DE102011076604A1

DE102011076604A1 - GNSS-Atmosphärische Abschätzung mit Mehrdeutigkeitsfestmachen

Info

Publication number: DE102011076604A1
Application number: DE201110076604
Authority: DE
Inventors: Xiaoming Chen
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 2010-05-30
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20120092213A1; US9091757B2; CN102331583B; DE102011076602A1; CN102331582B; CN102331582A; US20120119944A1; CN102331583A

Abstract

Verfahren und eine Vorrichtung werden präsentiert zum Schätzen von Umweltparametern von GNSS-Signalen in Echtzeit. Einige Ausführungsformen schätzen eine Fließkommalösung unter Verwendung eines Federated-iononsphärischen Filters. Einige Ausführungsformen machen Mehrdeutigkeiten für verbesserte Schätzungen fest.

Description

QUERBEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die Folgenden beziehen sich hierauf und sind hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten: Internationale Patentveröffentlichung WO 2010/021656 A2 vom 25. Februar 2010 (TNL A-2526PCT); Internationale Patentveröffentlichung WO 2010/021658 A2 vom 25. Februar 2010 (TNL A-2525PCT); Internationale Patentveröffentlichung WO 2010/021659 A2 vom 25. Februar 2010 (TNL A-2524PCT); Internationale Patentveröffentlichung WO 2010/021657 A2 vom 25. Februar 2010 (TNL A-2523PCT); internationale Patentveröffentlichung WO 2010/021660 A2 vom 25. Februar 2010 (TNL A-22339PCT); US-Provisional-Anmeldung für ein Patent mit der Nummer 61/189,382, eingereicht am 19. August 2008 (TNL A-2339P); US Patentanmeldung 12/224,451, eingereicht am 26. August 2008, US Patentanmeldungsveröffentlichung US 2009/0027625 A1 (TNL A-1789US); Internationale Patentanmeldung PCT/US07/05874, eingereicht am 7. März 2007, Internationale Veröffentlichung mit der Nummer WO 2008/008099 A2 (TNL A-1789PT); US Patentanmeldungsveröffentlichung US 2009/0224969 A1 (TNL A-1743US); Internationale Veröffentlichung mit der Nummer WO 2007/032947 A1 (TNL A-1743PCT); US Patent Nummer 7,432,853 , erteilt am 7. Oktober 2008; (TNL A-1403US); Internationale Veröffentlichung mit der Nummer WO 2005/045463 A1 (TNL A-1403PCT); Internationale Veröffentlichung mit der Nummer WO 2011/034616 A2 (TNL A-2585PCT); Internationale Patentanmeldung mit der Nummer PCT/US2001/024733 (TNL A-2633PCT); Provisional-Anmeldung für US Patent 61/337,980, eingereicht am 14. Februar 2010 (TNL A-2633P); und Provisional-Anmeldung für US Patent 61/396,676, eingereicht am 30 Mai 2011 (TNL A-2751P).
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von GNSS-Daten zum Abschätzen von Umweltparametern.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Über die letzten zwei Jahrzehnte wurde eine große Anzahl von regionalen GNSS-Referenzstations-Netzwerken mit mehreren Tausend Empfängern errichtet, und stellt Netzwerkkorrekturen bereit für kontinuierliche Echtzeitpositionierung auf Zentimeterniveau (auch genannt Echtzeit-Kinematische-Positionierung oder RTK-(Real-Time Kinematic)-Positionierung). Das Prinzip der Netzwerk-RTK-Positionierung ist, dass troposphärische und ionosphärische Effekte in dem regionalen Netzwerk moduliert werden und großteils entfernt werden für die RTK-Positionierung. Für die GNSS-Positionierung werden atmosphärische Effekte als systematische Fehler, die es zu entfernen gilt in dem Positionierungsprozess, betrachtet. Andererseits sind die troposphärischen und ionosphärischen Verzögerungen, die in dem GNSS-Netzwerk geschätzt werden, wertvoll für metrologische und (Welt)-Raum-Wetter-Anwendungen.
Viele Studien haben gezeigt, dass der Integrated Precipitable Water Vapour (IPWV) bzw. integriertes Niederschlagswasser (integrierter abscheidbarer Wasserdampf), der in der neutralen Atmosphäre enthalten ist, gewonnen werden kann unter Verwendung von GNSS-Observationen mit dem gleichen Niveau an Genauigkeit, wie Water Vapour Radiometers (WVR) oder Wasserdampfradiometer. Der Vorteil eines Verwendens eines GNSS-Netzwerks ist der, dass es eine kontinuierliche IPWV-Abschätzung mit guter räumlicher Abdeckung und hoher zeitlicher Auflösung bereitstellt. Heutzutage stellen mehrere Forschungsorganisationen Fastechtzeit und/oder post-verarbeitete IPWV-Schätzungen von einem GNSS-Referenzstations-Netzwerk mit einer typischen Verzögerung von 30 Minuten bis zu einem Tag bereit, und einer Genauigkeit von 1–2 mm. Obwohl die Genauigkeit ziemlich gut ist, bedeutet die große Latenz, dass die Information nur reflektiert, was passiert ist in der Vergangenheit, und ist daher weniger nützlich für Anwendungen, wie Numerical Weather Prediction (NWP) bzw. numerische Wettervorhersage.
Weltraumwetter bzw. Raumwetter ist das Studium von der Umweltdynamik von ”Geospace”: der Region über der unteren Atmosphäre der Erde, enthaltend die Tonasphäre und Magnetosphäre. Bedingungen auf der Sonne und im Solarwind, Magnetosphäre und der Ionosphäre können unser Leben beeinflussen durch die Effekte, die sie auf Satelliten, Kommunikationen, Navigationen und Energiesysteme haben. Wissenschaftler studieren nun Raumwetter mit einer großen Breite von Hilfsmitteln, um zu versuchen, mehr über die physikalischen und chemischen Prozesse zu lernen, die in der oberen Atmosphäre und darüber stattfinden. In den letzten Jahren wurde GNSS anerkannt als eines der besten Fernerkundungs-Hilfsmittel zum Überwachen von Raumwetterereignissen. Die Signale von den GNSS-Satelliten durchlaufen die Ionosphäre auf ihrem Weg zu den Empfängern auf oder nahe der Erdoberfläche. Die freien Elektronen, die diese Region der Atmosphäre bevölkern, beeinflussen die Laufbahn der Signale, ändern ihre Geschwindigkeit in Richtung ihrer Laufbahn. Durch Verarbeiten der Daten durch einen Dual-Frequenz-GNSS-Empfänger ist es tatsächlich möglich, abzuschätzen, wie viele Elektronen durch das Signal entlang seiner Laufbahn angetroffen wurden – der gesamte Elektroneninhalt (TEC, Total Electron Content). TEC ist die Anzahl der Elektronen in einer Säule mit einer Querschnittsfläche von einem Quadratmeter, zentriert auf den Signalpfad. Falls ein regionales Netzwerk von erdbasierten GNSS-Empfängern verwendet wird, dann kann eine Karte von TEC über der Region errichtet werden.
Bekannte Software-Programme zum Schätzen von atmosphärischen Modellen von GNSS-Signaldaten, obwohl nicht in Echtzeit, enthalten die Berner-Software von dem astronomischen Institut der Universität Bern, Version 5.0, Januar 2007, Kapitel 11 und 12, und die GAMIT/GLOBK-Software von dem Department of Earth, Atmospheric und Planetary Sciences des Massachusetts Institute of Technology, GAMIT Referenz Manual Release 10.3, 1. Juni 2009, Kapitel 7.
Die US Patentveröffentlichung 2009/0224969 A1 von Peter F. Kolb beschreibt ein Kalman-Filterverfahren zum Modellieren des ionosphärischen Effekts mit Trägerphasendaten von einem regionalen Netzwerk in Echtzeit. Da nur Trägerphasendaten verwendet werden, braucht das absolute Niveau der TEC eine lange Zeit zum Konvergieren.
Verbesserte Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen von atmosphärischen Parametern von GNSS-Daten in Echtzeit sind erwünscht.
ZUSAMMENFASSUNG
Einige Ausführungsformen der Erfindung verwenden Pseudoentfernungs- und Trägerphasenobservationen in einem Federated-Filter-Ansatz zum Beschleunigen der Konvergenz von TEC für eine Echtzeitabschätzung.
Einige Ausführungsformen der Erfindung nutzen die volle Genauigkeit der Trägerphasenobservationen unter Verwendung von Trägerphasenmehrdeutigkeiten zum Erreichen einer hochgenauen TEC-Abschätzung in Echtzeit.
Einige Ausführungsformen stellen ein Verfahren bereit zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Abschätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: Erhalten von GNSS-Daten, die gesammelt werden bei einer Vielzahl von Stationen, die über eine Region verteilt sind, von Signalen, die von GNSS-Satelliten über mehrere Epochen bzw. Epochs erhalten wurden; Erhalten eines Satelliten-Differenzcodebias bzw. -Differential Code Bias (DCB) pro Satellit, und Abschätzen eines Empfänger-Differential Code Bias pro Station und eines Werts eines Gesamtelektroneninhalts (TEC, Total Electron Content) pro Station pro Satellit von den GNSS-Daten, und den Satelliten-Differential Code Biases unter Verwendung eines Federated-ionosphärischen Filters.
Einige Ausführungsformen wenden ferner ein geometrisches Filter an zum Schätzen von den GNSS-Daten eines Satzes von Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von (i) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und eines Satzes von troposphärischen Gradienten pro Station, und (ii) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit; zum Erhalten von meteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region; und zum Bestimmen von Werten über die Region für mindestens eines von (1) integriertem Niederschlagswasser (IPWV, Integrated Precipitable Water Vapour) und (2) troposphärischer Neigungs-Nass-Verzögerung von dem Satz von Werten für atmosphärische Parameter und den meteorologischen Daten.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erhalten eines Satelliten-Differential-Code-Bias pro Satellit eines von (i) Erlangen eines Satelliten-Differential-Code-Bias pro Satellit von einer externen Quelle, und (ii) Berechnen eines Satelliten-Differential-Code-Bias pro Satellit von GNSS-Daten, die gesammelt werden bei einem Netzwerk von Referenzstationen, In einigen Ausführungsformen umfasst ein Abschätzen eines Werts eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit: Abschätzen von Werten für ionosphärischen Modellparameter und für einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station in dem Federated-ionosphärischen Filter, und Bestimmen des Werts eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit von den geschätzten Werten für die ionosphärischen Modellparameter und die stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdrücke.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Anwenden eines Federated-ionosphärischen Filters: für jeden Satelliten, Anwenden eines ionosphärischen Teilfilters auf die GNSS-Signaldaten zum Abschätzen von Werten für lokale Zustände, die Parameter repräsentieren, die einzigartig sind für diesen Satelliten, und Werten für gemeinsame Zustände, die Parameter repräsentieren, die alle Empfänger gemeinsam haben, Bereitstellen von Werten für die gemeinsamen Zustände und in Zusammenhang stehender statistischer Information an ein Masterfilter; und Vorbereiten von aktualisierten Abschätzungen für die lokalen Zustände, wenn aktualisierte Werte für die gemeinsamen Zustände bereitgestellt werden durch das Masterfilter; und Anwenden eines Masterfilters auf die Werte für die gemeinsamen Zustände und die in Zusammenhang stehenden statische Information zum Abschätzen von aktualisierten Werten für die gemeinsamen Zustände und zum Bereitstellen der aktualisierten Werte an die ionosphärischen Teilfilter.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Zustände, die einzigartig für den Satellit sind: einen Satz von Parametern, der die Ionosphäre über die Region kennzeichnet, einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Station pro Satellit, und eine ganzzahlige Mehrdeutigkeit pro Station pro Satellit. In einigen Ausführungsformen umfassen die Zustände, die alle Satelliten gemeinsam haben, einen Empfänger-Differential-Code-Bias pro Station. Einige Ausführungsformen umfassen ferner ein neues Setzen von Zuständen in dem Masterfilter auf Null mit unendlicher Varianz vor irgendeiner Observationsaktualisierung bei jeder Epoche, und dann Anwenden der entkorrelierten Observationen von jedem Teilfilter auf das Masterfilter. In einigen Ausführungsformen umfasst der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert, der vertikal abgebildet wird. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erhalten von meteorologischen Daten ein Erhalten von oberflächenmeteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erhalten von meteorologischen Daten ein Erhalten von Radiosonde-Temperaturdaten für Orte innerhalb der Region. In einigen Ausführungsformen ist eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für einen Gesamtelektroneninhalt und mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht mehr als ungefähr fünf Sekunden.
Einige Ausführungsformen stellen eine Vorrichtung zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten bereit zum Abschätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: ein Federatedionosphärisches Filter, ausgebildet zum Abschätzen eines Empfänger-Differential-Code-Bias pro Station und eines Werts eines Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit von Satelliten-Differential-Code-Bias und den GNSS-Signaldaten.
Einige Ausführungsformen stellen ferner bereit: ein geometrisches Filter, ausgebildet zum Abschätzen von den GNSS-Daten eines Satzes von Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und eines troposphärischen Gradienten pro Station, und (iii) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit; ein atmosphärisches Überwachungsmodul zum Bestimmen von Werten über die Region für ein integriertes Niederschlagswasser und troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung, von den geschätzten Werten für die atmosphärischen Parameter und von den meteorologischen Daten für die Region.
Einige Ausführungsformen umfassen ferner ein Element zum Erhalten eines Code-Bias pro Satellit durch eines von: Erlangen eines Code-Bias pro Satellit von einer externen Quelle, und Berechnen eines Code-Bias pro Satellit von GNSS-Daten, gesammelt bei einem Netzwerk von GNSS-Referenzstationen. Einige Ausführungsformen umfassen ferner: ein Modul zum Abschätzen von Werten für ionosphärische Modellparameter und für einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station; und ein Modul zum Bestimmen des Werts von einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit von den abgeschätzten Werten für die ionosphärischen Modellparameter und die stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdrücke.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Federatedionosphärische Filter: ein ionosphärischen Teilfilter für jeden Satelliten zum Schätzen von Werten für lokale Zustände, die Parameter repräsentieren, die einzigartig für diesen Satelliten sind, und Werten für gemeinsame Zustände, die Parameter repräsentieren, die alle Empfänger gemeinsam haben, von den GNSS-Signaldaten und einem Satelliten-Differential-Code-Bias, zum Bereitstellen von Werten für die gemeinsamen Zustände und in Zusammenhang stehender statistischer Information an den Masterfilter; und zum Vorbereiten aktualisierter Schätzungen für die lokalen Zustände, wenn aktualisierte Werte für die gemeinsamen Zustände bereitgestellt werden durch das Masterfilter; und ein Masterfilter zum Schätzen von aktualisierten Werten für die gemeinsamen Zustände von den Werten für die gemeinsamen Zustände und der in Zusammenhang stehenden statistischen Information, und zum Bereitstellen der aktualisierten Werte an die ionosphärischen Teilfilter.
In einigen Ausführungsformen ist das Federatedionosphärische Filter betriebsfähig zum Neusetzen von Zuständen in dem Masterfilter auf Null mit unendlicher Varianz vor einer Observationsaktualisierung zu jeder Epoche, und dann zum Anwenden der entkorrelierten Observationen von jedem Teilfilter auf das Masterfilter. In einigen Ausführungsformen ist das meteorologische Überwachungsmodul ausgebildet zum Verwenden von oberflächenmeteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region als mindestens einen Teilsatz der meteorologischen Daten. In einigen Ausführungsformen ist das meteorologische Überwachungsmodul ausgebildet für Radiosondesondierungsdaten, als mindestens einen Teilsatz der meteorologischen Daten.
Einige Ausführungsformen stellen ein Verfahren eines Verarbeitens von GNSS-Signaldaten bereit zum Abschätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: Erhalten von GNSS-Daten, die gesammelt werden bei einer Vielzahl von Stationen, die verteilt sind über eine Region, von Signalen, die empfangen werden von GNSS-Satelliten über mehrere Epochen; Erhalten eines Satelliten-Code-Bias pro Satellit; Abschätzen von den GNSS-Daten und dem Satelliten-Code-Bias eines Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten bzw. Float Ambiguities pro Station pro Satellit, und Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, und einen Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit; Festmachen der Mehrdeutigkeiten; und Schätzen von den GNSS-Daten und den festen Mehrdeutigkeiten von korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
Einige Ausführungsformen umfassen ferner ein Erhalten von meteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region; und Bestimmen von Werten über die Region für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung, von den korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter, und von den meteorologischen Daten.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Abschätzen der Werte für atmosphärische Parameter ein Anwenden von mindestens einem iterativen Filter auf die GNSS-Daten, und die Satelliten-Code-Bias. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Abschätzen der Werte für atmosphärische Parameter ein Anwenden eines Satzes von faktorisierten Filtern auf die GNSS-Daten und die Satelliten-Code-Bias. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Abschätzen der Werte für atmosphärische Parameter ein Anwenden eines Federatedionosphärischen Filters auf die GNSS-Daten und die Satelliten-Code-Bias. In einigen Ausführungsformen umfasst der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert, der vertikal abgebildet wird. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erhalten von meteorologischen Daten ein Erhalten von oberflächenmeteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erhalten von meteorologischen Daten ein Erhalten von Radiosonden-Temperaturdaten für Orte innerhalb der Region. In einigen Ausführungsformen ist die abgelaufene zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für die atmosphärischen Parameter nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden.
Einige Ausführungsformen stellen eine Vorrichtung bereit zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Abschätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: mindestens ein rekursives Filter zum Abschätzen von Satelliten-Differential-Code-Bias und von den GNSS-Signaldaten eines Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten pro Station pro Satellit und eines Satzes von Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, (iv) einer neigungstroposphärischen Gesamtverzögerung pro Station pro Satellit, und iv) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit; ein Mehrdeutigkeits-Festmachmodul zum Vorbereiten fester Mehrdeutigkeiten von den Fließkommamehrdeutigkeiten; und ein Korrekturmodul zum vorbereiten von den GNSS-Daten und den festen Mehrdeutigkeiten von korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
Einige Ausführungsformen stellen ferner ein meteorologisches Überwachungsmodul bereit zum Bestimmen von Werten für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung von den korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
In einigen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine rekursive Filter ein Kalman-Filter. In einigen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine rekursive Filter einen Satz von faktorisierten Filtern. In einigen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine rekursive Filter ein Federated-ionasphärisches Filter. In einigen Ausführungsformen umfasst der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert, der vertikal abgebildet wird. In einigen Ausführungsformen ist das meteorologische Überwachungsmodul betriebsfähig zum Verarbeiten von meteorologischen Daten, umfassen oberflächenmeteorologische Daten für Orte innerhalb der Region. In einigen Ausführungsformen ist das meteorologische Überwachungsmodul betriebsfähig zum Verarbeiten von meteorologischen Daten, die Radiosondensondierungsdaten umfassen für Orte innerhalb der Region. In einigen Ausführungsformen ist die abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für integriertes Niederschlagswasser und einer ionosphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden.
Einige Ausführungsformen stellen ein Computerprogrammprodukt bereit, das umfasst: ein computerverwendbares Medium mit computerlesbaren Instruktionen, die physikalisch darin verkörpert sind, wobei die computerlesbaren Instruktionen, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, dem Prozessor ermöglichen, ein Verfahren auszuführen, wie hierin beschrieben. Einige Ausführungsformen stellen Computerprogramm bereit, das einen Satz von Instruktionen umfasst, die, wenn geladen werden in und ausgeführt werden durch einen Prozessor, dem Prozessor ermöglichen, ein hierin beschriebenes Verfahren auszuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden schneller verstanden von den unten beschriebenen Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen Folgendes gezeigt ist:
1 stellt schematisch ein Stand-der-Technik-GNSS-Szenario dar;
2 stellt schematisch den Einfluss einer Ionosphäre und Troposphäre auf ein Signal eines GNSS-Netzwerks dar;
3 stellt schematisch den Neigungspfad eines GNSS-Signals durch die Troposphäre von Satelliten zum Empfänger dar;
4 stellt schematisch den Neigungspfad eines GNSS-Signals durch die Ionosphäre von Satellit zu Empfänger dar;
5 stellt dar, wie ionosphärische Parameter die Ionosphäre bei einem Durchstoßpunkt relativ zu einem Referenzpunkt beschreiben;
6 stellt schematisch ein GNSS-Netzwerk dar, das nützlich ist beim Implementieren einiger Ausführungsformen der Erfindung;
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Echtzeitprozesses zum Schätzen atmosphärischer Parameterwerte unter Verwendung eines Federated-ionosphärischen Filterverfahrens gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
8 stellt schematisch ein System dar, das ein Federated-ionosphärisches Filter gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung verwendet;
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Federatedionosphärischen Filterprozesses gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
10 zeigt ein schematisches Diagramm eines Federatedionosphärischen Filters gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Federatedionosphärischen Filterprozesses gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
12 zeigt ein schematisches Diagramm eines Federatedionosphärischen Filters gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
13 zeigt ein Flussdiagramm eines atmosphärischen Überwachungsprozesses gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
14 zeigt ein schematisches Diagramm eines atmosphärischen Überwachungsmoduls gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
15 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses 1500 zum Schätzen von Umweltparametern unter Verwendung fester Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
16 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems zum Schätzen von Umweltparameterwerten unter Verwendung von festen Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
17 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses 1700 zum Schätzen von Umweltparametern unter Verwendung von festen Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
18 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems zum Schätzen von Umweltparametern unter Verwendung von festen Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung;
19 zeigt ein Blockdiagramm eines integrierten GNSS-Empfängersystems; und
20 zeigt ein schematisches Diagramm eines Computersystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Teil 1: Einführung
1 stellt schematisch ein GNSS-Szenario des Stands der Technik 100 dar. Empfänger 100 empfängt GNSS-Signale von irgendeiner Anzahl m von Satelliten in Sichtkontakt, wie zum Beispiel 120, 130 und 140. Die Signale gehen durch die Ionosphäre 150 der Erde und durch die Troposphäre 160 der Erde. Jedes Signal hat mehrere Trägerfrequenzen, wie zum Beispiel Frequenzen L1 und L2. Der Empfänger 110 bestimmt von den Signalen entsprechende Pseudoentfernungen bzw. Pseudobereiche PR1, PR2, ..., PRM, zu den Satelliten. Pseudoentfernungsbestimmungen sind verzerrt durch Signalpfadvariierungen, die aus dem Durchgang der Signale durch die Ionosphäre 150 und die Troposphäre 160 resultieren, und von Multipfadeffekten, wie schematisch gekennzeichnet durch 170. Pseudoentfernungen können bestimmt werden unter Verwendung des C/A-Codes mit einem Fehler von ungefähr einen Meter. Jedoch können die Phasen der L1- und L2-Träger mit einer Genauigkeit von 0,01–0,05 Zyklen (entsprechend den Pseudoentfernungsfehlern von 2 mm bis 1 cm) gemessen werden. Phasenmessungen von den Trägern werden beeinflusst durch dispersive Effekte der Ionosphäre, die mit Zeit variieren.
2 stellt schematisch bei 200 eine ionosphärische Hülle 205 und ein Teil 210 einer troposphärischen Hülle, die die Erde umgeben, dar mit erdbasierten Referenzstationen 215, 220, 225, ..., 230 eines Netzwerks, die jeweils Signale von GNSS-Satelliten 235, 240, ..., 245 empfangen. Die Troposphäre hat eine Tiefe von beispielsweise Null bis ungefähr 11 km. Eine troposphärische Verzögerung beeinflusst die Signale, die empfangen werden durch jede Referenzstation in einer Art und Weise abhängig von einer atmosphärischen Temperatur, Druck und Feuchtigkeit in der Nähe der Referenzstation, sowie der Höhe der Satelliten relativ zu der Referenzstation. Der Fehler ist ungefähr 1 mm pro Meter auf Erdhöhe, so dass der letzte Meter des Signalpfads zu der Referenzstation ungefähr 1 mm von Fehler in dem troposphärischen Modell gibt.
Verschiedene Techniken sind bekannt zum Modellieren einer troposphärischen Pfadverzögerung auf den Signalen. Siehe beispielsweise B. HOFMANN-WELLENHOF ET AL:; GLOBAL POSITIONING SYSTEM: THEORY und PRACTICE, 2. Auflage 1993, Abschnitt 6.3.3, Seiten 89–106. Eine troposphärische Skalierung (Tropo-Scaling), was die atmosphärischen Parameter in einem Tropo-Skalierparameter zusammenbringt, kann auf mindestens drei Arten implementiert werden. Ein erster Ansatz ist die Zenitgesamtverzögerung (ZTD, Zenith Total Delay) zu modellieren, die eine troposphärische Verzögerung in einer vertikalen Richtung relativ zu der Referenzstation repräsentiert als Wert, der einen Entfernungsfehler δr repräsentiert, beispielsweise 2,58 Meter. Ein zweiter Ansatz ist es, die Summe von Eins plus einem Skalierfaktor (1 + S) zu modellieren, so dass eine troposphärische Verzögerung in der vertikalen Richtung T¹ = (1 + S)T gilt, wobei T eine Konstante ist, beispielsweise 1 + S = 1,0238. Ein anderer Ansatz ist es, S direkt zu modellieren, beispielsweise S = 2,38%. Im Allgemeinen ist ein ”troposphärischer Effekt” alles, das unterschiedliche Signalfrequenzen auf die gleiche Art und Weise (nicht-dispersiv) beeinflusst.
Wie in 3 gezeigt, gehen, außer wenn ein Satellit direkt über einer Referenzstation ist, Signalstrahlen durch die Troposphäre 310 in einem Neigungspfad vom Satelliten zum Empfänger, wie zum Beispiel Pfad 320 von Satellit 330 zur Referenzstation 340. Der Neigungspfad des Signalstrahls von einem gegebenen Satelliten zu jeder Referenzstation geht durch die Troposphäre mit einem Winkel α, der unterschiedlich ist für jeden Satellit in Sicht bei der Station. Die troposphärische Abbildungsfunktion ist daher unterschiedlich für jede Satellit-zu-Referenz-Stationskombination bei jeder Epoche. Der Effekt der unterschiedlichen Neigungswinkel kann kompensiert werden durch Inverbindungbringen der geometrie-abhängigen zenittroposphärischen Verzögerung Tα mit einer geometrieunabhängigen troposphärischen Verzögerung T₉₀° (vertikal T) durch eine Abbildungsfunktion m(α):Tα = m(α)T₉₀°.
Wie in 4 gezeigt, gehen Signalstrahlen ähnlich durch die Ionosphäre 410 in einem Pfad von Satellit zu Empfänger, wie zum Beispiel Pfad 420 von Satellit 430 zur Referenzstation 440. Dieser Neigungspfad wird explizit berücksichtigt durch die sogenannte Abbildungsfunktion bzw. Abbildefunktion. f_mopping(ζ) = 1/cos(ζ) (1) wobei ζ der Winkel des Signalstrahls mit der Linie 450 rechtwinklig zu der ionosphärischen Sphäre durch den Durchstoßpunkt 460 ist (beispielsweise Linie 1410). Der Neigungspfad des Signalstrahls von einem gegebenen Satelliten zu jeder Referenzstation geht durch die Ionosphäre mit einem unterschiedlichen Winkel und ist unterschiedlich für jede Referenzstation. Die Abbildungsfunktion ist daher unterschiedlich für jede Satellit-zu-Referenz-Stationskombination. Der Effekt der unterschiedlichen Neigungswinkel kann kompensiert werden durch Inbezugsetzen des geometrie-abhängigen Gesamtelektroneninhalts (TEC) zu einem geometrie-unabhängigen VTEC (vertikalen TEC), so dass TEC/f_mapping(ζ) = TECcos(ζ) = VTEC (2)
In dem Beispiel von 4 entspricht der TEC, bestimmt entlang des Neigungspfads 460, dem VTEC entlang der Linie 450 rechtwinklig zu der ionosphärischen Sphäre 410 beim Durchstoßpunkt 460.
Mit dem Konzept der Abbildungsfunktion kann der ionosphärische Fortschritt über den Netzwerkbereich geschrieben werden als (hier werden die hochgestellten i und j als Exponenten und nicht Indizes verstanden).
Dies bedeutet, dass der ionosphärische Fortschritt über den Netzwerkbereich ausgedrückt wird in Ausdrücken ihrer Taylor-Entwicklung (oder einem anderen Satz von orthogonalen Funktionen, wie zum Beispiel sphärischen Bessel-Funktionen).
Für die meisten Zwecke, und wie hierin dargestellt, kann die Entwicklung bei der ersten Ordnung gestoppt werden, und die Terminologie a_1.0 = a_λ und a_0.1 = a_φ eingeführt werden. Der Ausdruck a_0.0 = I₀ der ionosphärische Fortschritt bei dem Referenzpunkt, während a_λ und a_φ die Gradienten der Ionosphäre in den relativen Koordinaten sind. Die Ionosphäre bei den Durchstoßpunkten ist deshalb ausgedrückt als I m / n = m m / n(I m / 0 + a m / λΔλ m / n + a m / φΔφ m / n) (4)
Deshalb kennzeichnen für jeden Satelliten m in Sicht die Parameter (I m / 0 , a m / λ , a m / φ ) die Ionosphäre über dem Netzwerkbereich. Diese Parameter werden geschätzt zusammen mit der Trägerphasen-Ganzzahl-Mehrdeutigkeit (Integer-Mehrdeutigkeit) und Mehrpfad- bzw. Multipfadzuständen. Im Allgemeinen ist, falls die Entwicklung von Gleichung (3) zur Kartenordnung ausgeführt wird, die Anzahl der Zustände, die eingeführt werden für die Ionosphäre (k + 1)(k + 2)/2. Die anderen Ausdrücke von Gleichung (3) (m m / n , Δλ m / n , Δφ m / n ) sind durch die Geometrie des Netzwerks und die Position des Satelliten m gegeben.
5 stellt dar, wie die ionosphärischen Parameter (I m / 0 , a m / λ , a m / φ ) die Ionosphäre bei einem Durchstoßpunkt 510 relativ zu einem Referenzpunkt 520 beschreiben. Die Ionosphäre hat einen TEC von I m / 0 bei einem Referenzpunkt mit einer Neigung a m / λ in Winkelrichtung λ und eine Neigung a m / φ in Winkelrichtung φ. In dem Beispiel von 5 ist der TEC 530 bei Durchstoßpunkt 510 die Summe von einem Beitrag 540 gleich I m / 0 , einem Beitrag 550 basierend auf einer Neigung a m / λ und dem Winkelabstand des Durchstoßpunktes 520 von Referenzpunkt 520 in Richtung λ, und einem Beitrag 560 basierend auf Neigung a m / φ und dem Winkelabstand vom Durchstoßpunkt 510 vom Referenzpunkt 520 in Richtung φ.
Während eine lineare Behandlung der Ionosphäre eine exzellente Verfügbarkeit liefert, zieht ein noch realistischeres Modell die Dicke der Ionosphäre in Betracht.
Wie es bekannt ist (beispielsweise aus D. BILITZA, International Reference Ionosphere 2000, RADIO SCIENCE 2 (36) 2001, 261), hat die Elektronendichte der Ionosphäre ein gewisses Profil f(h) als eine Funktion einer Höhe h, das seine Spitze erreicht bei einer Höhe zwischen 300–400 Kilometer über der Erdoberfläche. Der Elektroneninhalt, den ein Strahl antrifft von Satellit m zu Station n wird ausgedrückt durch das Integral
wobei s das Maß entlang der direkten Sichtlinie zwischen Satellit und Station ist. Für ein einfaches Schalenmodell gilt f(h) = Δ(h – h₀) (Dirac Delta Verteilung), und dieser Ausdruck verringert sich zu der vorherigen Abbildungsfunktion als
Unter Verwendung von passenden Parametern für f(h) kann das Integral für alle Stations-Satelliten-Paare numerisch bei jeder Epoche berechnet werden. Für praktische Zwecke ist eine Näherung hinsichtlich eines Boxenprofils ausreichend und liefert Verbesserungen gegenüber dem Schalenmodell. Es wird angenommen, dass die Gradienten in der Ionosphäre nicht von der Höhe abhängen. Diese Annahme kann leicht vereinfacht werden durch Hinzufügen von weiteren Gradientenzuständen für unterschiedliche Höhen. Dass die finite Dicke der Ionosphäre ein wichtiges Merkmal des Modells ist, kann verstanden werden durch die Vorstellung des Eintritts- und Austrittspunktes des Strahls eines Satelliten mit niedriger Höhe, beispielsweise wie in 8 der US Patentanmeldungsveröffentlichung US 2009/0224969 A1 gezeigt ist. Falls die Dicke der ionosphärischen Schale 200 Kilometer ist, kann der Eintrittspunkt und Ausgangspunkt getrennt sein um einige 1000 Kilometer. Mit typischen Gradienten von a_λ, a_ϕ ~ 10^–3 m/km unterscheiden sich die Beträge des ionosphärischen Fortschritts stark von Eintrittspunkt zu Austrittspunkt.
6 stellt schematisch ein System 600 dar, das nützlich ist beim Implementieren einiger Ausführungsformen der Erfindung. Referenzstationen eines optionalen globalen (weltweiten) Nachverfolgungsnetzwerks, wie zum Beispiel Referenzstationen 605, 610, ..., 615, sind über die Erde verteilt mit dem Ziel, eine im Wesentlichen kontinuierliche Observierfähigkeit von den meisten oder allen GNSS-Satelliten aufzuweisen. Die Position von jeder Referenzstation ist sehr genau bekannt, beispielsweise innerhalb weniger als 2 cm. Jede Referenzstation ist ausgestattet mit einer Antenne und verfolgt die GNSS-Signale, die übertragen werden durch die Satelliten in Sicht mit dieser Station, wie zum Beispiel GNSS-Satelliten 620, 625, ..., 630. Die GNSS-Signale haben Codes, moduliert auf jeder von zwei oder mehreren Trägerfrequenzen. Jede Referenzstation des globalen Netzwerks erfasst GNSS-Daten, die für jeden Satelliten in Sicht bei jeder Epoche Träger-Phasen-(Träger)-Observationen von mindestens zwei Träger repräsentieren, sowie Pseudoentfernungs-(Code)-Observationen der entsprechenden Codes, moduliert auf mindestens zwei Trägern. Die Referenzstationen erhalten auch die Übertragungsnavigationsnachricht mit Almanach/Kalender und Ephemeriden der Satelliten von den Satellitensignalen. Der Almanach enthält die ungefähre Position von allen Satelliten des GNSS, während die sogenannten Übertragungs-Ephemeriden präzisere Vorhersagen (ca. 1 m) der Satellitenposition und der Satellitentaktfehler (ca. 1,5 m) über spezifische Zeitintervalle bereitstellen.
GNSS-Daten, die bei den Referenzstationen des optionalen globalen Netzwerks gesammelt werden, werden übertragen. über Kommunikationskanäle 635 an einen globalen Netzwerkprozessor 640. Der globale Netzwerkprozessor 640 verwendet die GNSS-Daten von den Referenzstationen des globalen Netzwerks mit anderer Information zum Schätzen von Parametern, wie zum Beispiel Satelliten-Differential-Code-Bias (DCBs), die verwendet werden in der regionalen Netzwerkverarbeitung. Solch ein globales System wird in der US Provisional-Anmeldung für Patent Nummer 61/277,184, eingereicht am 19. September 2009 (TNL A-2585P) beschrieben.
Unter weiterer Bezugnahme auf 6 werden Referenzstationen eines regionalen (lokalen) Nachverfolgungsnetzwerks, wie zum Beispiel Referenzstationen 645, 650, ..., 655, über eine Region der Erde verteilt, so dass GNSS-Satelliten sichtbar über dieser Region observiert werden können. Die Position von jeder Referenzstation ist genau bekannt, beispielsweise innerhalb weniger als 2 cm. Jede Referenzstation ist ausgestattet mit einer Antenne und verfolgt die GNSS-Signale, die übertragen werden durch die Satelliten in Sicht bei dieser Station, wie zum Beispiel GNSS-Satelliten 620, 625, ..., 630. Jede Referenzstation des regionalen Netzwerks erfasst GNSS-Daten, die für jeden Satellit in Sicht bei jeder Epoche Träger-Phasen-(Träger)-Observationen von mindestens zwei Trägern und Pseudoentfernungs-(Code)-Observationen der entsprechenden Codes, moduliert auf mindestens zwei Trägern, repräsentieren. Die regionalen Referenzstationen enthalten auch typischerweise die Übertragungsnavigationsnachricht mit Almanach und Ephemeriden des Satelliten von den Satellitensignalen.
GNSS-Daten, die gesammelt werden bei den Referenzstationen des regionalen Netzwerks werden übertragen über Kommunikationskanäle 660 an einen regionalen Netzwerkprozessor 665. Der regionale Netzwerkprozessor 665 verwendet die GNSS-Daten von den Referenzstationen des regionalen Netzwerks mit anderer Information zum Schätzen von Werten von atmosphärischen Parametern, wie unten beschrieben. Diese Werte werden zur Anzeige und/oder zur Verwendung in einem oder mehreren Wettervorhersageprozessoren 670 zur Verfügung gestellt. Die Daten werden übertragen, beispielsweise, wie in 6 gezeigt, über Kommunikationskanäle 675, einem Uplink 680, Kommunikationssatelliten 685 und einem Downlink 690. Irgend andere passende Übertragungsmedien können auch verwendet werden, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, das Internet, Funkübertragung oder Mobiltelefonverbindung.
Teil 2: Federated-ionosphärisches Filter
Einige Ausführungsformen gemäß der Erfindung schätzen Umweltparameter unter Verwendung eines Federatedionosphärischen Filters.
GPS L₁- und L₂-Trägerphasen und Pseudoentfernungsobservationen können ausgedrückt werden als:
wobei:
L₁ und L₂ die L₁ und L₂ Trägerphasen-Observationen in Meter sind,
φ₁ und φ₂ die L₁ und L₂ Trägerphasen-Observationen in Zyklen sind,
P₁ und P₂ die L1 und L2 Pseudoentfernungsobservationen in Metern sind,
ρ die geometrische Entfernung zwischen Satellit und Empfängerantennen-Phasenzentrum ist,
T die troposphärische Verzögerung in Metern ist,
I die L₁ ionosphärische Verzögerung in Metern ist,
t^s und t_r die Satelliten- und Empfängertaktfehler sind,
b s / 1 und b s / 2 die Satelliten L₁ und L₂ Phasenbias sind,
b r / 1 und b r / 2 die Empfänger L₁ und L₂ Phasenbias sind,
B s / 1 und B s / 2 die Satelliten L₁ und L₂ Codebias sind,
B r / 1 und B r / 2 die Empfänger L₁ und L₂ Codebias sind,
N₁ und N₂ die L₁ und L₂ Ganzzahlmehrdeutigkeiten sind,
ν₁ und ν₂ L₁ und L2 Phasenrauschen plus Multipfad sind, und
ε₁ und ε₂ L₁ und L₂ Coderauschen plus Multipfad sind.
Ionosphärische Phase und Pseudoentfernungsobservation, abgebildet auf L1 Frequenz, kann geschrieben werden als:
Das Verhältnis zwischen L1 ionosphärischen Verzögerung und Gesamtelektroneninhalt ist:
wobei 1 TEC Einheit äquivalent ist zu 16,2 cm Verzögerung bei GPS L1 Frequenz.
Satellitenbias b s / 1 und b s / 2 und Empfänger b r / 1 und b r / 1 In den ionosphärischen Phasenobservationen können getrennt werden von dem ununterscheidbaren Mehrdeutigkeiten und werden daher absorbiert in den ununterscheidbaren ionosphärischen Mehrdeutigkeiten. Diese Biers werden in der folgenden Beschreibung ignoriert.
Die Ausdrücke B s / 2 – B s / 1 und B r / 2 – B r / 1 in Gleichung (6) sind die sogenannten Satelliten-Differential-Code-Bias und Empfänger-Differential-Code-Bias (DCBs). Die DCB-Werte für GPS und GLONASS-Satelliten sind stabil und können heruntergeladen werden (beispielsweise monatlich oder täglich) von dem internationalen GNSS-Service (IGS) oder berechnet werden aus einem globalen Netzwerk von Empfängern und hinzugefügt werden zu der ionosphärischen Pseudoentfernungsobservation. Eine weitere Beschreibung der Satelliten-DCBs wird gegeben in der Berner Software von dem Astronomischen Institut der Universität Bern, Version 5.0, Januar 2007, Kapitel 13 und in der Provisional-Anmeldung für US Patent 61/337,980, eingereicht am 14. Februar 2010 (TNL A-2633P) und internationalen Patentanmeldung PCT/U52011/024733 (TNL A-2633PCT). Die Empfänger-DCBs müssen in dem Filter geschätzt werden.
US Patentanmeldungsveröffentlichung US 2009/0224969 A1 (TNL A-1743US) drückt einen ionosphärischen Fortschritt über einen Netzwerkbereich mit Hilfe einer Taylor-Entwicklung oder einem anderen Satz von orthogonalen Funktionen aus.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden ein ähnliches Modell, außer, dass ein stochastischer ionosphärischer Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station hinzugefügt wird, zum Berücksichtigen der Unmöglichkeit der Beschreibung der komplexen Ionosphäre mit einem einfachen mathematischen Modell:
wobei
Δλ, Δϕ die Koordinaten der Durchstoßpunkte relativ zu einem Referenzpunkt sind,
m(Δλ, Δϕ) die sogenannte Abbildungsfunktion ist zum Abbilden einer ionosphärischen Neigungsverzögerung auf eine Vertikale, und
δ der stochastische Verzögerungsausdruck ist, der die kleine Variierung von jedem Satelliten-Empfänger-Signalpfad zusätzlich zu dem Taylor-Modell modelliert.
Da für die meisten Zwecke die Taylor-Entwicklung bei der ersten Ordnung gestoppt werden kann, werden die Ausdrücke α_0,0 = α_o α_1,0 = α_λ und α_0,1 = α_ϕ der Taylor-Entwicklung eingeführt. Der Zustandsvektor für Satellit i Teilfilter ist:
wobei Zustände in I 1 / 0 , a 1 / λ , a 1 / ϕ , δ¹, ..., δⁿ, N 1I , ..., N n / I einzigartig sind in jedem Satellitenteilfilter und Empfänger (DCBs) B 1 / I , ... B n / I sind gleich für alle Satellitenteilfilter, so dass ein Federated-Filteransatz verwendet werden kann.
Mit der Observationsaktualisierung von Epoche k dem Pro-Satellit-Teilfilter, sind geschätzte Zustände X ^ k / i und eine entsprechende kovariante Matrix Q k / i für Satellit i unter Verwendung eines Standard-Kalman-Filters oder eine faktorisierte UD-Form des Kalman-Filters:
Mit dem Federated-Filteransatz werden die Empfänger-DCSs B 1 / I , ... B n / I (gemeinsame Zustände) und eine entsprechende kovariante Matrix, geschätzt in jedem Filter X ^ k / i,c , Q k / i,c = 1, 2,... m in ein Zentralfusions-Masterfilter eingeführt.
Falls eine factorisierte UD-Form eines Kalman-Filters verwendet wird als Zentralfusions-Masterfilter:
Die Schätzungen X ^ k / i,c von einem einzelnen Satellitenteilfilter werden zuerst transformiert in einen unkorrelierten Vektor Z k / i,c mit dem Inversen der U-Matrix:
und ihre entsprechende Varianz ist die diagonale Matrix D k / i,c .
Die Zustände in dem Zentralfusions-Masterfilter (welches die Empfänger DCBs B 1 / I , ... B n / I sind) werden zurückgesetzt auf einen 0-Wert und eine unendliche Varianz vor irgendeiner Observationsaktualisierung bei jedem Epochenprozess; dann werden die entkorrelierten Observationen von jedem Satellitenteilfilter (Gleichung 14) eingegeben in ein UD-Filter eine nach der anderen, von allen einzelnen Stationsfiltern. Speichern der kovarianten Matrix in UD-Form U M / c,k , D M / c,k intern, kann zur Berechnung der kovarianten Matrix wie folgt führen:
Das Zentralfusionsmasterfilter stellt globale optimierte Schätzungen für die Empfänger-DCBs B 1 / I , ... B n / I bereit, welche zurückgeführt werden an jedes ionosphärische Teilfilter eines Satelliten, welches dann die lokalen einzigartigen Zustände aktualisiert. Dies stellt sicher, dass die Schätzungen und Kovarianzen für die Empfänger-DCBs B 1 / I , ... B n / I in jedem ionosphärischen Teilfilter des Satelliten die gleichen sind, wie in dem Zentralfusions-Masterfilter.
Die lokalen einzigartigen Zustände werden bestimmt durch:
und die Kovarianzmatrix für das Satellitenteilfilter i ist:
Gleichungen (22)–(24) geben die entgültigen Schätzungen der lokalen Zustände mit entsprechender Kovarianzmatrix in UD-Form. Ableiten von Gleichung (23),
Teil 3: Ableiten von IPWV von ZTD
Einige Ausführungsformen gemäß der Erfindung verwenden das modifizierte Hopfield-Troposphärische-Modell und die Niell-(nass und trocken)-Abbildungsfunktion. Andere troposphärische Modelle, die im Stand der Technik bekannt sind, können verwendet werden, wie zum Beispiel das Saastamoinen-Modell oder das globale Druck- und Temperaturmodell unter Verwendung der globalen Abbildungsfunktion, entwickelt durch Bohem et al. siehe beispielsweise:McCarthy et al., IERS Conventions (2003), IERS Technical Note 32, Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, 2004, Boehm et al., Troposphere mapping functions for GPS and very lang baseline interferometry from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts operational analysis data, Journal of Geophysical Research 111 B02406 DOI:10.1029/2005JB003629 (2006); Boehm et al., The Global Mapping Function (GMF): A new empirical mapping function based an data from numerical weather model data, Geophysical Research Letters 33 L07304 DOI:10.129/2005GL025546 (2006); Boehm et al., Short note: A global model of pressure und temperature for geodetic applications. Journal of Geodesy, Band 81, Nr. 10, Seiten 679–683 (2007); und das globale Druck und Temperaturmodell, veröffentlicht auf der IERS-ftp-Seite ftp://tai.bipm.org/iers/convupdt/chapter9/gpt.f.
Abbildungsfunktionen werden verwendet zum Abbilden der zenit-troposphärischen Verzögerung (ZTD) bei einem Empfänger zu einem spezifischen Satellitenhöhenwinkel. Unterschiedliche Abbildungsfunktionen werden verwendet für die trockene (hydrostatische) Komponente und die nasse Komponente: TD(z) = f_h(z)·ZHD + f_w(z)·ZWD (28) wobei
TD die troposphärische Gesamtverzögerung ist,
ZHD die zenit-hydrostatische Verzögerung ist,
ZWD die Zenitnassverzögerung ist,
z der Zenitwinkel ist,
f_h die hydrostatische Abbildungsfunktion ist, und
f_w die Nassabbildungsfunktion ist.
Die Zenitgesamt-Troposphärische-Verzögerung ZTD repräsentiert die Gesamtverzögerung, welche einen hydrostatischen (oft ”trocken” genannten) und nassen Teil enthält; ZTD = ZHD + ZWD (29) wobei ZHD die zenit-hydrostatische Verzögerung ist, und ZWD die Zenit-Nass-Verzögerung ist.
Die zenit-hydrostatische Verzögerung CHD kann akkurat berechnet werden (auf mm-Niveau), falls der Oberflächendruck bekannt ist: ZHD = 0.0022768P/(1 – 0.00266 cos(2·lat) – 0.00028H) (30)
Siehe Mendes, Modeling the neutral-atmosphere propagation delay in radiometric space techniques. Doktor-Arbeit des Department of Geomatics Engineering Technical Report Nummer 199, University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada, Seite 353 ff. (1999), verfügbar in http://gge.unb.ca/Pubs/TR199.pdf. Saastamoinen-Formeln können verwendet werden zum Evaluieren der Verzögerung für einen gegebenen Druck. Siehe McCarthy et al., IERS Conventions (2003), IERS Technical Note 32, Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, 2004, Boehm et al., Troposphere mapping functions for GPS und very long baseline interferometry from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts operational analysis data, Journal of Geophysical Research 111 B02406 DOI:10.1029/2005JB003629 (2006); Saastamoinen, Atmospheric Correction for the Troposphere und Stratosphere in RadioRanging of Satellites, Geophysical Monograph 15, Henriksen (ed), Seiten 247–251 (1972); und Davis et al., Geodesy by Radio Interferometry: Effects of Atmospheric Modelling Errors an Estimates of Baseline Length, Radio Science, 20, Nr. 6, Seiten 1593–1607 (1985).
Der zusätzliche Fehler in ZHD aufgrund von Ungewissheiten in der Druckabschätzung ist ungefähr 2 mm/mbar für Orte nicht zu weit weg von der Durchschnittsmeerhöhe (H = 100 m und lat = 45 deg führt zu 0,0023 m/mbar). Druckwerte für einen gegebenen Ort können von verschiedenen Quellen erhalten werden, wie zum Beispiel einer lokalen (nahen) Messung, interpolierter Oberflächentemperatur von nahen Orten und/oder numerischen Wettermodellen.
Die Zenit-Nass-Verzögerung ZWD kann erhalten werden von GPS-abgeleiteten ZTD, falls ZTD akkurat verfügbar ist: ZWD = ZTD – ZHD (31)
Der Wert von ZWD ist stark abhängig von der Menge von Wasser, das sich in der Atmosphäre befindet: ZWD = 10e – 6·Rw·(K2 + K3/Tm)·IWV (32) wobei IWV der integrierte Wasserdampf bzw. Integrated Water Vapor ist – die Gesamtmasse an Wasserdampf in einer 1 m² Säule, die sich von der Oberfläche zur Spitze der Atmosphäre erstreckt.
Integriertes Niederschlagswasser (IPWV, Integrated Predictable Water Vapour) ist eng verwandt mit IWV, wobei:
Dies bedeutet, dass 1 kg/m² von IWV um 1 mm von IPWV repräsentiert. IPWV kann abgeleitet werden von GNSS-Observationen:
wobei ZTD von GNSS-Messungen geschätzt wird,
ZHD von Oberflächendruck geschätzt wird,
R_w, K2, K3 und
Konstanten sind,
e Wasserdampfdruck ist, und
T_m Durchschnittstemperatur ist.
Die Durchschnittstemperatur Tm wird bestimmt, beispielsweise von Profilen der Temperatur T und Wasserdampf bzw. Feuchtigkeit e entlang der atmosphärischen Säule, was von Radiosondensondierungen oder numerischen Wettermodellen kommen kann.
Falls die Temperatur T und Wasserdampf-e-Profile über eine Höhe z verfügbar sind, wird Tm bestimmt als:
Falls Profile der Temperatur T und Wasserdampfdruck e nicht verfügbar sind, kann eine durchschnittliche Temperatur Tm geschätzt werden (weniger akkurat) basierend auf Oberflächentemperaturen Ts: Tm = Ts·[1 – bR/(l + 1)/g (36) wobei R die Gaskonstante für trockene Luft ist (287,054 J/Kg/K),
g_m die Beschleunigung der Gravitation,
berechnet für eine gegebene Höhe und Breite, und
b und l sind Lapse-Rate-Parameter, die berechnet werden können für den Ort von Interesse unter Verwendung eines Modells (beispielsweise UNB3m).
Sobald Tm bekannt ist, kann IPWV berechnet werden als:

Der Umwandlungsfaktor von ZWD zu IPWV ist start abhängig von dem Tag des Jahrs und der Breite. Ungefähre Zahlen können in Echtzeit geschätzt werden, beispielsweise alle 15 Sekunden, durch einen Prozessor unter Verwendung von 1 Hz Echtzeitdatenströmen mit allen geschätzten und gemessenen Parametern, die in einer Datenbank gespeichert sind. IPWV-Information, lokale oberflächenmeteorologische Daten und ZWD-Information können erlangt werden von der Datenbank, wie benötigt. Im Fall von Problemen in einer Echtzeitdatenübertragen, können Daten automatisch oder manuell über ein FTP-Download von den problematischen Referenzstationen erlangt werden, sowie vorverarbeitet werden, und die Ergebnisse in der Datenbank gespeichert werden. Beispiele von meteorologischen Datenquellen enthalten:

Institution	Typ	Format	Webseite
NOAA (US)	NWM (Regional, Global)	GRIB	http://nomads.ncdc.noaa.gov/
NRCan (CAN)	NWM (Regional, Global)	GRIB	http://www.weatheroffice.gc.ca/grib/
NOAA (US)	Radiosonde (Global)	ASCII (mehrere)	http://esrl.noaa.gov/raobs/

Teil 4: Ableiten von TEC/VTEC von festen Mehrdeutigkeiten
Die geschätzten geometriefreien Mehrdeutigkeiten des Federated-ionosphärischen Filters und entsprechende Kovarianzen zusammen mit ionosphärenfreien Mehrdeutigkeiten, abgeleitet von einem geometrischen Filter (welches ein Federated-Geometriefilter sein kann, wie in der Veröffentlichung der US Patentanmeldung US 2009/0027625 A1 beschrieben (TNL A-1789 US)), und Weitspurmehrdeutigkeiten, abgeleitet von einem Code-Träger-Filter, können kombiniert werden zum Auflösen von doppeldifferenzierten bzw. doppeltabgeleiteten Weitspur-/Schmalspurmehrdeutigkeiten über dem Netzwerk.
Mit festen Mehrdeutigkeiten kann die volle Genauigkeit der Abschätzungen von Trägerphasenobservationen erreicht werden, das heißt, von einer mm-Niveau-zu-cm-Niveau-Genauigkeit abhängig von der Höhe. Deshalb kann ein Festmachen von Mehrdeutigkeiten die Schätzung von TEC/VTEC und einer ZTD/troposphärischen Neigungsverzögerung verbessern.
Obwohl Mehrdeutigkeiten in undifferenzierter, einfach differenzierter und doppeldifferenzierter Form ausgedrückt werden können, sind nur die doppeldifferenzierten Mehrdeutigkeiten eindeutig bzw. einzigartig. Dies bedeutet, dass für eine undifferenzierte Mehrdeutigkeit, addiert pro Satellit-Dias und pro Empfänger-Bias, die Ergebnis-Doppeldifferenzierte-Mehrdeutigkeit unverändert ist.
Das Absolutniveau einer ionosphärischen Verzögerung (VTEC) wird relativ gut geschätzt unter Verwendung des Federated-ionosphärischen Filteransatzes, der hierin beschrieben ist. Für Satellit i und Empfänger j, für jede Epoche, können wir die geschätzten Fließkommawert-Ionosphärischen-Verzögerungs-Schätzungen
bekommen von dem ionosphärischen Filter, und die entsprechende Kovarianz Q_I. Die ionosphärische Neigungsverzögerung von Satellit i zu Empfänger j wird dann berechnet als:
wobei m(Δλ, Δϕ), m(Δλ, Δϕ)·Δλ und m(Δλ, Δϕ)·Δϕ, I sind die Taylor-Entwicklungsabbildungsfunktionen für die longitudinalen und Breitengradienten. Die Kovarianz der ionosphärischen Neigungsverzögerungen ist dann
Mit den (undifferenzierten) Netzwerkmehrdeutigkeiten N ^ i,j / I , die für Satellit i und Empfänger j fest sind,
wobei N ~ i,j / I die mehrdeutigkeitverringerte ionosphärische Phasenobservation ist minus der ionosphärischen Neigungsverzögerung, abgeleitet von dem Federatedionosphärischen Fließfilter, und als Eingabe an das Feste-Mehrdeutigkeits-Fonosphärische-Filter dient. Die Ausdrucke Δ^j _I und Δⁱ _I sind entsprechend die Empfänger-Bias und Satelliten-Bias in den undifferenzierten ionosphärischen Trägerphasenmehrdeutigkeiten; diese löschen sich aus, falls die Observationen doppeldifferenziert sind.
Für m Satelliten und n Stationen ist die Anzahl der Unbekannten m Satelliten-Bias + n Empfänger-Bias. Dies kann entweder gelöst werden durch kleinste Quadrat-Anpassung oder mit einem Kalman-Filter. Da das System rangdefizient ist, muss entweder ein Satellit-Bias oder ein Empfänger-Bias beschränkt sein; dies kann durchgeführt werden durch Einführen einer Pseudoobservation, beispielsweise durch Addieren einer Observation Δ 0 / i = 0 mit einer sehr kleinen Varianz zum Definieren eines Referenzsatelliten-Bias. Nach einem Schätzen der Satelliten-Bias und Stations-Biases ist der verbesserte (korrigierte) Wert der ionosphärischen Neigungsverzögerung von dem Festen-Mehrdeutigkeitsfilter für Satellit i und Empfänger j:
Teil 5: Ableiten von ZTD/Troposphärischer
Gradient/Troposphärische Neigungs-Nass-Verzögerung von Festen-Mehrdeutigkeiten
Die ionosphärenfreie Trägerphasenobservation und Code-Observation werden beschrieben als: L_c = ρ + c·(t_r – t^s) + ZTD·f(z) + N_c + ν_c P_c = ρ + c·(t_r – t³) + ZTD·f(z) + ε (45) wobei t_r und t^s die Empfängertaktfehler bzw. Satellitentaktfehler sind,
ZTD die Zenitgesamtverzögerung ist,
f(z) ist die Höhe(Zenitwinkel z)-abhängige Abbildungsfunktion (in der Praxis wird die Nass-Abbildungsfunktion f_w, die in Teil 3 beschrieben ist, genommen),
N_c ist die troposphärenfreie Mehrdeutigkeit, und
ν_c und ε_c sind das Rauschen der ionosphärenfreien Trägerphase und Coderauschen.
Im Fall, dass ein troposphärischer Gradient geschätzt werden muss, wird Gleichung (45):
wobei
die partielle Ableitung der Abbildungsfunktion mit Bezug auf den Zenitwinkel ist,
A der Azimut der Richtung des Stationssatelliten ist,
x_N und x_E die troposphärischen Gradienten von Nord- bzw. Ostrichtung sind.
Mit m Stationen und n Satelliten ist der Zustandsvektor eines geometrischen Filters bzw. eines Geometriefilters
Mit einem optimalen geometrischen Filter oder einem Federated-geometrischen Filter können ZTD und der troposphärische Gradient geschützt werden.
Mit einem ähnlichen Ansatz wie Ableiten von TEC/VTEC von festen Mehrdeutigkeiten unter Verwendung der Netzwerk-Festen-Mehrdeutigkeiten, kann die Genauigkeit von ZTD und einer Neigungsgesamtverzögerungsabschätzung verbessert werden.
Mit den Netzwerk-Festen-Mehrdeutigkeiten N ^_c = N_c + Δ r / c – Δ s / c wobei Δ r / c und Δ s / c entsprechend die empfänger- und satelliten-abhängigen Bias in den ionosphärenfreien und differenzierten Mehrdeutigkeiten sind, wird die Mehrdeutigkeits-Verringerte-Ionosphärenfreie-Trägerphasenobservation: L ⌣_c = L_c –N ^_c = ρ + c·(t_r – t^s) + ZTD·f(z) + Δ s / c – Δ r / c + ε = ρ + c·((t_r – Δ r / c) – (t^s – Δ s / c)) + ZTD·f(z) + ε_c = ρ + c·((t ⌣_r – t ⌣^s)) + ZTD·f(z) + ε_c (49)
Die Ausdrücke Δ r / c und Δ s / c werden absorbiert durch die neuen Satelliten- und Empfänger-Taktfehlerausdrücke t -^s and t -_r. Mit Mit m Satelliten und n Empfängern ist die Anzahl von Unbekannten m + 2n, was m Satellitentakt-Fehlerwerte +n Empfängertakt-Fehlerwerte und n ZTD-Werte enthält. Ähnlich zum Ableiten von TEC-VTEC von festen Mehrdeutigkeiten, ist das System auch rangdefizient und daher entweder ein Satellitentaktfehler oder ein Empfängertaktfehler muss beschränkt bzw. eingeschränkt sein. Ein verbesserter (korrigierter) ZTD-Wert für jede Station kann geschätzt werden unter Verwendung von Kleinste-Quadrate-Anpassung oder einem Kalman-Filter. Optional können ZTD-Werte, abgeleitet von dem geometrischen Filter, verwendet werden als Pseudoobservationen.
Im Fall, in dem ein troposphärischer Gradient geschätzt werden muss, wird Gleichung (49):
Mit m Satelliten und n Empfängern wird die Anzahl von Unbekannten m + 4n, was m Satellitentakt-Fehlerwerte plus n Empfängertakt-Fehlerwerte, n ZTD-Werte und 2n troposphärische Gradienten enthält.
Neben dem verbesserten ZTD-troposphärischen Gradientenschätzungen, kann eine neigungstroposphärische Gesamtverzögerung abgeleitet werden:
Mit meteorologischen Oberflächendaten kann eine Neigungs-Nass-Verzögerung abgeleitet werden: SW ^D = ST ^D – f_h(z)·ZHD (52)
Echtzeit-integriertes Niederschlagswasser (IPWV, Integrated Precipitable Water Vapour) kann dann bestimmt werden durch Verwenden von geschätzten ZTD und Funksondendaten oder meteorologischen Oberflächensensordaten, wie im Teil 3 beschrieben.
Teil 5: Darstellende Beispiele
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Echtzeitprozesses 700 zum Abschätzen von atmosphärischen Parameterwerten unter Verwendung eines Federatedionosphärischen Filterverfahrens gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Daten 705, 710, ..., 715, die Messungen von Signalen von GNSS-Satelliten repräsentieren, die gesammelt werden durch Empfänger von einem Referenzstationsnetzwerk, verteilt über eine Region, werden optional vorbereitet bei 720 (beispielsweise synchronisierte durch Epoche), und verfügbar gemacht als ein GNSS-Datensatz 725 zum Verarbeiten pro Epoche. Ein Satz von Satelliten-DCBs 730, einer pro Satellit, wird erhalten, beispielsweise heruntergeladen von dem International GNSS-Service (IGS) oder berechnet von Observationen eines globalen Netzwerks von Empfängern, wie das, das in 600 gezeigt ist, und hinzugefügt zu den ionosphärischen Pseudoentfernungsobservationen.
Ein Federated-Ionosphärischer-Fließ-Filterprozess 735 wird angewendet auf ionosphärische Kombinationen der GNSS-Daten 725, wie angepasst durch die Satelliten-DCBs 730 zum Schätzen eines Satzes von Empfänger-DCBs 740, einer pro Station, und eines Satzes von Gesamtelektroneninhalts-(TEC)-Werten 745, einer pro Station pro Satellit. Der Prozess 735 schätzt auch Fließkommawerte von ionosphärischen Filtermehrdeutigkeiten 750.
Ein geometrischer Filterprozess 755 wird angewandt auf die GNSS-Daten zum Schätzen von Werten für troposphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Satz von Werten 760 für Zenitgesamtverzögerung (ZTD), einer pro Sation; (ii) einem Satz von Werten 760 für Zenitgesamtverzögerung (ZTD), einer pro Station, und einem Satz von Werten 765 für troposphärische Gradienten pro Station, einer pro Station in jeder von zwei orthogonalen Richtungen (beispielsweise Ost und Nord oder Longitudinal- und Breitenrichtung), und (iii) einem Satz von Werten 770 für eine Neigungsgesamtverzögerung, einer pro Station pro Satellit. Prozess 755 schätzt auch Fließkommawerte von Geometriefiltermehrdeutigkeiten 775.
Meteorologische Daten 780 für Orte innerhalb der Region, beispielsweise meteorologische Daten für Messungen und/oder Modellen und optional von Radiosondensondierungen werden erhalten von externen Quellen. Ein atmosphärischer Überwachungsprozess 785 bestimmt Werte über die Netzwerkregion für Umweltparameter 790, Mindestens eines von (1) integriertes Niederschlagswasser (IPWV) pro Station 792 und (2) troposphärische Neigungs-Nassverzögerung 794 wird bestimmt von geschätzten Werten für troposphärische Parameter und meteorologische Daten 780. Der atmosphärische Überwachungsprozess oder ein anderer Prozess bestimmt optional einen Satz von Werten 796 für einen vertikalen Gesamtelektroneninhalt (VTEC), einer pro Station, von den Werten von einem Gesamtelektroneninhalt (TEC) pro Station pro Satellit 745.
8 stellt schematisch eine Architektur dar unter Verwendung eines Federated-ionosphärischen Filters gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Ein Federatedionosphärisches Fließkommafilter 835 wird angewandt auf ionosphärische Kombinationen der GNSS-Daten 725, wie angepasst durch die Satelliten-DCBs 730 zum Schätzen eines Satzes von Empfänger-DCBs 740, einer pro Station, und eines Satzes von Gesamtelektroneninhalts-(TEC)-Werten 745, einer pro Station pro Satellit. Das Federated-Filter 835 schätzt auch Fließkommawerte der ionosphärischen Filtermehrdeutigkeiten 750.
Ein geometrisches Filter 855 wird angewandt auf die GNSS-Daten zum Schätzen von Werten für troposphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Satz von Werten 760 für Zenitgesamtverzögerung (ZTD), einer pro Station; (ii) einem Satz von Werten 760 für Zenitgesamtverzögerung (ZTD), einer pro Station, und einem Satz von Werten 765 für troposphärische Gradienten pro Station, einer pro Station in jeder der zwei orthogonalen Richtungen (beispielsweise Ost und Nord oder Longitudinal- und Breitenrichtung), und (iii) einem Satz von Werten 770 für eine Neigungsgesamtverzögerung, einer pro Station pro Satellit. Das Filter 855 schätzt auch Fließkommawerte von Geometriefiltermehrdeutigkeiten 775.
Ein atmosphärisches Überwachungsmodul 885 bestimmt Werte über der Netzwerkregion für Umweltparameter 790. Modul 885 bestimmt Werte von mindestens eines von (1) einem integrierten Niederschlagswasser (IPWV, integrated Precipitated Water Vapour) 792 und (2) einer troposphärischen Neigungs-Nassverzögerung 794 von den geschätzten Werten für troposphärische Parameter und von den meteorologischen Daten 780. Optional bestimmt das atmosphärische Überwachungsprozess oder ein anderes Modul einen Satz von Werten 796 für einen vertikalen Gesamtelektroneninhalt (VTEC), einer pro Station, von den Werten des Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit 745.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Federatedionosphärischen Filterprozesses 735 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Die Satellit DCBs 730 und GNSS-Datensatz 725 werden verwendet in einem Prozess 905, der Werte 910 für Parameter eines ionosphärischen Modells und Werte 915 eines stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdrucks pro Satellit pro Station schätzt. Die geschätzten Werte 910 und 915 werden in einem Prozess 920 verwendet zum Bestimmen von Werten 745 eines Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit.
10 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Federated-ionosphärischen Filters 835 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Die Satelliten-DCBs 730 und der GNSS-Datensatz 725 werden verwendet in einem Schätzer 1005 bestimmt Werte 910 für Parameter eines ionosphärischen Modells und Werte 915 eines stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdrucks pro Satellit pro Station. Die geschätzten Werte 910 und 915 werden einem Modul 1020 übergeben, das Werte 745 des Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit bestimmt.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Federatedionosphärischen Filterprozesses 735 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Der Prozess beginnt eine Epoche eines Verarbeitens bei 1005. Der GNSS-Datensatz 725 und Satelliten-DCBs 730 werden angewandt bei 1110 auf einen ionosphärischen Teilfilterprozess pro Satellit 1110. Jeder Teilfilterprozess 1110 schätzt Werte 1115 für ”lokale” Zustände, die einzigartig sind zu ihrem zugeordneten Satellit und Werte 1120 für Zustände, die gemeinsam sind für alle ionosphärischen Teilfilter. Wie in Gleichung (16) gezeigt, umfassen die ”lokalen”Zustandswerte 1115 Parameter (I i / 0 , a i / λ , a i / ϕ ), die die Ionosphäre über der Region kennzeichnen, einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station (δ¹, ... δⁿ) und Fließkommawertmehrdeutigkeiten pro Satellit pro Station (N 1 / I , ... N n / I ). Die gemeinsamen Zustandswerte 1120, die einen Empfänger-DCB pro Station (B 1 / I , ... B n / I ) umfassen, werden einer nach dem anderen zugeführt an einen zentralen Masterfusions-Filterprozess 1135, der aktualisierte Werte 1145 für die gemeinsamen Zustände schätzt. Ein ionosphärischer Teilfilterprozess 1150 (beispielsweise unter Verwendung der gleichen Teilfilter eines Prozesses 1110) verwendet die aktualisierten gemeinsamen Zustandswerte 1145 zum Schätzen aktualisierter Werte 1155 für die ”lokalen” Zustände. Zurückführen der aktualisierten gemeinsamen Zustandswerte 1145 an die Teilfilter dient zum Fertigwerden mit Kreuzkorrelation zwischen lokalen Zuständen und gemeinsamen Zuständen.
12 zeigt ein schematisches Diagramm eines Federated-ionosphärischen Filters 835 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Ionosphärische Teilfilter 1220, einer pro Satellit, schätzen Werte 1115 für ”lokale” Zustände ab, die eindeutig sind für jeden zugeordneten Satellit eines Teilfilters und Werte 1120 für Zustände, die gemeinsam sind für alle ionosphärischen Teilfilter. Wie in Gleichung (16) gezeigt, umfassen die ”lokalen” Zustandswerte 1115 Parameter (I i / 0 , a i / λ , a i / ϕ ), die die Ionosphäre über der Region kennzeichnen, einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station (δ¹, ... δⁿ), und Fließkommamehrdeutigkeiten pro Satellit pro Station (N 1 / I , ... N n / I ). Die gemeinsamen Zustandswerte 1120, die einen Empfänger-DCB pro Station (B 1 / I , ... B n / I ) umfassen, werden einer nach dem anderen an ein zentrales Masterfusionsfilter 1235 zugeführt, das aktualisierte Werte 1145 für die gemeinsamen Zustände schätzt. Die ionosphärischen Teilfilter 1210 verwenden die aktualisierten gemeinsamen Zustandswerte 1145 zum Schätzen aktualisierter Werte 1155 für die ”lokalen” Zustände. Zurückführen der aktualisierten gemeinsamen Zustandswerte 1145 an die Teilfilter dient zum Fertigwerden mit einer Kreuzkorrelation zwischen den lokalen Zuständen und den gemeinsamen Zuständen.
13 zeigt ein Flussdiagramm eines atmosphärischen Überwachungsprozesses 785 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Eine Zenit-Trocken-Verzögerung (ZHD) pro Station wird berechnet bei 1305 von meteorologischen Daten 1310, beispielsweise von Daten, die meteorologische Oberflächenbedingungen nahe der Station repräsentieren, wie in Gleichung (30). Bei 1315 werden eine Zenit-Nass-Verzögerung (ZWD) pro Station 1330 und eine troposphärische Neigungs-Nass-Verzögerung pro Station pro Satellit 794 berechnet von einer Zenit-Trocken-Verzögerung (ZHD) 2315, Zenitgesamtverzögerung (ZTD) 760, Neigungsgesamtverzögerung 770 und der hydrostatischen (trocken) Abbildungsfunktion 1325, wie in Gleichung (28). Die hydrostatische Abbildungsfunktion ist ein dimensionsloser Faktor, der die Höhenwinkelabhängigkeit der hydrostatischen Pfadverzögerung beschreibt, und die Linie der Sichtverzögerung in Bezug bringt zu der Zenitverzögerung. Bei 1335 wird eine Durchschnittstemperatur 1345 berechnet von Radiosondendaten 1340 und meteorologischen Oberflächendaten 1310 (und/oder Daten von numerischen Wettermodellen), wie in Gleichung (35) oder Gleichung (36) gezeigt. Optional werden bei 1350 Werte 792 für ein integriertes Niederschlagswasser (IPWV) berechnet von der Durchschnittstemperatur 1345 und Zenit-Nass-Verzögerung (ZWD) 1330, wie in Gleichung (34). Optional werden Werte 796 des vertikalen Gesamtelektroneninhalts pro Station (VTEC) berechnet bei 1355 von den Werten 745 des Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit. Wie oben beschrieben, wird das Verhältnis zwischen einem geometrieabhängigen TEC und geometrieunabhängigen VTEC gegeben durch VTEC = TEC/m_Abbildung(ζ) = TEC·cos(ζ) (53) wobei m_Abbildung(ζ) = 1/cos(ζ) die Neigungspfad-Abbildungsfunktion ist, und
ζ der Winkel ist zwischen dem Signalstrahlpfad von Satellit zu Empfänger und der Linie rechtwinklig zu der ionosphärischen Sphäre bei dem Durchstoßpunkt des Signalstrahlpfads durch die ionosphärische Sphäre.
Die Umweltparameterschätzungen 790 (mindestens einer von VTEC pro Station 796, IPWV 792 und Neigungs-Nass-Verzögerung pro Station pro Satellit 794) werden gespeichert in Speicher 1365, von dem sie kommuniziert werden können an ein oder mehrere Computersysteme, beispielsweise Computersystem 1370, zur Anzeige und/oder weiterer Verarbeitung, wie zum Beispiel einer Wettervorhersage.
14 zeigt ein schematisches Diagramm eines atmosphärischen Überwachungsmoduls 885 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Ein Zenit-Trocken-Verzögerungsmodul 1405 berechnet eine Zenit-Trocken-Verzögerung (ZHD) von meteorologischen Daten 1310. Ein Zenit-Nass-Verzögerungs- & Neigungs-Nass-Verzögerungs-Modul 1420 berechnet eine Zenit-Nass-Verzögerung (WD) pro Station 1330 und eine troposphärische Neigungs-Nass-Verzögerung pro Station pro Satellit 794. Ein Durchschnittstemperatur-Modul 1435 berechnet eine Durchschnittstemperatur 1345. Optional berechnet ein IPWV-Modul 1450 Werte 792 für ein integriertes Niederschlagswasser (IPWV). Optional berechnet ein VTEC-Modul 1455 Werte 796 des vertikalen Gesamtelektroneninhalts pro Station (VTEC). Datenprozessor & Verzögerungs-Hardware enthält einen Speicher 1365 zum Speichern der Umweltparameterschätzungen 790, von denen sie an ein oder mehrere Computersysteme kommuniziert werden können, wie zum Beispiel Computersystem 1370 zur Anzeige und/oder weiteren Verarbeitung, wie zum Beispiel als Wettervorhersage.
15 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses 1500 zum Schätzen von Umweltparametern unter Verwendung von festen Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Daten 1505, 1510, ..., 1515, die Messungen von Signalen von GNSS-Satelliten repräsentieren, die durch Empfänger eines Referenzstationsnetzwerks gesammelt werden, die über eine Region verteilt sind, werden optional vorbereitet bei 1520 (beispielsweise synchronisiert durch Epoche) und verfügbar gemacht als ein GNSS-Datensatz 1525 zum Verarbeiten pro Epoche. Ein Satz von Satelliten-DCBs 1530, einer pro Satellit, wird erhalten, beispielsweise heruntergeladen von dem International GNSS Service (IGS) oder berechnet von Observationen eines globalen Netzwerks von Empfängern, wie zum Beispiel dem, das in 600 gezeigt ist, und hinzugefügt zu den Pseudoentfernungsobservationen.
Bei 1535 wird ein rekursiver Filterprozess (unter Verwendung von beispielsweise einem Kleinste-Quadrate-Adaptiven-Filter oder Kalman-Filter), angewandt auf die GNSS-Daten 1525, wie angepasst durch die Satelliten-DCBs 1530 zum Schätzen von Werten bei jeder Epoche für einen Satz von Zustandsvariablen 1540. Zustandsvariablen 1540 enthalten mindestens eines von: (i) einer Gesamtelektronenzahl (TEC) pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit. Der Prozess schätzt auch Fließkommawerte für Mehrdeutigkeiten und in Zusammenhang stehender statistischer Information (Varianz-/Kovarianzwerte).
Bei 1545 sind die Fließkommawert-Mehrdeutigkeitsschätzungen ”fest” zum Bilden eines Satzes von ”festen” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1550. Bei 1555 werden die ”festen” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1550 verwendet zum Schätzen von korrigierten Werten 1560 für die Zustandsvariablen. Optional können ”feste” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1550 zurückgeführt werden an ein rekursives Filter 1635. Die resultierenden Werte für atmosphärische Parameter (mindestens eines von (i) einer korrigierten Gesamtelektronenzahl (TEC) pro Station pro Satellit 1565, (ii) einer korrigierten Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1570, (iii) einer korrigierten Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1570 und korrigierten troposphärischen Gradienten pro Station 1575, und (iv) einer korrigierten Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit 1580) und meteorologische Daten 1585 von externen Quellen werden zugeführt an einen atmosphärischen Überwachungsprozess, beispielsweise wie bei 785 in 7. Der atmosphärische Überwachungsprozess bestimmt Umweltparameterwerte 1590 über der Region für mindestens eines von 1) einem integrierten Niederschlagswasser (IPWV) 1592 und 2) einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung 1594. Die meteorologischen Daten 1585 für Orte innerhalb der Region umfassen beispielsweise meteorologische Daten von Messungen und/oder Modellen und optional von Radiosondensondierungen. Der atmosphärische Überwachungsprozess oder ein anderer Prozess bestimmt Werte 1596 des vertikalen Gesamtelektroneninhalts (VTEC) pro Station von den Werten von einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit (TEC) 1565.
16 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems zum Schätzen von Umweltparameterwerten unter Verwendung fester Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Ein optionales Datenvorbereitungsmodul 1620 bereitet (beispielsweise synchronisiert) Daten 1505, 1510, ..., 1515 vor, die Messungen von Signalen von GNSS-Satelliten repräsentieren, die gesammelt werden durch Empfänger eines Referenzstationsnetzwerks, die verteilt sind über eine Region, und macht die vorbereiteten Daten verfügbar als ein GNSS-Datensatz 1525 zur Verarbeitung durch eine Epoche. Ein rekursives Filter 1635 (beispielsweise ein oder mehr Kleinste-Quadrate-Adaptive-Filter oder Kalman-Filter) wird angewandt auf die GNSS-Daten 1525, wie angepasst durch Satelliten-DCBs 1530 zum Schätzen von Werten bei jeder Epoche für einen Satz von Zustandsvariablen 1540. Zustandsvariablen 1540 enthalten mindestens eines von (i) einer Gesamtelektronenzahl (TEC) pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit. Filter 1635 schätzt auch Fließkommawerte für Mehrdeutigkeiten und in Zusammenhang stehende statistische Information (Varianz-/Kovarianzwerte).
Ein Mehrdeutigkeiten-”Festmach”-Modul 1645 ”macht fest” die Fließkommawert-Mehrdeutigkeitsschätzungen zum Bilden eines Satzes von ”festen” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1550. Ein Zustandsvariablen-Schätzungskorrektor 1655 verwendet die ”festen” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1550 zum Schätzen korrigierter Werte 1560 für die Zustandsvariablen. Optional verwendet ein atmosphärisches Überwachungsmodul 885 die resultierenden korrigierten Werte 1560 für die Zustandsvariablen (mindestens eines von: (i) korrigierter Gesamtelektronenzahl (TEC) pro Station pro Satellit 1565, (ii) korrigierter Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1570, (iii) korrigierter Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1570 und korrigierter troposphärische Gradienten pro Station 1575, und (iv) korrigierter Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit 1580), und meteorologische Daten 1585 von externen Quellen zum Bestimmen von Umweltparameterwerten 1590 über der Region für mindestens eines von (1) integriertem vorhersehbarem Wasserdampf (IPWV) 1592 und (2) troposphärischer Neigungs-Nass-Verzögerung 1594. Die meteorologischen Daten 1585 für Orte innerhalb der Region umfassen beispielsweise meteorologische Daten von Messungen und/oder Modellen und optional von Radiosondensondierungen. Optional bestimmt der atmosphärische Überwachungsprozess oder ein anderer Prozess Werte 1596 des vertikalen Gesamtelektroneninhalts (VTEC) pro Station von den Werten des Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit (TEC) 1565.
17 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses 1700 zum Schätzen von Umweltparametern unter Verwendung von festen Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Daten 1705, 1710, ..., 1715, die Messungen von Signalen von GNSS-Satelliten repräsentieren, die gesammelt werden durch Empfänger eines Referenzstationsnetzwerks, die verteilt sind über eine Region, werden optional vorbereitet bei 1720 (beispielsweise synchronisiert pro Epoche) und verfügbar gemacht als ein GNSS-Datensatz 1725 zum Verarbeiten pro Epoche. Ein Satz von Satelliten-DCBs 1730, einer pro Satellit, wird erhalten, beispielsweise heruntergeladen von dem International GNSS Service (IGS) oder berechnet von Observationen eines globalen Netzwerks von Empfängern, wie zum Beispiel dem, das in 600 gezeigt ist, und hinzugefügt zu den Pseudoentfernungsobservationen.
Bei 1735 wird ein rekursives Filtern ausgeführt unter Verwendung von faktorisierten Filterprozessen, angewandt auf die GNSS-Daten 1725, zum Schätzen von Werten für einen Satz von Zustandsvariablen bei jeder Epoche. Ein ionosphärischer Prozess 1740 verwendet eine ionosphärische (geometriefreie) Observationskombination, angepasst durch Satelliten-DCBs 1730, zum Schätzen von Werten 1742 für einen Empfänger-Differential-Code-Bias (GCB) pro Station, optionale Werte 1744 für eine Gesamtelektronenzahl pro Station pro Satellit, und Fließkommawerte 1746 für die troposphärischen Kombinationsmehrdeutigkeiten, entlang mit in Zusammenhang stehender statistischer Information. Ein Geometriefilterprozess 1750 verwendet eine ionosphärenfreie (geometrische) Observationskombination zum Schätzen von Werten für atmosphärische Parameter (umfassend mindestens eines von einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1752, Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station und Werten 1754 für einen troposphärischen Gradient pro Station, Werte 1756 für eine Neigungsgesamtverzögerung pro Station) und Fließkommawerte 1750 für die geometrischen Kombinationsmehrdeutigkeiten, zusammen mit einer in Zusammenhang stehenden statistischen Information. Ein Code-/Träger-Filterprozess 1760 verwendet eine Code-/Träger-Observationskombination zum Schätzen von Werten 1762 für die Code-/Trägerparameter und Fließkommawerte 1764 für die Code-/Trägermehrdeutigkeiten zusammen mit in Zusammenhang stehender statistischer Information. Bei 1765 werden die Schätzungen und die in Zusammenhang stehende statistische Information kombiniert zum Bilden eines kombinierten Satzes 1770 von Schätzungen mit in Zusammenhang stehender statistischer Information (beispielsweise einer Varianz-/Kovarianz-Matrix).
Faktorisiertes Filtern kann ausgeführt werden, wie in US Patent 7,432,853 (TNL A-1403US) beschrieben, außer, dass hier die GNSS-Daten, angewandt auf den ionosphärischen Filterprozess, angepasst werden durch die Satelliten-DCBs. In einigen Ausführungsformen wird das ionosphärische Filtern von US 7,432,853 ersetzt durch den Federated-ionosphärischen Filterprozess, der oben beschrieben wurde. In einigen Ausführungsformen wird der geometrische Filterprozess von US Patent 7,432,853 ersetzt durch den Federated-geometrischen Filterprozess von US Patentanmeldung 2009/0027625 A1 (TNL A-1789US).
Das kombinierte Array bzw. Feld 1770 von Mehrdeutigkeitsschätzungen für alle Trägerphasenobservationen und in Zusammenhang stehender statistischer Information werden verwendet bei 1775 zum ”Festmachen” der Mehrdeutigkeitswerte. Die resultierenden ”festen” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1776 werden verwendet bei 1780 zum von korrigierten Werten für die Umweltzustandsvariablen. Die resultierenden korrigierten Werte für die Umweltzustandsvariablen (mindestens eines von (i) einer korrigierten Gesamtelektronenzahl (TEC) pro Station pro Satellit 1782, (ii) korrigierten Werten 1784 der Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station, (iii) korrigierten Werten 1784 der Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station und korrigierten Werten 1786 eines Satzes von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) korrigierten Werten 1788 der Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit), zusammen mit meteorologischen Daten 1785 von externen Quellen, wenn optional zugeführt an einen atmosphärischen Überwachungsprozess, beispielsweise Prozess 785 von 7. Der optionale Prozess 785 verwendet die korrigierten Werte zum Schätzen von Werten 1782 für mindestens eines von (1) einem integrierten Niederschlagswasser (IPWV), (2) Werten 1794 für eine troposphärische Neigungs-Nass-Verzögerung, und (3) Werten 1796 für eine vertikale Gesamtelektronenzahl (VTEC). Die meteorologischen Daten 1785 umfassen beispielsweise meteorologische Daten von Messungen bei Orten innerhalb der Region und/oder Modellen und optional von Radiosondensondierungen.
18 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems zum Schätzen von Umweltparametern unter Verwendung von festen Mehrdeutigkeiten gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Ein Datenvorbereitungsmodul 1820 bereitet (beispielsweise synchronisiert) Daten 1705, 1710, ..., 1715 vor, die Messungen von Signalen von GNSS-Satelliten repräsentieren, die gesammelt werden durch Empfänger eines Referenzstationsnetzwerks, die verteilt sind über eine Region und nach dieser verfügbar als ein GNSS-Datensatz 1725 zum Verarbeiten pro Epoche. Ein faktorisiertes Filter 1835 wird verwendet für die GNSS-Daten 1725 zum Schätzen von Werten für einen Satz von Zustandsvariablen bei jeder Epoche. Das faktorisierte Filter 1835 enthält ein oder mehrere ionosphärische Filter 1840, die eine ionosphärische (geometriefreie) Observationskombination verwenden, angepasst durch die Satelliten-DCBs 1730, zum Schätzen von Werten 1742 für ein Empfänger-Differential-Code-Bias (DCB) pro Station, Optionalwerte 1744 für eine Gesamtelektronenzahl pro Station pro Satellit, und Fließkommawerte 1746 für die Ionosphärischen-Kombinationsmehrdeutigkeiten, zusammen mit in Zusammenhang stehender statistischer Information. Das faktorisierte Filter 1835 enthält ein geometrisches Filter 1850, welches eine ionosphärenfreie (geometrische) Observationskombination verwendet zum Schätzen von werten für atmosphärische Parameter (umfassend mindestens eines von (i) einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1752, (ii) Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station 1752 und troposphärischen Gradienten pro Station 1754, und (iii) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station 1754), und Fließkommawerte 1750 für die Geometrische-Kombinationsmehrdeutigkeiten zusammen mit in Zusammenhang stehender statistischer Information. Das faktorisierte Filter 1835 enthält Code-Träger-Filter 1860, die eine Code/Träger-Observationskombination enthalten zum Schätzen von Werten 1762 für die Code/Träger-Parameter und Fließkommawerte 1764 für die Code/Träger-Kombinationsmehrdeutigkeiten zusammen mit in Zusammenhang stehender statistischer Information. Ein Kombinierer 1865 kombiniert die Schätzungen und die in Zusammenhang stehende statistische Information in einem kombinierten Satz 1770 von Schätzungen mit in Zusammenhang stehender statistischer Information (beispielsweise eine Varianz/Kovarianz-Matrix).
Das faktorisierte Filter 1865 kann implementiert werden, wie in US Patent 7,432,853 (TNL A-1403US) beschrieben, außer, dass hier die GNSS-Daten (die ionosphärische Kombination), angewandt auf das ionosphärische Filter bzw. die ionosphärischen Filter 1840, angepasst werden durch die Satelliten-DCBs. In einigen Ausführungsformen werden ionosphärischen Filter 1840 von US Patent 7,432,853 ersetzt durch das oben beschriebene Federated-ionosphärische Filter. In einigen Ausführungsformen wird das geometrische Filter von US Patent 7,432,853 ersetzt durch das Federatedgeometrische Filter von der Veröffentlichung der US Anmeldung US 2009/0027625 A1 (TNL A-1789US).
Ein Mehrdeutigkeiten-”Festmach”-Modul 1875 ”macht fest” die Mehrdeutigkeiten des kombinierten Arrays 1770. Ein Korrektor 1880 verwendet die ”festen” Netzwerkmehrdeutigkeiten 1776 zum Schätzen korrigierter Werte für die Umweltzustandsvariablen. Optional verwendet ein atmosphärisches Überwachungsmodul 885 die korrigierten Umweltzustandswerte (mindestens eines von (i) Werten 1782 einer Gesamtelektronenzahl (TEC) pro Station pro Satellit, (ii) korrigierten Werten 1784 einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station, (iii) korrigierten Werten 1784 einer Zenitgesamtverzögerung (ZTD) pro Station und korrigierten Werten 1786 von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) korrigierten Werten 1788 einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit), zusammen mit meteorologischen Daten 1785 von externen Quellen, zum Bestimmen von Umweltparameterschätzungen 1790. Optionale Schätzungen 1790 enthalten Werte für mindestens eines von (1) einem integrierten Niederschlagswasser (IPWV) 1792, (2) einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung 1794, und (iv) einer vertikalen Gesamtelektronenzahl (VTEC) 1796. Die meteorologischen Daten 1785 umfassen beispielsweise meteorologische Daten von Messungen bei Orten innerhalb der Region und/oder Modellen und optional von Radiosondensondierungen.
Die Ausdrücke ”fest”, ”Festgemacht” und ”Festmachen”, wie hierin verwendet, enthalten ein Festmachen von Mehrdeutigkeiten auf ganzzahlige Werte unter Verwendung von Techniken, wie zum Beispiel Runden, Bootstrappen und einer Lambdasuche, und enthalten auch ein Bilden eines gewichteten Durchschnitts von ganzzahligen Kandidaten, während sie nicht notwendigerweise auf ganzzahlige Werte festgemacht werden müssen. Der Gewichtete-Durchschnitt-Ansatz wird detailliert beschrieben in der internationalen Patentveröffentlichung WO 2010/021656 A2 , WO 2010/021658 A2 , WO 2010/021659 A2 , WO 2010/021657 A2 , und WO 2010/021660 A2 , die hierin durch Bezugnahme enthalten sind. Einige Ausführungsformen ”machen Mehrdeutigkeiten fest” unter Verwendung irgendwelcher passender Techniken, die in der Technik bekannt sind, wie zum Beispiel ein einfaches Runden, Bootstrappen, ganzzahlige kleinste Quadrate basierend auf dem Lambda-Verfahren oder beste Ganzzahlen-Equivariante. Siehe Teunissen, P. J. G, S. Verhagen (2009); GNSS Carrier Phase Ambiguity Resolution: Challenges and Open Problems, in M. G. Sideris (ed.); Observing our Changing Earth, International Association of Geodesy Symposia 133, Springer Verlag Berlin-Heidelberg 2009; und Verhagen, Sandra (2005): The GNSS integer ambiguities: estimation and validation, Publications an Geodesy 58, Delft, 2005, Seiten 194, ISBN-13: 978 90 6132 290 0. ISBN-10: 90 6132 290 1.
N₁ und N₂ sind L₁- und L₂-Ganzzahlmehrdeutigkeiten, v₁ und v₂ sind L₁- und L₂-Phasenrauschen plus Multipfad, und ε₁ und ε₂ sind L₁- und L₂-Coderauschen plus Multipfad.
Die Trägerphasenobservationen von Gleichungen (7) und (8) zeigen die L1- und L2-Mehrdeutigkeiten als N₁ bzw. N₂. Gleichung (7) zeigt die Abbildung zwischen N₁ and N₂. Für ein Netzwerk von n Stationen, die m Satelliten observieren, können die m × n Mehrdeutigkeiten auf jeder der Trägerfrequenzen, beispielsweise auf L1 und L2, auf verschiedene Arten ausgedrückt werden. Linearkombinationen der Observationen resultieren in den entsprechenden Kombinationen der Mehrdeutigkeiten, von denen die nicht-kombinierten Mehrdeutigkeiten abgeleitet werden können. Beispielsweise kann ein einzelnes großes rekursives Filter, wie in dem Beispiel von Fig. E, konfiguriert sein zum direkten Schätzen der nicht-kombinierten Mehrdeutigkeiten. In dem Beispiel von Fig. F, das faktorisierte Filter verwendet, schätzt jedes der faktorisierten Filter eine unterschiedliche Linearkombination von den Mehrdeutigkeiten, beispielsweise Breitspur, Schmalspur und Code-Träger-Kombinationen.
Alternativ können die Mehrdeutigkeiten ausgedrückt werden als Grundlinie-zu-Grundlinie-Kombinationen, wobei jede Grundlinie bzw. Basislinie einem entsprechenden Paar der Netzwerkempfänger entspricht. Die vorliegende Erfindung ist vorgesehen, eine Schätzung von irgendeiner Kombination von Mehrdeutigkeiten zu enthalten, die äquivalent ist zum Festmachen von nicht-kombinierten Mehrdeutigkeiten über dem Netzwerk. Eine Diskussion einiger der Linearkombinationen wird beispielsweise gefunden in Kapitel 2 der Berner Software des astronomischen Instituts der Universität Bern, Version 5.0 vom Januar 2007.
Teil 7: Empfänger und Verarbeitungsvorrichtung
19 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen integrierten GNSS-Empfängersystems 1900 mit GNSS-Antenne 1905 und Kommunikationsantenne 1910. Das Trimble-R8-GNSS-System ist ein Beispiel eines solchen Systems. Das Empfängersystem 1900 kann als eine Netzwerkreferenzstation dienen. Das Empfängersystem 1900 enthält einen GNSS-Empfänger 1915, ein Computer 1920 und ein oder mehrere Kommunikationsverbindungen 1925, Das Computersystem 1920 enthält ein oder mehrere Prozessoren 1930, ein oder mehrere Datenspeicherelemente 1935, einen Programmcode 1940 mit Instruktionen zum Steuern der Prozessoren bzw. des Prozessors 1930, und Benutzereingabe-/Ausgabe-Geräte 1945, die ein oder mehr Ausgabegeräte 1950 enthalten können, wie zum Beispiel eine Anzeige oder Lautsprecher oder Drucker, und ein oder mehr Geräte 1955 zum Empfangen von einer Benutzereingabe, wie zum Beispiel eine Tastatur oder ein berührungsempfindliches Feld oder Maus oder Mikrofon.
20 zeigt ein schematisches Diagramm eines Computersystems 2020 gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung. Das Computersystem 2020 enthält ein oder mehrere Prozessoren 2030, ein oder mehr Datenspeicherelemente 2035, Programmcode 2040 mit Instruktionen zum Steuern des Prozessors bzw. Prozessoren 2030, und Benutzereingabe-/Ausgabe-Geräte 2045, die ein oder mehrere Ausgabegeräte 2050 enthalten können, wie zum Beispiel eine Anzeige oder einen Lautsprecher oder Drucker, und ein oder mehr Geräte 2055 zum Empfangen von einer Benutzereingabe, wie zum Beispiel einer Tastatur oder berührungsempfindliches Feld oder Maus oder Mikrofon. Das Computersystem 2020 kann auch ein oder mehrere Kommunikationsverbindungen aufweisen zum Austauschen von Daten mit anderen Systemen, beispielsweise über Internet und/oder andere Kanäle.
Teil 8: Allgemeine Bemerkungen
Die erfinderischen Konzepte können auf eine breite Vielzahl von Prozessen angewandt werden und auf Geräte für einen Echtzeitbetrieb (nicht mehr als 5 Sekunden). Die Verwendung des Federated-Filteransatzes und des faktorisierten UD-Filters verringert stark die Rechenlast für ein großes GNSS-Netzwerk und ist passend zum Laufenlassen mit modernen Multi-Kerncomputern mit einer parallelen Berechnungstechnik (das heißt, durch Verwenden von OpenMP Library). Eine kürzere Zeitverzögerung ist der Schlüssel zu lebenskritischen Anwendungen, wie überflutungs- und Wettervorhersagen nahe eines Flutplatzes. Einige beispielhafte Ausführungsformen werden nun beschrieben. Es wird verstanden, dass diese nur vorgesehen sind, darstellend zu sein, und nicht den Umfang der Erfindung begrenzen.
Der Fachmann wird realisieren, dass die detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur darstellend ist und nicht vorgesehen auf irgendeine Art und Weise begrenzend zu sein. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden sich sofort dem Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung aufdrängen. Beispielsweise wird der Fachmann, während eine iono-freie Phase-Kombination in einigen Beispielen verwendet wird, erkennen, dass viele Phasenkombinationen möglich sind, und dass eine Kombination abgesehen einer iono-freien Phasenkombination sich akzeptierbar darstellt, selbst mit weniger als optimalen Ergebnissen. Deshalb sind die Ansprüche nicht vorgesehen auf iono-freie Phasenkombinationen begrenzt zu sein, abgesehen, wo dies ausdrücklich genannt ist. Es wird Bezug genommen im Detail auf Implementierungen der vorliegenden Erfindung, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt. Die gleichen Bezugszeichen werden durchgehend in den Zeichnungen verwendet und der folgenden detaillierten Beschreibung zum Bezugnehmen auf gleiche oder ähnliche Teile.
Im Interesse der Klarheit sind nicht alle der Routinemerkmale der Implementierungen, die hierin beschrieben sind, gezeigt und beschrieben. Es wird erkannt, dass in der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Implementierung vielerlei implementierungsspezifische Entscheidungen durchgeführt werden müssen zum Erreichen der spezifischen Ziele des Entwicklers, wie zum Beispiel ein Erfüllen der anwendungs- und Business-bezogenen Nebenbedingungen, und dass diese spezifischen Ziele von einer Implementierung zur anderen und einem Entwickler zum anderen variieren werden. Über dies hinaus wird erkannt, dass solch eine Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwendig sein kann, aber nichtsdestotrotz eine Routineaufgabe im Ingenieurswesen für den Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung sein würde.
Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS, Global Navigation Satellite Systems) enthalten das globale Positionierungssystem (GPS, Global Positioning System), das Glonass-System, das vorgeschlagene Galileo-System, das vorgeschlagene Kompass-System und andere. Jeder GPS-Satellit überträgt kontinuierlich unter Verwendung von zwei Funkfrequenzen in dem L-Band, bezeichnet als L1 und L2, bei entsprechenden Frequenzen von 1575,41 MHz und 1227,60 MHz. Einige GPS-Satelliten übertragen auch eine dritte Funkfrequenz in dem L-Band, bezeichnet als L5 bei 1176,45 MHz. Jedes GNSS hat ähnlicherweise Satelliten, die mehrere Signale auf mehreren Trägerfrequenzen übertragen. Ausführungsformen der Erfindung sind nicht begrenzt auf irgendein spezifisches GNSS oder auf L1- und L2-Frequenzen. Beispielsweise kann die Erfindung verwendet werden mit anderen Kombinationen von Frequenzen, wie zum Beispiel GPS L1 und L5 oder Kombinationen von Glonass-Frequenzen, Kombinationen von Gallileo-Frequenzen oder Kombinationen von Frequenzen eines anderen GNSS.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Komponenten, Prozessschritte und/oder Datenstrukturen implementiert werden unter Verwendung verschiedener Arten von Betriebssystemen (OS), Computerplattformen, Firmware, Computerprogrammen, Computersprachen und/oder Maschinen für einen allgemeinen Zweck. Die Verfahren können ablaufen als ein programmierter Prozess, der auf einem Verarbeitungsschaltkreis läuft. Der Verarbeitungsschaltkreis kann die Form von verschiedenen Kombinationen von Prozessoren und Betriebssystemen oder alleinstehenden Geräten annehmen. Die Prozesse können implementiert werden als Instruktionen, die ausgeführt werden durch solch eine Hardware durch Hardware alleine, oder durch eine Kombination derselben. Die Software kann auf einem Programmspeichergerät gespeichert werden, das durch eine Maschine lesbar ist. Berechnungselemente, wie zum Beispiel Filter und Bänke der Filter, können sofort implementiert werden unter Verwendung einer objektorientierten Programmiersprache, so dass jedes benötigte Filter nach Bedarf initialisiert wird.
Der Fachmann wird erkennen, dass Geräte einer weniger allgemeinen Zweck-Natur, wie zum Beispiel festverdrahtete Geräte, feldprogrammierbare Logikgeräte, (FPLDs), enthaltend Field Programmable Gate-Arrays (FPGAs) und komplexprogrammierbare Logikgeräte (CPLDs), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs, Application Specific Integrated Circuits) oder ähnliche verwendet werden können, ohne den Umfang und Geist der erfinderischen Konzepte, die hierin offenbart sind, zu verlassen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Verfahren implementiert werden auf einem Datenverarbeitungscomputer, wie zum Beispiel einem PC, einem Workstation-Computer, einem Mainframe-Computer oder Server mit hoher Leistungsfähigkeit, die ein OS laufen lassen, wie zum Beispiel Microsoft^® Windows^® XP und Windows^® 2000, die von der Microsoft Corporation von Redmond, Washington verfügbar sind, oder Solaris^®, das von Sun Microsystems, Inc. von Santa Clara, Kalifornien, verfügbar ist, oder verschiedenen Versionen des Unix Betriebssystems, wie zum Beispiel Linux, das von verschiedenen Händlern verfügbar ist. Die Verfahren können auch auf einem Multiprozessorsystem implementiert werden oder in einer Rechenumgebung, enthaltend verschiedene Peripheriegeräte, wie zum Beispiel Eingabegeräte, Ausgabegeräte, Anzeigen, Zeigegeräte, Speicher, Speichergeräte, Medienschnittstellen zum Transferieren von Daten an und von den Prozessoren bzw. Prozessor, und ähnliches. Solch ein Computersystem oder Rechenumgebung können lokal vernetzt sein oder über das Internet.
Jedes der oben beschriebenen Verfahren und ihre Ausführungen können implementiert werden mittels eines Computerprogramms. Das Computerprogramm kann auf eine Vorrichtung, einen Rover, einen Referenzempfänger oder eine Netzwerkstation, wie oben beschrieben, geladen werden. Deshalb betrifft die Erfindung auch ein Computerprogramm, das, wenn auf einer Vorrichtung, einem Rover, einem Referenzempfänger oder einer Netzwerkstation, wie oben beschrieben, ausgeführt wird, irgendeine der oben beschriebenen Verfahren und ihre Ausführungsformen ausführt.
Die Erfindung betrifft auch ein computerlesbares Medium oder Computerprogrammprodukt, enthaltend das oben erwähnte Computerprogramm. Das computerlesbare Medium oder Computerprogrammprodukt kann beispielsweise ein Magnetband sein, eine optische Speicherplatte, eine Magnetplatte, eine magneto-optische Platte bzw. Disk, eine CD-ROM, eine DVD, eine CD, eine Flash-Speichereinheit oder ähnliches, wobei das Computerprogramm permanent oder temporär gespeichert ist. Die Erfindung betrifft auch ein computerlesbares Medium (oder ein Computerprogrammprodukt) mit computerausführbaren Instruktionen zum Ausführen irgendeines der Verfahren der Erfindung.
Die Erfindung betrifft auch eine Firmware-Aktualisierung, angepasst, um installiert zu werden auf Empfängern, die im Feld sind, das heißt, ein Computerprogramm, das geliefert wird zum Feld als Computerprogrammprodukt. Dies trifft zu für jedes der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen.
GNSS-Empfänger können eine Antenne enthalten, die konfiguriert ist zum Empfangen von Signalen bei den Frequenzen, die durch die Satelliten, Prozessoreinheiten und/oder mehrere akkurate Takte (wie zum Beispiel Kristalloszillatoren) übertragen werden, sowie ein oder mehrere Computerverarbeitungseinheiten (CPU), eine oder mehrere Speichereinheiten (RAM, ROM, Flash-Speicher oder ähnliche) und eine Anzeige zum Anzeigen von Positionsinformation an einen Benutzer.
Wo die Ausdrücke ”Empfänger”, ”Filter” und ”Verarbeitungselement” hierin verwendet werden als Einheit in einer Vorrichtung, wird keine Beschränkung durchgeführt hinsichtlich wie verteilt die Einzelteile einer Einheit sein können. Dies bedeutet, dass die Einzelteile einer Einheit in verschiedenen Software- oder Hardware-Komponenten oder Geräten verteilt sein können, um die vorgesehenen Funktionen zu bewirken. Ferner können die Einheiten zusammengefasst sein zum Ausführen ihrer Funktionen mittels einer kombinierten einzelnen Einheit. Beispielsweise kann der Empfänger, das Filter und das Verarbeitungselement kombiniert sein zum Bilden einer einzelnen Einheit zum Ausführen der kombinierten Funktionalitäten der Einheiten.
Die oben erwähnten Einheiten können implementiert sein unter Verwendung von Hardware, Software, einer Kombination von Hardware und Software, vorprogrammierten ASICs (Application Specific Integrated Circuit), etc. Eine Einheit kann eine Computerverarbeitungseinheit (CPU), eine Speichereinheit, Eingabe-/Ausgabe-(IC)-Einheiten, Netzwerkverbindungseinheiten, etc. enthalten.
Obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben wurde basierend auf detaillierten Beispielen, dienen die detaillierten Beispiele nur, um dem Fachmann ein besseres Verständnis zu vermitteln, und sind nicht vorgesehen, den Umfang der Erfindung zu begrenzen. Der Umfang der Erfindung wird eher definiert durch die angehängten Ansprüche.
Teil 9: Zusammenfassung der erfinderischen Konzepte
Im Folgenden ist eine Zusammenfassung einiger der erfinderischen Konzepte, die hierin beschrieben sind.
Teil 9A: [GNSS-atmosphärische Schätzung mit Federatedionosphärischen Filter]

1. Ein Verfahren zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Umweltparameterwerten umfassend: Erhalten von GNSS-Daten, die gesammelt werden bei einer Vielzahl von Stationen, die über eine Region verteilt sind, von Signalen, die von GNSS-Satelliten über mehrere Epochen erhalten wurden, Erhalten eines Satelliten-Differential-Code-Bias (DCB) pro Satellit, und Schätzen eines Empfänger-Differential-Code-Bias pro Station und eines Werts eines Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit von den GNSS-Daten und den Satelliten-Differential-Code-Bias unter Verwendung eines Federated-ionosphärischen Filters.
2. Das Verfahren nach 1, ferner umfassend: Anwenden eines geometrischen Filters zum Schätzen von den GNSS-Daten, eines Satzes von Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von (i) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iii) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit, Erhalten von meteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region, und Bestimmen von Werten über der Region für mindestens eines von (1) einem integrierten Niederschlagswasser (IPWV) und (2) einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung von dem Satz von Werten für atmosphärische Parameter und den meteorologischen Daten.
3. Das Verfahren nach 1 oder 2, wobei ein Erhalten eines Satelliten-Differential-Code-Bias pro Satellit eines umfasst von (i) Erlangen eines Satelliten-Differential-Code-Bias pro Satellit von einer externen Quelle, und (ii) Berechnen eines Satelliten-Differential-Code-Bias pro Satellit von GNSS-Daten, die gesammelt werden bei einem Netzwerk von Referenzstationen.
4. Das Verfahren nach einem 1–3, wobei ein Schätzen eines Werts eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit umfasst Schätzen von Werten für ionosphärische Modellparameter und für einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station in dem Federated-ionosphärischen Filter, und Bestimmen des Werts des Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit von den geschätzten Werten für die ionosphärischen Modellparameter und die stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdrücke.
5. Das Verfahren nach einem von 1–4, wobei ein Anwenden eines Federated-ionosphärischen Filters umfasst: für jeden Satelliten, Anwenden eines ionosphärischen Teilfilters auf die GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Werten für lokale Zustände, die Parameter repräsentieren, die einzigartig sind für diesen Satelliten, und Werten für gemeinsame Zustände, die Parameter repräsentieren, die alle Empfänger gemeinsam haben, Bereitstellen von Werten für die gemeinsamen Zustände und in Zusammenhang stehender statistischer Information an ein Masterfilter; und Vorbereiten aktualisierte Schätzungen für die lokalen Zustände, wenn aktualisierte Werte für die gemeinsamen Zustände bereitgestellt werden durch das Masterfilter; und Anwenden eines Masterfilters auf die Werte für die gemeinsamen Zustände und die in Zusammenhang stehende statische Information zum Schätzen aktualisierter Werten für die gemeinsamen Zustände, und zum Bereitstellen der aktualisierten Werte an die ionosphärischen Teilfilter.
6. Das Verfahren nach 5, wobei die Zustände, die einzigartig für den Satellit sind, umfassen: einen Satz von Parametern, die die Ionosphäre über der Region kennzeichnen, einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Station pro Satellit, und eine Ganzzahlmehrdeutigkeit pro Station pro Satellit.
7. Das Verfahren nach einem von 5–6, wobei die Zustände, die alle Satelliten gemeinsam haben, ein Empfänger-Differential-Code-Bias pro Station umfasst.
8. Das Verfahren nach 5, ferner umfassend: Neusetzen von Zuständen in dem Masterfilter auf Null mit unendlicher Varianz bevor irgendeiner Observationsaktualisierung bei jeder Epoche, und dann Anwenden auf das Masterfilter der entkorrelierten Observationen von jedem Teilfilter.
9. Das Verfahren nach einem von 1–8, wobei der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert umfasst, der vertikal abgebildet wird.
10. Das Verfahren nach einem von 2–9, wobei ein Erhalten von meteorologischen Daten ein Erhalten von oberflächenmeteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region umfasst.
11. Das Verfahren nach einem von 2–10, wobei ein Erhalten von meteorologischen Daten ein Erhalten von Radiosonde-Temperaturdaten für Orte innerhalb der Region umfasst.
12. Das Verfahren nach einem von 1–11, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für einen Gesamtelektroneninhalt nicht mehr ist als fünf Sekunden.
13. Das Verfahren nach einem von 2–11, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für einen Gesamtelektroneninhalt und mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungsverzögerung nicht mehr ist als ungefähr 5 Sekunden.
14. Vorrichtung zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Umweltparameterwerten, umfassend ein Federated-ionosphärisches Filter, ausgebildet zum Schätzen eines Empfänger-Differential-Code-Bias pro Station und eines Werts eines Gesamtelektroneninhalts (TEC) pro Station pro Satellit. von Satelliten-Differential-Code-Biases und den GNSS-Signaldaten.
15. Die Vorrichtung nach 14, ferner umfassend: ein geometrisches Filter, ausgebildet zum Schätzen von den GNSS-Daten eines Satzes von Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iii) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit; und ein atmosphärisches Überwachungsmodul zum Bestimmen von Werten über der Region für ein integriertes Niederschlagswasser und troposphärischer Neigungs-Nass-Verzögerung, von den geschätzten Werten für atmosphärische Parameter und von meteorologischen Daten für die Region.
16. Die Vorrichtung nach einem von 14–15, ferner umfassend ein Element zum Erhalten eines Code-Bias pro Satellit durch eines von (i) Erlangen eines Code-Bias pro Satellit von einer externen Quelle, und (ii) Berechnen eines Code-Bias pro Satellit von GNSS-Daten, die gesammelt werden bei einem Netzwerk von GNSS-Referenzstationen.
17. Die Vorrichtung nach einem von 14–16, umfassend: ein Modul zum Schätzen von Werten für ionosphärische Modellparameter und für einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Satellit pro Station; und ein Modul zum Bestimmen des Werts eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit von den geschätzten Werten für die ionosphärischen Modellparameter und den stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdrücken.
18. Die Vorrichtung nach einem von 14–17, wobei das Federated-ionosphärische Filter umfasst: ein ionosphärisches Teilfilter für jeden Satelliten, ausgebildet zum Schätzen von Werten für lokale Zustände, die Parameter repräsentieren, die einzigartig für diesen Satelliten sind, und Werten für gemeinsame Zustände, die Parameter repräsentieren, die alle Empfänger gemeinsam haben, von den GNSS-Signaldaten und einem Satelliten-Differential-Code-Bias, Bereitstellen von Werten für die gemeinsamen Zustände und in Zusammenhang stehender statistischer Information an das Masterfilter; und Vorbereiten aktualisierter Schätzungen für die lokalen Zustände, wenn aktualisierte Werte für die gemeinsamen Zustände bereitgestellt werden durch das Masterfilter; und ein Masterfilter, ausgebildet zum Schätzen von aktualisierten Werten für die gemeinsamen Zustände von den Werten für die gemeinsamen Zustände und der in Zusammenhang stehenden statistischen Information, und zum Bereitstellen der aktualisierten Werte an die ionosphärischen Teilfilter.
19. Die Vorrichtung nach 18, wobei die Zustände, die für den Satellit einzigartig sind, umfassen: einen Satz von Parametern, die eine Ionosphäre über der Region kennzeichnen, einen stochastischen ionosphärischen Verzögerungsausdruck pro Station pro Satellit, und eine Ganzzahlmehrdeutigkeit pro Station pro Satellit.
20. Die Vorrichtung nach einem von 18–19, wobei die Zustände, die alle Satelliten gemeinsam haben, einen Empfänger-Differential-Code-Bias pro Station umfasst.
21. Die Vorrichtung nach 18, wobei das Federatedionosphärische Filter betriebsfähig zum Neusetzen ist von Zuständen in dem Masterfilter auf Null mit unendlicher Varianz vor einer Observationsaktualisierung bei jeder Epoche, und dann zum Anwenden der entkorrelierten Observationen für jedes Teilfilter auf das Masterfilter.
22. Die Vorrichtung nach einem von 14–21, wobei der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert umfasst, der vertikal abgebildet wird.
23. Die Vorrichtung nach einem von 14–22, wobei das meteorologische Überwachungsmodul ausgebildet ist zum Verwenden von meteorologischen Oberflächendaten für Orte innerhalb der Region als mindestens einen Teilsatz der meteorologischen Daten.
24. Die Vorrichtung nach einem von 14–23, wobei das meteorologische Überwachungsmodul ausgebildet ist zum Verwenden von Radiosondensondierungsdaten als mindestens einen Teilsatz der meteorologischen Daten.
25. Die Vorrichtung nach einem von 14–24, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für einen Gesamtelektroneninhalt nicht mehr ist als ungefähr 5 Sekunden.
26. Die Vorrichtung nach einem von 14–25, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für einen Gesamtelektroneninhalt und mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht mehr ist als ungefähr 5 Sekunden.
27. Ein Computerprogrammprodukt, umfassend ein computerverwendbares Medium mit computerlesbaren Instruktionen, die physikalisch darin verkörpert sind, wobei die computerlesbaren Instruktionen, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, dem Prozessor ermöglichen, das Verfahren nach einem von 1–13 auszuführen.
28. Ein Computerprogramm, umfassend einen Satz von Instruktionen, die, wenn in einen Prozessor geladen und durch einen Prozessor ausgeführt, dem Prozessor ermöglichen, das Verfahren von einem von 1–13 auszuführen.

Teil 9B: [GNSS-atmosphärische Schätzung mit Mehrdeutigkeitsfestmachen]

1. Ein Verfahren zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: Erhalten von GNSS-Daten, die bei einer Vielzahl von Stationen gesammelt werden, die über eine Region verteilt sind, von Signalen, die empfangen werden von GNSS-Satelliten über mehrere Epochen, Erhalten eines Satelliten-Code-Bias pro Satellit, Schätzen von den GNSS-Daten und den Satelliten-Code-Biases eines Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten pro Station pro Satellit und Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit; Festmachen der Mehrdeutigkeiten; und Schätzen von den GNSS-Daten und den festen Mehrdeutigkeiten von korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
2. Das Verfahren nach 1, ferner umfassend: Erhalten von meteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region; und Bestimmen von Werten über der Region für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung, von den korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
3. Das Verfahren nach 1 oder 2, wobei ein Schätzen des Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten und Werten für atmosphärische Parameter umfasst ein Anwenden von mindestens einem iterativen Filter auf die GNSS-Daten, und die Satelliten-Code-Biases.
4. Das Verfahren nach einem von 1–3, wobei ein Schätzen des Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten und Werten für atmosphärische Parameter umfasst Anwenden eines Satzes von faktorisierten Filtern auf die GNSS-Daten und die Satelliten-Code-Biases,
5. Das Verfahren nach einem von 1–4, wobei ein Schätzen des Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten und Werten für atmosphärische Parameter umfasst Anwenden eines Federated-ionosphärischen Filters auf die GNSS-Daten und die Satelliten-Code-Biases.
6. Das Verfahren nach einem von 1–5, wobei der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert, der vertikal abgebildet wird, umfasst.
7. Das Verfahren nach einem 1–6, wobei ein Erhalten von meteorologischen Daten umfasst ein Erhalten von oberflächenmeteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region.
8. Das Verfahren nach einem von 1–7, wobei ein Erhalten von meteorologischen Daten umfasst Erhalten von Radiosonden-Temperaturdaten für Orte innerhalb der Region.
9. Das Verfahren nach einem von 1–8, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen der korrigierten Werte für die atmosphärischen Parameter nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden ist.
10. Das Verfahren nach einem von 1–9, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region von mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht weniger ist als ungefähr 5 Sekunden.
11. Vorrichtung zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: mindestens ein rekursives Filter zum Schätzen von Satelliten-Differential-Code-Biases und von den GNSS-Signaldaten, eines Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten pro Station pro Satellit und Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, (iv) einer neigungstroposphärischen Gesamtverzögerung pro Station pro Satellit, und (v) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, ein Mehrdeutigkeits-Festmachmodul zum Vorbereiten fester Mehrdeutigkeiten von den Fließkommamehrdeutigkeiten, und ein Korrekturmodul zum Vorbereiten von den GNSS-Daten und den festen Mehrdeutigkeiten von korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
12. Die Vorrichtung nach 11, ferner umfassend: ein meteorologisches Überwachungsmodul zum Bestimmen von Werten für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung von den korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter und von meteorologischen Daten.
13. Die Vorrichtung nach einem von 11–12, wobei das mindestens eine rekursive Filter ein Kalman-Filter umfasst.
14. Die Vorrichtung nach einem von 11–13, wobei das mindestens eine rekursive Filter einen Satz von faktorisierten Filtern umfasst.
15. Die Vorrichtung nach einem von 11–14, wobei das mindestens eine rekursive Filter ein Federatedionosphärisches Filter umfasst.
16. Die Vorrichtung nach einem von 11–15, wobei der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert umfasst, der vertikal abgebildet ist.
17. Die Vorrichtung nach einem von 11–16, wobei das meteorologische Überwachungsmodul betriebsfähig ist zum Verarbeiten von meteorologischen Daten, umfassend meteorologische Oberflächendaten für Orte innerhalb der Region.
18. Die Vorrichtung nach einem von 11–17, wobei das meteorologische Überwachungsmodul betriebsfähig ist zum Verarbeiten von meteorologischen Daten, umfassend Radiosondensondierungsdaten für Orte innerhalb der Region.
19. die Vorrichtung nach einem von 11–18, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen der korrigierten Werte über der Region für die atmosphärischen Parameter nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden ist.
20. Die Vorrichtung nach einem von 11–19, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen der korrigierten Werte über der Region für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden ist.
21. Ein Computerprogrammprodukt, umfassend: ein computerverwendbares Medium mit computerlesbaren Instruktionen, die physikalisch darin verkörpert sind, wobei die computerlesbaren Instruktionen dem Prozessor erlauben, wenn sie durch einen Prozessor ausgeführt werden, das Verfahren nach einem von 1–10 auszuführen.
22. Ein Computerprogramm, umfassend einen Satz von Instruktionen, die, wenn sie in einem Prozessor geladen werden und durch einen Prozessor ausgeführt werden, dem Prozessor erlauben, das Verfahren von einem von 1–10 auszuführen.

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 Patentliteratur

WO 2010/021656 A2 [0001, 0143]
WO 2010/021658 A2 [0001, 0143]
WO 2010/021659 A2 [0001, 0143]
WO 2010/021657 A2 [0001, 0143]
WO 2010/021660 A2 [0001, 0143]
WO 2008/008099 A2 [0001]
WO 2007/032947 A1 [0001]
US 7432853 [0001, 0138, 0138, 0138, 0141, 0141, 0141]
WO 2005/045463 A1 [0001]
WO 2011/034616 A2 [0001]
US 2009/0224969 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Berner-Software von dem astronomischen Institut der Universität Bern, Version 5.0, Januar 2007, Kapitel 11 und 12 [0006]
die GAMIT/GLOBK-Software von dem Department of Earth, Atmospheric und Planetary Sciences des Massachusetts Institute of Technology, GAMIT Referenz Manual Release 10.3, 1. Juni 2009, Kapitel 7 [0006]
B. HOFMANN-WELLENHOF ET AL:; GLOBAL POSITIONING SYSTEM: THEORY und PRACTICE, 2. Auflage 1993, Abschnitt 6.3.3, Seiten 89–106 [0051]
D. BILITZA, International Reference Ionosphere 2000, RADIO SCIENCE 2 (36) 2001, 261 [0061]
Berner Software von dem Astronomischen Institut der Universität Bern, Version 5.0, Januar 2007, Kapitel 13 [0072]
Bohem et al. [0084]
McCarthy et al., IERS Conventions (2003), IERS Technical Note 32, Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, 2004, Boehm et al., Troposphere mapping functions for GPS and very lang baseline interferometry from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts operational analysis data, Journal of Geophysical Research 111 B02406 DOI:10.1029/2005JB003629 (2006) [0084]
Boehm et al., The Global Mapping Function (GMF): A new empirical mapping function based an data from numerical weather model data, Geophysical Research Letters 33 L07304 DOI:10.129/2005GL025546 (2006) [0084]
Boehm et al., Short note: A global model of pressure und temperature for geodetic applications. Journal of Geodesy, Band 81, Nr. 10, Seiten 679–683 (2007) [0084]
globale Druck und Temperaturmodell, veröffentlicht auf der IERS-ftp-Seite ftp://tai.bipm.org/iers/convupdt/chapter9/gpt.f [0084]
Doktor-Arbeit des Department of Geomatics Engineering Technical Report Nummer 199, University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada, Seite 353 ff. (1999), verfügbar in http://gge.unb.ca/Pubs/TR199.pdf [0088]
McCarthy et al., IERS Conventions (2003), IERS Technical Note 32, Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, 2004 [0088]
Boehm et al., Troposphere mapping functions for GPS und very long baseline interferometry from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts operational analysis data, Journal of Geophysical Research 111 B02406 DOI:10.1029/2005JB003629 (2006) [0088]
Saastamoinen, Atmospheric Correction for the Troposphere und Stratosphere in RadioRanging of Satellites, Geophysical Monograph 15, Henriksen (ed), Seiten 247–251 (1972) [0088]
Davis et al., Geodesy by Radio Interferometry: Effects of Atmospheric Modelling Errors an Estimates of Baseline Length, Radio Science, 20, Nr. 6, Seiten 1593–1607 (1985) [0088]
Teunissen, P. J. G, S. Verhagen (2009); GNSS Carrier Phase Ambiguity Resolution: Challenges and Open Problems, in M. G. Sideris (ed.); Observing our Changing Earth, International Association of Geodesy Symposia 133, Springer Verlag Berlin-Heidelberg 2009 [0143]
Verhagen, Sandra (2005): The GNSS integer ambiguities: estimation and validation, Publications an Geodesy 58, Delft, 2005, Seiten 194, ISBN-13: 978 90 6132 290 0. ISBN-10: 90 6132 290 1 [0143]
Kapitel 2 der Berner Software des astronomischen Instituts der Universität Bern, Version 5.0 vom Januar 2007 [0146]

Claims

Ein Verfahren zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: Erhalten von GNSS-Daten, die bei einer Vielzahl von Stationen gesammelt werden, die über eine Region verteilt sind, von Signalen, die empfangen werden von GNSS-Satelliten über mehrere Epochen, Erhalten eines Satelliten-Code-Bias pro Satellit, Schätzen von den GNSS-Daten und den Satelliten-Code-Biases eines Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten pro Station pro Satellit und Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, und (iv) einer Neigungsgesamtverzögerung pro Station pro Satellit; Festmachen der Mehrdeutigkeiten; und Schätzen von den GNSS-Daten und den festen Mehrdeutigkeiten von korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erhalten von meteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region; und Bestimmen von Werten über der Region für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung, von den korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter und von den meteorologischen Daten.
Das verfahren nach einem von Ansprüchen 1 oder 2, wobei ein Schätzen des Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten und Werten für atmosphärische Parameter umfasst ein Anwenden von mindestens einem iterativen Filter auf die GNSS-Daten, und die Satelliten-Code-Biases.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–3, wobei ein Schätzen des Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten und Werten für atmosphärische Parameter umfasst Anwenden eines Satzes von faktorisierten Filtern auf die GNSS-Daten und die Satelliten-Code-Biases.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–4, wobei ein Schätzen des Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten und Werten für atmosphärische Parameter umfasst Anwenden eines Federated-ionosphärischen Filters auf die GNSS-Daten und die Satelliten-Code-Biases.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–5, wobei der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert, der vertikal abgebildet wird, umfasst.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–6, wobei ein Erhalten von meteorologischen Daten umfasst ein Erhalten von oberflächenmeteorologischen Daten für Orte innerhalb der Region.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–7, wobei ein Erhalten von meteorologischen Daten umfasst Erhalten von Radiosonden-Temperaturdaten für Orte innerhalb der Region.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–8, wobei eine abgelaufene zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen der korrigierten Werte für die atmosphärischen Parameter nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden ist.
Das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–9, wobei eine abgelaufene zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region von mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht weniger ist als ungefähr 5 Sekunden.
Vorrichtung zum Verarbeiten von GNSS-Signaldaten zum Schätzen von Umweltparameterwerten, umfassend: mindestens ein rekursives Filter zum Schätzen von Satelliten-Differential-Code-Biases und von den GNSS-Signaldaten, eines Satzes von Fließkommamehrdeutigkeiten pro Station pro Satellit und Werten für atmosphärische Parameter, umfassend mindestens eines von: (i) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, (ii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station, (iii) einer Zenitgesamtverzögerung pro Station und einem Satz von troposphärischen Gradienten pro Station, (iv) einer neigungstroposphärischen Gesamtverzögerung pro Station pro Satellit, und (v) einem Gesamtelektroneninhalt pro Station pro Satellit, ein Mehrdeutigkeits-Festmachmodul zum Vorbereiten fester Mehrdeutigkeiten von den Fließkommamehrdeutigkeiten, und ein Korrekturmodul zum Vorbereiten von den GNSS-Daten und den festen Mehrdeutigkeiten von korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein meteorologisches Überwachungsmodul zum Bestimmen von Werten für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer troposphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung von den korrigierten Werten für die atmosphärischen Parameter und von meteorologischen Daten.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–12, wobei das mindestens eine rekursive Filter ein Kalman-Filter umfasst.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–13, wobei das mindestens eine rekursive Filter einen Satz von faktorisierten Filtern umfasst.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–14, wobei das mindestens eine rekursive Filter ein Federatedionosphärisches Filter umfasst.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–15, wobei der Wert eines Gesamtelektroneninhalts pro Station pro Satellit einen Wert umfasst, der vertikal abgebildet ist.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–16, wobei das meteorologische Überwachungsmodul betriebsfähig ist zum Verarbeiten von meteorologischen Daten, umfassend meteorologische Oberflächendaten für Orte innerhalb der Region.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–17, wobei das meteorologische Überwachungsmodul betriebsfähig ist zum Verarbeiten von meteorologischen Daten, umfassend Radiosondensondierungsdaten für orte innerhalb der Region.
die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–18, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für die atmosphärischen Parameter nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden ist.
Die Vorrichtung nach einem von Ansprüchen 11–19, wobei eine abgelaufene Zeit zwischen einem Erhalten der GNSS-Daten und einem Bestimmen von Werten über der Region für mindestens eines von einem integrierten Niederschlagswasser und einer ionosphärischen Neigungs-Nass-Verzögerung nicht mehr als ungefähr 5 Sekunden ist.
Ein Computerprogrammprodukt, umfassend: ein computerverwendbares Medium mit computerlesbaren Instruktionen, die physikalisch darin verkörpert sind, wobei die computerlesbaren Instruktionen dem Prozessor erlauben, wenn sie durch einen Prozessor ausgeführt werden, das Verfahren nach einem von Ansprüchen 1–10 auszuführen.
Ein Computerprogramm, umfassend einen Satz von Instruktionen, die, wenn sie in einem Prozessor geladen werden und durch einen Prozessor ausgeführt werden, dem Prozessor erlauben, das Verfahren von einem von Ansprüchen 1–10 auszuführen.