DE4002176C2 - GPS-Navigationseinrichtung und Navigationsverfahren für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine GPS-Navigationseinrichtung und ein Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10. Um die zweidimensionale Positionen bestimmen zu können, müssen die Signale von drei Satelliten empfangen werden; für dreidimensionale Positionsbestimmung die Signale von vier Satelliten.

US-4,731,613 beschreibt eine GPS-Navigationseinrichtung für ein Fahrzeug, die eine einzige Antenne nutzt, die am Dach des Fahrzeugs angebracht ist. Dadurch ist sichergestellt, daß die Signale alle sichtbaren Satelliten, unabhängig von der Stellung des Fahrzeugs empfangen werden können.

DE-35 22 880 A1 beschreibt eine Navigationseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die statt mit den Signalen von GPS- Navigationseinrichtung mit dem Signal von einem einzigen geostationären Satelliten arbeitet. Für die Navigation wird die Richtcharakteristik der Signale mitgenutzt. Um diese Richtcharakteristik auswerten zu können, sind auf dem Dach des Kraftfahrzeugs drei Antennen mit jeweils um 120° versetzte Achsen angeordnet.

Ein System aus mehreren Antennen auf dem Fahrzeugdach, mit denen die Phase der einkommenden Signale bestimmt werden kann, ist auch aus HUANG, J.L.-BAND PHASED ARRAY ANTENNAS FOR MOBILE SATELLITE COMMUNICATIONS, in 37th IEEE VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE, Juni 1987, Tampa, Florida, bekannt.

Bei Einrichtungen mit mindestens einer Antenne auf dem Dach eines Fahrzeuges ist von Nachteil, daß die Fahrzeugkarosserie erheblich geändert werden muß, um sicherzustellen, daß die Antennenanordnung wasserdicht ist und den Dachaufbau nicht schwächt. Dies erhöht die Kosten für die Karosserie und damit die Kosten für die GPS- Einrichtung.

Für den UKW-Empfang im Auto ist aus einem Artikel von LINDENMEIER, HOPF, REITER unter dem "PREISWERT UND REAKTIONSSCHNELL", erschienen in "Funkschau 26/1986", Seite 42-45 bekannt, mehrere Antennen zu verwenden, mit einem Prüfempfänger pro Antenne oder einem für alle Antennen gemeinsamen Signalqualitätsdetektor. Diejenige Antenne, die jeweils den besten Empfang aufweist, wird aktuell ausgewählt (Mehr-Antennen-Diversity).

Es ist auch aus der US-4,647,935 ein System bekannt, bei dem zwischen drei Antennen hin- und hergeschaltet wird, um Phasensprünge zu detektieren. Die drei Antennen müssen in hervorgehobener Position angebracht sein, da sie stets alle drei gleichzeitig die Signale empfangen müssen. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine GPS- Navigationseinrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art für ein Fahrzeug anzugeben, durch welche, unter Vermeidung erheblicher Änderungen an der Fahrzeugkarosserie, sich schnell ermitteln läßt, von welcher (welchen) Antenne(n) und von welchen Satelliten gerade die besten Signale empfangen werden.

Die erfindungsgemäße GPS-Navigationseinrichtung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den unabhängigen Patentanspruch 10 angegeben.

Die erfindungsgemäße GPS-Navigationseinrichtung verfügt über eine Einrichtung zum Bestimmen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, und einer Satellitenauswählvorrichtung zum Ermitteln der am besten empfangbaren Signale, die so ausgebildet ist, daß sie mit Hilfe der bestimmten Fahrtrichtung der bekannten Aufbaugeometrie des Fahrzeugs und dem Anbringungsort der Antenne eine Ermittlung betreffend die Antennen und Satelliten vornimmt, von denen die stärksten Signale zu erwarten sind. Obwohl keine Antenne so angebracht ist, daß sie bei jeder Fahrzeugstellung die Stellung aller sichtbaren Satelliten empfangen kann, arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung dennoch schnell und zuverlässig.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermittelt somit die besten Antennen- Satelliten-Kombinationen durch Berechnung, im Gegensatz zu UKW- Mehrantennen-Diversity, wo eine einzige von mehreren Antennen unter tatsächlichen, jeweiligem Empfang durch Trial-End-Error herausgefun­ den wird.

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.

Diese beiden Antennen können entweder zu beiden Seiten des Kofferraumdeckels, an der vorderen und hinteren Windschutzscheibe, am Instrumentenbrett und an der hinteren Ablage oder auch auf der Motorhaube und auf dem Kofferraumdeckel angebracht sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer GPS-Navigationseinrichtung 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 CH1 und CH2. Elektromagnetische Wellen, wie sie von Satel­ liten gesendet und von Antennen 1A, 1B empfangen 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 1A und 1B, 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. 2 befindet sich je eine der beiden Antennen 1A und 1B auf jeweils einer der beiden Sei­ ten des Kofferraumdeckels einer Fahrzeugkarosserie C. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 befindet sich die Antenne 1A an der vorderen und die Antenne 1B an der hinteren Windschutz­ scheibe. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 ist die Antenne 1A am Instrumentenbrett und die Antenne 1B an der hinteren Ab­ lage befestigt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 befindet sich die Antenne 1A auf der Motorhaube und die Antenne 1B auf dem Kofferraumdeckel.

Jeder der beiden Kanäle CH1 und CH2 weist einen Frequenz­ wandler 2 mit einem Bezugsoszillator, einem Multiplizierer, einem Mischer und einem Verstärker auf. Die von der jeweils zugehörigen Antenne 1A bzw. 1B 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 des Pseudoent­ fernungsmessers 3.

Ein Positionsbestimmungsrechner 6 berechnet auf Grundlage der Pseudoentfernung die Position des Fahrzeugs und leitet aus einer Dopplerfrequenzverschiebung des empfangenen Si­ gnals die Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Satellit 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. Statt dessen kann auch ein Gyroskop verwendet werden (z. B. ein optisches Gyroskop mit einer optischen Faser), um aufgrund von Ver­ drehungen um die Fahrzeugvertikalachse 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. Eine Satellitenauswählvorrichtung (Satellitenselektor) 12 bestimmt auf Grundlage der Daten betreffend die Anordnung der Satelliten und der Lage der Antennen 1A und 1B, 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-0,166,300 und US-A-4,445,118 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 durch ein Filter geleitet und A/D-gewan­ delt wird. Folgt dagegen Schritt 607, wird in diesem eine Navigationsgleichung zur Positionsberechnung 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 1A und 1B, 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 Azimutwinkeln 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 1A Signale nicht empfangen, die zu flach von hinten kommen, während die Antenne 1B 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 CH1 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 CH1 nicht empfangen werden können, bestimmt, wel­ cher am besten im Kanal CH2 empfangen werden kann.

Wird nach Schritt 612 der bereits genannte Schritt 615 er­ reicht, wird in diesem derjenige Satellit bestimmt, dessen Signal für Kanal CH1 die geringste Pseudo-Fehlerabweichung liefert. In einem folgenden Schritt 616 wird aus den anderen über den Kanal CH2 empfangbaren Signalen das Signal von dem Satelliten ausgewählt, der die geringste Pseudo-Fehlerabweichung lie­ fert.

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 CH1 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 CH2 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 Auffrischen der Anzeige auf den neuesten Stand könnte demgemäß auch z. B. direkt nachfolgend auf Schritt 607 erfolgen.

Claims (10)

1. GPS-Navigationseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit:

• - einer Mehrzahl von GPS-Antennen (1A, 1B), die jeweils an vorbestimmten Positionen des Kraftfahrzeugs angebracht sind,
• - einem ersten und einem zweiten Kanal (CH1, CH2) zum Empfangen elektromagnetischer Wellen von einer Mehrzahl von Satelliten über die Mehrzahl der GPS-Antennen (1A und 1B); und
• - einem Positionsbestimmungsrechner (6) zum Bestimmen der Position des Fahrzeugs auf der Basis des Ergebnisses der Berechnung einer Pseudodistanz von einem Satelliten und zur Bestimmung der Geschwindigkeit und Richtung jedes Satelliten mit einer Dopplerfrequenzverschiebung des durch jede Antenne empfangenden Signals, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Vielzahl der Antennen (1A, 1B) an unterschiedlichen, jeweils vorgegebenen Positionen des Fahrzeugkörpers mit Ausnahme des Fahrzeugdachs montiert sind,
• - ein Richtungssensor (10) zur Erfassung einer Richtungs­ orientierung des Fahrzeugs angeordnet ist, dessen Ausgangs­ signal die Richtung des Fahrzeugs (C) angibt,
• - eine Satellitenauswählvorrichtung (12) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, auf der Basis bekannter Umlaufbahn­ daten der Satelliten, der Montageposition der Antennen (1A, 1B) und der durch den Richtungssensor (10) erfaßten Richtung des Fahrzeugs jeden der Satelliten auszuwählen, von dem die elektromagnetischen Wellen ausgesendet und durch eine jeweilige Antenne empfangen wurden; und
• - ein Satellitenanordnungsberechnungsblock (11) vorgesehen und dafür eingerichtet ist, jeweils diejenigen Satelliten auszuwählen, die für den Positionsbestimmungsrechner (6) zur Berechnung der Fahrzeugposition von den Satelliten, deren elektromagnetische Wellen von den jeweiligen Antennen empfangbar sind, erforderlich sind.

2. GPS-Navigationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Satellitenauswählvorrichtung (12) die von den Satelliten über die Antennen empfangenen stärksten Signale ermittelt, die die geringste Pseudo- Fehlerabweichung aufweisen.

3. GPS-Navigationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie über zwei Antennen (1A, 1b) verfügt.

4. GPS-Navigationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen zu den beiden Seiten eines Kofferraumdeckels angeordnet sind (Fig. 2).

5. GPS-Navigationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen an der vorderen und hinteren Windschutzscheibe angeordnet sind (Fig. 3).

6. GPS-Navigationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Antenne im Instrumentenbrett und die andere an der hinteren Ablage befestigt ist (Fig. 4).

7. GPS-Navigationseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Antenne auf der Motorhaube und die andere auf dem Kofferraumdeckel befestigt ist (Fig. 5).

8. GPS-Navigationseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10) zum Bestimmen der Fahrtrichtung ein geomagnetischer Sensor ist.

9. GPS-Navigationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10) zum Bestimmen der Fahrtrichtung ein optisches Gyroskop ist.

10. Verfahren zur Bestimmung einer Momentanposition eines Fahrzeugs (C) unter Benutzung einer Mehrzahl von GPS- Antennen (1A, 1B), dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Mehrzahl von GPS-Antennen (1A, 1B) jeweils an unterschiedlichen, vorgegebenen Positionen am Fahr­ zeugkörper mit Ausnahme des Dachs des Fahrzeugs angeordnet wird;
• b) die Fahrtrichtung des Fahrzeugs bestimmt wird;
• c) ein GPS-Satellit aus der Mehrzahl von GPS-Satelliten ausgewählt wird, unter Berücksichtigung der Positionen der GPS-Antennen und der erfaßten Fahrtrichtung des Fahrzeugs;
• d) die zur Berechnung der momentanen Position des Fahrzeugs erforderlichen Satelliten aus denjenigen Satelliten, von denen die GPS-Antennen elektromagnetische Wellen empfangen können, ausgewählt werden; und
• e) die momentane Position des Fahrzeugs auf der Basis der elektromagnetischen Wellen, die von der Mehrzahl der angeordneten GPS-Antennen über die ausgewählte Anzahl von Satelliten empfangen werden, berechnet wird.