DE19508208A1 - Satellite navigation procedures - Google Patents

Satellite navigation procedures

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Abstract

The invention concerns a satellite navigation process, in particular for an automatic landing process for aircraft, according to the ICAO requirements under the CAT-II or CAT-III terms. The necessary degrees of accuracy are achieved by analytical phase evaluation of the carrier signals of at least seven satellites (GPS and/or GLONASS and/or reference stations).

Description

Die Erfindung betrifft ein Satelliten-Navigationsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a satellite navigation method according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für die Naviga­ tion von Flugzeugen beim Landeanflug.The invention is particularly applicable to the Naviga tion of aircraft approaching the landing.

Für die Navigation, insbesondere die dreidimensionale Na­ vigation, ist die Auswertung dafür geeigneter Satelliten­ signale möglich. Solche Satelliten sind zu den Navigati­ onssysstemen GPS ("Global Positioning System") sowie GLONASS ("GLobal Orbiting NAvigation Satellite System") zusammengefaßt. GPS und GLONASS bilden das globale Satel­ litennavigationssystem GNSS (Global Navigation Satellite System). Die von diesen Satelliten ausgesandten Signale können in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit in unterschiedlicher Weise ausgewertet werden. Eine Art der Satellitennavigation benutzt die Auswertung der Code- oder Trägerphasenmessungen eines GNSS-Nutzerempfängers, der an Bord eines Fahrzeuges, z. B. eines Luftfahrzeuges, dessen Position bestimmt werden soll, eingebaut ist. Zur Erhöhung der Navigationsgenauigkeit wird die Differentialarbeits­ weise (DGNSS) von GNSS verwendet. Dabei wird neben dem Nutzerempfänger ein zweiter Empfänger, der Referenzemp­ fänger genannt wird, auf einer bekannten Position einge­ setzt. Dieser ermittelt anhand der bekannten Antennen­ position vorhandene Meßfehler und korrigiert die Messungen des Nutzerempfängers.For navigation, especially the three-dimensional Na vigation, is the evaluation of suitable satellites signals possible. Such satellites are to the Navigati onssysstemen GPS ("Global Positioning System") and GLONASS ("Global Orbiting Navigation Satellite System") summarized. GPS and GLONASS form the global satellite lit navigation system GNSS (Global Navigation Satellite  System). The signals emitted by these satellites can in depending on the required accuracy can be evaluated in different ways. A kind of Satellite navigation uses the evaluation of the code or Carrier phase measurements of a GNSS user receiver, the On board a vehicle, e.g. B. an aircraft whose Position to be determined is installed. To increase the navigation accuracy becomes the differential work wise (DGNSS) used by GNSS. In addition to the User receiver a second receiver, the reference temp catcher is called in a known position puts. This determines using the known antennas position existing measurement errors and corrects the measurements of the user recipient.

Bei hochgenauen Navigationen, beispielsweise automatischen Landungen von Flugzeugen, werden aus Sicherheitsgründen Genauigkeiten von Metern oder sogar Dezimetern gefordert. Beispielsweise hat die US-Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) aus dem Mikrowellenlandesystem (MLS) Genauigkeitsanforderungen (95%) an Navigationssen­ soren für Präzisionsanflüge mit GNSS unter den CAT-I/II/III-Sichtbedingungen der International Civil Aviation Organisition (ICAO) abgeleitet, die in folgender Tabelle 1 dargestellt sind.For high-precision navigation, for example automatic Airplane landings are made for safety reasons Accuracies of meters or even decimeters are required. For example, the U.S. Aviation Authority, FAA (Federal Aviation Administration) from the microwave landing system (MLS) Accuracy requirements (95%) for navigation systems sensors for precision approaches with GNSS under CAT-I / II / III visibility conditions the International Civil Aviation Organization (ICAO) derived in Table 1 below are shown.

Dabei wird die in der Luftfahrt übliche Maßeinheit foot (ft) verwendet und es bedeuten
DH: Decision Height (Entscheidungshöhe)
PFE: Path Following Error (niederfrequenter Fehler-Anteil)
CMN: Control Motion Noise (hochfrequenter Fehler-Anteil)
Bei dem DGNSS-Verfahren (oder DGPS-Verfahren für GPS) kön­ nen die bei Messungen mit GNSS-Empfängern vorkommenden korrelierten Fehler, beispielsweise Satellitenuhrenfehler, Satellitenbahnmodellfehler, Atmosphärenfehler und Erdrota­ tionseinfluß, durch die Differentialarbeitsweise verrin­ gert werden. Weitere Fehler, beispielsweise Rauschen, Mehrwegausbreitungseinflüsse und dynamische Einflüsse, sind jedoch zwischen Messungen von Nutzer- und Referenz- Empfängern unkorreliert. Diese Fehler lassen sich nicht durch eine Differenzenbildung reduzieren.
The standard foot (ft) is used in aviation and means it
DH: Decision Height
PFE: Path Following Error (low-frequency error component)
CMN: Control Motion Noise (high-frequency error component)
In the DGNSS method (or DGPS method for GPS), the correlated errors occurring in measurements with GNSS receivers, for example satellite clock errors, satellite orbit model errors, atmospheric errors and the influence of earth rotation, can be reduced by the differential mode of operation. However, other errors, for example noise, multipath influences and dynamic influences, are uncorrelated between measurements by user and reference receivers. These errors cannot be reduced by forming differences.

Diese störenden Einflüsse des Rauschens und der Dynamik auf die Positionsbestimmung liegen bei Codemessungen typi­ scherweise im Meterbereich. Die störenden Mehrwegeinflüsse bei Codemessungen können bei starken Mehrwegereflexionen sogar einen Navigationsfehler größer als 100 m verursa­ chen. Die unkorrelierten Fehler bei den Trägerphasenmes­ sungen bewegen sich dagegen nur im Bereich von Milli- oder Zentimetern und sind im Vergleich zu den entsprechenden Fehlern bei Codemessungen wesentlich geringer. Die Träger­ phasenmessung weist im Gegensatz zu der Codemessung jedoch eine Anfangsmehrdeutigkeit auf, die mit der Anzahl der Wellenlängen auf dem Weg der Signalübertragung von einem Satelliten zu einem (Nutzer-und/oder Referenz-) Empfänger zusammenhängt.These disturbing influences of noise and dynamics Typi lie on the position determination in code measurements usually in the meter range. The disruptive reusable influences with code measurements can with strong multipath reflections even cause a navigation error greater than 100 m chen. The uncorrelated errors in the carrier phase measurement solutions, on the other hand, only move in the range of milli or Centimeters and are compared to the corresponding Errors in code measurements significantly lower. The bearers In contrast to code measurement, however, phase measurement points an initial ambiguity with the number of Wavelengths on the path of signal transmission from one  Satellite to a (user and / or reference) receiver related.

Ein bekanntes Verfahren, das die komplementären Verhalten der Code- und Phasenmessung unter der Bezeichnung "carrier smoothed code" (phasengeglätteter Code) kombiniert, [Hatch, R, (1982): "The Synergism of GPS code and carrier measurements", Proceedings: Third International Symposium on Satellite Doppler Positioning, Austin, Texas, April 28 - May 2, vol 2.), kann den Einfluß des Coderauschens auf den Navigationsfehler auf den Zentimeterbereich verrin­ gern. Hierbei wird über die Trägerphasenmessung die Emp­ fängerdynamik zwischen zwei Zeitpunkten bestimmt und über die phasengeglättete Codemessung die Phasenmehrdeutigkei­ ten näherungsweise ermittelt. Dieses Verfahren ist derzeit für Echtzeitanwendungen der GPS-Navigation weit verbrei­ tet. Nachteilig an dem Verfahren ist die relativ große Empfindlichkeit für Mehrwegausbreitungseinflüsse und dyna­ mische Einflüsse aufgrund des immer noch vorhandenen Code­ messungsanteils. Die durch dieses Verfahren erreichten Ge­ nauigkeiten erfüllen bisher nicht die für Landeanflüge geforderte vertikale Genauigkeit von 1,2 m mit einer Wahr­ scheinlichkeit von 95% (CAT-III-PFE-Anforderung).A well-known procedure that complements the behavior the code and phase measurement under the name "carrier smoothed code "combined, [Hatch, R, (1982): "The Synergism of GPS code and carrier measurements ", Proceedings: Third International Symposium on Satellite Doppler Positioning, Austin, Texas, April 28 - May 2, vol 2.), can influence the influence of code noise reduce the navigation error to the centimeter range gladly. The Emp catcher dynamics determined between two times and over the phase-smoothed code measurement the phase ambiguity approximately determined. This procedure is currently in progress Widely used for real-time GPS navigation applications tet. The disadvantage of the method is that it is relatively large Sensitivity to multipath and dyna mix influences due to the still existing code measurement share. The Ge achieved by this method Accuracies have so far not met those for landing approaches required vertical accuracy of 1.2 m with a true 95% probability (CAT III PFE requirement).

Zum Erreichen der Genauigkeiten mit einer Standardabwei­ chung im Zentimeter- oder unteren Dezimeterbereich wird eine reine Trägerphasenauswertung verwendet. Hierbei müs­ sen die Phasenmehrdeutigkeiten unter dynamischen Bedin­ gungen aufgelöst werden. Es sind Suchverfahren zur Bestim­ mung der Phasenmehrdeutigkeiten unter kinematischen Bedin­ gungen (bewegtem Empfänger) bekannt, z. B. aus den Litera­ turstellenTo achieve accuracy with a standard deviation in the centimeter or lower decimeter range a pure carrier phase evaluation is used. Here must phase ambiguities under dynamic conditions be resolved. There are search procedures for determining determination of the phase ambiguities under kinematic conditions gungen (moving recipient) known, for. B. from the litera door positions

Hatch, R., (1990): "Instantaneous Ambiguity Resolution", in: Schwarz KP, Lachapelle G (eds): Kinematic systems in geodesy, surveying and remote sensing. Springer, New York Berlin Heidelberg London Paris Tokyo Hong Kong, 299-308.
Landau, H.; Euler, H. J., (1991): "The Key to Decimeter- Level Differential GPS Navigation: Carrier Phase Ambiguity Determination," Proceedings of the First International Symposium for Real Time Differential Applications of the Global Positioning System, Braunschweig, Sept. 1991, vol 1.
Abidin, H.Z./Wells, D.E./Kleusberg, A. (1991): "Multi- Monitor Station "On The Fly" Ambiguity Resolution. Pro­ ceedings: First International Symposium for Real Time Dif­ ferential Applications of the Global Positioning System, Braunschweig, Sept., vol 1.
Remondi, B.W. (1991): "Kinematic GPS Results without Static Initialization", NOAA Technical Memorandum, NOS NGS-55, Rockville, MD.
Hatch, R., (1990): "Instantaneous Ambiguity Resolution", in: Schwarz KP, Lachapelle G (eds): Kinematic systems in geodesy, surveying and remote sensing. Springer, New York Berlin Heidelberg London Paris Tokyo Hong Kong, 299-308.
Landau, H .; Euler, HJ, (1991): "The Key to Decimeter-Level Differential GPS Navigation: Carrier Phase Ambiguity Determination," Proceedings of the First International Symposium for Real Time Differential Applications of the Global Positioning System, Braunschweig, Sept. 1991, vol 1 .
Abidin, HZ / Wells, DE / Kleusberg, A. (1991): "Multi-Monitor Station" On The Fly "Ambiguity Resolution. Pro ceedings: First International Symposium for Real Time Differential Applications of the Global Positioning System, Braunschweig, Sept ., vol 1.
Remondi, BW (1991): "Kinematic GPS Results without Static Initialization", NOAA Technical Memorandum, NOS NGS-55, Rockville, MD.

Derartige Suchverfahren haben insbesondere den Nachteil, daß eine Vorgabe eines Suchraumes erforderlich ist. Wird dieser groß gewählt, um mit Sicherheit die Lösung im Such­ raum zu haben, entsteht ein hoher Rechenzeitbedarf. Bei­ spielsweise können für einen kugelförmigen Suchraum mit einem Radius von drei Metern bei Trägerphasenmessungen mittels vier Satelliten, selbst ohne Berücksichtigung von Rauschen, maximal 32768 potentielle Lösungen existieren. Ein solches Suchverfahren erfordert einen großen technischen Aufwand und erschwert dessen Echtzeitein­ satz. Wird zur Vermeidung dieses Nachteils lediglich ein kleiner Suchraum vorgegeben, so besteht nachteiligerweise die Möglichkeit, daß die gesuchte Lösung außerhalb des Suchraums liegt und daher nicht ermittelt werden kann.Such search methods have the particular disadvantage that that a search space specification is required. Becomes this large chosen to certainly find the solution in search Having space means a high computing time requirement. At for example you can use for a spherical search space a radius of three meters for carrier phase measurements using four satellites, even without considering Noise, a maximum of 32768 potential solutions exist. Such a search process requires a large one technical effort and complicates its real time  sentence. To avoid this disadvantage, only one given a small search space, there is disadvantageously the possibility that the solution sought outside the Search space and therefore cannot be determined.

Weiterhin können in dem Suchraum in nachteiliger Weise ne­ ben einem gesuchten globalen Hauptminimum mehrere Neben­ minima vorhanden sein. Es besteht dann die Möglichkeit, daß ein Suchvorgang auf ein solches Nebenminimum einrastet und somit eine falsche Lösung liefert.Furthermore, ne in the search space disadvantageously ben a searched global main minimum several subsidiary minimum be present. It is then possible to that a search process locks onto such a secondary minimum and thus provides a wrong solution.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Verfahren anzugeben, das eine zuverlässige, echt­ zeitfähige sowie hochgenaue Positionsbestimmung eines bewegten Empfängers ermöglicht, insbesondere bei einem Landeanflug eines Flugzeuges.The invention has for its object a genus to specify a procedure that is reliable, genuine timely and highly accurate positioning of a allows moving recipient, especially with one Approach of an airplane.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characteristic Part of claim 1 specified features. Advantage sticky refinements and / or further training are the Removable subclaims.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Navigationsgenauigkeiten durch Auswertung reiner Träger­ phasen der Satellitensignale den unteren Dezimeterbereich erreichen und somit die Genauigkeitsanforderungen der Prä­ zisionsanflüge bis zu CAT-III-Bedingungen erfüllen.A first advantage of the invention is that the Navigation accuracy through evaluation of pure carriers phases of the satellite signals the lower decimeter range achieve and thus the accuracy requirements of the pre precision approaches up to CAT III requirements.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß das Navigations­ verfahren eine analytische Trägerphasenauswertung verwen­ det und somit eine eindeutige, zuverlässige Navigationslö­ sung zu jedem Zeitpunkt liefert. A second advantage is that navigation use an analytical carrier phase evaluation det and thus a clear, reliable navigation solution solution at all times.  

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß das Navigationsver­ fahren aufgrund der reinen Trägerphasenauswertung während der Bewegung, z. B. während eines Landeanflugs eingeschal­ tet werden darf und dann nach einer kurzen Anlaufzeit die hochgenaue Navigation ermöglicht.A third advantage is that the navigation ver drive due to the pure carrier phase evaluation the movement, e.g. B. shuttered during a landing approach and then after a short start-up time enables high-precision navigation.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß der technische Auf­ wand sowie der Rechenaufwand für die Navigationslösung so klein sind, daß das Navigationsverfahren bei einer Flug­ zeugnavigation echtzeitfähig ist und daß ein diesbezüg­ liches räumlich kleines, mechanisch kompaktes und zuver­ lässiges Gerät herstellbar ist.A fourth advantage is that the technical wall and the computing effort for the navigation solution are small that the navigation procedure during a flight witness navigation is real-time capable and that a related spatially small, mechanically compact and reliable casual device can be produced.

Ein fünfter Vorteil besteht darin, daß das Auswerteverfah­ ren auch die zukünftige Satellitenkonstellation von GNSS (operationeller Konstellation von GPS und GLONASS) berück­ sichtigt.A fifth advantage is that the evaluation process also the future satellite constellation of GNSS (operational constellation of GPS and GLONASS) inspects.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.Further advantages result from the following Be spelling.

Die Erfindung beruht auf den Trägerphasenmessungen der von GPS- und/oder GLONASS- und/oder Pseudo-Satelliten ausge­ sandten Signale. Pseudo-Satelliten, z. B. mehrere Bodensta­ tionen, senden GNSS-Signale aus und besitzen eine bekannte Position. Bei der hochgenauen Navigation eines Flugzeuges, insbesondere bei einem Landeanflug, ist neben einem GNSS- Bordempfänger mindestens ein GNSS-Empfänger in einer orts­ festen Referenzstation zur Trägerphasenmessung erforder­ lich sowie eine Datenverbindung (Data-Link), z. B. eine Funkverbindung, mit welcher die in der Referenzstation er­ mittelten Trägerphasenkorrekturen an den GNSS-Bord­ empfänger übertragen werden.The invention is based on the carrier phase measurements of GPS and / or GLONASS and / or pseudo satellites out sent signals. Pseudo satellites, e.g. B. several Bodensta tion, send out GNSS signals and have a known one Position. When navigating a plane with high precision, especially during a landing approach, in addition to a GNSS On-board receiver at least one GNSS receiver in one place fixed reference station for carrier phase measurement required Lich as well as a data connection (data link), e.g. Legs Radio connection with which he in the reference station  averaged carrier phase corrections to the GNSS board be transmitted to the recipient.

Bei der Erfindung wird eine Auswertung der Trägerphasen­ messungen der GNSS-Satellitensignale gemäß folgender For­ mel verwendet:In the invention, an evaluation of the carrier phases measurements of the GNSS satellite signals according to the following For mel uses:

ΦE S = (1/λ) · (RE S + ΔRS + ΔRE + εE S + NE S (1)Φ E S = (1 / λ) · (R E S + ΔR S + ΔR E + ε E S + N E S (1)

mit
ΦE S gemessene Trägerphase;
λ Wellenlänge des ausgesandten GNSS-Trägersignals;
RE S Geometrische Entfernung vom Satelliten zum Empfänger;
ΔRS zwischen Satelliten korrelierte Fehler, z. B. Empfän­ geruhrenfehler;
ΔRE zwischen Empfängern korrelierte Fehler, z. B. Fehler von Ephemeridenparametern und Satellitenuhren sowie der Ionos- und Troposphäre;
εE S Fehler wie Mehrwegausbreitungseinflüsse, Dynamik­ einflüsse und Rauschen;
NE S Phasenmehrdeutigkeit zu einem Anfangszeitpunkt t₀.
With
Φ E S measured carrier phase;
λ wavelength of the transmitted GNSS carrier signal;
R E S Geometric distance from the satellite to the receiver;
ΔR S errors correlated between satellites, e.g. B. Receiver error;
ΔR E errors correlated between receivers, e.g. B. Errors in ephemeris parameters and satellite clocks as well as in the ionos and troposphere;
ε E S errors such as multipath influences, dynamic influences and noise;
N E S phase ambiguity at an initial point in time t₀.

Dabei bezeichnet der (tiefgestellte) Index E die Abhängig­ keit von dem Empfänger und die (hochgestellte) Superscript S die Abhängigkeit von einem Satelliten.The (subscript) E denotes the dependent of the recipient and the (superscript) superscript S the dependence on a satellite.

Bei der Erfindung, die auch TD6U-Verfahren (Triple-Diffe­ renz GPS mit 6 Unbekannten) genannt wird, erfolgt eine Bildung einer sogenannten Dreifachdifferenz (Triple-Diffe­ renz) der Trägerphasenmessungen zwischen zwei Empfängern F (Flugzeug), Ref (ortsfeste Referenzstation), zwei Satelli­ ten Si, Sj, wobei i, j ganze Zahlen sind, und zwei Zeit­ punkten t₀, t (Fig. 1), wobei t größer t₀ ist, gemäß fol­ gender Formel:In the invention, which is also called the TD6U method (triple difference GPS with 6 unknowns), a so-called triple difference (triple difference) of the carrier phase measurements between two receivers F (aircraft), Ref (fixed reference station) is formed, two satellites S i , S j , where i, j are integers, and two time points t₀, t ( FIG. 1), where t is greater than t₀, according to the following formula:

δ∇∆Φ = {[ΦF i(t) - ΦR i(t)] - [ΦF j(t) - ΦR j(t)]} - {[ΦF i(t₀) - Φ-R i(t₀)] - [ΦF j(t₀) - ΦR j(t₀)]} (2)δ∇∆Φ = {[Φ F i (t) - Φ R i (t)] - [Φ F j (t) - Φ R j (t)]} - {[Φ F i (t₀) - Φ - R i (t₀)] - [Φ F j (t₀) - Φ R j (t₀)]} (2)

Diese Formel entspricht der Schreibweise, die in der GPS-Literatur derzeit üblich ist. Dabei bedeutetThis formula corresponds to the spelling used in the GPS literature is currently common. Here means

∆ die in eckigen Klammern dargestellte Differenz,
∇ die in geschweiften Klammern dargestellte Differenz,
δ die Differenz zwischen den geschweiften Klammern,
ΦR i(t) die zum Zeitpunkt t an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
ΦF i(t) die zum Zeitpunkt t an dem Flugzeug F gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
ΦR j(t) die zum Zeitpunkt t an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Sj,
ΦF j(t) die zum Zeitpunkt t an dem Flugzeug F gemessene Trägerphase des Satelliten Sj,
ΦR i(t₀) die zum Zeitpunkt t₀ an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
ΦF i(t₀) die zum Zeitpunkt t₀ an dem Flugzeug F gemes­ sene Trägerphase des Satelliten Si,
ΦR j(t₀) die zum Zeitpunkt t₀ an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Sj,
ΦF j(t₀) die zum Zeitpunkt t₀ an dem Flugzeug F gemessene Trägerphase des Satelliten Sj.
∆ the difference shown in square brackets,
Differenz the difference shown in curly brackets,
δ the difference between the braces,
Φ R i (t) the carrier phase of the satellite S i measured at the time t at the reference station Ref,
Φ F i (t) the carrier phase of the satellite S i measured at the time t on the aircraft F,
Φ R j (t) is the carrier phase of the satellite S j measured at the reference station Ref at time t,
Φ F j (t) is the carrier phase of the satellite S j measured on the aircraft F at time t,
Φ R i (t₀) the carrier phase of the satellite S i measured at the time t₀ at the reference station Ref,
Φ F i (t₀) the carrier phase of the satellite S i measured on the aircraft F at the time t₀,
Φ R j (t₀) is the carrier phase of the satellite S j measured at the time t Ref at the reference station Ref,
Φ F j (t₀) is the carrier phase of the satellite S j measured on the aircraft F at the time t₀.

Die in eckigen Klammern [ ] dargestellte Differenz wird Einfachdifferenz genannt; die Differenz in geschweiften Klammern {} heißt Zweifachdifferenz und die Differenz zwi­ schen den geschweiften Klammern wird Dreifachdifferenz (Triple-Differenz) genannt.The difference shown in square brackets [] becomes Called single difference; the difference in curly Parentheses {} means double difference and the difference between triple difference between the braces Called (triple difference).

Aus den Formeln (1) und (2) folgtIt follows from formulas (1) and (2)

mitWith

εE S(τ) (S=i, j E=R, Fτ=t, t₀)ε E S (τ) (S = i, j E = R, Fτ = t, t₀)

als Fehler einer von Satelliten- Empfänger und Zeitpunkt abhängigen Beobachtung.as an error one of the satellite receiver and time dependent observation.

Bei der Dreifachdifferenz werden vorteilhafterweise die zwischen Empfängern korrelierten Fehler ΔRE die zwischen Satelliten korrelierten Fehler ΔRS und die zeitunab­ hängigen Phasenmehrdeutigkeiten NE S eliminiert. Die ein­ zige Bedingung für die Beseitigung der Phasenmehrdeu­ tigkeiten ist eine kontinuierliche Trägerphasenmessung ohne Phasensprünge (cycle slips) zwischen den zwei Zeit­ punkten t, t₀. Die verbleibenden unkorrelierten Fehler, die Terme in der eckigen Klammer von der Formel (3), sind die Einflüsse der Flugzeugdynamik, die Mehrwegausbrei­ tungseinflüsse und das Rauschen bei der Trägerphasen­ messung. Diese verbleibenden Fehler liegen jedoch nach der Tripledifferenzenbildung im Milli- oder Zentimeterbereich.With the triple difference, the errors ΔR E correlated between receivers, the errors ΔR S correlated between satellites and the time-independent phase ambiguities N E S are advantageously eliminated. The only condition for eliminating the phase ambiguities is a continuous carrier phase measurement without phase jumps (cycle slips) between the two points in time t, t₀. The remaining uncorrelated errors, the terms in the square brackets of the formula ( 3 ), are the influences of aircraft dynamics, the multipath propagation influences and the noise during the carrier phase measurement. However, these remaining errors are in the millimeter or centimeter range after triple difference formation.

Zur Reduzierung der zu übertragenden Daten von der Refe­ renzstation Ref zum Nutzerempfänger werden statt der rohen Trägerphasen von Ref die Korrekturwerte der Trägerphasen übermittelt. Ein Korrekturwert der Trägerphase wird ermit­ telt, indem man die gemessene integrierte Dopplerverschie­ bung mit der mittels der bekannten Referenzposition und der Satellitentrajektorie berechneten integrierten Dopp­ lerverschiebung vergleicht, gemäß der Formel:To reduce the data to be transferred from the Refe Reference station Ref to become the user receiver instead of the raw one Carrier phases of Ref the correction values of the carrier phases transmitted. A correction value for the carrier phase is determined by moving the measured integrated Doppler Exercise with the known reference position and the integrated double calculated from the satellite trajectory comparison compared according to the formula:

ΦKorr(t) = [RR i(t) - RR i(tAnf)] - λ[ΦR j(t) - ΦR j(tAnf)] (4)Φ Corr (t) = [R R i (t) - R R i (t Anf )] - λ [Φ R j (t) - Φ R j (t Anf )] (4)

wobei tAnf sich auf einen Anfangszeitpunkt an der Refe­ renzstation bezieht und i eine Größe in Abhängigkeit mit einem beliebigen empfangenen Satelliten bezeichnet. Die Differenz in der ersten eckigen Klammer beschreibt die erwartete Dopplerverschiebung und die Differenz in der zweiten eckigen Klammer die gemessene integrierte Dopplerverschiebung. Ist der Zeitpunkt t₀ in der Formel (3) größer als tAnf, stimmt die Differenz ΦKorr(t) - ΦKorr(t₀) mit der zeitlichen Differenz der Referenzgrößen in der Formel (3) überein.wherein t Anf refers Renz station to an initial time at the Refe and i denotes a variable as a function with any received satellites. The difference in the first square bracket describes the expected Doppler shift and the difference in the second square bracket describes the measured integrated Doppler shift. If the time t₀ in the formula (3) is greater than t Anf , the difference Φ Korr (t) - Φ Korr (t₀) matches the time difference of the reference values in the formula (3).

Die aufzulösenden Unbekannten sind in den auf den Bordem­ pfänger bezogenen Entfernungsgrößen auf der linken Seite der Formel (3) enthaltenThe unknowns to be resolved are on board distance measurements on the left side of formula (3) included

F(t, t₀, i, j) = RF i(t) - RF j(t) - RF i(t₀) + RF j(t₀).F (t, t₀, i, j) = R F i (t) - R F j (t) - R F i (t₀) + R F j (t₀).

Die Unbekannten sind die Positionen des Bordempfängers zu den Zeitpunkten t und t₀The unknowns are the positions of the onboard receiver too the times t and t₀

(XB(t), YB(t), ZB(t), XB(t₀), YB(t₀), ZB(t₀)).(X B (t), Y B (t), Z B (t), X B (t₀), Y B (t₀), Z B (t₀)).

Die Formel (3) ist nichtlinear und muß zur Auflösung der Unbekannten zunächst um einen Schätzpunkt linearisiert werden. Mit einem SchätzpunktFormula (3) is non-linear and must be used to resolve the Unknowns first linearized around an estimation point become. With an estimation point

(XF*(t), YF*(t), ZF*(t), XF*(t₀), YF*(t₀), ZF*(t₀))(X F * (t), Y F * (t), Z F * (t), X F * (t₀), Y F * (t₀), Z F * (t₀))

erhält manyou get

undand

wobei die Superscripte i und j die Größen der Satelliten Si und Sj kennzeichnen.where the superscripts i and j identify the sizes of the satellites S i and S j .

Um den Schätzpunkt wird die Formel (3) linearisiert zuFormula (3) is linearized around the estimation point

wobeiin which

und analog zu (7a)and analogous to (7a)

Die Position des Nutzerempfängers läßt sich mit n Satelliten (n < 6) darstellen gemäß der Formel:The position of the user receiver can be represented with n satellites (n <6) according to the formula:

wobei in which  

Aus der Formel (8) sind die Positionen des Nutzerempfängers zu den Zeitpunkten t und t₀ gemäß der Methode der kleinsten Quadrate bestimmbar:From the formula (8) are the positions of the user receiver at times t and t₀ Can be determined using the least squares method:

= (A T A)-1 A T Z (9)  = (A T A)-1 A T Z.      (9)

mit
= [ΔXF(t), ΔYF(t), ΔZF(t), ΔXF(t₀), ΔYF(t₀), ΔZF(t₀)]T Vektor mit den Abweichungen zu einem Schätzpunkt [XF*(t), YF*(t), ZF*(t), XF*(t₀), YF*(t₀), ZF*(t₀)]T
With
 = [ΔXF(t), ΔYF(t), ΔZF(t), ΔXF(t₀), ΔYF(t₀), ΔZF(t₀)]T Vector with the Deviations from an estimation point [XF* (t), YF* (t), ZF* (t), XF* (t₀), YF* (t₀), ZF* (t₀)]T

Z = λ[ F(t) - F(t₀)] - λ[ R(t) - R(t₀)] + [DR R(t) - -DR R(t₀)] - [DR F*(t) - DR F*(t₀) Z = λ [ F (t) - F (t₀)] - λ [ R (t) - R (t₀)] + [ DR R (t) - -DR R (t₀)] - [ DR F * (t) - DR F * (t₀)

Fig. 1 veranschaulicht mit einer Flugzeugnavigation als Beispiel die Bildung dieser Dreifachdifferenzen. Der Nut­ zerempfänger an Bord eines Flugzeugs F und der Referenz­ empfänger in einer ortsfesten Referenzstation Ref empfan­ gen fortlaufend die Signale von zwei Satelliten Si und Sj. Zu einem Zeitpunkt t₀ befinden sich die Satelliten Si, Sj und das Flugzeug F in den Anfangspositionen Si(t₀), Sj(t₀) und X F(t₀). Der Anfangszeitpunkt t₀ kann ein beliebiger Zeitpunkt, z. B. ein Zeitpunkt kurz vor der Landung sein. Die Positionen der Satelliten Si und Sj zu den Zeitpunkten t₀ und t sind bekannt, ebenso die Position der ortsfesten Referenzstation Ref. Die an der Referenzstation ermittel­ ten Trägerphasenkorrekturen werden durch den Data-Link, z. B. einen Daten- oder Sprechfunkkanal, zum Flugzeug F übertragen. An Bord des Flugzeugs F werden aus den an Bord gemessenen Trägerphasen und den übertragenen Trägerphasen­ korrekturen die Tripledifferenzengleichungen gebildet. FIG. 1 illustrates the formation of these triple differences using aircraft navigation as an example. The user receiver on board an aircraft F and the reference receiver in a fixed reference station Ref continuously received the signals from two satellites S i and S j . At a time t₀, the satellites S i , S j and the aircraft F are in the initial positions S i (t₀), S j (t₀) and X F (t₀). The starting time t₀ can be any time, e.g. B. be a time shortly before landing. The positions of the satellites S i and S j at times t₀ and t are known, as is the position of the fixed reference station Ref. The carrier phase corrections determined at the reference station are determined by the data link, for. B. a data or voice radio channel to the aircraft F. The triple difference equations are formed on board the aircraft F from the carrier phases measured on board and the transmitted carrier phase corrections.

Statt die Phasenmehrdeutigkeiten als Unbekannte wie bei einem Suchverfahren zu bestimmen, werden bei dem TD6U-Ver­ fahren nur die Positionen des Bordempfängers zu den zwei Zeitpunkten (sechs unbekannte Koordinatengrößen) in den Tripledifferenzengleichungen analytisch bestimmt. Da jede Satellitenpaarung eine Tripledifferenzgleichung liefert, werden zur Bestimmung der sechs Unbekannten mindestens sieben Satellitenmessungen benötigt.Instead of the phase ambiguities as unknowns as in to determine a search method, the TD6U-Ver only drive the positions of the on-board receiver to the two Times (six unknown coordinate sizes) in the Triple difference equations determined analytically. Because everyone Satellite pairing provides a triple difference equation, are used to determine the six unknowns at least seven satellite measurements needed.

Fig. 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Blockschaltbild zur Ermittlung der drei Koordinaten, welche die aktuelle Position X F(t) des Flugzeugs F bzw. die Navigationsgrößen bestimmen. Hierbei werden zunächst die sechs Unbekannten (Koordinaten zu dem Anfangszeitpunkt t₀ und dem aktuellen Zeitpunkt t) mit ausreichenden Tripledifferenzenglei­ chungen durch die Methode der kleinsten Quadrate bestimmt, die auch als Least-Square-Algorithmus (LSQ) bezeichnet wird. Von den sechs Unbekannten werden nur die Koordina­ tengrößen der aktuellen Position zur Navigation verwendet. Die Koordinatengrößen der Anfangsposition (zum Zeitpunkt t₀) werden nicht direkt benutzt. Die Anfangsposition in den Positionslösungen ist unbekannt aber zeitlich unverän­ dert, so daß diese Position bei den Lösungen vorteilhaf­ terweise statistisch ausgewertet werden kann. Diese Eigen­ schaft wird ausgenutzt, um mittels eines Filters, vorzugs­ weise eines Tiefpaßfilters, den Rauschanteils bei der Be­ stimmung der Anfangsposition zu verringern. Fig. 2 shows a schematically illustrated block diagram for determining the three coordinates which the current position X F (t) of the aircraft F or navigation determine sizes. Here, the six unknowns (coordinates at the starting time t₀ and the current time t) with sufficient triple difference equations are determined by the least squares method, which is also referred to as the least square algorithm (LSQ). Of the six unknowns, only the coordinate sizes of the current position are used for navigation. The coordinate sizes of the starting position (at time t₀) are not used directly. The starting position in the position solutions is unknown but unchanged over time, so that this position can advantageously be statistically evaluated in the solutions. This property is used to reduce the noise component when determining the starting position by means of a filter, preferably a low-pass filter.

Durch das Tiefpaßfilter werden die durch die erste LSQ-Lö­ sungen mit sechs Unbekannten ermittelten Werte der An­ fangsposition X F(t₀) geglättet. Um den Einschwingvorgang bei dem Filter zu verkürzen, nimmt das Filter nur die Dif­ ferenz gegenüber einer geschätzten Anfangsposition an. Die gefilterte Anfangsposition X F(t₀) wird zur Bestimmung der unbekannten aktuellen Position X F(t) wieder in die Tripledifferenzengleichungen eingesetzt. Bei der zweiten LSQ-Lösung werden jedoch die drei Koordinatengrößen der tiefpaßgefilterten Anfangsposition nicht mehr als Unbe­ kannte betrachtet, sondern lediglich die drei Koordinaten der aktuellen Position.The low-pass filter smoothes the values of the starting position X F (t₀) determined by the first LSQ solutions with six unknowns. In order to shorten the settling process in the filter, the filter only assumes the difference from an estimated starting position. The filtered starting position X F (t₀) is used again in the triple difference equations to determine the unknown current position X F (t). In the second LSQ solution, however, the three coordinate sizes of the low-pass filtered starting position are no longer considered unknown, but only the three coordinates of the current position.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der geo­ metrische Einfluß bei der zweiten LSQ-Lösung mit drei Unbekannten wesentlich kleiner ist als bei der ersten LSQ-Lösung mit sechs Unbekannten. Der Einfluß der Geometrie bei der ersten LSQ-Lösung ist abhängig von dem zeitlichen Abstand zwischen dem Anfangszeitpunkt t₀ und dem aktuellen Zeitpunkt t und verhält sich wie eine e-t/T-Funktion mit einer Zeitkonstanten T, die im Bereich von einigen Minuten liegt. Bei kleinen Zeitspannen zwischen t und t₀ kann der Faktor zwischen dem Positionsfehler (1 Dd) und dem Entfer­ nungsfehler (1 δ), der sogenannte PDOP (Position Dilution of Precision), bei der ersten LSQ-Lösung, mit sechs Unbe­ kannten, größer als 100 sein, während die PDOP bei der zweiten LSQ-Lösung, mit drei Unbekannten, typischerweise weniger als 3 ist. Folglich haben alle Restfehler der Tripledifferenzengleichungen bei der zweiten LSQ-Lösung bis auf den Schätzfehler der Anfangsposition weniger Ein­ flüsse auf die Positionierungsgenauigkeit.The advantage of this method is that the geometric influence in the second LSQ solution with three unknowns is significantly smaller than in the first LSQ solution with six unknowns. The influence of the geometry in the first LSQ solution depends on the time interval between the starting time t₀ and the current time t and behaves like an e -t / T function with a time constant T that is in the range of a few minutes. With small time spans between t and t₀, the factor between the position error (1 Dd) and the distance error (1 δ), the so-called PDOP (Position Dilution of Precision), with the first LSQ solution with six unknowns, can be greater than 100, while the PDOP in the second LSQ solution, with three unknowns, is typically less than 3. Consequently, all residual errors of the triple difference equations in the second LSQ solution, apart from the estimation error of the starting position, have fewer influences on the positioning accuracy.

Ein weiterer Vorteil dieses Filterverfahrens ergibt sich aus der klaren Trennung zwischen der Anfangsposition und der aktuellen Position. Da die aktuelle Position in der Navigation ungefiltert ist, beeinflußt die Filterung der Anfangsposition nicht das dynamische Verhalten der Navi­ gation, das heißt, es ist eine Echtzeit-Navigation mög­ lich.Another advantage of this filtering process arises from the clear separation between the starting position and the current position. Since the current position in the Navigation is unfiltered, affects the filtering of the Starting position not the dynamic behavior of the navigation system gation, that is, real-time navigation is possible Lich.

Bei dem TD6U-Verfahren sind mindestens sechs simultane Beobachtungsgleichungen zur Lösung von sechs Unbekannten erforderlich. Dies erfordert, wie bereits erwähnt, Träger­ phasenmessungen mittels mindestens sieben Satelliten. Selbst die volle GPS-Konstellation mit 24 Satelliten kann nur eine Bedeckung von vier Satelliten für nahezu 100% er­ reichen. Die zur Zeit für den Präzisionsanflug noch feh­ lende erforderliche Verfügbarkeit (z. B. <98% bei CAT-I) kann jedoch durch das russische Satellitennavigations­ system GLONASS oder Pseudo-Satelliten (Bodenstationen, die GNSS-Signale aussenden) ergänzt werden. Nach dem vollstän­ digen Systemaufbau des GLONASS sind zu jeder Zeit an jedem Ort der Erde mit einem kombinierten GPS/GLONASS-System mindestens acht Satelliten sichtbar, so daß deren GNSS-Signale empfangen werden können. Die erforderliche Satel­ litenverfügbarkeit kann ebenfalls durch Unterstützung von drei Pseudo-Satelliten, vorzugsweise in der Nähe einer Landebahn, gewährleistet werden. Neben der Kombination mit weiteren Satelliten läßt sich dieses Verfahren auch ohne zusätzliche Satelliten in Kombination mit mehr als einer Bodenstation einsetzen. Da das Verfahren mit jeder Refe­ renzstation durch die GPS-Satellitenkonstellation mindes­ tens vier Satelliten bzw. drei Tripledifferenzengleichun­ gen erhält, ist das Verfahren mittels zwei Referenzstatio­ nen, bei denen mindestens sechs unabhängige Gleichungen zu gewinnen sind, nur mit GPS allein ebenfalls einsetzbar. Darüber hinaus kann das Verfahren aufgrund seiner Echt­ zeitfähigkeit auch derzeit auf anderen kinematischen Echt­ zeitanwendungen eingesetzt werden, wo keine durchgehende Verfügbarkeit der Satelliten verlangt wird.The TD6U method has at least six simultaneous ones Observation equations for the solution of six unknowns required. As already mentioned, this requires carriers phase measurements using at least seven satellites. Even the full GPS constellation with 24 satellites can just covering four satellites for almost 100% of them pass. Currently still missing for the precision approach Required availability (e.g. <98% for CAT-I) can, however, through the Russian satellite navigation system GLONASS or pseudo-satellites (ground stations that  Send GNSS signals). After the complete The system structure of the GLONASS is available to everyone at all times Place on earth with a combined GPS / GLONASS system At least eight satellites are visible, so their GNSS signals can be received. The required satellite lite availability can also be supported by three pseudo satellites, preferably near one Runway. In addition to the combination with This method can also be used without additional satellites additional satellites in combination with more than one Insert the ground station. Since the procedure with every Refe reference station due to the GPS satellite constellation at least at least four satellites or three triple difference equations gene, the procedure is by means of two reference stations which have at least six independent equations can only be used with GPS alone. In addition, the procedure may be due to its real nature temporality also currently on other kinematic real time applications are used where there is no continuous Availability of the satellites is required.

Durch experimentelle Versuche mit unabhängigen Referenz­ systemen wurde das erfindungsgemäße TD6U-Verfahren ge­ prüft. Die Auswertungen der aufgezeichneten Meßdaten wur­ den aus Sicherheitsgründen unter einer pseudo-Echtzeit­ bedingung durchgeführt, d. h., die gemessenen TD6U-Daten wurden an einer Schnittstelle von einem Datenspeicher (File) in eine Auswerteeinheit eingespeist. Bei der Aus­ wertung wurden lediglich die bis zur Eingabe verfügbaren Daten verwendet. Through experimental tests with independent reference systems, the inventive TD6U method was used checks. The evaluations of the recorded measurement data were for security reasons under a pseudo real time condition performed, d. that is, the measured TD6U data were at an interface from a data store (File) fed into an evaluation unit. At the end only those available up to the input were evaluated Data used.  

Die erste Prüfung wurde durch eine DGPS-Standmessung auf zwei Vermessungspunkten durchgeführt. Die Antennen von zwei GPS-Empfängern wurden auf den zwei Vermessungspunkten aufgestellt, wobei der erste GPS-Empfänger als Referenz­ station und der zweite als "Mobilstation" (Nutzerempfän­ ger) genommen wurden.The first test was based on a DGPS level measurement carried out two measurement points. The antennas from two GPS receivers were on the two survey points set up, with the first GPS receiver for reference station and the second as a "mobile station" (user receiver ger) were taken.

Fig. 3 zeigt die Auswertungsergebnisse mit dem TD6U-Ver­ fahren. Bei der Auswertung wird die "Mobilstation" als un­ bekannt und beweglich betrachtet. Ab dem Zeitpunkt t₀ wer­ den Signale von acht Satelliten mit Elevationswinkeln grö­ ßer als 7 Grad von den Referenz- und "Mobil"- Empfängern empfangen, so daß ausreichende Satellitenmessungen für die TD6U-Lösung zur Verfügung stehen. Der Zeitpunkt t₀ wird als Anfangszeitpunkt für die TD6U-Lösung bezeichnet. Da die Geometrie bzw. PDOP der Tripledifferenzengleichungen mit sechs Unbekannten bei kleiner Zeitspanne ungünstig ist, werden lediglich die Meßwerte zum Anfangszeitpunkt t₀ registriert und erst zwei Minuten später zum Zeitpunkt tMin gestartet. In dem Intervall von t₀ bis zu tMin wird die Auswertung mit dem erwähnten "carrier smoothed code" durchgeführt. Die maximale Abweichung der gemessenen Posi­ tion des "Mobil" -Empfängers von der tatsächlichen, hochge­ nau ermittelten Position während dieser Phase ist ungefähr 1,5 m. Ab dem Zeitpunkt tMin wird das erfindungsgemäße Verfahren (TD6U-Lösung) von einer durch den Carrier-Smoothed-Code geschätzten Anfangsposition (X F*(t₀) in Fig. 2) ausgehend gestartet. Die Genauigkeit dieser Schätzung liegt im allgemeinen in einem Bereich von Metern. Ein großer Schätzfehler, z. B. von 100 m, kann den Einschwing­ vorgang, jedoch nicht die Stabilität und den Endwert be­ einträchtigen. Mit einer Filterzeitkonstante von 15 Sekunden werden die durch die erste LSQ-Lösungen mit sechs Unbekannten ermittelten Werte der Anfangsposition (siehe Fig. 2) tiefpaßgefiltet. Der Schätzfehler wird somit nach den ersten 30 Sekunden um ca. 80% abgebaut. Nach diesem kurzen Einschwingvorgang fallen die Fehlerkomponenten der gefilterten Anfangsposition in allen Richtungen unter einen Fehlerwert von 25 cm. Aufgrund des Zeitverhaltens der PDOP-Änderung (wie eine e-t/T-Funktion mit einer Zeit­ konstanten T von ungefähr 3 Minuten) haben die Verläufe (Einschwingvorgänge) der Positionsabweichungen etwa 10 Mi­ nuten (3T) gedauert, bis die Positionsgenauigkeit zu einem Fehler kleiner als fünf Zentimetern konvergiert. Langwel­ lige Restfehler der Trägerphasendifferenzen wie nieder­ frequente Mehrwegausbreitungseinflüsse können, wie bereits erwähnt, die TD6U-Genauigkeiten in nachteiliger Weise be­ einträchtigen. Die durch die Mehrwegausbreitung verursach­ ten Fehler in den Trägerphasenmessungen liegen im Milli- oder Zentimeterbereich. Obwohl die Meßumgebung hier nicht als günstig bezeichnet werden kann, bleibt der Einfluß der langwelligen Restfehler auf die Position, selbst bei der ungünstigen Geometrie am Anfang, unter einem Fehlerwert von 25 cm. Gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik, dem Carrier-Smoothed-Code, wird die Genauigkeit deutlich gesteigert. Fig. 3 shows the evaluation results with the TD6U method. During the evaluation, the "mobile station" is considered to be unknown and mobile. From the time t₀, the signals from eight satellites with elevation angles greater than 7 degrees are received by the reference and "mobile" receivers, so that sufficient satellite measurements are available for the TD6U solution. The time t₀ is referred to as the start time for the TD6U solution. Since the geometry or PDOP of the triple difference equations with six unknowns is unfavorable for a short period of time, only the measured values are registered at the start time t₀ and only started two minutes later at the time t min . In the interval from t₀ to t min , the evaluation is carried out with the "carrier smoothed code" mentioned. The maximum deviation of the measured position of the "mobile" receiver from the actual, highly precisely determined position during this phase is approximately 1.5 m. From time t Min , the method according to the invention (TD6U solution) is started from an initial position ( X F * (t₀) in FIG. 2) estimated by the carrier-smoothed code. The accuracy of this estimate is generally in the range of meters. A big estimation error, e.g. B. of 100 m, the settling process, but not affect the stability and the final value be. With a filter time constant of 15 seconds, the values of the starting position (see FIG. 2) determined by the first LSQ solutions with six unknowns are low-pass filtered. The estimation error is thus reduced by approx. 80% after the first 30 seconds. After this brief settling process, the error components of the filtered starting position fall below an error value of 25 cm in all directions. Due to the time behavior of the PDOP change (like an e -t / T function with a time constant T of approximately 3 minutes), the courses (settling processes) of the position deviations took about 10 minutes ( 3 T) until the position accuracy became one Errors less than five centimeters converged. Long-term residual errors of the carrier phase differences, such as low-frequency multipath influences, can, as already mentioned, adversely affect the TD6U accuracies. The errors in the carrier phase measurements caused by the multipath propagation are in the millimeter or centimeter range. Although the measuring environment cannot be called favorable here, the influence of the long-wave residual errors on the position, even with the unfavorable geometry at the beginning, remains below an error value of 25 cm. The accuracy is significantly increased compared to the current state of the art, the carrier smoothed code.

Die zweite Prüfung wurde durch einen Flugversuch mit einem sogenannten Laser-Tracker (Laser-Entfernungsmesser) als absolute Referenz durchgeführt. Mit dem Laser-Tracker ist die dreidimensionale Position eines Laser-Spiegelreflek­ tors bestimmbar. Fig. 4 zeigt die Standorte der GPS-Refe­ renzstation und des Laser-Trackers, die vor dem Flugver­ such bereits hochgenau in dem Koordinatensystem WGS84 ver­ messen worden sind. An einem Testflugzeug, z. B. einem zweimotorigem Propellerflugzeug, wurden ein Laser-Spie­ gelreflektor des Laser-Trackers und die GPS-Antenne, wie in Fig. 5 veranschaulicht, angebracht. Der Laser-Tracker kann ein Lasersignal zu dem am Flugzeug angebrachten Re­ flektor ausstrahlen. Durch den Empfang des reflektierten Lasersignals werden der Peilwinkel und die Entfernung (der Laufzeit des Laser-Signals entsprechend) zwischen dem La­ ser-Tracker und dem Spiegelreflektor bestimmt. Die Meßge­ nauigkeiten des verwendeten Laser-Trackers sind in fol­ gender Tabelle 2 dargestellt:The second test was carried out by a flight test with a so-called laser tracker (laser range finder) as an absolute reference. The three-dimensional position of a laser specular reflector can be determined with the laser tracker. Fig. 4 shows the locations of the GPS reference station and the laser tracker, which have already been measured very precisely in the coordinate system WGS84 before the flight test. On a test plane, e.g. B. a twin-engine propeller aircraft, a laser mirror reflector of the laser tracker and the GPS antenna, as illustrated in Fig. 5, were attached. The laser tracker can emit a laser signal to the reflector attached to the aircraft. By receiving the reflected laser signal, the bearing angle and the distance (corresponding to the duration of the laser signal) between the laser tracker and the specular reflector are determined. The measuring accuracy of the laser tracker used is shown in the following table 2:

Vor dem Flugversuch wurde der Laser-Tracker anhand eines an dem sogenannten Tower des Flughafens angebrachten (Eich-)Spiegelreflektors kalibriert (geeicht) (Fig. 4). Diese Kalibrierung kann jedoch aufgrund der in Tabelle 2 dargestellten Meßgenauigkeiten einen Offset (Versatz) in­ nerhalb der Genauigkeitstoleranz aufweisen. Besteht z. B. ein Kalibrierungsfehler von 0,01° im Elevationswinkel, so bewirkt dieser Fehler einen vertikalen Fehler von ungefähr 0,22 m an der Landebahnschwelle R27 (Entfernung zwischen der Landebahnschwelle und dem Laser-Tracker: ungefähr 1250 m).Before the flight test, the laser tracker was calibrated (calibrated) using a (calibration) mirror reflector attached to the so-called tower of the airport ( FIG. 4). However, due to the measurement accuracies shown in Table 2, this calibration can have an offset within the accuracy tolerance. There is z. For example, if a calibration error of 0.01 ° in the elevation angle, this error causes a vertical error of approximately 0.22 m at the runway threshold R27 (distance between the runway threshold and the laser tracker: approximately 1250 m).

Bei dem Flugversuch wurden zwei GPS-Empfänger mit 10 Empfangskanälen verwendet. Die Antenne des Bodenempfängers (Referenz-Empfängers) befand sich auf dem in Fig. 4 darge­ stellten Referenzpunkt. Es wurden sechs Anflüge mit ver­ schiedenen Einfädelswinkeln (intercept angles) durchge­ führt. Fig. 6 zeigt dazu die Trajektorien der sechs Platz­ runden in der horizontalen und der vertikalen Ebene.Two GPS receivers with 10 reception channels were used in the flight test. The antenna of the ground receiver (reference receiver) was on the reference point shown in FIG. 4. Six approaches were carried out with different intercept angles. Fig. 6 shows, the trajectories of the six square round in the horizontal and the vertical plane.

Die sechs Anflüge werden sowohl mit den GPS-Meßdaten unter Verwendung vom TD6U-Verfahren als auch mit den Meßdaten des Laser-Trackers ausgewertet. Die beiden Ergebnisse wer­ den miteinander bei den Landephasen verglichen. Fig. 7 zeigt die PFE- und CMN-Fehler aus dem Vergleich der TD6U-Ergebnisse mit den Laser-Tracker-Ergebnissen bei den End­ phasen der Landungen. Bei fünf von sechs Anflügen sind die Auswertungen mit dem TD6U-Verfahren aufgrund der Abschat­ tungen einiger Satellitensignale bei jeweiligem Kurvenflug (Anzahl der empfangenen Satellitensignale kleiner 7) erst zu einem Zeitpunkt von 4 bis 6 Minuten vor der Landung möglich. Obwohl die Geometriebedingungen infolge der kur­ zen Zeitspannen ungünstig sind und der Fehler der Laser- Tracker-Messung mit berücksichtigt werden muß, erfüllen die Vergleichsergebnisse aller sechs Anflüge die Anforde­ rungen der Präzisionsanflüge. Die Anforderungen der CAT I- bis CAT III-Bedingungen sind zur Beurteilung der Or­ tungsgenauigkeiten ebenfalls eingetragen. Die folgende Ta­ belle 3 faßt die PFE-Fehler aller Anflüge bei Höhen über der Landebahnschwelle (HAT) von 50 ft und 100 ft (Ent­ scheidungshöhe für CAT III und II) durch die Angabe des Mittelwertes und der Streuung zusammen.The six approaches are evaluated both with the GPS measurement data using the TD6U method and with the measurement data of the laser tracker. The two results are compared to each other during the landing phases. Fig. 7 shows the PFE and CMN errors from the comparison of the TD6U results with the laser tracker results in the final phases of the landings. For five out of six approaches, evaluations with the TD6U method are only possible at a time of 4 to 6 minutes before landing due to the shadowing of some satellite signals during each turn (number of received satellite signals less than 7). Although the geometry conditions are unfavorable due to the short time spans and the error of the laser tracker measurement must also be taken into account, the comparison results of all six approaches meet the requirements of the precision approaches. The requirements of the CAT I to CAT III conditions are also entered to assess the location accuracy. The following table 3 summarizes the PFE errors of all approaches at altitudes above the runway threshold (HAT) of 50 ft and 100 ft (decision height for CAT III and II) by specifying the mean value and the scatter.

Dabei bedeuten
HAT: (Height Above Threshold), die Höhe über der Landebahn­ schwelle (Entscheidungshöhe) in foot (ft) (Fuß)
Y: die Querrichtung zur Landebahn
H: die vertikale Richtung.
Mean
HAT: (Height Above Threshold), the height above the runway threshold (decision height) in foot (ft)
Y: the cross direction to the runway
H: the vertical direction.

Zur Erstellung einer Referenz wurde die dreidimensionale Lage der Landebahn mit dem Laser-Tracker hochgenau ver­ messen. Durch Verwendung des Tiefpaßfilters für die An­ fangsposition und der anschließenden LSQ-Lösung mit drei Unbekannten (Fig. 2) werden die hochfrequenten Fehleran­ teile der Anfangsposition auf den Zentimeterbereich verringert.To create a reference, the three-dimensional position of the runway was measured with high precision using the laser tracker. By using the low-pass filter for the initial position and the subsequent LSQ solution with three unknowns ( Fig. 2), the high-frequency error parts of the initial position are reduced to the centimeter range.

Die in Fig. 7 dargestellten CMN-Fehler enthalten im wesentlichen die hochfrequenten Fehler des Laser-Trackers.The CMN errors shown in FIG. 7 essentially contain the high-frequency errors of the laser tracker.

Zur dritten Prüfung wurde die vermessene Landebahn benutzt. Um die TD6U-Ortungsgenauigkeit unter den dynami­ schen Bedingungen zu prüfen, bietet auch das Höhenprofil der Landebahn eine absolute Referenz. Das Höhenprofil der Landebahn wurde durch einen Rollversuch mit derselben Meß­ ausrüstung zwischen den Punkten der Landebahnschwellen L09 und R27 vermessen. Die Vermessungsgenauigkeit enthielt einen Fehler kleiner als 10 cm.The measured runway was used for the third test used. To the TD6U location accuracy among the dynami The height profile also provides a means of checking conditions the runway is an absolute reference. The height profile of the Landing strip was by a roll test with the same measurement equipment between the points of the runway sleepers L09 and R27 measured. The measurement accuracy included an error less than 10 cm.

In Fig. 8a) werden die Höhentrajektorien aller sechs An­ flüge im Landebahnbereich eingetragen. Der vom Pilot ange­ strebte Aufsetzpunkt liegt dabei im Bereich von ungefähr 150 bis 180 m hinter der Landebahnschwelle R27. Die GPS-Antenne wurde oberhalb des Flugzeugrumpfes befestigt (Fig. 5) und hat beim Stehen des Flugzeuges einen Abstand zur Bodenoberfläche von 2,21 m. Fig 8b) zeigt darüber hinaus einen Ausschnitt der Rollphase, bei welcher die Abweichun­ gen gegenüber dem Sollprofil deutlicher zu erkennen sind. Aufgrund der besseren Genauigkeit des Referenzsystems im Vergleich zu dem Laser-Tracker sind die hier ermittelten Abweichungen kleiner als die Vergleichsergebnisse mit dem Laser-Tracker. Der Mittelwert der Höhendifferenzen gegen­ über dem vermessenen Landebahnprofil beträgt 0,35 m und die Streuung 0,13 m. Der Mittelwert besteht aus einem TD6U-Offset (TD6U-Versatz), einem Vermessungsfehler der Landebahn und einem Operationsfehler bei der Antennenauf­ stellung der Referenzstation. Im Vergleich zu dem Mittel­ wert des vertikalen PFE-Fehlers (0,61 m bis 0,62 m) in Ta­ belle 3 ist der Mittelwert hier kleiner und die Differenz zwischen den beiden Ergebnissen entspricht der Genauigkeit des Laser-Trackers. Die Streuung hier ist, im Gegensatz zu den Vergleichsergebnissen mit dem Laser-Tracker, die reine Streuung des TD6U-Fehlers, da die Landebahn als die Refe­ renz bei allen Messungen konstant bleibt. Die Differenz der Streuung gegenüber dem Ergebnis in Tabelle 3 ent­ spricht der Meßstreuung des Laser-Trackers.In Fig. 8a) the height trajectories of all six flights are entered in the runway area. The touchdown point aimed for by the pilot is in the range of approximately 150 to 180 m behind the runway threshold R27. The GPS antenna was attached above the fuselage ( Fig. 5) and is 2.21 m from the ground when the aircraft is standing. Fig. 8 b) also shows a section of the roll phase, in which the deviations from the target profile can be seen more clearly. Due to the better accuracy of the reference system compared to the laser tracker, the deviations determined here are smaller than the comparison results with the laser tracker. The mean value of the height differences compared to the measured runway profile is 0.35 m and the scatter 0.13 m. The mean value consists of a TD6U offset (TD6U offset), a measurement error on the runway and an operational error in the antenna setup of the reference station. Compared to the mean value of the vertical PFE error (0.61 m to 0.62 m) in Table 3, the mean value is smaller here and the difference between the two results corresponds to the accuracy of the laser tracker. In contrast to the comparison results with the laser tracker, the scatter here is the pure scatter of the TD6U error, since the runway as the reference remains constant in all measurements. The difference in scatter compared to the result in Table 3 corresponds to the measurement scatter of the laser tracker.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, ein auf dem Verfahren beruhendes Navigationssystem bei den Präzi­ sionsanflügen einzuschalten. Dieses besitzt nach einer An­ laufzeit von ungefähr zwei Minuten einen Meßfehler im un­ teren Dezimeterbereich für die Navigation des Flugzeugs. Somit sind die Genauigkeitsanforderungen bis zu CAT-III für eine automatische Landung erfüllt.With the described method it is possible to get one on navigation system based on the procedure at the prezi turn on approaches. This has after an An a measurement error in the un lower decimeter range for the navigation of the aircraft. The accuracy requirements are up to CAT-III for an automatic landing.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere hoch­ genaue kinematische Anwendungen zu übertragen, wie z. B. Photogrammetrie, Luftgravimetrie, Be- und Entladung in ei­ nem Hafengelände usw.The invention is not based on the embodiment described example limited, but analogously to other high  to transmit exact kinematic applications such as B. Photogrammetry, air gravimetry, loading and unloading in one port area, etc.

Claims (9)

1. Satelliten-Navigationsverfahren mit einem beweglichem Nutzer-Empfänger und einer Referenzstation, deren Position bekannt ist, wobei in dem Nutzer-Empfänger und der Refe­ renzstation die von mehreren Satelliten ausgesandten Si­ gnale empfangen und ausgewertet werden und daraus die Position des Nutzer-Empfängers bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet
  • - daß in dem Nutzer-Empfänger und der Referenzsta­ tion (Ref) die von mehreren Satelliten (Si, Sj) und/oder äquivalenten Pseudo-Satelliten empfange­ nen Signale ausgewertet werden mittels einer Trägerphasenmessung gemäß der Formel ΦE S = (1/λ) · (RE S + ΔRS + ΔRE + εE S + NE Smit
    ΦE S gemessene Trägerphase;
    λ Wellenlänge des ausgesandten GNSS-Trägersignals;
    RE S Geometrische Entfernung vom Satelliten zum Empfänger;
    ΔRS zwischen Satelliten korrelierte Fehler;
    ΔRE zwischen Empfängern korrelierte Fehler;
    εE S Fehler wie Mehrwegausbreitungseinflüsse, Dyna­ mikeinflüsse und Rauschen;
    NE S Phasenmehrdeutigkeit zu einem Anfangszeit­ punkt t₀,
  • - daß aus den zu dem Anfangszeitpunkt (t₀) und einem aktuellen Zeitpunkt (t mit t < t₀) ermittelten Trägerphasen eine Triple-Differenz gebildet wird gemäß der Formel δ∇∆Φ = {[ΦF i(t) - ΦR i(t)] - [ΦF j(t) - ΦR j(t)]} - {[ΦF i(t₀) - Φ-R i(t₀)] - [ΦF j(t₀) - ΦR j(t₀)]}mit
    Φ Trägerphase,
    ∆ die in eckigen Klammern dargestellte Differenz,
    ∇ die in geschweiften Klammern dargestellte Diffe­ renz,
    δ die Differenz zwischen den geschweiften Klammern,
    t den aktuellen Zeitpunkt,
    t₀ den Anfangszeitpunkt,
    ΦR i(t) die zum Zeitpunkt t an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
    ΦF i(t) die zum Zeitpunkt t an dem Nutzerempfänger F gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
    ΦR j(t) die zum Zeitpunkt t an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Sj,
    ΦF j(t) die zum Zeitpunkt t an dem Nutzerempfänger F gemessene Trägerphase des Satelliten Sj,
    ΦR i(t₀) die zum Anfangszeitpunkt t₀ an der Refe­ renzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
    ΦF i(t₀) die zum Anfangszeitpunkt t₀ an dem Nut­ zerempfänger F gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
    ΦR j(t₀) die zum Anfangszeitpunkt t₀ an der Refe­ renzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Sj,
    ΦF j(t₀) die zum Anfangszeitpunkt t₀ an dem Nut­ zerempfänger F gemessene Trägerphase des Satelliten Sj, und
  • - daß aus der Triple-Differenz die Position des Nut­ zerempfängers analytisch bestimmt wird gemäß der Vektor-Formel = (A T A)-1 A T Zmit
    Positionsvektor des Nutzerempfängers,
    A eine Geometriematrix,
    A T die Transponierte zu A,
    Z ein Meßvektor.
1. Satellite navigation method with a moving User receiver and a reference station, their position is known, being in the user receiver and the Refe renzstation the Si emitted by several satellites gnale are received and evaluated and from that the Position of the user recipient is determined,characterized
  • - That in the user-receiver and the reference station (Ref) the signals received by several satellites (S i , S j ) and / or equivalent pseudo-satellites are evaluated by means of a carrier phase measurement according to the formula Φ E S = (1 / λ) · (R E S + ΔR S + ΔR E + ε E S + N E S with
    Φ E S measured carrier phase;
    λ wavelength of the transmitted GNSS carrier signal;
    R E S Geometric distance from the satellite to the receiver;
    ΔR S errors correlated between satellites;
    ΔR E errors correlated between receivers;
    ε E S errors such as multipath influences, dynamic influences and noise;
    N E S phase ambiguity at an initial point in time t₀,
  • - That a triple difference is formed from the carrier phases determined at the start time (t₀) and a current time (t with t <t₀) according to the formula δ∇∆Φ = {[Φ F i (t) - Φ R i ( t)] - [Φ F j (t) - Φ R j (t)]} - {[Φ F i (t₀) - Φ -R i (t₀)] - [Φ F j (t₀) - Φ R j (t₀)]} with
    Φ carrier phase,
    ∆ the difference shown in square brackets,
    ∇ the difference shown in curly brackets,
    δ the difference between the braces,
    t the current time,
    t₀ the start time,
    Φ R i (t) the carrier phase of the satellite S i measured at the time t at the reference station Ref,
    Φ F i (t) is the carrier phase of the satellite S i measured at the user receiver F at time t,
    Φ R j (t) is the carrier phase of the satellite S j measured at the reference station Ref at time t,
    Φ F j (t) is the carrier phase of the satellite S j measured at the user receiver F at time t,
    Φ R i (t₀) is the carrier phase of the satellite S i measured at the initial point in time t der at the reference station Ref,
    Φ F i (t₀) is the carrier phase of the satellite S i measured at the initial receiver t F at the user receiver F,
    Φ R j (t₀) is the carrier phase of the satellite S j measured at the reference time Ref at the reference station Ref,
    Φ F j (t₀) is the carrier phase of the satellite S j measured at the initial receiver t F at the user receiver F, and
  • - That from the triple difference, the position of the groove is determined analytically according to the Vector formula  = (A T A)-1 A T Z.With
     Position vector of the user receiver,
    A a geometry matrix,
    A T the transpose tooA,
    Z. a measurement vector.
2. Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet,
  • - daß in der Referenzstation (Ref) ein Phasenkorrek­ turwert ΦKorr(t) ermittelt wird gemäß der Formel ΦKorr(t) = [RR i(t) - RR i(tAnf)] - λ[ΦR j(t) - ΦR j(tAnf)]mit
    tAnf Anfangszeitpunkt an der Referenzstation,
    λ Wellenlänge des ausgesandten GNSS-Signals,
    RR i(t) Geometrische Entfernung von dem Satelliten Si zu der Referenzstation zum Zeitpunkt t,
    RR i(tAnf) Geometrische Entfernung von dem Satel­ liten Si zu der Referenzstation zum Zeitpunkt tAnf,
    ΦR i(t) zum Zeitpunkt t an der Referenzstation Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
    ΦR i(tAnf) zum Zeitpunkt tAnf an der Referenzsta­ tion Ref gemessene Trägerphase des Satelliten Si,
  • - daß der Phasenkorrekturwert mittels einer Daten­ übertragungsstrecke dem Nutzerempfänger übermit­ telt wird,
  • - daß in dem Nutzerempfänger die dort ermittelte Trägerphase in Abhängigkeit von dem Phasenkor­ rekturwert korrigiert wird und
  • - daß aus der korrigierten Trägerphase die Position des Nutzerempfängers bestimmt wird.
2. Satellite navigation method according to claim 1, characterized in that
  • - That in the reference station (Ref) a phase correction value Φ Corr (t) is determined according to the formula Φ Corr (t) = [R R i (t) - R R i (t Anf )] - λ [Φ R j ( t) - Φ R j (t Anf )] with
    t Anf initial instant at the reference station,
    λ wavelength of the transmitted GNSS signal,
    R R i (t) geometric distance from the satellite S i to the reference station at time t,
    R R i (t Anf ) geometric distance from the satellite L i to the reference station at time t Anf ,
    Φ R i (t) at the time t at the reference station Ref measured carrier phase of the satellite S i ,
    Φ R i (t Anf ) at the time t Anf the carrier phase of the satellite S i measured at the reference station Ref,
  • that the phase correction value is transmitted to the user receiver by means of a data transmission link,
  • - That the carrier phase determined there is corrected in the user receiver as a function of the phase correction value and
  • - That the position of the user receiver is determined from the corrected carrier phase.
3. Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Nutzer-Empfängers zu einem Anfangszeitpunkt (t₀) aufgrund ihrer zeitlich unveränderten Charakteristik statistisch ausgewertet wird.3. Satellite navigation method according to claim 1 or Claim 2, characterized in that the position of the  User receiver at an initial time (t₀) due their characteristic, unchanged over time, statistically is evaluated. 4. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sta­ tistisch ausgewertete Position des Nutzerempfängers zu dem Anfangszeitpunkt (t₀) als bekannte Position in die Beob­ achtungsgleichungen eingesetzt wird und daß dann zu einem bestimmbarem aktuellen Zeitpunkt (t) lediglich die aktu­ elle Position des Nutzer-Empfängers ermittelt wird.4. Satellite navigation method according to one of the previously going claims, characterized in that the sta statistically evaluated position of the user recipient on the Starting time (t₀) as known position in the observ equations of respect is used and that then to a determinable current time (t) only the current elle position of the user recipient is determined. 5. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Anfangszeitpunkt (t₀) gehörende ermittelte Position des Nutzerempfängers durch eine Tiefpaßfilterung geglättet wird.5. Satellite navigation method according to one of the previously going claims, characterized in that the to determined position belonging to an initial point in time (t₀) of the user receiver smoothed by low-pass filtering becomes. 6. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der Anfangsposition des Nutzer-Empfängers ein Schätzwert verwendet wird.6. Satellite navigation method according to one of the previously going claims, characterized in that for the Determining the starting position of the user recipient Estimate is used. 7. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nut­ zer-Empfänger an einem Luftfahrzeug angebracht wird.7. Satellite navigation method according to one of the previously outgoing claims, characterized in that the groove zer receiver is attached to an aircraft. 8. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lande­ hilfe für Flugzeuge in der Nähe einer Landebahn mindestens eine ortsfeste Referenzstation (Ref) mit bekannter Posi­ tion eingerichtet wird. 8. Satellite navigation method according to one of the previously going claims, characterized in that as lands help for planes near a runway at least a fixed reference station (Ref) with known Posi tion is set up.   9. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Referenzstation (Ref) in der Nähe der Landebahn mindestens eine Pseudo-Satellitenstation eingerichtet wird.9. Satellite navigation method according to one of the previously outgoing claims, characterized in that in addition to the reference station (Ref) near the runway at least one pseudo satellite station set up becomes.
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