DE19539302B4 - Positioning method using Differential GPS (DGPS) - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Positionsbestimmung mittels Differential GPS (DGPS), insbesondere für mobile Einheiten, wobei von einer Referenzstation (2), deren wahre, geographische Position genau bekannt ist,
mittels eines GPS-Empfängers (5) dessen Pseudoposition bestimmt wird,
aus der wahren Position und der Pseudoposition DGPS-Korrekturdaten generiert werden, welche über ein beliebiges öffentliches Mobilfunknetz über dessen Basisstationen an die mobile Einheit (3) übertragen werden,
welche Basisstationen diese Korrekturdaten an die mobile Einheit aussenden,
so dass die mobile Einheit (3) aus den Korrekturdaten und ihrer eigenen, von einem in der mobilen Einheit befindlichen GPS-Empfänger (8) ermittelten Pseudoposition eine korrigierte Position ermittelt
und die korrigierte Position der mobilen Einheit einer Zentrale (4) übermittelt werden,
wobei ferner die Referenzstation (2) in der Basisstation (7) integriert ist,
wobei die DGPS-Korrekturdaten über einen Kanal des Mobilfunknetzes übertragen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Basisstation (7) mit der dort integrierten Referenzstation (2) die Entfernung...Differential GPS positioning system (DGPS), in particular for mobile units, being accurately known by a reference station (2) whose true, geographical position is known;
by means of a GPS receiver (5) whose pseudo-position is determined
DGPS correction data are generated from the true position and the pseudo-position which are transmitted to the mobile unit (3) via any public mobile radio network via its base stations,
which base stations transmit this correction data to the mobile unit,
such that the mobile unit (3) determines a corrected position from the correction data and its own pseudo-position determined by a GPS receiver (8) located in the mobile unit
and the corrected position of the mobile unit is transmitted to a center (4),
further wherein the reference station (2) is integrated in the base station (7),
wherein the DGPS correction data is transmitted over a mobile network channel,
characterized in that
in the base station (7) with the integrated reference station (2) there is the distance ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Beschrieben ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung mittels DGPS nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.described is a method for determining the position by means of DGPS after the Preamble of claim 1.

Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Positionierungs-, Navigations- und Zeitübertragungssystem, welches vom US-Verteidigungsministerium primär für militärische Zwecke entwickelt und aufgebaut wurde.The Global Positioning System (GPS) is a satellite-based positioning, Navigation and time transmission system, which is developed by the US Department of Defense primarily for military purposes and was built.

Grundsätzlich ermöglicht das GPS weltweit eine dreidimensionale Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung in Echtzeit.Basically that allows GPS worldwide a three-dimensional position and velocity determination Real time.

Das GPS ist mit Einschränkungen auch dem zivilen Nutzer zugänglich, wobei die Einschränkung darin besteht, daß die für allgemeine Anwendungen zur Verfügung stehenden GPS-Daten eine Echtzeit-Positionsbestimmung nur auf einem bestimmten Genauigkeitsniveau realisiert werden kann.The GPS is with limitations also accessible to the civilian user, the limitation being in it exists that the for general Applications available standing GPS data a real-time positioning only on one certain level of accuracy can be realized.

Die Ungenauigkeit bei der GPS-Positionsbuchung beruht einerseits auf Laufzeitverzögerungen des GPS-Signals in der Atmosphäre, anderseits werden die Signale künstlich verfälscht.The Inaccuracy in the GPS position booking is based on one hand Propagation delays of GPS signal in the atmosphere, on the other hand, the signals become artificial falsified.

Diese Manipulation der GPS-Signale, welche durch den U.S. Kongreß in Übereinstimmung mit den nationalen Sicherheitsinteressen der USA festgesetzt wird, bezeichnet man als "Selective Availability" (SA).These Manipulation of the GPS signals described by U.S. Pat. Congress in accordance with US national security interests, is called "Selective Availability "(SA).

Um mit GPS arbeiten zu können, benötigt man im einfachsten Fall einen GPS-Empfänger, der dem Benutzer die Position auf einem Display anzeigt. Die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten von GPS und der Wunsch, Genauigkeiten bis in den Submeter und Zentimeterbereich zu erreichen, führt zu immer ausgefeilteren Verfahren und zu einer Vielzahl von Empfängertypen.Around to work with GPS, one needs in the simplest case a GPS receiver, which gives the user the Display position on a display. The different applications from GPS and the desire to have accuracies down to the submeter and centimeter range to reach leads to ever more sophisticated procedures and to a variety of receiver types.

Für viele Nutzer ist eine Positionsgenauigkeit von ca. 100 m beim Empfang des GPS-Codes unter SA Bedingungen sicherlich ausreichend. Andererseits zeigen Marktstudien, daß die Einsatzgebiete für hochpräzise Navigation und Ortung ebenso vielfältig und zahlreich sind. Zur Erzielung der in diesen Fällen geforderten Genauigkeit muß das GPS in einem Differential Mode betrieben werden, wobei ein Differential GPS-System (DGPS) im wesentlichen aus vier Hauptkomponenten besteht:

  • – der Referenzstation,
  • – dem mobilen Nutzer,
  • – der Datenverbindung sowie
  • – dem Überwachungs- und Kontrollsystem.
For many users, a position accuracy of about 100 m when receiving the GPS code under SA conditions is certainly sufficient. On the other hand, market studies show that the areas of application for high-precision navigation and location are just as varied and numerous. To achieve the accuracy required in these cases, the GPS must be operated in differential mode, with a differential GPS system (DGPS) consisting essentially of four main components:
  • - the reference station,
  • The mobile user,
  • - the data connection as well
  • - the monitoring and control system.

In der Referenzstation sind die exakten Koordinaten des stationären GPS-Empfängers genauestens bekannt, so daß die Differenz zwischen wahrer und gemessener Position berechnet und als Korrekturvektor angegeben werden kann.In the reference station, the exact coordinates of the stationary GPS receiver are accurate known so that the Calculated difference between true and measured position and can be specified as a correction vector.

Dieser Positionsfehler wird entweder dem mobilen Nutzer zur eigenen Korrektur per Funkdatenübertragung zur Verfügung gestellt oder die von den mobilen Teilnehmern via Funkdatenübertragung gemeldeten Positionen werden in der Zentrale nachträglich korrigiert.This Positional error is either the mobile user for their own correction by radio data transmission to disposal provided or reported by the mobile subscribers via wireless data transmission Positions are subsequently corrected in the head office.

Das vorteilhaftere, genauere und kostengünstigere Verfahren ist die Korrektur in der mobilen Einheit, da bei einer Nachverarbeitung in der Zentrale zunächst mittels umfangreicher Prozeduren die momentane Satellitenkonstellation der mobilen Station zurückgerechnet werden muß. Darüber hinaus werden Fehler vermieden, welche aus Laufzeitverzögerungen auf der Funkstrecke zwischen der mobilen Einheit und der Zentrale resultieren.The more advantageous, more accurate and less expensive process is the Correction in the mobile unit, as in a post-processing at the headquarters first By means of extensive procedures the current satellite constellation the mobile station recalculated must become. About that It also avoids errors resulting from runtime delays on the radio link between the mobile unit and the control center result.

Als nächstliegender Stand der Technik wird die GB 2 264 837 A angesehen. Aus dieser Druckschrift geht ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 hervor, wobei von einer Referenzstation, deren wahre geographische Position genaue bekannt ist, mittels eines GPS-Empfängers deren Pseudoposition bestimmt wird, aus der wahren Position und der Pseudoposition DGPS-Korrekturdaten generiert werden, welche über ein beliebiges, öffentliches Mobilfunknetz an die mobile Einheit übertragen werden, so daß die mobile Einheit aus den Korrekturdaten und ihrer eigenen, von einem in der mobilen Einheit befindlichen GPS-Empfänger ermittelten Pseudoposition eine korrigierte Position ermitteln kann.The closest prior art is the GB 2 264 837 A considered. From this document, a method according to the preamble of claim 1, wherein from a reference station, the true geographical position is accurately known by means of a GPS receiver whose pseudo position is determined to be generated from the true position and the pseudo position DGPS correction data, which are transmitted to the mobile unit via any public mobile telephone network, so that the mobile unit can determine a corrected position from the correction data and its own pseudo position determined by a GPS receiver located in the mobile unit.

Die Schriften WO 95 18978 A1 und WO 95 18977 A1 beschreiben Verfahren zur Verbreitung von korrigierten GPS-Daten, wobei unabhängig von einem verwendeten Kommunikationssystem mehrere Referenzstationen vorgesehen sind, welche GPS-Korrekturdaten an eine Zentralstelle weiterleiten. Diese Zentralstelle ist mit einem Rundfunksender ausgestattet, welcher dann zentral für ein sehr großes Gebiet DPGS-Korrekturdaten vorzugsweise an mobile Empfänger aussendet. The writings WO 95 18978 A1 and WO 95 18977 A1 describe methods for the distribution of corrected GPS data, wherein, regardless of a communication system used, a plurality of reference stations are provided, which forward GPS correction data to a central office. This central office is equipped with a radio transmitter, which then emits DPGS correction data, preferably to mobile receivers, centrally for a very large area.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Positionsbestimmung mittels DGPS derart weiterzubilden, daß die mittels DGPS ermittelten Positionsdaten einer mobilen Einheit auch einer Zentrale ohne zusätzliche Belastung der Funkschnittstelle übermittelt wird.task The invention is a method of the type mentioned for Position determination by means of DGPS in such a way that the means DGPS determined position data of a mobile unit also one Central without additional Transmitted load of the radio interface becomes.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die technische Lehre des Patentanspruchs 1.Is solved this object by the technical teaching of claim 1.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß ein DGPS-System in Kombination mit einem Mobilfunknetz vorhanden ist, so daß eine wesentliche Einsparung von Infrastruktur erreicht wird, da ein bestehendes, flächendeckendes Mobilfunknetz für die Übertragung der DGPS-Daten genutzt werden kann. Parallel zum eigentlichen vorhanden Sprechverkehr erfolgt die Datenübertragung über einen physikalischen bzw. logischen Kanal, welcher bereits für eine Datenübertragung eingerichtet sind. Eine oder mehrere Basisstationen eines beliebigen Mobilfunknetzes senden GPS- Korrekturdaten aus. Die Basisstation stellt also gleichzeitig eine DGPS-Referenzstation dar, deren geographische Position genauestens bekannt ist. Ein in der Basisstation installierter GPS-Empfänger liefert dabei die Rohdaten zur Ermittlung einer Pseudoposition der Referenz/Basisstation.An essential feature of the invention is that a DGPS system in combination with a Mobil radio network is available, so that a substantial saving of infrastructure is achieved because an existing, nationwide mobile network can be used for the transmission of DGPS data. Parallel to the actual speech communication present, the data transmission takes place via a physical or logical channel, which are already set up for data transmission. One or more base stations of any mobile network will send GPS correction data. At the same time, the base station is therefore a DGPS reference station whose exact geographical position is known. A GPS receiver installed in the base station supplies the raw data for determining a pseudo position of the reference / base station.

Aufgrund der beschriebenen Fehler bzgl. der GPS-Positionsdatenberechnung weicht die Pseudoposition dynamisch von der vermessenen Position ab. Die berechnete Position der Basisstation wird einem DGPS-Server zugeführt, welcher aus der berechneten und der vermessenen Position die DGPS-Korrektursignale generiert.by virtue of the described error with respect to the GPS position data calculation gives way Pseudo position dynamically from the measured position. The calculated Position of the base station is fed to a DGPS server, which from the calculated and the measured position, the DGPS correction signals generated.

Darauf werden vom Server die Fehler der Pseudoentfernungen ΔRi zu allen sichtbaren Satelliten bestimmt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die mobilen Empfänger nicht dieselben Satelliten wie die Referenzstation benutzen müssen, da das Korrektursignal die Korrekturdaten für alle Satelliten enthält.The errors of the pseudoranges ΔR i to all visible satellites are then determined by the server. The advantage of this method is that the mobile receivers do not have to use the same satellites as the reference station because the correction signal contains the correction data for all satellites.

Alternativ ist es auch möglich, die Positionsabweichug jeweils als Differenz zwischen wirklicher und gemessener geographischer Position zu übertragen.alternative it is also possible the Positionsabweichug each as the difference between real and geographical location.

Durch DGPS-Server erfolgt zusätzlich eine Anpassung an die für das jeweilige Mobilfunksystem optimalste Übertragungsart. Nach der Ermittlung der DGPS-Korrekturdaten werden diese über eine entsprechende Schnittstelle dem Mobilfunksystem übergeben und von der Basisstation ausgesendet.By DGPS server is additional an adaptation to the for the respective mobile radio system optimal transmission mode. After the investigation the DGPS correction data are these via a corresponding interface handed over to the mobile system and sent out from the base station.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das DGPS prinzipiell für alle Mobilfunkteilnehmer nutzbar ist und der DGPS-Dienst bundesweit, europaweit und in Zukunft sogar weltweit angeboten werden kann.One Another advantage is that the DGPS in principle for all mobile subscribers usable and the DGPS service nationwide, Europe-wide and in the future can even be offered worldwide.

Die Erfindung wird in einem Beispiel unter Zuhilfenahme einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt den Verfahrensablauf anhand des mobilen Bündelfunkdienstes CHEKKER, ist jedoch auch auf beliebige andere Mobilfunknetze übertragbar.The Invention will be described in an example with the aid of a drawing explained in more detail. The drawing shows the procedure using the mobile trunking service CHECKER but also transferable to any other mobile networks.

Im Beispiel ist ein Raumsegment 1 gezeigt, in dem sich z.B. drei GPS-Satelliten 1a, 1b und 1c aufhalten.In the example is a space segment 1 shown in which, for example, three GPS satellites 1a . 1b and 1c stop them.

Weiterhin ist eine Referenzstation 2 dargestellt, die gleichzeitig die Basisstation 7 des Mobilfunknetzes darstellt.Furthermore, it is a reference station 2 represented simultaneously the base station 7 represents the mobile network.

Eine Mobile Einheit 3 ist mit der Basisstation über das Mobilfunknetz verbunden.A mobile unit 3 is connected to the base station via the mobile network.

Eine Zentrale 4 kommuniziert über das Mobilfunknetz mit der Mobilen Einheit 3, wobei die Zentrale z.B. von einem gewerblichen Nutzer des Mobilfunknetzes betrieben wird, welcher über eine genaue Kenntnis der Position der betrieblichen mobilen Einheit informiert sein will (z.B. ein Fuhrunternehmen).A central office 4 communicates with the mobile unit via the mobile network 3 in which the center is operated, for example, by a commercial user of the mobile radio network who wants to be informed about an exact knowledge of the position of the mobile enterprise unit (eg a haulage company).

Über das Mobilfunknetz kommt von der Zentrale 4 eine Anfrage an die mobile Einheit 3, daß diese ihre genaue Position durchgeben soll. Erfindungsgemäß läuft nun folgendes ab:
Von der Referenzstation 2, deren genaue geographische Position bekannt ist, wird vorzugsweise in festen Abständen mittels eines GPS-Empfängers 5 die Pseudoposition der Referenzstation 2 bestimmt. Ein DGPS-Server 6 vergleicht nun die wahren, bekannten Positionsdaten der Referenzstation 2 mit den ermittelten Pseudopositionsdaten und generiert Korrekturdaten, welche den Fehler zwischen wahrer und gemessener Position beinhalten.About the mobile network comes from the headquarters 4 a request to the mobile unit 3 that it should give its exact position. According to the invention, the following now proceeds:
From the reference station 2 whose exact geographical position is known, is preferably at fixed distances by means of a GPS receiver 5 the pseudo position of the reference station 2 certainly. A DGPS server 6 now compares the true, known position data of the reference station 2 with the determined pseudo position data and generates correction data containing the error between true and measured position.

Über die Basisstation 7 des Mobilfunknetzes werden diese Korrekturdaten bevorzugt in festen Zeitabständen ausgesendet.About the base station 7 of the mobile network, these correction data are preferably sent out at fixed time intervals.

Die mobile Einheit 3 verfügt über einen eigenen GPS-Empfänger 8 und bestimmt mit diesem seine eigene, noch mit einer starken Abweichung behaftete Position. Mittels des Mobilfunkgerätes 10 werden gleichzeitig die DGPS-Korrektursignale der Basisstation 7 empfangen. Ein Bordrechner 9 generiert aus den GPS-Positionsdaten mit Hilfe der empfangenen Korrekturdaten eine korrigierte Position, welche nur noch einen geringen Fehler aufweist.The mobile unit 3 has its own GPS receiver 8th and determines with this his own, still with a strong deviation afflicted position. By means of the mobile device 10 simultaneously the DGPS correction signals of the base station 7 receive. An on-board computer 9 generates from the GPS position data with the help of the received correction data a corrected position, which has only a small error.

Diese korrigierte Position wird über das Mobilfunknetz an die Zentrale 4 zurückgemeldet, von deren Mobilfunkgerät 11 empfangen und die empfangenen Werte mittels eines Rechners 12 weiterverarbeitet und z.B. auf einer digitalen Landkarte darstellt.This corrected position is transmitted to the control center via the mobile network 4 reported back from their mobile device 11 received and the received values by means of a computer 12 further processed and displayed eg on a digital map.

Vorteil der Verwendung eines Mobilfunknetzes zur Datenübertragung ist, daß eine bidirektionale Übertragung von Daten ohne zusätzliche Aufwand möglich ist. Die Übertragung erfolgt dabei neben dem eigentlichen Sprechbetrieb.advantage the use of a mobile network for data transmission is that a bidirectional transmission of data without additional Effort possible is. The transfer takes place next to the actual speech operation.

Claims (1)

Verfahren zur Positionsbestimmung mittels Differential GPS (DGPS), insbesondere für mobile Einheiten, wobei von einer Referenzstation (2), deren wahre, geographische Position genau bekannt ist, mittels eines GPS-Empfängers (5) dessen Pseudoposition bestimmt wird, aus der wahren Position und der Pseudoposition DGPS-Korrekturdaten generiert werden, welche über ein beliebiges öffentliches Mobilfunknetz über dessen Basisstationen an die mobile Einheit (3) übertragen werden, welche Basisstationen diese Korrekturdaten an die mobile Einheit aussenden, so dass die mobile Einheit (3) aus den Korrekturdaten und ihrer eigenen, von einem in der mobilen Einheit befindlichen GPS-Empfänger (8) ermittelten Pseudoposition eine korrigierte Position ermittelt und die korrigierte Position der mobilen Einheit einer Zentrale (4) übermittelt werden, wobei ferner die Referenzstation (2) in der Basisstation (7) integriert ist, wobei die DGPS-Korrekturdaten über einen Kanal des Mobilfunknetzes übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Basisstation (7) mit der dort integrierten Referenzstation (2) die Entfernung aller sichtbaren Satelliten bestimmt und die daraus erzeugten DGPS-Korrekturdaten an die zugeordnete Basisstation (7) übergibt, wobei die Übertragung über einen physikalischen oder logischen Kanal des Mobilfunknetzes erfolgt.Method for determining position by means of differential GPS (DGPS), in particular for mobile Units, whereby from a reference station ( 2 ), whose true, geographical position is known exactly, by means of a GPS receiver ( 5 ) whose pseudo position is determined, from the true position and the pseudo position DGPS correction data are generated, which via any public mobile radio network via its base stations to the mobile unit ( 3 ), which base stations transmit this correction data to the mobile unit, so that the mobile unit ( 3 ) from the correction data and their own GPS receiver located in the mobile unit ( 8th ) determined pseudo position a corrected position and the corrected position of the mobile unit of a central ( 4 ), the reference station ( 2 ) in the base station ( 7 ), the DGPS correction data being transmitted over a mobile network channel, characterized in that in the base station ( 7 ) with the integrated reference station ( 2 ) determines the distance of all visible satellites and the resulting DGPS correction data to the associated base station ( 7 ), wherein the transmission takes place via a physical or logical channel of the mobile radio network.
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