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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von globalen Positionsbestimmungssystemen
(GPS), wie zum Beispiel das NAVSTAR GPS, und insbesondere ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Erhöhung
der Genauigkeit eines zivilen GPS-Empfängers oder eines GPS-Empfängers mit verringerter
Genauigkeit durch Kompensierung von dessen ungenauer Positionsangabe
mit Daten, die von einem zugänglichen
militärischen
GPS-Empfänger
oder einem GPS-Empfänger
mit hoher Genauigkeit abgeleitet wurden.
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Stand der Technik:
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Es
befinden sich verschiedene GPS-Satellitenkonstellationen im Vorgang
der Ausführung
oder im Planungsstadium zur Bereitstellung genauer Navigationsinformationen
und Standortbestimmungen für geeignete
Empfänger
oder Stationen an beliebigen Orten auf der Erdoberfläche. Zu
diesen GPS-Systemen zählen
das von der US-Regierung betriebene Navigationssatelliten-Zeit-
und Ortungs-Globalpositionsbestimmungssystem „NAVSTAR GPS", das von der Regierung
der ehemaligen Sowjetunion geplante „GLONASS"-System und zwei europäische Systeme,
die als „NAVSAT" und „GRANAS" bekannt sind und
sich derzeit in der Entwicklung befinden. Zur leichteren Beschreibung
konzentriert sich die folgende Erörterung und Offenbarung speziell
auf die Merkmale und die Verwendung des NAVSTAR GPS, obwohl es sich
versteht, dass die Erfindung gleichermaßen auf andere globale Positionsbestimmungssysteme
angewendet werden kann.
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Das
von der US-Regierung betriebene NAVSTAR GPS ist so entworfen, dass
es vier in einer Umlaufbahn befindliche GPS-Satelliten aufweist,
die in jeder von sechs separaten kreisförmigen Umlaufbahnen vorhanden
sind, was eine Summe von vierundzwanzig GPS-Satelliten ergibt, wobei
einundzwanzig in Betrieb sind und drei als Ersatz dienen. Die Satellitenumlaufbahnen
sind weder polar noch äquatorial,
sondern liegen in zueinander geneigten Ebenen, und jeder Satellit
umkreist die Erde ungefähr einmal
alle 12 Stunden, wobei er exakt zwei Umläufe vollendet, während sich
die Erde einmal dreht. Mit dieser Anordnung kommen mindestens vier
Satelliten vierundzwanzig Stunden pro Tag überall auf der Welt in dasselbe
Sichtfeld. Die Position jedes Satelliten zu irgendeiner gegebenen
Zeit ist präzise
bekannt und kontinuierlich werden Navigationssignale an die Erde
gesendet, welche Positionsinformationen liefern, die die Position
des Satelliten im Raum bezüglich
der Zeit (GPS-Zeit) anzeigen. Diese Positionsinformationen sind
als Ephemeriden-Daten bekannt. Zusätzlich zu den Ephemeriden-Daten
beinhalten die durch jeden Satelliten gesendeten Navigationssignale
eine Anzeige des genauen Zeitpunkts, zu dem das Signal gesendet
wurde. Infolgedessen kann die Entfernung oder der Bereich zwischen
einem Navigationssignalempfänger
und einem sendenden Satelliten unter Verwendung dieser Zeitanzeige
bestimmt werden, indem 1) der Zeitpunkt notiert wird, zu dem das
Signal am Empfänger
empfangen wurde, 2) die Laufzeitverzögerung berechnet wird, d. h.
die Differenz zwischen der Sendezeit und der Empfangszeit, und 3)
die Verzögerung
mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals multipliziert wird.
Das Ergebnis dieser Bestimmung ergibt einen „Pseudobereich" vom sendenden Satelliten
zum Empfänger.
Der Bereich wird als „Pseudobereich" bezeichnet, weil
aufgrund solcher Faktoren wie zum Beispiel, dass die Empfängeruhr
nicht präzise
mit der GPS-Zeit synchronisiert ist, und Verzögerungen, die in die Laufzeiten
des Navigationssignals durch dessen Ausbreitung durch die Atmosphäre geraten,
Ungenauigkeiten auftreten können.
Diese Ungenauigkeiten ergeben sich jeweils in einer Uhrverschiebung (Fehler)
und einer Atmosphärenverschiebung
(Fehler), wobei Uhrverschiebungen eventuell mehrere Millisekunden
groß sind.
Jedenfalls können
unter Verwendung der beiden Informationen in einem Naviga tionssignal,
d. h. der Ephemeriden-Daten und des Pseudobereichs, von mindestens
vier Satelliten die Position und Zeit eines Empfängers bezüglich des Erdmittelpunkts unter
Anwendung passiver Triangulationstechniken bestimmt werden.
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Eine
detailliertere Erörterung
des NAVSTAR GPS findet sich in einem Artikel von B. W. Parkinson und
S. W. Gilbert mit dem Titel: „NAVSTAR:
Global Positioning System – Ten
Years Later", Proceedings of
the IEEE, Bd. 71, Nr. 10, Oktober 1983, und in einem Text: „GPS: A
Guide to the Next Utility",
veröffentlicht
von Trimble Navigation Ltd., Sunnyvale, Kalifornien, 1989, S. 1–47.
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Das
NAVSTAR GPS sieht zwei Typen der Codemodulierung für die die
Trägerwelle
ausbreitenden pseudozufälligen
Signale vor. Beim ersten Typ, dem „Coarse/Acquisition"-Code, wird der Träger durch
ein „C/A-Signal" moduliert und als
der C/A-Code und ebenso als der „Standard-Positionsbestimmungs-Service" (SPS) bezeichnet.
Der zweite Modulationstyp wird allgemein als der „präzise" oder „geschützte" (P) Code bezeichnet,
und ebenfalls als der „Präzise Positionsbestimmungs-Service" (PPS). Eine verschlüsselte Version
des P-Codes, d. h. der Y-Code, ist nur zum Gebrauch durch irdische
Empfänger
gedacht, die von der US-Regierung eine spezielle Genehmigung haben,
so dass Y-Code-Sequenzen geheim gehalten und nicht öffentlich
verfügbar gemacht
werden. Dies zwingt die meisten Benutzer von NAVSTAR GPS dazu, sich
lediglich auf die über die
C/A-Code-Modulierung
zur Verfügung
gestellten Daten zu verlassen, was leider zu einem weniger genauen
Positionsbestimmungssystem führt.
Des Weiteren korrumpiert die US-Regierung selektiv die GPS-Daten,
indem sie Fehler in die von den GPS-Satelliten übertragenen GPS-Signale des C/A-Codes
einfügt,
indem sie die Uhrparameter ändert,
d. h. die Uhrparameter für
einen oder mehrere Satelliten können
ein wenig oder wesentlich modifiziert sein, wie etwa durch das absichtliche
Dithering der Phase und Frequenz der Satellitenuhr, welche Praxis
als „zuschaltbarer
künstli cher
Fehler" bzw. „selective
availability" oder
einfach SA bekannt ist. Die SA kann aus verschiedenen Gründen aktiviert werden,
beispielsweise kann das Verteidigungsministerium sie wegen der nationalen
Sicherheit aktivieren. Wenn die SA aktiviert ist, kann die US-Regierung noch
das NAVSTAR GPS benutzen, da sie Zugriff auf die Kompensationseinrichtung
zur Beseitigung der SA-Wirkungen hat. Die unkompensierten CA-Codedaten jedoch
können
wesentlich weniger genau, d. h. schlechter, gemacht werden. Angesichts
der vorstehenden Unterscheidung werden Empfänger der C/A-Code-Modulation
als „zivile" Empfänger oder Geräte bezeichnet
und Empfänger
der Y-Code-Modulation werden als militärische Empfänger oder Geräte bezeichnet.
Zum Zweck der Allgemeinheit gibt die Bezugnahme auf einen „zivilen" Empfänger vorliegend
einen GPS-Empfänger oder
ein GPS-Gerät von
variierender oder verringerter Genauigkeit an und die Bezugnahme
auf einen „militärischen" Empfänger gibt
einen GPS-Empfänger
oder ein GPS-Gerät
von hoher Genauigkeit an.
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In
vielen GPS-Anwendungen ist es wünschenswert,
einen zivilen GPS-Empfänger zu
verwenden, beispielsweise in einem mobilen oder Verbrauchsfahrzeug,
um Kosten und Komplexität
zu senken, selbst wenn der Benutzer Zugriff auf die Kryptoschlüssel hat,
die die Genauigkeit des Präzisen
Positionsbestimmungs-Services (PPS) bieten. Dies trifft vor allem
auf Verbrauchsfahrzeuge oder -waffen zu, die in großer Stückzahl gefertigt
werden, zum Beispiel Waffen für
den Abschuss von einer Art Abschuss- oder Startfahrzeug. Wenn der
Benutzer die Genehmigung für
PPS hat, kann er einen militärischen
GPS-Empfänger
auf dem Startfahrzeug haben, der viel genauer als das zivile Gerät im Verbrauchsfahrzeug
ist.
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Ein
Differenzial-GPS(DGPS)-Korrekturvorgang steht für hochgenaue zivile GPS-Anwendungen zur
Verfügung,
der Koordinaten ortsfester erfasste Antennen verwendet und es erfordert,
dass die Korrekturen fast in Echtzeit von einer Bodenstation kommen.
Typische zivile GPS-Empfänger
wei sen inhärente
Einschränkungen
der Genauigkeit auf, was zum größten Teil
an der vorgenannten absichtlichen Verringerung bzw. Verschlechterung
liegt, die durch das US-Verteidigungsministerium in die Signale
eingefügt
wird, welche Einschränkungen
durch den DGPS-Vorgang beseitigt werden können. Die Genauigkeit eines
zivilen GPS-Empfängers,
die, wie vorstehend angegeben, allgemein als Standard-Positionsbestimmungs-Service oder SPS
bezeichnet wird, ist so spezifiziert, dass sie ohne eine Differenzialkorrektur
als besser als 100 Meter ist. Obwohl einige der Genauigkeitseinschränkungen
an der Verwendung von nur einer Frequenz, was die Messung von Fehlern
aufgrund der Verzögerungen
durch die Ionosphäre
verhindert, und die Verwendung des Coarse/Acquisition(C/A)-Codes anstelle des
genaueren Präzisions-P(Y)-Codes
liegen, ist der hauptsächlich
zur Genauigkeitseinschränkung
beitragende Faktor das absichtliche Dithering der Phase und Frequenz
der Satellitenuhr, d. h. die SA. Ein militärisches Gerät beseitigt die SA-Fehler mit
einem Algorithmus, der Daten verwendet, die nur autorisierten Benutzern durch
die Verwendung von Kryptoschlüsseln
zur Verfügung
stehen. Außerdem
kann der Benutzer eines militärischen
Empfängers
eine zweite Frequenz verfolgen, die die Messung und Kompensierung
der Verzögerungen
der Ionosphäre
gestattet.
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Zu lösendes
Problem:
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Somit
entwickelt sich ein Genauigkeitsproblem in typischen zivilen GPS-Empfängern, die
mit SPS arbeiten, als Ergebnis von Fehlern, die in das System eingefügt werden,
wie etwa durch die Praxis der US-Regierung, C/A-Codesignale durch
absichtliches Dithering der Phase und Frequenz von GPS-Satellitenuhren
zu korrumpieren, d. h. den Einsatz von SA.
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Aufgaben:
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Genauigkeit
ziviler GPS-Empfänger.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Technik
zur Erhöhung
der Genauigkeit eines zivilen GPS-Geräts durch Korrigieren und Verarbeiten
seiner Pseudobereichsmessungen mit Differenzialkorrekturen, die
von einer Kombination aus einem militärischen GPS-Empfänger
und einem zivilen GPS-Empfänger
berechnet werden.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Technik
zur Erhöhung
der Genauigkeit eines mobilen zivilen GPS-Geräts durch Korrigieren seiner
Ausgabe unter Verwendung genauer Positionsvorhersagen oder -schätzungen
von einem militärischen
oder (PPS-)GPS-Empfänger,
der ebenfalls mobil sein kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Genauigkeit ziviler
GPS-Empfänger, die
mit SPS arbeiten, um die Wirkung der SA zu kompensieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Erhöhung
der Genauigkeit eines zivilen GPS-Empfängers durch Kompensieren von
Fehlern in dessen Ausgabe mit Daten, die von einem GPS-Empfänger von
hoher Genauigkeit oder einem militärischen GPS-Empfänger abgeleitet wurden.
Beispielsweise können
in einer Ausführungsform
der zivile GPS-Empfänger
in einem mobilen oder Verbrauchsfahrzeug und der militärische Empfänger in
einem mobilen Referenz- oder Startfahrzeug zusammen mit einem anderen
zivilen GPS-Gerät
angebracht sein. Dann wird gemäß der Erfindung
bei dem in dem mobilen Verbrauchsfahrzeug angebrachten zivilen GPS-Empfänger die
Genauigkeit erhöht,
indem seiner Ausgabe, die durch einen Vergleich der Ausgaben der
zwei Referenzgeräte,
einem zivilen und einem militärischen,
die sich eine gemeinsame Antenne im Referenzstartfahrzeug teilen,
bestimmt wird, Korrekturen zugeführt
werden, welche Ausgaben die Pseudobe reichsmessungen des zivilen
Geräts
und die Positionsangabe des militärischen Geräts bilden. Unter Verwendung
dieser Anordnung werden zwei Betriebsausführungsformen betrachtet, die
Variationen der Kalibrierung beinhalten, d. h. 1) die augenblickliche
bzw. kontinuierliche relative Navigation und 2) die augenblickliche
bzw. kontinuierliche Differenzialnavigation. Die erste Technik ähnelt der
relativen GPS-Kalibrierung, wobei militärische und zivile Referenzgeräte die Satelliten
von der gleichen Antenne aus verfolgen, aber hier wird die Positionsverschiebung,
sobald sie bestimmt ist, auf das Verbrauchsgerät übertragen, das dieselben Satelliten
wie das zivile Referenzgerät
verfolgt, und dazu verwendet, die Angabe des Verbrauchsgeräts zu verschieben.
Der letztere Kalibrierungsvorgang wird eingesetzt, wenn das Verbrauchsgerät nicht
dieselben Satelliten wie die Referenzgeräte verfolgt, und ähnlich ist
dem Differenzial-GPS(DGPS)-Korrekturvorgang,
der für
hochgenaue zivile GPS-Anwendungen genutzt wird, ausgenommen, dass
er relativ zur GPS-Angabe des militärischen Geräts anstelle der Koordinaten
der ortsfesten erfassten Antenne, die normalerweise bei DGPS eingesetzt
werden, durchgeführt
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Kurve, die die Wirkung der auf GPS-Signale angewendeten selektiven
Verfügbarkeit
(SA) zeigt und die Zeitkorrelation von SA-Positionsfehlern veranschaulicht.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte augenblickliche Differenzial-GPS-Systemanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf die Bereitstellung eines
Systems und von Techniken zur Erhöhung der Genauigkeit eines
zivilen GPS-Empfängers
durch Kompensierung von Fehlern in dessen Messungen mit Daten, die
von einem GPS-Empfänger
mit hoher Genauigkeit oder einem militärischen GPS-Empfänger abgeleitet
sind. In einer Beispielsausführungsform
der Struktur kann das zivile GPS-Gerät in einem mobilen Fahrzeug,
beispielsweise einem Verbrauchsfahrzeug, angebracht sein und der
militärische
Empfänger
kann in einem mobilen Referenzfahrzeug, zum Beispiel einem Startfahrzeug für das Verbrauchsfahrzeug,
angebracht sein. Dieses strukturelle System kann gemäß der Erfindung
unter Verwendung alternativer Kalibrierungstechniken betrieben werden,
d. h. 1) augenblickliche relative Navigation oder 2) augenblickliche
Differenzialnavigation. Wenn die erstere relative Navigationstechnik
angewendet wird, wird bei dem in dem Verbrauchsfahrzeug angebrachten
zivilen GPS-Gerät
dessen Genauigkeit bei der Positionsbestimmung durch Zuführen von
Korrekturen zu seinen Messungen erhöht, die von einem Vergleich
der Positionsangaben von zwei Geräten, nämlich einem zivilen und einem
militärischen,
abgeleitet werden, die in dem Startfahrzeug angebracht sind. Wenn
die letztere Differenzialnavigationstechnik eingesetzt wird, werden
die Korrekturen aus den Pseudobereichsmessungen des zivilen Empfängers im
Startfahrzeug und der Positionsangabeninformation des militärischen
Empfängers
berechnet. Es sollte verstanden werden, dass, obwohl das militärische Gerät intern
ebenfalls Pseudobereichsmessungen anwendet, diese als GEHEIM eingestuft
und außerhalb
des Empfängers
nicht allgemein verfügbar
sind, so dass nur die Positionsschätzung von dem militärischen
Gerät verwendet wird,
obwohl sie aus den Pseudobereichsmessungen des militärischen
Geräts
abgeleitet werden kann.
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Welche
der zwei Kalibrierungs-Ausführungsformen
für den
Einsatz geeignet ist, hängt
davon ab, ob das verbrauchbare zivile GPS-Gerät dieselben Satelliten wie
das zivile und militärische
Gerät des Startfahrzeugs
verfolgt. Diese zwei Ausführungsformen,
die Kalibrierungsvariationen beinhalten, arbeiten wie folgt.
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1) Augenblickliche relative Navigation
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In
dem Fall, dass der zivile GPS-Empfänger des Verbrauchsfahrzeugs
dieselben vier Satelliten wie das zivile GPS-Gerät im Verbrauchsfahrzeug verfolgen
kann, wird eine einfache Positionsverschiebung an der gemessenen
Positionsangabe des verbrauchbaren zivilen Empfängers vorgenommen, um die SA-Fehler
zu berücksichtigen.
Dies ist ähnlich
wie das, was allgemein als relative GPS-Navigation bezeichnet wird,
und wird erreicht, indem man ein militärisches GPS-Gerät und ein
ziviles GPS-Gerät
Satelliten über
die gleiche Antenne im Startfahrzeug verfolgen lässt. Sobald die Positionsverschiebung durch
Vergleichen der Positionsmessungen der Kombination aus militärischem
und zivilem Gerät
bestimmt ist, kann sie von dem Startfahrzeug zu dem verbrauchbaren
zivilen GPS-Gerät übertragen
und zur Verschiebung von dessen Positionsangabe eingesetzt werden.
Die sich in dem Verbrauchsgerät
ergebende Angabe ist dann nahe an der Genauigkeit des militärischen
Geräts,
solange die Verschiebung aufgefrischt wird. Wenn sie nicht aufgefrischt
wird, verringert sich die Genauigkeit der Angabe allmählich aufgrund
der zeitlichen Instabilität
der SA-Fehler. Dies wird aus einer Betrachtung der 1 ersichtlich,
die eine Kurve ist, die die Wirkung einer auf GPS-Signale angewendeten
SA zeigt und die Zeitkorrelation von SA-Positionsfehlern veranschaulicht.
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Diese
augenblickliche relative Navigationstechnik wird einfach durch Berechnen
der Differenz zwischen den Positionsangaben des zivilen und des
militärischen
GPS-Geräts
im Startfahrzeug zur Bestimmung einer Positionsverschiebung ausgeführt. Die
Positionsverschiebung oder Verschiebungsberechnung kann an irgendeinem
geeigneten Ort verarbeitet werden, wie etwa dem Startfahrzeug oder
einem anderen mobilen Fahrzeug, irgendeinem Referenzfahrzeug oder
einer Bodenstation. Diese Positionsverschiebung kann dann an das
Verbrauchsfahrzeug kurz vor dessen Start gesendet werden. Die Positionsangabe
in dem zivilen GPS-Gerät
des Verbrauchsfahrzeugs wird dann nach dem Start durch die heruntergeladene
Positionsverschiebung eingestellt, um sich der korrekten Angabe
zu nähern.
Wenn die Fehleranhäufung
aufgrund der SA während
der Abfallzeit tolerierbar ist, ist keine zusätzliche Korrektur erforderlich.
Wenn zusätzliche
Genauigkeit erforderlich ist, kann die aktualisierte Verschiebung über eine
Funkverbindung an das Verbrauchsfahrzeug gesendet werden. Es sollte bedacht
werden, dass der verbrauchbare zivile GPS-Empfänger
dieselben vier Satelliten wie das gleichzeitig eingesetzte zivile
GPS-Gerät
und das militärische
Gerät verfolgen
muss, um die notwendige Koordination zwischen ihren Positionsangaben
zu erreichen.
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2) Augenblickliche Differenzialnavigation
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Wenn
nicht garantiert ist, dass der zivile GPS-Empfänger des Verbrauchsfahrzeugs
dieselben Satelliten wie die zwei GPS-Geräte, ein militärisches
und ein ziviles, im Startfahrzeug verfolgen kann, dann kann eine
Form der Differenzialkorrektur an den Pseudobereichsmessungen der
zwei Geräte berechnet
und von dem Startfahrzeug an den zivilen Empfänger in dem Verbrauchsfahrzeug
gesendet werden. Der Empfänger
des Verbrauchsfahrzeugs verwendet dann die Differenzialkorrekturen,
um seine Genauigkeit auf den militärischen Stand zu verbessern.
Es versteht sich, dass es nicht notwendig ist, dass das militärische GPS-Gerät dieselben
vier Satelliten wie das gleichzeitig eingesetzte zivile GPS-Gerät verfolgt,
da deren Benutzung der gleichen Antenne zum Auffangen der GPS-Signale einen gemeinsamen
Bezugspunkt für
ihre Messungen begründet,
und da das militärische
Gerät irgendeine Kombination
von Satelliten verwenden kann, um eine genaue Positionsangabe zu
ermitteln, muss es nicht dieselben Satelliten verfolgen. Wenn die
Differenzialkorrekturen regelmäßig aktualisiert
werden, wird die Genauigkeit des zivilen verbrauchbaren Geräts wieder
nahe derjenigen des militärischen
Geräts
sein. Wenn sie nicht aufgefrischt werden, verringert sich die Genauigkeit allmählich, da
sich die SA-Fehler im Lauf der Zeit ändern. Für kurzfristige Verbrauchsmissionen,
wie eine Anwendung von Munition, ist dies ein Bruchteil des Gesamtfehlers
aufgrund der SA, da SA-Fehler zeitkorreliert sind, wie wiederum
aus einer Betrachtung der Kurve der 1 ersichtlich
wird.
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Die
augenblickliche Differenzialnavigationstechnik ist ähnlich derjenigen,
die für
den konventionellen Differenzial-GPS(DPGS)-Korrekturvorgang verwendet
wird, aber anstelle des Einsatzes einer stationären Antenne und eines stationären Empfängers für die Referenzstation
und der Koordinaten der erfassten Antenne, die normalerweise im
DPGS verwendet werden, nutzt diese Technik die Positionsangabe des
militärischen
Geräts
als Bezugspunkt.
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Insbesondere
veranschaulicht 2 eine beispielhafte Anordnung
eines augenblicklichen Differenzial-GPS-Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der zivile GPS-Empfänger 11 und
der militärische
GPS-Empfänger 12 im
Startfahrzeug 10 teilen sich die gleiche Antenne 13,
da die Berechnung der Positionskorrektur relativ zu demselben Punkt
sein muss. Dies wird leicht erreicht, indem beide Geräte mit einem
Leistungsverteiler 14 verbunden werden. Gegebenenfalls
kann ein Vorverstärker 15 an
der Antennenausgabe eingesetzt werden, um den Verlust der Signalstärke aufgrund
der Leistungsverteilung zu überwinden.
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Die
Differenzialkorrektur DPR für
jeden Satelliten, der durch das zivile GPS-Gerät 11 des Startfahrzeugs
verfolgt wird, wird in einer geeigneten Berechnungsvorrichtung 16 berechnet,
wobei Eingaben von dem zivilen Gerät 11 und dem militärischen
Gerät 12 erhalten
werden, indem differenziert, d. h. die Differenz bestimmt wird zwischen
einem vorhergesagten oder geschätzten
Pseudobereich PRP und einem gemessenen Pseudobereich PRM. Der vorhergesagte
Pseudobereich PRP wird berechnet durch Berechnen des geometrischen
Bereichs zwischen der Positionsangabe des militärischen Geräts und der Satellitenposition,
die aus den zum Sendezeitpunkt ausgewerteten Ephemeriden berechnet
wurde, und Einstellen jenes Bereichs durch die Satellitenuhrkorrektur
nach Maßgabe
der Beziehung: PRP = mag[M(tm) – E(tt)] – C(tt) (1)wobei
- mag[x]
- = die Länge eines
dreidimensionalen Vektors,
- M(.)
- = die Positionsangabe
der GPS-Empfangseinrichtung hoher Genauigkeit,
- tm
- = gemessene Zeit,
- E(.)
- = das Ephemeriden-Positionsmodell,
das in der ICD-GPS-200-Verordnung definiert ist,
- tt
- = Sendezeit und
- C(tt)
- = die in der ICD-GPS-200-Verordnung
definierte Satellitenuhrkorrektur.
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Der
gemessene Pseudobereich PRM wird aus der Sendezeit tt und der Mess-
oder Empfangszeit tm wie folgt berechnet: PRM = c·(tm – tt) (2)wobei
- c
- = Lichtgeschwindigkeit.
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Die
differenzielle Korrektur DPR wird für jeden von dem zivilen GPS-Empfänger 11 verfolgten Satelliten
aus der Differenz zwischen (1) und (2) berechnet: DPR = PRM – PRP (3)
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Diese
Korrektur-DPR für
jeden Satelliten wird an den zivilen Empfänger 21 in dem Verbrauchsfahrzeug 20 gesendet,
um die Genauigkeit seiner Positionsangabe zu erhöhen. Der verbrauchbare zivile Empfänger 21 empfängt und
führt jede
Differenzialkorrektur oder Positionsverschiebung seinen Rohmessungen
PRM' zu, die unter
Verwendung von Informationen ermittelt werden, die direkt von den
Satelliten über
die Antenne 22 empfangen wurden, um die korrigierte Messung
PRC zu berechnen, indem: PRC = PRM' – DPR (4)
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Die
korrigierte Messung PRC wird dann durch den Navigationsalgorithmus
im verbrauchbaren zivilen Empfänger 21 verarbeitet,
um die verbesserte Genauigkeit seiner Positionsangabe zur Ausgabe
und Verwendung in einer Nutzvorrichtung 23 zu ermitteln.
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Die
in der Systemanordnung der 2 veranschaulichte
Vorrichtung kann auch bei der Umsetzung der augenblicklichen relativen
Navigationstechnik verwendet werden, wie aus einer Betrachtung dieser
Technik, wie oben beschrieben, leicht gewürdigt werden kann. Beispielsweise
kann die Berechnungsvorrichtung 16 zum Berechnen des Unterschieds
zwischen den Positionsangaben des zivilen und des militärischen
GPS-Geräts angepasst
werden, um die Positionsverschiebung wie folgt zu bestimmen. Wenn
alle Empfänger
dieselben vier Satelliten verwenden, kann der Positionskorrekturvektor CV
in der Berechnungsvorrichtung 16 berechnet werden durch: CV = PM – PCRwobei
- PM
- = Positionsvektor
des militärischen GPS-Empfängers; und
- PCR
- = Positionsvektor
des zivilen GPS-Empfängers
im Startfahrzeug.
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Unter
Verwendung des CV wird die korrigierte Position PCMC des zivilen
GPS-Empfängers
im Verbrauchsfahrzeug erhalten durch: PCMC =
PCM – CVwobei
- PCM
- = unkorrigierte Position
des zivilen GPS-Empfängers im
Verbrauchsfahrzeug.
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Außerdem kann
eine Auffrischungsvorrichtung 17 zur Aktualisierung der
Differenzialkorrekturen oder der Positionsverschiebung auf regelmäßiger Basis
vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass die Genauigkeit des verbrauchbaren
zivilen GPS-Geräts aufgefrischt
wird und nahe an derjenigen des militärischen Geräts bleibt. Die Auffrischung
kann eine einfache Fortsetzung des ursprünglichen Vorgangs sein und
erfordert im Wesentlichen eine Einrichtung zum Weiterleiten der
Korrekturen an das Verbrauchsfahrzeug nach dem Start.
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Daher
wird es aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich, dass eine
Systemvorrichtung und Techniken gemäß der Erfindung dargelegt worden
sind zur Erhöhung
der Genauigkeit der Positionsbestimmung eines zivilen GPS-Empfängers durch
Korrigieren seiner Messungen mit Daten, die von einem GPS-Empfänger von
hoher Genauigkeit oder einem militärischen GPS-Empfänger abgeleitet sind
und die insbesondere die Erhöhung
der Genauigkeit von zivilen GPS-Empfängern ermöglichen, die mit SPS arbeiten,
um die Wirkung der SA aufzuheben. Die Erfindung hebt die Notwendigkeit
einer ortsfesten DGPS-Referenzstation auf, was eine Mobilität seitens
des verbesserten GPS-Empfängers
und der zwei Referenz-GPS-Empfänger
erlaubt. Weiterhin gibt es keine direkte Verwendung von Verschlussdaten
aus dem militärischen
Empfänger,
während
eine Verbesserung der Positionsangabe des zivilen Empfängers oder
eine Bestimmung erreicht wird, die mit derjenigen des militärischen
Empfängers
vergleichbar ist. Die Techniken sind hinsichtlich gegenseitiger An forderungen
an die Sichtbarkeit robust, solange es vier oder mehr gegenseitig
sichtbare Satelliten zwischen dem mobilen Benutzer und dem Referenzfahrzeug
gibt.
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Es
wird in Erwägung
gezogen, dass auf den zivilen GPS-Empfänger im Startfahrzeug verzichtet werden
kann und die äquivalenten
Korrekturen dennoch unter Verwendung des zivilen Empfängers im Verbrauchsfahrzeug
an seiner Stelle durchgeführt werden
können,
aber die Umsetzung würde
komplexer werden. Beispielsweise müssen die Berechnungen berücksichtigen,
dass die zur Ausführung
der Korrekturen vorgenommenen Messungen von zwei verschiedenen Orten
stammen und die Daten von jedem Empfänger wahrscheinlich zur Verarbeitung
an einen Ort gesendet würden.
Auch muss der verbrauchbare zivile Empfänger imstande sein, die GPS-Signale
vor dem Start zu verfolgen. Infolgedessen wird die offenbarte Ausführungsform
bevorzugt, die die Kombination von zivilem und militärischem Empfänger im
Startfahrzeug verwendet.