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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der
Positionsbestimmung mithilfe von Navigationsdaten, die von zumindest
einem Satelliten-Navigationssystem ausgestrahlt werden, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Die
von Navigationssatelliten eines Satelliten-Navigationssystems ausgesendeten
Navigationsdaten können
beispielsweise durch akut im Satelliten auftretende Ereignisse Fehler
enthalten, die zu einer Ungenauigkeit bei der vom Navigationsempfänger durchgeführten Positionsbestimmung
führen. Auch
kann sich durch eine Veränderung
der Ionossphäre
die Signallaufzeit des Navigationssignals vom Navigationssatelliten
zum Navigationsempfänger ändern, was
ebenfalls zu einer Ungenauigkeit in der Positionsbestimmung führen kann.
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Um
derartige Fehler in den vom Navigationsempfänger empfangenen Navigationssignalen
zu kompensieren und dadurch die Genauigkeit der Positionsbestimmung
zu verbessern, sind satellitenbasierte Erweiterungssysteme, so genannte „Satellite Based
Augmentation Systems” (SBAS),
geschaffen worden. Das US-amerikanische SBAS-System WAAS und das
kanadische SBAS-System CWAAS decken beispielsweise den nordamerikanischen Kontinent
ab und das europäische
System EGNOS deckt Westeuropa und den Mittelmeerraum sowie den europäischen Atlantik
ab. Ähnliche
Systeme sind beispielsweise auch in Indien, China und Japan vorhanden
beziehungsweise sind dort in Entwicklung oder Aufbau.
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Die
Funktionsweise eines derartigen bekannten SBAS-Systems wird nachstehend
anhand des europäischen
Systems EGNOS beschrieben.
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Eine
Vielzahl von Empfangsstationen zur Referenz- und Integritätsüberwachung,
sogenannte „Reference
and Integrity Monitoring Stations” (RIMS), sind über Europa
und auch darüber
hinaus in Afrika, Asien und Amerika verteilt und empfangen die Navigationssignale
eines betreffenden Satelliten-Navigationssystems (zum Beispiel GPS).
Sie leiten diese empfangenen Signale zu mehreren zueinander redundanten
Missions-Kontrollzentren, so genannten „Mission Control Centers” (MCC),
weiter. Dort werden die von den RIMS empfangenen Daten in einem Kontrollrechner
verarbeitet, um Korrekturdaten für die
Navigationssignale und Integritätsmeldungen
für die
Integrität
der von einzelnen Satelliten ausgesandten Navigationssignale zu
erzeugen. Diese Korrekturdaten (und auch die Integritätsdaten)
werden vom federführenden
Kontrollzentrum (MCC) an eine von mindestens zwei redundanten Bodenstation,
die sogenannte „Navigation
Land Earth Station” (NLES), weitergeleitet
und von dort an geostationäre
Kommunikationssatelliten übertragen.
Diese geostationären Kommunikationssatelliten
senden die Korrekturdaten und die Integritätsmeldungen auf mindestens
einer Frequenz (L1) aus, auf der auch die Navigationssatelliten
ihre Navigationsdaten senden. Daher können die Navigationsempfänger sowohl
die von den Navigationssatelliten gesendeten Navigationsdaten, als auch
die von den geostationären
Kommunikationssatelliten gesendeten Korrekturdaten und Integritätsmeldungen
empfangen und zur Positionsbestimmung nutzen.
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Der
derzeit vom Missionskontrollzentrum MCC über die Bodenstationen NLES
und die geostationären
Kommunikationssatelliten ausgesandte Datenstrom ist bereits so umfangreich,
dass eine Erweiterung vorhandener SBAS-Systeme (zum Beispiel WAAS
oder EGNOS) auf weitere Satelliten-Navigationssysteme, wie beispielsweise
das derzeit im Aufbau befindliche europäische System „Galileo”, die verfügbare Bandbreite
der Datenübertragung
im SBAS-System überfordern
würde.
Es wäre
daher erforderlich, die gesamte Infrastruktur der vorhandenen SBAS-Systeme
einer grundlegenden technischen Überarbeitung
zu unterwerfen, was zu immensen Kosten führen dürfte.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Verbesserung der Positionsbestimmung mit einem Satelliten-Navigationssystem
anzugeben, das ohne eine grundlegende technische Erneuerung vorhandener SBAS-Systeme
auch bei einer Erweiterung auf zusätzliche Satelliten oder gar
zusätzliche
Satelliten-Navigationssysteme ermöglicht. Eine weitere Aufgabe
ist es, ein dafür
geeignetes SBAS-System anzugeben.
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Die
erste Aufgabe wird durch das im Patentanspruchs 1 angegebene Verfahren
gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt
bei diesem Verfahren die Übertragung
der Korrekturdaten vom Kontrollrechner an die Bodenstation über eine
Datenreduktionseinrichtung. Die Datenreduktionseinrichtung überprüft die in
Empfangsintervallen wiederkehrenden Datenwerte in dem vom Kontrollrechner
empfangenen Datenstrom der Korrekturdaten auf Veränderungen
und leitet die Korrekturdaten nur dann an die Bodenstation und von
dort an die Kommunikationssatelliten weiter, wenn diese Veränderungen
gegenüber
den zeitlich vorher weitergeleiteten Korrekturdaten relevant sind.
Es wird dabei ein zu einem aktuellen Zeitpunkt empfangener Datenwert
jeweils nur dann an die Bodenstation weitergeleitet, wenn die Veränderung
des aktuell empfangenen Datenwerts im Vergleich mit dem zuletzt
(zu einem vergangenen Zeitpunkt) an die Bodenstation gesandten Datenwert einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet oder
innerhalb des nachfolgenden Empfangsintervalls zu überschreiten
droht. Der Datenwert beschreibt ein Modell für die Korrektur. Zeitlich aufeinander
folgende Datenwerte werden nur dann als unterschiedlich betrachtet,
wenn sich die mit dem Datenwert ermittelten Ergebnisse der Modelle
verändert haben.
In diesem Sinne sind also die beiden Beschreibungen einer Geraden
durch den Datenwert D0 = (x0, y0, m0) und einer Geraden durch den
Datenwert D1 = (x1, y1 = y0 + (x1 – x0)·m0, m1 = m0) mit dem Modell
y(D = (a, b, c))(x) – b
+ (x – a)·c identisch.
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VORTEILE
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Dadurch,
dass die Weiterleitung der Korrekturdaten an die Bodenstation und
damit an die Kommunikationssatelliten RIMS nicht mehr im Takt der vom
Kontrollcomputer MCCR ausgegebenen Korrekturdaten erfolgt, wird
für die
Weiterleitung von Korrekturdaten an die Bodenstation und von dort über die Kommunikationssatelliten
an die Navigationsempfänger
Bandbreite frei, die beispielsweise genutzt werden kann, um zusätzlich entsprechende
Korrekturdaten eines anderen Satelliten-Navigationssystems (beispielsweise
Galileo) weiterzuleiten und an die Navigationsempfänger zu
senden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Unteransprüchen angegeben.
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Dabei
ist es besonders von Vorteil, wenn von der Datenreduktionseinrichtung
ein Signal an die Bodenstation gesandt wird, das bewirkt, dass die
Gültigkeitsdauer
für die
an die Bodenstation weitergeleiteten Datenwerte an das Zeitintervall
zwischen zwei Datenweiterleitungen angepasst wird. Dadurch weiß der Navigationsempfänger, dass
er die zuletzt empfangenen Korrekturwerte auch noch dann verwenden darf,
wenn seit dem zuletzt empfangenen Korrekturwert eine bestimmte Zeit
verstrichen ist.
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Weiter
vorteilhaft ist es, wenn in einem Fall, in dem die Veränderung
des aktuell empfangenen Datenwerts im Vergleich mit dem zuletzt
zu einem vergangenen Zeitpunkt an die Bodenstation gesandten Datenwert
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, eine Warnmeldung
an die Bodenstation weitergeleitet wird, die besagt, dass der diesen empfangenen
Datenwert betreffende Navigationssatellit aktuell nicht zur Navigation
verwendet werden darf. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit und unter Umständen auch
die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung weiter verbessert, da
Navigationsdaten von Satelliten, die fehlerhafte Signale liefern,
von der Verarbeitung ausgeschlossen werden.
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Besonders
von Vorteil ist es, wenn die wiederkehrenden Datenwerte, die auf
ihre zeitliche Veränderung
hin überprüft werden,
Fast-Correction-Daten sind.
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Die
das System betreffende Aufgabe wird durch das im Patentanspruch
5 angegebene System zur Erweiterung der von Navigationssatelliten
ausgesendeten Navigationssignale um Korrekturdaten gelöst.
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Ein
solches System weist zumindest eine Empfangsstation für von den
Navigationssatelliten zumindest eines Satelliten-Navigationssystems
gesendete Navigationssignale auf, zumindest ein Kontrollzentrum
mit einem Kontrollrechner, der die Navigationssignale von der Empfangsstation
bzw. von den Empfangsstationen empfängt und aus diesen Navigationssignalen
Korrekturdaten ermittelt, und zumindest eine Bodenstation, die die
Korrekturdaten an zumindest einen Kommunikationssatelliten zur Ausstrahlung
an Navigationsempfänger übermittelt. Dabei
wird erfindungsgemäß eine Datenreduktionseinrichtung
vorgesehen, die die Korrekturdaten vom Kontrollrechner des Kontrollzentrums
erhält, eine
Datenreduktion durchführt
und die datenreduzierten Korrekturdaten an die Bodenstation(en)
weiterleitet. Das Vorsehen einer solchen Datenreduktionseinrichtung
innerhalb des an sich bekannten SBAS-Systems besitzt den Vorteil,
dass am SBAS-System selbst keine Änderungen vorgenommen werden
müssen,
sondern lediglich die Datenreduktionseinrichtung zusätzlich in
der Übertragungsstrecke
für die
Korrekturdaten vorgesehen sein muss.
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Zwar
kann diese Datenreduktionseinrichtung an beliebiger Stelle des Korrekturdatenstroms
vorgesehen sein, doch ist eine Ausführungsform besonders vorteilhaft,
bei welcher die Datenreduktionseinrichtung Bestandteil des Kontrollzentrums
ist.
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Vorzugsweise
ist die Datenreduktionseinrichtung so ausgebildet, dass sie in Empfangsintervallen
wiederkehrende Datenwerte in dem vom Kontrollrechner des Kontrollzentrums
empfangenen Datenstrom der Korrekturdaten auf Veränderungen überprüft und einen
zum aktuellen Zeitpunkt empfangenen Datenwert jeweils nur dann an
die Bodenstation weiterleitet, wenn die Veränderung des aktuell empfangenen
Datenwerts im Vergleich mit dem zuletzt (zu einem vergangenen Zeitpunkt)
an die Bodenstation gesandten Datenwert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet
oder innerhalb des nachfolgenden Empfangsintervalls zu überschreiten droht.
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Vorzugsweise
arbeitet das System nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit zusätzlichen
Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter
Bezugnahme auf die einzige Figur näher beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt die Figur ein schematisches Schaubild eines erfindungsgemäßen Systems
zu Erweiterung der von Navigationssatelliten ausgesendeten Navigationssignale
um Korrekturdaten.
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BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Die
Navigationssatelliten eines Satelliten-Navigationssystems, von denen
in der Figur beispielhaft nur ein Navigationssatellit NAVS dargestellt ist,
senden Navigationssignale S aus. Diese Navigationssignale S werden
von Navigationsempfängern NAVREC
empfangen, die daraus eine aktuelle Position bestimmen und diese
beispielsweise auf einem Bildschirm als Koordinaten oder als Standort
in einer Karte anzeigen.
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Gezeigt
ist in der Figur ein Erweiterungssystem SBAS, mittels dem die Positionsbestimmung durch
die einzelnen Navigationsempfänger
verbessert werden kann. Dazu weist das Erweiterungssystem SBAS mehrere
Empfangsstationen RIMS auf, von denen in der Figur drei Empfangsstationen
RIMS 1, RIMS 2 und RIMS 3 beispielhaft dargestellt sind. Diese Empfangsstationen
sind an unterschiedlichen Orten gelegen.
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Die
von den Empfangsstationen RIMS empfangenen Navigationssignale S
werden an einen Kontrollrechner MCCR in einem Kontrollzentrum MCC
weitergeleitet. Dieser Kontrollrechner ermittelt aus den zugeführten Navigationssignalen
S Korrekturdaten. Die Arbeitsweise des Kontrollrechners ist aus
den SBAS-Systemen ”WAAS” oder ”EGNOS” allgemein
bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
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Der
vom Kontrollrechner MCCR ausgesandte Korrekturdatenstrom enthält Integritätsmeldungen über die
Integrität
einzelner Navigationssatelliten und Korrekturdaten für die von
den Navigationssignalen ausgestrahlten Navigationssignale S. Der
Korrekturdatenstrom umfasst ”Fast-Correction-Daten” und ”Slow-Correction-Daten”. Während die
Slow-Correction-Daten einer geringen Änderungsfrequenz unterworfen
sind, ändern
sich Fast-Correction-Daten viel häufiger. Das bedeutet, dass
die Fast-Correction-Daten einer größeren Änderungsgeschwindigkeit unterworfen
sind, also viel häufiger
an die entsprechende Bodenstation NLES übertragen werden müssen. Aufgrund
dieser hohen Änderungsgeschwindigkeit
der Fast-Correction-Daten ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Fast-Correction-Daten einer Datenreduktionsroutine unterzogen werden.
Zum Zeitpunkt der Systemauslegung von EGNOS und WAAS war eine schnelle Änderung
der Fast-Correction-Daten notwendig, weil das System GPS durch die
Selective Availability Maßnahmen
des Betreibers solch schnelle Veränderungen aufweisen konnte.
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Dazu
ist am Ausgang des Kontrollrechners MCCR eine Datenreduktionseinrichtung
DRU vorgesehen, die die vom Kontrollrechner MCCR ausgesandten korrigierten
Datenwerte D empfängt.
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In
der Datenreduktionseinrichtung DRU wird überprüft, ob sich die vom Kontrollrechner
MCCR gelieferten Datenwerte D geändert
haben. Ein zum aktuellen Zeitpunkt t empfangener Datenwert Dt wird von der Datenreduktionseinrichtung
DRU nur dann (als Datenwert D't) an die Bodenstation NLES weitergeleitet,
wenn die Veränderung
des aktuell empfangenen Datenwerts Dt im
Vergleich mit dem zuletzt, also zu einem vergangenen Zeitpunkt t – 1 an die
Bodenstation NLES gesandten Datenwert D't-1 einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet
oder innerhalb des nachfolgenden Empfangsintervalls Δtn+1 zu überschreiten
droht.
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Solange
wie die Datenreduktionseinrichtung DRU feststellt, dass die Änderung
des Datenwerts D innerhalb vorgegebener Grenzen, also unterhalb
des Schwellenwerts, bleibt, wird dieser korrigierte Datenwert D
nicht an die Bodenstation weitergeleitet und der entsprechende Speicherplatz
im nächsten
an die Bodenstation NLES weitergereichten Datenpaket bleibt frei
oder kann für
die Weiterleitung anderer Daten genutzt werden.
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Die
Datenreduktionseinrichtung DRU berechnet folglich für jeden
eingehenden Satz Fast-Correction-Daten, ob nicht die zuletzt an
die Bodenstation weitergeleiteten (alten) Fast-Correction-Daten
die aktuelle Situation auch noch genügend genau beschreiben, wobei „genügend genau” bedeutet,
dass der maximale Unterschied zwischen den Pseudoranges, die sich
mit den alten Fast-Correction-Daten berechnen, und den Pseudoranges, die
sich mit den aktuell empfangenen Fast-Correction-Daten berechnen, durch einen
Schwellenwert beschrieben wird, der bei der Festlegung der maximal
zulässigen
Protection Levels für
SBAS-Anwendungen berücksichtigt
wird. Dieser Schwellenwert muss lediglich als zusätzlicher
Bias des SBAS-Systems bei der Publikation der operationsspezifischen oder
anwendungsspezifischen Alarmgrenzen („Alert Limits”) berücksichtigt
werden. Eine Änderung
der Software oder der Hardware der Navigationsempfänger ist
nicht erforderlich.
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Erläutert am
Beispiel eines das SBAS nutzenden Flugführungssystems bedeutet dies,
dass es lediglich erforderlich ist, in der Dokumentation des Flugführungssystems
die Alert Limits für
die einzelnen Flugplätze
und die zugeordneten Anflüge
zu aktualisieren, ohne in die Hard- oder Software des Flugführungssystems
eingreifen zu müssen.
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Es
werden also nur noch dann Fast-Correction-Daten eines bestimmten
Navigationssatelliten an die Navigationsempfänger gesendet, wenn der Schwellenwert überschritten
wird, oder wenn eine Überschreitung
im folgenden Empfangsintervall droht. Selbstverständlich muss
die Gültigkeitszeit („Validity
Time”)
für die
von der Datenreduktionseinrichtung DRU weitergeleiteten Fast-Correction-Daten von der Datenreduktionseinrichtung
DRU gegenüber der
Gültigkeitsdauer
der empfangenen Fast-Correction-Daten entsprechend angehoben werden
und die DRU muss auch dann neue Fast-Correction-Daten senden, wenn
die Gültigkeitsdauer
der letzten weitergeleitenden Fast-Correction-Daten auszulaufen droht.
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Durch
die Erfindung wird in dem über
die Bodenstation NLES an die Kommunikationssatelliten KOMS und von
dort an die Navigationsempfänger NAVREC
gesandten Korrekturdatenstrom freie Datenübertragungskapazität geschaffen,
die es ermöglicht,
das SBAS-System nicht nur zur Korrektur der Navigationsdaten eines
Satelliten-Navigationssystems (zum Beispiel GPS) zu nutzen, sondern
es können
mit demselben SBAS-System auch Korrekturdaten eines anderen Satelliten-Navigationssystems (zum
Beispiel Galileo) an die Navigationsempfänger NAVREC übertragen
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann die gewonnene zusätzliche
Kapazität
genutzt werden, ein genaueres und damit besseres Ionosphärenmodell
oder ein Ionosphärenmodell
für ein größeres Territorium
(bei EGNOS zum Beispiel auch für
südliche
Breiten) an die Navigationsempfänger
zu übertragen.
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Durch
das Hinzufügen
der zusätzlichen
Datenreduktionseinrichtung DRU erfolgen keine Eingriffe in zertifizierte
Komponenten des SBAS-Systems, so dass ein bereits existierendes
SBAS-System nicht neu zertifiziert werden muss. Zudem können bereits existierende
Navigationsempfänger
ohne Veränderung
problemlos weiterbenutzt werden.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.