CN102193094B - 改善卫星导航系统中的完整性通信的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于改善卫星导航系统（10）中的完整性通信的方法，该卫星导航系统（10）包括具有多个卫星（14）的空间部分（12），所述卫星（14）发送导航信号（16）用于由使用系统（18）接收和分析用以确定位置，和具有多个观测站（22）的地面部分（20），所述观测站监控所述卫星（14），其中，所述方法包括以下：确定观测站的时钟同步误差的分布（S10），传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息（S12），和接收和分析对时钟同步误差的分布的信息，其方式是，根据所述信息估计通过地面部分的观测精度（S14）。

Description

改善卫星导航系统中的完整性通信的方法和设备

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的用于改善卫星导航系统中的完整性通信的方法、根据权利要求6的用于卫星导航系统的使用系统、和根据权利要求9的用于改善卫星导航系统中的完整性通信的设备。

背景技术

在专利申请DE102007050716中说明了，如何可以通过以下方式改善卫星导航系统中的完整性通信，即对于卫星导航系统的不同的观测站或对于卫星导航系统的观测站组，向使用系统传输误差预算（Fehlerbudget），从所述误差预算中于是尤其是可以由各个使用系统计算标量值，该标量值说明导航信号的生成的误差估计的精度。由于可以由使用系统与位置有关地计算标量值（skalarerWert），而不再必须在卫星导航系统的中央对于所有的使用系统计算出最大值并且传输给所述使用系统，因此各个使用系统所采用的标量值可以明显较小。此外通过在使用系统中的计算也可以考虑各个使用系统的连续性要求，由此在每一个使用系统中不再必须满足对于连续性的最高要求。

发明内容

本发明的任务现在是，建议一种可以进一步改善卫星导航系统中的完整性通信的方法和设备。

通过具有权利要求1的特征的用于改善卫星导航系统中的完整性通信的方法、具有权利要求6的特征的用于卫星导航系统的使用系统、和具有权利要求9的特征的用于改善卫星导航系统中的完整性通信的设备来解决所述任务。本发明的其他扩展方案是从属权利要求的主题。

本发明尤其是基于，在卫星导航系统的观测站处的距离测量时的误差以与观测站的时钟同步误差不同的方式对通过使用系统的误差估计的精度产生影响。因此按照本发明，在误差方面一般在相关误差和所有其他误差之间进行区分，其中由所述所有其他误差对相关性不能作陈述，或者而应该由所述所有其他误差假设，所述所有其他误差不相关。按照本发明，观测站的时钟同步的误差被归入为相关误差，并且对其分布的信息分开地、即不在按照开始时所提及的专利申请DE102007050716的误差预算中与卫星的导航信号一起被传输。如此传输的对观测站的时钟同步误差的分布的信息使得使用系统能够估计地面部分的观测精度，并由此还可以更精确地确定导航信号的完整性。由此可以总的进一步改善卫星导航系统中的完整性通信。此外通过本发明，各个使用系统所采用的误差估计的精度的标量值变得更小，而不再必须安装硬件，因为可以在使用系统中更精确地实现对误差的建模。

现在根据实施形式，本发明涉及用于改善卫星导航系统中的完整性通信的方法，该卫星导航系统包括具有多个卫星的空间部分，其中所述卫星发送出导航信号用于由使用系统接收和分析用以确定位置，和具有多个观测站的地面部分，所述观测站监控所述卫星，其中，该方法包括以下：

-确定观测站的时钟同步误差的分布，

-传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息，和

-接收和分析对时钟同步误差的分布的信息，其方式是根据所述信息估计通过地面部分的观测精度。

附加于对观测站的时钟同步误差的分布的信息，还可以传输针对不同观测站或观测站组的误差预算，并且可以分析误差预算，其方式是，从误差预算中计算说明导航信号的生成的误差估计的精度的标量值。在此，可以如在开始时所提及的专利申请DE102007050716中那样确定和传输误差预算。

可以将对观测站的时钟同步误差的分布的信息或针对不同观测站或观测站组的误差预算与导航信号一起或与通信信号一起向使用系统传输。

对观测站的时钟同步误差的分布的信息尤其是可以包括对观测站的时钟同步误差的分布的估计或预测。

此外，对时钟同步误差的分布的确定还可以包括对各个观测站的时钟数据的集中分析。

在另一实施形式中，本发明规定用于卫星导航系统的使用系统，尤其是移动导航设备，其利用按照本发明的方法和如上所述地被构造用于使用。

根据本发明的实施形式，尤其是还可以构造使用系统，用以从所接收的对观测站的时钟同步误差的分布的信息中估计观测精度和从中确定完整性风险。

此外根据本发明的实施形式，还可以构造使用系统，用以这样估计观测精度，使得可以达到预定的连续性。使用系统由此可以根据其连续性要求计算相应优化的标量值。

最后根据本发明的实施形式，是用于改善卫星导航系统中的完整性通信的设备，该卫星导航系统包括具有多个卫星的空间部分，所述卫星发送导航信号用于由使用系统接收和分析用以确定位置，和具有多个观测站的地面部分，所述观测站监控所述卫星，其中，该设备包括以下：

-用于确定观测站的时钟同步误差的分布的装置，和

-用于传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息的装置。

这样的设备例如可以布置在地面部分中，并影响卫星导航系统中的完整性通信。

还可以设置误差预算确定装置用于确定针对不同观测站或观测站组的误差预算，其中，用于传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息的装置此外被构造，用以附加地传输误差预算。

附图说明

从以下的说明书中结合附图中所示出的实施例得出本发明的其他优点和应用可能性。

在说明书中、在权利要求书中、在摘要中和在附图中采用在后面所列举的附图标记列表中所使用的概念和所分配的附图标记。

图1示出具有根据本发明用于改善卫星导航系统中的完整性通信的设备的实施例的卫星导航系统；和

图2示出根据本发明用于改善卫星导航系统中的完整性通信的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

以下相同的和/或功能相同的元件可以配备相同的附图标记。

用于世界范围导航的卫星系统（GNSS；GNSS=全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），简称卫星导航系统）被使用用于在地面上和在空中位置确定和导航。GNSS系统、诸如处于建造中的欧洲卫星导航系统（以下也称为伽利略系统或简称伽利略（Galileo））具有包括多个卫星的卫星系统（空间部分）、包括多个地面站以及伽利略传感器站（观测站）的与中央计算站相连接的地面固定的接收装置系统（地面部分）、以及使用系统，所述使用系统分析和使用由卫星通过无线电所传送的卫星信号尤其是用于导航。

在GNSS中，用户位置的精确的探测既要求局部的也要求全局的完整性。完整性尤其是意味着，一方面如果不应将GNSS的部分用于导航，例如在系统组件失效时，GNSS能够在确定的时间区间之内警告用户，并且另一方面用户可以信任其经由GNSS的卫星的卫星导航信号所获得的导航数据，尤其是可以信赖所接收的导航数据的精度。

在伽利略的完整性方案中计划，由地面固定的接收装置系统监控每一个卫星，并且向使用系统传输有关每一个卫星行为的相应的消息信号，例如卫星的估计的空间信号精度（Signal-in-Space-Accuracy,SISA），或在有误差的卫星的情况下简单的误差显示“NotOK”。

伽利略也应该能够，通过利用各个伽利略传感器站的测量来监控地面部分之内的空间信号（SIS）。于是借助伽利略传感器站的已知的位置，可以估计卫星的当前位置并因此可以估计卫星的或由其在空间中所发送的信号的最大误差、所谓的空间信号误差（Signal-in-Space-Error,SISE）。

通过具有最小标准偏差的高斯分布可以表示SISE的分布的预测。将该预测称为空间信号精度（SISA）。用SISA可以描述在卫星的当前四维位置（轨道和时钟时间）和在导航消息中所包含的预测的四维位置之间的差别。

不过SISE的估计是孕育误差的过程。所以通常假设，可以用具有标准偏差的高斯分布来描述围绕所估计的SISE的值的当前SISE的分布，其被称为空间信号监控精度（SISMA）。SISMA因此是针对卫星的SISE的估计的精度。

在用于传输SISMA的伽利略的迄今方案中，对于每一个卫星传输标量值，所述标量值对于使用系统的每一个可能的位置（用户位置）是保守的。但是由此未加利用GNSS的效率中的许多，因为在许多位置处传输显著太大的值，这在GNSS中导致耗费的完整性通信。

因为各个观测站具有较高的失效概率，此外再次需要考虑已经事先在计算标量值时地面站的可能的失效，其中，必须考虑如此多的失效，使得也能满足最严格的连续性要求。但是尤其是对于没有如此高的连续性要求的使用系统，该考虑又导致了显著太大的值。此外，为了针对每一个卫星计算标量值，使最差的观测站失效，这比经常需要的显著更保守。

最后也还应考虑基于观测站的误差，即尤其是由观测站引入的测量误差。这些误差给出关于观测站的观测精度的情况，并尤其是可能由于观测站中的时钟误差、例如由于在观测站中未同步化的时钟形成。观测站中的时钟误差对于所有由所述观测站所执行的测量几乎是相同的，即该时钟误差系统地在测量中出现，并且与在可能的相关性方面不能或不应作出陈述所针对的其他误差相比，因此可以在所进行的测量方面被归为相关的。

在图1中为了说明完整性通信示出了具有空间部分12和地面部分20的卫星导航系统10的例子。空间部分12包括多个卫星14，所述卫星在其相应轨道上围绕地面部分20旋转。每一个卫星均发送可由诸如移动导航设备的使用系统18以及由地面部分20的观测站22接收的导航信号16。设置观测站22尤其是用于监控卫星14和协调卫星导航系统10中的完整性通信。为此所述观测站分析所接收的导航信号16或执行测量，其方式是，所述观测站检验卫星14的用每一个导航信号16所传输的数据、尤其是信号生成的轨道和时刻以及信号结构。观测站22也可以向卫星发送控制消息30，例如以便引起卫星数据的修正，或以便影响卫星导航系统10中的完整性通信，如在以下还更精确地描述的。

为了改善卫星导航系统10中的完整性通信，按照本发明确定观测站的时钟同步误差的分布。根据所确定的分布，于是可以估计或预测时钟同步误差的未来的分布。如此确定的对观测站的时钟同步误差的分布的信息于是经由观测站22中的传输装置28例如利用控制消息30向卫星14传输，并且利用卫星14的导航信号16向使用系统18分配。在此情况下认为，观测站的时钟同步误差是相关的，而例如在卫星信号传输时由于电离层的渡越时间效应误差具有较短的持续时间。通过在一方面观测站的归为相关的时钟同步误差与另一方面不能以高的概率假设是相关的所有其他误差之间区分，可以改善卫星导航系统10中的完整性通信，因为由此能够使使用系统18更精确地在影响卫星导航系统的完整性的误差之间进行区分，并因此更好地估计所接收的卫星导航信号的完整性，如在以下所阐述的。

与对时钟同步误差的分布的信息一起接收卫星导航信号16的每一个使用系统18可以这样分析分开的误差预算，使得它估计通过地面部分的观测精度。例如可以进行估计，其方式是使用系统18从对时钟同步误差的分布的信息中计算标量值，该标量值是观测精度的尺度，并在计算另一标量值时被考虑，其中所述另一标量值说明卫星导航信号的生成的误差估计、也就是SISMA，其中误差预算与所述卫星导航信号一起被传输。因为一个或多个观测站的观测精度由于时钟误差而被影响，例如如果从分开的误差预算中所计算的标量值变得更大，SISMA可能变得更差。

在地面部分20中通过用于时钟同步误差的确定装置26可以确定对观测站的时钟同步误差的分布的信息。为此可将各个观测站22的时钟的数据向用于时钟同步误差的确定装置26传输，用于分析。例如可以设置在地面部分20的中央处理和控制站中的装置26于是从所输送的数据中计算针对时钟同步误差的分布的估计。例如可将所接收的时钟信息与地面部分20的中央时钟持续地进行比较，并确定观测站22的时钟数据与中央时钟的偏差的分布、也就是时钟同步误差的分布。由装置26将所确定的时钟同步误差的分布通过以下方式引入卫星导航系统10中的完整性通信，即由装置26将对时钟同步误差的分布的信息向传输装置28传送，用于向卫星14发送。传输装置28可以布置在观测站22中，并用来例如借助控制消息30向各个卫星14传输由装置26所接收的信息，所述卫星14于是又可以利用其卫星导航信号16将所接收的对时钟同步误差的分布的信息向使用系统18传输。

在图2中简短地概述了根据本发明用于改善卫星导航系统10中的完整性通信的方法的流程。在第一步骤S10中确定观测站的时钟同步误差的分布。该确定包括计算时钟同步误差的分布的估计。在随后的步骤S12中，首先向卫星传输所计算的时钟同步误差的分布的估计，所述卫星又利用其导航信号向地面部分传输回，用于通过使用系统分析。在步骤S14中，接收卫星的导航信号和在其中所包含的观测站的时钟同步误差的分布的估计，其方式是，根据该估计，估计通过地面部分的观测精度。

附图标记

10卫星导航系统

12空间部分

14卫星

16导航信号

18使用系统

20地面部分

22观测站

24用于改善卫星导航系统中的完整性通信的设备

26用于时钟同步误差的确定装置

28传输装置

30观测站22的控制消息

S10-S14方法步骤

Claims (11)

1.用于改善卫星导航系统（10）中的完整性通信的方法，该卫星导航系统（10）包括具有多个卫星（14）的空间部分（12），所述卫星（14）发送导航信号（16）用于由使用系统（18）接收和分析用以确定位置，和具有多个观测站（22）的地面部分（20），所述观测站监控所述卫星（14），其中，所述的方法包括以下：

-确定观测站的时钟同步误差的分布（S10），

-传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息（S12），和

-接收和分析对时钟同步误差的分布的信息，其方式是，根据所述信息估计通过地面部分的观测精度（S14）。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，另外附加于对观测站的时钟同步误差的分布的信息，传输针对不同观测站或观测站组的误差预算，并且分析误差预算，其方式是，从误差预算中计算标量值，所述标量值说明导航信号的生成的误差估计的精度。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，将对观测站的时钟同步误差的分布的信息或针对不同的观测站或观测站组的误差预算与导航信号一起或与通信信号一起向使用系统传输。

4.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，对观测站的时钟同步误差的分布的信息包括观测站的时钟同步误差的分布的估计或预测。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，确定时钟同步误差的分布包括集中分析各个观测站的时钟数据。

6.用于卫星导航系统的使用系统（18），该使用系统（18）被构造用于用上述权利要求之一的方法使用。

7.按照权利要求6的使用系统，其特征在于，所述卫星导航系统是移动导航设备。

8.按照权利要求6或7的使用系统，其特征在于，所述使用系统还被构造，用于从所接收的对观测站的时钟同步误差的分布的信息中估计观测精度，并从中确定完整性风险。

9.按照权利要求8的使用系统，其特征在于，所述使用系统还被构造，用于估计观测精度，使得可以达到预定的连续性。

10.用于改善卫星导航系统（10）中的完整性通信的设备（24），该卫星导航系统（10）包括具有多个卫星（14）的空间部分（12），所述卫星（14）发送导航信号（16）用于由使用系统（18）接收和分析用以确定位置，和具有多个观测站（22）的地面部分（20），所述观测站监控所述卫星（14），其中，所述的设备包括以下：

-用于确定观测站的时钟同步误差的分布的装置（26），和

-用于传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息的装置（28）。

11.按照权利要求10的设备，其特征还在于，

-用于确定针对不同观测站或观测站组的误差预算的误差预算确定装置，其中，用于传输对观测站的时钟同步误差的分布的信息的装置（28）此外被构造，用于附加地传输误差预算。