DE19821320A1

DE19821320A1 - Armbanduhr mit Empfangseinrichtung für Satellitensignale zur Radioortung, Navigation und Zeitübertragung

Info

Publication number: DE19821320A1
Application number: DE19821320A
Authority: DE
Inventors: Christian Gassner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1998-12-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Uhr mit miniaturisierter Empfangseinheit für Satellitensignale, mit welcher es möglich ist, weltweit seine Position bezüglich eines erdfesten Koordinatensystems (x, y, z), die UTC-Zeit sowie die Ortszeit, zu ermitteln. Diese Empfangseinheit wird in eine Armbanduhr integriert oder als Modul adaptiert.

Moderne Armbanduhren können die unterschiedlichsten Funktionen je nach Anwendung beinhalten. Neben den eigentlichen Zeitmeßfunktionen, sind Höhen-, Tiefenmesser, Rechnerfunktionen, Datenbankfunktionen und mittlerweile auch sogenannte Funkuhren erhältlich.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig betreibt mehrere Cäsium-Atomuhren. Damit diese Genauigkeit an die Öffentlichkeit weitergegeben werden kann, wird aus diesen Uhren ein Zeitsignal gewonnen, das über einen Langwellensender in Mainflingen, etwa 25 km südöstlich von Frankfurt/Main abgestrahlt wird. Dieses sogenannte DCF 77-Signal mit einer Frequenz von 77,5 kHz kann in einem begrenztem Radius (ca. 1000 km) empfangen, dekotiert und für die Zeitsynchronisierung der normalen Uhr verwendet werden.

Herkömmliche Funkarmbanduhren funktionieren also nur im Empfangsbereich des Senders und nicht weltumspannend. Außerhalb der Sendereichweite läuft dieser Funkuhrentyp nur als normale Quarzuhr weiter und muß manuell auf die jeweilige gültige Ortszeit korrigiert werden.

Das Global Positioning System (GPS) ist eines von zwei Global Navigation Satellite Systems (GNSS) zur Radioortung, Navigation und Zeitübertragung. Dieses System wurde vom Verteidigungsministerium der USA (US Departement Of Defense) installiert und arbeitet mit zwei Genauigkeitsklassen: den Standard Positioning Services (SPS) und den Precise Positioning Services (PPS). Die Struktur der gesendeten Daten des SPS ist veröffentlicht und der Empfang zur allgemeinen Nutzung freigegeben worden, während die Zeitdaten und Navigationsdaten des noch genaueren PPS verschlüsselt gesendet werden und daher nur bestimmten (meist militärischen Anwendern) zugänglich sind. Das zweite derzeit im Einsatz befindliche System ist GLObal Navigation Satellite System (GLONASS), das von Rußland betrieben wird. Dieses System ist dem GPS-System weitgehend ähnlich und besteht ebenfalls aus 24 Satelliten, verwendet jedoch vom GPS-System abweichende Trägerfrequenzen. Der Hauptvorteil von GLONAAS gegenüber dem GPS ist, daß es keine künstliche Verschlechterung des Signals gibt, wodurch die erreichbare Genauigkeit wesentlich verbessert wird.

Das Prinzip der Orts- und Zeitbestimmung mit Hilfe eines GPS-Empfängers beruht auf einer möglichst genauen Messung der Signallaufzeit (Entfernungsbestimmung) von den einzelnen Satelliten zum Empfänger und anschließender trigonometrischer Berechnung der horizontalen und vertikalen Empfängerposition. 21 aktive GPS-Satelliten und drei zusätzliche Reservesatelliten umkreisen die Erde auf sechs Orbitalbahnen zu je vier Satelliten in einer Höhe von ca. 20 000 km einmal in ca. 12 Stunden. Dadurch wird sichergestellt, daß zu jeder Zeit an jedem Punkt der Erde mindestens vier Satelliten zu empfangen sind. Vier Satelliten sind nötig, damit der Empfänger seine Position im Raum (x, y, z) und die Abweichung seiner Uhr von der GPS-Systemzeit ermitteln kann. Der vierte Satellit wird dabei nur dann benötig, wenn zusätzlich zur Position auch noch die Höhe ermittelt werden soll. Kontrollstationen auf der Erde vermessen die Bahnen der Satelliten und registrieren die Abweichungen der an Bord mitgeführten Atomuhren von der GPS-System zeit. Die ermittelten Daten werden zu den Satelliten hinaufgefunkt und von diesen als Navigationsdaten wieder zur Erde zurück gesendet. Die hochpräzisen Bahndaten der Satelliten, genannt Ephemeriden, werden benötigt, damit der Empfänger zu jeder Zeit die genaue Position der Satelliten im Raum berechnen kann.

Nach diesem Prinzip (SPS-GPS) kann die momentane, dreidimensionale Position eines Empfängers bezüglich eines erdfesten Koordinatensystems mit einer Genauigkeit von ca. 100 Metern überall auf der Erde ermittelt werden. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit erhält man mit einem zusätzlich am Boden aufgestellten Empfänger, der sich an einer genau bekannten Position befindet. Dieser ermittelt nun die Differenz zwischen Ist- und Sollwert und sendet die so gewonnenen DGPS-Korrekturdaten an die Empfänger, welche nun wiederum die Positionsbestimmung korrigieren können. Mit diesem sogenannten Differential-GPS werden Positionsbestimmungen bis auf einige Meter Genauigkeit erreicht
Einfach- und Dualempfänger für GPS- bzw. GLONASS-Signale sind bereits im Handel erhältlich. Die Geräte sind aufgrund ihrer Größe für ein ständiges Tragen ungeeignet.

Demnach besteht ein Bedürfnis dahingehend, ständig ein Gerät zu tragen, welches weltweit funkgenau die Zeit ermittelt und zusätzlich jederzeit eine Positionsbestimmung auf der ganzen Erdoberfläche ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, welches ohne Schwierigkeiten stets mitgeführt werden kann, welches weltweit Positionsbestimmungen und die Ermittlung der UTC-Zeit bzw. der Ortszeit zuverlässig, schnell und einfach ermöglicht. Für alle Outdoor-Aktivitäten wie Bergsteigen, Wandern, Segeln, Biken, Drachenfliegen usw. geeignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, wobei vorteilhafte Realisierungen in den Nebenansprüchen angegeben sind.

Ausführungsbeispiel der Erfindung Abb. 1 zeigt die Funktionsweise mit GPS

zu Abb. 1:
Die Satelliten erzeugen einen sogenannten Coarse Aquisition (C/A)-Code und einen Precise (P)-Code. Diese Codes werden auf zwei Trägerfrequenzen (L1 = 1575,42 Mhz, L2 = 1227,60 Mhz) aufmoduliert, wobei L1 den C/A-Code und den P-Code übermittelt, währen L2 einzig den P-Code sendet. Da der P-Code auch für autorisierte zivile Stellen zugänglich ist, kann in Krisenzeiten auf den sogenannten Y-Code umgeschaltet werden, der Täuschungsmanöver von gegnerischen Störsendern unterbinden soll. Zusätzlich zu den beiden Codes werden noch Korrekturdaten der Satellitenuhr, Ephemeriden des gesendenden Signals und der Almanach gesendet. In den Ephemeriden sind die exakten Positions- und Bahndaten enthalten. Der von den Satelliten gesendete C/A-Code wird zu einer genau definierten Zeit gebildet und gesendet. Im Empfänger wird genau dieser Code zu genau derselben Zeit nachgebildet. Nun wartet der Empfänger, bis das von dem Satelliten gesendete Signal bei ihm eintrifft. Die beiden Signale werden nun gegeneinander so lange verschoben, bis sie deckungsgleich sind. Wenn dies der Fall ist, dann hat man ein Maß für die Laufzeit des Signals und damit auch für den Abstand zu dem Satellit. Wird nun auf diese Weise der Abstand zu drei oder vier Satelliten ermittelt, so kann man mit Hilfe einer trigonometrischen Berechnung (Triangulation) die Position des Empfängers bestimmen. Der vierte Satellit wird aber erst dann benötigt, wenn zusätzlich zur Position auch noch die Höhe bestimmt werden soll.

Abb. 2 zeigt die Funktionsweise mit DGPS

zu Abb. 2:
Mit einem Trick kann die Genauigkeit des SPS-GPS enorm gesteigert werden. Die notwendigen Korrekturdaten können über verschiedenste Funkwege (auch über UKW-Sender mit RDS) zugeführt werden. Die SPS-GPS-Daten werden dadurch verschlechtert, daß den gesendeten Daten zufällig eine Positionsungenauigkeit eingefügt werden. Damit ist die exakte Positionsbestimmung der Satelliten und damit des Empfängers nicht mehr möglich. Differential-GPS umgeht diese Ungenauigkeiten mit einem am Boden aufgestellten Empfänger, der sich an einer genau bekannten Position befindet. Dieser Empfänger ermittelt nun die Differenz zwischen Ist- und Sollwert und sendet die so ermittelten DGPS-Korrekturwerte an die anderen DGPS-Empfänger, die nun wiederum eine wesentlich bessere Positionsbestimmung erzielen können.

Abb. 3 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Armbanduhr mit Empfangseinrichtung für Satellitensignale zur Radioortung, Navigation und Zeitübertragung

zu Abb. 3:
Der von den Satelliten zu einer genau definierten Zeit gebildet und gesendete C/A-Code wird von der Antenne empfangenen und über die Empfangselektronik registriert von der Trägerfrequenz gefildert, verstärkt und als GPS Navigation Data Format an die Auswerteelektronik (Mikroprozessor) weitergegeben. Die Auswerteelektronik vergleicht nun die empfangenen Daten mit den zur selben Zeit selbst gebildeten Daten und ermittelt so die Zeitdifferenz sprich Laufzeit und damit den Abstand des Satelliten. Auf diese Weise werden nun die Laufzeiten von drei oder mehreren Satelliten ermittelt. Die Auswerteelektronik berechnet nun aus diesen Daten die eigene Empfänger-Position. Zusätzlich wird aus dem GPS-Navigation Data Format die UTC-Zeit gelesen. Sie dient zur Synchronisierung der "normalen" Quarzuhr bzw. zur Umrechnung auf die jeweils gültige Ortszeit.

Claims

1. Armbanduhr und Empfangseinrichtung für Satellitensignale zur Radioortung, Navi gation und Zeitübertragung dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Empfangseinrichtung aus einer oder mehrerer Antennen zum Empfang der von den Satelliten kontinuierlich ausgesandten Signale besteht, sowie einer Empfangselektronik, welche die Meßdaten registriert und automatisch an eine Auswerteelektronik (Mikroprozessor) weiterleitet, mittels der die Meßdaten dekodiert, Signallaufzeiten ermittelt und dreidimensionale Daten über die aktuelle Position, Geschwindigkeit und momentane gültige Ortszeit berechnet werden.

2. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Armbanduhr eine oder mehrere Empfangseinrichtungen aufweist, welche an die Armbanduhr adaptiert und/oder in die Armbanduhr integriert sind.

3. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Uhrenarmband eine oder mehrere Empfangseinrichtungen aufweist, welche an das Uhrenarmband adaptiert und/oder in das Uhrenarmband integriert sind.

4. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung im Zifferblatt der Uhr liegt und/oder das Zifferblatt der Uhr bildet.

5. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung zusätzlich Korrektursignale eines terrestischen Senders mit genau bekannter Position empfängt, mittels dem die Positionsbestimmung wesentlich verbessert wird.

6. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Armbanduhr für die ermittelten Ergebnisse über eine optische Anzeige und/oder akustische Ausgabe verfügt.

7. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Armbanduhr eine Eingabemöglichkeit aufweist, mit Hilfe derer die unterschiedlichen Funktionen gestartet werden.

8. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Armbanduhr einen Datenspeicher aufweist, der die ermittelten Ergebnisse zwischenspeichert.

9. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung an die Energiequelle der Armbanduhr und/oder über eine eigene Energiequelle verfügt.

10. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Armbanduhr über eine entsprechende elektronische Schnittstelle verfügt, welche den Datentransfer zu externen Komponenten ermöglicht.

11. Armbanduhr und Empfangseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß durch das empfangene Zeitsignal die Quarzuhr synchronisiert wird.

12. Armbanduhr (1) und Empfangseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Armbanduhr zusätzlich einen Drucksensor beinhaltet, welcher an die Armbanduhr adaptiert und/oder in die Armbanduhr integriert ist um eine genauere Höhenbestimmung zu ermöglichen.