Title:
Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen
Kind Code:
A1


Abstract:

Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen, wobei
– jeder Kanal des frequenzmultiplexten Signals von einem eigenen Sender verwendet wird und an mindestens einem Ort empfangen wird,
– ein Sender als Referenzsender ausgewählt wird, und
– die Differenzmessungen aus den Trägerphasen von jedem einzelnen Sender und der Trägerphase des für alle Differenzmessungen verwendeten Referenzsenders bestimmt werden,
dadurch gekennzeichnet,
– dass eine invertierbare Transformation bestimmt wird, die die Mehrdeutigkeitsterme der Differenzmessungen der Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen in eine individuelle Mehrdeutigkeit für jede bis auf eine Differenzmessung und eine gemeinsame Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen transformiert, und
– dass eine reellwertige Schätzung der individuellen Mehrdeutigkeiten für jede bis auf eine Differenzmessung und der gemeinsamen Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen unter Verwendung der zuvor bestimmten invertierbaren Transformation bestimmt wird, und
– dass alle oder eine Teilmenge der Parameter der reellwertigen Schätzung auf ganzzahlige Schätzwerte abgebildet werden, und
– dass die Schätzung der gemeinsamen Mehrdeutigkeit und der in der Teilmenge nicht enthaltenen individuellen Mehrdeutigkeiten an die zuvor durchgeführte Abbildung anpasst wird.




Inventors:
Henkel, Patrick, Dr. (82275, Emmering, DE)
Mittmann, Ulrich (82319, Starnberg, DE)
Iafrancesco, Michele (81925, München, DE)
Application Number:
DE102016010439A
Publication Date:
03/15/2018
Filing Date:
08/27/2016
Assignee:
ANavS GmbH, 80798 (DE)
International Classes:



Foreign References:
200901848692009-07-23
Other References:
GLONASS Ambiguity Resolution. In: Inside GNSS Magazine, Volume 4, Number 2, March/April 2009, S. 24 - 28. URL: http://www.insidegnss.com/auto/marapr09-gnss-solutions.pdf [abgerufen am 23.08.2017]
ROSSBACH, Udo. GLONASS double difference ambiguity resolution in real-time. In: Proc. ION GPS, 2000, S. 163-171.URL: http://www.ifen.com/fileadmin/publications/IONGPS2000_GLONASS.pdf
WANG, J.: An approach to GLONASS ambiguity resolution. In: Journal of Geodesy (formerly: Bulletin Géodésique). 2000, Bd. 74, H. 5, S. 421-430. ISSN 1432-1394 (E); 0007-4632; 0949-7714 (P). DOI: 10.1007/s001900000096. URL: http://rd.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs001900000096.pdf [abgerufen am 06.02.2017]. Bibliographieinformationen ermittelt über: http://rd.springer.com/article/10.1007/s001900000096 [abgerufen am 06.02.2017].
WANG, Jinling [u.a.]: GPS and GLONASS Integration: Modeling and ambiguity Resolution issues. In: GPS Solutions. 2001, Bd. 5, H. 1, S. 55-64. ISSN 1521-1886 (E); 1080-5370 (P). DOI: 10.1007/PL00012877. URL: http://rd.springer.com/content/pdf/10.1007%2FPL00012877.pdf [abgerufen am 06.02.2017]. Bibliographieinformationen ermittelt über: http://rd.springer.com/article/10.1007/PL00012877 [abgerufen am 06.02.2017].
Claims:
1. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen, wobei
– jeder Kanal des frequenzmultiplexten Signals von einem eigenen Sender verwendet wird und an mindestens einem Ort empfangen wird,
– ein Sender als Referenzsender ausgewählt wird, und
– die Differenzmessungen aus den Trägerphasen von jedem einzelnen Sender und der Trägerphase des für alle Differenzmessungen verwendeten Referenzsenders bestimmt werden,
dadurch gekennzeichnet,
– dass eine invertierbare Transformation bestimmt wird, die die Mehrdeutigkeitsterme der Differenzmessungen der Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen in eine individuelle Mehrdeutigkeit für jede bis auf eine Differenzmessung und eine gemeinsame Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen transformiert, und
– dass eine reellwertige Schätzung der individuellen Mehrdeutigkeiten für jede bis auf eine Differenzmessung und der gemeinsamen Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen unter Verwendung der zuvor bestimmten invertierbaren Transformation bestimmt wird, und
– dass alle oder eine Teilmenge der Parameter der reellwertigen Schätzung auf ganzzahlige Schätzwerte abgebildet werden, und
– dass die Schätzung der gemeinsamen Mehrdeutigkeit und der in der Teilmenge nicht enthaltenen individuellen Mehrdeutigkeiten an die zuvor durchgeführte Abbildung anpasst wird.

2. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die invertierbare Transformation durch eine Matrix beschrieben werden kann, die lediglich von einer Mittenfrequenz, dem Frequenzabstand zwischen den frequenzmultiplexten Signalen, den Kanalnummern der frequenzmultiplexten Signale, dem Index des Referenzsenders und dem Index des Senders, für den keine individuelle Mehrdeutigkeit bestimmt wird, abhängt.

3. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Differenz zwischen der Kanalnummer des Referenzsenders und der Kanalnummer des Senders, für den keine individuelle Mehrdeutigkeit bestimmt wird, möglichst klein aber von Null verschieden ist.

4. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die invertierbare Transformation auf die Mehrdeutigkeitsterme von Doppeldifferenzmessungen angewandt wird, die aus der Differenz von den an zwei verschiedenen Orten bestimmten Differenzmessungen gebildet werden.

5. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die invertierbare Transformation nach Patentanspruch 1 nur auf eine Teilmenge der Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen angewandt wird.

6. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender der frequenzmultiplexten Signale Satelliten sind.

7. Verfahren zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten-Signalen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Satelliten Navigationssignale aussenden.

Description:
1. Zusammenfassung

Trägerphasen sind periodisch, so dass die Messungen der Trägerphasen eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit aufweisen. Differenzen von Trägerphasenmessungen werden gebildet, um Fehler zu eliminieren. Bei frequenzmultiplexten Systemen führt die Differenzbildung allerdings dazu, dass die Differenz der Mehrdeutigkeiten aufgrund der verschiedenen Frequenzen nicht mehr ganzzahlig ist. Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine invertierbare Transformation, die eine zuverlässige Schätzung von ganzzahligen Mehrdeutigkeiten auch für Differenzmessungen von frequenzmultiplexten Signalen ermöglicht.

2. Beschreibung2.1 Stand der Technik mit Fundstellen

Es ist bekannt, dass die Mehrdeutigkeitsterme der Differenzmessungen von Trägerphasen auf den Frequenzen k und l ausgedrückt werden können als die Linearkombination aus einer individuellen (d. h. k-abhängigen) Mehrdeutigkeit Nklu und einer für alle Differenzmessungen gemeinsamen (d. h. k-unabhängigen) Mehrdeutigkeit Nlu [1][2], d. h. λkNku – λlNlu = λkNklu + (λk – λl)Nlu

Zur Bestimmung der individuellen Mehrdeutigkeiten wurde in der Satellitennavigation von Wang [1] eine Schätzung der gemeinsamen Mehrdeutigkeit vorgenommen. Die Schätzung der gemeinsamen Mehrdeutigkeit basiert in einem ersten Schritt auf der Eingrenzung des Suchraumes mit Hilfe der im Vergleich zur Trägerphasen-Messung ungenauen Pseudorange-Messung. Die Voraussetzung hierfür sind hinreichend genaue Pseudorange-Messungen. Mit Hilfe einer statistischen Auswertung wird dann diejenige gemeinsame Mehrdeutigkeit ausgewählt, die am wahrscheinlichsten gemäß der verwendenten Statistik ist. In einem letzten Schritt werden dann die individuellen Mehrdeutigkeiten bestimmt.

  • [1] J. Wang, An approach to GLONASS ambiguity resolution, Journal of Geodesy, 74, pp. 421–430, Nov. 1999.
  • [2] J. Wang and C. Rizos, M. P. Stewart and A. Leick, GPS and GLONASS Integration: Modeling and Ambiguity Resolution Issues, GPS Solutions, Vol. 5, No. 1, pp. 55–64, 2001

2.2 Aufgabe und Zielsetzung

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen zuverlässig als ganze Zahlen zu schätzen.

2.3 Lösung des Problems

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Merkmale beinhalten

  • – dass eine invertierbare Transformation bestimmt wird, die die Mehrdeutigkeitsterme der Differenzmessungen der Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen in eine individuelle Mehrdeutigkeit für jede bis auf eine Differenzmessung und eine gemeinsame Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen transformiert, und
  • – dass eine reellwertige Schätzung der individuellen Mehrdeutigkeiten für jede bis auf eine Differenzmessung und der gemeinsamen Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen unter Verwendung der zuvor bestimmten invertierbaren Transformation bestimmt wird, und
  • – dass alle oder eine Teilmenge der Parameter der reellwertigen Schätzung auf ganzzahlige Schätzwerte abgebildet werden, und
  • – dass die Schätzung der gemeinsamen Mehrdeutigkeit und der in der Teilmenge nicht enthaltenen individuellen Mehrdeutigkeiten an die zuvor durchgeführte Abbildung anpasst wird.

2.4. Vorteile der Lösung

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass eine Schätzung von ganzzahligen Mehrdeutigkeiten für Differenzmessungen von periodischen Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen ermöglicht wird.

2.5 Detaillierte Erläuterung zu den Ansprüchen/Technische Beschreibung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt beispielhaft mehrere Sender (A), von denen jeder ein Signal (B) auf einer eigenen Frequenz aussendet. Die Messungen der periodischen Trägerphasen am Empfänger weisen jeweils eine Mehrdeutigkeit (C) auf.

2 beinhaltet das Verfahren zur Schätzung der Mehrdeutigkeiten von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen.

Zunächst werden aus den mit (1) bezeichneten Parametern der Mittenfrequenz f0und des Frequenzabstands Δfund den mit (2) bezeichneten Kanalnummern nkdie Wellenlänge (4) für den k-ten Sender entsprechend der Beziehung (3) berechnet.

Die Messung der vom k-ten Sender ausgesandten Trägerphase am u-ten Empfänger ist periodisch und hat eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit Nku

Die Trägerphasen der frequenzmultiplexten Signale werden mit der Wellenlänge des jeweiligen Senders multipliziert, um ein Metermaß zu erhalten. Die Messung der Trägerphasen ist von einigen empfängerabhängigen Fehlern beeinflusst. Deshalb wird ein Sender als Referenzsender ausgewählt und Differenzmessungen zwischen den Trägerphasen aller Sender und den Trägerphasen des Referenzsenders gebildet. Der Referenzsender (5) wird vom Empfänger ausgewählt, beispielsweise durch Auswahl des Senders mit größter Signalstärke. Der Referenzsender (5) wird mit dem Index lbezeichnet. Die Differenz von zwei mit der jeweiligen Wellenlänge multiplizierten Trägerphasen von verschiedenen Sendern beinhaltet ein Distanzmaß zwischen den beiden frequenzmultiplexten Signalen. Die Differenzmessung von den Trägerphasen von zwei frequenzmultiplexten Signalen ist ebenfalls mehrdeutig. Allerdings lässt sich die nachfolgende Differenz der Mehrdeutigkeitsterme (9) λkNku – λlNluim Allgemeinen nicht mehr als ein Produkt von einer Wellenlänge mit einer ganzzahligen Mehrdeutigkeit darstellen.

Das folgende Verfahren beinhaltet eine invertierbare Transformation (7), die die reellwertigen Differenzen der Mehrdeutigkeitsterme (9) in eine individuelle Mehrdeutigkeit für jede bis auf eine Differenzmessung und eine gemeinsame Mehrdeutigkeit für alle Differenzmessungen transformiert, wobei die Wellenlängen der individuellen Mehrdeutigkeiten in der Größenordnung der Wellenlänge der frequenzmultiplexten Signale liegt. Damit sind die individuellen Mehrdeutigkeiten der Differenzmessungen als ganze Zahlen schätzbar. Die Berechnung einer invertierbaren Transformation erfordert die Auswahl eines Senders, dessen Mehrdeutigkeit auf die anderen Mehrdeutigkeiten projiziert wird. Der entsprechende Sender wird mit dem Index (6) ibezeichnet. Die Wellenlängen (4), Kanalnummern (2), der Index des Referenzsenders (5) und der Index der projizierten Mehrdeutigkeit (6) werden zur Bestimmung (7) der invertierbaren Transformation verwendet. Die Inverse der Transformationsmatrix (8) ist gegeben durch

Im nächsten Verarbeitungsschritt (10) wird die Transformationsmatrix auf die reellwertige Schätzung der Differenz der Mehrdeutigkeitsterme (9) angewandt, d. h.

Das Ergebnis auf der linken Seite beinhaltet eine reellwertige Schätzung der individuellen Mehrdeutigkeiten (12) für jede bis auf eine Differenzmessungen und der gemeinsamen Mehrdeutigkeit (11) für alle Differenzmessungen. In einem letzten Schritt werden alle oder eine Teilmenge der reellwertigen Schätzungen der individuellen Mehrdeutigkeiten (12) auf ganze Zahlen (14) abgebildet (13). Hierfür kann eine einfache Rundung, eine sequentielle Rundung, die die Korrelation zwischen den reellwertigen Schätzungen berücksichtigt, oder eine systematische Baumsuche verwendet werden. Die Schätzwerte der gemeinsamen Mehrdeutigkeit (11) und die in der Teilmenge nicht enthaltenen individuellen Mehrdeutigkeiten werden nach der Abbildung (13) ebenfalls angepasst. Ein vorteilhaftes Kriterium für die Anpassung ist die Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es, die Transformationsmatrix direkt aus der Mittenfrequenz der frequenzmultiplexten Signale, des Frequenzabstands der frequenzmultiplexten Signale, der Kanalnummern der frequenzmultiplexten Signale, dem Index des Referenzsenders und dem Index des Senders, für den keine individuelle Mehrdeutigkeit berechnet wird, zu bestimmen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht es, die individuellen, transformierten Mehrdeutigkeiten als ganze Zahlen zu schätzen. Hierfür wird die absolute Differenz zwischen der Kanalnummer des Referenzsenders und der Kanalnummer des Senders, für den keine individuelle Mehrdeutigkeit bestimmt wird, möglichst klein aber von Null verschieden, gewählt, so dass die Wellenlängen der Transformationsmatrix den Wellenlängen der frequenzmultiplexten Signale entsprechen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 ermöglicht es, die invertierbare Transformation auf die Mehrdeutigkeitsterme von Doppeldifferenzmessungen anstelle von Differenzmessungen anzuwenden. Doppeldifferenzmessungen werden aus der Differenz von den an zwei verschiedenen Orten bestimmten Differenzmessungen gebildet und liefern damit eine Information über die Relation der beiden Orte.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 ermöglicht es, die Transformation auch nur auf eine Teilmenge von Differenzmessungen von Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen anzuwenden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn einige Trägerphasen von frequenzmultiplexten Signalen fehlerhaft sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 6 ermöglicht es, das Verfahren auch auf frequenzmultiplexte Signale von Satelliten anzuwenden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 7 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 7 ermöglicht es, das Verfahren auch auf frequenzmultiplexte Signale von Navigationssatelliten anzuwenden. Ein Beispiel ist das globale Navigationssystem GLONASS, das frequenzmultiplexte Signale zur Positionsbestimmung aussendet.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • J. Wang, An approach to GLONASS ambiguity resolution, Journal of Geodesy, 74, pp. 421–430, Nov. 1999 [0003]
  • J. Wang and C. Rizos, M. P. Stewart and A. Leick, GPS and GLONASS Integration: Modeling and Ambiguity Resolution Issues, GPS Solutions, Vol. 5, No. 1, pp. 55–64, 2001 [0003]