DE19643675A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur auf Satellitenfunk gestützten Zeit- und/oder Ortsbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur auf Funk gestützten Zeit- und/oder Ortsbestimmung. Bei der auf Funk gestützten Zeit- und/oder Ortsbestimmung werden die Position und/oder die Zeit unter Verwendung von Vermessungs­ signalen zwischen einem Terminal und mehreren Funkfeuern bestimmt.

Wenn hierfür Satellitenfunk verwendet wird, sind die Leucht­ feuer Satelliten, die sich in einer Umlaufbahn befinden.

Im folgenden wird der Kürze halber der Begriff "Bestimmung" anstelle von "auf Satellitenfunk gestützte Zeit- und/oder Ortsbestimmung" verwendet. Z. B. ist ein "Bestimmungssystem" demgemäß ein "auf Satellitenfunk gestütztes Zeit- und/oder Ortsbestimmungssystem".

Derzeit existieren zwei globale Bestimmungssysteme. Das GPS- NAVSTAR-System umfaßt eine Konstellation von Satelliten mit Unilaufbahnen von zwölf Stunden die vom und für das US-Ver­ teidigungsministerium betrieben werden. Das GLONASS-Positio­ nierungssystem sorgt für ähnliche Maßnahmen unter Kontrolle durch die russische Regierung (und wird hier nicht weiter erörtert).

Beim GPS/NAVSTAR-System enthält jeder Satellit eine hochge­ naue Atomuhr, und die Uhren aller Satelliten sind synchroni­ siert. Die Umlaufbahnen aller Satelliten sind gut gekenn­ zeichnet, und jeder Satellit kann daher seine momentane Po­ sition herleiten. Die Satelliten empfangen von einer Boden­ station periodisch Information zu Schwankungen ihrer Umlauf­ bahn. Die Satelliten senden regelmäßige Mitteilungen, die folgendes enthalten:

• 1. die Zeit, wie durch die an Bord befindliche Atomuhr ange­ geben;
• 2. die Position des Satelliten und
• 3. Statusmitteilungen.

Details des GPS-Signalformats finden sich in der zweiten Ausgabe von "Global Positioning System Standard Position Service Signal Specification" 2. Ausgabe vom 2. Juni 1995.

Ein sich auf der Erde befindender GPS-Empfänger kann Signale von mehreren Satelliten empfangen. Die Konstellation ist so konzipiert, daß für beinahe jeden Punkt auf der Erde zu beinahe jeder Tageszeit mindestens vier Satelliten gleich­ zeitig sichtbar sind. Durch Notieren der verschiedenen Ein­ treffzeitpunkte von Signalen von verschiedenen Satelliten kann der GPS-Empfänger unter Verwendung der empfangenen Uhr­ zeitdaten und unter Kenntnis der Satellitenpositionen (mit den Signalen übertragen) den Relativbereich gegenüber jedem Satelliten berechnen, und auf diesen vier so berechneten Re­ lativbereichen kann er seine Position dreidimensional be­ rechnen und seine Uhr kalibrieren.

Änderungen von Verzögerungen bei den Laufzeiten, wie durch Schwankungen in der Ionosphäre hervorgerufen, können die Genauigkeit der Bestimmungsmessungen beeinträchtigen, und demgemäß sendet, um eine gewisse Kompensation hierfür zu er­ möglichen, jeder Satellit in zwei Frequenzen (als L1 und L2 bezeichnet). Ein militärischer GPS-Empfänger kann durch Mes­ sen auf den zwei Frequenzen die Ionosphärenverzögerung ab­ schätzen und korrigieren, da die Ionosphärenverzögerung ab­ hängig von der Frequenz variiert.

Obwohl das GPS/Navstar-System hauptsächlich für militärische Verwendung vorgesehen ist, stehen Empfänger in weitem Umfang für zivile Zwecke zur Verfügung. Jedoch können Empfänger für zivile Zwecke den "P-Code" nicht decodieren, mit dem Infor­ mationssignale in der ersten und zweiten Frequenz verschlüs­ selt sind, und demgemäß können sie keine auf zwei Frequenzen beruhende Ionosphärenkompensation ausführen. Auch führt, um die Genauigkeit des Dienstes für nichtmilitärische Benutzer zu begrenzen, das Merkmal der sogenannten "selektiven Ver­ fügbarkeit" absichtlich kleinere Fehler hinsichtlich der Zeit und/oder der Position in die im "C/A-Code" codierten Informationssignale ein, die nur mit der Frequenz L1 von verschiedenen Satelliten gesendet werden. Militärische Emp­ fänger können Signale ohne diese absichtlichen Fehler deco­ dieren.

Eine Bodenstation mit genau bekannter Position kann ermit­ teln, für welche Satelliten Fehler in welchem Umfang vorlie­ gen, und es ist bekannt, ein Signal zu senden, das angibt, welche Satelliten Fehler aufweisen, sowie ein Signal, das das Ausmaß einer Korrektur angibt, die beim Empfang durch GPS-Empfänger vorzunehmen ist, damit sie Fehler kompensieren können, wie sie aus einer Messung auf einer einzelnen Fre­ quenz herrühren, wodurch sie ein zuverlässiges Positionssig­ nal herleiten können. Das Senden derartiger Signale über einen geostationären Satelliten ist z. B. im US-Patent 4,445,110 angegeben.

Während die zu verwendende Korrektur durch eine Bezugsboden­ station mit bekannter Position genau berechnet werden kann, wird diese Korrektur fortschreitend weniger genau, je weiter entfernt eine Position von der Bezugsbodenstation liegt, was auf Differenzen in der Ionosphäre (und anderen Schichten der Atmosphäre, wie der Troposphäre) beruht. Demgemäß ist der Nutzen derartiger "differentieller GPS-Techniken" be­ schränkt.

Anstatt einen GPS-Empfänger bereitzustellen, der so arbei­ tet, daß er auf zwei Frequenzen empfängt, um Ionosphären­ schwankungen zu kompensieren, oder einen solchen, der eine Differenz-GPS-Korrektur erfährt, ist es möglich, ein Signal zu senden, das einige Daten zum Ionosphärenzustand enthält. In den letzten Jahren wurde die Möglichkeit eines Differenz­ systems für ein weites Gebiet erörtert. Ein Beispiel ist das von der Flugbundesbehörde der USA vorgeschlagene WAAS (Wide Area Augmentation System = Verbesserungssystem für ein wei­ tes Gebiet) -System, das für Differenzkorrekturinformation über den USA sorgen soll. Bei einem derartigen System für ein weites Gebiet werden Ionosphärenkorrekturdaten für ein Gitter beabstandeter Punkte in einem Gebiet (z. B. Europa oder USA) über einen dieses Gebiet bedienenden geostationä­ ren Satelliten gesendet, und im Empfänger wird eine Interpo­ lation zwischen Gitterpunkten ausgeführt, um einen Wert für die Ionosphärenverzögerungskorrektur herzuleiten, wie sie an einem Einzelfrequenzsignal von jedem sichtbaren GPS-Satelliten auszuführen ist. Auch werden Korrekturdaten zum Kompen­ sieren von Fehlern hinsichtlich "selektiver Verfügbarkeit" gesendet. Das Dokument US-A-5,323,322 beschreibt ein Bestim­ mungssystem, bei dem Ionosphärendaten gesendet werden.

In den Veröffentlichungen "Evolution to civil GNSS taking advantage of geostationary satellites", ION 49th Annual Meeting, Juni 1993, "Implementation of the GNSS integrity channel and future GNSS growth considerations", INA 18th Annual Meeting, Oktober 1993 und "Global Navigation Satel­ lite System (GNSS) Alternatives for Future Civil Require­ ments", PLANS ′94 Technical Program, April 1994, die alle von J.R. Nagle, G.V. Kinal und A.J. Van Dierendonck stammen, wurde es vorgeschlagen, das GPS-NAVSTAR-System durch zusätz­ liche Zivilsatelliten in niedrigen, mittleren oder geosta­ tionären Umlaufbahnen zu ergänzen.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Bestimmungs­ empfänger geschaffen, der ein Mehrfrequenz-Vermessungssignal und ein Einzelfrequenz-Vermessungssignal empfängt, aus dem Mehrfreguenz-Vermessungssignal durch Messen der Relativver­ zögerung zwischen den verschiedenen Frequenzen, in denen das Mehrfrequenz-Vermessungssignal gesendet wird, einen Iono­ sphärenverzögerungswert herleitet, und der für das weitere Vermessungssignal auf Grundlage des gemessenen Ionosphären­ verzögerungswerts aus dem Mehrfrequenz-Vermessungssignal einen Verzögerungswert abschätzt.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Satellitennutzlast geschaffen, die in einem von zwei Modi betreibbar ist. Im ersten Modus erzeugt die Satellitennutz­ last selbständige Vermessungssignale, die keine von einer Bodenstation empfangene Verbesserungsdaten enthalten. Im zweiten Modus leitet der Satellit zusätzlich von der Boden­ station empfangene Verbesserungsdaten weiter.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Satellitennutzlast geschaffen, die ein selbständiges Vermes­ sungssignal erzeugen kann und von einer Bodenstation empfan­ gene Daten senden kann. Wenn von der Bodenstation keine Da­ ten empfangen werden, erzeugt die Satellitennutzlast Attrap­ pendaten für den Sendevorgang, um den Sendekanal offenzuhal­ ten.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Vorrichtung für Verbindung an einen Satellitenzugriffsknoten geschaffen, die so ausgebildet ist, daß sie Verbesserungs­ daten empfängt, um die Position eines Satelliten zu ermit­ teln, auf den der Satellitenzugriffsknoten Zugriff hat, um zu ermitteln, ob die Position des Satelliten in einen vorbe­ stimmten Bereich, abhängig von der Quelle der Verbesserungs­ daten, fällt, und um Verbesserungsdaten an den Satelliten­ zugriffsknoten auszugeben, wenn die Position des Satelliten in den vorbestimmten Bereich fällt.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Sa­ tellitennavigationsempfänger geschaffen, der Ionosphärenver­ zögerungsdaten empfangen kann, jedoch diese Ionosphärenver­ zögerungsdaten beim Ausführen einer Bestimmung nur dann nut­ zen kann, wenn Zugriff auf die Ionosphärenverzögerungsdaten freigegeben ist, z. B. mittels eines Codes zum Entschlüsseln der Ionosphärenverzögerungsdaten.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Liefern von Verbesserungsdaten an einen Sa­ tellitenzugriffsknoten geschaffen, der so ausgebildet ist, daß er Ionosphärenverzögerungsdaten verschlüsselt, ohne Differenzkorrekturdaten zu verschlüsseln, die die Ionosphä­ renverzögerung nicht betreffen, und der die verschlüsselten Ionosphärenverzögerungsdaten und die unverschlüsselten Dif­ ferenzkorrekturdaten an den Satellitenzugriffsknoten aus­ gibt.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Sa­ tellitennavigationsempfänger geschaffen, der so ausgebildet ist, daß er Ionosphärenverzögerungsdaten und Restfehlerda­ ten empfängt und die Ionosphärenverzögerungsdaten unter Ver­ wendung der Restfehlerdaten korrigiert.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Dif­ ferenzkorrekturnetzwerk geschaffen, das Ionosphärenverzöge­ rungsdaten von einem anderen Differenzkorrekturnetzwerk emp­ fängt und Vermessungssignale von Navigationssatelliten emp­ fängt und dadurch Fehler in den Ionosphärenverzögerungsdaten berechnet.

Nun werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft un­ ter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Bestimmungssys­ tems;

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Teils des Nord- und Südamerika bedienenden Bestimmungssystems;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der Navigationsnutzlast eines MEO-Satelliten;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Navigationsempfängers;

Fig. 5 ist ein Diagramm eines zum Repräsentieren von Iono­ sphäreninformation verwendeten Gitters; und

Fig. 6 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Berechnung von Ionospärendurchstoßungspunkten.

Navigationssytem

Fig. 1 zeigt schematisch die Elemente eines Bestimmungssys­ tems sowie die Beziehung zwischen diesen. Selbständige Ver­ messungssignale R_n werden von einem oder mehreren GNSS (Glo­ bal Navigation Satellite Service)-Satelliten 2, wie GPS-Nav­ star-Satelliten und/oder GLONASS-Satelliten geliefert. Meh­ rere geostationäre Satelliten 6, wie die vorgeschlagenen Inmarsat-3-Kommunikationssatelliten oder wie speziell be­ reitgestellte, geostationäre Navigationssatelliten, führen jeweils einen Navigationssendeempfänger zum Weiterleiten differentieller Korrektur- und anderer Verbesserungsdaten A von einer landgebundenen Navigationserdstation (NLES = Navi­ gation Land Earth Station) 8 zu Navigationsempfängern 11 mit sich, wobei die Verbesserungsdaten A Unversehrtheits-, Feh­ ler- und Ionosphäreninformation betreffend die GNSS-Satelli­ ten 2 und ihre Vermessungssignale R_n liefern.

Ein oder mehrere Satelliten 10 mit mittlerer Erdumlaufbahn (MEO = Medium Earth Orbit), wie die vorgeschlagenen Satelli­ ten für das globale IOC (Handelsbezeichnung)-Satellitenkommu­ nikationssystem, leiten regionale Verbesserungsdaten RA, wie sie von einem erdgebundenen Satellitenzugriffsknoten (SAN) 14 gesendet werden, an die Navigationsempfänger 11 weiter, wobei diese Daten in selbständigen Vermessungssignalen R_m enthalten sind, die mit den Vermessungssignalen R_n von den GNSS-Satelliten 2 synchronisiert sind. Die vorgeschlagenen Satelliten für das ICO(Handelsbezeichnung)-System bilden eine Konstellation von zehn Satelliten mit Umlaufzeiten von 6 Stunden in zwei Umlaufebenen, wobei jeder eine Kommunika­ tions- und eine Navigationsnutzlast trägt.

Ein Netzwerk von Überwachungsstationen 16a, 16b und 16c mit genau bekannter Positionierung empfängt die Vermessungssignale R_n von den GNSS-Satelliten 2 sowie die Vermessungssi­ gnale R_m von den MEO-Satelliten 10 und berechnet Fehler in der in diesen Vermessungssignalen enthaltenen Positions- und Zeitinformation, und zwar mittels der Differenz zwischen den aus den Vermessungssignalen R berechneten Positionen und den tatsächlichen Positionen der Überwachungsstationen 16. Von den Überwachungsstationen 16a, 16b und 16c werden Differenz­ korrekturdaten an eine regionale Kontrollstation 18 gelie­ fert, die die Verbesserungsdaten A herleitet, einschließlich Fehlern in den berichteten Positionen und Zeitsignalen der MEO-Satelliten 10 und der GNSS-Satelliten 2. Die Überwa­ chungsstationen können alternativ einfache Empfänger sein, wobei die Berechnung für die Differenzkorrektur in der re­ gionalen Kontrollstation 18 ausgeführt wird.

Die Positions- und Zeitfehler in den Vermessungssignalen R variieren zwischen den Überwachungssystemen 16a, 16b und 16c nicht. Jedoch unterscheiden sich die von den Überwachungs­ stationen 16a, 16b und 16c empfangenen Differenzkorrektur­ daten aufgrund der Differenz der Ionosphärenverzögerung in den von jeder der Überwachungsstationen 16 empfangenen Si­ gnalen abhängig von der Menge freier Elektronen in denjeni­ gen Teilen der Ionosphäre, durch die die Signale laufen, zu­ sammen mit anderen Verzögerungen wie Troposphärenverzögerun­ gen, die durch Brechung an der Troposphäre hervorgerufen werden.

Daher kann die regionale Kontrollstation 18 gesondert Daten für Fehler in den Vermessungssignalen R_m, R_n und für Werte der Ionosphärenverzögerung im Bereich der Ionosphäre, durch den die Vermessungssignale laufen, damit sie jede der Über­ wachungsstationen 16a, 16b und 16c erreichen, herleiten. Diese Daten werden an die NLES 8 geliefert, um als Verbesse­ rungsdaten A über die geostationären Satelliten 6 an die Na­ vigationsempfänger 11 gesendet zu werden.

Zusätzlich werden die Verbesserungsdaten an ein Dienstenetz­ werk 20 übertragen, auf das Betreiber der regionalen Verbes­ serungssysteme 21a, 21b zugreifen können. Derartige regiona­ le Verbesserungssysteme 21a, 21b können örtliche Überwa­ chungsstationen zum Berechnen von Differenzkorrekturdaten für spezielle Gebiete enthalten. Regionale Verbesserungsda­ ten RA, die z. B. genauere Ionosphärendaten und Korrekturen betreffend die Verbesserungsdaten, wie für die speziellen Gebiete relevant, enthalten, werden durch die Dienstebetrei­ ber in das Dienstenetzwerk 20 eingegeben. Die regionalen Verbesserungsdaten RA können einige oder alle Verbesserungs­ daten A umfassen. Die regionalen Verbesserungsdaten RA wer­ den an den SAN 14 zur Übertragung über die MEO-Satelliten 10 und für selektiven Empfang durch die Navigationsempfänger 11 übertragen.

Das vorstehend beschriebene Bestimmungssystem liefert, zu­ sätzlich zu vorhandenen Bestimmungsdiensten wie GPS und GLONASS, die zusätzlichen Vermessungssignale R_m von den MEO- Satelliten 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Ver­ messungssignale R_m Doppelfrequenz-Vermessungssignale, ähn­ lich den Signalen, wie sie Militärverwendern im GPS-System zur Verfügung stehen, jedoch sind sie unverschlüsselt und daher für jeden Benutzer zugänglich. Das vorstehende Bestim­ mungssystem sendet auch Verbesserungsdaten A über die geo­ stationären Satelliten 6 über ein weites Gebiet, ergänzt durch regionale Verbesserungsdaten RA, wie von den MEO-Sa­ telliten 10 übertragen.

Die Verbesserungsdaten A werden durch die NLES 8 erzeugten Vermessungssignalen R_g codiert und über den geostationären Satelliten 8 an die Navigationsempfänger 11 übertragen. Der Ort des geostationären Satelliten 6 wird in der NLES 8 be­ stimmt, die auch eine genaue Zeitreferenz enthält, wie eine Atomuhr oder ein Doppelfrequenzgerät für auf Satellitenfunk gestützte Zeit- und/oder Ortsbestimmung, wie mit den Uhren oder Geräten synchronisiert, die sich an Bord der MEO-Satel­ liten 10 und der GNSS-Satelliten 2 befinden. Die Verzögerung beim Übertragen der Vermessungssignale R_g von der NLES 8 an den geostationären Satelliten 6 wird ermittelt, und das Ver­ messungssignal R_g enthält Positions- und Zeitdaten, die so berechnet sind, daß sie, wenn sie durch den geostationären Satelliten 6 zurückgesendet werden, genau den Rücksendezeit­ punkt und die Position des geostationären Satelliten 6 re­ präsentieren.

Das durch den geostationären Satelliten 6 an die NLES 8 zu­ rückgesendete Signal sorgt für eine zeitliche Schleife, die es ermöglicht, die Verzögerung von der NLES 8 zum geostatio­ nären Satelliten 6 zu ermitteln, und die es auch ermöglicht, Ionosphäreneffekte zu messen. Auf diese Weise ist das Ver­ messungssignal R_g ausreichend genau dafür, daß es so verar­ beitet wird, als würde es vom geostationären Satelliten 6 selbständig erzeugt.

Das vorstehend beschriebene Bestimmungssystem kann in Stufen realisiert werden, um einen fortschreitend verbesserten Dienst in Beziehung zu dem zu schaffen, wie er von den obi­ gen GNSS-Satelliten 2 bereitgestellt wird, was wie folgt ge­ schieht:

Stufe 1 - Vorhandene oder bereits geplante geostationäre Kommunikationssatelliten, wie die Inmarsat-3-Satelliten, werden als geostationäre Satelliten 6 zum Weiterleiten von Vermessungssignalen und Verbesserungsdaten R_g, A verwendet.

Stufe 2 - Zusätzliche, speziell anzubringende Navigations­ satelliten werden als zusätzliche geostationäre Satelliten 6 in geostationäre Umlaufbahnen gebracht. Diese speziell be­ reitgestellten Navigationssatelliten können selbständige Vermessungssignale R_g erzeugen.

Stufe 3 - Die MEO-Satelliten 10, die zusätzliche Vermes­ sungssignale R_m erzeugen und regionale Verbesserungsdaten RA weitergeben, werden abgeschossen.

Die Stufe 1 sorgt für eine Großgebietverbesserung, z. B. ge­ mäß der WAAS-Spezifikation. Die Stufen 1 bis 3 liefern mehr Vermessungssignale, um die Abhängigkeit von den GNSS-Satel­ liten 2 zu verringern, die selektiv zur Verfügung stehen.

Systembetriebsbeispiel

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für das Bestimmungssystem von Fig. 1, das Navigationsdienste über Nord- und Südamerika bereit­ stellt. Einer der geostationären Satelliten 6 sendet Verbes­ serungsdaten A, wie sie über Nord- und Südamerika hinweg von einer ersten regionalen Kontrollstation 18a hergeleitet wer­ den. In einem ersten Dienstegebiet 24a, das die USA über­ deckt, liefert ein erstes Dienstenetzwerk 20a regionale Ver­ besserungsdaten RAa, die nur über das erste Dienstegebiet 24a hinweg gültig sind, wie genauere Ionosphärendaten be­ treffend die Ionospäre über den USA. Die regionalen Verbes­ serungsdaten RAa werden an einen ersten Satellitenzugriffs­ knoten 14a übertragen und über einen ersten MEO-Satelliten 10a über das erste Dienstegebiet 24a gesendet. Im ersten Dienstegebiet 24a sind von den RNSS-Satelliten 2a und 2b Vermessungssignale R_g verfügbar. Die Anzahl und die Kennun­ gen der GNSS-Satelliten 2, die über einem vorbestimmten, minimalen Höhenwinkel im ersten Dienstegebiet 24a sichtbar sind, ändern sich zeitlich, wenn die Satelliten 2 entlang ihrer Umlaufbahnen weiterlaufen.

Ein erster MEO-Satellit 10a läuft auch relativ zum ersten Dienstegebiet 24a, bis sein Höhenwinkel unter eine Schwelle fällt, die für Sendungsempfang geeignet ist. Dann wählt der erste SAN 14a einen anderen MEO-Satelliten 10 mit einem Hö­ henwinkel über der Schwelle für Sendungsempfang aus, vor­ zugsweise einen solchen, der sich dem ersten Dienstegebiet 24a nähert. Der SAN 14a beendet die Übertragung an den ers­ ten MEO-Satelliten 10a und beginnt statt dessen mit einer Übertragung an den ausgewählten MEO-Satelliten 10. Um eine Unterbrechung der Übertragung der regionalen Verbesserungs­ daten RA zu vermeiden, kann der SAN 14a während der Übergabe sowohl an den ersten MEO-Satelliten 10a als auch den ausge­ wählten MEO-Satelliten 10 senden.

Ein zweites Dienstegebiet 24b in Südamerika enthält eine zweite regionale Kontrollstation 18b, die Information von einem Überwachungsnetzwerk empfängt, das Vermessungssignale überwacht, wie sie im zweiten Dienstegebiet 24b empfangen werden. Information von der zweiten regionalen Kontrollsta­ tion 18b wird an die erste regionale Kontrollstation 18a ge­ sendet, damit aus dem Überwachungsnetzwerk, das sich sowohl über Nord- als auch Südamerika erstreckt, Differenzkorrek­ turinformation für ein weites Gebiet gesammelt wird. Auf diese Weise können die Zeit- und Positionsfehler von Vermes­ sungssignalen genauer ermittelt werden. Ein zweites Dienste­ netzwerk 20b empfängt Information von der zweiten regionalen Kontrollstation 18b und leitet außerdem genauere Ionosphä­ reninformation innerhalb des Gebiets 24b her. Diese Informa­ tion wird an einen zweiten SAN 14b weitergeleitet, der die Information über einen zweiten MEO-Satelliten 10b für Sen­ dung über dem zweiten Dienstegebiet 24b überträgt.

Demgemäß wird durch den geostationären Satelliten 6, zu dem aus einem weiten Gebiet direkte Sicht besteht, Verbesse­ rungsinformation, die für ein weites Gebiet gültig ist, ge­ sendet. Detailliertere Information von engerer geographi­ scher Gültigkeit wird durch die MEO-Satelliten 10 gesendet, die dazu in der Lage sind, ein kleineres Gebiet auf der Erd­ oberfläche zu überdecken. Auf diese Weise wird die Informa­ tionsübertragung durch geostationäre und durch MEO-Satelli­ ten in Übereinstimmung mit den von diesen Satelliten über­ deckten Gebieten gebracht.

Navigationssatellit

Fig. 3 zeigt die Navigationsnutzlast eines der MEO-Satelli­ ten 10.

Die Nutzlast umfaßt einen Frequenzstandard 30, wie eine Atomuhr. Vom Frequenzstandard 30 wird ein hochgenaues Fre­ quenzsignal f an Oszillatoren 20 geliefert, die ein Zeitsi­ gnal t erstellen, das auf eine Standardzeit, wie UTC, bezo­ gen ist.

Das Zeitsignal t wird an einen Navigationssignalgenerator 34 geliefert. Die Nutzlast enthält auch eine Bahnverfolgungs- und Steuertelemetrieschnittstelle (TT = Telemetry Tracking & Control) 42, die verschlüsselte TT von einer nicht dargestellten TT empfängt. Die TT­ stelle 42 liefert Bahnverfolgungsinformation an einen Pro­ zessor 44, der Daten erzeugt, die Information zu den Epheme­ riden des MEO-Satelliten 10 enthalten. Die Ephemeriden wer­ den in einen Speicher 46 eingeschrieben, der Fehlerkorrektur ausführt, um eine Datenzerstörung wegen externer Einstrah­ lung zu vermeiden, und der einen doppelten Puffer aufweist, damit vorige Ephemeriden nicht unmittelbar durch neue über­ schrieben werden, solange nicht die neuen Ephemeriden veri­ fiziert sind. Die Ephemeriden werden mittels des Navigati­ onssignalgenerators 34 aus dem Speicher 46 ausgelesen, der das Zeitsignal t und die Ephemeriden unter Verwendung eines Goldcodes aus derselben Familie codiert, wie sie von den GPS-Navstarsatelliten verwendet wird und in der GPS-Spezifi­ kation beschrieben ist. Der Goldcode ist ein Code mit pseu­ dozufälligen Störungen (PRN = Pseudo Random Noise) mit ge­ ringer Autokorrelation und geringer Kreuzkorrelation zu an­ deren Goldcodes.

Zwischenfrequenzsignale IF, die die codierten Ephemeriden- und Zeitdaten enthalten, werden an einen Aufwärtswandler 36 geliefert, der diese Zwischenfrequenzsignale IF in verschie­ dene Frequenzen F1 und F2 umsetzt, die über Sendeantennen 40 bzw. 38 übertragen werden.

Die Frequenzen F1 und F2 können im wesentlichen dieselben wie die GPS-Frequenzen L1 und L2 sein, um Kompatibilität mit vorhandenen GPS-Empfängern beizubehalten, oder sie können gegen die Frequenzen L1 und L2 versetzt sein, damit Signale von den MEO-Satelliten 10 nur durch modifizierte Navigati­ onsempfänger 11 empfangen werden. Bei einem Ausführungsbei­ spiel hat F1 den Wert 1576 MHz und F2 den Wert 1228 MHz.

Der Betrieb des Navigationssignalgenerators 34 wird durch einen Prozessor 44 gesteuert, und Statusinformation wird vom Navigationssignalgenerator 34 an den Prozessor 44 geliefert.

Die Nutzlast enthält auch eine Zubringerstrecke-Kanal­ schnittstelle 48, die regionale Verbesserungsinformation RA vom SAN 14 empfängt. Der Prozessor 44 liefert die regionale Verbesserungsinformation RA selektiv an den Speicher 46, da­ mit sie in das vom Navigationsignalgenerator 34 ausgegebene Signal eingeschlossen wird.

Der Prozessor 44 ist sowohl in einem selbständigen Navigati­ onsmodus als auch einem regionalen Verbesserungsmodus be­ treibbar. Im selbständigen Navigationsmodus werden von der Zubringerstrecke-Kanalschnittstelle 48 gelieferte Daten nicht an den Speicher 46 geliefert, weswegen der MEO-Satel­ lit 10 lediglich Vermessungs- und Statusinformation mit einer Datenrate von 50 Bits pro Sekunde aussendet. Im re­ gionalen Verbesserungsmodus werden die von der Zubringer­ strecke-Kanalschnittstelle 48 empfangenen Verbesserungsdaten RA für den Einschluß in das Navigationssignal an den Spei­ cher 46 geliefert. In diesem Modus sendet der MEO-Satellit 10 zusätzlich Information zur Unversehrtheit und zum Status der GNSS-Satelliten 2, Differenzkorrekturinformation, wie sie vom Dienstenetzwerk 20 geliefert wird, und Warnmeldun­ gen, um anzuzeigen, wann Bestimmung nicht mit vorbestimmtem Genauigkeitsniveau möglich ist, was mit einer Datenrate von 250 Bits pro Sekunde erfolgt. Der Prozessor 44 wird durch einen von der TT 42 empfangenen Befehl zwi­ schen diesen zwei Modi umgeschaltet. Der Prozessor 44 kann in den selbständigen Navigationsmodus umgeschaltet werden, wenn keine regionalen Verbesserungsdaten verfügbar sind, z. B., weil sich kein SAN 14 im Blickfeld befindet oder weil der SAN 14 fehlerhaft ist.

Alternativ kann der Prozessor 44 Attrappendaten für die Übertragung innerhalb des Vermessungssignals R_m erzeugen, wobei die Attrappendaten den Navigationsempfängern 11 anzei­ gen, daß keine regionalen Verbesserungsdaten verfügbar sind.

Bestimmungsterminal

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Naviga­ tionsempfängers 11 zum Empfangen von Vermessungs- und Ver­ besserungssignalen beim vorstehend beschriebenen Bestim­ mungssystem. Das Benutzerterminal 11 enthält eine Antenne 50 zum Empfangen der Vermessungssignale R_g, R_m und R_n, die die Verbesserungsinformation A und die regionale Verbesserungs­ information RA enthalten. Ein PRN-Decodierer 56 decodiert jedes Vermessungssignal R und gibt decodierte Vermessungs­ signale R′ und Zeitdaten t_a betreffend den Zeitpunkt des Eintreffens jedes Vermessungssignals aus. Ein Datendecodie­ rer 58 entnimmt den decodierten Vermessungssignalen Daten D, einschließlich der Verbesserungsdaten A, der regionalen Ver­ besserungsdaten RA, des Übertragungszeitpunkts t für jedes Vermessungssignal und der Ephemeriden der Satelliten. Ein Bestimmungsabschnitt 54 empfängt die Daten D und die Zeitda­ ten t_a, berechnet aus diesen die Werte der Ionosphärenverzö­ gerungen, die sich aus den Doppelfrequenz-Vermessungssigna­ len R_m ergeben, und die ungefähre Position des Navigations­ empfängers 11, und er gibt diese Daten zusammen mit Iono­ sphärendaten innerhalb der regionalen Verbesserungsdaten RA und der Verbesserungsdaten A an einen Ionosphären-Modeller­ zeugungsabschnitt 60 aus.

Aus diesen Daten berechnet der Ionosphären-Modellerzeu­ gungsabschnitt 60 Ionosphärendurchstoßungspunkte, an denen jedes der Vermessungssignale R durch die Ionosphäre lief, und er schätzt die Verzögerung in der Ionosphäre ab, wie sie dabei hinsichtlich der Einzelfrequenz-Vermessungssignale R auftrat, wie für die GPS-Signale L1, für die die Ionosphä­ renverzögerung nicht unmittelbar gemessen werden kann. Der Ionosphären-Modellerzeugungsabschnitt 60 gibt für jedes der Einzelfrequenz-Vermessungssignale R eine abgeschätzte Iono­ sphärenverzögerung zusammen mit Fehlergrenzen für die abge­ schätzte Verzögerung aus.

Der Bestimmungsabschnitt 54 empfängt die abgeschätzten Iono­ sphärenverzögerungen und subtrahiert sie vom Eintreffzeit­ punkt t_a der Einzelfrequenzsignale. Die direkt gemessenen Verzögerungen, wie sie bezüglich der Doppelfrequenz-Vermes­ sungssignale auftreten, werden von den Eintreffzeitpunkten t_a dieser Signale subtrahiert. Die Verbesserungsdaten A und die regionalen Verbesserungsdaten RA umfassen Information zu Fehlern in den Vermessungssignalen, die dazu verwendet wird, die Positions- und Zeitinformation hinsichtlich jedes der Vermessungssignale zu korrigieren. Die Verbesserungsdaten A und die regionalen Verbesserungsdaten RA enthalten auch In­ formation zur Unversehrtheit, die anzeigt, ob einer der Sa­ telliten ausgefallen ist oder inkorrekt arbeitet. Die Ver­ messungssignale R von derartigen Satelliten werden nicht zur Bestimmung verwendet.

Der Bestimmungsabschnitt 54 berechnet dann aus den korri­ gierten Vermessungssignalen R und einem Schätzwert für die Fehler hinsichtlich der Position P und der Zeit T aus den Fehlergrenzen für die Ionosphärenverzögerung, wie vom Iono­ sphären-Modellerzeugungsabschnitt 60 angegeben, sowie aus Fehlergrenzen für die Vermessungssignale, wie durch die Ver­ besserungsdaten RA, A angegeben, genaue Werte für die Posi­ tion P und die Zeit T. Wenn der jeweilige Fehler hinsicht­ lich der Position P und der Zeit T einen vorbestimmten Wert überschreitet, kann der Bestimmungsabschnitt 54 eine opti­ sche oder akustische Warnung ausgeben, so daß es Benutzern bekannt wird, daß sie bei bestimmten Anwendungen nicht auf die Ausgangsdaten vertrauen sollten.

Nun erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 eine Er­ läuterung zum Betrieb des Ionosphären-Modellerzeugungsab­ schnitts 60.

Die von den geostationären Satelliten 6 übertragenen Verbes­ serungsdaten A sowie die von den MEO-Satelliten 10 übertra­ genen regionalen Verbesserungsdaten RA enthalten Ionosphä­ rendaten mit einem Satz von Werten zum Berechnen der Iono­ sphärenverzögerung für Punkte auf einem Gitter G, das auf der Erdoberfläche aufgetragen ist. Das Gitter ist zum Nadir N der Position eines geostationären Satelliten zentriert, und der Ionosphärenverzögerungswert an jedem Gitterpunkt g_i repräsentiert die vertikale Ionosphärenverzögerung an diesem Gitterpunkt.

Selten ist Information für alle Gitterpunkte t_i verfügbar, und die Ionosphärendaten umfassen daher eine Liste von Adressen i von Gitterpunkten g_i, für die Ionosphärendaten verfügbar sind, zusammen mit der zugehörigen vertikalen Ionosphärenverzögerung und dem Verzögerungsfehler für jeden dieser Punkte. Die Ionosphärendaten umfassen auch die Posi­ tion des Nadirs N, auf den das Punktegitter zentriert ist.

Das vorstehend angegebene Format für Ionosphärendaten ist so konzipiert, daß es von einem geostationären Satelliten ge­ sendet wird, jedoch wird es auch für Ionosphäreninformation verwendet, wie sie von den MEO-Satelliten 10 gesendet wird. Der SAN 14 berechnet eine hypothetische geostationäre Posi­ tion auf solche Weise, daß das Überdeckungsgebiet des MEO- Satelliten 10, innerhalb desselben der Satellit über einen Höhenwinkel von 5° sichtbar ist, in das auf dieser Position beruhende Gitter von Punkten g_i fällt. Ionosphärendaten wer­ den für einige oder alle der Gitterpunkte gesendet, die in das Überdeckungsgebiet des MEO-Satelliten 10 fallen. So kön­ nen die durch den geostationären Satelliten 6 und die MEO- Satelliten 10 gesendeten Ionosphärendaten kompatible Formate aufweisen.

Um die Ionosphärenverzögerung für jedes Vermessungssignal R genau abzuschätzen, muß der Ionosphären-Modellerzeugungsab­ schnitt 60 des Navigationsempfängers 11 einen Durchstoßungs­ punkt PP berechnen, in dem das Vermessungssignal R auf sei­ nem Weg zum Benutzer durch die Ionosphäre läuft, und er muß den korrekten Ionosphärenverzögerungswert für diesen Durch­ stoßungspunkt verwenden.

Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, wird ein Vermessungssignal R von einem Satelliten, wie einem der MEO-Satelliten 10, un­ ter einem Höhenwinkel ε in bezug auf den Navigationsempfän­ ger 11 gesendet. Das Vermessungssignal R durchläuft am Durchstoßungspunkt PP den Pegel I₀ maximaler Elektronen­ dichte. Die Höhe H dieses Pegels I₀ sei mit 400 km über der Erdoberfläche angenommen. Der Navigationsempfänger 11 kann seine ungefähre Position aus dem unkorrigierten Vermessungs­ signal R herleiten, das auch Information zur Position des Satelliten 10 enthält. Aus dieser Information sowie aus dem Erdradius r werden die Breite und Länge des Durchstoßungs­ punkts PP auf bekannte Weise berechnet.

Der berechnete Durchstoßungspunkt PP fällt im allgemeinen nicht mit einem der Gitterpunkte g_i zusammen, für die Iono­ sphäreninformation verfügbar ist. Der Wert der Ionosphären­ verzögerung muß daher zwischen Gitterpunkten g_i, g_i+1 in­ terpoliert werden, für die Ionosphäreninformation verfügbar ist. Der Ionosphären-Modellerzeugungsabschnitt 60 erzeugt eine Modellerzeugungsfunktion, die mittels eines oder mehre­ rer Parameter so variiert werden kann, daß die Ionosphären­ information an die umgebenden Gitterpunkte g_i angepaßt ist, und die dazu verwendet wird, den Wert der Ionosphärenverzö­ gerung am Durchstoßungspunkt PP zu interpolieren.

Ein geeignetes Modell zum Interpolieren von Werten für die Ionosphärenverzögerung wurde für das WAAS spezifiziert. Bei diesem Modell werden die Werte der Ionosphärenverzögerung für die vier Gitterpunkte an den Ecken einer Zelle, die den Durchstoßungspunkt PP enthält, dazu verwendet, einen Wert für die Ionosphärenverzögerung am Durchstoßungspunkt mittels einer Gewichtungsfunktion zu interpolieren, die für eine kontinuierliche Fläche als Funktion der Länge und Breite sorgt. Alternativ kann eine lineare Interpolation zwischen Paaren von Gitterpunkten sowohl in Längen- als auch Breiten­ richtung verwendet werden.

Zusätzlich kann der Ionosphärenverzögerungs-Modellerzeu­ gungsabschnitt 60 die Modellerzeugungsfunktion für die di­ rekt gemessenen Werte der Ionosphärenverzögerung, wie aus den Doppelfrequenz-Vermessungssignalen R_m erhalten, durch Berechnen der Durchstoßungspunkte PP für diese Signale und durch Einstellen der Parameter der Modellerzeugungsfunktion für Anpassung der gemessenen Ionosphärenverzögerungswerte für diese Durchstoßungspunkte PP anpassen.

Die Modellerzeugungsfunktion muß nicht genau an die Iono­ sphäreninformation und die gemessenen Verzögerungswerte an­ gepaßt werden; statt dessen kann eine Näherung wie eine solche mittels kleinster Fehlerquadrate berechnet werden.

Dadurch wird der vertikale Ionosphärenverzögerungswert am Durchstoßungspunkt berechnet. Jedoch läuft das Vermessungs­ signal R über einen Weg 1 durch die Ionosphäre, der größer als die vertikale Höhe h der Ionosphäre ist, und zwar infol­ ge des Neigungswinkels α, den der Pfad des Vermessungssi­ gnals R zur Vertikalen bildet. Der vertikale Ionosphäenver­ zögerungswert wird daher mit einem Neigungsfaktor multipli­ ziert, um die größere durchlaufene Länge in der Ionosphäre zu berücksichtigen.

Nutzerbetriebsbeispiel

Nun wird ein spezielles Beispiel für den Betrieb eines al­ ternativen Ausführungsbeispiels eines Bestimmungssystems be­ schrieben, das einen Navigationsdienst für Afrika bereit­ stellt, wobei ein geostationärer Satellit 6 ein Vermessungs­ signal R_g und Verbesserungsinformation A mit Korrekturmit­ teilungen für die Vermessungssignal R_n des GNSS-Satelliten liefert, wobei jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel keine Ionosphären-Korrekturinformation über die geostationären Satelliten 6 geliefert wird, da für Afrika insgesamt unzu­ reichende Information zur Verfügung steht.

Jedoch existieren regionale Überwachungsfunktionen mittels örtlicher Dienstebetreiber in Kenia. Die Überwachungssta­ tionen überwachen die Vermessungssignale von den MEO-Satel­ liten 10 und den GNSS-Satelliten 2, und sie empfangen zu­ sätzlich die Verbesserungsinformation A, wie sie von den geostationären Satelliten 6 gesendet wird. Aus dieser Infor­ mation werden ein vertikaler Ionosphärenverzögerungswert und Fehlergrenzen für die Ionosphärenverzögerung abgeschätzt, wie sie für alle Benutzer auf dem Gebiet und im Luftraum Kenias anwendbar sind. Diese Information wird an einen SAN 14 für Übertragung über einen MEO-Satelliten 10, der Kenia zu diesem Zeitpunkt überdeckt, weitergeleitet.

Die Navigationssatelliten, die von einem sich Nairobi nä­ hernden Navigationsempfänger 11 sichtbar sind, sind z. B. die in der folgenden Tabelle 1 angegebenen.

Tabelle 1

Der Satellit AOR-E ist ein Inmarsat(Handelsbezeichnung)-Sa­ tellit, der das Gebiet des östlichen Atlantischen Ozeans be­ dient, während der Satellit IOR das Gebiet des Indischen Ozeans bedient.

Der Navigationsempfänger kann die ungefähren Positionen al­ ler obigen Satelliten aus Vermessungssignalen bestimmen, wie sie von den Satelliten erzeugt oder weitergegeben werden, wobei diese Signale keine Korrektur hinsichtlich Ionosphä­ renverzögerung aufweisen. Schätzwerte für die Ionosphären­ verzögerung in den Vermessungssignalen von jedem der Satel­ liten werden dann wie folgt erhalten.

Die Ionosphärenverzögerung wird für die von den Satelliten MEO₂, MEO₉ und MEO₁₀ gesendeten Doppelfrequenz-Vermessungs­ signalen unmittelbar berechnet. Es wird erkannt, daß der geostationäre Satellit AOR-E im selben Quadrant wie der Sa­ tellit MEO₉ liegt. Der Ionosphärenverzögerungswert für das Vermessungssignal von MEO₉ wird dazu verwendet, die Iono­ sphärenverzögerung im Vermessungssignal des Satelliten AOR-E GEO abzuschätzen, was durch Kompensation hinsichtlich der Differenz zwischen den Höhenwinkeln für den Satelliten MEO₉ und den geostationären Satelliten AOR-E erfolgt. Die Iono­ sphärenverzögerung für die Satelliten GPS₄ und GPS₁₃ werden auf dieselbe Weise abgeschätzt, wobei der für MEO₉ gemessene Ionosphärenverzögerungswert verwendet wird.

Der Satellit GPS₂ steht ungefähr genau über dem Gebiet, wes­ wegen die für die keniatischen Überwachungsstationen er­ stellte Information zur Ionosphärenverzögerung verwendet wird, wobei für die Differenz zwischen 90° und dem tatsäch­ lichen Höhenwinkel von 72° eine kleine Korrektur mittels eines Neigungsfaktors vorgenommen wird. Fehlergrenzdaten für die Ionosphärenverzögerung werden für alle abgeschätzten Ionosphärenverzögerungen verwendet, die nicht direkt aus einem Doppelfrequenzvermessungssignal gemessen werden.

Bei diesem Beispiel empfängt das Navigationsterminal 11 Ver­ messungssignale von acht verschiedenen Satelliten und kann die Ionosphärenverzögerung für jedes Vermessungssignal be­ rechnen oder abschätzen, ohne daß Ionosphärendaten inner­ halb der Verbesserungsdaten A geliefert werden. Außerdem wird Information zur Unversehrtheit, wie von den geostatio­ nären Satelliten empfangen, dazu verwendet, zu ermitteln, ob eines der Vermessungssignale nicht zur Bestimmung verwendet werden sollte. So ist das Bestimmungsergebnis genau und zu­ verlässig.

Regionale Verbesserungsstation

Beim obigen Beispiel wird für Kenia zutreffende Information zur Ionosphärenverzögerung über einen oder mehrere der NEO- Satelliten 10 weitergegeben. Jeder MEO-Satellit kann über einem Gebiet senden, das viel größer als z. B. Kenia ist, und der SAN 14 empfängt sowohl die vom keniatischen Dienste­ anbieter gelieferten Daten als auch die von anderen Netzwer­ ken gelieferten Daten. Bei der Übertragung ausgehend vom SAN 14 wird den Daten aus jedem Netzwerk ein anderer Zeitschlitz in einem sich wiederholenden Zeitrahmen zugeordnet, so daß Information von den verschiedenen Überwachungsnetzwerken im Zeitmultiplex übertragen wird. Die folgende Tabelle 2 zeigt ein Beispiel für die Zuordnung von Zeitschlitzen zu jedem der Satelliten MEO₂, MEO₉ und MEO₁₀ beim obigen Beispiel.

Tabelle 2

Der Satellit MEO₂ sendet, in den Schlitzen 2 und 5, regiona­ le Verbesserungsdaten, die für Gesamtafrika gelten, und die­ se Information kann vom Navigationsempfänger 11 in Kenia zu­ sätzlich verwendet werden.

Jeder Schlitz kann z. B. ein Schlitz von 1 Sekunde in einem Zeitrahmen von 6 Sekunden sein, und er kann 250 Datenbits enthalten.

Schlitze können vom SAN 14 Diensteanbietern in einer Periode zugeordnet werden, in der der Nadir des die regionale Ver­ besserungsinformation enthaltenden MEO-Satellits 10 über ein vorbestimmtes Gebiet läuft, das dem Dienstebetreiber zuge­ ordnet ist und z. B. durch Längen- und Breitengrenzen fest­ gelegt ist. Z. B. kann jedes Gebiet einen Streifen von 5° Länge in der nördlichen oder südlichen Hemisphäre umfassen.

Jeder Schlitz kann von mehreren Diensteanbietern gemeinsam genutzt werden, die einzeln nicht ausreichend Daten zum Be­ legen eines gesamten Schlitzes liefern, damit die volle Ka­ pazität jedes Schlitzes genutzt wird. Die Daten von jedem Diensteanbieter innerhalb eines Schlitzes werden durch einen Code erkannt, der diesem Diensteanbieter zugeordnet ist. Diensteanbietern, die mehr Kapazität erfordern, als sie ein Schlitz bietet, können mehr Schlitze als einer zugeordnet werden. Gebührendaten zum Berechnen einer Gebühr für den Diensteanbieter werden abhängig von der Dauer erzeugt, wäh­ rend der die Kapazität des MEO-Satelliten 10 dem Dienstean­ bieter zugeordnet ist, sowie abhängig vom in dieser Zeit ge­ nutzten Anteil der Kapazität.

Alternativ können Schlitze Diensteanbietern während einer Periode zugeordnet werden, in der der MEO-Satellit 10 über einem minimalen Höhenwinkel, wie z. B. 5°, innerhalb des Dienstegebiets sichtbar ist, für das der Dienstebetreiber regionale Verbesserungsdaten RA liefert.

Die regionalen Verbesserungsdaten in jedem Zeitschlitz sind vorzugsweise schiffriert, um zu gewährleisten, daß sie nur durch lizensierte Navigationsempfänger 11 decodiert werden können. Alle zensierten Empfänger können denselben Algorith­ mus zum Ausführen der Bestimmung unter Verwendung der Iono­ sphärenverzögerungsdaten benutzen, so daß die Bestimmung gemäß einem gemeinsamen Standard ausgeführt wird.

Zusätzlich kann es erforderlich sein, daß Benutzer eine Smart Card zum Einführen in den Navigationsempfänger 11 er­ werben, um Zugriff zu einigen oder allen regionalen Verbes­ serungsinformationen RA zu erlangen, wie sie von den MEO- Satelliten gesendet werden. Auf diese Weise können die Dienstebetreiber zu Einkünften gelangen. Alternativ können die Benutzerterminals eine Tastatur zum Eingeben eines Codes aufweisen, der Zugriff auf einen oder mehrere der Schlitze ermöglicht, die regionale Verbesserungsinformation enthal­ ten.

Auf diese Weise können verschiedenen Benutzern verschiedene Typen von Information verfügbar gemacht werden, abhängig vom Gebiet, für das sie Ionosphäreninformation benötigen, oder abhängig vom Genauigkeitsniveau, das sie benötigen, und die Benutzer werden nur für diejenige Information, die sie benö­ tigen, mit Gebühren belastet.

Beim obigen Beispiel sind die verschiedenen Typen von Ver­ besserungsinformation im Zeitmultiplex verarbeitet. Jedoch können die verschiedenen Informationskanäle auf andere Arten im Multiplex betrieben werden, wie es in der Technik bekannt ist, wie im Codemultiplex oder im Frequenzmultiplex.

Die Information in jedem Kanal mit regionaler Verbesserungs­ information kann Daten wie Ländercodes umfassen, die dazu dienen, das Gebiet, für das die Ionosphärendaten gültig sind, zu kennzeichnen, Daten, die die Zuverlässigkeit der Ionosphärendaten anzeigen, und Daten, die anzeigen, für wel­ che Periode die Ionosphärendaten gültig sind.

Da der Ionosphären-Modellerzeugungsabschnitt 60 im Naviga­ tionsempfänger 11 dazu in der Lage ist, Ionosphärenverzöge­ rungsinformation mit direkten Messungen zur Ionosphärenver­ zögerung zu kombinieren, wird ein genaueres Modell der Iono­ sphäre zum Kompensieren von Ionosphärenverzögerungen verwen­ det. Ferner werden regionale Verbesserungsdaten RA empfan­ gen, wie sie für das örtliche Gebiet relevant sind, in dem sich das Navigationsterminal 11 befindet. Daten zur Unver­ sehrtheit und Daten zu den Fehlergrenzen werden sowohl für die regionalen Verbesserungsdaten RA als auch die Verbesse­ rungsdaten A empfangen. Auf diese Weise können hochgenaue Positionsmeßwerte P und Zeitmeßwerte T berechnet werden, zusammen mit Schätzwerten für das Genauigkeitsniveau dieser Meßwerte, und zusammen mit Warnmeldungen, wenn das Genauig­ keitsniveau unter eine vorbestimmte Schwelle fällt.

Eine derartige genaue und zuverlässige Bestimmung erweitert die möglichen Anwendungen derartiger Bestimmungen stark.

Z. B. kann das obengenannte Bestimmungssystem dort verwendet werden, wo die Sicherheit kritisch ist, wie bei der Landung von Flugzeugen bei schlechten Sichtbedingungen. Für das Sys­ tem bestehen auch maritime Anwendungen dahingehend, daß es ausreichende Genauigkeit bei Hafenannäherung bei beschränk­ ter Sicht sorgt, und es kann auch bei der Zugsteuerung An­ wendung finden, wo ausreichende Genauigkeit dazu erforder­ lich ist, zu ermitteln, auf welchem Geleis ein Zug fährt. Das System kann genaue Zeitmesswerte liefern, die von Labo­ ratorien oder Kommunikationssystemen verwendet werden, die genaue Synchronisation benötigen.

Da die gesamte Vermessungs- und Verbesserungsinformation durch Satelliten geliefert wird, ist das Erfordernis über­ wunden, erdgebundene Differenzkorrektursysteme zu installie­ ren.

Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele MEO-Satelliten wie ICO (Handelsbezeichnung)-Satelliten verwenden, könnten andere Satellitenkonstellationen verwendet werden, wie die vorge­ schlagenen Satellitenkommunikationssysteme ODYSSEY (Handels­ bezeichnung), IRIDIUM (Handelsbezeichnung), GLOBALSTAR (Han­ delsbezeichnung) und TELEDESIC (Handelsbezeichnung). Satel­ liten in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO = Low Earth Orbit) erzeugen bei ihren Signalen größere Dopplerverschiebung, je­ doch kann dies durch geeignete Kompensation in den Empfän­ gern überwunden werden. Die bei den Ausführungsbeispielen beschriebenen Satellitenkonfigurationen sind besonders vor­ teilhaft, jedoch können alternative Konfigurationen verwen­ det werden. Z. B. kann eine selbständige Ausrüstung zum Er­ zeugen von Navigationssignalen durch Sendeempfänger zur Rückübertragung von Navigationssignalen in den nicht-geosta­ tionären Satelliten ersetzt werden. Regionale Verbesserungs­ daten können durch geostationäre oder nicht-geostationäre Satelliten mit mehreren Punktstrahlen gesendet werden, wobei die regionale Gültigkeit der in jedem Punktstrahl gesendeten Daten an das Überdeckungsgebiet jedes der Punktstrahlen an­ gepaßt ist.

Navigationsempfänger können ihre Höhe aus Kartendaten be­ stimmen, die die Höhe als Funktion der Länge und Breite lie­ fern, oder aus dem Barometerdruck, so daß nur drei Vermes­ sungssignale dazu erforderlich sind, die Länge, die Breite und die Zeit zu bestimmen.

Claims (27)

1. Auf Satellitenfunk gestützte Zeit- und/oder Ortsbestim­ mungsvorrichtung, gekennzeichnet durch

• - einen Funkempfänger (11, 50) zum Empfangen eines Mehrfre­ quenz-Vermessungssignals von einem ersten Satelliten und eines weiteren Vermessungssignals von einem Satelliten;
• - eine Herleitungseinrichtung zum Herleiten erster Ionosphä­ reverzögerungsdaten aus dem Mehrfrequenz-Vermessungssignal; und
• - eine Abschätzeinrichtung (60) zum Abschätzen zweiter Iono­ sphärenverzögerungsdaten für das weitere Vermessungssignal auf Grundlage der ersten Ionosphärenverzögerungsdaten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Datenempfangseinrichtung zum Empfangen von Ionosphärendaten, wobei die Abschätzeinrichtung (60) so betreibbar ist, daß sie die zweiten Ionosphärenverzögerungsdaten zusätzlich auf Grundlage dieser Ionosphärendaten abschätzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenempfangseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Ionosphärendaten von einem Satelliten empfängt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionosphärendaten eine Vielzahl von Ionosphärenverzögerungswerten repräsentieren, die einer Vielzahl räumlich getrennter Punkte entsprechen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschätzeinrichtung (60) eine Modellerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Modells für die räumliche Änderung der Ionosphärenverzögerung auf Grund­ lage der ersten Ionosphärenverzögerungsdaten umfaßt, wobei die Abschätzeinrichtung so betreibbar ist, daß sie die zweiten Ionosphärenverzögerungsdaten auf Grundlage dieses Modells abschätzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 in Abhängigkeit von An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellerzeugungs­ einrichtung (60) so betreibbar ist, daß sie das Modell auf Grundlage der Ionosphärendaten erzeugt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell eine Funktion umfaßt, die abhängig von einem oder mehreren Parametern veränderlich ist, wobei die Modellerzeugungseinrichtung (60) so ausgebil­ det ist, daß sie den einen oder die mehreren Parameter so berechnet, daß diese Funktion an die ersten Ionosphärenver­ zögerungsdaten angepaßt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 in Abhängigkeit von An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellerzeugungs­ einrichtung (60) so ausgebildet ist, daß sie den einen oder die mehreren Parameter so berechnet, daß die Funktion zu­ sätzlich an die Ionosphärendaten angepaßt ist.

9. Auf Satellitenfunk gestütztes Zeit- und/oder Ortsbe­ stimmungsverfahren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Empfangen eines Mehrfrequenz-Vermessungssignals von einem ersten Satelliten;
• - Empfangen eines weiteren Vermessungssignals von einem zweiten Satelliten;
• - Herleiten erster Ionosphärenverzögerungsdaten vom genann­ ten Mehrfrequenz-Vermessungssignal; und
• - Abschätzen zweiter Ionosphärenverzögerungsdaten für das weitere Vermessungssignal auf Grundlage der ersten Ionosphä­ renverzögerungsdaten.

10. Satellitennutzlast, die für einen Satelliten vorgesehen ist, der für eine nicht-geostationäre Umlaufbahn konzipiert ist, gekennzeichnet durch

• - einen Taktgeber zum Erzeugen eines Zeitsignals;
• - einen Vermessungssignalgenerator zum Erzeugen eines Ver­ messungssignals, einschließlich aus dem Zeitsignal hergelei­ teter Zeitpunktdaten;
• - eine Weiterleitungseinrichtung zum Rücksenden von Daten, wie sie vom Satelliten von einer Bodenstation empfangen wur­ den; und
• - eine Einrichtung zum wahlweisen Aktivieren und Deaktivie­ ren der Weiterleitungseinrichtung unabhängig von einer Akti­ vierung des Vermessungssignalgenerators.

11. Satellitennutzlast, die für einen Satelliten vorgesehen ist, der für eine nicht-geostationäre Umlaufbahn konzipiert ist, gekennzeichnet durch

• - einen Taktgeber zum Erzeugen eines Zeitsignals;
• - einen Vermessungssignalgenerator zum Erzeugen eines Ver­ messungssignals, einschließlich aus dem Zeitsignal hergelei­ teter Zeitpunktdaten;
• - eine Weiterleitungseinrichtung zum Rücksenden von Daten, wie sie vom Satelliten von einer Bodenstation empfangen wur­ den;
• - eine Einrichtung zum Erfassen des Fehlens der ebengenann­ ten empfangenen Daten; und
• - eine Einrichtung zum Erzeugen von Attrappendaten für den Sendevorgang, wenn das genannte Fehlen erkannt wird.

12. Vorrichtung zum Erzeugen von Verbesserungsdaten, die von einem Satelliten zu senden sind, gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung zum Empfangen der Verbesserungsdaten;
• - eine Einrichtung zum Erzeugen von Positionsdaten betref­ fend die Position des Satelliten;
• - eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln, ob die Positi­ onsdaten ein vorbestimmtes Kriterium erfüllen; und
• - eine Einrichtung zum wahlweisen Aktivieren des Ausgebens der Verbesserungsdaten zum Senden an den Satelliten auf das Signal der Ermittlungseinrichtung hin.

13. Verfahren zum Erzeugen von Verbesserungsdaten, die von einem Satelliten zu senden sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Erzeugen von Positionsdaten betreffend die Position des Satelliten;
• - Ermitteln, ob die Positionsdaten ein vorbestimmtes Krite­ rium erfüllen; und
• - wahlweises Aktivieren des Ausgebens der Verbesserungsdaten zum Senden an einen Satelliten auf das Ergebnis im Ermitt­ lungsschritt hin.

14. Auf Satellitenfunk gestützte Zeit- und/oder Ortsbestim­ mungsvorrichtung, gekennzeichnet durch:

• - eine Einrichtung zum Empfangen einer Mehrzahl von Vermes­ sungssignalen von einer entsprechenden Mehrzahl von Satelli­ ten; und
• - eine Einrichtung zum Empfangen von Ionosphärenverzöge­ rungsdaten;
• - wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie eine funkgestützte Zeit- und/oder Ortsbestimmung auf Grundlage der mehreren Vermessungssignale sowie selektiv auf Grundlage der Ionosphärenverzögerungsdaten auf in dieser Vorrichtung erzeugte Berechtigungsdaten hin ausführt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Empfangen von Differenzkorrekturdaten, die im wesentlichen unabhängig von der Ionosphärenverzögerung sind, wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie auf funkgestützte Zeit- und/oder Ortsbestimmung zusätzlich auf Grundlage der Differenzkorrekturdaten ausführt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ionosphärenverzögerungsdaten verschlüsselt sind und die Vorrichtung eine Entschlüsse­ lungseinrichtung zum Entschlüsseln der Ionosphärenverzöge­ rungsdaten auf die Berechnungsdaten hin aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, gekenn­ zeichnet durch eine Eingabeeinrichtung zum Eingeben der Be­ rechtigungsdaten.

18. Vorrichtung zum Erzeugen von Verbesserungsdaten zum Senden über einen Satelliten, gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung zum Empfangen der Verbesserungsdaten, die unverschlüsselte Ionosphärenverzögerungsdaten und unver­ schlüsselte Differenzkorrekturdaten, die im wesentlichen un­ abhängig von einer Verzögerung in der Ionosphäre sind, um­ fassen;
• - eine Einrichtung zum Verschlüsseln der Ionosphärenverzöge­ rungsdaten und
• - eine Einrichtung zum Ausgeben der verschlüsselten Iono­ sphärenverzögerungsdaten und der unverschlüsselten Diffe­ renzkorrekturdaten zum Senden über den Satelliten.

19. Verfahren zum Erzeugen von Ionosphärenverzögerungsdaten und Differenzkorrekturdaten, die im wesentlichen unabhängig von einer Verzögerung in der Ionosphäre sind, für Senden über einen Satelliten, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Empfangen der Ionosphärenverzögerungsdaten und der Diffe­ renzkorrekturdaten in unverschlüsselter Form;
• - Verschlüsseln der Ionosphärenverzögerungsdaten und
• - Ausgeben der verschlüsselten Ionosphärenverzögerungsdaten und der unverschlüsselten Differenzkorrekturdaten zum Senden über den Satelliten.

20. Auf Satellitenfunk gestützte Zeit- und/oder Ortsbestim­ mungsvorrichtung, gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung zum Empfangen einer Mehrzahl von Vermes­ sungssignalen von einer entsprechenden Mehrzahl von Satelli­ ten;
• - eine Einrichtung zum Empfangen von Ionosphärenverzöge­ rungsdaten; und
• - eine Einrichtung zum Empfangen von Restfehlerdaten betref­ fend Restfehler in den Ionosphärenverzögerungsdaten;
• - wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Be­ stimmung auf Grundlage der mehreren Vermessungssignale, der Ionosphärenverzögerungsdaten und der Restfehlerdaten aus­ führt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Restfehlerinformation Fehlergrenzeninformation be­ treffend die Fehlergrenzen der Ionosphärenverzögerungsinfor­ mation umfaßt.

22. Vorrichtung zum Ermitteln von Restfehlern in einem auf Satellitenfunk gestützten Zeit- und/oder Ortsbestimmungssys­ tem, gekennzeichnet durch:

• - eine Einrichtung zum Empfangen einer Mehrzahl von Vermes­ sungssignalen von einer Mehrzahl von Satelliten;
• - eine Einrichtung zum Empfangen von Ionosphärenverzöge­ rungsdaten und Differenzkorrekturdaten betreffend Fehler in den Vermessungssignalen, die unabhängig von der Ionosphären­ verzögerung sind;
• - eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Positions- oder Zeitwerts auf Grundlage der Vermessungssignale, der auf Grundlage der Differenzkorrekturdaten und der Ionosphären­ verzögerungsdaten korrigiert wurden; und
• - eine Fehlerberechnungseinrichtung zum Berechnen von Feh­ lern in den Ionosphärenverzögerungsdaten auf Grundlage der Differenz von dem berechneten Positions- oder Zeitwert und einem vorbestimmten Bezugspositions- oder -zeitwert.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Empfangen der Vermessungssignale eine Anzahl verteilter Empfangsstationen aufweist, die Be­ rechnungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie eine Mehr­ zahl von Positionen berechnet, die jeweils den Empfangssta­ tionen entsprechen, und die Fehlerberechnungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Fehler auf Grundlage der je­ weiligen Differenzen zwischen den berechneten Positionen und den vorbestimmten Positionen, die den Empfangsstationen ent­ sprechen, berechnet.

24. Empfänger für auf Satellitenfunk gestützte Zeit- und/ oder Ortsbestimmung, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 14 bis 17, 20 und 21.

25. Bodenstation, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12, 18, 22 oder 23.

26. Satellit, gekennzeichnet durch eine Satellitennutzlast nach einem der Ansprüche 10 oder 11.

27. Auf Satellitenfunk gestütztes Zeit- und/oder Ortsbe­ stimmungssystem, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Emp­ fängern nach Anspruch 24 und mindestens eine Bodenstation nach Anspruch 25.