DE102006040477A1 - Realbetriebsmodus für eine bodengebundene GNSS-Testumgebung - Google Patents

Realbetriebsmodus für eine bodengebundene GNSS-Testumgebung Download PDF

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    • G01S19/10Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing dedicated supplementary positioning signals

Abstract

In einer bodengebundenen GNSS-Testumgebung zum Testen von Satelliten-Navigationsempfängern strahlen mehrere Transmitter GNSS-Signale aus, die denen eines virtuellen GNSS-Satelliten entsprechen. Die Signale werden von einer Prozessierungseinheit in einer Bodenzentrale aus der geographischen Position des Navigationsempfängers, den virtuellen Bahndaten der GNSS-Satelliten, Monitordaten von Monitorstationen und simulierten Eigenschaften des Übertragungsweges berechnet. Die geographische Position des Navigationsempfängers wird durch ein Referenzsystem am Empfänger ermittelt und über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (z. B. WLAN, Wimax oder gemäß dem Mobilfunkstandard UMTS-HSDPA) zur Bodenzentrale übertragen. Hierdurch ist es möglich, einen serienmäßig hergestellten Navigationsempfänger ohne Modifikation seiner Soft- und Hardware im Feld unter realen Bedingungen zu testen. Der Nutzer kann sich dabei mit seinem Navigationsempfänger mobil und frei im Testfeld bewegen.

Description

  • Bodengebundene Feld-Testumgebungen für Empfänger von globalen Satellitennavigationssystemen (engl. GNSS – Global Navigation Satellite System), wie z.B. GPS und Galileo, beruhen üblicherweise auf feststehenden Signalquellen (so genannte „Transmitter"), die so aufgestellt sind, dass deren Signale vom Empfangsgerät empfangen werden können. Aus der Laufzeitmessung der Funksignale (Lichtgeschwindigkeit) von mindestens vier Transmitter, deren Positionen bekannt sind, zum Empfangsgerät kann dann die drei-dimensionale Nutzer-Position berechnet werden.
  • Bereits 1977 wurde im Auftrag des US Department of Defense das erste amerikanische bodengestützte Testbett („YUMA") entwickelt und aufgebaut. Das vorrangige Ziel war die Minimierung des Risikos der GPS Satellitenentwicklung. Mit diesem Testbett konnten die Signalstrukturen, die Signalgeneratoren der Satelliten, die Zeitsynchronisation zwischen den Signalgeneratoren sowie die Anbindung an die Universalzeit (UTC) und die ersten Empfängertechnologien in kontrollierter Umgebung entwickelt, getestet und optimiert werden.
  • Vor ihrer Beendigung stoppte die US-Regierung im Jahr 2003 eine YUMA-Nachfolgeentwicklung, das „Inverse GPS Range" (IGR). Beim IGR sollten 10 Signalgeneratoren in einem großflächigen Testgebiet zum Einsatz kommen. Der Empfänger sollte in einem überfliegenden Flugzeug installiert werden, der dann die Signale der 10 Signalgeneratoren empfängt und verfolgt. Die Hauptziele von IGR waren Untersuchungen zu Signalinterferenz und Signalstörung (Jamming) sowie die Entwicklung und Test einer neuen Generation von (militärischen) Empfängern.
  • Gemeinsam ist den bisherigen Feld-Testumgebungen (YUMA, IGR), dass die Signalquellen auf einer voreingestellten Nominalfrequenz abstrahlen. Änderungen der gemessenen Entfernung beruhen auf der Nutzer-Signalquellen-Dynamik. Die Positionierung des Nutzerempfängers bedarf der Kenntnis der Signalquellenpositionen. Dazu können diese lokal im Nutzerempfänger gespeichert sein oder mit dem Signal zusammen in einem proprietären, d.h. nicht konform zu aktuellen oder zukünftigen GNSS-Schnittstellen-Spezifikationen (ICD), Format übertragen werden.
  • Alternativ zu realen Feld-Testumgebungen existieren auch Laboreinrichtungen (z.B. Spirent, ESA-Entwicklung GSVF), die allerdings eine Satellitenkonstellation nur simulieren können. Dabei wird der Nutzerempfänger nicht an eine tatsächliche Antenne angeschlossen, sondern einfach per Antennenkabel direkt mit dem Laborgerät verbunden.
  • Ein echtes Satellitensystem überträgt mit dem Signal eine Navigationsnachricht, die unter anderem die Orbitalparameter enthält, welche die Berechnung der Satellitenposition zum gewünschten Zeitpunkt erlaubt. Es ist nicht möglich, mit Hilfe dieser in der Schnittstellen-Spezifikation definierten Parameter erdfeste Positionen, wie sie für die Transmitter einer bodengebundenen Testumgebung benötigt werden würden, zu übertragen. Die Signalquellenpositionen müssen daher zur Berechnung der Nutzerposition entweder dem Nutzerempfänger vorab bekannt sein oder innerhalb der Navigationsnachricht in einem „verträglichen” Format übertragen werden. Beides impliziert allerdings eine Verletzung der standardisierten Datenschnittstelle zwischen den Satelliten und dem Nutzerempfänger und erfordert daher eine spezielle Modifikation des Nutzer-Empfängers. Ein Nutzerempfänger, so wie er später einmal verkauft werden soll (Seriengerät), kann mit einem solchen Aufbau nicht getestet werden.
  • Die Alternative „Laboreinrichtung" löst dieses Problem, indem die Signalquellen nicht auf der Nominalfrequenz senden, sondern die Signale derart manipuliert werden, dass die Signalmessungen zu den übertragenen Orbitalparametern passen. Damit kann in einer solchen Laboreinrichtung auch ein Seriengerät getestet werden. Allerdings sind die Testmöglichkeiten einer Laboreinrichtung sehr beschränkt, da zum Beispiel nur vordefinierte Trajektorien „abgespult" werden können. Die Mobilität des Nutzers bzw. seine anwendungsspezifische Dynamik kann nur teilweise erfasst werden, da keine Realbedingungen vorhanden sind. Des Weiteren müssen Fehlereffekte der Funkübertragung künstlich modelliert und eingespeist werden. Es ist nicht möglich „End-to-End" Tests von Empfängern, inklusive Antenne, unter Berücksichtigung der Echtzeitdynamik in einer realen Umgebung durchzuführen.
  • Die Signalquellen bisheriger Feld-Testumgebungen lassen nur geringfügige Signalmodifikationen zu, strahlen auf einer voreingestellten Nominalfrequenz und -pegel ab und berücksichtigen zudem nicht die Nutzerdynamik bzw. -position. Dadurch ist es nicht möglich, flexible, erweiterbare und anpassbare Signalgenerierungen (verschiedene Signalstrukturen) sowie Empfängeralgorithmen, Signalverhalten (Doppler, ...) und atmosphärische Effekte in Echtzeit und mit realer Dynamik zu testen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Feld-Testumgebung und ein Verfahren bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile der bisherigen Feld-Testumgebungen und Labortesteinrichtungen beseitigen und somit das Testen von Seriengeräten bzw. von mobilen, gegenüber den Seriengeräten unmodifizierten Satelliten-Navigationsempfängern ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine bodengebundene GNSS-Testumgebung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Prozessierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4, durch Transmitter gemäß Patentanspruch 11 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
  • Erfindungsgemäß umfasst eine bodengebundene GNSS-Testumgebung zum Testen von Satelliten-Navigationsempfängern mehrere GNSS-Transmitter zur Ausstrahlung von GNSS-kompatiblen Signalen in einem Testfeld, eine Bodenzentrale mit einer Prozessierungseinrichtung zur Berechnung der GNSS-Transmittersignale, und einen zu testenden Nutzernavigationsempfänger, der die GNSS-kompatiblen Signale der Transmitter sowie Satellitensignale empfängt. Der Nutzernavigationsempfänger ist hierbei ein Seriengerät, dessen Hard- und Software unmodifiziert ist und welches direkt, d.h. in diesem unmodifizierten Zustand im Testfeld getestet werden kann. An den Navigationsempfänger ist ein Sender angeschlossen, wodurch eine Übertragung der von dem Navigationsempfänger über ein Referenzsystem (z.B. GPS) ermittelten geographischen Position des Empfängers an die Bodenzentrale möglich ist. Die Prozessierungseinrichtung weist Mittel auf, um unter Nutzung der geographischen Position des Navigationsempfängers die von den Transmittern abzustrahlenden Signale zu berechnen.
  • Durch die Erfindung werden Feld-Tests von unmodifizierten GPS/Galileo Serien-Navigationsempfängern in einem GNSS-Realbetriebsmodus ermöglicht. Bisherige Lösungen benötigen spezielle Soft- und Hardware für einen direkten Betrieb. Insbesondere ist mit der Erfindung das Testen eines Navigationsempfängers in Echtzeit und unter realer Dynamik möglich. Es sind sogenannte „End-to-End" Tests von Empfängern – inklusiver Antenne – möglich, die die Echtzeitdynamik des Empfängers in einer realen Umgebung (mit Mehrwegeausbreitung etc.) berücksichtigen.
  • Dadurch, dass der Navigationsempfänger Mittel aufweist, um seine geographische Position über ein Referenzsystem (z.B. GPS) zu ermitteln, die mit einem an den Navigationsempfänger angeschlossenen Sender an die Bodenzentrale übertragen wird, ist es möglich, die erforderliche Uhrenablage für die Transmitter zu berechnen, die somit in der Lage sind, das emulierte Navigationssignal eines virtuellen Satelliten abzustrahlen, so dass der Empfänger keinen Unterschied zu echten Satelliten feststellt.
  • Durch die Flexibilität bei den ausgestrahlten Signalen soll eine hohe Kompatibilität bezüglich eines künftigen Galileo-Systems gewährleistet werden und Untersuchungen zu Signalinterferenz und Signalstörung (Jamming) ermöglicht werden.
  • Die Erfindung kann eine echte Galileo-Konstellation durch Simulation von geometrieabhängigen, atmosphärischen Effekten (Troposphäre, Ionosphäre) sowie bewegungsbedingten (Nutzer-Satellit) Doppler-Effekten physikalisch über das von den Transmittern abgestrahlte Signal realistisch nachbilden.
  • Die Erfindung ist dadurch auch in der Lage, Tests von Empfängeralgorithmen bzgl. Signal-Akquisition, Tracking, Signalverhalten (z.B. Doppler), unterschiedlichen Signalstärken etc. durchzuführen.
  • Die Erfindung ermöglicht weiterhin das Testen neuer Galileo Signalstrukturen, durch
    • – flexible Signalgenerierung (verschiedene Signalstrukturen)
    • – erweiterbare Signalgenerierung (GPS III)
    • – anpassbare Signalgenerierung (Interferenz, Störungen)
  • Die Erfindung bietet eine Testumgebung für Galileo-Nutzeranwendungen (Kraftfahrzeuge, Flugzeug, Para-Glider, Bergwandern, Wintersport...), besonders für hybride Galileo/GPS Anwendungen und lokale Anwendungen bzw. Erweiterungen (CAT I-III, ...), bevor das eigentliche Galileo betriebsbereit ist.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Vorteilhafterweise weist der mobile Navigationsempfänger zur Durchführung der Tests keine drahtgebundenen Verbindungen auf, so dass er zum Testen frei im Testfeld bewegbar ist. Der Nutzer kann sich also ortsungebunden im Gelände, über die Straßen, etc. in dem Testgebiet bewegen und eine GNSS-Positionslösung erhalten. Dies ist durch die Testumgebungen des Standes der Technik, bei denen der Empfänger über Draht galvanisch mit einer Laboreinrichtung verbunden ist, nicht möglich.
  • Vorteilhafterweise weist die bodengebundene GNSS-Testumgebung einen oder mehrere Monitor-Empfänger zum Empfang von Transmittersignalen, die zur Bodenzentrale (2) übertragen werden, auf, so dass eine Verifizierung der Transmittersignale unabhängig vom Navigationsempfänger ermöglicht wird.
  • Die Aufgabe wird auch durch eine Prozessierungseinrichtung in der bodengebundenen Testumgebung nach Anspruch 1 gelöst, wobei die Prozessierungseinrichtung Mittel aufweist, um die von den Transmittern abgestrahlten Signale im Hinblick auf dynamische und atmosphärische Effekte (Änderung der Satellitengeometrie, Doppler, Ionosphäre, Troposphäre etc.) durch Steuerbefehle derart zu verändern/steuern, dass der Nutzerempfänger diese nicht von einem realen Satellitennavigationssystem unterscheiden kann.
  • Vorteilhafterweise weist die Prozessierungseinrichtung Mittel auf, um die Steuerbefehle aufgrund von Soll-Istwert Vergleich der Pseudoentfernungen/Pseudolaufzeiten basierend auf der zu erwartenden (prädizierten) Nutzerbewegung zu errechnen.
  • Vorteilhafterweise weist die Prozessierungseinrichtung Mittel auf, um die akkumulierten Steuerbefehle zur Korrektur der Beobachtungen von den Monitorstationen zu verwenden, um die tatsächliche (nicht-kommandierte) Uhrenablage der Transmitter zu bestimmen.
  • Vorteilhafterweise weist die Prozessierungseinrichtung Mittel auf, um die beobachteten Restfehler nach Anbringung aller Reduktionen zur Kompensation von Modellfehlern und Kommunikationsproblemen zu verwenden.
  • Vorteilhafterweise weist die Prozessierungseinrichtung Mittel auf, um die Trägerphase unabhängig vom Signalcode anzusteuern, um dadurch ionosphärisch bedingte Divergenzen von Code-Phase und Trägerphase zu emulieren.
  • Vorteilhafterweise weist die Prozessierungseinrichtung Mittel auf, um die beste Zuordnung zwischen virtuellen Satelliten und Transmittern durch eine Optimierung (Minimierung) des Winkels Transmitter-Nutzer-Satellit zu ermitteln. Hierdurch werden die Auswirkungen von unvorhersehbaren Nutzerbewegungen gering gehalten.
  • Vorteilhafterweise weist die Prozessierungseinrichtung Mittel auf, um die Bezugszeit der Navigationsnachricht (Systemzeit) auf ein anderes System (Galileo/GPS) abzustimmen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch mehrere Transmitter der bodengebundenen Testumgebung gelöst, wobei die Transmitter technisch so ausgelegt sind, dass sie die Anweisungen der Prozessierungseinrichtung für die Anpassung des Signals an die tatsächliche Nutzergeometrie und -dynamik umsetzen können (Änderung des Signalpegels, Code/Phase-Versatz etc.).
  • Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Testen eines Serien-Satellitennavigationsempfängers gelöst, wobei der Navigationsempfänger in einer bodengebundenen Testumgebung nach Anspruch 1 ohne Modifikation seiner Hard- oder Software betrieben werden kann. Die geographische Position des Navigationsempfängers wird hierbei mittels eines Referenzsystems durch den Navigationsempfänger ermittelt und zur Berechnung des von den Transmittern abzustrahlenden Navigationssignals an die Bodenzentrale gesendet. Die von den Transmitter abzustrahlenden Signale werden unter Nutzung der geographischen Position des Navigationsempfängers berechnet.
  • Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 13 bis 22 angegeben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen
  • 1: Grundlegendes Prinzip des GNSS-Realbetriebsmodus
  • 2: GNSS-Realbetriebsmodus aus Nutzersicht
  • 3: Aufbau der Testumgebung für den GNSS-Realbetriebsmodus
  • 4: Ablaufschema und Datenfluss in der Prozessierungseinrichtung
  • Das grundlegende Prinzip der Erfindung – wie in 1 verdeutlicht – beruht auf der – aus dem Stand der Technik bekannten – Tatsache, dass ein Navigationsempfänger eine Einwege-Pseudolaufzeitmessung durchführt (1A): Die Messung ergibt sich aus dem Unterschied des Empfangszeitpunkts (in lokaler Empfängeruhrzeit) und dem Abstrahlzeitpunkt (in lokaler Satellitenuhrzeit) und beinhaltet damit die Summe der Effekte
    • – Geometrisch bedingte Laufzeitverzögerung
    • – Uhrenablage der Signalquelle (Navigationsnutzlast des Satelliten, bzw. Transmitter)
    • – Uhrenablage der Signalsenke (Empfänger)
    • – Atmosphärisch bedingte Laufzeitverzögerungen (Troposphäre und Ionosphäre)
    • – Lokale Laufzeitverzögerungen (Mehrwegeausbreitung)
    • – Messfehler am Empfänger
  • Setzt man nun zum Testen eines Navigationsempfängers Transmitter am Boden ein, verringern sich insbesondere die geometrische Signallaufzeit und die atmosphärisch bedingten Laufzeitverzögerungen (1B). Eine Messung der von einem Transmitter abgestrahlten Signale, die der Messung eines Satellitensignals entsprechen soll, kann nun aber durch eine in Echtzeit kommandierte Uhrenablage ermöglicht werden, weil der Empfänger nicht in der Lage ist, die Komponenten der Pseudolaufzeit zu isolieren. Eine in Echtzeit kommandierte Uhrenablage an der Signalquelle ermöglicht, alle fehlenden Komponenten zu ersetzen oder beliebig weit zu kompensieren (1C).
  • Der Begriff der Pseudolaufzeit (oder auch Pseudoentfernung nach Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit) ergibt sich daraus, dass nicht nur die geometrische Laufzeit sondern auch andere Effekte zur realen Laufzeit beitragen und damit nicht die wirkliche Entfernung, sondern eine scheinbare „Pseudo"-Entfernung berechnet wird. Die der Pseudoentfernung entsprechende Laufzeit wird demnach Pseudolaufzeit genannt.
  • Ein Nutzerempfänger würde also von mindestens 4 bodengebundenen Transmitter Signale empfangen, deren Messung jeweils eine Pseudo-Laufzeit von 60-80 ms ergeben würden, je nach virtueller Satellitenbahn und dazu passender Kommandierung der individuellen Uhrenablagen der Transmitter. Die Navigationsnachricht auf den von den Transmitter (8) (2) abgestrahlten Signalen enthält Orbitalparameter (im Standardformat), die zu den Messungen am Navigationsempfänger (11) passen. Das heißt, Satelliten (15) auf entsprechenden Bahnen würden am Empfänger (11) die gleiche Messung verursachen wie die der Signale der Transmitter (8). Dies wird in 2 verdeutlicht. Eine Positionslösung am Nutzerempfänger (11) basierend auf diesen Messungen und dieser Navigationsnachricht führt – im Rahmen der Systemgenauigkeit – zur korrekten Nutzerposition.
  • 3 zeigt alle wesentlichen Komponenten der Testumgebung für den GNSS-Realbetriebsmodus. Die bodengebundene GNSS-Testumgebung (1) besteht aus mehreren feststehenden Signalquellen, so genannten Transmitter (8), einem Bodensegment bzw. einer Bodenzentrale (2) und einem oder mehreren mobilen Nutzern (14) mit serienmäßigen Nutzer-Navigationsempfängern (11). Üblicherweise verwendet man für die Transmitter (8) eine topographisch günstige, bereits existierende Infrastruktur (Gebäude auf Hügel etc.) oder man platziert entsprechende mobile Transmitter-Einheiten so. dass der Nutzer-Empfänger (11) die abgestrahlten Signale während des Tests gut empfangen kann.
  • Die Kommandierung der Uhrenablage setzt die Kenntnis der wahren Nutzerposition (3) in Echtzeit, d.h. mit geringer Verzögerung, voraus. Diese wird über ein Referenzsystem (z.B. GPS) durch den Nutzerempfänger (11) ermittelt und in Echtzeit mittels eines an den Nutzerempfänger (11) angeschlossenen Senders (18) an eine Prozessierungseinrichtung (6) übermittelt. Aus diesen Informationen werden Steuerbefehle (28) errechnet, die an die Transmitter (8) gesendet werden.
  • Die Bodenzentrale (2) enthält weiterhin eine Kontroll- und Steuereinheit (3), einen Monitorempfänger (4) mit einer Empfangsantenne (10), eine Synchronisierungseinrichtung (5), eine Prozessierungseinrichtung (6), sowie eine Außenschnittstelle (7). Die jeweilige Funktion dieser Komponenten wird im Folgenden erläutert.
  • Um die von den Transmitter abgestrahlten, gesteuerten Signale, die auch gemäß einem GNSS-Standard eine Navigationsnachricht (9) enthalten, unabhängig vom Nutzer-Empfänger (11) auf ihre Richtigkeit verifizieren zu können, werden im Testgebiet bzw. der Bodenzentrale (2) ein oder mehrere feststehende Monitor-Empfänger (4) mit Empfangsantenne (10) installiert. Die Daten der Navigationsnachricht werden von einer Prozessierungseinrichtung (6) ausgewertet.
  • Um das logische wie auch zeitliche Zusammenspiel aller Elemente der GNSS-Testumgebung in Echtzeit zu gewährleisten, sind eine Kontroll- und Steuereinheit (3) sowie eine Synchronisierungseinrichtung (5) notwendig, die sich in der Bodenzentrale (2) befinden. Dabei kann die Synchronisierung über sehr genaue Uhren erfolgen, die in den jeweiligen Elementen eingebaut sind, über ein externes anderes System wie z.B. GPS (optional) oder auch eine Kombination von beiden. Die Elemente der Testumgebung sind über Schnittstellen bzw. Datenverbindungen miteinander verbunden. Die im Testgebiet aufgestellten Transmitter (8) werden über eine entsprechende Außenschnittstelle (7) an die Bodenzentrale (2) angebunden. Um die Bewegungsfreiheit des mobilen Nutzer-Empfängers (11) nicht einzuschränken, erfolgt hier die Daten-Kommunikation über eine Luftschnittstelle (12), die es ermöglicht, die Position, Geschwindigkeit und Zeit (13) des Nutzerempfängers (11) in Echtzeit in die Bodenzentrale (2) zurückzuführen, zur Verarbeitung in der Zentralen Prozessierungseinrichtung (6). Zur Übertragung dieser Daten sind insbesondere Übertragungsverfahren mit standardisiertem Kommunikationsprotokoll (z.B. UMTS-HSDPA, WLAN, Wimax) geeignet.
  • Basierend auf einer virtuellen Satellitenkonstellation, den wahren Positionen der terrestrischen Pseudo-Satelliten (Transmitter (8)) sowie der mittels des Referenzsystems ermittelten, rückgeführten Nutzerposition werden Steuersignale für die Transmitter (8) errechnet, welche am Nutzerempfänger (11) zu Messungen führen, die mit den „virtuellen Orbitalparametern" konsistent sind.
  • Diese Orbitalparameter der virtuellen Satelliten (15) werden in der Navigationsnachricht (9) übertragen und können so von Serien-Navigationsempfängern (11) verstanden werden.
  • Folgender, in 4 gezeigter Ablauf bzw. Datenfluss in der Prozessierungseinrichtung (6) ist notwendig, um den GNSS-Realbetriebsmodus für eine bodengebundene GNSS-Testumgebung sicher zu stellen:
    Um das grundlegende Funktionieren des Testfeldes sicherzustellen muss die Prozessierungseinrichtung (6) die Uhrenablage bzgl. einer Normalzeit (z.B. GPS) jedes Transmitters (8) bestimmen. Die dazu nötige Prozessierung der Monitorempfängerdaten wird als Stand der Technik betrachtet und daher nicht näher beschrieben. Wichtig ist im Zusammenhang mit dem Realbetriebsmodus lediglich die notwendige Modifikation dieser Prozessierung, da die Kommandierung in der Reduktion der Beobachtungen zu berücksichtigen ist. Des Weiteren ergibt sich eine Rückkopplung zur Generierung der Steuerdaten. Dies dient zur Kompensation der Modellfehler (des Transmitterverhaltens) seitens der Prozessierungseinrichtung, sowie für eventuell verloren gegangene Netzwerknachrichten.
  • Aus der auf die nächste Epoche prädizierten Nutzerposition (vom Nutzer-Referenzempfänger) (21) wird mit Hilfe der Transmitterpositionen (22) ein Ist-Wert (23) für die geometrische Laufzeitverzögerung errechnet. Auf die gleiche Weise wird mit Hilfe der Satellitenbahndaten (24) die Position des Satelliten (25) zum Abstrahlzeitpunkt und daraus ein Soll-Wert (26) für die geometrische Laufzeitverzögerung bestimmt. Die Differenz dient der Bestimmung der Steuerparameter (27) mit Hilfe einer Regelschleife. Dabei werden folgende Steuerwerte bestimmt und an den betroffenen Transmitter (8) gesendet (28):
    • – Inkrement der Uhrenablage, nur im Falle eines Satellitenwechsels, da dies zu einer Diskontinuität führt.
    • – Inkrement der Dopplerverschiebung, welche zu einer kontinuierlichen Änderung der Uhrenablage führt.
    • – Inkrement der Signalstärke, um den Pegel auf den Sollwert für das Orbitalsignal anzupassen.
    • – Rest-Inkrement der Trägerphasenrate um die ionosphärenbedingte Divergenz von Gruppenlaufzeitverzögerung und Phasenvoreilung zu emulieren.
  • Die Satellitenbahndaten (24) werden direkt – oder leicht verfälscht – für die Generierung der Navigationsnachricht (9) verwendet. Hier findet auch die Uhrenablagebestimmung Eingang. Die Navigationsnachricht (9) wird ebenfalls an die Transmitter (8) verschickt und mit dem Navigationssignal zusammen ausgestrahlt.

Claims (23)

  1. Bodengebundene GNSS-Testumgebung zum Testen von Satelliten-Nutzernavigationsempfängern, umfassend mehrere Transmitter (8) zur Ausstrahlung von GNSS-kompatiblen Signalen in einem Testfeld, eine Bodenzentrale (2) mit einer Prozessierungseinrichtung (6) zur Berechnung der GNSS-Transmittersignale, und einen zu testenden Nutzernavigationsempfänger (11), der die GNSS-kompatiblen Signale der Transmitter (8) sowie Satellitensignale empfangt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Nutzernavigationsempfänger (11) ein Seriengerät ist und – der Nutzernavigationsempfänger (11) direkt, d.h. ohne Modifikation seiner Hard- und Software, im Testfeld getestet werden kann, – an dem Nutzernavigationsempfänger (11) ein Sender angeschlossen ist zur Übertragung der von dem Nutzernavigationsempfänger (11) über ein Referenzsystem (z.B. GPS) ermittelten geographischen Position an die Bodenzentrale (2), und – die Prozessierungseinrichtung Mittel aufweist, um unter Nutzung der geographischen Position des Nutzernavigationsempfängers (11) die von den Transmitter (8) abzustrahlenden Signale zu berechnen.
  2. Bodengebundene GNSS-Testumgebung nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzernavigationsempfänger zum Testen keine drahtgebundene Verbindung aufweist und mobil im Testfeld bewegbar ist.
  3. Bodengebundene GNSS-Testumgebung nach Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest einen Monitor-Empfänger (4) umfasst zum Empfang und zur Verifizierung der Transmittersignale, unabhängig vom Nutzernavigationsempfänger (11).
  4. Prozessierungseinrichtung (6) in einer bodengebundenen Testumgebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die von den Transmitter abgestrahlten Signale im Hinblick auf dynamische und atmosphärische Effekte (Änderung der Satellitengeometrie, Doppler, Ionosphäre, Troposphäre etc.) durch Steuerbefehle (28) derart zu verändern/steuern, dass der Nutzerempfänger (11) diese nicht von einem realen Satellitennavigationssystem unterscheiden kann.
  5. Prozessierungseinrichtung (6) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die Steuerbefehle (28) aufgrund von Soll-Istwert-Vergleich der Pseudoentfernungen/Pseudolaufzeiten basierend auf der zu erwartenden (prädizierten) Nutzerbewegung zu errechnen.
  6. Prozessierungseinrichtung (6) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die akkumulierten Steuerbefehle zur Korrektur der Beobachtungen von den Monitorempfängern (4) zu verwenden, um die tatsächliche (nicht-kommandierte) Uhrenablage der Transmitter (8) zu bestimmen.
  7. Prozessierungseinrichtung (6) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die beobachteten Restfehler nach Anbringung aller Reduktionen zur Kompensation von Modellfehlern und Kommunikationsproblemen zu verwenden.
  8. Prozessierungseinrichtung (6) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die Trägerphase unabhängig vom Signalcode anzusteuern, um dadurch ionosphärisch bedingte Divergenzen von Code-Phase und Trägerphase zu emulieren.
  9. Prozessierungseinrichtung (6) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die beste Zuordnung zwischen virtuellen Satelliten und Transmittern durch eine Optimierung (Minimierung) des Winkels Transmitter(8)-Nutzer(14)-Satellit(15) zu ermitteln.
  10. Prozessierungseinrichtung (6) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) Mittel aufweist, um die Bezugszeit der Navigationsnachricht (9) (Systemzeit) auf ein anderes System (Galileo/GPS) abzustimmen.
  11. Transmitter (8) in einer bodengebundenen Testumgebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmitter (8) technisch so ausgelegt sind, dass sie die Anweisungen der Prozessierungseinrichtung (6) für die Anpassung des Signals an die tatsächliche Nutzergeometrie und -dynamik umsetzen können (Änderung des Signalpegels, Code/Phase-Versatz etc.).
  12. Verfahren zum Testen eines Serien-Satellitennavigationsempfängers (11), dadurch gekennzeichnet, dass – der Serien-Satellitennavigationsempfänger (11) in einer bodengebundenen Testumgebung nach Anspruch 1 ohne Modifikation seiner Hard- oder Software betrieben wird, – die geographische Position des Serien-Satellitennavigationsempfängers (11) mittels eines Referenzsystems (z.B. GPS) durch den Serien-Satellitennavigationsempfänger (11) ermittelt wird, – die ermittelte Position zur Berechnung des von den Transmitter (8) abzustrahlenden Navigationssignals an die Bodenzentrale (2) gesendet wird, und – die von den Transmitter abzustrahlenden Signale unter Nutzung der geographischen Position des Navigationsempfängers (11) von der Prozessierungseinrichtung (6) berechnet werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass keine drahtgebundene Signalübertragung von und zu dem zu testenden Navigationsempfänger (11) stattfindet, und sich der Nutzer mit dem Serien-Navigationsempfänger (11) mobil im Testfeld bewegen kann.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die von den Transmitter abgestrahlten Signale im Hinblick auf dynamische und atmosphärische Effekte (Änderung der Satellitengeometrie, Doppler, Ionosphäre, Troposphäre etc.) derart verändert/steuert, dass der Navigationsempfänger (11) diese nicht von einem realen Satellitennavigationssystem unterscheiden kann.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die Steuerbefehle (28) aufgrund von Soll-Istwert Vergleich der Pseudoentfernungen/Pseudolaufzeiten basierend auf der zu erwartenden (prädizierten) Nutzerbewegung errechnet.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die akkumulierten Steuerbefehle zur Korrektur der Beobachtungen von den Monitorempfängern (4) verwendet, um die tatsächliche (nicht-kommandierte) Uhrenablage der Transmitter (8) zu bestimmen.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die beobachteten Restfehler nach Anbringung aller Reduktionen zur Kompensation von Modellfehlern und Kommunikationsproblemen verwendet.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die Trägerphase unabhängig vom Signalcode ansteuert, um dadurch ionosphärisch bedingte Divergenzen von Code-Phase und Trägerphase zu emulieren.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die beste Zuordnung zwischen virtuellen Satelliten und Transmittern durch eine Optimierung (Minimierung) des Winkels Transmitter (8) – Nutzer (14) – Satellit (15) ermittelt, um dadurch die Auswirkungen von unvorhersehbaren Nutzerbewegungen gering zu halten.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungseinrichtung (6) die Bezugszeit der Navigationsnachricht (9) (Systemzeit) auf ein anderes System (Galileo/GPS) abstimmt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Position, Geschwindigkeit und Zeit (13) des mobilen Nutzers (14) in Echtzeit an die Bodenzentrale (2) bzw. die Prozessierungseinrichtung (6) gesendet werden.
  22. Verfahren nach Patentanspruch 21, bei dem das Senden der Position, Geschwindigkeit und Zeit an die Bodenzentrale mittels drahtlosen Übertragungsverfahren mit standardisiertem Kommunikationsprotokoll (z.B. UMTS-HSDPA, WLAN, Wimax) erfolgt.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmitter (8) die Anweisungen der Prozessierungseinrichtung (6) für die Anpassung des Signals an die tatsächliche Nutzergeometrie und -dynamik umsetzen (Änderung des Signalpegels, Code/Phase-Versatz etc.).
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