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Die Erfindung betrifft ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, bei dem durch Messung der Laufzeit von elektromagnetischen Wellen die Entfernungen zwischen einer Empfangsstation und mehreren Satelliten und damit die Position dieser Empfangsstation bestimmt werden, wobei durch zusätzliche Messung der Entfernungen zwischen den genannten Satelliten und vorgegebenen Positionierungsbasisstationen Korrekturwerte zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung ermittelt werden und für die Übertragung der Korrekturwerte von den Positionierungsbasisstationen zu den Empfangsstationen ein Mobilkommunikationsnetz vorgesehen ist
Satelliten-Positionsbestimmungssysteme der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise in . Rec.
IEEE Position Location and Navigation Symp., pp 9-16, 1980." beschrieben sind, werden aufgrund ihrer Vorzüge wie der Wetterunabhängigkeit, der hohen Verfügbarkeit und der erzielbaren hohen Genauigkeit in zunehmendem Masse für die unterschiedlichsten Aufgaben genutzt. Dazu gehören beispielsweise die Positionsbestimmung im Rahmen von Navigationssystemen für die Schiffahrt, Luftfahrt oder das Transportwesen zu Lande, oder auch der Einsatz für Vermessungsaufgaben. Sie basieren auf dem sogenannten Global Positioning System des Department of Defense der USA, weiches für die kostenlose zivile Nutzung freigegeben wurde, jedoch nur eine Positioniergenauigkeit von etwa 100 m erlaubt.
Das System besteht aus einer Anzahl von Satelliten (24 + Ersatzsatelliten), deren Umlaufbahnen dermassen angeordnet sind, dass an jedem Punkt der Erde zu jedem Zeitpunkt mindestens 6 Satelliten gleichzeitig sichtbar sind.
Zur Positionsbestimmung eines beliebigen Punktes auf der Erdoberfläche sendet jeder Satellit seine Kennung, seine momentane Bahnposition und den aktuellen Sendezeitpunkt aus
Können nun von einer Empfangsstation die Daten von mindestens 3 Satelliten empfangen werden, ist eine zweidimensionale Positionsermittlung - auf der Erdoberfläche - möglich, sind die Daten von zumindest 4 Satelliten verfügbar, kann eine dreidimensionale Positionsbestimmung durchgeführt werden.
Für manche Zwecke reicht die genannte Positioniergenauigkeit ( < 100m) nicht aus Es wurde daher ein Differenzkorrekturverfahren eingeführt, das eine Erhöhung der Positioniergenauigkeit bis auf wenige cm erlaubt Die Differenzkorrekturwerte werden dabei von fest installierten Positionierungsbasisstationen erzeugt, die ihre exakte Position kennen, mit der über die Satelliteninformation errechneten Position vergleichen und daraus Korrekturdaten ermitteln, die den Empfangsstationen auf herkömmlichen Kommunikationswegen (Langwelle, RDS-Signal im UKW) zur Verfügung gestellt werden.
Die mit diesen erweiterten Systemen erzielbare Genauigkeit ist in hohem Masse von der Anzahl der Positionierungsbasisstationen und den von diesen ermittelten Korrekturwerten abhängig. Es kann gesagt werden, dass die Genauigkeit einer Positionsbestimmung umso höher ist, je näher sich die betreffende Empfangsstation bei einer Positionierungsbasisstation befindet. Um die Genauigkeit für ein bestimmtes Gebiet zu erhöhen, müssen dort daher möglichst viele Positionierungsbasisstationen errichtet werden und Mittel zur Übertragung der Korrekturwerte von den Positionierungsbasisstationen zu der jeweiligen Empfangsstation vorgesehen werden, wobei insbesondere die Forderung nach einer zuverlässigen Übertragung der Korrekturwerte erhebliche Aufwände verursacht.
Aus der GB 2 264 837 A ist ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem bekannt, bei dem die Übertragung der Korrekturwerte über ein Mobilfunknetz erfolgt, wobei die Verbindung zwischen Positionierungsbasisstation und Mobilfunknetzbasisstationen über Kontrolikanäle des Mobilfunknetzes erfolgt, die einem gewöhnlichen Nutzer" des Mobilfunkdienstes nicht zur Verfügung stehen. Damit kann das beschriebene System nur von einem Mobilfunknetzbetreiber aufgebaut und betrieben werden.
Die GB 2 283 873 A beschreibt ein Satelliten-Positionsbestimmungssystem, bei dem die Positionierungsbasisstation über ein Telefonnetz (Festnetz) an die Kommunikationsbasisstationen (DECT-Base Stations) angebunden sind. Damit besteht die Anforderung, dass am Ort Positionierungsbasisstation ein Festnetztelefonanschluss besteht, was den Einsatzbereich des beschriebenen Systems stark einschränkt.
Das gewählte DECT-System unterstützt überdies keine Interkommunikation zwischen Mobilstationen, sodass die Einschränkung auf das Festnetz bei diesem System nicht überwunden werden kann.
Die US 5, 317, 323 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit eines Satelliten
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- Positionsbestimmungssystemes, bei dem zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit'Map-matching' erfolgt, d h. es wird versucht, ein aus Sensor- und GPS-Informationen ermitteltes Wegsegment mit gespeicherte, digitalen Kartenmaterial in Übereinstimmung zu bringen. Positionen können aus diesem Grund nur für spezielle Landschaftsbereiche (z. B. Strassenzüge) mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden.
Entsprechend dieser Funktionsweise sind nur mobile Positionsbestimmungsgeräte beispielsweise In Fahrzeugen und kein zugrundeliegendes Netz von Referenzbasisstationen vorgesehen
Die US 5, 365, 450 betrifft ein Satelliten -Positionsbestimmungssystem, bei dem ein zelluläre Mobilfunknetz dazu verwendet wird, Satelliten-Almanach-Daten zu übertragen.
Diese AlmanachDaten werden von einem GPS-Receiver in der Mobilstation zur Suche von Satelliten für eine Positionsbestimmung genutzt Eine Übertragung von Korrekturdaten ist nach dieser Schrift nicht vorgesehen
Nach der US 5, 422, 813 wird vorgeschlagen, bei einem Satelliten-Positionsbestimmungssystem zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit die Variationen von Wellenlänge und Phase eines amplitudenmodulierten (AM) Signals (Radiosignales) sowohl durch mobilen Empfänger als auch durch eine AM- Referenzbasisstation, die via Mobilfunknetz'differentielle AM-Korrekturdaten'an den mobilen Empfänger überträgt zu messen. Die Anbindung der AM-und Positionierungsbasisstation dabei über ein Telefonfestnetz zu einer Mobilfunkzentrale.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, bei dem eine zuverlässige Übertragung der Korrekturwerte von den Positionierungsbasisstationen zu den Empfangsstationen erfolgt, und das die Nachteile der bekannten Systeme nicht aufweist.
Erfindungsgemäss geschieht dies mit einem Satelliten-Positionsbestimmungssystem der eingangs genannten Art, bei dem das Mobilkommunikationsnetz nach dem GSM-Standard aufgebaut ist, bei dem jede Positionierungsbasisstation zumindest ein herkömmliches Mobiltelefon, einen ersten Satellitenempfänger und eine erste Kontroll- und Steuerungseinheit umfasst, und bei dem jede Empfangsstation zumindest ein herkömmliches Mobiltelefon, einen zweiten Satellitenempfänger und eine zweite Kontroll-und Steuerungseinheit umfasst.
Der Einsatz eines herkömmlichen Mobilkommunikationsnetzes insbesondere nach dem GSMStandard erspart hohe Investitionen. Diese Netze zeichnen sich überdies durch hohe Übertragungszuverlässigkeit und ausgereifte Technologie aus. Der Einsatz von herkömmlichen Mobiltelefone zur Übertragung der Korrekturwerte ermöglicht die freie Positionierung der Positionierungsbasisstationen und hohe Flexibilität bei der Realisierung des Netzes insgesamt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Positionierungsbasisstationen und der Empfangsstationen werden durch die Ansprüche 2 bis 5 beschrieben.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft.
Fig. 1 die erdgebundenen Komponenten des erfindungsgemässen Systems
Fig. 2 den Aufbau einer Positionierungsbasisstation und
Fig. 3 den Aufbau einer Empfangsstation.
Das Satelliten-Positionsbestimmungssystem nach Fig. 1 umfasst Empfangsstationen DGPSR, Positionierungsbasisstationen DGPSB und ein Mobilkommunikationsnetz MKN nach dem GSMStandard, welches die für ein derartiges Netz typischen Komponenten wie Basestation BTS, Mobile Switching Center MSC, Basestation Controller BSC und eine Anbindung an das feste Telefonnetz FKN, GPSA enthält.
Die Positionierungsbasisstationen DGPSB sind in dem zu versorgenden Bereich gleichmässig in zellularer Form verteilt so angeordnet, dass der Abstand zur nächstliegenden Positionierungsbasisstation DGPSB für jeden beliebigen Punkt des Bereichs einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet, wobei dieser Maximalwert die minimale Positioniergenauigkeit bestimmt. Ihre Position wird exakt vermessen, sie bildet die Basis für die Ermittlung der Korrekturwerte zur Positionsbestimmung.
Der Aufbau der Positionierungsbasisstationen DGPSB wird anhand der Fig. 2 näher erläutert.
Er umfasst zumindest ein herkömmliches GSM-Mobiltelefon MT1,... MTn, einen ersten Satellitenempfänger DPGS-BT, sowie eine erste Kontroll- und Steuerungseinheit C1. Weiterhin sind ein Netzteil NT zur Stromversorgung aller Komponenten und ein Anschluss an ein Netzbetriebssystem TMN vorgesehen.
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Der erste Satellitenempfänger DPGS-BT ist eine Standardkomponente wie sie auch bei zum Stand der Technik gehörenden Satelliten-Positionsbestlmmungssystemen zu finden ist Seine Qualität bestimmt wesentlich die erreichbare Positioniergenauigkeit Er empfängt über eine separate Antenne die von den Satelliten abgestrahlte Information zur groben Positionsbestimmung (Genauigkeit etwa 100m) und ermittelt daraus und der bekannten exakten Position die Korrekturwerte, die über eine vorzugsweise serielle Datenverbindung im RTCM104 V2. 1 Format an die erste Kontroll- und Steuerungseinheit C1 abgegeben werden.
Dieser steuert die Funktion der ersten Satellitenempfängers DPGS-BT, speichert die ermittelten Korrekturwerte, kontrolliert den Verbindungsaufbau über die Mobiltelefone MT1,... Mtn, deren Datenkanatfunktionalität zur Übertragung der Korrekturwerte genutzt wird, und verwaltet den Anschluss an das Netzbetriebssystem TMN.
Die erste Kontroll- und Steuerungseinheit C1 bildet weiterhin eine drahtlose Service-PCSchnittstelle.
Die Empfangsstationen DGPSR, deren Aufbau anhand der Fig. 3 erläutert wird, umfassen jeweils ein herkömmliches Mobiltelefon, einen zweiten Satellitenempfänger DPGS-RCV, eine Anzeigeeinheit D, eine Eingabevorrichtung TF, eine zweite Kontroll- und Steuerungseinheit C2 und eine Chipkarten-Schreib/Lesevomchtung CK.
Die Mobilität der Empfangsstationen DGPSR wird durch eine netzunabhängige Stromversorgung AKKU gewährleistet.
Der zweite SatellitenempfÅanger DPGS-RCV, eine handelsübliche Komponente von herkömmlichen Satelliten-Positionsbestimmungssystemen erhält über seine Antenne die von den Satelliten ausgestrahlten Signale zur Positionsbestimmung und ermittelt daraus den Grobwert der Position (Genauigkeit < 100m). Mittels Korrekturwert, der über Mobiltelefon und zweite Kontroll- und Steuerungseinheit C2 erhalten wird, wird daraus der Feinwert der Position bestimmt.
Die Verbindung zwischen zweitem Satellitenempfanger DPGS-RCV und zweiter Kontroll- und Steuerungseinheit C2 über welche die Daten zur Funktionsteuerung und die Korrekturwerte ausgetauscht werden erfolgt über eine serielle Schnittstelle. Neben dem Datentransfer innerhalb der Empfangsstation DGPSR steuert die zweite Kontroll- und Steuerungseinheit C2 auch den Verbindungsaufbau über das Mobiltelefon und das Aktualisieren der Konfigurationsdaten der Empfangsstation DGPSR, welche in einem nichtflüchtigen Speicher MP abgelegt werden.
Für die Bedienung der Empfangsstation DGPSR sind Anzeigeeinheit D und Eingabevorrichtung TF vorgesehen. Über diese ist eine manuelle Auswahl der Positionierungsbasisstationen DGPSB und eine Betriebsartenkontrolle möglich
Eine Chipkarten-SchreibAesevorrichtung CK ermöglicht erweiterten Schutz der Empfangsstation DGPSR - neben den Sicherungsmöglichkeiten über die Eingabevorrichtung TF vor unbefugter Inbetriebnahme sowie verschiedene Abrechnungsprinzipien Über eine externe Datenschnittstelle können weiteren gespeicherte Positionsmesswerte an ein Datennetz oder ein Datenendgerät (PC) übertragen werden.
Die Funktion des Satelliten-Positionsbestimmungssystems ist wie folgt :
Um ihre Position genau bestimmen zu können, muss eine Empfangsstation DGPSR feststellen, für welche der Positionierungsbasisstationen DGPSB die Abstandsbedingung erfüllt ist. Dazu wird in einem ersten Schritt eine Grobpositionsbestimmung ohne Berücksichtigung der Korrekturwerte durchgeführt.
Danach wird diese Position mit den in einem reprogrammierbaren Festwertspeicher abgelegten Positionen der Positionierungsbasisstationen DGPSB verglichen und die am besten geeignete Positionierungsbasisstationen DGPSB ausgewählt Die Auswahl kann entweder automatisch oder durch den Benutzer erfolgen.
Von der ausgewählten Positionierungsbasisstationen DGPSB wird der Korekturwert abgerufen und zur Feinbestimmung der Position herangezogen.
Danach werden durch die zweite Kontroll- und Steuerungseinheit C2 die der gewählten Positionierungsbasisstation DGPSB zugeordneten GSM-Telefonnummern ermittelt, die als Konfigurationsdaten in den Empfangsstationen DGPSR gespeichert sind und der Verbindungsaufbau - ein Wahivorgang des Mobiltelefones- wird gestartet.
Wenn die Datenverbindung zur gewählten Positionierungsbasisstation DGPSB aufgebaut ist, fordert die Empfangsstation DGPSR innerhalb eines spezifischen Protokolls einen
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Korrekturwertesatz an, der daraufhin übertragen wird. Abhängig vom eingestellten Betriebsmodus in der Empfangsstation DGPSR können nun entweder beispielsweise periodisch Korrekturwerte übertragen werden oder die Verbindung wird nach dem Empfang eines einzelnen Korrekturwertes wieder unterbrochen.
Die Datenkanalfunktionalität des integrierten GSM-Mobiltelefons wird auch dazu verwendet, die Netzkonfigurationen der Positionierungsbasisstationen DGPSB in die Empfangsstationen DGPSR zu laden. Dies ist beispielsweise bei Änderungen wie der Vergabe neuer Telefonnummern oder bei Errichtung neuer Positionierungsbasisstationen DGPSB in einem bestimmten Gebiet notwendig.
Es ist darüberhinaus denkbar, nur Teile der gesamten Netzkonfiguration in den Empfangsstationen DGPSR zu speichern und diese Information je nach Position zu aktualisieren. Dies ist vor allem bei sehr grossen Netzwerken mit vielen Positionierungsbasisstationen DGPSB von Vorteil
Durch die Berücksichtigung der Korrekturwerte in der Empfangsstation DGPSR wird die Genauigkeit der Positionsbestimmung beträchtlich erhöht. Die absolut erreichbare Genauigkeit ist dabei im wesentlichen von der Qualität der verwendeten, herkömmlichen SatellitenPositionsbestimmungssystemen sowie von der Entfernung zur nächstliegenden Positionierungsbasisstation DGPSB abhängig.
Die Koordinaten der errechneten Position werden in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart entweder in einem nichtflüchtigen Speicher der Empfangsstation DGPSR abgelegt oder beispielsweise über eine externe Schnittstelle an einen Personalcomputer übertragen.
Nach der Erfassung mehrer Messpunkte im nichtflüchtigen Speicher der Empfangsstation DGPSR, kann die Datenkanalfunktionalität des integrierten GSM-Mobiltelefons zum Übertragen der Messwerte an eine Zentrale verwendet werden. In dieser Zentrale werden die Messwerte beispielsweise zur Auswertung in einem geographischen Informationssystem oder zur Überwachung der Position eines Einsatzfahrzeuges herangezogen
Zur Information des Bedienpersonals kann von der Zentrale auch Information an die Empfangsstationen DGPSR übertragen werden.
Neben der sofortigen Berücksichtigung ist eine nachträgliche Verwertung der Korrekturwerte (Post-Processing) etwa in der Weise denkbar, dass jede Positionierungsbasisstation DGPSB die ermittelten Korrekturwerte über einen bestimmten Zeitraum hinweg speichert, sodass auch nachträglich die Korrekturwerte eines bestimmten Zeitpunktes beispielsweise von einer Zentrale angefordert und zur Korrektur einer Grobpositionsbestimmung herangezogen werden können. In diesem Fall ist auf Grund der umfangreichen Datenmengen ein Datenkompressionsverfahren für die Korrekturwertdaten zweckmässig. Dieses Verfahren ist aber auch für die Übertragung der Korrekturwerte zu den Empfangsstationen DGPSR denkbar.
Es kann in manchen Anwendungsfällen erforderlich sein, die Korekturwerte vor missbräuchlichem Zugriff zu schützen. So weisen übliche Mobilkommunikationsnetze zwar einen verhältnismässig hohen inhärenten Zugriffsschutz auf, in besonders kritischen Fällen sind aber noch die folgenden zusätzlichen Schutzmassnahmen denkbar : - Spezifisches Protokoll bei Verbindungsaufbau und Übertragung der Korrekturinformation ; - Passwortschutz über Chipkarte bei Anforderung der Korrekturinformation ; - Zeitdauerlimitierte oder korrekturanzahllimitierte Passwortgültigkeit ; - Verschlüsselung der Korrekturinformation nach einem Public-Key-Verfahren ;
- Authentifizierung der Empfangsstation mit Rücküberprüfung in einer Zentrale
Wenn eine Verrechnung der Bereitstellung von Korrekturwerten gefordert ist, kann diese zeitdauerorientiert oder anzahlorientiert erfolgen. Im ersten Falle kann dazu die
EMI4.1
pro Zeiteinheit durch und liefert einen entsprechend vereinbarten Anteil an den Betreiber des Netzes der Positionierungsbasisstationen DGPSB ab.
Eine zusätzliche korrekturanzahlorientierte Verrechnung kann auf zwei Arten realisiert werden.
So kann für jeden in der Empfangsstation DGPSR empfangenen Korrekturwert über das Chipkarten-Schreib/lesegerät CK eine Abbuchung von einer Chipkarte erfolgen. Alternativ dazu kann bei jeder Anforderung an eine Positionierungsbasisstation DGPSB ein Zählimpuls an eine Verrechnungszentrale geleitet werden. Der Zählimpuls, der mit einer Kennung des Nutzers versehen ist, wird hierbei ebenfalls über die Datenkanalfunktionalität eines in der Positionierungs-
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basisstation DGPSB integrierten Mobiltelefons MT1,... MTn übertragen.
Zum Betrieb und zur Überwachung des Netzes der Positionierungsbasisstationen DGPSB ist die Anbindung derselben an ein Netzbetriebssystem TMN vorgesehen. Diese Anbindung erfolgt auf konventionelle Weise und erfordert daher eine unabhängige Datenverbindung zu jeder Positionierungsbasisstation DGPSB. Die Netzwerkstruktur der Datenverbindungen, die Steuerungs-und Überwachungsinformationen transportieren, orientiert sich an existierenden Netzen (z. B.. SISA-Netz).
Eine reduzierte überwachungs- und Steuerungsmöglichkeit, die auch für ansonsten nicht in ein Netz integrierte Positionierungsbasisstationen DGPSB anwendbar ist, bietet die Verwendung eines 'drahtlosen'Service-Personal Computers, der eine Datenverbindung über GSM-Datenkanäle zu der zu steuernden bzw. überprüfenden Positionierungsbasisstation DGPSB aufbaut und die Möglichkeit des Abrufs von Betriebszuständen sowie eine Konfiguration aus der Feme erlaubt.
Wie bereits ausgeführt, basiert das gegenständliche Satelliten-Positionsbestimmungssystem auf dem sogenannten Global Positioning System des Department of Defense der USA. In gleicher Weise ist jedoch auch der Einsatz eines anderen Satelliten - Basissystems wie des Systems GLONASS der USSR oder gegebenenfalls eines äquivalenten europäischen Systems möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Satelliten-Positionsbestimmungssystem, bei dem durch Messung der Laufzeit von elek- tromagnetischen Wellen die Entfernungen zwischen einer Empfangsstation und mehreren
Satelliten und damit die Position dieser Empfangsstation bestimmt werden, wobei durch zusätzliche Messung der Entfernungen zwischen den genannten Satelliten und vorgegebenen Positionierungsbasisstationen Korrekturwerte zur Erhöhung der
Genauigkeit der Positionsbestimmung ermittelt werden, und für die Übertragung der
Korrekturwerte von den Positionierungsbasisstationen zu den Empfangsstationen ein
Mobilkommunikationsnetz (MKN) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das
Mobilkommunikationsnetz (MKN) nach dem GSM-Standard aufgebaut ist, dass jede
Positionierungsbasisstation (DGPSB) zumindest ein herkömmliches Mobiltelefon (MT1,...
MTn), einen ersten Satellitenempfänger (DPGS-BT) und eine erste Kontroll- und
Steuerungseinheit (C1) umfasst, und dass jede Empfangsstation (DGPSR) zumindest ein herkömmliches Mobiltelefon, einen zweiten Satellitenempfänger (DPGS-RCV) und eine zweite Kontroll- und Steuerungseinheit (C2) umfasst.