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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfüllen erhöhter Integritätsanforderungen mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems gemäß Anspruch 1.
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Zur Steigerung der Genauigkeit der Positionsermittlung mit einem globalen Satellitennavigationssystem (GNSS: Global Navigation Satellite System) wie (NAVSTAR-)GPS, GLONASS oder dem zukünftigen europäischen Satellitennavigationssystem GALILEO werden Erweiterungssysteme (SBAS: Satellite Based Augmentation System) wie das europäische EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), das US-amerikanische WAAS (Wide Area Augmentation System) oder das japanische MSAS (Multifunctional Satellite Augmentation System) eingesetzt.
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Ein SBAS setzt zusätzliche Satelliten zu einem zu erweiternden GNSS ein, die regional begrenzt Korrekturdaten aussenden, die von SBAS-fähigen Nutzungssystemen (SBAS-Empfänger) des GNSS zur Steigerung der Genauigkeit der Positionsermittlung verwendet werden können. Weiterhin kann ein SBAS auch Integritätsdaten zum erweiterten GNSS aussenden, welche die SBAS-Empfänger in die Lage versetzen, ein Integritätsrisiko zu ermitteln und bei einem zu hohen Risiko zu warnen. Beispielsweise sendet EGNOS neben Korrekturdaten auch Daten zur Integrität von GPS aus.
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SBAS spielt vor allem für die Flugnavigation eine wesentliche Rolle. SBAS-Empfänger werden beispielsweise in Flugzeugen verbaut, um die Genauigkeitsanforderungen an eine Flugnavigation basierend auf GNSS erfüllen zu können. Die in Flugzeugen verbauten SBAS-Empfänger werden üblicherweise gemäß den standardisierten Betriebsanforderungen gebaut, die im Dokument DO-229D „Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment” des Unternehmens RTCA, Inc., 1828 L Street, NW, Suita 805, Washington, DC 20036, USA, http://www.rtca.org, beschrieben sind. Derartige SBAS-Empfänger berechnen nur jeweils einen vertikalen und horizontalen Schutzbereich (Protection Level, PL) bei einem kombinierten Integrtätsrisiko von 2E-7/150 Sekunden. Ein Schutzbereich bzw. Protection Level wird in Echtzeit im SBAS-Empfänger mit den vom SBAS ausgesendeten Daten berechnet und entspricht einer Echtzeit-Vertrauensschranke oder -grenze für den Fehler der Positionsbestimmung durch den SBAS-Empfänger.
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Für den GNSS-basierten Landanflug sind verschiedene Prozeduren definiert, die Anforderungen für eine sichere Landung spezifizieren. Diese Anforderungen definieren insbesondere horizontale und vertikale Alarmschranken (Alert Limits) für verschiedene Flugphasen. Die Alarmschranken sind obere Grenzen für Fehler, die abhängig von der Flugphase vorgegeben sind.
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Mit LPV (Localizer Performance with Vertical Guidance) wird eine GNSS- und SBAS-, beispielsweise GPS- und WAAS-basierte Landeanflugprozedur mit vertikaler Führung bezeichnet, die Anforderungen für die Sicherstellung einer sicheren Landung mit Hilfe eines GNSS definiert. Die Anforderungen gemäß der neuen LPV200-Prozedur verlangen im Gegensatz zu den Anforderungen für einen Anflug gemäß einer APV(Approach Procedure with Vertical Guidance)-Prozedur folgende Alarmschranken bzw. Alert Limits:
- • horizontale und vertikale Alarmschranken HAL bzw. VAL für eine Hindernisfreiheit von 40 Meter horizontal und 35 Meter vertikal bei einem kombinierten Integritätsrisiko von 2E-7/150 Sekunden;
- • eine Alarmschranke von 15 Meter vertikal bei einem Integritätsrisiko von 1E-5/150 Sekunden im Fehlerfall für die Sicherstellung einer sicheren Landung, wenn ein Pilot die Landebahn bei 200 Fuß Höhe sieht; und
- • eine Alarmschranke von 10 Meter vertikal bei einem Integritätsrisiko von 1E-7/150 Sekunden im fehlerfreien Fall, um im fehlerfreien Fall eine Leistungsfähigkeit wie bei CAT-I Instrumentenlandesystemen zu erreichen.
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Mit den bisher in Flugzeugen verbauten SBAS-Empfängern können diese zusätzlichen Anforderungen gemäß LPV200 jedoch nicht überprüft werden.
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Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige erhöhte Integritätsanforderungen mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems zu erfüllen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erfüllen erhöhter Integritätsanforderungen mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um erhöhte Integritätsanforderungen insbesondere gemäß LPV200 mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems erfüllen zu können, schlägt die Erfindung vor, die an SBAS-Empfänger zu übermittelnden Integritätsinformationen entsprechend den gegenüber den üblichen Anforderungen erhöhten Anforderungen so zu vergrößern, dass von den für die üblichen Anforderungen ausgelegten SBAS-Empfängem auch die erhöhten Integritätsanforderungen erfüllt werden können. Beispielsweise sollen mit SBAS-Empfängern, die lediglich für die Berechnung eines Schutzbereichs für ein kombiniertes Integritätsrisiko von 2E-7/150 Sekunden vorgesehen sind, auch die erhöhten Integritätsanforderungen gemäß LPV200 erfüllt werden können. Durch eine entsprechende Vergrößerung der vom SBAS ausgesendeten Integritätsinformationen kann nun erreicht werden, dass derartige SBAS-Empfänger auch die erhöhten Integritätsanforderungen erfüllen können. Die Vergrößerung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass an Testpositionen mit den ursprünglich von einem SBAS zur Verbreitung vorgesehenen Integritätsinformationen gemäß den erhöhten Integritätsanforderungen ein oder mehrere Schutzbereiche berechnet werden und Integritätsinformationen für einzelne Satelliten des durch das SBAS erweiterten GNSS für eine Erhöhung markiert werden, wenn mit diesen nicht die erhöhten Integritätsanforderungen erfüllt werden können. Alle zur Erhöhung markierten Integritätsinformationen von GNSS-Satelliten können dann durch entsprechend höhere Werte ersetzt werden, mit denen die erhöhten Integritätsanforderungen erfüllt werden können. Somit können ohne Veränderung von Algorithmen in den SBAS-Empfängem durch die Strategie des gezielten Ersetzen von Integritätsinformationen zu GNSS-Satelliten durch entsprechend erhöhte Werte der Integritätsinformationen die erhöhten Integritätsanforderungen beispielsweise gemäß LPV200 mit einem SBAS wie EGNOS oder WAAS erfüllt werden. Die zu erhöhenden Werte der vom SBAS verbreitenden Integritätsinformationen sind insbesondere statistische Beschreibungen von Fehlern von Signalen von GNSS-Satelliten.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Erfüllen erhöhter Integritätsanforderungen mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems mit den folgenden Schritten:
- a) Berechnen eines ersten Schutzbereichs für ein kombiniertes Integritätsrisiko gemäß den erhöhten Integritätsanforderungen an allen Testpositionen mit Integritätsinformationen für normale Integritätsanforderungen für alle Kombinationen von Signalen von Satelliten des Satellitennavigationssystems, die einen Schutzbereich horizontal kleiner als eine horizontale Schanke und vertikal kleiner als eine vertikale Schranke bereitstellen, und für alle Benutzergeometrien;
- b) Berechnen eines zweiten Schutzbereichs für ein vertikales Integritätsrisiko in einem fehlerfreien Fall an allen Testpositionen mit den zur Verbreitung durch das Erweiterungssystem vorgesehenen ursprünglichen Integritätsinformationen für normale Integritätsanforderungen für alle Kombinationen von Signalen von Satelliten des Satellitennavigationssystems, an denen im Verfahrensschritt a) der Schutzbereich horizontal kleiner als die horizontale Schenke und vertikal kleiner als die vertikale Schranke ist, und für alle Benutzergeometrien, und Markieren der zur Verbreitung vorgesehenen ursprünglichen Integritätsinformationen für die Signale von Satelliten des Satellitennavigationssystems, die an einer Testposition in einer Kombination zur Berechnung des zweiten Schutzbereichs verwendet wurden, wenn der für diese Kombination berechnete zweite Schutzbereich an der Testposition größer als eine erste vorgegebene Schwelle ist;
- c) Berechnen eines dritten Schutzbereichs für ein vertikales Integritätsrisiko in einem Fehlerfall an allen Testpositionen mit den zur Verbreitung durch das Erweiterungssystem vorgesehenen ursprünglichen Integritätsinformationen für normale Integritätsanforderungen für alle Kombinationen von Signalen von Satelliten des Satellitennavigationssystems, an denen im Verfahrensschritt a) der Schutzbereich horizontal kleiner als die horizontale Schenke und vertikal kleiner als die vertikale Schranke ist, und für alle Benutzergeometrien, und Markieren der zur Verbreitung vorgesehenen ursprünglichen Integritätsinformationen für die Signale von Satelliten des Satellitennavigationssystems, die an einer Testposition in einer Kombination zur Berechnung des dritten Schutzbereichs verwendet wunden, wenn der für diese Kombination berechnete dritte Schutzbereich an der Testposition größer als eine zweite vorgegebene Schwelle ist;
- d) Ersetzen der in den Verfahrensschritten b) und c) markierten Integritätsinformationen durch einen nächst möglichen höheren Wert; und
- e) Wiederholen der Schritte a)–d) solange bis keine markierten Integritätsinformationen mehr vorkommen.
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Es wird hierbei also erst für alle Testpositionen ein Ergebnis ausgerechnet, bevor die Integritätsinformationen erhöht werden. Die erhöhten Integritätsinformationen werden nur für den Schritt a) verwendet, während die Schritte b) und c) mit den ursprünglich zur Verbreitung vorgesehene Integritätsinformationen und nicht mit den erhöhten Integritätsinformationen durchgeführt werden, für die Schritte b) und c) also immer das originale Integritätsnsiko verwendet wird. Die Berechnungen in den Schritten a)–c) werden auch noch für alle Benutzergeometrien durchgeführt.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens können die Integritätsinformationen User Differential Range Errors für die Fehler von Satellitensignalen und Grid Ionospheric Vertical Errors für durch die Ionosphäre verursachte Fehler aufweisen, und die User Differential Range Errors können in den Schritten b) und c) markiert und im Schritt d) ersetzt wenden.
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Gemäß einer weiteren speziellen Ausgestaltung des Verfahrens können zur Erfüllung von erhöhten Integritätsanforderungen gemäß LPV200 können das kombinierte Integritätsrisiko etwa 2E-7/150 Sekunden, die horizontale Schranke etwa 40 Meter, die vertikale Schranke etwa 35 Meter, das vertikale Integritätsrisiko in einem fehlerfreien Fall etwa 1E-7/150 Sekunden, die erste vorgegebene Schwelle etwa 10 Meter, das vertikale Integritätsrisiko in einem Fehlerfall etwa 1E-5/150 Sekunden und die zweite vorgegebene Schwelle etwa 15 Meter betragen.
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Das Verfahren kann insbesondere im Erweiterungssystem EGNOS V3 Phase A eingesetzt werden, insbesondere um noch zu definierende und sich ggf. ändernde und gegenüber gegebenen Integritätsanforderungen neue erhöhte Integritätsforderungen mit herkömmlichen SBAS-Empfänger erfüllen zu können, die beispielsweise bereits in Flugzeugen verbaut sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte nach der Erfindung und wie vorstehend beschrieben, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird.
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Ferner betrifft eine Ausführungsform der Erfindung einen Datenträger, auf dem der von einem Computer ausführbare Programmcode des Computerprogramms nach der Erfindung und wie vorstehend beschrieben gespeichert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erfüllen erhöhter Integritätsanforderungen mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems mit Prozessormitteln, die zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung konfiguriert sind.
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Die Vorrichtung kann ferner zum Übermitteln der Integritätsinformationen an Nutzungssysteme des Satellitennavigationssystems ausgebildet sein, insbesondere über Uplink-Stationen zu SBAS-Satelliten, die wiederum mittels Broadcast-SBAS-Signalen die Integritätsinformationen an SBAS-Empfänger übermitteln.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 ein GNSS und ein dieses erweiterndes SBAS;
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2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfüllen erhöhter Integritätsanforderungen mit einem Erweiterungssystem eines Satellitennavigationssystems gemäß der Erfindung.
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In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt ein SBAS, das die Signale der Satelliten SAT1–SAT5 eines zu erweiternden GNSS wie beispielsweise GALILEO, GPS oder GLONASS mit einem eigenen Bodennetzwerk überwacht, das mehrere Referenzstationen RS1–RS2 zum Empfangen der GNSS-Signale aufweist. Ein Kontrollzentrum CC verarbeitet die Messungen der Referenzstationen und berechnet daraus insbesondere Korrekturdaten und Integritätsinformationen, die es per Satelliten-Uplink zu den geostationären SBAS-Satelliten SBAS-SAT übermittelt. Die SBAS-Satelliten SBAS-SAT senden in einer begrenzten Region Erweiterungs- bzw. SBAS-Signale insbesondere im selben Frequenzband wie die GNSS-Signale und mit den gleichen Spreizkodes kodiert aus, so dass sie von den Nutzungssystemen des zu erweiternden GNSS empfangen und verarbeitet werden können. Nutzungssysteme, die zum Empfang und zur Verarbeitung der SBAS-Signale geeignet, beispielsweise softwaretechnisch entsprechend konfiguriert sind, werden auch als SBAS-Empfänger bezeichnet.
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Bei EGNOS entsprechen den Referenzstationen sogenannte RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations), die kontinuierlich die GNSS-Signale der GNSS-Satelliten (Ranging-Signale oder Signal-in-Space) messen und auf Fehler überwachen. Detektierte Fehler werden von den RIMS an eine CPF (Central Processing Facility) eines MCC (Mission Control Center) übermittelt, die für fehlerhafte GNSS-Signale insbesondere „DON'T USE” Flags zur Verbreitung an Nutzungssysteme mit EGNOS-Nachrichten generiert. Die EGNOS-Nachrichten enthalten zudem weitere Korrekturdaten eines SBAS, wie im Folgenden erläutert wird.
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Der mit den SBAS-Signalen zur Verfügung gestellte SBAS-Dienst übermittelt insbesondere folgende Informationen an Nutzungssysteme:
- • Satelliten-Geometrie-Informationen wie Ephemeriden-Daten der Satelliten und Korrekturdaten der Satellitenpositionen;
- • Ranging-Informationen wie Ranges, Uhrzeit- und Ephemeriden-Korrekturen und Ionosphären-Korrekturen; und
- • Messqualitäts-Informationen in Form von Standardabweichungen der Korrekturen (statistische Beschreibungen, als Integritätsinformationen bezeichnet, die zur Verbesserung der Sicherheit bei der Positionsbestimmung dienen).
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Die Integritätsinformationen weisen insbesondere folgende Daten auf:
- • UDREs (User Differential Range Errors) für die Fehler von GNSS-Signalen, und
- • GIVEs (Grid Ionospheric Vertical Errors) für durch die Ionosphäre verursachte Fehler, die insbesondere für Einfrequenz-SBAS in der Regel die größte Fehlerquelle darstellen.
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Um nun erhöhte Integritätsanforderungen insbesondere gemäß LPV200 sicherzustellen, werden die vom SBAS-Satelliten an SBAS-Empfänger übermittelten Integritätsinformationen, insbesondere die UDREs derart vergrößert, dass mit den vom SBAS verbreiteten Integritätsinformationen die erhöhten Anforderungen erfüllt werden können. Dazu wird die folgende neue Strategie verwendet, die am Beispiel von LPV200 als Grundlage für neue erhöhte Integritätsanforderungen mit Bezug auf 2, die einen insbesondere im Kontrollzentrum CC von einem Computer ausgeführten Verfahrensablauf zum Ermitteln der zu verbreitenden UDREs und GIVEs zeigt, erläutert wird:
- 1. Die zur Verbreitung vorgesehenen UDREs und GIVEs werden auf die Werte UDRE0, GIVE0 gesetzt, die ursprünglich zur Verbreitung vorgesehen sind (S10).
- 2. Auf einem engen Gitter von Testpositionen werden die Schutzbereiche, insbesondere VPL und HPL, für ein kombiniertes Integritätsrisiko von 2E-7/150 Sekunden berechnet (S12). Dazu werden beim ersten Ausführen dieses Schrittes die ursprünglich zur Verbreitung vorgesehen UDREs und GIVEs UDRE0 bzw. GIVE0 und bei weiteren Ausführungen dieses Schrittes ggf. erhöhte zur Verbreitung vorgesehen UDREs verwendet. Es werden dabei an jeder Testposition alle Kombinationen von Satelliten verwendet, die einen Schutzbereich von horizontal kleiner als 40 Meter und vertikal kleiner als 35 Meter bereitstellen.
- 3. An den Positionen und für alle Kombinationen von Satelliten, an denen in Schritt 2 der Schutzbereich horizontal kleiner als 40 Meter und vertikal kleiner als 35 Meter ist, wird ein zweiter Schutzbereich für ein Integritätsrisiko von 1E-7/150 Sekunden vertikal im fehlerfreien Fall berechnet (S14). Für diese Berechnung des zweiten Schutzbereiches werden die ursprünglich zur Verbreitung vorgesehenen UDREs und GIVEs UDRE0 bzw. GIVE0 verwendet. Sollte es Positionen geben, bei welchen dieser zweite Schutzbereich größer als 10 Meter ist, werden die zur Verbreitung vorgesehenen UDREs für die an dieser Position in dieser Kombination verwendeten Satelliten für eine Erhöhung markiert (S16).
- 4. An den Positionen und für alle Kombinationen von Satelliten, an denen in Schritt 2 der Schutzbereich horizontal kleiner als 40 Meter und vertikal kleiner als 35 Meter ist, wird ein dritter Schutzbereich für ein Integritätsrisiko von 1E-5/150 Sekunden vertikal im Fehlerfall berechnet (S18). Für diese Berechnung des dritten Schutzbereiches werden die original zur Verbreitung vorgesehenen UDREs und GIVEs UDRE0 bzw. GIVE0 verwendet. Sollte es Positionen geben, bei welchen dieser dritte Schutzbereich größer als 15 Meter ist, werden die zur Verbreitung vorgesehenen UDREs für die an dieser Position in dieser Kombination verwendeten Satelliten für eine Erhöhung markiert (S20).
- 5. Sollten die zur Verbreitung vorgesehenen UDREs von irgendwelchen Satelliten im System für eine Erhöhung markiert sein (S22), werden diese zur Verbreitung vorgesehenen UDREs auf den nächst möglichen höheren Wert erhöht (S24) und dann zu Schritt 2 gegangen. Sind keine zur Verbreitung vorgesehenen UDREs von irgendwelchen Satelliten im System für eine Erhöhung markiert, wird zu Schritt 6 gegangen.
- 6. Die zur Verbreitung vorgesehenen und ggf. in den vorhergehenden Schritten erhöhten UDREs werden dann anschließend über das SBAS verbreitet.
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Mit der vorliegenden Erfindung können erhöhte Integritätsanforderungen insbesondere gemäß LPV200 mit einem SBAS erfüllt werden, indem die an SBAS-Empfänger zu übermittelnden Integritätsinformationen entsprechend den gegenüber den üblichen Anforderungen erhöhten Anforderungen so vergrößert werden, dass von den für die üblichen Anforderungen ausgelegten SBAS-Empfängern auch die erhöhten Integritätsanforderungen erfüllt werden können.
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BEZUGSZEICHEN UND AKRONYME
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- APV
- Approach Procedure with Vertical Guidance
- EGNOS
- European Geostationary Navigation Overlay Service
- GIVE
- Grid Ionospheric Vertical Error
- GNSS
- Global Navigation Satellite System
- HAL
- horiztontal Alert Limit
- HPL
- horizontal Protection Level
- LPV
- Localizer Performance with Vertical Guidance
- MSAS
- Multifunctional Satellite Augmentation System
- SBAS
- Satellite Based Augmentation System
- UDRE
- User Differential Range Error
- VAL
- vertical Alert Limit
- VPL
- vertical Protection Level
- WAAS
- Wide Area Augmentation System
- SAT1–SAT5
- GNSS-Satelliten
- SBAS-SAT
- SBAS-Satellit
- RS1–RS2
- SBAS-Referenzstation
- CC
- SBAS-Kontrolzentrum
