DE102009043600A1

DE102009043600A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Empfängers und ein Empfänger

Info

Publication number: DE102009043600A1
Application number: DE102009043600A
Authority: DE
Inventors: Zhiguo Deng
Original assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07
Also published as: WO2011035760A2; DE112010003807A5; WO2011035760A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Empfängers sowie ein Empfänger und bezieht sich auf eine Mehrdeutigkeitsauflösung zur Korrektur von Ionosphärenverzögerungen von Signalen globaler Navigationssatellitensysteme.Durch die Ableitung von Epoche-differenzierten Referenzstationenkorrekturen $F1 einem Referenzstationennetz können Epoche-differnzierte Empfängerkorrekturen $F2 abgeleitet werden. Mit den Epoche-differenzierte Empfängerkorrekturen $F3 und einer ersten gemessenen Trägerphase Lkann eine weitere Trägerphase Lrechnerisch ermittelt werden. Mit herkömmlichen GPS-Softwareprogrammen können die so ermittelten Trägerphasen Lund Lprozessiert werden. Hierdurch können sehr genaue Positionsbestimmungen auch mit Einfrequenzempfänger vorgenommen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Empfängers, sowie ein Empfänger und bezieht sich auf eine Korrektur von Ionosphärenverzögerungen von Signalen globaler Navigationssatellitensysteme.
Die Positionsbestimmung eines GPS-Empfängers erfolgt durch die gleichzeitige Laufzeitberechnung von Trägerphasensignalen unterschiedlicher hochfliegender Flugkörper, insbesondere GPS-Satelliten. Jeder GPS-Satellit überträgt kontinuierlich mindestens zwei Funkfrequenzen in dem L-Band, auch als L₁ (1575,41 MHz) und L₂ (1227,60 MHz) bezeichnet.
Ein Problem im Rahmen der Laufzeitberechnung ist die rechnerische Kompensation der Signallaufzeitverzögerungen durch atmosphärische Einflüsse. So beschreibt beispielsweise die US 2004/0204852 A1 unterschiedliche Korrekturarten atmosphärischer Einflüsse der Troposphäre und der Ionosphäre auf die Verzögerung von Signallaufzeiten der GPS-Satelliten im GPS-Empfänger.
Insbesondere die Signallaufzeitverzögerung von GPS-Signalen durch die Ionosphäre hängt von der Signalfrequenz ab und ist proportional zur Gesamtzahl der freien Elektronen entlang des Signalweges. Da der Einfluss auf die Laufzeit frequenzabhängig ist, können diese Verzögerungen eliminiert werden, indem mindestens zwei Trägerphasen gemessen und eine Linearkombination der Trägerphasen damit den Einfluss freier Ladungsträger in der Ionosphäre auf die Signallaufzeitberechnung eliminiert. Bei Messungen mit Einfrequenz-Empfängern über kurze Basislinien bis zu einigen Kilometern zu einem Zweifrequenz-Referenzstationennetz kann so der Einfluss der Ionosphärenverzögerung kompensiert werden, da die Signallaufwege sich nur unwesentlich unterscheiden.
Für Basislinien über zehn Kilometer oder bei einer genauen Punkt-Positionierung (precise point positioning) aus Einfrequenzempfänger-Beobachtungen kann die Ionosphärenverzögerungkorrektur nicht mit den oben genannten Systemansätzen bestimmt werden. Die gängigen Ionosphären-Modelle auf der Grundlage der GPS-Beobachtungen werden für große Regionen abgeleitet und erfassen keine kleinen und schnellen Ionosphärenveränderungen. Ihre Genauigkeit reicht nicht für präzise GPS-Anwendungen, wie beispielsweise die Zenitverzögerungsberechnung (zenith total delay), aus.
Eine Ionosphärenmodellierung mit hoher Auflösung ist mittels der bekannten numerischen Modellierung HiRIM (high resolution ionospheric modeling) möglich ( US 6,356,232 B1 ). Damit wird für die einzelnen Satelliten in jeder Epoche eine zusätzliche Ionosphären-Korrektur für ein primäres Ionosphärenmodell bestimmt. Die zusätzlichen Korrekturen der Ionosphärenverzögerung werden aus den Residuen der zweifach differenzierten Beobachtungen aus dem umliegenden Referenzstationennetz von GPS-Stationen bestimmt und auf Einfrequenzempfängern angewandt. Dieses Verfahren eignet sich auch für eine präzise Echtzeit-Positionierung.
Ein anderer Ansatz zur Verarbeitung von Daten aus GPS-Netzwerken mit gemischten Ein- und Zweifrequenzempfängern ist die Methode der virtuellen Referenzstationen (Janssen, V. and C. Rizos, Mixed-mode GPS deformation monitoring – A costeffective and accurate alternative?, in A Window on the Future of Geodesy, edited by F. Sansμo, Seiten 533–537, 2005, Springer Press). Ähnlich wie bei der Modellierung nach HiRIM wird die Korrektur der Ionosphärenverzögerung auch aus den Residuen über die doppelte differenziert Beobachtungen der Referenzstationen bestimmt und anschließend auf eine virtuelle Referenzstation in der Nähe der interessierenden GPS-Stationen interpoliert.
Beide Ansätze sind in speziellen Softwareentwicklungen realisiert und arbeiten prinzipiell sehr effizient. Ihre Umsetzung bzw. Integration in die am Markt etablierten Softwaresysteme, wie beispielsweise GIPSY-OASIS der NASA, ist jedoch sehr aufwändig.
Eine andere Alternative zur Korrektur von Ionosphärenverzögerungen offenbart die DE 11 2006 002 381 T5 als Verfahren zum Verarbeiten eines Satzes von GNSS-Signaldaten, abgeleitet von Signalen mit mindestens zwei Trägerfrequenzen und empfangen von zwei oder mehr Satelliten bei zwei oder mehr Referenzstationen über mehrere Zeiträume. Für jeden Satelliten wird eine geometriefreie Kombination von GNSS-Signaldaten aus zwei Trägerfrequenzen abgeleitet und damit eine Bestimmung der Trägerphasenmehrdeutigkeit für jede Referenzstation mittels eines ionosphärischen Vorrückens bei einem Referenzpunkt und einer Variation des ionosphärischen Vorrückens für mehreren Zeiträume vorgenommen. Aus diesen Ergebnissen lassen sich dann Korrekturparameter für die Ionosphärenverzögerung ableiten.
Problematisch an bisherigen Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur von Ionosphärenverzögerungen ist, dass bei der Verarbeitung von GPS-Daten von Empfängernetzwerke mit gemischten Einfrequenz- und Zweifrequenz-Empfängern für Einfrequenz-Empfänger keine Ionosphärenverzögerung bestimmt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und einen Empfänger bereitzustellen, die eine einfache und vollständige Korrektur der Ionosphärenverzögerung auch für Einfrequenzempfänger ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Gelöst wird die Aufgabe ebenfalls durch einen Empfänger gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Referenzstationenkorrektur der Iononsphärenverzögerung als Linearfunktion der folgenden Form gebildet wird: δL ref / 4(λ_ref, θ_ref) = a₀ + a₁λ_ref + a₂θ_ref, und die Parameter a₀, a₁, a₂ des Satelliten mittels des Referenzstationennetzes für die geographische Breite λ_ref und die geographische Länge θ_ref der Ionosphäre Intercept Pierce Punkte (IPP) ermittelt werden. Für die Position des Empfängers bzw. der IPPs der Empfänger λ_empf, θ_empf werden nunmehr die Parameter a₀, a₁, a₂ zur Bildung einer Empfängerkorrektur δL empf / 4(λ_empf, θ_empf) verwenden. Mindestens eine weitere Trägerphase L_{2_empf} wird aus der Linearkombination der Trägerphase L_{1_empf} und der Empfängerkorrektur δL empf / 4(λ_empf, θ_empf) gebildet. Der L_{2_empf} Werte wird insbesondere durch L_{2_empf} = L_{1_empf} – L empf / 4 gebildet. Das Verfahren kann auch zur alternativen bzw. fakultativen Bestimmung von Pseudostrecken P_i(i = 1, 2, 4) zu den Trägerphasen L_i(i = 1, 2, 4) genutzt werden.
Die Beobachtung der Trägerphasen L_i(i =1, 2) zur Epoche j kann mittels der folgenden Grundgleichung abgebildet werden: L_l(j) = ρ(j) – D_l(j) + λ_lN_i mit ρ(j) als nichtdispersive Verzögerung unter Berücksichtigung der geometrischen und troposphärischen Verzögerung, sowie des Uhrenzeitfehlers, mit D_i(j) als ionosphärischer Verzögerung und λ_l als Wellenlänge der Trägerphase L_i, sowie der Phasenmehrdeutigkeit N_i mit dem jeweiligen Frequenzindex i.
Unter der Annahme für das vorliegenden Verfahren, dass ein Satellit kontinuierlich seit der Epoche j₀ verfolgt wird, kann die inkrementelle ionosphärische Verzögerung δD_i zwischen den Epochen j₀ und k als δD_i(j₀, j₀ + k) = D_i(j₀ + k) – D_i(j₀) geschrieben werden. Die inkrementelle ionosphärische Verzögerung δD kann somit ausschließlich aus der ionosphärischen Verzögerung der Trägerphase zu verschiedenen Zeitpunkten bzw. Epochen ermittelt werden. Daraus ergibt sich die Beobachtungsgleichung der Trägerphasen L_i mit einer entsprechenden Korrektur der ionosphärischen Verzögerung zu: L_i(j₀ + k) + a_lδD₁(j₀, j₀ + k) = ρ(j₀ + k) + λ_lN_i mit a_i als
Die jeweiligen weiteren Trägerphasen L_i mit i = 1, 2 können damit aus abgeleiteten Beobachtungen der ersten Trägerphase L₁ ermittelt werden.
Bei der bekannten Zenitverzögerungsberechnung wird die Annahme gemacht, dass L₄ gemäß der folgenden Form L₄ = L₁ – L₂ = λ₁N₁ – λ₂N₂ – (D₁ – D₂), ausgedrückt werden kann und mittels L ref / 4 eine Korrektur der ionosphärischen Verzögerung bei der Laufzeitberechnung möglich ist. Die, insbesondere phasenbedingten, Mehrdeutigkeiten der Bestimmung von L ref / 4 führen sehr häufig zu fehlerhaften Berechnungen der Ionosphärenverzögerung. Um die fehlerhafte Berechnung zu vermeiden, werden beim vorliegenden Verfahren die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) verwendet.
Durch die Betrachtung der jeweils epoche-differenzierten Referenzstationenkorrektur δL ref / 4(j, j + 1) bzw. der epoche-differenzierten Empfängerkorrektur δL empf / 4(j, j + 1) ist der Einfluss der Mehrdeutigkeiten auf das Berechnungsergebnis, im Vergleich zur Berechnung der Absolutwerte L ref / 4 und L empf / 4 , deutlich reduziert.
Das Besondere an diesem Verfahren ist damit, dass auf die bekannten und verwendeten Softwareroutinen, wie GIPSY-OASIS der NASA, unmittelbar aufgesetzt werden kann und so sehr einfach eine Verdichtung der bestehenden GNSS-Netze für den Abruf von Informationen höherer räumlicher Auflösung möglich wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Summation von einzelnen epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) gebildet wird. Die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) der Ionosphärenverzögerungen aus den umgebenden Zweifrequenzreferenzstationen werden genutzt, um das Modell für die satellitenspezifische Ionosphärenverzögerung zu bestimmen. Die Korrektur der Ionosphärenverzögerung wird aus der Integration der Änderungen der Ionosphärenverzögerung der einzelnen Epochen von dem etablierten Modell für Signale nur der ersten Trägerphase L₁ abgeleitet. Statt der unmittelbaren Bestimmung der Ionosphärenverzögerung L empf / 4 werden die jeweiligen Änderungen der Ionosphärenverzögerungen mittels der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) modelliert, so dass etwaig auftretende Mehrdeutigkeitsprobleme bei der Berechnung berücksichtigt werden können.
Da die epochen-differenzierte Ionosphärenverzögerung für hinreichend lange Zeitfenster gut bestimmt werden kann, wird gemäß dem vorliegenden Verfahren vorgeschlagen, diese für die Auswertungen zu benutzen. Diese epochen-differenzierten Ionosphärenverzögerungen umfassen zwei Teile, wobei ein Teil sich durch die räumliche und zeitliche Veränderung der Verteilung der Elektronendichte von aufeinanderfolgenden Epochen auszeichnet. Ein anderer Teil entsteht durch den Wechsel der Signalwege durch die Bewegung des Satelliten. Eine einfache Lösung wäre die Wegverzögerung abzubilden und daraus die Zenitverzögerung, ähnlich wie bei der Ermittlung der Troposphärenverzögerung, zu bestimmen. Allerdings ist diese Abbildung nicht genau bekannt und führt zu erheblichen Verzerrungen.
Üblicherweise wird der Einfluss der Ionosphäre auf die Signallaufwege, die sich über eine Höhe von etwa 50 km bis über 1000 km erstreckt, durch eine dünne Schicht in einer Höhe von meistens 350 km über der Erdoberfläche angenähert. Die räumliche Veränderung der Ionosphäreverzögerung wird dann ausgedrückt durch die Positionen der sogenannten Intercept Pierce Punkte (IPP) des Signalweges in der Modellschicht der Ionosphäre.
Ähnlich wie bei der Residuenanpassung wird bei der epoche-differenzierten Ionosphärenverzögerungen aus einer Reihe von Referenzstationen zu einem bestimmten Satelliten eine lineare Funktion angepasst, beispielsweise an eine Ebene mit der geographische Breite λ_ref und die geographische Länge θ_ref der Ionosphäre Intercept Pierce Punkte (IPP) als Variablen.
Im Prinzip können die Parameter a₀, a₁, a₂ von drei Referenzstationen bestimmt werden. Mehr Referenzstationen erhöhen die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Bestimmung. Die Parameterschätzung erfolgt durch eine Anpassung der kleinsten Quadrate für jeden Satelliten in jeder Epoche zu einem satelliten- und zeitspezifischen Flächenmodell.
Mit dem generierten Modell für die Epoche j kann die epoche-differenzierte Korrektur der Ionosphärenverzögerung des Einfrequenzempfängers innerhalb des Referenznetzes berechnet werden. Die Korrektur für die Ionosphärenverzögerung bei Epoche k, die kontinuierlich seit Epoche j₀ verfolgt wird, ergibt sich aus der Summe der jeweiligen inkrementalen epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) der Ionosphärenverzögerung.
Mit diesen Berechnungen können die Korrekturen der Ionosphärenverzögerung aus allen Einfrequenzempfängern auf ein ionosphärenfreies Modell transformiert werden. Um die Daten von Ein- und Mehrfrequenzempfängern mit derselben Software bearbeiten zu können, lassen sich mit diesem Formalismus für die Einfrequenzempfänger die simulierten weiteren Trägerphase L_{i_empf}, insbesondere L_{2_empf}, generieren. Die simulierte weitere Trägerphase L_{2_empf} ergibt damit aus der ersten Trägerphase L_{1_empf} und einer Funktion der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die weitere Trägerphase L_{2_empf}(k) zur Epoche k des Satelliten mittels der folgenden Form ermittelt wird:
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, dass nicht die ortsabhängige Korrektur L_{4_empf} der Ionosphärenverzögerung ermittelt werden muss, sondern lediglich die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 der Ionosphärenverzögerungen. Des Weiteren ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass beim Auftreten von fehlerhaften Berechnungsergebnissen, beispielsweise bei rechnerischen Mehrdeutigkeiten, die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 bei einer neuen Epoche erneut gestartet werden kann. Alternativ können die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 auch über die Epochen zeitlich integriert werden.
Die Korrektur der Ionosphärenverzögerung wird vorteilhafterweise in dem Empfänger auf der Grundlage der Trägerphase L_{1_empf}(k) und L_{2_empf}(k) zur Epoche k des Satelliten berechnet. Ebenso werden die Korrekturen der Ionosphärenverzögerung in dem Empfänger auf der Grundlage der Trägerphase L_{1_empf}(k) und L_{2_empf}(k) für jeden einzelnen Satelliten zur Epoche k berechnet. Die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 wird damit erneut bei einer weiteren Epoche j₁ begonnen, falls es bei der Berechnung von
zu Mehrdeutigkeiten bezüglich der laufenden Summation beginnend bei der Epoche j₀ kommt und für die Berechnung der Trägerphase L_{1_empf}(k) und L_{2_empf}(k) zur Epoche k des Satelliten verwendet wird.
Mittels eines Mehrfrequenz-Referenzstationennetzes für die Trägerphase L_{1_ref}(k) werden vorteilhafterweise die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 für jeden Satelliten ermittelt und damit die weitere Trägerphase L_{2_empf}(k) für die Berechnung der Korrektur der Ionosphärenverzögerung in Einfrequenzempfänger bestimmt. Damit ist es möglich, Einfrequenzempfänger in einem Mehrfrequenz-Referenzstationennetz zu verwenden und somit die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Einfrequenzempfänger in diesen Referenzstationsnetzen zu verbessern.
Vor der Berechnung von epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 und damit der weiteren Trägerphase L_{2_empf} werden vorteilhafterweise Ausreißer in den Signalen der Trägerphase L_{1_ref} und/oder Unstetigkeiten einer ganzzahligen Anzahl von Zyklen in der gemessenen Trägerphase L_{1_ref}, auch Cycle Slips genannt, ermittelt und vor der Berechnung der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 und damit für die weitere Trägerphase L_{2_empf} kompensiert.
Erfindungsgemäß ist ein Empfänger zur Bestimmung der Position mittels der Laufzeitberechnung von empfangenen Signalen einer Trägerphase L_{1_ref} eines Satelliten zu unterschiedlichen Epochen k, dergestalt ausgestattet, dass ein Prozessor auf der Grundlage eine epoche-differenzierten Referenzstationenkorrekturen δL ref / 4 mittels des Referenzstationennetzes ermittelt und daraus eine epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 ableitet, wobei mindestens eine weitere Trägerphase L_{2_empf} aus der Trägerphase L_{1_empf} und einer Funktion der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 berechnet.
Der Empfänger ist vorteilhafterweise ein Mehrfrequenzempfänger, insbesondere ein Zweifrequenzempfänger, der die Korrektur der Ionosphärenverzögerung aus der Trägerphase L_{1_empf} und der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 aus der übermittelten Auswertung mittels eines Einfrequenz-Referenzstationennetzes berechnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Empfängers ist vorgesehen, dass der Prozessor die Trägerphasen L_{1_empf}(k) und L_{2_empf}(k) für die aktuelle Epoche k des Satelliten mittels der seit der Epoche j₀ aufsummierten inkrementellen epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 berechnet. Bei der Feststellung von fehlerhaften Berechnungen, insbesondere bei rechnerisch nicht lösbaren Mehrdeutigkeiten, beginnt der Empfänger bei einer fehlerhaften Summation von epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 bei der aktuellen Epoche k beziehungsweise bei vorhergehenden unkritischen Epochen des Satelliten erneut.
Des Weiteren löst ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt die Aufgabe, wobei das Computerprogrammprodukt in einem computerlesbaren Medium gespeichert ist und computerlesbare Mittel umfasst, mittels derer ein Computer oder ein Empfänger veranlasst wird, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn das Programm in dem Computer abläuft. Die vorliegende Erfindung kann in Form von Hardware, Software oder einer Kombination von Hardware und Software realisiert werden. Hierfür ist jede Art von System bzw. jede andere zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Vorrichtung geeignet. Die vorliegende Erfindung kann auch in ein Computerprogrammprodukt integriert werden, welches alle Merkmale umfasst, die es zur Realisierung der hier beschriebenen computergestützten Verfahren befähigen, und welches nach dem Laden in ein Computersystem in der Lage ist, diese Verfahren auszuführen.
Unter den Begriffen Computerprogramm und Computerprogrammprodukt ist im vorliegenden Zusammenhang jeder Ausdruck in einer beliebigen Computersprache, Code oder Notation eines Satzes von Anweisungen zu verstehen, welche ein Computersystem zur Datenverarbeitung und so zur Ausführung einer bestimmten Funktion befähigen. Das Computerprogramm bzw. das Computerprogrammprodukt ist entweder direkt oder nach einer Umwandlung in eine andere Sprache, Code, Notation oder durch die Darstellung in einer anderen materiellen Form auf dem Computersystem und/oder in einem Prozessor des Empfängers lauffähig.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. Die vorliegende Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele in den Figuren näher erläutert. Dabei zeigt beispielhaft die
1 ein Ablaufdiagramm mit den wichtigsten Verfahrensschritten;
2 eine schematische Ansicht des Referenzstationsnetzes;
3 eine schematische Ansicht des Datentransfers der wichtigsten Komponenten.
Die Figur 1 zeigt ein Ablaufschema der wichtigsten Verfahrensschritte. Nach dem Start des Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Trägerphase L_{1_ref} mittels des Referenzstationsnetzes aus den Referenzstationen 3a, 3b, 3c (nicht dargestellt). Anschließend werden im Referenzstationsnetz aus den Referenzstationen 3a, 3b, 3c die einzelnen epoche-differenzierten Referenzstationenkorrekturen δL ref / 4(λ_ref, θ_ref) zwischen jeweils zwei Epochen j, j + 1 für die geographischen Koordinaten der Referenzstationen 3a, 3b, 3c λ_ref und θ_ref durch die Bestimmung der Parameter a₀, a₁, a₂ ermittelt.
Die Parameter a₀, a₁, a₂ werden nunmehr zur Ermittlung der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 an den geographischen Koordinaten λ_empf und θ_empf des Empfängers 2a, 2b, 2c (nicht dargestellt genutzt. Anschließend werden die für die einzelnen Epochen gebildeten Empfängerkorrekturen δL empf / 4 aufsummiert, wobei die Summation beginnend bei einer rechnerisch noch konvergierenden Epoche j₀ beginnt. Insbesondere ist zu gewährleisten, dass während des Zeitraumes zwischen der Epoche j₀ und der aktuellen Epoche k keine rechnerischen Instabilitäten, wie insbesondere rechnerisch nicht lösbare Phasenmehrdeutigkeiten, auftreten.
Sollten rechnerische Instabilitäten auftreten, wird die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) von der aktuellen Epoche bzw. von einer vorhergehenden Epoche ohne auftretende numerische Instabilitäten erneut gestartet.
Mit der gemessenen Trägerphase L_{1_empf} und der Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) wird eine weitere Trägerphase L_{i_empf}, im Beispiel der 1 die Trägerphase L_{2_empf}, ermittelt. Die gemessene Trägerphase L₀ des Empfängers 2a (nicht dargestellt) und die rechnerisch mittels des Referenzstationennetzes der Referenzstationen 3a, 3b, 3c ermittelte weitere Trägerphase L_{2_empf} kann in einem Empfänger 2a nunmehr mit vorhandenen GPS-Softwarepaketen, wie beispielsweise BERNESE, EPOS oder GAMIT, zur Berechnung der L empf / 4-Werte für die Empfänger 2a, 2b, 2c und damit zur Korrektur der Ionosphärenverzögerung genutzt werden.
Für jeden Satelliten 1 zu unterschiedlichen Epochen sind die oben genannten Verfahrensschritte für jeden Empfänger 2a, 2b, 2c im Referenzstationsnetz der Referenzstationen 3a, 3b, 3c durchzuführen.
Die 2 zeigt eine schematische Ansicht der für das Verfahren notwendigen Komponenten. Von dem Satelliten 1 werden Signale auf mindestens einer Trägerphase L₁ zu einer Epoche zur Erdoberfläche gesendet. Dabei durchquert die Trägerphase L₁ die Ionosphäre 4, erfährt durch die Ionosphäre 4 eine Laufzeitveränderung und kann von einem Referenzstationsnetz mit Referenzstationen 3a, 3b, 3c detektiert und ausgewertet werden. Aus der Auswertung der Trägerphase L_{1_ref} im Referenzstationsnetz der Referenzstationen 3a, 3b, 3c können zusätzlich mittels der Linearkombination δL empf / 4(j, j + 1) = a₀ + a₁λ_empf + a₂θ_empf die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) für die geographische Breite λ_empf und der geographische Länge θ_empf der IPPs ermittelt werden.
Die geographischen Koordinaten entsprechen dabei vorteilhafterweise insbesondere einer der Positionen der Referenzstationen 3a, 3b, 3c oder der Empfänger 2a, 2b, 2c oder der IPPs. Da die Empfänger 2a, 2b, 2c vorteilhafterweise innerhalb des Referenzstationsnetzes der Referenzstationen 3a, 3b, 3c angeordnet sein sollten, können auch virtuelle beziehungsweise gemittelte geographische Koordinaten λ_empf, θ_empf für die Berechnung verwendet werden.
Die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) und die Überwachung von auftretenden rechnerischen Instabilitäten, wie Phasenmehrdeutigkeiten, können innerhalb des Referenzstationennetzes der Referenzstationen 3a, 3b, 3c oder in den jeweiligen Empfängern 2a, 2b, 2c berechnet werden. Auch die anschließende rechnerische Ermittlung einer weiteren Trägerphase L_{2_empf} kann innerhalb des Referenzstationennetzes der Referenzstationen 3a, 3b, 3c oder in den jeweiligen Empfängern 2a, 2b, 2c berechnet werden. Die Ermittlung des L empf / 4-Wertes für den jeweiligen Empfänger 2a, 2b, 2c ist mit der so berechneten Trägerphase L_{2_empf} und der im Empfänger 2a, 2b, 2c gemessenen ersten Trägerphase L_{1_empf} möglich, so dass bestehende GPS-Softwareprogramme zur Korrekturberechnung der Ionosphärenverzögerung verwendet werden können.
In der 3 ist eine schematische Ansicht des Satelliten 1 in Verbindung mit drei Referenzstationen 3a, 3b, 3c des Referenzstationsnetzes und einem Empfänger 2a dargestellt. In den Referenzstationen 3a, 3b, 3c werden die epoche-differenzierten Referenzstationenkorrekturen δL ref / 4(j, j + 1) ermittelt und an den Empfänger 2a übertragen. Im Empfänger 2a wird die Trägerphase L_{1_empf} ermittelt. Alternativ kann die Auswertung der Trägerphase L_{1_ref} auch in den Referenzstationen 3a, 3b, 3c des Referenzstationsnetzes vorgenommen und an den Empfänger 2a übertragen werden. Anschließend werden mit den ermittelten Parametern a₀, a₁ und a₂ aus der epoche-differenzierten Referenzstationenkorrekturen δL ref / 4(j, j + 1) die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) gebildet. Die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) erfolgt ebenfalls im Empfänger 2a. Sollten es zu rechnerisch nicht lösbaren Mehrdeutigkeitsproblemen kommen, kann der Empfänger 2a die nachfolgend erhaltenen epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) mit einer neu begonnenen Summation zusammenfassen.
Die daraus ermittelte weitere Trägerphase L_{2_empf} kann in Verbindung mit der gemessenen Trägerphase L_{1_empf} anschließend für die Berechnung des L_{4_empf}-Wertes und damit zur Korrekturberechnung der Ionosphärenverzögerung verwendet werden. Insbesondere bei Einfrequenzempfängern 2a kann somit mindestens eine weitere Trägerphase L_{i_empf}, insbesondere eine zweiter Trägerphase L_{2_empf}, ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2004/0204852 A1 [0003]
US 6356232 B1 [0006]
DE 112006002381 T5 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

(Janssen, V. and C. Rizos, Mixed-mode GPS deformation monitoring – A costeffective and accurate alternative?, in A Window on the Future of Geodesy, edited by F. Sansμo, Seiten 533–537, 2005, Springer Press [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Empfänger (2a, 2b, 2c) mittels der Laufzeitberechnung von empfangenen Signalen einer Trägerphase L_{1_empf} eines Satelliten (1) zu unterschiedlichen Epochen k, wobei die Signale der Trägerphase L_{1_ref} mittels eines Referenzstationennetzes aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) ausgewertet und zur Bestimmung einer Ionosphärenverzögerung für die Signale der Trägerphase L_{1_empf} verwendet werden, dadurch gekennzeichnet dass, eine Referenzstationenkorrektur der epoche-differenzierten Ionosphärenverzögerung δL ref / 4 als Linearfunktion der folgenden Form gebildet wird: δL ref / 4(λ_ref, θ_ref) = a₀ + a₁λ_ref + a₂θ_ref und die Parameter a₀, a₁, a₂ des Satelliten (1) mittels des Referenzstationennetzes aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) ermittelt werden, wobei einer epoche-differenzierten Empfängerkorrektur δL empf / 4(λ_empf, θ_empf) aus den Parametern a₀, a₁, a₂ gebildet und die Trägerphase L_{2_empf} aus die Trägerphase L_{1_empf} und die Empfängerkorrektur δL empf / 4 ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, die ortsabhängige einzelne epoche-differenzierte Korrekturen δL empf / 4(j, j + 1) können von δL ref / 4(j, j + 1) innerhalb des Referenzstationsnetzes aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet dass, die Ionosphärenverzögerung L empf / 4 für den Empfänger (2a, 2b, 2c) in dem Empfänger (2a, 2b, 2c) auf der Grundlage der δL empf / 4(j, j + 1) zur Epoche k des Satelliten (1) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass, die ionosphären Laufzeitberechnung L empf / 4 für den Empfänger (2a, 2b, 2c) in dem Empfänger (2a, 2b, 2c) auf der Grundlage δL empf / 4(j, j + 1) jeden einzelnen Satelliten (1) zur Epoche k berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet dass, die weitere Trägerphase L_{2_empf}(k) zur Epoche k des Satelliten (1) mittels der folgenden Form ermittelt wird: L_{2_empf}(k) = L_{1_empf}(k) – L empf / 4(k)
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass, das die Summation der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) erneut bei einer weiteren Epoche j₁ begonnen wird, falls es bei der Berechnung von
zu Mehrdeutigkeiten bezüglich der laufenden Summation beginnend bei der Epoche j₀ kommt und für die Berechnung der Trägerphase L_{1_ref}(k) und L_{2_empf}(k) zur Epoche k des Satelliten (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass, aus mittels eines Zweifrequenz-Referenzstationennetzes aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) für die Trägerphase die epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) für jeden Satelliten (1) ermittelt und damit die Korrektur L empf / 4 der Ionosphärenverzögerung für die Berechnung der weitere Trägerphase L_{2_empf}(k) in Einfrequenzempfänger genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass, Ausreißer in den Signalen der Trägerphase L_{1_ref} und/oder Unstetigkeiten einer ganzzahligen Anzahl von Zyklen in der gemessenen Trägerphase L_{1_ref} (Cycle Slips) ermittelt und vor der Berechnung der epoche-differenzierten Empfängerkorrekturen δL empf / 4(j, j + 1) und damit für die weitere Trägerphase L_{2_empf} kompensiert werden.
Empfänger (2a, 2b, 2c) zur Bestimmung der Position mittels der Laufzeitberechnung von empfangenen Signalen einer Trägerphase L_{1_empf} eines Satelliten (1) zu unterschiedlichen Epochen k, wobei ein Referenzstationennetz aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) die Ionosphärenverzögerung der Signale der Trägerphase L_{1_ref} ermittelt und die Ionosphärenverzögerung der Signale der Trägerphase L_{1_ref} an den Empfänger (2a, 2b, 2c) übermittelt, dadurch gekennzeichnet dass, ein Prozessor auf der Grundlage eine epoche-differenzierte Referenzstationenkorrektur δL ref / 4(j, j + 1) mittels des Referenzstationennetzes aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) ermittelt und aus der epoche-differenzierte Referenzstationenkorrektur δL ref / 4(j, j + 1) eine epoche-differenzierte Empfängerkorrektur δL empf / 4(j, j + 1) abgeleitet und mindestens eine weitere Trägerphase L_{2_empf} aus der Linearkombination der Trägerphase L_{1_empf} und der epoche-differenzierten Empfängerkorrektur δL empf / 4(j, j + 1) berechnet.
Empfänger (2a, 2b, 2c) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass, der Empfänger (2a, 2b, 2c) ein Einfrequenzempfänger ist, der die Korrektur der Ionosphärenverzögerung aus der Trägerphase L_{1_ref} und
aus der übermittelten Auswertung mittels eines Mehrfrequenz-Referenzstationennetzes, insbesondere eines Zweifrequenz-Referenzstationennetzes, aus Referenzstationen (3a, 3b, 3c) berechnet.
Empfänger (2a, 2b, 2c) nach einem der Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet dass, der Prozessor die Trägerphasen L_{1_ref}(k) und L_{2_empf}(k) für die aktuelle Epoche k des Satelliten (1) mittels der seit der Epoche j₀ aufsummierten epoche-differenzierten Korrekturen δL empf / 4(j, j + 1) berechnet.
Empfänger (2a, 2b, 2c) ach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass, der Empfänger (2a, 2b, 2c) bei einer fehlerhaften Summation
die Summation der epoche-differenzierten Korrekturen δL empf / 4(j, j + 1) bei der aktuellen Epoche k des Satelliten (1) erneut beginnt.
Computerprogramm mit Programmcode eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm in einem Computer und/oder im Prozessor des Empfängers (2a, 2b, 2c) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm in einem Computer und/oder im Prozessor des Empfängers (2a, 2b, 2c) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 ausgeführt wird.