-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Position eines Flugobjekts, insbesondere eines bemannten Luftfahrzeugs.
-
Im Luftverkehr sind verschiedene Verfahren bekannt, wie ein Luftfahrzeug seine Position ermitteln kann. Insbesondere im zivilen Luftverkehr wird immer häufiger eine satellitengestützte Ortung durch das Luftfahrzeug durchgeführt, um seine Position zu Navigationszwecken zu bestimmen.
-
Bei einer Positionsbestimmung basierend auf satellitengestützter Ortung erweist es sich jedoch als problematisch, dass die Satellitensignale z.B. durch Angriffe verfälscht werden können bzw. diese Signale überhaupt nicht zur Verfügung stehen. Deshalb besteht das Bedürfnis, auf Alternativsysteme zur Positionsbestimmung eines Luftfahrzeugs zurückzugreifen. Solche Alternativsysteme werden auch als APNT (APNT = Alternative Positioning, Navigation and Timing) bezeichnet.
-
Im Stand der Technik vorgeschlagene APNT-Systeme ermitteln die Position eines Luftfahrzeugs in der Regel aus Signalen, die zwischen Bodenstationen auf der Erdoberfläche und dem Luftfahrzeug übermittelt werden. Zum Beispiel wird über eine Laufzeitmessung von Signalen, die vom Luftfahrzeug zu einer Bodenstation und anschließend wieder zum Luftfahrzeug gesendet werden, die Entfernung zwischen Bodenstation und Luftfahrzeug ermittelt. Sind mehrere solche Distanzen für unterschiedliche Bodenstationen bekannt, kann dann über Multilateration die Position des Luftfahrzeugs abgeleitet werden.
-
Herkömmliche APNT-Systeme weisen den Nachteil auf, dass die Positionsermittlung ungenau ist, da hierfür nur Bodenstationen verwendet werden, die nahezu in der gleichen Ebene liegen. Insbesondere kann mit solchen Systemen oftmals nicht die Höhenposition des Luftfahrzeugs erfasst werden.
-
Die Druckschrift
US 2014/0195150 A1 offenbart die Verwendung von unbemannten Flugzeugen in der Stratosphäre in Kombination mit einem GPS-System. Die Flugzeuge können u.a. zur Weiterleitung von GPS-Signalen genutzt werden.
-
In dem Dokument T. Tsujii et al.: „A new positioning/navigation system based on pseudolites installed on high altitude platforms systems (HAPS)“, 24th international congress of the aeronautical science, 29.8. bis 3.9.2004, und in der Druckschrift P. Mulassano: „Stratospheric platform as support infrastructure for GPS and Galileo“, Dissertation, Turin, Dezember 2003, wird u.a. die Verwendung von stratosphärischen Plattformen als Pseudoliten beschrieben.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zu schaffen, mit denen auf einfache Weise die Position eines Flugobjekts mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. das System gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung der Position eines Flugobjekts. Unter einer Position eines Flugobjekts ist hier und im Folgenden die dreidimensionale Position des Flugobjekts in Bezug auf ein erdfestes Bezugssystem zu verstehen. Auch die weiter unten genannten Positionen von anderen Einheiten sind solche dreidimensionale Positionen. Das Flugobjekt, dessen Position bestimmt wird, ist in einer bevorzugten Variante ein bemanntes Luftfahrzeug, wie z.B. ein Passagierflugzeug oder ein Helikopter.
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens senden mehrere Stationen (vorzugsweise zumindest vier Stationen), welche eine oder mehrere Bodenstationen auf die Erdoberfläche und eine oder mehrere Plattformen in der Stratosphäre umfassen, erste und zweite Signale aus, die von dem Flugobjekt (d.h. einem Empfänger im Flugobjekt) empfangen werden. Die ersten Signale stammen von der oder den Bodenstationen und die zweiten Signale von der oder den Plattformen. Die Bodenstationen haben eine vorbekannte stationäre Position auf der Erdoberfläche. Die Plattformen haben vorzugsweise eine quasi-stationäre Position, d.h. die Zeitskala der Veränderung der Position der jeweiligen Plattformen ist groß im Vergleich zur Zeitskala einer Positionsbestimmung. Mit anderen Worten ist die Positionsveränderung einer Plattform im Vergleich zu der Dauer einer Positionsmessung vernachlässigbar.
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt eine Verarbeitungseinrichtung im Flugobjekt aus den empfangenen ersten und zweiten Signalen die Position des Flugobjekts. Mit anderen Worten sind die ersten und zweiten Signale derart ausgestaltet, dass eine solche Positionsermittlung möglich ist. In der Regel werden zumindest drei und vorzugsweise zumindest vier Signale von unterschiedlichen Stationen zur Positionsbestimmung benötigt. Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die ersten bzw. zweiten Signale unterschiedliche Informationen enthalten, welche die Ermittlung der Position des Flugobjekts ermöglichen. In an sich bekannter Weise können beispielsweise echte Distanzen zwischen den jeweiligen Stationen und dem Flugobjekt oder aus der satellitengestützten Ortung bekannte Pseudoranges aus den ersten und zweiten Signalen bestimmt werden, wobei aus diesen Distanzen bzw. Pseudoranges dann die Position des Flugobjekts ermittelt wird. Zur Bestimmung der Pseudorange enthalten die ersten und zweiten Signale jeweils eine Sendezeitinformation entsprechend dem Sendezeitpunkt des Signals sowie eine Positionsinformation, aus der die Position der sendenden Station bestimmbar ist. Echte Distanzen können z.B. mittels einer Laufzeitmessung zwischen dem Aussenden eines Anfragesignals des Flugobjekts und dem Empfang eines Antwortsignals der Station gemessen werden, wobei das Antwortsignal in Antwort auf das Anfragesignal von der Station ausgesendet wird. Das Antwortsignal stellt in diesem Fall ein entsprechendes erstes bzw. zweites Signal dar. Ebenso kann über Schätzungen der Winkel der eintreffenden ersten und zweiten Signale eine Positionsbestimmung des Flugobjekts durchgeführt werden. Auch können ggf. Kombinationen der soeben beschriebenen Methoden zur Ermittlung der Flugobjekt-Position verwendet werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Positionsbestimmung des Flugobjekts unter Verwendung zumindest einer in der Stratosphäre angeordneten Plattform erfolgt. Demzufolge werden zur Positionsberechnung Stationen verwendet, die nicht mehr alle auf der Erdoberfläche liegen, wodurch die Positionsbestimmung verbessert wird und insbesondere auch die vertikale Position des Flugobjekts ermittelt werden kann. Darüber hinaus sind die Signale von den Plattformen und den Bodenstationen bei Empfang im Flugzeug stärker als entsprechende Satellitensignale, wodurch die Verlässlichkeit der Positionsbestimmung verbessert wird. Ferner unterliegen die Signale keinen ionosphärischen Störungen, wie dies bei Satellitensignalen der Fall ist.
-
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen die ersten und zweiten Signale in einem Frequenzband zwischen 900 MHz und 2000 MHz, insbesondere zwischen 960 MHz und 1215 MHz. Das Frequenzband zwischen 960 MHz und 1215 MHz entspricht dem in der Luftfahrt genutzten ARNS-Frequenzband (ARNS = Aeronautical Radio Navigation Service). Als Kommunikationstechnologien können unter anderem DME (DME = Distance Measuring Equipment), enhanced DME, LDACS (LDACS = L-band Digital Aeronautical Communications System), SSR (SSR = Secondary Surveillance Radar), eLORAN (eLORAN = enhanced Long Range Navigation) und ADS-B (ADS-B = Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) genutzt werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ermittelt eine jeweilige Plattform ihre Position mit Hilfe einer satellitengestützten Ortung über ein Navigations-Satellitensystem aus mehreren Satelliten. Es kann hierzu ein beliebiges Navigations-Satellitensystem genutzt werden, wie z.B. GPS (GPS = Global Positioning System), Galileo, GLONASS und dergleichen. Die jeweilige Plattform übermittelt in einem jeweiligen zweiten Signal, das von ihr ausgesendet wird, eine von der ermittelten Position abhängige Positionsinformation zusammen mit einer Zeitinformation. In einer Variante kann die Positionsinformation direkt die Position darstellen bzw. ggf. auch Parameter enthalten, aus der die Position berechenbar ist. Die Zeitinformation in dem jeweiligen zweiten Signal repräsentiert den Sendezeitpunkt des jeweiligen zweiten Signals und ist auf eine Systemzeit des Navigations-Satellitensystems synchronisiert. Die Verarbeitungseinrichtung im Flugobjekt verarbeitet die Positionsinformation und die Zeitinformation in dem jeweiligen zweiten Signal im Rahmen der Ermittlung der Position des Flugobjekts. Insbesondere bestimmt die Verarbeitungseinrichtung aus der Positionsinformation und der Zeitinformation eine Größe, die für die Ermittlung der Position des Flugobjekts benötigt wird. Vorzugsweise ist die Grö-ße, die für die Ermittlung der Position des Flugobjekts benötigt wird, die Pseudorange oder Pseudostrecke zwischen jeweiliger Plattform und Flugobjekt. Der Begriff der Pseudorange oder Pseudostrecke ist dem Fachmann aus der satellitengestützten Ortung bekannt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in gleicher Weise wie soeben beschrieben in einem jeweiligen ersten Signal, das von einer jeweiligen Bodenstation ausgesendet wird, eine von der Position der jeweiligen Bodenstation abhängige Positionsinformation zusammen mit einer Zeitinformation übermittelt, welche dem Sendezeitpunkt des jeweiligen ersten Signals entspricht und auch auf die Systemzeit des Navigations-Satellitensystems synchronisiert ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung im Flugobjekt die Positionsinformation und die Zeitinformation in dem jeweiligen ersten Signal im Rahmen der Ermittlung der Position des Flugobjekts verarbeitet. Insbesondere bestimmt die Verarbeitungseinrichtung aus der Positionsinformation und der Zeitinformation eine Größe, die für die Ermittlung der Position des Flugobjekts benötigt wird. Vorzugsweise ist die Größe, die für die Ermittlung der Position des Flugobjekts benötigt wird, die bereits oben genannte Pseudorange oder Pseudostrecke zwischen jeweiliger Bodenstation und Flugobjekt.
-
Zur Synchronisation der Zeitinformation auf Seiten der Bodenstation werden in einer Variante der Erfindung die zweiten Signale genutzt. Mit anderen Worten erfolgt in einer jeweiligen Bodenstation die Synchronisation der Zeitinformation in einem jeweiligen ersten Signal auf die Systemzeit des Navigations-Satellitensystems zumindest zeitweise basierend auf zweiten Signalen, die neben dem Flugobjekt auch von der jeweiligen Bodenstation empfangen werden. Dies ist möglich, da die Zeitinformation in den zweiten Signalen bereits auf die Systemzeit des Navigations-Satellitensystems synchronisiert ist.
-
In einer weiteren Variante erfolgt in einer jeweiligen Bodenstation die Synchronisation der Zeitinformation in einem jeweiligen ersten Signal auf die Systemzeit des Navigations-Satellitensystems zumindest zeitweise direkt basierend auf Satellitensignalen des Navigations-Satellitensystems, was jedoch nur dann möglich ist, wenn diese Signale von der jeweiligen Bodenstation empfangbar sind.
-
In einer besonders bevorzugten Variante werden die soeben beschriebenen Ausgestaltungen der Synchronisation geeignet kombiniert. Mit anderen Worten erfolgt die Synchronisation der Zeitinformation in einem jeweiligen ersten Signal auf die Systemzeit des Navigations-Satellitensystems basierend auf Satellitensignalen des Navigations-Satellitensystems, sofern Satellitensignale in der jeweiligen Bodenstation empfangbar sind, wobei ansonsten (d.h. wenn keine Satellitensignale empfangbar sind) die Synchronisation der Zeitinformation basierend auf den zweiten Signalen erfolgt, die von der jeweiligen Bodenstation empfangen werden.
-
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung empfängt eine jeweilige Bodenstation zumindest eines Teils der Bodenstationen sowohl Satellitensignale des Navigations-Satellitensystems als auch zweite Signale und stellt aus dem Vergleich der Zeitinformationen in den Satellitensignalen und den zweiten Signalen fest, ob ein anormaler Betriebszustand der jeweiligen Bodenstation vorliegt. Dieser kann z.B. durch sog. Spoofing-Attacken hervorgerufen werden, bei denen ein verfälschtes Satellitensignal an die Bodenstation übermittelt wird. Im Falle, dass ein anormaler Betriebszustand festgestellt wird, können geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Insbesondere können die zweiten Signale der jeweiligen Bodenstation zumindest temporär nicht zur Positionsbestimmung genutzt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Navigations-Satellitensystem verzichtet. In diesem Fall ermittelt eine jeweilige Plattform ihre Position über terrestrische Ortung mittels zumindest eines Teils der Bodenstationen, wobei in einem jeweiligen zweiten Signal, das von der jeweiligen Plattform ausgesendet wird, eine von der ermittelten Position abhängige Positionsinformation zusammen mit einer Zeitinformation übermittelt wird, welche dem Sendezeitpunkt des jeweiligen zweiten Signals entspricht und auf eine Systemzeit synchronisiert ist, welche durch eine Uhr in zumindest einer Plattform gegeben ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung im Rahmen der Ermittlung der Position des Flugobjekts die Positionsinformation und die Zeitinformation in dem jeweiligen zweiten Signal verarbeitet. Vorzugsweise wird auch in einem jeweiligen ersten Signal, das von einer jeweiligen Bodenstation ausgesendet wird, eine von der Position der jeweiligen Bodenstation abhängige Positionsinformation zusammen mit einer Zeitinformation übermittelt wird, welche dem Sendezeitpunkt des jeweiligen ersten Signals entspricht und auf die Systemzeit synchronisiert ist, welche durch die Uhr in der zumindest einen Plattform gegeben ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung im Rahmen der Ermittlung der Position des Flugobjekts die Positionsinformation und die Zeitinformation in dem jeweiligen ersten Signal verarbeitet.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens empfängt eine jeweilige Plattform zumindest eines Teils der Plattformen die ersten Signale von zumindest einem Teil der Bodenstationen und übermittelt für eine jeweilige Bodenstation des zumindest eines Teils der Bodenstationen eine Qualitätsinformation zu den ersten Signalen der jeweiligen Bodenstation an das Flugobjekt. Die Qualitätsinformation wird in der jeweiligen Plattform ermittelt, und zwar basierend auf einem Vergleich zumindest eines berechneten Werts der Distanz zwischen der jeweiligen Plattform und der jeweiligen Bodenstation, der mittels einer oder mehrerer empfangener erster Signale der jeweiligen Bodenstation in der jeweiligen Plattform berechnet wird, mit der tatsächlichen Distanz zwischen der jeweiligen Plattform und der jeweiligen Bodenstation. Die tatsächliche Distanz ist problemlos aus der Position der Plattform sowie der vorbekannten Position der Bodenstation bestimmbar. Die Qualitätsinformation hängt von zumindest einem Gütemaß ab, das eine umso höhere Qualität des ersten Signals der jeweiligen Bodenstation repräsentiert, je geringer der Unterschied zwischen dem zumindest einen berechneten Wert der Distanz und der tatsächlichen Distanz ist.
-
Mittels der soeben beschriebenen Qualitätsinformation kann in der Verarbeitungseinrichtung des Flugobjekts festgestellt werden, ob ein zur Positionsbestimmung verwendetes erstes Signal eine ausreichende Qualität ausweist. Ist dies nicht der Fall, kann dieses Signal nicht zur Positionsbestimmung verwendet werden bzw. im Rahmen der Positionsbestimmung anders gewichtet werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gibt die Qualitätsinformation an, ob das erste Signal der jeweiligen Bodenstation zur Positionsbestimmung durch das Flugobjekt verwendbar ist, z.B. mittels eines geeigneten Flags. Alternativ oder zusätzlich kann die Qualitätsinformation auch Informationen zu Fehlern zwischen berechneten Werten der Distanz und der tatsächlichen Distanz enthalten, wie z.B. die Größe des erwarteten Fehlers bzw. eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Fehler. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass zusätzlich zu der Qualitätsinformation eine Korrekturinformation zur Korrektur von mittels ersten Signalen ermittelten Distanzen an das Flugobjekt übertragen wird.
-
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ein System zur Bestimmung der Position eines Flugobjekts, insbesondere eines bemannten Luftfahrzeugs, umfassend mehrere Stationen sowie das Flugobjekt selbst, wobei die Stationen eine oder mehrere Basisstationen auf der Erdoberfläche und eine oder mehrere Plattformen in der Stratosphäre umfassen und das System zur Durchführung eines Verfahrens ausgestaltet ist, bei dem:
- - mehrere Stationen erste und zweite Signale aussenden, die von dem Flugobjekt empfangen werden, wobei die ersten Signale von der oder den Bodenstationen stammen und die zweiten Signale von der oder den Plattformen stammen;
- - eine Verarbeitungseinrichtung im Flugobjekt aus den empfangenen ersten und zweiten Signalen die Position des Flugobjekts ermittelt.
-
Das System ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet.
-
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verarbeitungseinrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Verarbeitungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie bei Betrieb in einem Flugobjekt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aus im Flugobjekt empfangenen ersten und zweiten Signalen die Position des Flugobjekts ermittelt.
-
Die Verarbeitungseinrichtung kann auch in bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. In diesem Fall ist die Verarbeitungseinrichtung zur Ausführung der ihr zugeordneten Schritte der bevorzugten Varianten ausgestaltet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten 1 detailliert beschrieben. Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Variante eines erfindungsgemäßen Systems zur Positionsbestimmung eines Flugobj ekts.
-
In 1 ist ein Flugobjekt in der Form eines Passagierflugzeugs 1 gezeigt, das im normalen Flugbetrieb seine Position über ein Navigations-Satellitensystem ermittelt. Dieses Satellitensystem wird im Folgenden als GNSS-System bezeichnet (GNSS = Global Navigation Satellite System). Dabei kann es sich um ein GPS-Satellitensystem oder auch um ein beliebiges anderes Satellitensystem, wie z.B. Galileo oder GLONASS, handeln. Das Satellitensystem ist schematisch durch die drei dargestellten Satelliten 401, 402 und 403 wiedergegeben, deren Satellitensignale mit SI bezeichnet sind. Eine satellitengestützte Ortung des Flugzeugs 1 mittels eines GNSS-Systems weist den Nachteil auf, dass die Satellitensignale gestört sein können bzw. aufgrund der großen Entfernung der Satelliten von dem Flugzeug 1 sehr schwach sind, was dazu führen kann, dass das Flugzeug 1 seine Position zumindest temporär nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit über das GNSS-System bestimmen kann.
-
Im Rahmen der hier beschriebenen Ausführungsform wird deshalb bei Bedarf ein alternatives Verfahren zur Positionsbestimmung des Flugzeugs 1 eingesetzt. Diese Positionsbestimmung verwendet eine Mehrzahl von Bodenstationen 201, 202 und 203, die auf der Erdoberfläche GS vorgesehen sind, sowie zusätzlich zumindest eine Plattform, wobei in Ausführungsform der 1 zwei Plattformen 301 und 302 vorgesehen sind. Diese Plattformen sind oberhalb der Erdoberfläche GS in der Stratosphäre SP, d.h. in einer Höhe zwischen 17 km und 22 km über der Erdoberfläche, positioniert. Solche Plattformen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden oftmals als HAPS bezeichnet (HAPS = High Altitude Platform System). Bis dato werden diese Plattformen jedoch nicht zur Positionsbestimmung genutzt.
-
Über einen (nicht gezeigten) Empfänger in dem Flugobjekt 1 werden erste Signale SI1 von den einzelnen Basisstationen 201 bis 203 sowie zusätzlich zweite Signale SI2 von den beiden Plattformen 301 und 302 empfangen. Die Signale SI1 und SI2 werden jeweils per Broadcast ausgesendet und basierend auf diesen Signalen ermittelt eine im Flugzeug vorgesehene Verarbeitungseinrichtung (nicht gezeigt) die Flugzeugposition.
-
Die Bodenstationen 201, 202 und 203 sind jeweils an einer vorbekannten stationären Position auf der Erdoberfläche angeordnet. Auf ähnliche Weise befinden sich die Plattformen 301 und 302 an einer im Wesentlichen stationären Position, die häufig auch als quasi-stationär bezeichnet wird. Quasi-stationär bedeutet, dass die Veränderung der Position der einzelnen Plattformen im Vergleich zu der Dauer einer Positionsmessung vergleichsweise klein ist, so dass die Position der Plattformen im Rahmen der Ermittlung der Flugzeugposition als fest angenommen werden kann.
-
Um die Bestimmung der Flugzeug-Position über die ersten und zweiten Signale SI1 und SI2 zu ermöglichen, enthalten die einzelnen Signale eine entsprechende Positionsinformation der jeweiligen Bodenstation bzw. Plattform, die das Signal aussendet, sowie eine Zeitinformation, welche den Sendezeitpunkt des entsprechenden Signals repräsentiert. Aus der Positionsinformation kann die Verarbeitungseinrichtung in Flugobjekt 1 die Position der sendenden Bodenstation bzw. Plattform ermitteln. In einer einfachen Variante kann die Positionsinformation direkt Positionsdaten der jeweiligen aussendenden Bodenstation bzw. Plattform entsprechen. Wie erwähnt, ist die Position der jeweiligen Bodenstation dabei vorbekannt. Demgegenüber bestimmt jede Plattform ihre Position mittels des GNSS-Systems, wie weiter unten noch näher beschrieben wird. Anstatt Positionsdaten direkt zu übertragen, kann ggf. auch ein Satz von auf diesen Positionsdaten basierenden Parametern übermittelt werden, aus denen dann die Verarbeitungseinrichtung im Flugobjekt die Position der entsprechenden Bodenstation bzw. Plattform ableiten kann.
-
Die einzelnen Uhren in den Bodenstationen und den Plattformen sind alle untereinander synchronisiert, so dass die Sendezeitinformationen, die von den jeweiligen Bodenstationen bzw. Plattformen ausgesendet werden, alle auf eine gemeinsame Systemzeit abgestimmt sind. In der Ausführungsform der 1 ist diese Systemzeit die Systemzeit des GNSS-Systems. Die Synchronisation auf diese Systemzeit wird weiter unten näher erläutert.
-
Mittels der Positionsinformation und der Zeitinformation in den einzelnen Signalen SI1 und SI2 können mit an sich bekannten Algorithmen, die insbesondere aus der Satelliten-Navigation bekannt sind, die. Pseudoranges der Bodenstationen bzw. Plattformen von dem Flugzeug ermittelt werden und hieraus die Position des Flugzeugs durch die Verarbeitungseinrichtung bestimmt werden. Nichtsdestotrotz können die Signale SI1 und SI2 auch andere Arten von Informationen enthalten, so dass die Positionsbestimmung im Flugzeug anders abläuft. Insbesondere kann die Position auch aus einer Laufzeit von Signalen ermittelt werden, wobei in diesem Fall von dem Flugobjekt zunächst ein Signal hin zu den jeweiligen Bodenstationen bzw. Plattformen ausgesendet wird, und anschließend nach einer vorbestimmten Antwortverzögerung entsprechende Signale zurückgesendet werden, wobei die zurückgesendeten Signale z.B. die in 1 gezeigten Signale SI1 bzw. SI2 sein können. Über die Laufzeit kann dann die Distanz des Flugzeugs zu den jeweiligen Bodenstationen bzw. Plattformen ermittelt werden und hierüber die Position des Flugobjekts berechnet werden.
-
Üblicherweise werden bei der Positionsbestimmung mittels der Signale SI1 und SI2 zumindest vier sendende Stationen (ausgewählt aus den Bodenstationen und Plattformen) benötigt, wobei es erfindungswesentlich ist, dass zumindest eine der Stationen eine Bodenstation und zumindest eine der Stationen eine Plattform ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die zur Positionsermittlung des Flugobjekts verwendeten Stationen nicht alle in der Ebene der Erdoberfläche GS liegen, wodurch eine Bestimmung der vertikalen Position des Flugzeugs über der Erdoberfläche GS mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.
-
Wie bereits erwähnt, sind in den Signalen SI1 und SI2 entsprechende Positionsinformationen der Bodenstationen bzw. Plattformen enthalten. Da die Position der Bodenstationen vorbekannt ist, kann diese Positionsinformation problemlos in den ersten Signal SI1 integriert werden. Im Unterschied hierzu müssen die Plattformen 301 und 302 zunächst ihre jeweilige aktuelle Position selbst ermitteln, wobei hierzu das GNSS-System verwendet wird, von dem die Satelliten 401, 402 und 403 gezeigt sind. Die Satelliten senden die Satellitensignale SI aus, die von den einzelnen Plattformen 301 und 302 empfangen werden, wobei auf Basis der Informationen in den Satellitensignalen in an sich bekannter Weise die Satellitenpositionen bestimmt werden und hieraus wiederum die Plattform-Positionen abgeleitet werden. Basierend auf diesen Plattform-Positionen können dann in den Signalen SI2 die entsprechenden Positionsinformationen hinterlegt werden.
-
Wie bekannt, enthalten die einzelnen Satellitensignale SI eine Sendezeitinformation, wobei die Sendezeitinformationen der unterschiedlichen Satelliten auf eine Systemzeit des GNSS-Systems synchronisiert sind. Diese Zeitinformation wird auch zur Synchronisation der Uhren in den einzelnen Plattformen genutzt, so dass auch die in den zweiten Signalen SI2 enthaltene Sendezeitinformation auf die GNSS-Systemzeit synchronisiert ist. Wie bereits oben erwähnt, synchronisieren sich die einzelnen Bodenstation 201, 202 und 203 auch auf die GNSS-Systemzeit. Dies kann auf zwei Arten bewirkt werden. In einer Variante empfangen die einzelnen Bodenstationen auch die Signale SI des GNSS-Satellitensystems und synchronisieren sich dann direkt auf die GNSS-Systemzeit. In einer anderen Variante wird der Signalinhalt der Signale SI2 genutzt, wobei die Signale SI2 von den Bodenstationen empfangen werden können, wie beispielhaft durch entsprechende Pfeile zwischen Plattform 301 und Bodenstation 201 sowie zwischen Plattform 302 und Bodenstation 203 angedeutet ist. Da die Zeitinformation in diesen Signalen SI2 auf die GNSS-Systemzeit synchronisiert ist, kann hierüber auch die Synchronisation auf diese Systemzeit in den einzelnen Bodenstationen vorgenommen werden.
-
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann die Synchronisation auf die Systemzeit in den einzelnen Bodenstationen immer direkt über die Satellitensignale SI vorgenommen werden, sofern diese Signale empfangbar sind. Ist dies nicht der Fall, kann auf eine Synchronisation basierend auf den zweiten Signalen SI2 gewechselt werden.
-
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Signale SI1 bzw. SI2 in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen. Vorzugsweise nutzen die Signale das Frequenzband zwischen 960 MHz und 1215 MHz, welches das bereits eingangs erwähnte ARNS-Frequenzband ist. Die einzelnen Signale können auf an sich bekannten Kommunikationstechnologien beruhen, wie z.B. den oben genannten Technologien DME, enhanced DME, LDACS, SSR, eLORAN, ADS-B und dergleichen.
-
In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des in 1 verdeutlichten Verfahrens besteht ferner die Möglichkeit, dass von den einzelnen Plattformen 301 und 302 eine Integritätsüberprüfung der ersten Signale SI1 der Basisstation 201 bis 203 durchgeführt wird. Die ersten Signale SI1 werden dabei auch von den Plattformen empfangen, wie beispielhaft durch entsprechende Pfeile zwischen der Bodenstation 201 und der Plattform 301 sowie der Bodenstation 203 und der Plattform 302 angedeutet ist. Da die Position der jeweiligen Plattform und der Bodenstation bekannt ist, weiß die jeweilige Plattform die tatsächliche Distanz zwischen Bodenstation und Plattform. Ferner kann es diese Distanz auch über das entsprechend empfangene Signal SI1 ermitteln. Sollte dabei die Abweichung zwischen der tatsächlichen und der ermittelten Distanz eine Schwelle überschreiten, wird das entsprechende Signal SI1 als unbrauchbar eingestuft, was über eine Integritätsinformation in der Form eines Flags angezeigt werden kann. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die entsprechende Bodenstation beispielsweise durch einen Angriff gestört wird.
-
Die Integritätsinformation kann wiederum über ein geeignetes Signal von der Plattform an das Flugzeug übermittelt werden. Die Verarbeitungseinrichtung im Flugzeug verwendet dann die entsprechende Bodenstation nicht zur Ortung, wenn deren Signal als unbrauchbar eingestuft wurde. Gegebenenfalls kann die an das Flugzeug übermittelte Integritätsinformation auch Korrekturen für basierend auf dem Signal der entsprechenden Bodenstation ermittelte Distanzen enthalten oder auch zusätzliche Informationen über erwartete Fehler bzw. Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Fehlern im entsprechenden ersten Signal.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Bodenstation auch empfangene zweite Signale SI2 einer oder mehrerer Plattformen zusammen mit empfangenen Satellitensignalen SI dazu nutzen, um einen anormalen Betriebszustand der entsprechenden Bodenstation festzustellen. Hierzu vergleicht die Bodenstation die jeweiligen Zeitinformationen im zweiten Signal und im Satellitensignal. Diese Zeitinformationen sollten übereinstimmen, so dass im Falle einer größeren Abweichung dieser Zeitinformationen eine Anormalität festgestellt wird, welche z.B. auf einer sog. Spoofing-Attacke beruhen kann, bei der ein Angreifer ein repliziertes GNSS-Signal an die Bodenstation sendet. Im Falle eines solchen anormalen Betriebszustands kann z.B. die entsprechende Bodenstation ein Aussenden von ersten Signalen SI1 unterbinden, so dass das Signal dieser Bodenstation nicht mehr zur Ermittlung der Position des Flugzeugs verwendet wird und hierdurch fehlerhafte Positionsbestimmungen vermieden werden.
-
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird ein geeignetes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Flugzeugs geschaffen, welches alternativ zu einer satellitengestützten Ortung, z.B. bei mangelndem Satellitenempfang, eingesetzt werden kann. Die Positionsbestimmung weist im Vergleich zu einer reinen Positionsbestimmung über Bodenstationen eine höhere Genauigkeit auf und ermöglicht durch die Verwendung zumindest einer Plattform in der Stratosphäre auch die Ermittlung der vertikalen Position des Flugzeugs über der Erdoberfläche.
-
Da die verwendeten Plattformen einen großen Abstand von der Erdoberfläche aufweisen, sind die entsprechenden GNSS-Empfänger auf den Plattformen auch nicht anfällig für von der Erdoberfläche ausgehende Störungen, wie z.B. sog. „Jamming“. Ferner weisen die von den Plattformen ausgehenden Signale eine größere Signalstärke als Satellitensignale auf und sind auch frei von ionosphärischen Fehlern, wie sie bei Satellitensignalen auftreten. Darüber hinaus sind die von den Plattformen ausgehenden Signale arm an Mehrwegeausbreitung.
-
Wie bereits erwähnt, kann die Synchronisation der Uhren der Plattformen auf die GNSS-Systemzeit vorgenommen werden. Nichtsdestotrotz kann auch auf eine andere Systemzeit synchronisiert werden, wobei hierzu z.B. eine LOS-Verbindung zwischen den Plattformen genutzt werden kann (LOS = Line-of-Sight). Das erfindungsgemäße System zur Positionsbestimmung kann auf einfache Weise implementiert und geeignet verteilt werden. Zum Beispiel können entsprechende Plattformen in Bereichen mit hohem Luftverkehr (z.B. in der Nähe von Flughäfen) vorgesehen werden. Im Vergleich zu Satelliten sind die Kosten für das Einrichten und die Wartung von Plattformen in der Stratosphäre gering.
