DE4002176A1 - Gps-navigationseinrichtung fuer ein fahrzeug - Google Patents

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.