*DE B *

Transkript

1 (19) *DE B * (10) DE B (12) Patentschrift (21) Aktenzeichen: (22) Anmeldetag: (43) Offenlegungstag: (45) Veröffentlichungstag der Patenterteilung: (51) Int Cl.: G01S 19/07 ( ) Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach 59 Patentgesetz gegen das Patent Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten ( 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu 2 Abs. 1 Patentkostengesetz). (73) Patentinhaber: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v., Köln, DE (74) Vertreter: Patentanwälte Bressel und Partner mbb, Berlin, DE (72) Erfinder: Hoque, Mohammed Mainul, Dr., Berlin, DE; Jakowski, Norbert, Dr., Neustrelitz, DE; Berdermann, Jens, Dr., Mirow, DE (56) Ermittelter Stand der Technik: DE B3 JAKOWSKI, N. ; HOQUE, M. M. ; MAYER, C.: A new global TEC model for estimating transionospheric radio wave propagation errors. In: Journal of Geodesy. 2011, Bd. 85, H. 12, S ISSN (e); ; (p). DOI: /s Bibliographieinformationen ermittelt über: rd.springer.com/article/ /s [abgerufen am ]. KLOBUCHAR, John A.: Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users. In: IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1987, Bd. AES-23, H. 3, S ISSN (p). DOI: /TAES Auch veröffentlicht unter URL: ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber= Bibliographieinformationen ermittelt über: / [abgerufen am ]. (54) Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position (57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) einer Ionosphärenschicht (20) für eine beliebige global auswählbare Position (φ, λ), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines effektiven Ionisationsmaßes (IF) mittels einer Bereitstellungseinrichtung (2), Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) für einen ausgewählten Zeitpunkt auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes (IF) mittels einer Bestimmungseinrichtung (3), Ausgeben des bestimmten positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) mittels einer Ausgabeeinrichtung (4), wobei mittels der Bereitstellungseinrichtung (2) jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung (vt1, vt2) an mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) bestimmt wird, wobei die bestimmten lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen (vt1, vt2) zusammengefasst und mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert werden, wobei das Ergebnis als effektives Ionisationsmaß (IF) bereitgestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine zugehörige Vorrichtung (1) und ein zugehöriges globales Navigationssatellitensystem.

2 Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position auf der Erdoberfläche oder in der Nähe der Erdoberfläche. [0002] Die Ionosphärenschicht der Atmosphäre kann die Genauigkeit von Globalen Navigations-Satellitensystemen (GNSS) stark beeinträchtigen, da die in der Ionosphäre vorhandenen freien Elektronen zu Veränderungen der Signallaufzeiten führen. Deshalb benötigen diese Systeme Verfahren zum Bestimmen und Vermindern von Laufzeitfehlern, welche von der Ionosphäre an einem Signal hervorgerufen werden. [0003] Aufgrund des dispersiven Charakters des Brechungsindex der Ionosphäre können Ausbreitungsfehler bei der Positionsbestimmung vermindert werden, wenn zwei unterschiedliche Frequenzen verwendet werden. Bei den im Massenmarkt üblichen Satellitennavigationseinrichtungen (global navigation satellite systems, GNSS), welche lediglich eine einzige Frequenz verwenden, ist dies jedoch nicht möglich. Hier kommen andere Verfahren zum Vermindern der Ausbreitungsfehler zum Einsatz. [0004] Ein solches Verfahren ist beispielsweise der im Global Positioning System (GPS) eingesetzte Ionospheric Correction Algorithmus (ICA), der das Klobuchar-Modell umsetzt (vgl. J. Klobuchar, Ionospheric Time- Delay Algorithms for Singel-Frequency GPS Users, IEEE Trans. On Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-23, No. 3, 1987). Das Klobuchar-Modell macht die vereinfachende Annahme, dass der Elektroneninhalt der Ionosphärenschicht in einer dünnen Schicht in 350 km Höhe konzentriert ist. Die Verzögerung, die ein Signal auf der bei GPS verwendeten L1-Frequenz (1575,42 MHz) zwischen einem Satellitensender und einem Empfänger auf der Erde an der Ionosphäre erfährt, wird hierbei aus einer mittleren vertikalen Laufzeitverzögerung und einer Mappingfunktion bestimmt. Die mittlere vertikale Laufzeitverzögerung gibt an, welche mittlere Verzögerung ein Signal bei vertikalem (senkrechtem) Durchtritt durch die Ionosphäre erfahren würde. Diese vertikale Laufzeitverzögerung wird dem Tag, der Tageszeit und der Position zugeordnet, die dem Durchstoßpunkt (bzw. dessen vertikaler Projektion auf das geodätische Koordinatensystem der Erdoberfläche) entspricht, an dem der Signalweg die modellhaft auf die dünne Schale in 350 km Höhe konzentrierte Modellionosphäre durchdringt. Die Mappingfunktion dient dann der Umrechnung der vertikalen Laufzeitverzögerung am Durchstoßpunkt in eine Laufzeitverzögerung, die sich auf Grund des realen, meist nicht vertikal die Ionosphäre durchstoßenden Signallaufwegs zwischen Satellitensender und Empfänger ergibt. Das Klobuchar-Modell umfasst 8 empirisch bestimmte Koeffizienten, welche im Rahmen von weltweiten täglichen Referenzmessungen der Laufzeitverzögerungen zwischen GPS-Satelliten und Referenzstationen auf der Erdoberfläche ermittelt werden. Die 8 empirisch für jeden Tag neu bestimmten Koeffizienten werden im Rahmen einer GPS-Nachricht übertragen und den GPS-Empfängern bereitgestellt. [0005] Um den Ausbreitungsfehler noch genauer zu bestimmen ist ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts in der Ionosphäre für beliebige globale Positionen bekannt (Global Neustrelitz TEC Model, NTCM-GL oder einfach nur NTCM). Dieses Verfahren ist beispielsweise in N. Jakowski et al., A new global TEC model for estimating transionospheric radio wave propagation errors, J. Geod. (2011) 85: , beschrieben. Das Modell benötigt 12 empirisch bestimmte Koeffizienten und kann autonom für einen vollen Sonnenzyklus verwendet werden. Es benötigt hierbei keine Messungen an der Ionosphäre, sondern besitzt als einzigen Eingangsparameter den solaren Radioflussindex (F10.7-Index) der Sonne, der als Maß für die ionisierende extreme ultraviolette (EUV) Strahlung eingesetzt wird. Die EUV-Strahlung der Sonne ist die dominierende Ionisationsquelle für die Ionosphäre. Da die Radiostrahlung der Sonne bei 10,7 cm Wellenlänge sehr stark mit der EUV-Strahlung korreliert, wird diese Radiostrahlung auf Grund der guten Messbarkeit auf der Erde stellvertretend für die EUV-Strahlung verwendet, welche selber nur in Satellitenhöhe gemessen werden kann. Mittels dieses Verfahrens lassen sich die Effekte der Ionosphäre auf ein von einem Navigationssatelliten ausgesandtes Signal abschätzen, so dass entsprechende Korrekturen vorgenommen werden können. Nach Umrechnung mittels der Mappingfunktion kann der vertikale Gesamtelektroneninhalt dann zur verbesserten Bestimmung von Laufzeitverzögerungen der GNSS-Signale verwendet werden. Sind die Laufzeitverzögerungen bestimmt, so können die GNSS-Signale um die jeweiligen Laufzeitverzögerungen korrigiert werden und eine Positionsbestimmung verbessert durchgeführt werden. [0006] Ein Problem des vorgenannten Verfahrens ist es, dass das Verfahren nur eingesetzt werden kann, wenn ein aktueller Wert für den solaren Radioflussindex zur Verfügung steht. Dies ist jedoch gerade bei günstigen Navigationsgeräten des Massenmarktes nicht umsetzbar oder würde zu einem deutlichen Mehraufwand führen. 2/14

3 [0007] Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position zu schaffen, bei denen ein Bestimmen des vertikalen Gesamtelektroneninhalts verbessert ist. [0008] Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und ein globales Navigationssatellitensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. [0009] Die Grundidee der Erfindung ist, das Bestimmen des vertikalen Gesamtelektroneninhalts zu verbessern, indem ein effektives Ionisationsmaß geschaffen wird, auf dessen Grundlage der vertikale Gesamtelektroneninhalt für einen ausgewählten Zeitpunkt an einer beliebig wählbaren globalen Position bestimmt werden kann. Das effektive Ionisationsmaß wird hierbei aus vertikalen Laufzeitverzögerungen an mindestens zwei geodätischen Positionen abgeleitet. Das Ableiten des effektiven Ionisationsmaßes über Laufzeitverzögerungen an mindestens zwei geodätischen Positionen hat den Vorteil, dass hierdurch ortsbedingte Schwankungen vermindert werden können. [0010] Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position zur Verfügung gestellt, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines effektiven Ionisationsmaßes mittels einer Bereitstellungseinrichtung, Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts für einen ausgewählten Zeitpunkt auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes mittels einer Bestimmungseinrichtung, Ausgeben des bestimmten positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts mittels einer Ausgabeeinrichtung, wobei mittels der Bereitstellungseinrichtung an mindestens zwei geodätischen Positionen jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung bestimmt wird, wobei die bestimmten lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen zusammengefasst und mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert werden, wobei das Ergebnis als effektives Ionisationsmaß bereitgestellt wird. [0011] Ferner wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position geschaffen, umfassend: eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines effektiven Ionisationsmaßes, eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts für einen ausgewählten Zeitpunkt auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes, und eine Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben des bestimmten positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts, wobei die Bereitstellungseinrichtung derartig ausgebildet ist, an mindestens zwei geodätischen Positionen jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung zu bestimmen, die bestimmten lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen zusammenzufassen und mit einem Proportionalitätsfaktor zu multiplizieren und das Ergebnis als effektives Ionisationsmaß bereitzustellen. [0012] Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird der Zweck verfolgt, die Positionsbestimmung von globalen Positionen auf der Oberfläche und erdnahen globalen Positionen mittels GNSS zu verbessern. [0013] Ferner wird ein globales Navigationssatellitensystem zum Bestimmen einer globalen Position auf der Erdoberfläche oder einer erdnahen Position geschaffen, welches die vorgenannte Vorrichtung zum Durchführen des vorgenannten Verfahrens aufweist. [0014] Vorzugsweise werden die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen an den mindestens zwei geodätischen Positionen jeweils für dieselbe entsprechende lokale Zeit ermittelt. Vorzugsweise werden die Laufzeitverlängerungen für die lokale Zeit 12 Uhr bestimmt. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Ermittlung beispielsweise immer bei einer nennenswerten durch EUV-Strahlung der Sonne hervorgerufenen lokalen Ionisation in der Ionosphäre vorgenommen wird. [0015] Andere Ausführungsformen können vorsehen, dass die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen an den mindestens zwei geodätischen Positionen jeweils für dieselbe absolute Zeit ermittelt werden. Die zeitlichen Variationen der EUV-Strahlung, die die Ionisation in der Ionosphäre beeinflusst haben, sind somit für alle ermittelten Laufzeitverzögerungen identisch. Weisen die geodätischen Positionen dieselbe geografische Länge auf, so sind für dieselbe absolute Zeit auch die lokalen Zeiten an diesen geodätischen Positionen identisch. [0016] Der Zeitpunkt oder die Zeitpunkte, an denen an den mindestens zwei geodätischen Positionen jeweils die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen bestimmt werden, sind vorzugsweise vorbestimmt. 3/14

4 [0017] Erdnahe Positionen umfassen alle Positionen auf der Erdoberfläche, in der Troposphäre und der Stratosphäre. [0018] Das Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes mittels der Bestimmungseinrichtung kann beispielweise wie folgt durchgeführt werden, wobei sich die Verfahren hierbei an dem in der Einleitung beschriebenen NCTM-Verfahren orientiert (vgl. N. Jakowski et al., A new global TEC model for estimating transionospheric radio wave propagation errors, J. Geod. (2011) 85: ) und dieses abwandelt. [0019] Das Verfahren zum Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes lässt sich in folgendem Ausdruck zusammenfassen: vtec = F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 [0020] Die Variation mit der lokalen Zeit fließt hierbei in den ersten Ausdruck ein: F 1 = cosχ*** + (c 1 cos(v D ) + c 2 cos(v SD ) + c 3 sin(v SD ) + c 4 cos(v TD ) + c 5 cos(v TD )) cosχ**, mit der täglichen (D), der halb-täglichen (SD) und der dritteltäglichen (TD) Variation V, wobei die lokale Zeit LT hierbei in Stunden bemessen wird. LT D gibt die Zeit an, zu der die Ionisation maximal ist. In der Regel ist die Reaktion der Ionosphäre 2 Stunden verzögert, so das LT D meist auf 14 Uhr gesetzt wird: V SD = 2π, V TD = 2π und [0021] Hierbei bezeichnen φ die geographische Breite und δ die Deklination der Sonne. Der Parameter P F1 ist ein Fitparameter (z.b. P F1 = 0,4). [0022] Eine saisonale Variation fließt als jährliche (A) und halbjährliche (SA) Variation in den zweiten Term ein: F 2 = (1 + c 6 cos(v A ) + c 7 cos(v SA )) mit dem Tage des Jahres doy: [0023] Die Phasenverlagerung in Bezug auf den Jahresbeginn sind hierbei doy A = 18 Tage für die jährliche Variation und doy SA = 6 Tage für die halbjährliche Variation. [0024] Die Abhängigkeit vom geomagnetischen Feld wird über den dritten Term in Abhängigkeit der geomagnetischen Breite φ m ausgedrückt: 4/14

5 F 3 = (1 + c 8 cosφ m ) [0025] Aufgrund von Anomalien bei kleinen Breitengraden auf beiden Seiten des geomagnetischen Äquators bilden sich zwei Ionisationsgipfel, welche in dem vierten Term berücksichtigt werden: F 4 = (1 + c 9 (EC 1 ) + c 10 exp(ec 2 )) mit für den nördlichen Ionisationsgipfel und für den südlichen Ionisationsgipfel. [0026] Hierbei ist φ m der geomagnetische Breitengrad mit φ m = sin(sin(φ) sin(φ GNP ) + cos(φ) cos(φ GNP ) (cos(λ λ GNP )), wobei λ der geographische Längengrad und φ GNP und λ GNP der Breitengrad bzw. der Längengrad des Nordpols im Dipolmodell zum Umrechnen des geographischen in den magnetischen Breitengrad ist. [0027] Der fünfte Term bildet nun die Abhängigkeit des vertikalen Gesamtelektroneninhalts von einem effektiven Ionisationsmaß IF ab. Ein solches effektives Ionisationsmaß IF kann beispielsweise auch ein Sonnenaktivitätsmaß sein. F 5 = (c 11 + c 12 IF) [0028] Vor Anwendung des Verfahrens zum Bestimmen des vertikalen Gesamtelektroneninhalts an einer beliebigen globalen Position werden die 12 Koeffizienten c 1,..., c 12 mit Hilfe von nicht-linearen Kleinste-Quadrate- Schätzern anhand von historischen Beobachtungs- bzw. Messdaten bestimmt. Die Koeffizienten können dann im Prinzip für einen vollen Sonnenzyklus von ca. 11 Jahren beibehalten werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Koeffizienten anhand von Beobachtungs- bzw. Messdaten innerhalb von kürzeren Zeiträumen, beispielsweise jährlich, halbjährlich oder vierteljährlich, neu zu bestimmen und bereitzustellen. [0029] Mittels des beschriebenen Verfahrens ist es dann möglich, lediglich auf Grundlage des effektiven Ionisationsmaßes einen vertikalen Gesamtelektroneninhalt für eine beliebige globale Position zu bestimmen. [0030] Es hat sich gezeigt, dass der Elektroneninhalt der Ionosphäre auf Grund von saisonalen Schwankungen an unterschiedlichen geodätischen Positionen im Jahreszyklus schwankt. Deshalb ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die mindestens zwei geodätischen Positionen derartig ausgewählt werden, dass saisonale Schwankungen des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes minimiert werden. Die konkrete Auswahl der mindestens zwei geodätischen Positionen erfolgt hierbei beispielsweise auf Grundlage von historischen Beobachtungs- bzw. Messdaten, beispielsweise gleichzeitig mit der Bestimmung der Koeffizienten des NTCM-Verfahrens. Die mindestens zwei geodätischen Positionen, mit denen sich die saisonalen Schwankungen minimieren lassen, werden dann ausgewählt und verwendet. [0031] Auf Grund der Inklination der Erdachse unterscheidet sich der Elektroneninhalt der Ionosphäre naturgemäß besonders stark zwischen geodätischen Positionen auf der Nord- und der Südhalbkugel. In einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb vorgesehen, dass die mindestens zwei geodätischen Positionen zu Paaren zusammengefasst werden, wobei jeweils eine der geodätischen Positionen eines Paares auf der Nordhalbkugel liegt und eine andere der geodätischen Positionen des Paares auf der Südhalbkugel liegt. [0032] Insbesondere ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Breitengrade der mindestens zwei geodätischen Positionen auf der Nordhalbkugel und auf der Südhalbkugel für jedes Paar jeweils 5/14

6 gleich gewählt werden. Dies ermöglicht es, die Schwankungen, welche saisonbedingt auftreten, besonders gut zu minimieren, da die geodätischen Positionen in Bezug auf die Inklination der Erdachse zur Sonne einen spiegelbildlichen Bezug aufweisen, so dass sich saisonbedingte Effekte weitgehend kompensieren. [0033] Die einzelnen vertikalen Laufzeitverzögerungen der mindestens zwei geodätischen Positionen, aus denen das effektive Ionisationsmaß abgeleitet wird, lassen sich mittels des Klobuchar-Modells berechnen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb vorgesehen, dass mittels eines Global Positioning-(GPS)- Empfängers aktuelle Klobuchar-Koeffizienten empfangen werden und die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen mittels des Klobuchar-Modells unter Verwendung der empfangenen Klobuchar-Koeffizienten berechnet werden. Da die Klobuchar-Koeffizienten täglich neu bestimmt und weltweit bereitgestellt werden, können auf diese Weise an jedem Ort der Erde tagesaktuelle Werte für die vertikalen Laufzeitverzögerungen an den mindestens zwei geodätischen Positionen bestimmt werden. Folglich lassen sich somit auch für jede beliebige globale Position tagesaktuelle Werte für den vertikalen Gesamtelektroneninhalt bestimmen. Hierdurch kann beispielsweise das beschriebene NTCM-Verfahren in Satellitennavigationsgeräten des Massenmarktes, welche lediglich mit einer einzigen Frequenz arbeiten, eingesetzt werden. Ein von der Ionosphäre an einem Navigationssignal hervorgerufener Ausbreitungsfehler kann dann verbessert auch in solchen einfachen Satellitennavigationsgeräten korrigiert werden. Dies verringert den Fehler bei der Positionsbestimmung und ermöglicht eine verbesserte Navigation auch bei günstigen Satellitennavigationsgeräten des Massenmarktes. [0034] Das effektive Ionisationsmaß IF berechnet sich dann über das Klobuchar-Modell mit den Klobuchar- Koeffizienten wie folgt: IF = vtec1 + vtec2 = (vt1 + vt2) P, wobei vtec1 und vtec2 die vertikalen Gesamtelektroneninhalte und vt1 und vt2 die vertikalen Laufzeitverzögerungen an mindestens zwei geodätischen Positionen bezeichnen. Die vertikalen Laufzeitverzögerungen werden in der Einheit s angegeben. P ist der Proportionalitätsfaktor, welcher sich als P = c U schreiben lässt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und U ein Umrechnungsfaktor ist. Bei der L1-Frequenz (1575,42 Hz) beträgt der Umrechnungsfaktor U = (1575, s 1 ) 2 /(40, m 3 s 2 ) = 6,1587 m 3 [0035] Die vertikalen Laufzeitverzögerungen vt1 und vt2 lassen sich gemäß dem Klobuchar-Modell für die L1-Frequenz wie folgt berechnen: mit mit x = (rad) und wobei t die lokale Zeit und α 1,..., α 3 und β 0,..., β 3 die Klobuchar-Koeffizienten bezeichnen, welche im Rahmen der GPS-Nachricht übertragen werden und täglich aktualisiert werden. [0036] Prinzipiell lassen sich auch andere Modelle und Verfahren zum Bereitstellen des effektiven Ionisationsmaßes verwenden. Insbesondere eignen sich hierbei Modelle, deren aktuelle Koeffizienten, ähnlich wie die täglich neu bereitgestellten und weltweit empfangbaren Klobuchar-Koeffizienten, frei empfangbar sind. Beispielhaft sei hier nur das NeQuick-Modell genannt. Mittels dieses Modells müssten entsprechend an mindestens zwei geodätischen Positionen der lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen äquivalente Werte bestimmt werden und hieraus das effektive Ionisationsmaß abgeleitet werden. 6/14

7 [0037] Insbesondere ist in einer weiteren Ausführungsform ferner vorgesehen, dass aus dem positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt eine ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung und/oder ein Entfernungsmessfehler für ein zwischen einem Satellitensender und einem Empfänger an einer geodätischen Position übermitteltes Signal mittels einer Fehlerbestimmungseinrichtung bestimmt wird. Auf diese Weise lässt sich der mittels des Verfahrens bestimmte vertikale Gesamtelektroneninhalt zum Abschätzen und Korrigieren eines Fehlers bei der Positionsbestimmung einsetzen. Die ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung gibt hierbei die Zeit an, um die ein Signal zwischen einem Satelliten und einem Empfänger nach Hindurchtreten durch die Ionosphäre verzögert ist. Der Entfernungsmessfehler gibt hingegen an, wie stark eine Positionsbestimmung durch eine solche Verzögerungszeit beeinträchtigt ist. [0038] Generell ergibt sich die Verzögerungszeit über eine Umrechnung des vertikalen Gesamtelektroneninhalts in einen diagonalen (dem von dem Strahlenweg zwischen dem Satelliten und dem Empfänger beim Durchtritt durch die Ionosphäre entsprechenden) Gesamtelektroneninhalt mittels einer Mappingfunktion: wobei E der Elevationswinkel in rad, R den Erdradius in Kilometern und h iono die Schalenhöhe der Ionosphäre in der Einschichtnäherung in Kilometern bezeichnen. Eine mögliche Verbesserung dieser einfachen Mappingfunktion ist beispielsweise in DE B3 beschrieben. [0039] Der Ionosphärenschwankungsfehler kann dann mittels der folgenden Gleichung abgeschätzt werden: mit K = 40,3 m 3 s 2 und f der Frequenz des betrachteten Signals. [0040] Die Merkmale der Vorrichtung weisen die gleichen Vorteile auf wie die Merkmale des Verfahrens. [0041] Die berechneten Verzögerungszeiten können anschließend zum Korrigieren der GNSS-Signale verwendet werden. Die korrigierten GNSS-Signale erlauben anschließend eine verbesserte Positionsbestimmung. Hierbei wird stets davon ausgegangen, dass eine grobe Positionsbestimmung auch mittels der nicht korrigierten GNSS-Signale bereits möglich ist, so dass globale Positionen für die jeweiligen Durchstoßpunkte der GNSS-Signale durch die Ionosphäre bereits ermittelbar sind. In erster Näherung reicht hierbei aber eine grobe Positionsbestimmung mit einem Fehler in der Größenordnung des Ionosphärenschwankungsfehlers aus. Die anschließende Positionsbestimmung des GNSS-Empfängers kann dann mittels der korrigierten GNSS-Signale sehr viel genauer durchgeführt werden. [0042] Es ergibt sich, dass die Bestimmung des effektiven Ionisationsmaßes nur sehr viel seltener erfolgen muss, als ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung von GNSS-Signalen bei der Positionsbestimmung korrigiert werden müssen. D.h., es können viele verbesserte Positionsbestimmungen ausgeführt werden. Für jede Korrektur einer benötigen Signallaufzeit wird der jeweilige positionsbezogene vertikale Gesamtelektroneninhalt für den entsprechenden Zeitpunkt am Durchstoßpunkt durch die Ionosphäre ermittelt und zur Korrektur herangezogen. Diese ist für unterschiedliche ausgewählte Zeitpunkte möglich, auch wenn das effektive Ionisationsmaß jeweils an einem Zeitpunkt anhand der vertikalen Laufzeitverzögerungen an den mindestens zwei geodätischen Positionen bestimmt wird. Abhängig von der konkreten Art der Bestimmung der vertikalen Laufzeitverzögerungen an den mindestens zwei geodätischen Positionen findet eine Neubestimmung des effektiven Ionisationsmaßes beispielsweise täglich statt. [0043] Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen: [0044] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position; [0045] Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts einer Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position; 7/14

8 [0046] Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verbesserung bei der Bestimmung des vertikalen Gesamtelektroneninhalts mittels des Verfahrens gegenüber dem Standard Korrekturverfahren. [0047] In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts vtec einer Ionosphärenschicht 20 für eine beliebige global auswählbare Position 21-1, 21-2 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Bereitstellungseinrichtung 2, eine Bestimmungseinrichtung 3 und eine Ausgabeeinrichtung 4. [0048] Die Bereitstellungseinrichtung 2 ist derartig ausgebildet, zum Bereitstellen eines effektiven Ionisationsmaßes IF jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung vt1, vt2 an mindestens zwei geodätischen Positionen zu bestimmen, die bestimmten lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen vt1, vt2 zusammenzufassen und mit einem Proportionalitätsfaktor P zu multiplizieren. Das Ergebnis wird als effektives Ionisationsmaß IF bereitgestellt. [0049] Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die Bereitstellungseinrichtung 2 derartig ausgebildet ist, die mindestens zwei geodätischen Positionen 21-1, 21-2 so auszuwählen, dass saisonale Schwankungen des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes IF minimiert werden. [0050] Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die mindestens zwei geodätischen Positionen 21-1, 21-2 zu Paaren zusammengefasst sind, wobei jeweils eine der geodätischen Positionen 21-1, 21-2 eines Paares auf der Nordhalbkugel liegt und eine andere der geodätischen Positionen des Paares auf der Südhalbkugel liegt. [0051] Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Breitengrade der mindestens zwei geodätischen Positionen 21-1, 21-2 auf der Nordhalbkugel und auf der Südhalbkugel für jedes Paar in vorteilhafter Weise jeweils gleich gewählt sind. [0052] Insbesondere ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 vorgesehen, dass die Bereitstellungseinrichtung 2 einen Global Positioning-(GPS)-Empfänger 5 aufweist, wobei der Global Positioning- (GPS)-Empfänger 5 derartig ausgebildet ist, aktuelle Klobuchar-Koeffizienten α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 über eine GPS-Nachricht 11 von mindestens einem Global Positioning-(GPS)-Satelliten 10 zu empfangen. Hierbei ist die Bereitstellungseinrichtung 2 ferner derartig ausgebildet, die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen vt1, vt2 mittels des Klobuchar-Modells unter Verwendung der empfangenen Klobuchar-Koeffizienten α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 zu berechnen. Die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen vt1, vt2 können beispielsweise durch Mittelwertbildung zusammengefasst werden. [0053] Auf Grundlage des effektiven Ionisationsmaßes IF bestimmt die Bestimmungseinrichtung 3 den positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt vtec. Hierzu wird beispielsweise das in der allgemeinen Erfindungsbeschreibung beschriebene abgewandelte NTCM-Verfahren verwendet. Prinzipiell kann die Bestimmungseinrichtung 3 den positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt vtec für jede beliebige Position auf der Erdoberfläche 22 bestimmen. [0054] Der positionsbezogene vertikale Gesamtelektroneninhalt vtec wird anschließend an die Ausgabeeinrichtung 4 weitergeleitet und von der Ausgabeeinrichtung 4 ausgegeben, beispielsweise in Form eines digitalen Datenpakets 6. [0055] Das Datenpaket 6 kann anschließend von einem Satellitennavigationssystem 16 dazu verwendet werden, aus dem darin enthaltenen positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt vtec eine ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung 8 und/oder einen Entfernungsmessfehler 9 für ein zwischen einem Satellitensender 12 und einem Empfänger 15 an einer geodätischen Position 21-3 übermitteltes Signal 23 zu bestimmen. [0056] Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 selber eine Fehlerbestimmungseinrichtung 7 aufweist, wobei die Fehlerbestimmungseinrichtung 7 derartig ausgebildet ist, aus dem positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt vtec eine ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung 8 und/oder einen Entfernungsmessfehler 9 für ein zwischen einem Satellitensender 12 und einem Empfänger 15 an einer geodätischen Position 21-3 übermitteltes Signal 23 zu bestimmen. 8/14

9 [0057] In Fig. 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts vtec einer in der Höhe h iono fixierten Ionosphärenschicht für eine beliebige global auswählbare Position φ, λ gezeigt. [0058] An mindestens zwei geodätischen Positionen 21-1, 21-2 werden im Verfahrensschritt 100 mittels des Klobuchar-Modells unter Berücksichtigung aktueller Klobuchar- Koeffizienten α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung vt1, vt2 für jede der mindestens zwei geodätischen Positionen 21-1, 21-2 bestimmt, im nachfolgenden Verfahrensschritt 101 zusammengefasst, beispielsweise durch Mittelwertbildung, und mit einem Proportionalitätsfaktor P multipliziert. Das Ergebnis des Verfahrensschritts 101 wird als effektives Ionisationsmaß IF bereitgestellt. [0059] Im Verfahrensschritt 102 wird aus dem bereitgestellten effektiven Ionisationsmaß IF, beispielsweise durch Verwendung eines angepassten NTCM-Modells, für eine beliebig auswählbare globale Position φ, λ ein vertikaler Gesamtelektroneninhalt vtec der Ionosphäre bestimmt. [0060] In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der prozentualen Verbesserung gezeigt, die bei der Bestimmung des vertikalen Gesamtelektroneninhalts mittels des Verfahrens gegenüber einer Benutzung des Standardkorrekturverfahrens ICA (Ionospheric Correction Algorithm), das alleine auf dem Klobuchar-Modell basiert, erzielt wird. Hierbei wurde das abgewandelte NTCM-Verfahren (im Folgenden als NTCM+ bezeichnet) zum Berechnen des vertikalen Gesamtelektroneninhalts verwendet. Sowohl für das Verfahren als auch für das Standardverfahren ICA wurden die gleichen Klobuchar-Koeffizienten verwendet. Als geodätische Positionen, an denen die vertikalen Laufzeitverzögerungen zur Ermittlung des effektiven Ionisationsmaßes bestimmt wurden, wurden (φ = 10 N, λ = 90 W) und (φ = 10 S, λ = 90 W) verwendet. Die vertikalen Laufzeitverzögerungen wurde für die lokale Zeit 12 Uhr bestimmt. Der Vergleich wird auf Grundlage einer Abweichung des mittels der beiden Verfahren bestimmten vertikalen Gesamtelektroneninhalts von einem beobachteten bzw. gemessenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt durchgeführt. Als Messdaten wurden IONEX-Dateien der zweistündigen TEC-Karten des Center of Orbit Determination System (CODE) verwendet. Für jeden Gitterpunkt wurde für jeden Tag jeweils der vertikale Gesamtelektroneninhalt mittels der beiden Verfahren bestimmt und mit den Referenzwerten verglichen. Die auftretenden Abweichungen sind ein Maß für die zu erwartende Abweichungen bei der Positionsbestimmung mittels eines Satellitennavigationssystems. Die für jedes Jahr gemittelten Werte wurden für die einzelnen Verfahren miteinander in Beziehung gesetzt (y = (RMS ICA RMS NTCM+ ) 100 %/RMS ICA ). [0061] Auf der y-achse ist die prozentuale Verbesserung des quadratischen Mittels (RMS) gezeigt. Die x- Achse zeigt die Jahre von 2002 bis Insgesamt liegt die prozentuale Verbesserung durch Verwendung des beschriebenen Verfahrens zwischen 12 % und 40 %. Die prozentuale Verbesserung wirkt sich direkt auf die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung mittels eines Satellitennavigationsgeräts aus, so dass durch Einsatz des Verfahrens eine deutliche Verbesserung bei der Satellitennavigation mit lediglich einer einzigen Frequenz erzielt werden kann. 1 Vorrichtung 2 Bereitstellungseinrichtung 3 Bestimmungseinrichtung 4 Ausgabeeinrichtung 5 GPS-Empfänger 6 Datenpaket 7 Fehlerbestimmungseinrichtung 8 Laufzeitverzögerung 9 Entfernungsmessfehler 10 GPS-Satellit 11 GPS-Nachricht 12 Satellitensender 15 Empfänger 16 Satellitennavigationssystem 20 Ionosphärenschicht 21-1 geodätische Position 21-2 geodätische Position 21-3 geodätische Position Bezugszeichenliste 9/14

10 22 Erdoberfläche 23 Signal Verfahrensschritte vtec vertikaler Gesamtelektroneninhalt IF effektives Ionisationsmaß vt1, vt2 vertikale Laufzeitverzögerung α 0 α 3 Klobuchar-Koeffizienten β 0 β 3 Klobuchar-Koeffizienten φ, λ globale Position DE B Patentansprüche 1. Verfahren zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) einer Ionosphärenschicht (20) für eine beliebige global auswählbare Position (φ, λ), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines effektiven Ionisationsmaßes (IF) mittels einer Bereitstellungseinrichtung (2), Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) für einen ausgewählten Zeitpunkt auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes (IF) mittels einer Bestimmungseinrichtung (3), Ausgeben des bestimmten positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) mittels einer Ausgabeeinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Bereitstellungseinrichtung (2) an mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung (vt1, vt2) bestimmt wird, wobei die bestimmten lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen (vt1, vt2) zusammengefasst und mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert werden, wobei das Ergebnis als effektives Ionisationsmaß (IF) bereitgestellt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) derartig ausgewählt werden, dass saisonale Schwankungen des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes (IF) minimiert werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) zu Paaren zusammengefasst werden, wobei jeweils eine der geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) eines Paares auf der Nordhalbkugel liegt und eine andere der geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) des Paares auf der Südhalbkugel liegt. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitengrade der mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) auf der Nordhalbkugel und auf der Südhalbkugel für jedes Paar jeweils gleich gewählt werden. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Global Positioning-(GPS)-Empfängers (5) aktuelle Klobuchar-Koeffizienten (α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 ) empfangen werden und die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen (vt1, vt2) mittels des Klobuchar-Modells unter Verwendung der empfangenen Klobuchar-Koeffizienten (α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 ) berechnet werden. 6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt (vtec) eine ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung (8) und/oder ein Entfernungsmessfehler (9) für ein zwischen einem Satellitensender (12) und einem Empfänger (5) an einer geodätischen Position (21-1, 21-2, 21-3) übermitteltes Signal (23) mittels einer Fehlerbestimmungseinrichtung (7) bestimmt wird. 7. Vorrichtung (1) zum Bestimmen eines vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) einer Ionosphärenschicht (20) für eine beliebige global auswählbare Position (φ, λ), umfassend: eine Bereitstellungseinrichtung (2) zum Bereitstellen eines effektiven Ionisationsmaßes (IF), eine Bestimmungseinrichtung (3) zum Bestimmen des positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec) für einen ausgewählten Zeitpunkt auf Grundlage des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes (IF), und eine Ausgabeeinrichtung (4) zum Ausgeben des bestimmten positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalts (vtec), dadurch gekennzeichnet, dass 10/14

11 die Bereitstellungseinrichtung (2) derartig ausgebildet ist, an mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) jeweils eine lokale vertikale Laufzeitverzögerung (vt1, vt2) zu bestimmen, die bestimmten lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen (vtec) zusammenzufassen und mit einem Proportionalitätsfaktor zu multiplizieren und das Ergebnis als effektives Ionisationsmaß (IF) bereitzustellen. 8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (2) derartig ausgebildet ist, die mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) so auszuwählen, dass saisonale Schwankungen des bereitgestellten effektiven Ionisationsmaßes (IF) minimiert werden. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) zu Paaren zusammengefasst sind, wobei jeweils eine der geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) eines Paares auf der Nordhalbkugel liegt und eine andere der geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) des Paares auf der Südhalbkugel liegt. 10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitengrade der mindestens zwei geodätischen Positionen (21-1, 21-2, 21-3) auf der Nordhalbkugel und auf der Südhalbkugel für jedes Paar jeweils gleich gewählt sind. 11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (2) ein Global Positioning-(GPS)-Empfänger (5) aufweist, wobei der Global Positioning-(GPS) -Empfänger (5) derartig ausgebildet ist, aktuelle Klobuchar-Koeffizienten (α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 ) zu empfangen, und wobei die Bereitstellungseinrichtung (2) ferner derartig ausgebildet ist, die lokalen vertikalen Laufzeitverzögerungen (vt1, vt2) mittels des Klobuchar-Modells unter Verwendung der empfangenen Klobuchar- Koeffizienten (α 0, α 1, α 2, α 3, β 0, β 1, β 2, β 3 ) zu berechnen. 12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Fehlerbestimmungseinrichtung (7) aufweist, wobei die Fehlerbestimmungseinrichtung (7) derartig ausgebildet ist, aus dem positionsbezogenen vertikalen Gesamtelektroneninhalt (vtec) eine ionosphärisch bedingte Laufzeitverzögerung (8) und/oder einen Entfernungsmessfehler (9) für ein zwischen einem Satellitensender (12) und einem Empfänger (5) an einer geodätischen Position (21-1, 21-2, 21-3) übermitteltes Signal (23) zu bestimmen. 13. Globales Navigationssatellitensystem zum Bestimmen einer globalen Position auf der Erdoberfläche oder einer erdnahen Position, dadurch gekennzeichnet, dass das globale Navigationssatellitensystem eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12 aufweist. Es folgen 3 Seiten Zeichnungen 11/14

12 Anhängende Zeichnungen 12/14

13 13/14

14 14/14