DE4002176A1 - Gps-navigationseinrichtung fuer ein fahrzeug - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine GPS(Global Positioning System)-
Navigationseinrichtung für ein Fahrzeug.
Es sind Streckenführungssysteme bekannt, bei denen Strecken
führungsfehler in bezug auf einen Startpunkt durch GPS kor
rigiert werden, wobei im übrigen ein Gyroskop zur Strecken
führung verwendet wird.
Es sind GPS-Einrichtungen mit einer oder mehreren GPS-Anten
nen bekannt. Ist nur eine Antenne vorhanden, ist diese auf
dem Fahrzeugdach angebracht. Um die zweidimensionale Posi
tion bestimmen zu können, müssen die Signale von drei Satel
liten empfangen werden; für dreidimensionale Positionsbe
stimmung die Signale von vier Satelliten. Die Antenne ist
auf dem Dach angebracht, damit kein Abschirmen der Satelli
tensignale durch Fahrzeugteile zu befürchten ist.
Sind mehrere Antennen vorhanden, können diese durch Fahr
zeugteile abgeschirmt sein. Es werden daher für alle Anten
nen und alle Satellitensignale Berechnungen angestellt, und
für die Positionsbestimmung werden diejenigen Signale ausge
wählt, die am besten empfangen werden.
Bei Einrichtungen mit nur einer Antenne auf dem Dach des
Fahrzeugs ist von Nachteil, daß die Fahrzeugkarosserie er
heblich geändert werden muß, um sicherzustellen, daß die An
tennenanordnung wasserdicht ist und den Dachaufbau nicht
schwächt. Dies erhöht die Kosten für die Karosserie und da
mit die Kosten für die GPS-Einrichtung.
Bei Einrichtungen mit mehreren Antennen wird erhebliche
Rechenzeit benötigt, um feststellen zu können, von welcher
Antenne und welchem Satelliten jeweils gerade das beste Sig
nal empfangen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine GPS-Naviga
tionseinrichtung für ein Fahrzeug anzugeben, die schnell ar
beitet und nicht auf dem Dach eines Fahrzeugs montiert wer
den muß.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist durch die Merkmale von
Anspruch 1 gegeben. Sie verfügt über mehrere Antennen, von
denen keine auf dem Dach eines Fahrzeugs angeordnet ist. Es
wird nun aber nicht im herkömmlichen Trial-and-Error-Ver
fahren untersucht, welche Antenne am besten empfängt, son
dern es wird berechnet, welche Antenne überhaupt aufgrund
der Grobposition des Fahrzeugs, den Stellungen der Satelli
ten, des Fahrzeugaufbaus und der Antennenorte die Signale
von Satelliten empfangen kann.
Da aufgrund der genannten Berechnungen schnell feststeht,
welche Antenne Signale von welchen Satelliten empfangen
kann, kann die Positionsbestimmung schnell erfolgen. Vor
teilhafterweise wird für jede Antenne von denjenigen Satel
litensignalen, die überhaupt gemäß den vorangehenden Berech
nungen empfangen werden können, das jeweils stärkste Signal
ausgesucht.
Vorzugsweise sind zwei Antennen vorhanden, die so angeordnet
sind, daß dann, wenn die eine Antenne gerade vom Fahrzeug
aufbau gegenüber den Signalen von einem sichtbaren Satelli
ten abgeschirmt ist, die andere Antenne die Signale von die
sem Satelliten empfangen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren
veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer GPS-Einrichtung mit
Satellitenauswahl;
Fig. 2-5 schematische Draufsichten auf jeweils
ein Kraftfahrzeug, an dem GPS-Antennen angebracht sind;
Fig. 6 ein Flußdiagramm zum Erläutern der Funktion
der Einrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 7 und 8 Diagramme zum Veran
schaulichen von Bereichen, bezogen auf Himmelskoordinaten,
in denen Empfang von GPS-Antennen möglich ist bzw. nicht
möglich ist; und
Fig. 9 und 10 Diagramme zum Veranschaulichen, wo
bei den GPS-Antennenanordnungen gemäß den Fig. 3-5 Empfang
möglich ist und wo nicht.
Die GPS-Einrichtung gemäß Fig. 1 verfügt über zwei Kanäle
CH 1 und CH 2. Elektromagnetische Wellen, wie sie von Satel
liten gesendet werden, werden durch die Kanäle aufeinander
folgend gemessen, wodurch eine Positionsbestimmung des
Fahrzeugs möglich ist, an dem die Antennen angebracht sind.
Fig. 1 zeigt zwei Antennen 1 A und 1 B, die am Fahrzeug an
Stellen angebracht sind, wie sie im folgenden anhand der
Fig. 2-5 veranschaulicht werden. Von Bedeutung ist, daß
keine Antenne auf dem Dach des Fahrzeugs angebracht ist. Bei
der Anbringungsart gemäß Fig. 1 befindet sich je eine der
beiden Antennen 1 A und 1 B auf jeweils einer der beiden Sei
ten des Kofferraumdeckels einer Fahrzeugkarosserie C. Bei
der Anordnung gemäß Fig. 3 befindet sich die Antenne 1 A an
der vorderen und die Antenne 1 B an der hinteren Windschutz
scheibe. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 ist die Antenne 1 A
am Instrumentenbrett und die Antenne 1 B an der hinteren Ab
lage befestigt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 befindet sich
die Antenne 1 A auf der Motorhaube und die Antenne 1 B auf dem
Kofferraumdeckel.
Jeder der beiden Kanäle CH 1 und CH 2 weist einen Frequenz
wandler 2 mit einem Bezugsoszillator, einem Multiplizierer,
einem Mischer und einem Verstärker auf. Die von der jeweils
zugehörigen Antenne 1 A bzw. 1 B empfangenen Signale werden in
bezug auf das Ausgangssignal des jeweiligen Multiplizierers
frequenzgewandelt.
An den Frequenzwandler 2 schließt sich ein Pseudo-Entfer
nungsmesser 3 mit einem Korrelator, einem PN-(oder PRN=
Pseudo Random Noise)Kodegenerator und einem Kodeumschalter
an. Dieser Entfernungsmesser 3 führt eine Korrelation zwi
schen dem PN-Kode des frequenzgewandelten Signales und einem
intern erzeugten PN-Kode und eine PN-Demodulation aus.
Es schließt sich ein Orbitdatendemodulator 4 an, der ein
Bandpaßfilter, einen Phasendetektor, einen Erzeuger für
einen Träger NCO und einen Trägerfrequenzumschalter auf
weist. Das korrelierte Ausgangssignal vom Pseudoentfernungs
messer 3 wird über den Bandpaßfilter an den Phasendetektor
übertragen, um die Phase und die Phasendifferenz zu berech
nen.
Eine Empfangssteuerung 5 überträgt über den Bandpaßfilter
die Phase des PN-Kodes bzw. des Träges NCO sowie Trägerfre
quenzdaten an den PN-Kodeerzeuger innerhalb dem Pseudoent
fernungsmesser 3.
Ein Positionsbestimmungsrechner 6 berechnet auf Grundlage
der Pseudoentfernung die Position des Fahrzeugs und leitet
aus einer Dopplerfrequenzverschiebung des empfangenen Sig
nals die Relativgeschwindigkeit und die Richtung eines jeden
Satelliten ab.
Eine Anzeigesteuerung 7 zeigt die berechnete Position des
Fahrzeugs auf einer Karte an. Die Kartendaten werden von
einem Kartenspeicher 8 bezogen, der einen CD-ROM und einen
CD-ROM-Controller aufweist. Die Anzeige erfolgt auf einer
Anzeigeeinrichtung 9, z. B. einer Kathodenstrahlröhre.
Die Einrichtung gemäß Fig. 1 weist außerdem noch einen geo
magnetischen Richtungssensor 10 auf, mit dessen Hilfe die
Fahrtrichtung des Fahrzeugs bestimmt wird. Stattdessen kann
auch ein Gyroskop verwendet werden (z. B. ein optisches
Gyroskop mit einer optischen Faser), um aufgrund von Ver
drehungen um die Fahrzeughochachse die Fahrtrichtung zu be
stimmen. Die Fahrtrichtung wird innerhalb des Sensors 10 mit
Hilfe der erfaßten Daten berechnet.
Auf Grundlage der Fahrzeugposition und der Satellitenorbit
daten berechnet ein Block 11 zur Satellitenstellungsberech
nung, von welchen Satelliten Signale empfangen werden kön
nen. Ein Satellitenselektor 12 bestimmt auf Grundlage der
Daten betreffend die Anordnung der Satelliten und der Lage
der Antennen 1 A und 1 B, welche Antenne Signale von welchem
Satelliten empfangen kann.
Im vorstehenden wurde auf Detailfunktionen verschiedener
Funktionsgruppen nicht näher eingegangen, da sich ausführ
liche Hinweise in EP-A-01 66 300 und US-A-44 45 118 befin
den, auf die hiermit verwiesen wird.
Anhand von Fig. 6 wird nun erläutert, wie die Einrichtung
gemäß Fig. 1 arbeitet.
In einem Schritt 601 werden Rechenwerte initialisiert, die
z. B. zum Berechnen sichtbarer und empfangbarer Satelliten
benötigt werden. Es wird dann die Dopplerverschiebung für
das gerade von einem Satelliten empfangene Signal berechnet
(Schritt 602). In einem folgenden Schritt 603 wird versucht,
das empfangene Signal mit einem Signal für die Pseudoentfer
nungsmessung zu synchronisieren. Es wird dann mit Hilfe
einer Korrelation zwischen den Signalen untersucht (Schritt
604), ob die Synchronisierung ausreichend ist. Ist dies der
Fall, folgt ein Schritt 605. Andernfalls werden die Schritte
602 und 603 wiederholt.
Im eben genannten Schritt 605 untersucht eine CPU in der
Einrichtung, ob für den Satelliten, von dem gerade Signale
empfangen werden, Orbitdaten neu erfaßt werden sollen. Das
Auffrischen von Orbitdaten erfolgt stündlich. Sollen die Da
ten aufgefrischt werden, folgt ein Schritt 606, andernfalls
ein Schritt 607. Wird Schritt 606 ausgeführt, werden die
Orbitdaten dadurch erfaßt, daß das mit seiner Phase ermit
telte Signal über ein Filter geschickt wird und A/D-gewan
delt wird. Folgt dagegen Schritt 607, wird in diesem eine
Navigationsgleichung zur Positionberechnung gelöst, wozu die
Satellitenposition und die Pseudoentfernungsmessung verwen
det wird. Anschließend berechnet die CPU (Schritt 608) mit
Hilfe der Satellitenorbitdaten, der aktuellen Position und
der Zeit die Anordnung von Satelliten, von denen gerade Sig
nale empfangen werden können.
In einem folgenden Schritt 609 wählt die CPU denjenigen Sa
telliten aus, mit Hilfe von dessen Signalen die aktuelle
Fahrzeugposition optimal berechnet werden kann. Dies erfolgt
z. B. mit Hilfe einer Pseudo-Fehlerabweichungsberechnung
(PDOP = Pseudo Dilution of Precision).
Um weitere Rechenschritte ausführen zu können, wird an
schließend (Schritt 610) von der CPU die Fahrtrichtung des
Fahrzeugs bestimmt, was auf Grundlage des Signals vom geo
magnetischen Sensor oder vom Gyroskop erfolgt.
In einem Schritt 611 bestimmt die CPU auf Grundlage der
Fahrtrichtung, der Satellitenstellungen, der Form des Fahr
zeugs und dem Ort der Antennen 1 A und 1 B, von welchen Satel
liten keine Signale empfangen werden können. Hierbei ist zu
beachten, daß die GPS-Signale mit ihrer hohen Frequenz von
1,5 GHz sich streng linear ausbreiten und daher von einer
Antenne nicht empfangen werden können, die im Schatten z. B.
des Fahrzeugdachs liegt. Wären die Antennen auf dem Fahr
zeugdach angeordnet, könnten derartige Fälle nicht auftre
ten. Wie jedoch eingangs ausgeführt, befinden sich die An
tennen nicht auf dem Dach, um die Karosseriekonstruktion
unverändert lassen zu können. Bei Anordnungen, wie sie in
den Fig. 2-5 dargestellt sind, aber auch bei anderen An
ordnungen, wo sich die Antennen nicht auf dem Dach befinden,
kann es daher zu Abschattungen der von den Satelliten gesen
deten Signale kommen.
Die Fig. 7 und 8 stellen Fälle für die Anordnung von Fig. 2
dar, in denen Signale unter bestimmten Himmelswinkeln nicht
empfangen werden können. Bereiche, in denen kein Empfang
möglich ist, sind mit NG gekennzeichnet, andere Bereiche mit
OK. In den Fig. 7 und 8 ist mit R jeweils die rechte Seite
und mit L jeweils die linke Seite des Fahrzeugs gekennzeich
net, F ist die Vorderseite und B die Rückseite. Aus der An
ordnung der Antennen und der Karosseriekonstruktion berech
net die CPU Azimutwinkel, unter denen Signale von einem Sa
telliten nicht empfangen werden können. So wie die Fig. 7
und 8 die Verhältnisse für die Anordnung gemäß Fig. 2 zei
gen, stellen die Fig. 9 und 10 die Verhältnisse für die An
tennenanordnung gemäß Fig. 5 dar. Hier kann die Antenne 1 A
Signale nicht empfangen, die zu flach von hinten kommen,
während die Antenne 1 B keine Signale empfangen kann, die zu
flach von vorne kommen.
In einem Schritt 611 berechnet die CPU, von welchen Satel
liten gerade keine Signale empfangen werden können. In einem
folgenden Schritt 612 ermittelt die CPU, ob sich unter die
sen Satelliten ein eigentlich sichtbarer befindet, der aber
über den Kanal CH 1 gerade nicht empfangbar ist. Ist dies
nicht der Fall, können also die Signale aller sichtbaren
Satelliten empfangen werden, folgt ein Schritt 615. Andern
falls folgt ein Schritt 613, in dem die CPU denjenigen Sa
telliten auswählt, für den sich unter den empfangbaren Sa
telliten die geringste Pseudo-Fehlerabweichung ergibt. An
schließend (Schritt 614) wird aus denjenigen Satelliten, die
im Kanal CH 1 nicht empfangen werden können, bestimmt, wel
cher am besten im Kanal CH 2 empfangen werden kann.
Wird nach Schritt 612 der bereits genannte Schritt 615 er
reicht, wird in diesem derjenige Satellit bestimmt, dessen
Signal für Kanal CH 1 die geringste Pseudo-Fehlerabweichung
liefert. In einem folgenden Schritt 616 wird aus den anderen
empfangbaren Signalen dasjenige von demjenigen Satelliten
ausgewählt, der die geringste Pseudo-Fehlerabweichung lie
fert. Dieses Signal wird über Kanal CH 2 empfangen.
Danach wird von der CPU in einem Schritt 617
überprüft, ob die Anzeige geändert werden muß.
Ist dies der Fall, wird in einem Schritt 618 die Anzeige ge
ändert. Anschließend wird der Verfahrensablauf ab Schritt
602 wiederholt.
Wesentlich ist, daß aus verschiedenen vorgegebenen geometri
schen Bedingungen, wie Fahrtrichtung, Karosserieaufbau, An
tennenorte, berechnet wird, von welchen Satelliten überhaupt
Signale in Kanal CH 1 empfangen werden können. Der Satellit
mit dem bestgeeigneten Signal kann daher erheblich schneller
ermittelt werden, als bei einer herkömmlichen Einrichtung,
wo für alle Antennen und Satelliten durchzuprüfen ist, wel
che Antenne gerade am besten empfängt. Beim Ausführungsbei
spiel dient Kanal CH 2 als Hilfskanal. Statt nur eines zu
sätzlichen Kanals können mehrere zusätzliche Kanäle vorhan
den sein.
Dadurch, daß die Antennen nicht auf dem Dach des Fahrzeugs
angebracht werden müssen, ist dessen Dachaufbau nicht zu
ändern, so daß herkömmliche Vorteile in bezug auf Detail und
Sicherheit erhalten bleiben können. GPS-Positionsbestimmung
läßt sich daher billig bei beliebigen Fahrzeugen ausführen.
Im Flußdiagramm gemäß Fig. 6 wird nach Schritt 614 oder
Schritt 616 in Schritt 617 die Anzeige auf den neuen Stand
gebracht, falls dies aufgrund einer Positionsänderung des
Fahrzeugs erforderlich sein sollte. Handelt es sich um eine
Positionsänderung, ist die neue Position diejenige, wie sie
in Schritt 607 berechnet wurde. Diese nutzt also die neue
sten Daten gemäß den Schritten 608-616 noch nicht. Diese
werden erst dann berücksichtigt, wenn Schritt 607 beim neuen
Verfahrensdurchlauf erreicht wird. Das Bringen der Anzeige
auf den neuesten Stand könnte demgemäß auch z. B. direkt
nachfolgend auf Schritt 607 erfolgen.
Claims (11)
1. GPS-Navigationseinrichtung für ein Fahrzeug mit
- - mehreren am Fahrzeug angebrachten GPS-Antennen und
- - einer Einrichtung zum Berechnen der Fahrzeugposition auf grund von Signalen, wie sie mit den Antennen von Satelli ten empfangen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - keine der Antennen auf dem Dach des Fahrzeugs angeordnet ist,
- - eine Einrichtung zum Bestimmen der Fahrtrichtung des Fahr zeugs vorhanden ist,
- - und aufgrund der jeweils aktuellen, bekannten Satelliten stellungen, der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, der bekannten Aufbaugeometrie des Fahrzeugs und dem Anbringungsort der Antennen für mindestens eine der Antennen berechnet wird, von welchen Satelliten diese Antenne Signale zum Berechnen der Position des Fahrzeugs empfangen kann.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß von den Satellitensignalen, die von einer Antenne über
haupt empfangen werden können, das stärkste zur Berechnung
der Position verwendet wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als stärkstes Signal dasjenige angesehen wird, das die
geringste Pseudo-Fehlerabweichung aufweist.
4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Antennen (1 A, 1 B) vorhanden
sind, die so am Fahrzeug angebracht sind, daß dann, wenn
eine der Antennen die Signale von einem sichtbaren Satelli
ten nicht empfangen kann, die andere Antenne diese Signale
empfangen kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Antennen zu den beiden Seiten eines Koffer
raumdeckels angeordnet sind (Fig. 2).
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Antennen an der vorderen bzw. hinteren Wind
schutzscheibe angeordnet sind (Fig. 3).
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Antenne am Instrumentenbrett und die andere an
der hinteren Ablage befestigt ist (Fig. 4).
8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Antenne auf der Motorhaube und die andere auf
dem Kofferraumdeckel eines Fahrzeugs befestigt ist.
9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrtrichtung mit Hilfe
eines geomagnetischen Sensors bestimmt wird.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fahrtrichtung mit Hilfe eines opti
schen Gyroskops bestimmt wird.
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