DE602004002925T2

DE602004002925T2 - Vorrichtung zur Bestimmung durch Filtern von Datenintegrität eines differentiellen Positionierungssystems, für ein Mobilgerät

Info

Publication number: DE602004002925T2
Application number: DE602004002925T
Authority: DE
Inventors: Xavier Derambure; Philippe Roghi
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2024-11-03
Also published as: ATE343797T1; FR2863714B1; DE602004002925D1; US20050131636A1; EP1544636B1; FR2863714A1; US6970785B2; EP1544636A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Positionierung und genauer gesagt auf autonome (wie beispielsweise GPS-Empfänger (GPS für „Global Positioning System")) oder bordinterne Vorrichtungen zur Positionsbestimmung, beispielsweise in Mobilgeräten.
Unter „Mobilgerät" versteht man hier ein Kommunikationsendgerät, das mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung, eventuell per Satellit, ausgestattet ist, wie beispielsweise ein Mobiltelefon oder einen digitalen persönlichen Assistenten (oder PDA), eventuell vom vernetzten Typ.
Wie dem Fachmann bekannt ist, besteht die Positionierung beispielsweise per Satellit darin, zwei Schritte auf der Ebene einer Positionsbestimmungsvorrichtung (oder Positionierungsvorrichtung) zu verknüpfen.
Bei einem ersten Schritt, dem so genannten Erfassungsschritt, bestimmt die Vorrichtung pseudostochastische Codes, welche von so genannten „Sicht"-Satelliten herkommende Signale modulieren, wobei diese Satelliten zu einer Positionierungssatellitenkonstellation gehören und auf eine Referenzzeit bezogen sind, die im Allgemeinen als „Systemzeit" bezeichnet wird. Unter „Positionierungssatellitenkonstellation" versteht man hier ein Positionierungsnetz vom Typ RNSS (für „Radio Navigation Satellite Service"), wie beispielsweise das GPS-Netz oder das GLONASS-Netz oder aber auch das künftige GALILEO-Netz.
Es geht de facto darum, die von den Sichtsatelliten empfangenen Signale mit Signalrückmeldungen zu vergleichen, die aus Hypothesen über die Systemzeit und die Taktfrequenz der Satelliten resultiert, um daraus die pseudostochastischen Codes abzuleiten, die diese empfangenen Signale modulieren oder anders gesagt den Taktgeber des Endgeräts und seine Frequenz auf den Taktgeber und die Frequenz jedes Sichtsatelliten zu synchronisieren. Hierfür führt man im Allgemeinen Korrelationsmessungen durch, die auf Zeit- und Frequenz-Hypothesenpaaren beruhen.
In einem zweiten Schritt bestimmt die Vorrichtung dann die geschätzte Position des Endgeräts, in dem sie implantiert ist, ausgehend von den erfassten pseudostochastischen Codes und von Navigationsdaten, die insbesondere in den empfangenen Signalen enthalten sind. Genauer gesagt besteht dieser zweite Schritt darin, ausgehend von den erfassten pseudostochastischen Codes Laufzeiten der Signale zwischen jedem der Sichtsatelliten und dem Endgerät zu bestimmen, anschließend ausgehend von den Navigationsdaten, die in den Signalen enthalten sind, und den Ausbreitungszeiten, Pseudoentfernungen zwischen dem Endgerät und jedem der Sichtsatelliten zu bestimmen, und schließlich die geschätzte Position des Endgeräts ausgehend von den Pseudoentfernungen zu bestimmen.
Diese letzte Bestimmung erfordert mindestens eine Vierseitigkeit, und allgemeiner gesagt eine numerische Auflösung vom Typ Methode der kleinsten Quadrate mit vier Unbekannten und mindestens vier Messungen (vier Messungen sind also erforderlich, um die vier Unbekannten zu lösen). Unter bestimmten Bedingungen werden nur drei Messungen verwendet, wobei eine Unbekannte festgelegt wird, typischerweise die Höhe (Z) des Empfängers oder man kann Hybridisierungen mit Außenmessungen durchführen.
Die Präzision jeder Laufzeit und somit jeder Pseudoentfernung bestimmt direkt die Präzision der geschätzten Position. Nun hängt aber die Präzision jeder Laufzeit von der Qualität der Erfassung der pseudostochastischen Codes des entsprechenden empfangenen Signals ab, welche von der Qualität dieses empfangenen Signals abhängig ist.
Infolgedessen ist die bestimmte Position im Allgemeinen mit Fehlern behaftet, wenn mindestens eines der von einem Sichtsatelliten empfangenen Signale von schlechter Qualität ist, was relativ häufig der Fall ist, insbesondere in unebenen oder überfrachteten Umgebungen, oder am Rand eines Bereichs, der von Satelliten versorgt wird. Es kann sogar vorkommen, dass es einem vorübergehend unmöglich ist, die Position des Endgeräts zu bestimmen, obwohl die von den anderen Sichtsatelliten herkommenden Signale von guter Qualität sind.
Um die Situation und insbesondere die Präzision der geschätzten Positionen zu verbessern, wurde vorgeschlagen, die Positionierungssatellitenkonstellationen mit so genannten „differentiellen Positionierungs"-Systemen vom Typ SBAS (für „Satellite Based Augmentation System") zu koppeln, wie beispielsweise dem System EGNOS.
Ein differentielles Positionierungssystem besteht im Allgemeinen aus Bodenstationen und geostationären Satelliten (wie beispielsweise IMMARSAT und ARTEMIS), deren Aufgabe es ist, differentielle Positionierungsdaten zu Mobilgeräten zu übertragen, die mit Positionierungsvorrichtungen ausgestattet sind, und zwar im Allgemeinen per Funkkanal.
Diese differentiellen Positionierungsdaten sind im Allgemeinen typisch für die annähernde Referenzzeit der Konstellation, die annähernde Position des betreffenden Endgeräts und mindestens einen Unsicherheitsradius, der mit dieser annähernden Position verknüpft ist. Sie können aber auch typisch sein für Ephemeriden, ergänzende Navigationsdaten oder zeitliche Korrekturen, eventuell typisch für Störungen, die von der Ionosphäre hinsichtlich der Ausbreitung der von den Sichtsatelliten übertragenen Signale induziert werden.
Diese differentiellen Positionierungsdaten sind im Wesentlichen während des Schritts zur Bestimmung der geschätzten Position und der damit verknüpften Unsicherheitsradien, die als Schutzebene(n) bezeichnet werden, von Nutzen.
Diese Unsicherheitsradien stellen Datenintegrität dar, die im Allgemeinen eine Hülle bilden (Eg definiert durch einen waagerechten und einen senkrechten Radius), zentriert auf die zugehörige annähernde Position und in der sich das betreffende Endgerät befinden soll.
Diese ebenfalls als Schutzradius bezeichnete Hülle wird von der Vorrichtung genutzt, um ihre Dienstverfügbarkeit bezogen auf ein verlangtes Präzisionserfordernis zu bewerten. US B2 6466 846 macht einen differentiellen GPS-Empfänger bekannt, der Unterstützungsdaten verwendet, die einen Vertrauensradius enthalten, der einen Kreis darstellt, der auf die annähernde Position des Empfängers zentriert ist.
Je größer die Abmessungen der Hülle, desto größer kann die Ungenauigkeit der geschätzten Position sein. Mit anderen Worten: dieser Schutzradius definiert ein „Qualitätsniveau" in Sachen potentielle Positionsgenauigkeit.
Da die Präzision der überschlagenen Position, aber auch des Schutzradius von den empfangenen Korrektur- und Integritätsinformationen (oder vom Qualitätsniveau) abhängen, ist die Positionierungsvorrichtung also auf das angewiesen, was das differentielle Positionierungssystem an sie überträgt.
Nun ist es so, dass es in bestimmten Situationen unabdingbar ist, über eine höhere Präzision zu verfügen als diejenige, die durch Durchführung der Positionsberechnung gemäß dem vorgenannten Standard zu einem bestimmten Zeitpunkt möglich ist.
Wenn das Endgerät in einer beschädigten Funkumgebung angeordnet ist oder am Rande eines Versorgungsbereichs kann es außerdem sein, dass es die differentiellen Positionierungsdaten (typischerweise die Korrekturen und die Integritätsinformationen) nicht empfangen kann, was die Positionierungsgenauigkeit beeinträchtigt (und auch die Bestimmung des Schutzradius verhindert und somit eine Nichtverfügbarkeit des Dienstes induziert).
Es wurden zwar GPS-Techniken zum Code-Filtern vorgeschlagen, um die vorgenannten Situationen zu berücksichtigen. Aber diese betreffen lediglich feststehende Endgeräte, da ihre Konvergenzzeiten für eine Umsetzung in Mobilgeräten zu langsam sind.
Außerdem wurden ebenfalls GPS-Techniken zur Phasenfilterung vorgeschlagen, aber sie erfordern nicht nur das Vorhandensein einer Referenzstation, deren Position genau bekannt ist, sondern auch eine dauerhafte Sichtbarkeit der Satelliten der GPS-Konstellation.
Zweck der Erfindung ist also eine Verbesserung der Situation.
Hierfür schlägt sie eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung für ein Mobilgerät vor, die zum einen Mittel enthält zur Erfassung pseudostochastischer Codes und von Navigationsdaten, die in empfangenen Signalen enthalten sind, und von zugehörigen differentiellen Positionierungsdaten, die zu jedem Zeitpunkt typisch sind für die annähernde Position des Endgeräts und eines zugehörigen Schutzradius, enthalten in den empfangenen Meldungen, und zum anderen Mittel zur Positionsberechnung, deren Aufgabe es ist – wenn sie über einen Schutzradius verfügen, der einem Qualitätsniveau entspricht, das niedriger ist als ein gewähltes Qualitätsniveau, oder bei zeitweiligem Fehlen eines Schutzradius verbunden mit einer annähernden Position zu einem Zeitpunkt T – einen Schutzradius zu bestimmen, der in Abhängigkeit von einem Gewichtungsgesetz abgeschätzt wird, das auf eine gewählte Anzahl von früheren Schutzradien angewandt wird, dann eine geschätzte Position des Endgeräts zum Zeitpunkt T in Abhängigkeit mindestens von dem geschätzten Schutzradius und den pseudostochastischen Codes, Navigationsdaten und annähernder Position zum erfassten Zeitpunkt T zu bestimmen.
Die Positionierungsvorrichtung kann weitere Kennzeichen enthalten, die getrennt oder kombiniert genommen werden können, und insbesondere:

– einen Speicher, der es ermöglicht, frühere Schutzradien zu speichern. In diesem Fall werden die Mittel zur Positionsberechnung so angeordnet, dass sie jedes Qualitätsniveau, das einem erfassten Schutzradius entspricht, mit dem gewählten Qualitätsniveau vergleichen, welches dann zum Beispiel festgelegt wird durch das Qualitätsniveau, das dem Schutzradius entspricht, der unmittelbar davor ist (Zeitpunkt „T – 1") und im Speicher gespeichert ist. Die Mittel zur Positionsberechnung können dann damit beauftragt werden, im Speicher entweder jeden erfassten Schutzradius zu speichern, wenn dessen entsprechendes Qualitätsniveau größer oder gleich dem gewählten Qualitätsniveau ist, so dass er einen früheren Schutzradius bildet (der später genutzt werden kann), oder einen geschätzten Schutzradius, wenn das Qualitätsniveau des zugehörigen erfassten Schutzradius unter dem gewählten Qualitätsniveau liegt, so dass er einen früheren Schutzradius bildet. Außerdem kann jeder geschätzte Schutzradius in Übereinstimmung mit dem entsprechenden erfassten Schutzradius gespeichert werden.
– können die Mittel zur Positionsberechnung rekonfigurierbar sein, so dass die Anzahl früherer Schutzradien, die zur Bestimmung eines geschätzten Schutzradius dienen, je nach Bedarf abgeändert werden kann,
– enthalten die Mittel zur Positionsberechnung vorzugsweise ein Mittel zur Filterung, das die Aufgabe hat, das Gewichtungsgesetz auf die früheren Schutzradien anzuwenden, wie zum Beispiel ein lineares Filter (wobei ein Gewichtungsgesetz des linearen Typs angewandt wird) oder ein Kalmanfilter,
– können die Navigationsdaten von einem Satellitennavigationssystem herkommen, beispielsweise vom Typ GPS, oder GLONASS oder GALILEO. In diesem Fall können die differentiellen Positionierungsdaten von einem differentiellen Positionierungssystem kommen, beispielsweise vom Typ EGNOS, das an das Satellitennavigationssystem gekoppelt ist.

Die Erfindung schlägt ebenfalls ein Mobilgerät vor, das mit einer Positionierungsvorrichtung des vorstehend vorgestellten Typs ausgestattet ist. Ein solches Endgerät kann in Form eines Kommunikationsterminals gestaltet sein. Das Endgerät kann zum Beispiel in einem zellularen Kommunikationsnetz kommunizieren, dessen Zellen durch eine Basisstation (BTS) verwaltet werden. In diesem Fall ist die annähernde Position des Endgeräts typisch für die Zelle, in der es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet.
Die Erfindung ist besonders gut, obwohl nicht ausschließlich, geeignet für Positionierung per Satellit, aber auch für alle anderen Positionierungsverfahren, die den Begriff Schutzradius als Datenintegrität nutzen.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten bei der Prüfung der nachstehenden detaillierten Beschreibung zutage, sowie der beigefügten Zeichnungen, wobei:
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Telekommunikationsanlage illustriert, die die Durchführung der Erfindung ermöglicht, und
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein mobiles Kommunikationsterminal veranschaulicht, das mit einer Positionierungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
Die beigefügten Zeichnungen können nicht nur dazu dienen, die Erfindung zu ergänzen, sondern auch gegebenenfalls zu ihrer Definition beitragen.
Zweck der Erfindung ist es, die Bestimmung der geschätzten Position eines Mobilgeräts in einer Telekommunikationsanlage mit größerer Präzision zu ermöglichen, insbesondere in einer beschädigten Umgebung oder am Rand des Versorgungsbereichs.
Unter „Telekommunikationsanlage" versteht man hier eine Anlage, die mindestens ein Kommunikationsnetz enthält, das mit Mobilgeräten kommuniziert, ein Positionierungssystem, wie beispielsweise ein Positionierungssystem per Satelliten, und ein so genanntes „differentielles Positionierungs"-System (oder Unterstützungssystem), das an das Positionierungssystem gekoppelt ist und die Aufgabe hat, differentielle Positionierungsdaten zu übertragen, welche die Berechnung der geschätzten Positionen der Endgeräte erleichtern, und zwar durch Positionierungsvorrichtungen (hier in Mobilgeräten angesiedelt).
Überdies versteht man hier unter „Mobilgerät" (UE) jegliche Art von Endgerät, das im Stande ist, mindestens Signale zu empfangen, die Navigationsdaten des Positionierungssystems per Satellit enthalten und differentielle Positionierungsdaten von dem differentiellen Positionierungssystem. Es kann sich also handeln entweder um einfache portable Positionierungsvorrichtungen per Satellit, oder solche, die sich an Bord eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs befinden und mindestens eine Anwendung im Zusammenhang mit der Positionierung implementieren, oder um Mobiltelefone, digitale persönliche Assistenten (oder PDA) oder um Notebooks, die mit einer solchen Vorrichtung für die Positionierung per Satellit ausgestattet sind und ebenfalls mindestens eine Anwendung im Zusammenhang mit der Positionierung implementieren.
Außerdem versteht man hier unter „Positionierungssystem per Satellit" ein Positionierungsnetz per Satellit vom Typ RNSS (für „Radio Navigation Satellite System") wie beispielsweise ein GPS-Netz. Aber es könnte sich auch um jegliche andere Art von RNSS-Netz handeln, wie zum Beispiel das GLONASS-Netz oder das künftige GALILEO-Netz oder aber um eine Kombination aus mindestens zwei der drei vorgenannten Netze.
Schließlich versteht man hier unter „differentielles Positionierungssystem" ein System, das an das Positionierungssystem per Satellit gekoppelt ist und die Aufgabe hat, differentielle Positionierungsdaten (wie zum Beispiel Korrekturen der Fehler und Integritäten der zugehörigen Korrekturen) zu den Mobilgeräten (und genauer gesagt zu ihren Positionierungsvorrichtungen) zu übertragen. Es handelt sich beispielsweise um ein System vom Typ SBAS (für „Satellite Based Augmentation System"), wie beispielsweise das EGNOS-System, das im einleitenden Teil vorgestellt wurde. Ein solches System beinhaltet im Allgemeinen geostationäre Satelliten (SG), deren Aufgabe es ist, an die Mobilgeräte Rahmen (SBAS) zu übertragen, die die differentiellen Positionierungsdaten enthalten und durch mindestens eine Station am Boden (SA) erzeugt wurden. Aber es kann jegliche weitere Art von differentiellem Positionierungssystem ins Auge gefasst werden, unabhängig davon, ob es lokal oder über das Internet zugänglich ist.
Nachfolgend wird beispielhaft wie auf 1 veranschaulicht erachtet, dass die Telekommunikationsanlage ein mobiles (Funk)-Kommunikationsnetz enthält (materialisiert durch eine seiner Basisstationen (BTS), ein Positionierungssystem per Satellit vom Typ GPS (materialisiert durch seine CS-Konstellation von SN-Satelliten) und ein differentielles Positionierungssystem vom Typ EGNOS (materialisiert durch einen geostationären Satelliten SG und eine differentielle Positionierungsstation am Boden SA, die an das Kommunikationsnetz gekoppelt ist). Dieses mobile Kommunikationsnetz ist hier vom zellularen Typ, wie beispielsweise die Netze des Typs GSM/GPRS und UMTS (und alle gleichwertigen).
Natürlich könnte die Anlage auch eine Hybridanlage sein, das heißt eine oder mehrere Sendestationen, einen oder mehrere Telekommunikationssatelliten und Verstärker am Boden enthalten, die an gewählten Stellen des Netzes aufgestellt sind.
Außerdem erachtet man im nachfolgenden Teil als veranschaulichendes Beispiel, dass die Mobilgeräte Mobiltelefone UE sind, die mit dem zellularen Netz kommunizieren können, und insbesondere mit seinen Basisstationen BTS, dank eines Senders/Empfängers MER, und mit dem Positionierungssystem per Satellit CS und dem differentiellen Positionierungssystem (SG, SA) dank einer Positionierungsvorrichtung per Satellit D, hier vom Typ GPS, und nachstehend als Vorrichtung D bezeichnet, kommunizieren können.
Selbstverständlich ist die Vorrichtung D mit einem Sender/Empfänger MER ausgestattet, wenn sie ausschließlich für Positionierung dediziert ist und nicht Bestandteil eines Mobilgeräts UE ist.
Da es sich bei der Konfiguration der Telekommunikationsanlage und ihrer globalen Funktionsweise um eine herkömmliche handelt, wird sie nicht weiter im Detail beschrieben. Die Erfindung bezieht sich nämlich auf die Funktionsweise der Vorrichtung D. Die jeweiligen Funktionsweisen des Navigationssystems per Satellit CS und des differentiellen Positionierungssystems SG und SA, hier vom Typ SBAS, werden, verglichen mit denjenigen vom vorherigen Stand der Technik, nicht verändert.
Es wird daran erinnert, dass die differentiellen Positionierungsmeldungen SBAS, die an die Mobilgeräte UE übertragen werden, Korrektur- und Integritätsdaten enthalten, die dazu bestimmt sind, die Daten zu korrigieren, insbesondere die Navigationsdaten, die von den Positionierungssatelliten SN der Konstellation CS geliefert werden, um die Qualität (Präzision, Integrität, Kontinuität und Verfügbarkeit) der durch ihre Vorrichtungen D bestimmten Positionierung zu verbessern.
Genauer gesagt ermöglichen diese SBAS-Daten es im Allgemeinen, zeitliche Synchronisierungsfehler zwischen Navigationssatelliten SN und/oder Ephemeridenfehler und/oder Ausbreitungsfehler zu korrigieren.
Außerdem können die SBAS-Daten ebenfalls Informationen bezüglich der Integrität der Navigationsdaten, die von der Konstellation CS herkommen, enthalten, ergänzende Navigationsdaten wie zum Beispiel Nummern von PRN in Sicht, Ephemeriden, wie beispielsweise jene der Positionierungssatelliten SN in Sicht des betreffenden Mobiltelefons UE, und Taktgeberkorrekturen, wie beispielsweise zeitliche Korrekturen, die typisch sind für die zeitliche Abweichung zwischen der GPS-Zeit und dem Taktgeber der Vorrichtung D des betreffenden Mobiltelefons UE und/oder typisch für Störungen, die durch die Ionosphäre hinsichtlich der Ausbreitung der Signale induziert werden, die von den Positionierungssatelliten SN in Sicht des betreffenden Mobiltelefons UE übertragen werden.
Es wird auch daran erinnert, dass die Positionierungssatelliten SN der Konstellation CS Taktgeber besitzen, die untereinander synchronisiert sind, so dass die CS-Konstellation über eine Referenzzeit verfügt, die auch als Systemzeit (oder hier GPS-Zeit) bezeichnet wird.
Außerdem wird jeder Positionierungssatellit SN so gestaltet, dass er Spreizspektren (oder „spread spectrum") in Form von Signalen im L-Band phasenmoduliert und mit Mehrfachzugriff und referenziert bezogen auf die GPS-Zeit sendet. Die Signale sind zum Beispiel gemäß der Technik mit der Bezeichnung W-CDMA moduliert und codiert. Da diese Art der Modulation dem Fachmann wohl bekannt ist, wird sie hier nicht im Detail beschrieben. Es wird einfach daran erinnert, dass der Träger im L-Band (oder sonstiges Band) moduliert wird durch Spreizung (BPSK) mit Hilfe eines Binärcodes, der sich aus der Summe (mod 2) eines pseudostochastischen Codes (ausgewählt aus einer Liste von Codes, die untereinander orthogonal gespreizt sind, wie beispielsweise die Gold-Codes (oder „Gold codes")) ergibt.
Im Falle eines GPS-Systems sendet jeder Positionierungssatellit SN Signale im Band L1 (1575,42 MHz), moduliert durch zwei pseudostochastische Codes, die als C/A-Codes (oder „coarse acquisition code") und P-Codes (auch als Y-Codes bezeichnet, wenn sie verschlüsselt sind) bezeichnet werden, sowie im Allgemeinen Signale im Band L2 (1277,6 MHz), die durch einen pseudostochastischen Code Y moduliert werden.
Diese modulierten Signale enthalten ebenfalls Navigationsdaten wie beispielsweise die GPS-Zeit der CS-Konstellation, ihren Sendezeitpunkt und die Ephemeriden des Positionierungssatelliten SN, der sie gesendet hat.
Ziel einer Vorrichtung D ist es also zunächst sich zu synchronisieren auf die Signale, die sie von den Positionierungssatelliten SN in Sicht empfängt, um die Ausbreitungszeit jedes empfangenen Signals zwischen dem betreffenden SN-Satelliten und dem Mobiltelefon UE, das sie ausstattet, bestimmen zu können, dann die in diesen Signalen enthaltenen Navigationsdaten sowie die differentiellen Positionierungsdaten, die in den Rahmen enthalten sind, welche vom differentiellen Positionierungssystem (SA, SG) übertragen werden, und schließlich die geschätzte Position dieses Mobiltelefons UE.
Hierfür und wie im einleitenden Teil angegeben führt die Vorrichtung D einen Schritt zur Erfassung der pseudostochastischen Codes und einen Schritt zur Bestimmung der geschätzten Position durch. Wie auf 2 veranschaulicht, beinhaltet die Vorrichtung D ein Erfassungsmodul MA, das an das Sende-/Empfangsmodul MER gekoppelt ist und die Aufgabe hat, den Erfassungsschritt durchzuführen, und ein Modul für die Positionsschätzung MEP, das an das Erfassungsmodul MA gekoppelt ist und die Aufgabe hat, den Schritt zur Bestimmung der geschätzten Position durchzuführen.
Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf den Schritt zur Bestimmung der geschätzten Position, und folglich allein auf das Modul zum Schätzen der Position MEP. Bei dem Erfassungsmodul MA handelt es sich um ein vollkommen herkömmliches Modul und es wird somit nicht detailliert beschrieben.
Das Erfassungsmodul MA stellt sich im Allgemeinen in Form einer Erfassungskarte dar, die zugeschnitten ist auf die Analyse der vom Sende-/Empfangsmodul MER empfangenen Signale, und genauer gesagt der Signale (im L-Band bei einem GPS-System), die von der CS-Konstellation herkommen und der SBAS-Rahmen, die die differentiellen Positionierungsdaten enthalten, die vom differentiellen Positionierungssystem (SG, SA) herkommen, im Hinblick auf die Erfassung der pseudostochastischen Codes. Diese Karte MA ist zum Beispiel eingestellt auf die Sendefrequenzen L1 und L2 der Positionierungssatelliten SN. Die Sendefrequenz des geostationären Satelliten SG des differentiellen Positionierungssystems ist gewöhnlich L1.
Die Karte MA bildet Hypothesenpaare Zeit/Frequenz bezogen auf die tatsächliche GPS-Zeit und ihre tatsächliche Position ausgehend von der annähernden GPS-Zeit und ihrer annähernden Position, die in den empfangenen differentiellen Positionierungsdaten enthalten sind. Dann bestimmt sie für jedes Hypothesenpaar zum einen absolute geschätzte Positionen der SN-Satelliten der CS-Konstellation und zum anderen die geschätzten Entfernungen zwischen dem Mobiltelefon UE und jedem der SN-Positionierungssatelliten in Sicht, ausgehend von den geschätzten Positionen der Konstellation in Sicht. Sie bestimmt ebenfalls für jedes Annahmenpaar die Doppler-Effekte, die mit jedem der SN-Positionierungssatelliten in Sicht verbunden sind, unter Berücksichtigung ihrer annähernden Positionen und der Entfernungen, die sie vom Mobiltelefon UE trennen.
Die Karte MA leitet daraus die GPS-Zeiten und die Position des Mobiltelefons UE her, die am wahrscheinlichsten sind, was es ihr gestattet, sich auf jedes Signal, das von einem SN- Satelliten in Sicht empfangen wird, zu synchronisieren, um die pseudostochastischen Codes zu bestimmen, die für dessen Modulation verwendet werden. Nach Bestimmung der pseudostochastischen Codes und somit nach erfolgter Synchronisierung auf die pseudostochastischen Codes kann der Schritt zur Bestimmung der geschätzten Position beginnen.
Zur Durchführung dieses zweiten Schritts enthält das Modul zur Positionsschätzung MEP der Vorrichtung D zum Beispiel drei Berechnungsmodule MC1 bis MC3, die untereinander gekoppelt sind.
Das erste Berechnungsmodul MC1 hat die Aufgabe, für jedes demodulierte Signal seine Laufzeit zwischen dem Satelliten SN in Sicht, der es gesendet hat, und dem Mobiltelefon UE (oder genauer gesagt seiner Vorrichtung D) zu bestimmen. Hierfür verwendet es das Sendedatum des Signals, das von dem Satelliten, der es gesendet hat, in dieses Signal integriert wurde, und das Empfangsdatum, das vom Empfangs-/Sendemodul MER beim Empfang mit diesem Signal verknüpft wird.
Das zweite Berechnungsmodul MC2 hat die Aufgabe, ausgehend von zum einen Navigationsdaten, die in jedem Signal enthalten sind und ergänzenden Navigationsdaten, die in den SBAS-Meldungen enthalten sind, die vom differentiellen Positionierungssystem (SG, SA) empfangen werden, und zum anderen der damit verbundenen Laufzeit die Pseudoentfernung zu bestimmen zwischen dem Mobiltelefon UE und dem entsprechenden SN-Satelliten in Sicht.
Genauer gesagt nutzt das zweite Berechnungsmodul MC2 die ergänzenden Navigationsdaten und insbesondere die Korrekturdaten, um die Navigationsdaten zu korrigieren, die in den Signalen im Band L von den SN-Satelliten in Sicht übertragen werden, bevor es sie nutzt, um die mit jedem SN-Satelliten in Sicht verbundenen Pseudoentfernungen zu bestimmen.
Diese Pseudoentfernungen versorgen das dritte Berechnungsmodul MC3, das die Aufgabe hat, die geschätzte Position des Mobiltelefons UE zu bestimmen.
Genauer gesagt bestimmt das dritte Berechnungsmodul MC3 die geschätzte Position mindestens durch eine Vierseitigkeit, und allgemeiner durch eine numerische Auflösung des Typs Methode der kleinsten Quadrate mit vier Unbekannten und mindestens vier Messungen, ausgehend von den Pseudoentfernungen (im Allgemeinen vier (4) an der Zahl), von bestimmten korrigierten Navigationsdaten sowie der annähernden Position und des zugehörigen Schutzradius.
Wenn der zu einer annähernden Position zu einem Zeitpunkt T zugehörige Schutzradius (Datenintegrität) einem Qualitätsniveau entspricht, das unter einem gewählten Qualitätsniveau liegt oder wenn der Schutzradius vorübergehend nicht verfügbar ist, bestimmt gemäß der Erfindung das dritte Berechnungsmodul MC3 einen geschätzten Schutzradius.
Diese Situationen treten im Allgemeinen in unebenen oder überfrachteten Umgebungen auf, oder aber auch am Rand des Versorgungsbereichs des differentiellen Positionierungssystems.
In diesen Situationen entspricht der empfangene (oder erfasste) Schutzradius nicht den früheren Schutzradien (zugehörig zu den Augenblicken T-1, T-2, T-3 usw.). Er entspricht in der Tat einem geringeren Qualitätsniveau, oder anders ausgedrückt einer Hülle mit größerer Positionsunsicherheit. Zum Beispiel waren die früheren annähernden Positionen mit Hüllen mit einem Radius von 2 oder 3 Metern verknüpft, während die aktuelle annähernde Position (Augenblick T) mit einer Hülle mit einem Radius von einem Kilometer verbunden ist.
Bei Vorliegen einer solchen Schwankung des Schutzradius benötigt das dritte Berechnungsmodul MC3 viel mehr Zeit, damit seine Berechnung in Richtung einer präzisen geschätzten Position übereinstimmt. Außerdem besteht die hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Präzision der geschätzten Position geringer ist als die vorhergehenden.
Gemäß der Erfindung bestimmt das dritte Berechnungsmodul MC3 jeden geschätzten Schutzradius in Abhängigkeit von einem Gewichtungsgesetz, das auf eine gewählte Anzahl von früheren Schutzradien angewandt wird. Mit anderen Worten: das dritte Berechnungsmodul MC3 extrapoliert den geschätzten Schutzradius in Abhängigkeit von einem oder mehreren früheren Schutzradien. Die gegebene Größe differentielle Positionierung, die der übertragene Schutzradius darstellt, dient also nicht mehr nur als Parameter für die Korrektur der geschätzten Position, sondern auch als Parameter für die Filterung und/oder als Parameter für die Erzeugung des geeigneten Schutzradius, der an die erforderliche Präzision angepasst ist.
Unter „frühere Schutzradien" versteht man hier Schutzradien, die vorher vom dritten Berechnungsmodul MC3 verwendet wurden, um die früheren geschätzten Positionen zu bestimmen. Es kann sich also entweder um empfangene (oder erfasste) Schutzradien handeln, oder um geschätzte Schutzradien. Diese früheren Schutzradien werden auf Initiative des dritten Berechnungsmoduls MC3 vorzugsweise in einem Speicher M gespeichert. Dieser Speicher M kann eventuell Bestandteil des dritten Berechnungsmoduls MC3 sein.
Das Gewichtungsgesetz wird vorzugsweise angewandt durch ein Filter F des dritten Berechnungsmoduls MC3. Es kann jegliche Art von Filterung ins Auge gefasst werden. Beispielsweise kann das Filter F ein lineares Filter sein, das ein Gewichtungsgesetz des linearen Typs anwendet oder ein Kalmanfilter, das dem Fachmann wohl bekannt ist.
Vorzugsweise ist das dritte Berechnungsmodul MC3 rekonfigurierbar, damit die Anzahl früherer Schutzradien, die zur Bestimmung eines geschätzten Schutzradius dienen, je nach Bedarf abgeändert werden kann. Beispielsweise kann der Benutzer in einem Menü seines Mobiltelefons UE die Anzahl früherer Schutzradien (oder Abtastwerte) wählen, die vom Filter F verwendet werden sollen.
Um zu bestimmen, ob der aktuelle Schutzradius einem Qualitätsniveau entspricht, das unter dem gewählten Qualitätsniveau liegt, führt das dritte Berechnungsmodul MC3 vorzugsweise einen Vergleich durch.
Das gewählte Qualitätsniveau kann entweder vom Benutzer festgelegt werden, beispielsweise bei einer Auswahl in einem Menü seines Mobiltelefons UE, oder durch das dritte Berechnungsmodul MC3 bestimmt werden in Abhängigkeit beispielsweise vom Qualitätsniveau, das dem Schutzradius entspricht, der unmittelbar vorhergeht (Zeitpunkt T – 1). Bei dieser zweiten Möglichkeit kann das dritte Berechnungsmodul MC3 beispielsweise als gewähltes Qualitätsniveau dasjenige wählen, das dem früheren Schutzradius entspricht, der im Speicher M gespeichert ist. Dabei handelt es sich in der Tat entweder um den empfangenen (oder erfassten) Schutzradius, falls sein Qualitätsniveau höher sein sollte als das für den Vergleich gewählte Qualitätsniveau, oder um den geschätzten Schutzradius, falls das Qualitätsniveau des empfangenen Schutzradius kleiner sein sollte als das für den Vergleich gewählte Qualitätsniveau.
Man kann ins Auge fassen, dass das dritte Berechnungsmodul MC3 im Speicher M jeden geschätzten Schutzradius in Übereinstimmung mit dem entsprechenden empfangenen (oder erfassten) Schutzradius speichert. Dieses kann es ihm ermöglichen, die Schutzradien zu wählen, auf die es gemäß seiner Konfiguration das Gewichtungsgesetz anwendet.
Nachdem das dritte Berechnungsmodul MC3 seinen Vergleich durchgeführt hat, müssen zwei Fälle ins Auge gefasst werden.
Falls das Qualitätsniveau des empfangenen Schutzradius größer oder gleich dem gewählten Qualitätsniveau ist, verwendet das dritte Berechnungsmodul MC3 vorzugsweise den empfangenen Schutzradius und die empfangene annähernde Position, die damit verbunden ist, um auf herkömmliche und dem Fachmann bekannte Art und Weise die Bestimmung der geschätzten Position des Mobiltelefons UE vorzunehmen.
Wenn hingegen das Qualitätsniveau des empfangenen Schutzradius unter dem gewählten Qualitätsniveau liegt, verwendet das dritte Berechnungsmodul MC3 den geschätzten Schutzradius und die empfangene annähernde Position, die damit verbunden ist, um auf herkömmliche und dem Fachmann bekannte Art und Weise die Bestimmung der geschätzten Position des Mobiltelefons UE vorzunehmen.
Der Ausgang des dritten Berechnungsmoduls MC3 versorgt das Verwaltungsmodul MG des Mobiltelefons UE mit geschätzten Positionen.
Die Positionierungsvorrichtung D gemäß der Erfindung und insbesondere ihr Erfassungsmodul und ihr Modul zur Schätzung der Position MEP können beispielsweise in Form von elektronischen Schaltkreisen, Software-(oder EDV-)Modulen oder einer Kombination aus Schaltkreisen und Software ausgeführt werden.
Die Erfindung ist besonders gut geeignet für Mobilgeräte, deren Bewegungsgeschwindigkeiten typischerweise unter 70 km/h liegen. Ein Gerät, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, gilt als sich in einer freien Umgebung bewegend, so dass die Präzision seiner Position gering sein kann, während ein Gerät, das sich mit ganz geringer Geschwindigkeit bewegt, als sich in einer überfrachteten Umgebung bewegend betrachtet wird, so dass die Präzision seiner Position groß sein muss (das ist beispielsweise bei großen Schiffen der Fall, vor allem in Hafenbereichen oder auf „Seeschienen" mit hoher Verkehrsdichte).
Außerdem ermöglicht die Erfindung eine Positionsbestimmung mit einer etwa konstanten Präzision, bei Fehlen dessen, was der Fachmann als „Dauerphasensicht" bezeichnet und infolgedessen bietet sie für eine hochpräzise Positionsbestimmung eine sehr viel schnellere Konvergenzgeschwindigkeit als sie von den früheren Positionierungsvorrichtungen geboten wird. Das ist insbesondere bei Anwendungen im Bereich des Vermessungswesens der Fall. In diesem Bereich erfordert die Gewinnung einer abschließenden geodätischen Messung üblicherweise das Sammeln von geodätischen Zwischenmessungen über circa 24 Stunden, um sich durch langwierige Mittelwertbildung von abweichenden Werten zu befreien, während man mit der Erfindung die Sammlungszeit ganz erheblich verringern kann, da nur sehr präzise Messungen bei der Mittelwertbildung berücksichtigt werden.
Außerdem betrifft die Erfindung nur die Positionierungsvorrichtungen und nicht die Netzinfrastrukturen und ihre Durchführung ist mit den Funktionsweisen der aktuellen Positionierungs- und differentiellen Positionierungssysteme kompatibel.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend lediglich beispielhaft beschriebenen Ausführungsarten von Positionierungsvorrichtung und Mobilgerät, sondern sie umfasst alle Varianten, die der Fachmann im Rahmen der nachstehenden Ansprüche ins Auge fassen kann.
So wurde im Vorstehenden eine Anlage beschrieben, bei der das Telekommunikationsnetz ein zellulares Netz vom Typ GSM/GPRS oder UMTS ist. Aber die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Telekommunikationsfunknetze vom Satellitenhybridtyp mit Verstärkern am Boden.

Claims

Vorrichtung zur Positionsbestimmung (D) für ein Mobilgerät (UE), die zum einen Mittel enthält zur Erfassung (MA) pseudostochastischer Codes und von Navigationsdaten, die in empfangenen Signalen enthalten sind, und von zugehörigen differentiellen Positionierungsdaten, die zu jedem Zeitpunkt typisch sind für die annähernde Position dieses Endgeräts und eines zugehörigen Schutzradius, enthalten in den empfangenen Meldungen, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Mittel zur Positionsberechnung (MEP) enthält, die geeignet sind, bei Vorliegen eines Schutzradius, der einem Qualitätsniveau entspricht, das niedriger ist als ein gewähltes Qualitätsniveau, oder bei zeitweiligem Fehlen eines Schutzradius verbunden mit einer annähernden Position zu einem Zeitpunkt T, einen geschätzten Schutzradius zu bestimmen in Abhängigkeit von einem Gewichtungsgesetz, das auf eine gewählte Anzahl von früheren Schutzradien angewandt wird, dann eine geschätzte Position des Endgeräts (UE) zu diesem Zeitpunkt T in Abhängigkeit mindestens von dem geschätzten Schutzradius und den pseudostochastischen Codes, Navigationsdaten und annähernder Position zum erfassten Zeitpunkt T zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Speicher (M) enthält, der geeignet ist, diese früheren Schutzradien zu speichern, und dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Positionsberechnung (MEP) so angeordnet sind, dass sie jedes Qualitätsniveau, das einem erfassten Schutzradius entspricht, mit diesem gewählten Qualitätsniveau vergleichen, welches festgelegt wird durch das Qualitätsniveau des unmittelbar davor liegenden Schutzradius, der in diesem Speicher (M) gespeichert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Positionsberechnung (MEP) angeordnet sind, um in diesem Speicher (M) entweder einen erfassten Schutzradius zu speichern, wenn dessen entsprechendes Qualitätsniveau größer oder gleich diesem gewählten Qualitätsniveau ist, so dass er einen früheren Schutzradius bildet, oder einen geschätzten Schutzradius, wenn das Qualitätsniveau des zugehörigen erfassten Schutzradius unter dem gewählten Qualitätsniveau liegt, so dass er einen früheren Schutzradius bildet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder geschätzte Schutzradius im Speicher (M) in Übereinstimmung mit dem entsprechenden erfassten Schutzradius gespeichert wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Positionsberechnung (MEP) angeordnet sind, um auf Befehl die Anzahl der früheren Schutzradien, die für diese Bestimmung eines geschätzten Schutzradius dienen, abzuändern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Positionsberechnung (MEP) ein Mittel zur Filterung (F) enthalten, das geeignet ist, dieses Gewichtungsgesetz auf diese früheren Schutzradien anzuwenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Mittel zur Filterung (F) ein lineares Filter ist, das geeignet ist, ein lineares Gewichtungsgesetz anzuwenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Mittel zur Filterung (F) ein Kalmanfilter ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Navigationsdaten von einem Navigationssystem per Satelliten (CS, SN) herkommen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese differentiellen Positionierungsdaten von einem differentiellen Positionierungssystem (SG, SA) herkommen, das an dieses Navigationssystem per Satelliten (CS) gekoppelt ist.
Mobilgerät (UE), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung (D) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche enthält.
Endgerät gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form eines Kommunikationsterminals gestaltet ist.
Endgerät gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es gestaltet ist, um in einem zellularen Kommunikationsnetz zu kommunizieren, bei dem jede Zelle durch eine Basisstation (BTS) verwaltet wird, und dadurch gekennzeichnet, dass diese annähernde Position typisch ist für die Zelle, in der es sich befindet.