DE19731110A1

DE19731110A1 - Satelliten-Navigationsverfahren

Info

Publication number: DE19731110A1
Application number: DE1997131110
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Dr Ing Gu; Ansgar Leiprecht; Horst Dr Rer Nat Schmidt; Uwe Dr Ing Wacker
Original assignee: NFS NAVIGATIONS und FLUGFUEHRU; Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Honeywell GmbH
Priority date: 1997-07-19
Filing date: 1997-07-19
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2017-07-20
Also published as: DE19731110B4

Description

Die Erfindung geht aus von einem Satelliten-Navigationsver fahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Bestimmung der geographischen Position einer mobilen Station (Mobil station) mittels der sogenannten GPS-Navigation (Global Po sitioning System) Für eine Positionsbestimmung im dreidi mensionalen Raum(3D-Raum) werden die Satellitensignale von mindestens vier GPS-Satelliten benötigt. Eine solche 3D-Posi tionsbestimmung erfolgt mit einer Genauigkeit von ± 174 m (95%). Höhere Genauigkeiten, beispielsweise ± 1 m (95%) sind mit dem DGPS-Verfahren (Differential-GPS-Ver fahren) erreichbar. Dabei wird eine ortsfeste Referenz station, mit einem oder mehreren GPS-Empfängern verwen det, deren Antennenpositionen genau bekannt sind. In dieser Referenzstation werden ebenfalls die Satellitensignale aus gewertet, und zwar möglichst dieselben, die von der Mobil station verwendet werden, und daraus auch mittels der be kannten Position (der Referenzstation) mehrere Korrektur werte ermittelt. Diese werden der Mobilstation übermittelt, vorzugsweise über eine (Daten-)Funkstrecke. Mit diesen Kor rekturwerten kann dann in der Mobilstation deren Position genauer bestimmt werden.

Für einige Anwendungen, beispielsweise der Durchführung von vollautomatischen Landeanflügen von Verkehrsflugzeugen nach sogenannten CAT IIIb-Bedingungen, werden wesentlich höhere Genauigkeiten gefordert, beispielsweise ± 1,2 m (95%) für vertikale Abweichungen der Landeanflüge unter CAT III-Be dingungen (Null Sicht). Für derartige Genauigkeiten (Toleranzen) müssen genaue Korrekturwerte der Referenzsta tion entsprechend ermittelt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat tungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit welchem für eine vor gebbare ortsfeste Referenzstation mit mindestens einem ortsfesten GPS-Empfänger in zuverlässiger Weise hochgenaue Korrekturwerte, die für eine Satelliten-Navigation verwen det werden, ermittelt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel der eingangs erwähnten DGPS-Navigation näher erläutert. Bei der dafür nötigen Referenzstation (Bodenstation) mit mindestens einem ortsfesten GPS-Empfänger wird angenommen, daß mindestens ein sehr genau vermessener geodätischer Vermessungspunkt (Bezugspunkt) vorhanden ist. Dieser ist mit in der Geodäsie üblichen Verfahren vermessen worden, beispielsweise mit ei ner Genauigkeit von ± 1 cm für jede der drei räumlichen Ko ordinaten. Bezogen auf diesen Bezugspunkt, oder die Bezugs punkte, werden nun mindestens zwei GPS-Empfangsantennen ebenfalls hochgenau mit vorgebbarer Genauigkeit, beispiels weise ± 1 cm aufgestellt. Dabei haben die GPS-Empfangsan tennen voneinander eine vorgebbare Entfernung, die bei spielsweise in einem Bereich von 10 m bis 50 km liegt. Die Entfernung und/oder Position der GPS-Empfangsantennen ist für die erforderliche Genauigkeit mit einem derzeit übli chen Meßverfahren hochgenau bestimmbar. Jede der GPS-Emp fangsantennen wird derart ausgebildet und positioniert, daß zu jeder Tageszeit die Sendesignale von allen zu der Tages zeit verfügbaren GPS-Satelliten empfangen werden können. Derartige GPS-Empfangsantennen sind derzeit handelsüblich. An jede GPS-Empfangsantenne wird ein derzeit handelsübli cher GPS-Empfänger angeschlossen. In jedem GPS-Empfänger werden nun in derzeit üblicher Weise, die möglicherweise von dem Empfängertyp abhängt, für jeden verfügbaren GPS-Satel liten zeitlich fortlaufend oder zeitlich periodisch (in vorgebbaren Zeitabständen) die Meßgrößen

- Integrierte Doppler-Verschiebung aus Trägerphase; das ist die aus dem GPS-Phase-Signal eines bestimmten vor gebbaren GPS-Satelliten bestimmte Entfernungsänderung von diesem zu der GPS-Empfangsantenne eines vorgebbaren GPS-Empfängers der Referenzstation seit dem Meßbeginn und
- Pseudorange aus Code; das ist die aus dem zugehörigen Codesignal ermittelte Entfernung zwischen den GPS-Satel liten und der GPS-Empfangsantenne

ermittelt.

Bei der Satelliten-Navigation ergibt sich eine (dreidimen sionale) Position einer Empfangsantenne, die zu einer Mo bil- oder Referenzstation gehört, aus dem Schnittpunkt von mindestens vier Pseudorange-Messungen (Pseudo-Entfernungs- Messungen). Dabei wird die Pseudo-Entfernung (Pseudorange) von einer einzigen Empfangsantenne zu mindestens vier ver schiedenen GPS-Satelliten SV bestimmt.

Bei diesen Pseudorange-Messungen entstehen korrelierte Feh ler zwischen Empfängern, beispielsweise infolge einer Si gnallaufzeit-Änderung durch die Erdatmosphäre. Diese korre lierten Fehler werden in der nachfolgend beschriebenen Wei se ermittelt und daraus Korrekturen (Korrekturwerte) für die Mobilstation. Diese verwendet die Korrekturwerte bei der Bestimmung ihrer (3-D)Position und führt damit eine Korrektur der eigenen Entfernungsmessungen durch.

Es können jedoch auch unkorrelierte Fehler zwischen Empfän gern auftreten, beispielsweise infolge der verschiedenen Einflüsse der Mehrwegausbreitungen der Signale zwischen den Empfangsantennen der Mobilstation und der Referenzstation. Diese unkorrelierten Fehler sollen weitgehendst unterdrückt werden. Zur Verringerung der Einflüsse der unkorrelierten Fehler bei der Korrekturwertermittlung wird nun zeitlich fortlaufend oder zeitlich periodisch (in vorgebbaren Zeit abständen) für alle verfügbaren Empfänger der Referenzsta tion eine Pseudorange-Korrektur PR_Korr ermittelt gemäß der Iterations-Formel

PR_Korri = Fi (PR_Korrii, j) für alle i, j (1)

dabei bedeuten
i = Index des verwendeten GPS-Satelliten SV.
j = Index der verwendeten Empfangsantenne.
PR_Korri = Pseudorange-Korrektur für den i-ten GPS-Satel liten Sv_i.
F_i = statistische (Fehler-) Funktion für den GPS-Sa telliten Sv_i.

Die Funktion F_i bewirkt eine Art Mittelwertbildung aus den Pseudorange-Korrekturen der verschiedenen Empfänger der Re ferenzstation zu demselben Satelliten. Dafür sind unter schiedliche Funktionen aus der Statistik geeignet, bei spielsweise die nachfolgend genannten Funktionen F_i:

1. Bildung eines arithmetischen Mittelwertes gemäß der Formel:
dabei bedeuten
PR_Korrij = Pseudorange-Korrektur für einen vorgebbaren GPS-Satel liten Sv_i und eine vorgebbare Empfangsanten ne E_j der Referenzstation;
N = Anzahl der Empfangsantennen E_j, die zu der Refe renzstation gehören.
2. Bildung eines gewichteten Mittelwertes gemäß der Formel
dabei bedeutet zusätzlich
G_ij = einen vorgebbaren Gewichtsfaktor, der sich auf einen vorgebbaren GPS-Satelliten Sv_i und eine vorgebbare Empfangsantenne E_j bezieht.
3. Bildung eines Mittelwertes nach vorgebbaren Bedingungen gemäß der Formel
dabei bedeuten zusätzlich
M = Anzahl der verwendeten vorgebbaren Einzelkorrek turen,
G_ij = vorgebbarer Gewichtsfaktor,
Bed(j) = 1 oder 0,
Bed(j) = vorgebbare Bedingung für die Empfangsantenne E_j sowie den daran angeschlossenen zugehörigen Emp fänger.
Dabei kann Bed(j) beispielsweise erfüllt sein (dann gilt Bed(j) = 1) für
- - alle Meßwerte, für die ein ausreichendes(vorgebbares) Signal zu Rauschverhältnis (SNR) zur Verfügung steht,
- - alle Meßwerte, die in einem vorgebbaren vergangenen Zeitraum nicht gestört wurden,
- - alle Meßwerte mit dem jeweils optimalen Signal zu Rauschverhältnis (SNR).

Die genannten Funktionen F_i stellen also eine Art mittlere Pseuderange-Korrektur dar für einen vorgebbaren GPS-Satel liten Sv_i, welcher von allen oder einer vorgebbaren Anzahl der Empfangsantennen E_j einer Referenzstation empfangen wird.

Dabei richtet sich die Auswahl der Funktion F_i sowie die Anzahl der darin genannten Größen, beispielsweise der Ge wichtsfaktoren, nach unterschiedlichen Parametern, die bei spielsweise empirisch ermittelt werden. Diese Parameter sind beispielsweise von den Bedingungen der Mehrwegeein flüsse an verschiedenen Empfangsantennen abhängig.

Eine Mobilstation korrigiert eigene Entfernungsmessungen (zu den Satelliten) mittels der Pseudorange-Korrekturwerte, die von der Referenzstation übertragen werden, beispiels weise mittels der erwähnten (Daten-)Funkstrecke. Alternativ dazu ist es möglich, daß von der Referenzstation deren Roh messungen (Pseudoentfernungs- sowie Trägerphasenmessungen) an die Mobilstation übertragen werden. In der Mobilstation werden dann die Pseudorange-Korrekturwerte ermittelt durch einen Vergleich der Pseudo-Entfernungen (der Referenzstati on zu den Satelliten) mit den zugehörigen bekannten geome trischen Entfernungen der Referenzstation zu den Satelli ten.

Mit dem beschriebenen Verfahren werden in vorteilhafter Weise die unkorrelierten Fehler in den Pseudorange-Korrek turwerten um den Faktor √N verringert, bezogen auf die un korrelierten Fehler in derzeit üblichen Korrekturwerten bei der DGPS-Navigation, wobei N die Anzahl der Empfangsanten nen, die zu der Referenzstation gehören, bedeuten.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele be schränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar, bei spielsweise auf eine Satelliten-Navigation unter Verwendung sogenannter GLONASS-Satelliten. Weiterhin sind weitere An wendungen möglich, bei denen ebenfalls hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Genauigkeit gefordert werden, bei spielsweise bei einem automatisch durchgerührten Anlege manöver eines hochseetüchtigen Schiffes in einem Hafen.

Claims

1. Satelliten-Navigationsverfahren zur Bestimmung der Po sition einer Mobilstation, wobei

- in der Mobilstation die Signale von mehreren Satelliten empfangen und daraus Pseudorange-Korrekturwerte für die Satelliten ermittelt werden,
- mindestens eine Referenzstation mit bekannter Referenz- Position vorhanden ist,
- in der Referenzstation möglichst zeitgleich die Signale derselben Satelliten, welche die Mobilstation verwen det, empfangen und mittels der Referenz-Position ausge wertet werden, so daß Entfernungs-Korrekturwerte ent stehen,
- die Entfernungs-Korrekturwerte oder alternativ rohe Meßdaten (Pseudorange sowie Trägerphasen) der Mobilsta tion übermittelt werden, und
- die Pseudo-Entfernungen der Mobilstation mittels der Entfernungs-Korrekturwerte korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet,
- daß im Bereich der Referenzstation mindestens zwei (Sa telliten-)Empfangsantennen auf vorgebbaren geographi schen Positionen angeordnet werden,
- daß jede Empfangsantenne mit einem Empfänger verbunden wird,
- daß durch Messungen der Signallaufzeiten und Trägerpha sen der Satelliten die Pseudo-Entfernungen von den emp fangenen Satelliten zu jeder Empfangsantenne ermittelt werden,
- daß zumindest für eine vorgebbare Auswahl der Empfangs antennen der Referenzstation sowie für eine vorgebbare Auswahl der am Ort der Referenzstation empfangbaren Sa telliten für die Referenzstation eine Pseudorange-Kor rektur (PR_Korri) ermittelt wird gemäß der Formel:
PR_Korri = F_i(PR_Korrii, j), wobei
F_i = eine vorgebbare statistische Funktion,
i = einen vorgebbaren Satelliten Sv_i kennzeichnenden (Satelliten-)Index,
j = eine vorgebbare Empfangsantenne E_j kennzeichnenden (Empfänger-)Indes sowie
PR_Korrii, j eine von i, j abhängige Pseudorange-Korrek tur bedeuten,
- daß mittels der bekannten, ortsfesten Referenzstation und den mittels Bahnparametern errechneten Satelliten positionen die geometrischen Entfernungen von den Sa telliten zu jeder Empfangsantenne ermittelt werden,
- daß aus dem Vergleich der Pseudo-Entfernungen mit den bekannten geometrischen Entfernungen eine Entfernungs- Korrektur ermittelt wird,
- daß in der Mobilstation eigene Pseudo-Entfernungsmes jungen mittels der Entfernungs-Korrekturen, die von der Referenzstation übertragen werden, korrigiert werden oder daß alternativ in der Mobilstation aus den von der Referenzstation übertragenen Rohmessungen (Pseudoent fernungen sowie Trägerphasen) die Entfernungs-Korrektu ren ermittelt werden durch einen Vergleich der Pseudo- Entfernungen der Referenzstation mit den zugehörigen bekannten geometrischen Entfernungen der Referenzstati on zu den Satelliten und
- daß für die Funktion F_i eine Mittelwertsbildung gewählt wird.

2. Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß für die Funktion F_i ein arithma tischer Mittelwert gewählt wird gemäß der Formel
wobei
PR_Korrij eine von den Indices i, j abhängige korri gierte Pseudo-Entfernung und
N eine vorgebbare Anzahl von Empfangsantennen E_j im Bereich der Referenzstation bedeuten.

3. Satelliten-Navigationsverfahren nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß für die Funktion F_i ein gewichte ter Mittelwert gewählt wird gemäß der Formel
wobei
G_ij einen von den Indices i, j abhängigen vorgegebe nen Gewichtsfaktor
bedeutet.

4. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Funk tion F_i vorgebbare Bedingungen Bed(j) verwendet werden ge mäß der Formel
wobei
G_ij einen von den Indices i, j abhängigen vorgebbaren Gewichtsfaktor,
N eine vorgebbare Anzahl von vorgebbaren Einzel korrekturen und
Bed(j) vorgebbare Bedingungen
bedeuten.

5. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche zur Verwendung als Landehilfe für ein Flugzeug, in welchem die Mobilstation angeordnet wird.

6. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Refe renzstation im Nahbereich einer Landebahn angeordnet wird.

7. Satelliten-Navigationsverfahren nach einem der Ansprü che 1 bis 4 zur Verwendung als Anlegehilfe für ein Seefahr zeug, in welchem die Mobilstation angeordnet wird.