Heft 64/1999

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 64/1999

WERNER, Wolfgang

Entwicklung eines hochpräzisen DGPS-DGLONASS Navigationssystems unter besonderer Berücksichtigung von Pseudolites

Dissertation
V, 223 S.

Auflage:  300

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung


 


Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) eingereichten Dissertation.

Promotionsausschuß:  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. H.c. W. Welsch
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Beutler
3. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Schänzer

Die Dissertation wurde am 16. Oktober 1998 bei der Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  26. Oktober 1999
 



Verkürztes Inhaltsverzeichnis

1  Einführung 1
    1.1  Einleitung 1
    1.2  Anforderungen an ein hochpräzises Navigationssystem 2
    1.3  Zielstellung 3
 
NAVSTAR GPS 5
    2.1  Aufbau des GPS 5
    2.2  Funktionsweise des GPS 7
    2.3  Signalstruktur 7
    2.4  Aufbau eines GPS-Empfängers 10
 
3  Meßgrößen, Beobachtungsgleichungen, Fehlereinflüsse 12
    3.1  Beobachtbare Meßgrößen 12
    3.2  Störeinflüsse 15
    3.3  Modellbildung zur Positionierung 33
 
4  Bestimmung der Trägerphasenmehrdeutigkeiten 44
    4.1  Statische Mehrdeutigkeitsbestimmung 45
    4.2  Schnelle kinematische Mehrdeutigkeitsbestimmung 49
    4.3  Validierung der Mehrdeutigkeitskombination 62
    4.4  Zukunft der Trägerphasenfixierung 69
 
GLONASS 78
    5.1  Allgemeines zu GLONASS 78
    5.2  Integration von GLONASS in die Navigationslösung 83
 
Pseudolites 90
    6.1  Allgemeines zur Pseudolite-Problematik 90
    6.2  Integration von Pseudolites in das Positionierungsmodell 103
    6.3  Untersuchungen zum Pulsschema 117
 
7  Ausgewählte Tests und Ergebnisse 143
    7.1  Verifikation des hochpräzisen Navigationssystems 143
    7.2  Testergebnisse zur GLONASS-Integration 149
    7.3  Testergebnisse zu Pseudolite-Tests 154
    7.4  Vergleich unterschiedlicher Auswertemethoden 160
    7.5  Verschiedene Tests zur Mehrdeutigkeitsbestimmung 166
 
8  Sichtbarkeitsanalyse für den Flughafen München 176
    8.1  Navigation allein mittels GPS 177
    8.2  Navigation mittels GPS und GLONASS 180
    8.3  Navigation bei Verwendung von Pseudolites 181
 
Zusammenfassung 184
 
Hardwarekomponenten des Navigationssystems 187
Softwarekomponenten des Navigationssystems 189
C  Bemerkungen zu den PL-Flugversuchen 203
D  Mathematische Nomenklatur 207
E  Referenzen 214
 
Dank 223
 

 
Zusammenfassung

Die hohe Präzision der Trägerphasenmessungen ermöglicht auch für kinematische Echtzeitanwendungen Positionierungsgenauigkeiten im Zentimeterbereich. Eine notwendige Voraussetzung ist jedoch die Bestimmung der Trägerphasenmehrdeutigkeiten. In den letzten Jahren wurden einige Algorithmen veröffentlicht, die eine effiziente Suche der korrekten Kombination in kürzester Zeit ermöglichen. Eine verbleibende gemeinsame Schwäche aller Algorithmen ist jedoch noch immer die ungenügende Zuverlässigkeit, da systematische Restfehler vor allem nicht modellierter Störeffekte zu einem verfälschten Test und damit irrtümlich zur Akzeptanz einer falschen oder zur Verwerfung einer korrekten Kombination führen können. Eben diese Unzuverlässigkeit ist der Grund, weshalb ein Auswerteverfahren mit Fixierung der Mehrdeutigkeiten für die zivile Navigation (noch) nicht akzeptabel ist. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob sich eine solche prinzipiell hochpräzise Navigationsmethode unter verbesserten Randbedingungen, z.B. bei mehreren Trägerfrequenzen mit höheren Codechipraten, bei genügender Sendebandbreite oder unter Zuhilfenahme von GLONASS oder Pseudolites (PL) durchsetzen kann.

Die Integration von GLONASS stellt aufgrund des FDMA ein gewisses Problem für die Mehrdeutigkeitsfixierung dar, weil bei einer doppelten Differenzierung der Beobachtungen entweder der kombinierte Empfängeruhrfehler erhalten bleibt oder die Mehrdeutigkeitsterme ihren Ganzzahligkeitscharakter verlieren, so daß keine Suche im Vektorraum der Ganzzahlen durchgeführt werden kann. Ein anderer denkbarer Ansatz ist, über Multiplikation der dopplet differenzierten Gleichungen mit einem frequenzabhängigen Faktor die Ganzzahligkeit des Mehrdeutigkeitsterms zu garantieren. Leider führt dies auf eine extrem kleine virtuelle Wellenlänge, so daß auch hier keine sinnvolle Anwendung eines Suchverfahrens in Frage kommt. Eine denkbare Lösung dieses Problems ist die Verwendung eines gemischten GPS/GLONASS-Filters, wobei für den GPS-Teil doppelt differenzierte Gleichungen, für den GLONASS-Teil aber nur einfach differenzierte Gleichungen verwendet werden.

Zu dieser Frequenzproblematik bei GLONASS kommt, daß die politische Zukunft von GLONASS zum augenblicklichen Zeitpunkt unvorhersehbar ist. Vom Betreiber wird keinerlei Garantie über die zukünftige Verfügbarkeit der Navigationssignale übernommen.

Die Untersuchung von Pseudolites hingegen stellt ein aktuell heiß diskutiertes Thema dar. Im Moment sieht die ICAO („International Civil Aviation Organisation”) die Verwendung von Pseudolites für CAT-II und CAT-III Präzisionslandungen vor. Für CAT-I Landungen hofft man, ohne PL-Unterstützung auszukommen, daher sind PLs für CAT-I optional. Ob die hohen Anforderungen bezüglich Integrität und Verfügbarkeit jedoch ohne PLs erreichbar sind, ist zum gegebenen Zeitpunkt noch unklar.

Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Entwicklung eines hochpräzisen Navigationssystems, welches zum Teil im Rahmen eines DARA-Projektes entstand. Zunächst wurden die wesentlichen Beobachtungstypen kurz hergeleitet, die mit einem herkömmlichen GPS-Empfänger möglich sind und in der Regel als Rohdaten nach außen hin verfügbar sind. Daran schloß sich eine Identifizierung möglicher Fehlereinflüsse an, die auf die Messungen wirken. Diese Einflüsse müssen in geeigneter Weise modelliert werden, um die gewünschte hohe Genauigkeit im Zentimeterbereich zu erzielen.

Wesentlich zur Erreichung der geforderten Präzision ist die Auswertuing des Phasensignals, welches als sehr genaue Entfernungsmessung interpretiert werden kann. Dieses Signal ist jedoch mehrdeutig im Hinblick auf die Anzahl der Wellenlängen zwischen Satellit und Empfänger. Ein zentraler Punkt der vorliegenden Arbeit ist daher der Vergleich unterschiedlicher Methoden zur Bestimmung dieser Mehrdeutigkeiten im kinematischen Fall.

Dazu wurden innerhalb dieser Arbeit verschiedene Ansätze zur Bestimmung der korrekten Mehrdeutigkeitskombinationen analysiert. Darüber hinaus wurde ein neuer Algorithmus zur Bestimmung der Mehrdeutigkeiten entwickelt, der mit anderen existierenden Verfahren vergleichbar ist. Dabei ist die Zielstellung, die Minimierung einer diophantischen L2-Norm, identisch mit denen anderer Algorithmen. Neu dagegen ist die Suchstrategie, welche auf einer Implementierung einer Baumsuche nach dem Best-First-Prinzip basiert. Dadurch ist es möglich, eine optimale Baumsuche durchzuführen und so Teilkombinationen mit zu großen Residuen frühzeitig zu verwerfen. Der Preis dieses Verfahrens liegt im benötigten Speicherbereich, der für eine nach Teilresiduen sortierte Liste der Teilkombinationen vorgesehen werden muß. Als zusätzlicher Rechenaufwand ergeben sich Vergleichsoperationen zum Sortieren der Liste, welche aber in weit kürzerer Zeit durchgeführt werden können, als arithmetische Operationen auf Fließkommazahlen.

Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Integration von Pseudolites (PLs). Durch die besondere geometrische Situation des PL-Senders am Boden ergeben sich etliche physikalische Verhältnisse, die bei Satelliten nicht auftreten. Beispielsweise werden troposphärische Fehler durch Differenzenbildung nicht eliminiert. Je nach relativer Geometrie zwischen Referenzstation, PL und Nutzer können sich etwaige „Orbitfehler” des PLs durch Differenzenbildung sogar verstärken. Da das PL-Signal für einen an einen Flughafen anfliegenden Nutzer von „unten” kommt, spielt der Antennenbauort im Flugzeug eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Die Vorteile eines PLs sind im wesentlichen die sichere Verfügbarkeit eines zusätzlichen „Satelliten” als Entfernungsquelle, der außerdem keine künstliche Signalverschlechterung (wie S/A bei GPS) erfährt. Darüber hinaus müssen keine ionosphärischen Störeffekte berücksichtigt werden, da das PL-Signal nur durch den unteren Teil der Atmosphäre verläuft.

Eines der großen Probleme bei der Verwendung von PLs ist die sehr hohe Signaldynamik, die der Nutzerempfänger während eines Anflugs bis hin zur Landung erfährt (bekannt als „Near-Far”-Problem). Durch die hohe Signalstärke, die notwendig ist, um das Signal eines PL in 30 km Distanz zu akquirieren und zu verfolgen, ist ein GPS-Empfang im Nahbereich des PL ohne besondere Vorkehrungen, d.h. eine besondere Signalstruktur, nicht möglich. Daher wird seit einiger Zeit versucht, das Problem über TDMA („Time Division Multiple Access”) zu lösen. Dabei wird das PL-Signal nur für jeweils kurze Zeit mit entsprechend hoher Leistung abgestrahlt („gepulst”). In der verbleibenden Zeit steht dem Empfänger ein nicht beeinträchtigtes GPS-Signal zur Verfügung, so daß ein simultaner GPS/PL-Empfang möglich ist.

Die Auswirkungen dieser gepulsten Signale auf einen GPS/PL-Empfänger wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals genauer analysiert. Es wird gezeigt, daß bei Korrelation eines Pulses mit dem im GPS/PL-Empfänger generierten Referenzsignal aufgrund der Unsymmetrie der Teilkorrelationsfunktion durchaus Verfälschungen der Codemessungen verursacht werden können. Dies spricht einerseits für ein Pulsschema mit möglichst vielen kurzen Pulsen, um ein möglichst gleichmäßiges Signal zu erzielen. Andererseits wird gezeigt, daß eine möglichst lange Korrelationszeit der PL-Empfänger wesentlich zur Güte der PL-Codemessung beiträgt. Daher sind nicht-kohärent arbeitende Empfänger besser geeignet als kohärente Empfänger, deren Korrelationszeit durch die Dauer eines Datenbits nach oben beschränkt ist.

Um das Codespektrum nicht durch ein ungünstiges (zu regelmäßiges) Pulsschema zu deformieren bzw. Teilbereiche des Spektrums nicht zu sehr zu verstärken, sollte außerdem von einer pseudo-zufälligen Verteilung vieler kurzer Pulse Gebrauch gemacht werden. Dadurch wird ein Signal erzeugt, das einem gewöhnlichen kontinuierlichen Signal noch ähnlicher ist. Bei - relativ zu den Pulsen gemessenen - langen Integrationszeiten der Empfänger ist anzunehmen, daß die Auswirkungen auf eine Code- und Phasenmessung gering sind. Die Generierung eines solchen Pulsschemas kann ebenso über rückgekoppelte Schieberegister realisiert werden, wie die Goldcode-Generierung in GPS-Satelliten.

Schließlich wurde die vorliegende Arbeit durch verschiedene Tests und Ergebnisse mit dem hier entwickelten hochpräzisen Navigationssystem abgerundet. Einerseits wurden Tests ausgewählt, welche die hohe Präzision des Systems im Zentimeterbereich verifizieren sollen. Andererseits wurden diverse Vergleiche implementierter Verfahren angeführt, die Güte einer Positionslösung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern darzustellen.
 


 
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