Fahrzeug-System sowie erdfestes Empfangseinrichtungs-System
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-System sowie ein erdfestes Empfangseinrichtungs-System zur Steuerung von Betriebszuständen eines Fahrzeug-Systems oder eines Fahrzeugs auf der Basis von Satelliten-Signalen unter Verwendung einer Schätzung des Fehlers von empfangenen Satelliten-Signalen.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur Bestimmung der Integrität von Positions-Lösungen, die von Satelliten-Signalen abgeleitet sind, bekannt. Dabei wird davon ausgegangen, dass alle Satellitensignale, die vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System nicht als fehlerhaft erkannt sind, nach Anwendung der vom einem optionalen Bodensystem bereitgestellten Korrekturen zu den Satellitendaten, durch eine Fehlerverteilung beschrieben werden können, die als Erwartungswert Null haben und durch eine Standardabweichung beschrieben werden können.
Aus der EP 04 022 307.5 ist ein derartiges System bekannt, bei dem davon ausgegangen wird, daß es eine Vielzahl von Satelliten-Signalen gibt, die für die diese
Annahme zutrifft, dass es aber für jedes Fahrzeug-System ein Satellitensignal mit den assoziierten Daten gibt, für welches diese Annahme nicht zutrifft. Für dieses
Satelliten-Signal und die assoziierten Daten wird nun angenommen, dass der
Erwartungswert der Verteilung des Fehlers, der für den Satelliten von erdfesten Empfangseinrichtungs-System für diesen Satelliten verbreitete Schwell-Wert ist, und die Varianz des Fehlers die vom Empfangseinrichtungs-System verbreitete Varianz der Fehler-Schätzung ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein System bereitzustellen, mit dem eine Bestimmung der Integrität von Positions-Lösungen, die von Satelliten-Signalen abgeleitet sind, mit höherer Zuverlässigkeit und kleineren Alarm-Schranken möglich ist.
Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeug-System eines Fahrzeugs mit einem Positionsermittlungs-Modu! zur Ermittlung der Position des Fahrzeugs unter Verwendung einer Schätzung des Fehlers der empfangenen Satelliten-Signalen vorgesehen, die von einem erdfesten Empfangseinrichtungs-System empfangen werden, und mit einem Integritäts-Modul zur Bestimmung eines Integritäts-Risikos für die Positions-Daten eines Fahrzeugs ermittelt wird, das aus mittels eines Satelliten- Navigationssystems vorgenommenen Zeit-Bestimmungen abgeleitet wird, wobei bei Überschreiten eines Schwellwertes für das Integritäts-Risiko für die Positions-Daten das Fahrzeug-System ein Warn-Signal erzeugt, das die Verwendung der Positions- Daten des Fahrzeugs durch an das Fahrzeug-System angeschlossene Module verhindern soll, wobei die Ermittlung des Integritäts-Risikos aufgrund der Verwendung eines Schatz-Wertes für den Fehler für das empfangene Satelliten-Signal erfolgt,
- wobei nur Satellitensignale und Satteliten-Daten und optional Korreturdaten- Daten verwendet werden, die in ihrer Gesamtheit nicht vom erdfesten Empfangs-Einrichtungssystem als fehlerhaft zum Fahrzeug-System kommuniziert sind,
- wobei dieser Schätz-Wert betragsmäßig gleichgesetzt dem empfangenen Schwellwert,
wobei optional die Vorzeichen dieser Schätzwerte so gewält werden, dass das Integritätsrisoko maximiert wird, und
wobei die Genauigkeit dieses Schätzwertes gleichgesetzt wird der vom Empfangseinrichtungs-System an das Fahrzeug-System übermittelten Abweichungs-Genauigkeit.
Weiterhin ist nach der Erfindung ein mit einer Mehrzahl von Satelliten im Funktionsaustausch stehendes Empfangseinrichtungs-System zur Ermittlung und
Übertragung von Daten an ein Fahrzeug-System mit einem Positionsermittlungs- Modul zur Ermittlung der Position des Fahrzeugs und einem Integritäts-Modul zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit, dass der Positionsfehler größer als eine Alarm- Schwelle ist, vorgesehen, wobei das Empfangseinrichtungs-System ermittelt:
die Position und die aktuelle Uhrzeit des sendenden Satelliten ,
die Abweichung zwischen der für den jeweiligen Zeitpunkt vorhergesagten Satelliten-Position und Satelliten-Uhrzeit und der geschätzten Satelliten-Position und Satelliten-Uhrzeit, sowie
die Abweichung zwischen der nominellen Signal-Ausbreitung vom Satelliten zum Fahrzeug und der geschätzten tatsächlichen Signal-Ausbreitung vom Satelliten zum Fahrzeug,
die Abweichungs-Genauigkeit, d.h. die Genauigkeit, mit der diese Abweichung ermittelt wird,
einen Schwel I-Wert (threshold), ab dem das Empfangseinrichtungs-System das jeweils von diesem empfangene Satelliten-Signal als fehlerhaft gekennzeichnet wird,
die Information darüber, welcher Satellit vom Empfangseinrichtungs-System als fehlerhaft erkannt sind,
wobei das Empfangseinrichtungs-System als Eingangs-Daten für das Fahrzeug- System übermittelt:
die Genauigkeit der Fehler-Schätzung,
die Information darüber, welche Satelliten vom Empfangseinrichtungs-System als fehlerhaft erkannt sind,
wobei das Empfangseinrichtungs-System als Eingangs-Daten für das Fahrzeug- System zusätzlich einen Schwell-Wert (threshold), ab dem das Empfangseinrichtungs-System das jeweils von diesem empfangene Satelliten-Signal als fehlerhaft gekennzeichnet wird, übermittelt.
Diese Erfindung wird an Hand der beiliegenden Figur 1 beschrieben, die schematisch das Zusammenwirken von Satelliten, von Boden-Systemen und einem Fahrzeug mit einem Fahrzeug-System, in dem eine solche Positions-Ermittlung erfolgt, zeigt.
In dem Fahrzeug-System 21 wird in einem Integritäts-Modul 22 ein Integritäts-Risiko für die Positions-Daten eines Fahrzeugs 20 ermittelt, die aus mittels eines Satelliten- Navigationssystems vorgenommenen Zeit-Bestimmungen abgeleitet werden. Das Integritätsrisiko wird aus vom Satelliten-Navigationssystem, von einem optionalen erdfesten Vorhersage-System und vom erdfesten .Empfangseinrichtungs-System bereitgestellten Informationen für eine vorbestimmte Alarm-Schranke ermittelt. Wenn das Integritäts-Risiko für die Positions-Daten an der Alarm-Schranke einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, erzeugt das Fahrzeug-System in einem Wam-Modul 24 ein Warn-Signal, bei dem die Positions-Daten eines Fahrzeugs von dem Fahrzeug-System oder von einem an diesem angekoppelten System nicht verwendet werden sollen.
Vorzugsweise liefert das Fahrzeug-System 21 ein Signal, das die Funktionsfähigkeit des Fahrzeug-Systems 21 signalisiert, so dass in bevorzugten Anwendungsfällen das Fehlen eines Wam-Signals erst in Verbindung mit dem Signal einer positiven Funktionsweise verwendet wird, um somit das Fehlen des Wam-Signals bei einer fehlerhaften Funktionsweise nicht fälschlich als geringes Integritäts-Risiko zu bewerten oder zu verwenden.
Das angekoppelte Modul kann eine Anzeige-Einrichtung zur Führung des Fahrzeugs sein, mit der die Integrität der Positions-Daten oder von Modulen, die die Positions- Daten verwenden, angezeigt wird. Auch kann das angeschlossene Modul Funktionsbestandteil eines Steuerungs-Systems des Fahrzeugs sein, um die Steuerung des Fahrzeugs, z.B. einen Autopiloten eines Flugzeugs, beeinflussen. Weiterhin kann das angeschlossene Modul zu einem Steuerungs-System gehören, mit dem der Betriebszustand des Steuerungs-Systems zu beeinflussbar ist, z.B. um eine Betriebsart zu ändern. Beispielsweise kann in einem Flugzeug ein solches Modul vorgesehen sein, mit dem der Übergang zwischen verschiedenen Kategorien, wie z.B. Lande kategorien oder Sicherheits-Stufen vorgenommen werden können.
Der vorbestimmte Schwellwert für das Integritäts-Risiko wie auch die Alarm-Schranke (alert limit) kann im Fahrzeug fest eingespeichert oder vorgegeben sein. Alternativ kann im Fahrzeug-System eine Funktion implementiert sein, miT der dieser Schwellwert vom Fahrzeug-System in Abhängigkeit von der Einsatz-Situation des Fahrzeugs oder der Betriebsart des Fahrzeug-Systems ermittelt werden kann.
Die Positions-Bestimmung in einem Positionsermittlungs-Modul 23 im Fahrzeug- System 21 erfolgt
mit Hilfe von Satelliten-Signalen RS,
mit Hilfe von Satelliten-Daten SD, die von den Satelliten zum Fahrzeug-System übermittelt werden und
optional mit Hilfe von Korrektur-Daten KD, die von einem erdfesten Vorhersage- System 30 an das Fahrzeug-System übermittelt werden.
Die Satelliten-Signale sind Zeit-Marken und Strukturen, d.h. sich wiederholende Modulationen auf dem Signal, mit denen die Identifikation des jeweils sendenden Satelliten möglich ist.
Die Satelliten-Daten sind die Vorhersagen der Positionen des Satelliten, die Abweichung der Uhrzeit des jeweiligen Satelliten von der System-Uhrzeit und die Parameter für das Signal-Ausbreitungsmodell, die der jeweilige Satellit für seinen eigenen Zustand übermittelt.
Die Positions-Bestimmung im Fahrzeug-System 21 erfolgt aus Messungen der Laufzeiten der von den Satelliten abgesetzten Satelliten-Signale sowie aufgrund der Satelliten-Daten und optional der Korrektur-Daten, die das Fahrzeug-System vom Satelliten bzw. von dem Vorhersage-System erhält.
Auch wird im Fahrzeug-System 21 im Integritäts-Modul berechnet, wie zuverlässig die Positionsdaten sind.
Mindestens vier Satelliten S1, S2, S3, S4 senden hierzu Satelliten-Signale RS1 , RS2, RS3, RS4 in das Betriebsgebiet eines Empfangseinrichtungs-Systems 10. Ein Betriebsgebiet des Empfangseinrichtungs-Systems 10 wird aus zumindest drei zu einer Zeit aktiven, d.h. empfangsbereiten und miteinander in Daten-Austausch stehenden Empfangseinrichtungs-Einheiten 11 , 12, 13, 14 gebildet. Im normalen Anwendungsfall werden für ein Betriebsgebiet von der Größe Bayerns zwischen 50 und 80 Empfangseinrichtungs-Einheiten aktiv, d.h. empfangend gehalten. Das Empfangseinrichtungs-System 10 ist dazu vorgesehen, Abweichungen der Satelliten- Signale von denjenigen Signalen, die mittels der Satelliten-Daten bzw. Korrektur- Daten des Vorhersage-Systems beschrieben werden, festzustellen und davon abgeleitete Informationen an das Fahrzeug-System zu übermitteln.
Das Fahrzeug-System 20 muß sich im Betriebsgebiet des Empfangseinrichtungs- Systems befinden und Satelliten-Signale von mindestens vier Satelliten empfangen. Zusätzliche Daten, die zur Korrektur der Satelliten-Signale anzuwenden sind, werden von einem Vorhersage-System 30 bereitgestellt.
Es ist optional möglich, über das erdfeste Vorhersage-System 30 Vorhersagen über Korrekturen zu den Satelliten-Daten an das Fahrzeugsystem zu übertragen. Dazu empfängt das Vorhersage-System 30 Satelliten-Signale und Satelliten-Daten, die in Bezugnahme auf den jeweiligen Satelliten in der Figuri mit dem Bezugszeichen SD1, SD2, SD3 und SD4 versehen sind. Das Vorhersage-System 30 ist in üblichen Anwendungsfällen aus mehreren erdfesten Einheiten 11 , 12, 13, 14 gebildet und kann ein von dem Empfangseinrichtungs-System 20 funktional unabhängiges System oder ein mit dem Empfangseinrichtungs-System 20 oder mit Einheiten desselben gekoppelt oder identisch sein.
Die vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System bereitgestellten Daten werden verwendet, um im Fahrzeug-System die Wahrscheinlichkeit auszurechnen, mit der der Positionsfehler bei Verwendung von Satellitensignalen, die vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System als verwendbar markiert sind, größer als die Alarmschranke ist. Ist diese Wahrscheinlichkeit größer als der Schwellwert so wird das oben beschriebe Warnsignal erzeugt.
Zur Ermittlung der Information zur Berechnung des Integritäts-Risikos für die Positions-Daten eines Fahrzeugs weist das Empfangseinrichtungs-System mehrere Module auf, die in Datenverbindung miteinander stehen. Diese ermitteln im Zusammenwirken, d.h. aufgrund der Messung von Satelliten-Signalen, der Erfassung von Satelliten-Daten und der Erfassung von Daten, die optionale erdfestes Vorhersage-Systeme 30 zum Fahrzeug-System übertragen, sowie eines entsprechenden Daten-Austausches dieser Messwerte
die aktuelle Satelliten-Position und die aktuelle Satelliten-Uhrzeit,
die Abweichung zwischen der für den jeweiligen Zeitpunkt vorhergesagten Satelliten-Position und Satelliten-Uhrzeit und der geschätzten Satelliten-Position und Satelliten-Uhrzeit, sowie
die Abweichung zwischen der nominellen Signal-Ausbreitung vom Satelliten zum Fahrzeug und der geschätzten tatsächlichen Signal-Ausbreitung vom Satelliten zum Fahrzeug,
- die Abweichungs-Genauigkeit, d.h. die Genauigkeit, mit der diese Abweichung ermittelt wird,
einen Schwell-Wert (threshold), ab dem das Empfangseinrichtungs-System das jeweils von diesem empfangene Satelliten-Signal als fehlerhaft gekennzeichnet wird,
die Information darüber, welcher Satellit vom Empfangseinrichtungs-System als fehlerhaft erkannt sind.
Diese Größen werden durch einen entsprechenden Datenaustausch zwischen den Modulen des Empfangseinrichtungs-Systems für jeden Satelliten gesondert ermittelt.
Das Empfangseinrichtungs-System ermittelt den Schweli-Wert (threshold)
- um festzulegen, in welcher Situation ein sendender Satellit als fehlerhaft angesehen wird und um die entsprechenden an das Fahrzeug-System übermittelten Satelliten-Signale als fehlerhaft zu kennzeichnen,
erfindungsgemäß zusätzlich um diesen Schwellwert dem Fahrzeug-System zur Ermittlung der Integrität zur Verfügung zu stellen.
Der Schwell-Wert kann erfindungsgemäß Satelliten-spezifisch ermittelt werden. Bei der Ermittlung des Schwell-Werts kann erfindungsgemäß optional die Variabilität der Satellitensignalausbereitung mit berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung dieser Variabilität erfolgt transparent für das Fahrzeug-System.
Die nominelle Signal-Ausbreitung ist eine Referenz-Größe, die mittels eines Standard- Modells beschrieben wird. Das Standard-Modell ist im Fahrzeug-System implementiert, wobei die jeweils aktuellen Parameter des Standard-Modells von den Satelliten bzw. vom Empfangseinrichtungs-System an die Fahrzeug-Systeme übermittelt werden kann. Als Parameter kann z.B. die Jahreszeit, der atmosphärische Größen wie der Luftdruck, die Luft-Feuchtigkeit oder die Temperatur oder die Elektronen-Konzentration in der in einem vorgegebenen Höhrenbereich verwendet werden. Diese Parameter können auch Höhen-abhängig oder auch räumlich parametrisiert sein.
Das Empfangseinrichtungs-System 10 stellt erfindungsgemäß als Eingangs-Daten für das Fahrzeug-System
die Genauigkeit der Fehler-Schätzung,
einen Schwell-Wert (threshold), ab dem das Empfangseinrichtungs-System das jeweils von diesem empfangene Satelliten-Signal als fehlerhaft gekennzeichnet wird,
- die Information darüber, welche Satelliten vom Empfangseinrichtungs-System als fehlerhaft erkannt sind,
zur Verfügung. Der Schwell-Wert kann für jeden Satelliten unterschiedlich und zeitabhängig von von externen Paramtern wie der Beobachtbarkeit des Satelliten abhängig sein.
Das Fahrzeug-System wertet in einem Integritäts-Modul für die spezielle Benutzeroder Fahrzeug-Situation aus diesen Daten das Integritäts-Risiko aus. Dabei werden nur Satelliten-Signale verwendet, die vom Empfangseinrichtungs-System nicht als fehlerhaft erkannt worden sind.
Die Wahrscheinlichkeit großer durch das Fahrzeug-System unerkannter Positions- Fehler des Fahrzeugs sinkt,
je mehr Messungen dem Fahrzeug-System zu Verfügung stehen und
je genauer diese Messungen des Fahrzeug-Systems sind,
je geringer die Fehler der Satelliten-Navigationssystem bereitgestellten Daten und
je genauer die vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System bereitgestellten Daten sind,
je genauer die vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System bereitgestellten Daten sind.
Erfindungsgemäß wird erfolgt die Ermittlung des Integritäts-Risikos aufgrund der Verwendung eines Schatz-Wertes für den Fehler für das empfangene Satelliten- Signal, wobei dieser Schätz-Wert betragsmäßig gleichgesetzt dem empfangenen Schwellwert. Die Genauigkeit dieses Schätzwertes wird gleichgesetzt der vom Empfangseinrichtungs-System an das Fahrzeug-System übermittelten Abweichungs- Genauigkeit.
Dazu ist im Fahrzeug-System ein Satellitennavigations-M odul zur Bestimmung der Position des Fahrzeugs sowie ein Integritäts-Modul mit folgenden Funktionen implementiert:
eine Empfangsfunktion zum Empfang der Daten des erdfesten Empfangseinrichtungs-Systems, die für das Fahrzeug-System bestimmt sind,
ein Kontroll-Modul zur Überprüfung dieser Daten auf Vollständigkeit und in vorgegebenen Gre nzen unveränderten Empfang,
ein Berechnungs-Modul zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, mit der der Positionsfehler der vom Fahrzeug-Sytem ermittelten Positions-Lösung größer als die Alarmschanke ist,
ein Warn-Modul zur Erzeugung einer Warnung an angekoppelte Systeme und zusätzlich oder alternativ eines Signals an ein angekoppeltes System, dass die Positionsdaten nicht verwendet werden sollen.
Die Berechnung der Wahrscheinlichkeit setzt voraus, das vorher im Fahrzeug-System die Position des Fahrzeug-Systems und die Positionen der jeweils empfangenen Satelliten von einem Positionsermilttungs-Modul 22 des Fahrzeug-Systems F berechnet worden sind, und nur Satelliten-Signale verwendet werden, die vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System nicht als fehlerhaft befunden und an das Fahrzeug-System kommuniziert wurden.
Erfindungsgemäß wird bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeit angenommen, dass die Fehlerverteiiung aller Satelliten-Signale nach der Anwendung der Satelliten- Daten und der vom optionalen Vorhersage -System bereitgestellten Daten alle jeweils einen Erwartungswert haben, dessen absoluter Betrag dem vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System für das jeweilige Satelliten-Signal verbreiteten Schwell- Wert entspricht. Vorzugsweise wird die Fehlerverteilung von einer Normalverteilung mit der Varianz, die der Varianz der Fehler-Schätzung für das jeweilige Satellitensignai, die vom Empfangseinrichtungs-System verbreitete wird, entspricht, over-bounded.
Die im Integritäts-Modul vorgenommene Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass der Positionsfehler größer als die Alarm-Schanke ist, kann zum Beispiel nach den folgenden Formel erfolgen:
wobei HAL die horizontale Alarmschranke ist, und χ2 2 ,δ cdf(x) die kumulative nichtzentrale χ2 - Verteilung vom Grade 2 mit Nichtzentralitätsparameter δ ist. δu,H berechnet sich wie folgt,
wobei
und
Diese Variablen berechnen sich wiederum aus
Dabei berechnet sich C
tropo als
(1.6)
mit
(1.7) und
die Matrix bestehende aus den Einheitsvektoren an der geschätzen Positions des Fahrzeug-Systems in Nord, Ost und Zenitrichtung ist.
Die Matrix P berechnet sich als die Inverse der Matrix
wobei σ
2 u,RX ,l die Vorhersage der Standardabweichung der Normalverteilung ist, die den Fehler der aus dem Satelliten-Signal, den Satellitendaten und den Daten des Bodensystems für das Signal von Satellit i over-bounded, und H
die Designmatrix der Positionslösung ist, wobei xs,i , ys,i und zs,i die Koordinaten des Satelliten i sind, und xr , yr und zr die Koordinaten des Fahrzeug-Systems sind. Ri,0 ist der geometrische Abstand zwischen Satellit und Position des Fahrzeug- Systems.
Der Vektor b
wird so bestimmt, dass unter der Bedingung
maximal wird.
Dabei sind die TH i die Schwellwerte, die vom erdfesten Empfangseinrichtungs- System für den Satelliten i an das Fahrzeug-System übertragen werden. Die σmon,i sind die Standardabweichungen, die für die Fehlerschätzung der Fehler von Satellit i vom erdfesten Empfangseinrichtungs-System für den Satelliten i an das Fahrzeug-System übertragen werden. Die δ u,L,i sind eine Abschätzung für den lokalen Messfehler und den lokalen Multipath am Fahrzeug-System.