DE19731110B4

DE19731110B4 - Satelliten-Navigationsverfahren

Info

Publication number: DE19731110B4
Application number: DE1997131110
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Dr.-Ing. Gu; Ansgar Dipl.-Math. Leiprecht; Horst Dr.rer.nat. Schmidt; Uwe Dr.-Ing. Wacker
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell GmbH
Priority date: 1997-07-19
Filing date: 1997-07-19
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2017-07-20
Also published as: DE19731110A1

Abstract

Satelliten-Navigationsverfahren zur Bestimmung der Position einer Mobilstation, wobei
– in der Mobilstation die Signale von mehreren Satelliten empfangen und daraus Pseudorange-Korrekturwerte für die Satelliten ermittelt werden,
– mindestens eine Referenzstation mit bekannter Referenz-Position vorhanden ist,
– in der Referenzstation möglichst zeitgleich die Signale derselben Satelliten, welche die Mobilstation verwendet, empfangen und mittels der Referenz-Position ausgewertet werden, so daß Entfernungs-Korrekturwerte entstehen,
– die Entfernungs-Korrekturwerte zu der Mobilstation übermittelt werden,
– die Pseudo-Entfernungen der Mobilstation mittels der Entfernungs-Korrekturwerte korrigiert werden,
wobei zur Ermittlung der Entfernungs-Korrekturwerte
– im Bereich der Referenzstation eine (Satelliten-)Empfangsantenne auf einer vorgebbaren geographischen Position angeordnet wird,
– jede Empfangsantenne mit einem Empfänger verbunden wird,
– durch Messungen der Signallaufzeiten und Trägerphasen der Satelliten die Pseudo-Entfernungen von den empfangenen Satelliten zu jeder Empfangsantenne ermittelt werden,
– mittels der bekannten, ortsfesten Referenzstation und den mittels Bahnparametern errechneten Satellitenpositionen die geometrischen Entfernungen...

Description

Die Erfindung geht aus von einem Satelliten-Navigationsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Bestimmung der geographischen Position einer mobilen Station (Mobilstation) mittels der sogenannten GPS-Navigation (Global Positioning System). Für eine Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum (3D-Raum) werden die Satellitensignale von mindestens vier GPS-Satelliten benötigt. Eine solche SD-Positionsbestimmung erfolgt mit einer Genauigkeit von ± 174 m (95%). Höhere Genauigkeiten, beispielsweise ± 1 m (95%), sind mit dem DGPS-Verfahren (Differential-GPS- Verfahren) erreichbar. Dabei wird eine ortsfeste Referenzstation mit einem oder mehreren GPS-Empfängern verwendet, deren Antennenpositionen genau bekannt sind. In dieser Referenzstation werden ebenfalls die Satellitensignale ausgewertet, und zwar möglichst dieselben, die von der Mobilstation verwendet werden, und daraus auch mittels der bekannten Position (der Referenzstation) mehrere Korrekturwerte ermittelt. Diese werden der Mobilstation übermittelt, vorzugsweise über eine (Daten-)Funkstrecke. Mit diesen Korrekturwerten kann dann in der Mobilstation deren Position genauer bestimmt werden.
Für einige Anwendungen, beispielsweise der Durchführung von vollautomatischen Landeanflügen von Verkehrsflugzeugen nach sogenannten CAT IIIb-Bedingungen, werden wesentlich höhere Genauigkeiten gefordert, beispielsweise ± 1,2 m (95%) für vertikale Abweichungen der Landeanflüge unter CAT III-Bedingungen (Null Sicht). Für derartige Genauigkeiten (Toleranzen) müssen genaue Korrekturwerte der Referenzstation entsprechend ermittelt werden.
Die US 5,477,458 beschreibt ein Verfahren zum Ausführen von GPS-Pseudorange-Korrekturen in einem größeren ausgewählten geographischen Gebiet. Ziel ist es, die Position eines sich in diesem Gebiet bewegenden mobilen GPS-Empfängers genau zu bestimmen. Dazu befinden sich in dem Gebiet mehrere fest installierte Referenzstationen mit genau bekannten Positionsdaten und jeweils einer Satelliten-Empfangsantenne. Mit dieser Satelliten-Empfangsantenne empfängt eine Referenzstation Signale von drei oder mehr Satelliten, bestimmt ihre eigenen Pseudorange-Korrekturen und sendet diese Informationen zu der mobilen Empfangsstation, welche sich in einem Bereich zwischen 100 bis 200 km Entfernung zu dieser Referenzstation befindet. Auf Basis dieser Korrekturwerte bestimmt die mobile Empfangsstation dann ihre eigenen Pseudorange-Korrekturen. Dazu werden aus den verschiedenen Pseudorange-Korrekturwerten verschiedener Referenzstationen die Pseudorange-Korrekturwerte einer virtuellen Referenzstation bestimmt, welche sich an der Position des mobilen GPS-Empfängers befindet, wobei eine räumliche Wichtung vorgenommen wird.
In der DE 40 33 527 wird eine Fahrzeugpositionsdetektoreinrichtung beschrieben mit einem unabhängigen Positionsdetektorabschnitt zum Ermitteln von Akkumulationspositionsdaten, einem Positionsbestimmungsabschnitt nach Art einer Satellitennavigationseinrichtung zum Bestimmen von Satellitenpositionsdaten aus Satellitennavigationsdaten, einem Syntheseabschnitt, der synthetische Positionsdaten aus den Akkumulationspositionen und den Satellitennavigations-Positionsdaten berechnet, einem Fahrbahnpositionsbestimmungsabschnitt, der die Position des Fahrzeugs auf der Straße in Übereinstimmung mit den synthetischen Positionsdaten und Straßenkartendaten ermittelt, und einem entsprechenden Anzeigeabschnitt. Dabei können Einrichtungen zum Berechnen eines gewichteten Mittelwerts der Akkumulationspositionsdaten und der Satellitennavigations-Positionsdaten vorgesehen sein.
In der Druckschrift WO 95/27909 A1 wird ein Satelliten-Navigationsverfahren offenbart, bei dem eine analytische Phasenauswertung der Trägersignale von mindestens sieben Satelliten durchgeführt wird.
Schließlich offenbart die US 5,625,556 eine Vorrichtung zum Ableiten von Zeitinformationen mit Hilfe eines Satellitenpositionssystems, wobei die Mittlung verschiedener Zeitintervalle zur Bestimmung der korrekten Zeit vorgesehen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit welchem für eine vorgebbare ortsfeste Referenzstation mit ortsfesten GPS-Empfängern in zuverlässiger Weise hochgenaue Korrekturwerte, die für eine Satelliten-Navigation verwendet werden, ermittelt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die in dem Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel der eingangs erwähnten DGPS-Navigation näher erläutert. Bei der dafür nötigen Referenzstation (Bodenstation) mit mindestens einem ortsfesten GPS-Empfänger wird angenommen, daß mindestens ein sehr genau vermessener geodätischer Vermessungspunkt (Bezugspunkt) vorhanden ist. Dieser ist mit in der Geodäsie üblichen Verfahren vermessen worden, beispielsweise mit einer Genauigkeit von ± 1 cm für jede der drei räumlichen Koordinaten. Bezogen auf diesen Bezugspunkt, oder die Bezugspunkte, werden nun mindestens zwei GPS-Empfangsantennen ebenfalls hochgenau mit vorgebbarer Genauigkeit, beispielsweise ± 1 cm, aufgestellt. Dabei haben die GPS-Empfangsantennen voneinander eine vorgebbare Entfernung, die beispielsweise in einem Bereich von 10 m bis 50 km liegt. Die Entfernung und/oder Position der GPS-Empfangsantennen ist für die erforderliche Genauigkeit mit einem derzeit üblichen Meßverfahren hochgenau bestimmbar. Jede der GPS-Empfangsantennen wird derart ausgebildet und positioniert, daß zu jeder Tageszeit die Sendesignale von allen zu der Tageszeit verfügbaren GPS-Satelliten empfangen werden können. Derartige GPS-Empfangsantennen sind derzeit handelsüblich. An jede GPS-Empfangsantenne wird ein derzeit handelsüblicher GPS-Empfänger angeschlossen. In jedem GPS-Empfänger werden nun in derzeit üblicher Weise, die möglicherweise von dem Empfängertyp abhängt, für jeden verfügbaren GPS-Satelliten zeitlich fortlaufend oder zeitlich periodisch (in vorgebbaren Zeitabständen) die Meßgrößen

– Integrierte Doppler-Verschiebung aus Trägerphase; das ist die aus dem GPS-Phase-Signal eines bestimmten vorgebbaren GPS-Satelliten bestimmte Entfernungsänderung von diesem zu der GPS-Empfangsantenne eines vorgebbaren GPS-Empfängers der Referenzstation seit dem Meßbeginn und
– Pseudorange aus Code; das ist die aus dem zugehörigen Codesignal ermittelte Entfernung zwischen den GPS-Satelliten und der GPS-Empfangsantenne

Bei der Satelliten-Navigation ergibt sich eine (dreidimensionale) Position einer Empfangsantenne, die zu einer Mobil- oder Referenzstation gehört, aus dem Schnittpunkt von mindestens vier Pseudorange-Messungen (Pseudo-Entfernungs-Messungen). Dabei wird die Pseudo-Entfernung (Pseudorange) von einer einzigen Empfangsantenne zu mindestens vier verschiedenen GPS-Satelliten SV bestimmt.
Bei diesen Pseudorange-Messungen entstehen korrelierte Fehler zwischen Empfängern, beispielsweise infolge einer Signallaufzeit-Änderung durch die Erdatmosphäre. Diese korrelierten Fehler werden in der nachfolgend beschriebenen Weise ermittelt und daraus Korrekturen (Korrekturwerte) für die Mobilstation. Diese verwendet die Korrekturwerte bei der Bestimmung ihrer (3-D)Position und führt damit eine Korrektur der eigenen Entfernungsmessungen durch.
Es können jedoch auch unkorrelierte Fehler zwischen Empfängern auftreten, beispielsweise infolge der verschiedenen Einflüsse der Mehrwegausbreitungen der Signale zwischen den Empfangsantennen der Mobilstation und der Referenzstation. Diese unkorrelierten Fehler sollen weitgehendst unterdrückt werden. Zur Verringerung der Einflüsse der unkorrelierten Fehler bei der Korrekturwertermittlung wird nun zeitlich fortlaufend oder zeitlich periodisch (in vorgebbaren Zeitabständen) für alle verfügbaren Empfänger der Referenzstation eine Pseudorange-Korrektur PR_Korr ermittelt gemäß der Iterations-Formel PRKorri = Fi(PRKorrii, j) für alle i, j (1)dabei bedeuten

i: = Index des verwendeten GPS-Satelliten SV
j: = Index der verwendeten Empfangsantenne
PR_Korri: = Pseudorange-Korrektur für den i-ten GPS-Satelliten Sv_i.
F_i: = statistische (Fehler-)Funktion für den GPS-Sateliten Sv_i.

Die Funktion F_i bewirkt eine Art Mittelwertbildung aus den Pseudorange-Korrekturen der verschiedenen Empfänger der Referenzstation zu demselben Satelliten. Dafür sind unterschiedliche Funktionen aus der Statistik geeignet, beispielsweise die nachfolgend genannten Funktionen F_i:
1. Bildung eines arithmetischen Mittelwertes gemäß der Formel:

dabei bedeuten

PR_Korrij

= Pseudorange-Korrektur für einen vorgebbaren GPS-Satelliten Sv_i und eine vorgebbare Empfangsantenne E_j der Referenzstation;

N

= Anzahl der Empfangsantennen E_j, die zu der Referenzstation gehören.

2. Bildung eines gewichteten Mittelwertes gemäß der Formel

dabei bedeutet zusätzlich

Gij

= einen vorgebbaren Gewichtsfaktor, der sich auf einen vorgebbaren GPS-Satelliten Sv_i und eine vorgebbare Empfangsantenne E_j bezieht.

3. Bildung eines Mittelwertes nach vorgebbaren Bedingungen gemäß der Formel

dabei bedeuten zusätzlich

M

= Anzahl der verwendeten vorgebbaren Einzelkorrekturen,

G_ij

= vorgebbarer Gewichtsfaktor,

Bed(j)

= 1 oder 0,

Bed(j)

= vorgebbare Bedingung für die Empfangsantenne E_j sowie den daran angeschlossenen zugehörigen Empfänger.

Dabei kann Bed(j) beispielsweise erfüllt sein (dann gilt Bed(j) = 1) für

– alle Meßwerte, für die ein ausreichendes (vorgebbares) Signal zu Rauschverhältnis (SNR) zur Verfügung steht,
– alle Meßwerte, die in einem vorgebbaren vergangenen Zeitraum nicht gestört wurden,
– alle Meßwerte mit dem jeweils optimalen Signal zu Rauschverhältnis (SNR).

Die genannten Funktionen F_i stellen also eine Art mittlere Pseudorange-Korrektur dar für einen vorgebbaren GPS-Satelliten Sv_i, welcher von allen oder einer vorgebbaren Anzahl der Empfangsantennen E_j einer Referenzstation empfangen wird.
Dabei richtet sich die Auswahl der Funktion F_i sowie die Anzahl der darin genannten Größen, beispielsweise der Gewichtsfaktoren, nach unterschiedlichen Parametern, die beispielsweise empirisch ermittelt werden. Diese Parameter sind beispielsweise von den Bedingungen der Mehrwegeeinflüsse an verschiedenen Empfangsantennen abhängig.
Eine Mobilstation korrigiert eigene Entfernungsmessungen (zu den Satelliten) mittels der Pseudorange-Korrekturwerte, die von der Referenzstation übertragen werden, beispielsweise mittels der erwähnten (Daten-)Funkstrecke. Alternativ dazu ist es möglich, daß von der Referenzstation deren Rohmessungen (Pseudoentfernungs- sowie Trägerphasenmessungen) an die Mobilstation übertragen werden. In der Mobilstation werden dann die Pseudorange-Korrekturwerte ermittelt durch einen Vergleich der Pseudo-Entfernungen (der Referenzstation zu den Satelliten) mit den zugehörigen bekannten geometrischen Entfernungen der Referenzstation zu den Satelliten.
Mit dem beschriebenen Verfahren werden in vorteilhafter Weise die unkorrelierten Fehler in den Pseudorange-Korrek turwerten um den Faktor √N verringert, bezogen auf die unkorrelierten Fehler in derzeit üblichen Korrekturwerten bei der DGPS-Navigation, wobei N die Anzahl der Empfangsantennen, die zu der Referenzstation gehören, bedeuten.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar, beispielsweise auf eine Satelliten-Navigation unter Verwendung sogenannter GLONASS-Satelliten. Weiterhin sind weitere Anwendungen möglich, bei denen ebenfalls hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Genauigkeit gefordert werden, beispielsweise bei einem automatisch durchgeführten Anlegemanöver eines hochseetüchtigen Schiffes in einem Hafen.

Claims

Satelliten-Navigationsverfahren zur Bestimmung der Position einer Mobilstation, wobei – in der Mobilstation die Signale von mehreren Satelliten empfangen und daraus Pseudorange-Korrekturwerte für die Satelliten ermittelt werden, – mindestens eine Referenzstation mit bekannter Referenz-Position vorhanden ist, – in der Referenzstation möglichst zeitgleich die Signale derselben Satelliten, welche die Mobilstation verwendet, empfangen und mittels der Referenz-Position ausgewertet werden, so daß Entfernungs-Korrekturwerte entstehen, – die Entfernungs-Korrekturwerte zu der Mobilstation übermittelt werden, – die Pseudo-Entfernungen der Mobilstation mittels der Entfernungs-Korrekturwerte korrigiert werden, wobei zur Ermittlung der Entfernungs-Korrekturwerte – im Bereich der Referenzstation eine (Satelliten-)Empfangsantenne auf einer vorgebbaren geographischen Position angeordnet wird, – jede Empfangsantenne mit einem Empfänger verbunden wird, – durch Messungen der Signallaufzeiten und Trägerphasen der Satelliten die Pseudo-Entfernungen von den empfangenen Satelliten zu jeder Empfangsantenne ermittelt werden, – mittels der bekannten, ortsfesten Referenzstation und den mittels Bahnparametern errechneten Satellitenpositionen die geometrischen Entfernungen von den Satelliten zu jeder Empfangsantenne ermittelt werden, – aus dem Vergleich der Pseudo-Entfernungen mit den bekannten geometrischen Entfernungen die Entfernungskorrekturen ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß – im Bereich einer Referenzstation mindestens zwei (Satelliten-)Empfangsantennen vorgesehen sind, – für eine vorgebbare Auswahl der Empfangsantennen der Referenzstation sowie für eine vorgebbare Auswahl der am Ort der Referenzstation empfangbaren Satelliten für die Referenzstation eine Pseudorange-Korrektur (PR_Korri) ermittelt wird gemäß der Formel: PRKorri = Fi(PRKorrii, j),wobei F_i = eine vorgebbare statistische Funktion, i = einen vorgebbaren Satelliten Sv_i kennzeichnenden (Satelliten-)Index, j = eine vorgebbare Empfangsantenne E kennzeichnenden (Empfänger-)Index sowie PR_Korrii, j = eine von i, j abhängige Pseudorange-Korrektur bedeuten, – für die Funktion F_i eine Mittelwertsbildung gewählt wird, um eine mittlere Pseudorange-Korrektur aus den Pseudorange-Korrekturen der verschiedenen Empfänger der Referenzstation zu demselben Satelliten zu bilden.
Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Übermittlung der Entfernungs-Korrekturwerte zu der Mobilstation rohe Meßdaten (Pseudorange sowie Trägerphasen) zu der Mobilstation übermittelt und in der Mobilstation aus den von der Referenzstation übertragenen Rohmessungen (Pseudoentfernungen sowie Trägerphasen) die Entfernungs-Korrekturen ermittelt werden durch einen Vergleich der Pseudo-Entfernungen der Referenzstation mit den Zugehörigen bekannten geometrischen Entfernungen der Referenzstation zu den Satelliten.
Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Funktion F_i ein arithmetischer Mittelwert gewählt wird gemäß der Formel
wobei PR_Korrij eine von den Indizes i, j abhängige korrigierte Pseudo-Entfernung und N eine vorgebbare Anzahl von Empfangsantennen E_j im Bereich der Referenzstation bedeuten.
Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Funktion F_i ein gewichteter Mittelwert gewählt wird gemäß der Formel
wobei G_ij einen von den Indizes i, j abhängigen vorgegebenen Gewichtsfaktor bedeutet.
Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Funktion F_i vorgebbare Bedingungen Bed(j) verwendet werden gemäß der Formel
wobei G_ij einen von den Indizes i, j abhängigen vorgebbaren Gewichtsfaktor, N eine vorgebbare Anzahl von vorgebbaren Einzelkorrekturen und Bed(j) vorgebbare Bedingungen bedeuten.
Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Landehilfe für ein Flugzeug, in welchem die Mobilstation angeordnet wird.
Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstation im Nahbereich einer Landebahn angeordnet wird.
Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwendung als Anlegehilfe für ein Seefahrzeug, in welchem die Mobilstation angeordnet wird.