DE10016178A1 - Positionsbestimmungsvorrichtung und Verfahren zum Abgleich eines Positionsbestimmungsverfahrens - Google Patents

Abstract

In einem Positionsbestimmungsverfahren wird das Passieren eines Bauwerks wie insbesondere einer Brücke (2) dazu genutzt, einen Abgleich der berechneten Position mit der bekannten Position des Bauwerks vorzunehmen. Das Passieren des Bauwerkes (2) wird anhand der hierbei auftretenden Abschattung von Funksignalen erkannt. Bei den Funksignalen kann es sich insbesondere um die Signale (s1-sn) von Sattelliten (G1-Gn) handeln, welche Teil des GPS Positionsbestimmungsverfahrens sind. Vorzugsweise wird auch das zeitliche Muster der auftretenden Abschattungen zur Detektion des Passierens einer Brücke (2) verwendet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich eines Positions­ bestimmungsverfahrens, wobei eine vom Positionsbestimmungsverfahren berechnete Position mit einer automatisch detektierten, bekannten Gelän­ deposition korreliert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Positions­ bestimmungsvorrichtung, enthaltend eine Detektionseinrichtung zur auto­ matischen Detektion einer bekannten Geländeposition sowie eine Ab­ gleicheinrichtung zum Abgleich der von der Positionsbestimmungs­ vorrichtung berechneten Position mit der bekannten Geländeposition.

Stand der Technik

Es sind verschiedene Positionsbestimmungsverfahren zur Bestimmung der Position (Koordinaten) eines Beobachtungspunktes auf der Erdober­ fläche beziehungsweise im Raum bekannt. Zunehmende Verbreitung fin­ det dabei insbesondere das Global Positioning System (GPS), bei wel­ chem aus den Laufzeitunterschieden der Signale von mindestens drei Satelliten exakt bekannter Position die Position des Beobachtungspunktes bestimmt wird. Andere Positionierungsverfahren wie zum Beispiel das LORAN-C (LOng RAnge Navigation) arbeiten mit bodengestützten Funksignalen. Positionsbestimmungsverfahren werden in der Regel von einem bewegten Beobachter durchgeführt, welcher auf diese Weise seine aktuelle Position bestimmen kann. Dem Benutzer kann dabei im Rahmen eines sogenannten Navigationssystems zusätzlich ein Vorschlag gemacht werden, wie er ausgehend von der aktuellen Position sich weiterbewegen muss, um ein von ihm vorgegebenes Ziel zu erreichen. Derartige Naviga­ tionssysteme werden zunehmend in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Zur Erhöhung der Genauigkeit eines Positionsbestimmungsverfahrens werden häufig sogenannte Map-Matching-Verfahren eingesetzt. Hierbei werden Fehler in der Positionsbestimmung, die durch Koppelnavigation entstehen, durch einen Vergleich mit einer (digitalen) Karte verringert. Ein solcher Vergleich mit den aus einer Karte entnommenen bekannten Posi­ tionen kann jedoch nur an markanten Punkten des Geländes erfolgen, welche sich entsprechend eindeutig ausmachen lassen und welche in der Karte verzeichnet sind. Dies sind im allgemeinen Kurven oder Abbiege­ vorgänge an Kreuzungen, die mit einem Drehratensensor automatisch detektiert werden können. Bei längeren Fahrten ohne solche markanten Punkte kann ein entsprechender Abgleich der vom Positionsbestimmungs­ verfahren berechneten Position mit einer bekannten Geländeposition nicht mehr oft genug erfolgen, so dass die Berechnung der momentanen Positi­ on einen immer größer werdenden Fehler aufweisen kann (Längenfehler, Streckenfehler).

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Positionsbestimmung und eine Positionsbestimmungs­ vorrichtung derart zu verbessern, dass eine höhere Genauigkeit und Zu­ verlässigkeit der berechneten Positionen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 sowie eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Bei dem Verfahren zum Abgleich eines Positionsbestimmungsverfahrens wird demnach eine vom Positionsbestimmungsverfahren berechnete Posi­ tion mit einer automatisch detektierten, bekannten Geländeposition korre­ liert. Mit Hilfe der Korrelation können in bekannter Weise die Rahmenpa­ rameter des Positionsbestimmungsverfahren so neu kalibriert werden, dass ein eventuell bestehender Positionsfehler auf Null zurückgesetzt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der be­ kannten Geländeposition um die eines Bauwerks handelt, welches durch die Abschattung von mindestens einem Funksignal automatisch detektiert wird. Bauwerke sind einerseits markante und ortsfeste Punkte im Gelände, welche sich insbesondere an den hauptsächlichen Bewegungsrouten (Straßen) befinden. Andererseits ist die automatische Detektion von Bau­ werken dadurch möglich, dass in der erfindungsgemäßen Weise die Ab­ schattung von Funksignalen durch das Bauwerk ausgenutzt wird. Die Ab­ schattung von Funksignalen durch ein Bauwerk lässt sich mit entspre­ chenden elektronischen Mitteln leicht bestimmen. Aufgrund der festen räumlichen Beziehung zwischen dem Bauwerk und der Quelle der Funksi­ gnale ist sie stets in gleicher Weise zu beobachten. Der Abschattungsbe­ reich hängt dabei eng mit der Position und Größe des Bauwerks zusam­ men. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden somit eine große Anzahl markanter Geländepositionen für die automatische Verbesserung der Präzision eines Positionsbestimmungsverfahrens verfügbar.

Bei dem Bauwerk kann es sich vorzugsweise um eine Brücke handeln. Eine Brücke schattet den unter ihr gelegenen Durchfahrtsweg immer ab, so dass sie mit großer Sicherheit anhand der Abschattung von Funksi­ gnalen detektiert werden kann. Darüber hinaus sind Brücken verhältnis­ mäßig oft anzutreffende Bauwerke, deren begrenzte Ausdehnung eine entsprechend präzise Bestimmung des Abschattungsbereichs erlaubt.

Wenn das Positionsbestimmungsverfahren selbst auf der Auswertung von Funksignalen beruht, werden diese vorzugsweise auch als die Signale verwendet, deren Abschattung durch ein Bauwerk detektiert wird. Dies hat den Vorteil, dass die ohnehin vorhandenen Empfangseinrichtungen für die Funksignale doppelt genutzt werden können. Eine Unterbrechung des Empfanges der Funksignale aufgrund der Abschattung durch ein Bauwerk kann somit erfindungsgemäß noch zu einer Präzisionssteigerung des Po­ sitionsbestimmungsverfahrens genutzt werden, da sie ein Indiz für das Passieren des Bauwerkes ist und bei ihrem Auftreten ein Abgleich der berechneten Position mit der bekannten Position des Bauwerks stattfinden kann.

Vorzugsweise arbeitet das Positionsbestimmungsverfahren mit Sendern auf Satelliten, so wie zum Beispiel das GPS. Aufgrund der bekannten Po­ sitionen der Satelliten kann die Abschattung ihrer Signale durch ein Bau­ werk genau ausgerechnet werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Bauwerk mit Hilfe des bei einer Bewegung des Beobachtungsortes entstehenden zeitlichen Mu­ sters der Abschattung eines oder mehrerer Funksignale detektiert. Wenn sich der Beobachtungsort, an welchem das Positionsbestimmungs­ verfahren durchgeführt wird, an einem Bauwerk vorbei bewegt, ist ein Ein­ tritt in den Funkschatten und ein Austritt aus dem Funkschatten zu beob­ achten. Die Länge des Aufenthaltes im Funkschatten ist dabei eine be­ kannte Funktion der Bewegungsgeschwindigkeit des Beobachtungsortes und der Bewegungsrichtung. Durch eine Überprüfung, ob die beobachtete Abschattung des Funksignals mit der aufgrund der momentanen Ge­ schwindigkeit und Richtung berechneten Dauer übereinstimmt, kann somit verifiziert werden, ob tatsächlich ein bestimmtes Bauwerk passiert wird oder ob die Abschattung der Funksignale aus anderen Gründen eingetre­ ten ist. Wenn die Abschattung mehrerer Funksignale von verschiedenen Funksignalquellen beobachtet wird, tritt die jeweilige Abschattung der Funksignale je nach deren relativer Position zum Bauwerk zu unterschied­ lichen Zeiten ein. Beim Passieren des Bauwerks aus einer bestimmten Richtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit ist somit ein typisches Muster des Einsetzens der Abschattungen und des Verlassens der einzel­ nen Schatten zu beobachten. Auch dieses beobachtete Muster kann mit dem für ein bestimmtes Bauwerk erwarteten Muster verglichen werden, um zu überprüfen, ob tatsächlich dieses Bauwerk passiert wird.

Die Geländeposition des Bauwerkes, dessen Abschattung beobachtet wird, ist vorzugsweise in einer digitalen Karte gespeichert. Aus einer sol­ chen digitalen Karte lassen sich dann die bekannten Koordinaten des Bauwerks bei Bedarf sofort abrufen und zur Kalibrierung des Positions­ bestimmungsverfahren verwenden.

Das oben erläuterte Positionsbestimmungsverfahren wird vorzugsweise innerhalb eines Navigationssystems eines Fahrzeuges ausgeführt. Ein Fahrzeug benötigt die Positionsbestimmung insbesondere im bewegten Zustand, d. h. während der Fahrt. Daher treten die vorübergehenden Ab­ schattungen von Funksignalen durch Bauwerke während der Fahrt von selbst auf, so dass sie vorteilhafterweise für einen Abgleich des Positions­ bestimmungsverfahrens in der oben beschriebenen Weise verwendet werden können.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Positionsbestimmungsvorrichtung, enthaltend eine Detektionseinrichtung zur automatischen Detektion einer bekannten Geländeposition sowie eine Abgleicheinrichtung zum Abgleich der von der Positionsbestimmungsvorrichtung berechneten Position mit einer detektierten bekannten Geländeposition. Die Positionsbestimmungs­ vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie die Abschattung von Funksignalen durch ein Bauwerk detektieren kann. Mit der Positionsbestimmungsvorrichtung lässt sich somit ein Verfahren der oben erläuterten Art durchführen und die hiermit mögliche Steigerung der Präzision der Positionsbestimmung er­ zielen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in der Aufsicht eine Situation, bei welcher ein Fahrzeug mit ei­ ner Positionsbestimmungsvorrichtung unter einer Brücke durchfährt;

Fig. 2 in der Seitenansicht die Situation, dass ein Fahrzeug mit einem GPS unter einer Brücke durchfährt;

Fig. 3 schematisch den Zeitversatz der in der Situation nach Fig. 2 beobachteten Abschattungen.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist in der Aufsicht die Situation dargestellt, dass sich ein Auto 1a auf einer Straße 3 fortbewegt und dabei unter einer Brücke 2 durchfährt. Das Auto 1a ist mit einem Navigationssystem ausgestattet, welches fort­ laufend die aktuelle Position des Autos berechnet. Bei diesen Berechnun­ gen treten zwangsläufig Bestimmungsfehler auf, so dass die vor Passieren der Brücke berechnete Fahrzeugposition 1a' um einen Streckenfehler ΔI1 von der tatsächlichen Position 1a abweicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das Passieren der Brücke 2 zu erkennen und dann die bekannte Position der Brücke 2 be­ ziehungsweise des Kreuzungspunktes 4 zwischen oberer und unterer Fahrbahn dazu zu verwenden, das Positionsbestimmungsverfahren im Sinne eines Map-Matching-Verfahrens abzugleichen. Ein solcher Abgleich führt dazu, dass nach dem Passieren der Brücke der Streckenfehler ΔI2 zwischen der tatsächlichen Fahrzeugposition 1b und der berechneten Po­ sition 1b' erheblich verringert beziehungsweise auf Null zurückgesetzt werden kann. Die Korrektur des Streckenfehlers beinhaltet im allgemeinen eine Neukalibrierung des Wegsensors (zum Beispiel Tacho) beziehungs­ weise des Skalierungsfaktors des Wegsensors.

In den Fig. 2 und 3 ist das Verfahren erläutert, mit welchem das Un­ terfahren einer Brücke 2 vom Navigationssystem des Autos 1 detektiert werden kann. Dabei wird im dargestellten Beispielfall davon ausgegangen; dass es sich bei dem Positionsbestimmungsverfahren um ein GPS han­ delt, bei welchem eine GPS Antenne 5 auf dem Fahrzeug 1 zum betrach­ teten Zeitpunkt Signale s1, s2, s3 und s4 von vier Satelliten G1, G2, G3 und G4 empfängt. Beim Unterfahren der Brücke 2 werden die Signale der GPS Satelliten G1 bis G4 zum Empfänger abgeschattet. Wird zum Zeit­ punkt der Abschattung durch einen Vergleich mit der digitalen Karte des Positionsbestimmungssystems festgestellt, dass als Ursache für die Ab­ schattung das Unterfahren einer Brücke 2 in Frage kommt, so kann die der digitalen Karte entnommene tatsächliche Position der Brücke 2 zum Abgleich des Positionsbestimmungsverfahrens verwendet werden. So kann zum Beispiel eine Neukalibrierung des Wegsensors erfolgen.

Zur Detektion der Abschattung muss die Amplitude am Ausgang der Kor­ relatoren des GPS Empfängers beziehungsweise das Vorhandensein des Signals ausgewertet werden. Bei freiem Gelände ist diese Amplitude rela­ tiv konstant, da kaum Abschattungen oder Reflexionen auftreten. Beim Unterfahren einer Brücke 2 tritt jedoch ein kurzzeitiger Einbruch der Am­ plitude auf. Dieser ist in Fig. 3 für die betragsmäßig aufgetragenen zeitli­ chen Verläufe der Signale s1 bis s4 schematisch dargestellt. Die Dauer der Abschattung ist dabei eine Funktion der Geschwindigkeit v des Fahr­ zeugs 1.

Aus den Fig. 2 und 3 wird erkennbar, dass nicht alle Satelliten G1 bis G4 gleichzeitig in den Schatten eintreten. Da alle Satelliten unter­ schiedliche Azimuth- und Elevationswinkel haben, kommt es beim Unter­ fahren von Brücken zu einem spezifischen Zeitverhalten beziehungsweise einem zeitlichen Muster des jeweiligen Signaleinbruchs. Grundsätzlich kann es ausreichen, nur ein Satellitensignal auszuwerten und den zeitli­ chen Mittelpunkt des Signaleinbruchs mit dem örtlichen Mittelpunkt unter­ halb der Brücke 2 zu korrelieren. Eine Erhöhung der Genauigkeit lässt sich jedoch erzielen, wenn mehrere Satellitensignale ausgewertet werden und sich durch Mittelwertbildung bei der Ortsbestimmung Einzelfehler kom­ pensieren lassen.

Da die Position der einzelnen Satelliten G1 bis G4 bekannt ist, kann wei­ terhin das Abschattungsszenario im voraus berechnet werden. Durch ei­ nen Vergleich der gemessenen Abschattungen mit den berechneten Ab­ schaffungen kann dann die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter gestei­ gert werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abgleich eines Positionsbestimmungsverfahrens, wobei eine vom Positionsbestimmungsverfahren berechnete Posi­ tion (1a', 1b') mit einer automatisch detektierten, bekannten Ge­ ländeposition korreliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Geländeposition (4) die Positi­ on eines Bauwerks (2) ist, welches anhand der Abschattung min­ destens eines Funksignals detektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauwerk eine Brücke (2) ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschatteten Funksignale vom Positionsbestimmungsverfahren verwendete Signale (s1-sn, n: = ganze Zahl) sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsbestimmungs­ verfahren mit Sendern auf Satelliten (G1-Gn, n: = ganze Zahl) arbeitet.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauwerk (2) mit Hilfe des bei einer Bewegung des Beobachtungsortes entstehenden Musters der Abschattung eines oder mehrerer Funksignale detektiert wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geländeposition des Bau­ werks (2) in einer digitalen Karte gespeichert ist.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsbestimmungs­ verfahren im Navigationssystem eines Fahrzeugs (1) ausgeführt wird.

8. Positionsbestimmungsvorrichtung enthaltend eine Detektionsein­ richtung zur automatischen Detektion einer bekannten Gelände­ position sowie eine Abgleicheinrichtung zum Abgleich der von der Positionsbestimmungsvorrichtung berechneten Position mit einer detektierten bekannten Geländeposition, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung so aus­ gestaltet ist, dass sie die Abschattung von Funksignalen durch ein Bauwerk (2) detektieren kann.