DE69935035T2 - Verfahren und System mit integrierter Zweiweg-Entfernungsbestimmung zur Eichung von GPS - Google Patents

Verfahren und System mit integrierter Zweiweg-Entfernungsbestimmung zur Eichung von GPS Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Global Positioning Systems (Globales Positionsbestimmungs-System), das ein Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem verwendet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vornahme einer Zweiwege-Entfernungsmessung eines Ziels und Vornahme einer globalen Positionsbestimmungs-Systemmessung des Ziels.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein System zum Kalibrieren eines globalen Positionsbestimmungs-Systems bzw. Global Positioning Systems, wobei das System ein Zweiwege-Entfernungsmesssystem und ein Global Positioning System aufweist.
  • Ein solches Verfahren und ein solches System sind aus EP 0 860 710 A2 bekannt.
  • Bezugnahme auf zugehörige Anmeldungen
  • Diese Anmeldung steht in Bezug zu der parallelen Anmeldung mit der Anmeldenummer 08/803,936 mit dem Titel "Method and System for Determining a Position of a Target Vehicle Utilizing Two-Way Ranging", die am 21. Februar 1997 angemeldet wurde, sowie der parallelen Anmeldung mit der Anmeldenummer 08/803,937 mit dem Titel "Method and System for Determining a Position of a Transceiver Unit Utilizing Two-Way Ranging in a Polystatic Satellite Configuration", die am 21. Februar 1997 angemeldet wurde.
  • Technisches Gebiet
  • Allgemein betrifft die Erfindung Verfahren und Systeme zum Bestimmen einer Position eines Zielfahrzeugs, und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Kalibrieren des Global Positioning Systems, indem ein Zweiwege-Entfernungsmesssystem verwendet wird.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Die aktuelle Automatic Dependent Surveillance (ADS; etwa "automatische bordabhängige Überwachung") Technologie in Form eines Global Positioning Systems (GPS) liefert Information, indem Satellitenkommunikation eingesetzt wird. Das GPS, das von dem Verteidigungsministerium der USA entwickelt wurde, besteht aus vierundzwanzig (24) Satelliten, die die Erde zweimal pro Tag in einer Höhe von 12.000 Meilen umkreisen. Zusätzlich besteht das GPS aus fünf (5) Bodenstationen, die die Satelliten überwachen und verwalten. Unter Einsatz von Atomuhren und Ortsdaten übermitteln die GPS-Satelliten kontinuierlich Zeit und Positionsinformation vierundzwanzig (24) Stunden am Tag an einen GPS-Empfänger, der Daten von drei oder mehr Satelliten gleichzeitig erhält, um die Position des Benutzers auf der Erde zu bestimmen. Durch Messen des Zeitintervalls zwischen der Übertragung und dem Empfang eines Satellitensignals berechnet der GPS-Empfänger die Entfernung zwischen dem Benutzer und jedem Satelliten. Der GPS-Empfänger benutzt dann die Entfernungsmessungen von zumindest drei Satelliten, um den endgültigen Ort oder Position des Benutzers zu erhalten.
  • Die zivile GPS-Messung erreicht eine Genauigkeit von etwa 100 Metern. Zusätzliche Genauigkeit in einem Grad, der für Ziele wie beispielsweise Flugzeuge benötigt wird, wird erhalten, indem ein Differenz-GPS verwendet wird, das Bodenreferenzpunkte umfasst. Die Bodenreferenzstationen sind jedoch teuer aufzubauen, und deren Effektivität ist begrenzt auf einen endlichen Radius, ausgehend von der Referenzposition auf der Oberfläche der Erde.
  • Das zivile GPS-System benutzt eine Einwege-Entfernungsmessung, bei der ein genauer synchronisierter Takt bzw. Zeit an jeder Station benötigt wird. Jeglicher Synchronisationsfehler oder jeder Fehler bezüglich des Orts eines der Satelliten führt zu einem Fehler in der bestimmten Position des Ziels. Ein Flugzeug oder ein anderes Ziel muss genaue Positions- und Geschwindigkeitsinformation haben und benötigt hierfür bestimmte präzise Geräte während des gesamten Flugs oder Mission, um eine genaue Positions- und Geschwindigkeitsinformation mit einem hohen Grad an Integrität und Verlässlichkeit bereitzustellen.
  • Um dieses Problem zu überwinden, wurde das Zweiwege-Entfernungsmesssystem in der parallelen US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/803,936 vorgeschlagen, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen wird. Das Zweiwege-Entfernungsmesssystem, das darin offenbart ist, bestimmt eine Position eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eines Flugzeugs oder eines Bodenfahrzeugs, indem Zweiwege-Entfernungsmesstechniken über mehrere Satelliten eingesetzt werden, um unabhängige Abschätzungen eines Zustandsvektors eines Fahrzeugs zu erhalten, einschließlich Position und Geschwindigkeit.
  • Das Zweiwege-Entfernungsmesssystem umfasst das Senden eines ersten Signals zu einem Fahrzeug von einer Verkehrssteuerungsstation über eine Vielzahl von Satelliten. Aus diesem Signal erhält das Fahrzeug einen eindeutigen Entfernungscode und überwacht diesen, und ein Nachrichtensignal, das diesen eindeutigen Code enthält, wird von dem Fahrzeug gesendet. Die Verbindungen über mehrere Satelliten werden nacheinander oder gleichzeitig verarbeitet, um eine Zweiwege-Entfernungsmessung mit ausreichend genauen Abschätzungen der Zustandsvektoren bereitzustellen. Das Zweiwege-Entfernungsmesssystem verarbeitet Entfernungsmessungen, um Abschätzungen der Fahrzeugzustandsvektoren in Antwort auf ein erstes Signal zu erhalten und ein Nachrichtensignal an einem Verkehrscontroller, vorzugsweise einem bodengestützten Verkehrscontroller, der eine α-β/EKF (Extended Kalman Factor) Nachführung einsetzt.
  • Die Zweiwege-Entfernungsmessnavigation kann als Stand Alone Positionsbestimmungssystem für ein Ziel eingesetzt werden, mit einer höheren Genauigkeit als GPS-Systeme. Während normaler Kommunikationsverbindungen benötigt die Positionsbestimmung mit dem Zweiwege-Entfernungsmesssystem nur wenig Ressourcen im Satelliten. Allerdings, wenn es keine Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Satelliten gibt, also während "ruhiger Intervalle", benötigt die Zweiwege-Entfernungsmessnavigations-Positionsbestimmung zusätzliche Bandbreitenressourcen im Satelliten. GPS andererseits, das ein Einwege-Rundsendepositionsbestimmungssystem ist, erfordert keine zusätzlichen Satellitenressourcen, wenn es einmal im Einsatz ist.
  • EP 0 860 710 A2 offenbart ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Position eines Zielfahrzeugs, indem eine Zweiwege-Entfernungsmessung verwendet wird. Das vorgeschlagene System verwendet ein erweitertes Kalman-Filter, das in der Lage ist, verschiedene Informationseingänge zu verarbeiten, um einen Zustandsvektor des Zielfahrzeugs zu schätzen. Der Zustandsvektor hat 11 Komponenten, der die dreidimensionalen ECI-Positionskoordinaten, Geschwindigkeit, Beschleunigung und die Entfernungs- plus Dopplerkoordinaten umfasst, die mit den ionosphärischen TEC-Effekten verknüpft sind. Das System baut eine kontinuierliche Schleife zwischen dem Zielfahrzeug und einer bodengestützten Verkehrssteuerungsstation über eine Vielzahl von Satelliten auf. Die Bodenstation empfängt einen geschätzten Zustandsvektor von dem Zielfahrzeug. Diese Daten werden einem Prozessor zugeführt, wo zusätzliche Information bezüglich der Position des Zielfahrzeugs ebenfalls verfügbar gemacht werden kann. Diese zusätzlichen Daten basieren auf einer Zweiwege-Entfernungsmessungsinformation und können zusätzlich andere Daten umfassen, die terrestrisch gestützt sind.
  • Indem die zusätzlichen Daten und die Verarbeitungsleistung, die von der Bodenstation zur Verfügung gestellt wird, verwendet werden, kann ein verbesserter Zustandsvektor erzeugt werden. Dieser verbesserte Zustandsvektor umfasst wiederum die 11 Komponenten, die zuvor erwähnt wurden, und wird zum Zielfahrzeug gesendet. Das erweiterte Kalman-Filter an Bord des Zielfahrzeugs ist in der Lage, diesen verbesserten Zustandsvektor zusammen mit GPS-Information als Eingangssignale für den Filterprozess anzunehmen. Der Ausgang des Kalman-Filters ist ein neuer Zustandsvektor, der wiederum die 11 Komponenten umfasst. Dieser neue Zustandsvektor wird an Bord eines Zielfahrzeugs verwendet und wird auch an die Bodenstation gesendet. Dann wird die zuvor beschriebene Schleife wiederholt.
  • Während das vorgeschlagene Verfahren und System sehr ausgereift sind und die Positionsbestimmung des Zielfahrzeugs genau ermöglichen, erfordert die Schleife zwischen dem Zielfahrzeug und der Bodenstation eine beträchtliche Menge an Kommunikationsbandbreite und leistungsfähige Prozessoren an Bord des Zielfahrzeugs und insbesondere in der Bodenstation.
  • EP 0 860 709 A2 wendet eine sehr ähnliche Schleife, wie zuvor beschrieben, an. In diesem Fall wird jedoch die Zweiwege-Entfernungsmessinformation von mehr als einem Satelliten verarbeitet, um zu einer genauen Bestimmung der Position des Zielfahrzeugs zu gelangen.
  • EP 0 860 708 A2 wendet wiederum eine ähnliche Schleife, wie zuvor beschrieben, an. In diesem Fall wird die Information von einem Bodenradar zusätzlich zu der Zweiwege-Entfernungsmessinformation verarbeitet, die über eine polystatische Satellitenkonfiguration bereitgestellt wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Erhalt einer hochgradigen Positionsbestimmungsgenauigkeit bereitzustellen, ohne die Kosten einer Zweiwege-Entfernungsmessnavigationsbestimmung und unter Verwendung des freien zivilen GPS-Signals, wann immer es möglich ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird von dem zuvor erwähnten Verfahren gelöst, das ferner die Schritte aufweist: Vornahme einer Zweiwege-Entfernungsmessung zu einem ersten vorbestimmten Zeitpunkt, Vornahme einer ersten globalen Positionierungssystem messung zu dem ersten vorbestimmten Zeitpunkt; Bestimmen eines Korrekturfaktors als Differenz zwischen der Zweiwege-Entfernungsmessung und der ersten globalen Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungs-Systemmessung, und Gewinnen einer korrigierten globalen Positionierungssystemmessung, indem eine zweite globale Positionierungssystemmessung des Ziels zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wird und die zweite globale Positionierungssystemmessung durch den Korrekturfaktor eingestellt wird.
  • Diese Aufgabe wird auch erreicht von einem System, wie es zuvor erwähnt wurde, und das ferner aufweist: Mittel zum Bestimmen eines Korrekturfaktors als Differenz zwischen einer Zweiwege-Entfernungsmessung, die von dem Zweiwege-Entfernungsmesssystem zu einem ersten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wurde, und einer ersten globalen Positionierungssystemmessung, die von dem globalen Positionierungssystem zu dem ersten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wurde, und Mittel zum Gewinnen einer korrigierten globalen Positionierungssystemmessung, indem eine zweite globale Positionierungssystemmessung des Ziels zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wird und die zweite globale Positionierungssystemmessung durch den Korrekturfaktor eingestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Einsatz einer Zweiwege-Entfernungsmessnavigation, um die Entfernung längs des Weges von einer Quelle zu einem Ziel genau zu bestimmen, indem die Zeitverzögerung während der Laufzeit der Kommunikation über Satelliten gemessen wird. Die Zweiwege-Entfernungsmessnavigationsmessungen werden als Kalibrierungsreferenzen eingesetzt, um damit die Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungsgenauigkeit des GPS zu verbessern, ohne die Kosten für die Implementierung eines Differential GPS und ohne die physischen Beschränkungen in Kauf nehmen zu müssen, die mit dem Differential GPS verknüpft sind.
  • Das System zum Kalibrieren des GPS, indem die Zweiwege-Entfernungsmessnavigation eingesetzt wird, umfasst ein GPS und ein Zweiwege-Entfernungsmesssystem bzw. Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem zum Bestimmen der Positionsmessungen eines Ziels. Ein Korrekturfaktor wird als Funktion der Messungen festgelegt, die von dem Zweiwege-Entfernungsmesssystem und dem GPS erhalten werden, und die GPS-Position des Ziels wird durch den Korrekturfaktor eingestellt.
  • Das Verfahren zum Kalibrieren des GPS unter Verwendung einer Zweiwege-Entfernungsmessnavigation umfasst das Erhalten bzw. Gewinnen von Zweiwege-Entfernungsmessungen eines Ziels, wie beispielsweise einem Flugzeug, zu einem ersten vorbestimmten Zeitpunkt. Eine erste GPS-Messung des Ziels wird ebenfalls zu dem ersten vorbestimmten Zeitpunkt ausgeführt. Ein Korrekturfaktor wird als Funktion der Zweiwege-Entfernungsmessung und der GPS-Messung bestimmt. Die GPS-Position wird durch Ausführen einer zweiten GPS-Messung des Ziels zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt korrigiert, und die Messung wird durch den Korrekturfaktor eingestellt, um eine korrigierte GPS-Position zu erhalten.
  • Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft bei Flugzeugen, wo eine höhere Positionsbestimmungsgenauigkeit auf alle Phasen des Flugs ausgedehnt werden kann, ohne häufig Zweiwege-Entfernungsnavigationsmessungen ausführen zu müssen. Eine höhere Genauigkeit kann erhalten werden, wenn gewünscht, durch Ausführen von mehreren Zweiwege-Entfernungsnavigationsmessungen, wann immer oder wo auch immer benötigt. Bei der Anwendung im Flugzeug kann eine höhere Positionsbestimmungsgenauigkeit in der Mitte des Flugs und beim Landen dazu beitragen, die Größe der Sicherheitspufferzonen zwischen den Flugzeugen zu reduzieren und damit die Durchsatzkapazität und die Luftverkehrseffizienz zu steigern.
  • Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Genauigkeit des GPS verbessert wird, ohne zusätzliche unerwünschte Kosten und Komplexität hinzuzufügen. Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein Zweiwege-Entfernungsmessnavigation eingesetzt wird als Kalibrierungsreferenz für das GPS. Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Kalibrierungsinformation zu allen Benutzern innerhalb eines vorbestimmten Gebiets rundgesendet werden kann.
  • Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Flexibilität beim Kalibrierungsverfahren aufrechterhalten werden kann, um unterschiedliche Genauigkeitslevels basierend auf unterschiedlichen Navigationsanwendungen zu ermöglichen. Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein Backup-Navigationssystem für GPS vorgesehen werden kann für den Fall des GPS-Ausfalls.
  • Die vorherigen Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich leicht aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen betrachtet wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine diagrammartige Darstellung eines bekannten Kommunikationssystems, das eine Zweiwege-Entfernungsmessnavigation in einer Konstellation von zwei. Medium Earth Orbit (MEO; mittlere Umlaufbahn um die Erde) Satelliten und einem geostationären (GEO) Satelliten verwendet;
  • 2 ist eine diagrammartige Darstellung eines GPS in Verbindung mit einer Zweiwege-Entfernungsmessnavigationskonfiguration;
  • 3 ist eine diagrammartige Darstellung eines GPS mit Zweiwege-Entfernungsmessnavigations-Kalibrierungsreferenzen;
  • 4 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Korrekturfaktor zu den Benutzern rundgesendet wird; und
  • 6 ist eine diagrammartige Darstellung der Zweiwege-Entfernungsmessnavigation als Backup-Navigationssystem für das GPS.
  • Beste Modi zur Ausführung der Erfindung
  • Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Implementierung eines bekannten Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystems zur Positionsbestimmung und Verfolgung von Objekten, wie beispielsweise Personen, Fahrzeuge und Flugzeuge, von einer oder mehreren Bodenstationen über Zweiwege-Satellitenkommunikationsverbindungen, die in dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist dargestellt. Ein Überblick der Zweiwege-Entfernungsmessung wird nachfolgend beschrieben werden. Für eine detailliertere Beschreibung des Betriebs der Zweiwege-Entfernungsmessung wird auf die US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/803,936 verwiesen.
  • Zweiwege-Entfernungsmessnavigation verfolgt Objekte über Triangulation, Trilateration und Dopplertechniken, die mehrere Satelliten in mehreren Umlaufbahnebenen in Low Earth Orbit (LEO; niedere Erdumlaufbahn), Medium Earth Orbit (MEO; mittlere Erdumlaufbahn) und Geosynchronous Earth Orbit (GEO; geostationäre Erdumlaufbahn) Konstellationen benötigen. 1 zeigt ein Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem 10, das eine Vielzahl von Satelliten einsetzt, und insbesondere zwei MEO-Satelliten 12 und einen GEO-Satelliten 14. Es ist anzumerken, dass jede Kombination einer Vielzahl von LEO-, MEO- und GEO-Satelliten eingesetzt werden kann, um Ergebnisse zu erzielen, die ähnlich zu jenen des in 1 dargestellten Systems sind.
  • Im Betrieb sendet eine Bodenstation 16, wie beispielsweise ein Satellite Access Node (SAN), vorzugsweise mit einer Verkehrssteuerungsüberwachung, -verarbeitung und -signalisierung, ein Entfernungsmesssignal an ein Ziel 18, wie beispielsweise ein Flugzeug, über irgendeinen der MEO- oder GEO-Satelliten 12. Das Ziel 18 erfasst und verfolgt einen eindeutigen Entfernungsmesscode von einem Satelliten, der dann zusammen mit einer Datennachricht zurückübertragen wird, an den gleichen Satelliten, von dem das Ziel 18 den Code empfangen hat, und dann abwärts zur Bodenstation 16.
  • Es gibt mehrere verfügbare Verbindungen, beispielsweise über eine Vielzahl von unterschiedlichen Satelliten während der meisten Zeit, aber zumindest zwei Satelliten sind immer innerhalb des Sichtfelds des Ziels 18. Ein Satz von Satelliten innerhalb des Sichtfelds kann gleichzeitig über zwei Satelliten, oder sequentiell über einen einzelnen Satelliten, eingesetzt werden, ohne den Umfang und den Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Der Vorwärts- und der Rückpfad der Entfernungsmesssignale kann über unterschiedliche Satelliten geleitet werden, was ein polystatisches Trilaterationsschema erzeugt, wie es in der parallelen US-Anmeldung mit der Anmeldenummer 08/803,937 beschrieben ist. Eine polystatische Konfiguration besteht aus mehreren Sendern/Empfängern an getrennten Orten, die miteinander kooperieren. Die Sender/Empfänger können stationär sein oder können sich bewegen. Indem polystatische Techniken eingesetzt werden, bei denen sich die Vorwärts- und Rückentfernungsmesssignale über unterschiedliche Satelliten ausbreiten, sind die Messorte gleicher Entfernung auf eine ellipsoide Fläche eingegrenzt. Die zwei Foki sind in den Satellitenpositionen, so dass die Summe der Entfernungen zwischen dem Ziel 18 und den Satelliten 12 und 14 konstant ist. Die Zweiwege-Entfernungsmessnavigationsmessungen werden eingesetzt, um ein α-β Erweitertes Kalman-Filter (EKF) zu erhalten, um die Zustandsvektoren des Ziels 18 an der Bodenstation 16 abzuschätzen. Eine polystatische Konfiguration liefert eine höhere Genauigkeit und ein flexibleres Kommunikationssystem.
  • Es wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen. Ein GPS-System 20 in Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem 10 ist gezeigt. In 2 sind zusätzliche Satelliten 15 in dem System zusammen mit Satelliten 12 und 14 gezeigt. Die vorliegende Erfindung benutzt hochgenaue Messungen des Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystems 10 als Kalibrierungsreferenzen, um Fehler auszulöschen, die in GPS-Messungen existieren.
  • Insbesondere erfordert das Verfahren der vorliegenden Erfindung, dass eine Zweiwege-Entfernungsmessung durchgeführt wird, R2N 10' von dem Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem 10, und eine GPS-Messung 20' von dem GPS-System 20 des Ziels 18 zu einem ersten vorbestimmten Zeitpunkt, d.h. t = 0. Bezug nehmend auf die 3 sind zu dem Zeitpunkt t = 0 die Messungen: GPS (t) |t=0:GPS(0) = {x(0), y(0), z(0)} (1) R2N (t) |t=0: R2N(0) = {x'(0), y'(0), z'(0)} (2)
  • Das in 3 diagrammartig gezeigte Konzept ist in Blockform in 4 dargestellt. Der Korrekturfaktor 32, Δ, wird als Funktion von GPS(0) und R2N(0) berechnet: Δ(t)|t=0:Δ(0) = f[R2N(0), GPS(0)] = R2NJ(0) – GPS(0) (3)
  • Der Korrekturfaktor 32, Δ(t), kann jederzeit aus Δ(0) und anderer verfügbarer Information extrahiert werden, wie beispielsweise Satellitenpositionen, Daten von einem bordeigenen Trägheitsnavigationssystem, wie beispielsweise ein herkömmliches mechanisches Kreiselsystem, das die von dem Ziel 18 von einer vorbestimmten Position zurückgelegte Entfernung misst, und den Ergebnissen des EKF. Der zusätzliche Freiheitsgrad 34 erlaubt es der Zweiwege-Entfernungsmessnavigation, unbekannte Parameter zu kalibrieren, indem exzessive Daten manipuliert werden. Das Konzept des zusätzlichen Freiheitsgrades 34 liefert die Fähigkeit, zusätzliche unbekannte Parameter aufzulösen und damit die Positionsabschätzung genauer zu machen, im Vergleich zu Gleichungen mit weniger Parametern.
  • R2N-Schalter 36 erlaubt eine Kommunikation nur, wenn notwendig und erforderlich, und verhindert Kommunikation, wenn sie nicht benötigt wird. Die Kommunikationsleitung kann als ein Schalter visualisiert werden, der geschlossen ist, um eine Kommunikation zu ermöglichen, und offen ist, um eine Kommunikation zu verhindern.
  • Der Korrekturfaktor 32 wird auf die GPS-Position zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt, t, angewendet, und die korrigierte GPS-Position 24, GPS*, hat die Form: GPS*(t) = GPS(t) + Δ(t) wobei Δ(t) = f(t, Δ(0), GPS(t), ...) (4)
  • Wie in 4 gezeigt, wird das GPS-Signal 20' von einem GPS-Verfolger 38 empfangen und zu einem Vergleicher 40 gesendet. Das Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssignal 10' wird von dem Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem 10 empfangen und wird ebenfalls an den Komparator bzw. Vergleicher 40 gesendet, wobei die Signale 20' und 10' verwendet werden, um den Korrekturfaktor 32 zu bestimmen. Der Korrekturfaktor 32 wird dann auf das GPS-Signal angewendet, das zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt erhalten wird, und das Ergebnis besteht in einem korrigierten GPS-Signal 24, das eingesetzt wird, um die Position 42 des Ziels 18 an der Bodenstation 16 zu aktualisieren, das im Falle eines Flugzeugs als Ziel eine Air Traffic Control Station (Luftverkehrssteuerungsstation) ist.
  • 5 zeigt, dass der Korrekturfaktor 32 an alle Benutzer innerhalb eines Gebiets als ein regionales korrigiertes Signal 32' rundgesendet wird. Nachdem der Korrekturfaktor 32, wie in 4 gezeigt und zuvor beschrieben, abgeschätzt wurde, sendet ein Benutzer den Korrekturfaktor 32 an die Bodenstation 16 in einer Weise, beispielsweise über Zweiwege-Satellitenkommunikationsverbindungen. Die Bodenstation 16 ist dann in der Lage, den Korrekturfaktor 32 an alle Benutzer innerhalb eines vorbestimmten Gebiets rundzusenden, die in der Lage sind, den regionalen Korrekturfaktor 32' zu verwenden, um eine korrigierte GPS-Position 24 zu gewinnen und schließlich die Position 42 des Ziels 18 zu aktualisieren.
  • Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Auflösung und Genauigkeit herkömmlicher GPS-Messungen dramatisch verbessern, während gleichzeitig die Anforderung der Benutzer, häufig Zweiwege-Entfernungsmessnavigationskalibrierungen auszuführen, reduziert wird. Nur ein Satz von Kalibrierungen wird pro Gebiet benötigt, was die Genauigkeit des GPS steigert und gleichzeitig die Kommunikationskosten niedrig hält, als Ergebnis der wenig häufigen Zweiwege-Entfernungsmessungen.
  • Es ist ebenfalls leicht erkennbar, dass neben der Steigerung der Auflösung und Genauigkeit die vorliegende Erfindung den Vorteil der Flexibilität bei der Verarbeitung von Messungen und Daten hat. Messungen und andere Daten können zwischen dem Benutzer und der Bodenstation 16 über Zweiwege-Kommunikationsverbindungen weitergeleitet werden. Datenverarbeitung kann entweder an Bord des Ziels 18 oder in der Bodenstation 16 ausgeführt werden.
  • Zusätzlich und ähnlich zu dem Differential GPS ermöglicht das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung, dass der Korrekturfaktor 32, Δ, der vorzugsweise in der Bodenstation 16 für die beste Genauigkeit berechnet wird, der aber auch an Bord berechnet werden kann, in GPS-Entfernungskorrekturen übersetzt wird (Δr1, Δr2, ...), die dann an alle GPS-Benutzer innerhalb eines Gebiets rundgesendet werden können. Bei dieser Ausführungsform wird der Korrekturvorgang: Grobe GPS-Position: GPS(t) = f(r1, r2, ...) (5) Korrigierte GPS-Position: GPS*(t) = f(r1 + Δr1, r2 + Δr2, ...) (6)
  • Wobei r1, r2 ... Entfernungen sind, die den Entfernungen zwischen den Positionen im Raum der Kommunikationssatelliten 12, 14 und 15 und der Bodenstation 16 entsprechen.
  • Zweiwege-Entfernungsnavigationsmessungen sind sehr genau. Deshalb können durch Korrektur des GPS mit einem gut bekannten und genauen Referenzpunkt in Form einer Zweiwege-Entfernungsnavigationsmessung Fehler aus selektiver Verfügbarkeit, Ionosphäre und Atmosphäre dramatisch reduziert werden. Da jedoch atmosphärische Verzögerung aufgrund von Wetterdynamik variieren kann, sollten die Zweiwege-Entfernungsnavigations-Kalibrierungsmessungen immer dann ausgeführt werden, wenn sich wesentliche Änderungen der Wetterbedingungen ergeben.
  • Ähnlich wie das Differential GPS liefert die vorliegende Erfindung eine verbesserte Positionsmessung, die einen sehr genauen Referenzpunkt verwendet, um den Fehler zu korrigieren. Allerdings, im Gegensatz zu dem Differential GPS, ist es bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, einen Referenzpunkt im Voraus festzulegen. Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, einen Zweiwege-Entfernungsnavigations-Referenzpunkt zu erzeugen, wann immer und wo auch immer es geeignet oder notwendig erscheint. Die Genauigkeit des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist auch flexibel und kann gesteuert werden, was es einem Benutzer ermöglicht, den Genauigkeitsgrad auszuwählen, der für den jeweiligen Zweck benötigt wird, was eine "Übermunitionierung" der Technik bei Anwendungen beseitigt, die einen hohen Genauigkeitsgrad nicht erfordern, was zu einer Reduzierung der Betriebskosten führt.
  • Wenn es ein Bedürfnis nach höherer Genauigkeit gibt, beispielsweise bei einer Navigation während Blindflugbedingungen (null Sichtweite), wird die Häufigkeit der Zweiwege-Entfernungsnavigationsmessungen erhöht. Dies erhöht die Genauigkeit des GPS über häufigere Korrekturfaktorberechnungen und Einstellungen. Diese Flexibilität ermöglicht es der vorliegenden Erfindung, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt zu werden, einschließlich, aber nicht notwendigerweise beschränkt darauf, kommerzielle Luftfahrt, Schiffe, Containerschifffahrt, Bodenfahrzeuge und mobile Handtelefone.
  • Durch Aufnahme des GPS mit Zweiwege-Entfernungsmessnavigation wird ein Backup-Navigationsverfahren für GPS aufgebaut. Deshalb ist im Falle von GPS Signal Jamming Zweiwege-Entfernungsmessnavigation in der Lage, eine vollständige Navigation ohne GPS bereitzustellen. Die Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssatelliten 12 und 14 können Zweiwege-Entfernungsmessnavigations-Kalibrierungsreferenzen errichten, wann immer und wo auch immer ein Benutzer dies auswählt, sofern es eine vorherige R2N-Kalibrierung innerhalb einer bestimmten Zeitdauer oder Zeit gegeben hat, und damit eine hohe Positionsgenauigkeit, ohne die Unterstützung durch GPS zu erreichen. Dies ist im Detail in der parallelen anhängigen US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/803,936 beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung kann in vielen Mehrfachsatellitenkonstellationen oder Kombinationen mehrerer Konstellationen angewendet werden. Die vorliegende Erfindung verbessert die Genauigkeit des herkömmlichen GPS und liefert ein einfaches Verfahren für mehr Flexibilität bei der Genauigkeit in der Verfolgung eines Ziels. Selbst wenn das GPS falsch arbeitet, liefert die vorliegende Erfindung genaue Navigationsmessungen für eine Vielzahl von Nachführungs- bzw. Verfolgungsanwendungen.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zur Verwendung einer Zweiwege-Entfernungsmessnavigation, um die Entfernung entlang des Wegs von einer Quelle zu einem Ziel durch Messen der Zeitverzögerung und der Umlaufzeit der Kommunikation über einen Satelliten genau zu bestimmen. Die Zweiwege-Entfernungsnavigationsmessungen werden als Kalibrierungsreferenzen verwendet, um damit die Positionsbestimmungsgenauigkeit des GPS zu verbessern. Das System umfasst GPS und ein Zweiwege-Entfernungsmessnavigationssystem, um Positionsmessungen eines Ziels vorzunehmen. Ein Korrekturfaktor wird als Funktion der Messungen bestimmt, und die GPS-Position wird über den Korrekturfaktor eingestellt. Das Verfahren zum Kalibrieren des GPS durch Einsatz einer Zweiwege-Entfernungsmessnavigation umfasst das Vornehmen einer Zweiwege-Entfernungs- und Navigationsmessung und eine GPS-Messung eines Ziels, Bestimmen eines Korrekturfaktors als Funktion der Messungen und eine Korrektur der GPS-Position, indem eine zweite GPS-Messung vorgenommen wird und diese mit dem Korrekturfaktor eingestellt wird.
  • Obgleich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in den begleitenden Zeichnungen dargestellt und in der vorhergehenden detaillierten Beschreibung beschrieben wurden, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht alleine auf die offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass zahlreiche Neuanordnungen, Modifikationen und Ersetzungen möglich sind, ohne den Rahmen zu verletzen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche abgesteckt ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Kalibrieren eines globalen Positionierungssystems (20), in dem ein Zweiwege-Entfernungsmesssystem verwendet wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vornahme einer Zweiwege-Entfernungsmessung zu einem ersten vorbestimmten Zeitpunkt; Vornahme einer ersten globalen Positionierungssystemmessung zu dem ersten vorbestimmten Zeitpunkt; Bestimmen eines Korrekturfaktors (32) als Differenz (Δ(0)) zwischen der Zweiwege-Entfernungsmessung und der ersten globalen Positionierungssystemmessung; und Gewinnen einer korrigierten globalen Positionierungssystemmessung (24), indem eine zweite globale Positionierungssystemmessung des Ziels (18) zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wird und die zweite globale Positionierungssystemmessung durch den Korrekturfaktor (32) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: Extrahieren des Korrekturfaktors (32) aus der Differenz (Δ(0)) und einer bekannten Position des Satelliten (12, 14).
  3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: Extrahieren des Korrekturfaktors (32) aus der Differenz (Δ(0)) und Daten von einem Trägheitsnavigationssystem, das sich an Bord des Ziels (18) befindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: Extrahieren des Korrekturfaktors (32) aus der Differenz (Δ(0)) und den Ergebnissen eines erweiterten Kalmanfilters.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Korrigierens der Position des globalen Positionierungssystems (20) ferner aufweist: Weiterleiten von Daten und Messungen über Zweiwegekommunikationsverbindungen (12).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens eines Korrekturfaktors (32) ferner aufweist: Übersetzen des Korrekturfaktors in GPS-Korrekturfaktoren.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, gekennzeichnet durch den Schritt: Verbessern der Genauigkeit des Kalibrierungsverfahrens durch Erhöhen der Frequenz der Zweiwege-Entfernungsmessungen (10).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, gekennzeichnet durch die Schritte: Senden des Korrekturfaktors (32) an eine Bodenstation (16); und Rundsenden des Korrekturfaktors (32) über ein vorbestimmtes Gebiet.
  9. System zum Kalibrieren eines globalen Positionierungssystems (20), wobei das System aufweist: ein Zweiwege-Entfernungsmesssystem (10); ein globales Positionierungssystem (20); gekennzeichnet durch Mittel zum Bestimmen eines Korrekturfaktors (32) als Differenz (Δ(0)) zwischen einer Zweiwege-Entfernungsmessung, die von dem Zweiwege-Entfernungsmesssystem (10) zu einem ersten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wurde, und einer ersten globalen Positionierungssystemmessung, die von dem globalen Positionierungssystem (20) zu dem ersten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wurde; und Mittel zum Gewinnen einer korrigierten globalen Positionierungssystemmessung (24), indem eine zweite globale Positionierungssystemmessung des Ziels (18) zu einem zweiten vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommen wird und die zweite globale Positionierungssystemmessung durch den Korrekturfaktor (32) eingestellt wird.
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