korrelations-Folge zu kennen ist es nicht möglich das Signal
zu finden.

Das gehört zum Schutz dazu

Autor: Bernhard S. (bernhard)
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Die Sendeleistung der Satelliten wird im kW-Bereich liegen, immerhin
wird die halbe Erdkugel mit diesen Signalen erfreut.

Zumal die Atmosphäre das Signal auch noch dämpft.

Die Dämpfung und die Ausbreitungseigenschaften sind auch noch Druck und
Temperaturabhängig.

Die Laufzeiteinflüsse sollten ursprünglich Aufgrund von Wetterdaten
permanent korrigiert werden, hat man aber wieder verworfen,
war zu komplex.

Würde man die Sendeleistung wesentlich erhöhen, könnte es passieren,
das ein Satellit am Horizont ein sehr starkes, aber dafür falsches
Signal (verfälschte Laufzeit des Signals) liefert.

Bernhard

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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> Die Sendeleistung der Satelliten wird im kW-Bereich liegen

Laut
http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm
(letzter Absatz)
ist die Sendeleistung bei max. 50 Wat

Weiss jemand, wie gross die Abstrahlleistung von Gallileo
(Sonde die im Jupiter System arbeitete) war. Das waren
sage und schreibe grade mal 20 Watt. Auf der Erde kamen davon
noch 10E-20 Watt an. In einem NASA-Booklet heist es in diesem
Abschnitt so schön: "Selbst wenn man die empfangene Leistung
15 Mrd. Jahre (das ist das Alter des Universums!) lang speichern
würde, dann könnte man davon eine normale 40-Watt Lampe nicht mal
eine Sekunde lang aufblitzen lassen."

Autor: Anselmo (Gast)
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"Die Sendeleistung der Satelliten wird im kW-Bereich liegen"

Das ist schlichtweg falsch.

Die Sendeleistung liegt im Watt-Bereich. Das hat auch nichts mit
"halbe Erdkugel erfreuen" zu tun, denn die Satelliten sind 21 000 km
weit draussen.

Wo sollten denn die Kilowatts auch herkommen? Aus den Solarzellen
vielleicht?

Die Feldstärke des Satellitensignals liegt unter dem Rauschen und kann
nur mittels Korrelation rausgerechnet werden.

Autor: Schmidi (Gast)
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"Wo sollten denn die Kilowatts auch herkommen? Aus den Solarzellen
vielleicht?"

Naja, "normale" Satelliten nicht, die haben ja eine groessere Anzahl
an Transpondern - obwohl auch hier die "Gesamtleistung" oft mehrere
Kilowatt betraegt...

Aber mal als extremes Gegenbeispiel: Die Satelliten Rock und Roll von
XM Satellite Radio (Geostationaer) haben 13.3 kw "Sendeleistung"
(fuer Musik) und ein paar hundert Watt fuer andere Transponder! Man
soll das Radio ja auch mit einer Mini-Antenne gut empfangen koennen...

...und neue Satelliten (Stichwort Internet/DVB-RCS/On-Board-Processing)
werden mit 20 und mehr kW "Gesamtleistung" geplant (natuerlich
verteilt auf jede Menge Spotbeams).

Das kommt auch von Solarzellen ;-)

Autor: Torsten W. (wirehead)
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Der strom muss ja nicht immer aus solarzellen kommen.
Es gibt Radioisotopengerneratoren, diese arbeiten mit verglastem
plutoniumdioxid. Durch radioaktiven zerfall wird thermische energie
frei die man mit hochleistungspeltierelementen nutzt. Ist eigentlich
auch recht sicher wenn es erst mal in der umlaufbahn ist, da oben
klauts ja keiner... Und leistung kommt da auch genug rum, je nach
ausführung ein paar 100W für die nächsten 100jahre...
Der Nachteil ist eben bei einem totalverlust beim start könnten der
aktive kern freigelegt werden und troz keramischem material teilweise
verdampfen was erhebliche mengen an strahlung freisetzen würde.
Deshalb achtet man da auch schön auf das wetter wenn man so sachen
wegschießt, Kourou ist ja auch nicht gänzlich unbewohnt...
Das ist schonmal mit einem Navigationssatellit (1964) passiert aber die
teile sind im meer verschwunden nachdem sie in der atmosphäre mehrere
TBq an strahlung freigesetzt haben. Im pazifik dürften auch noch ein
paar liegen von den russen...

Gruß
Torsten

Autor: Patrick Dohmen (oldbug) (Moderator) Benutzerseite
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Autor: Quix01 (Gast)
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Um die Watt - kWatt Disskussion und andere Aspekte mal bischen zu
versachlichen:

Die US Coast Guard http://www.navcen.uscg.gov/ betreibt eine offizielle
Seite zu GPS und anderen Systemen.

Dort findet man ein Interface Control Document (ICD200c genannt), wo
alle relevanten Daten drinstehen, die man zum Bau eines GPS-Empfängers
braucht:
http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/icd200/default.htm

> Was dürfte so ein Satellit also an Sendeleistung haben?

Unter Punkt 6.3.1ff des ICD200 sind die Empfangsleistungen am Boden für
die verschiedenen Signale und Frequenzen spezifiziert. Nun kann jeder
rückwärts rechnen und kommt auf eine Sendeleistung am Satellit von rund
22 Watt pro Signal.

GALILEO, das geplante europäische System soll signalkompatibel zu GPS
sein, d.h., die Sendeleistungen werden, wenngleich andere
Modulationsverfahren eingesetzt werden, in ähnlicher Größenordnung
liegen.

GLONASS, das russische System, hat ein ähnliches Interface Control
Document, (http://www.glonass-center.ru/)
Der Link  http://www.glonass-center.ru/ICD02_e.pdf war vorhin zwar tot,
aber Google hat das Dokument noch als HTML im Cache.

> Hätte das Militär möglicherweise absichtlich schwache Signale
> gewollt um die technische Hürde hoch zu halten - und nicht
> Interesse am Empfang in Gebäuden gehabt?

Die Signale sind quasi im Rauschen versteckt, damit sie nicht so
einfach detektiert werden können -> Korrelationsempfänger notwendig.

Die Positionsberechnung basiert auf einem räumlichen Vorwärtsschnitt.
Dazu wird die Signallaufzeit vom Sat. zum Empfänger benutzt, die über
die Ausbreitungsgeschwindigkeit unter Beachtung von
Refraktionseinflüssen in eine Streckeninformation umgerechnet werden
kann.

Die Signallaufzeit ist entscheidend und da geht es um den direkten
Signalweg zwischen Satellit und Empfänger. In Gebäuden ist eine
GPS-Positionierung u.U. möglich, (Stichwort Assisted GPS, Indoor GPS),
jedoch ist auf Grund der indirekten Signalwege eine Position mit sehr
sehr großen Unsicherheiten behaftet. Es macht also keinen Sinn,
Positionen im Gebäude messen zu wollen.

Im Übrigen: Es werden vier Satelliten für die Positionsberechnung
benötigt, drei für die unbekannten Empfänger-Koordinaten Länge, Breite,
Höhe und einer für die unbekannte Zeitdifferenz zwischen Satellitenzeit
(GPS-Zeit genannt und durch die onboard-Atomuhren realisiert) und der
nicht so genauen GPS-Empfängeruhr (einfache Quarzuhr). GPS ist daher
ein 4D-System, da alles in Bewegung ist und somit zeitabhängig!

Hoffe, das sind erstmal genug Infos
Ciao Thomas.
(quix01 at gmx dot net)

Autor: Axel (Gast)
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"Die Signale sind quasi im Rauschen versteckt, damit sie nicht so
einfach detektiert werden können"

Nun, der Grund dafür ist nicht primär die Möglichkeit die Signale zu
verstecken, sondern daß ansonsten die Satelliten nicht alle auf
derselben Frequenz senden könnten. Dadurch, dass die alle auf derselben
Frequenzen senden, werden die Empfänger deutlich einfacher, aber man
braucht eine Möglichkeit, um die Satellitensignale im Empfänger wieder
zu trennen. Das geht eben mit der Korrelation, bei der die Signale aber
nicht so stark sein dürfen, dass ein Satellit die anderen überbrüllt.

Gruss
Axel

Autor: Black Friday (Gast)
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@Quix01:
Das mit den 4 Satelliten stimmt so nicht. Für eine 2D - Position
reichen schon 3 Satelliten aus. Um eine 3D - Positionsangabe zu
erhalten benötigt man 4 Satelliten.
JEDER Satellit sendet seine exakte Zeit und die Satelliten werden
ständig abgeglichen. So ist es möglich, aus den Laufzeitdifferenzen die
Entfernungen zu berechnen.
Trotzdem reicht eine einfache Quarzuhr im Empfänger nicht aus, der
Empfängertakt wird ständig an den Satellitentakt angeglichen.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Zur Bündelung der Antennen gibt es den interessanten Versuch, GPS in
Amateurfunksatelliten mit stark elliptischer Umlaufbahn, oberhalb der
GPS_Satelliten zu nutzen:
...es gelang erstmalig auch die Positionsbestimmung mittels GPS aus
einer Bahn, die mit fast 60.000 km Apogäum deutlich über den
GPS-Satelliten liegt. Eine Tatsache, die die NASA für künftige
automatische Andockversuche von Satelliten nutzen möchte. ...
http://www.amsat-dl.org/
http://www.amsat-dl.org/nach_dem_start.htm
das sind haputsächlich Signale von Satelliten die hart an der Erde
vorbei zu dem "gegenüber" fliegenden Amateursatelliten hinleuchten.

Autor: Quix01 (Gast)
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@Black Friday
Im Gleichungssystem für die Absolutpositionierung stehen vier
Unbekannte. Um das System lösen zu können, sind folglich vier Werte
notwendig.

Bei einer 2D-Position im Sinne von GPS wird die Höhe als bekannt
vorausgesetzt und in das Gleichungssystem eingeführt. Dies funktioniert
gut, wenn z.B. ein Boot auf dem Wasser fährt, da das Wasser eine
Äquipotentialfläche mit H = const. bildet.

Wenn also ein Empfänger frisch eingeschaltet wurde und keine alte
Position und keine alten Ephemeriden im NVRAM liegen, ist eine
Positionierung nicht möglich. Dies sieht man dann an sehr langen
Initialisierungszeiten (time to first fix).

Satelliten senden überhaupt keine Zeiten! Ledeglich die abgestrahlten
PRN-Sequenzen sind mit der GPS-Zeit synchronisiert (Siehe ICD200, link
weiter oben). Daraus läßt sich auf die GPS-Zeit rückschließen! Ein
Empfänger muss also seinen Korrelator solange zeitlich schieben, bis
die intern generierte Signalkopie mit der empfangenen übereinstimmt,
und das für jeden Empfangskanal. Dann ist die Zeit-Differenz (ca. 0.07
sekunden) zwischen Sendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt ermittelt.

Zur Empfängeruhr:
Es werden preiswerte Quarze verbaut. Das sieht man, wenn man sich
Zeitreihen des Empfängeruhrfehlers anschaut. Damit die Messungen nicht
aus dem Ruder laufen, werden vom Empfänger sog. Millisekundensprünge in
die Empfängerzeit eingefügt, um die Empfängeruhr auf +/- 0.5 ms zur
GPS-Zeit synchron zu halten. Dies ist notwendig, da der C/A-Code eine
Mehrdeutigkeit von 300m hat und die Position absolut ja eindeutig
berechenbar sein soll.


Ciao Thomas.

Autor: Quix01 (Gast)
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Tippfehler:
C/A-Code Mehrdeutigkeit 300km, ist ja grade die Millisekunde bei
Lichtgeschwindigkeit :-)

Ciao Thomas.

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