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Einrichtung zur Standortbestimmung von Fahrzeugen
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es gibt eine große Anzahl von Systemvorschlägen für die Ortung von
Fahrzeugen, doch keiner ist bisher in der Lage mit vertretbaren Kosten die in letzter
Zeit geforderte Ortungsge nauigkeit von z. B. 50 m zu liefern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung anzugeben, die bei
relativ geringen Kosten die genannte Forderung erfüllt.
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Ausgegangen wird dabei von den leistungsfähigen Funknavigationsverfahren,
die mit lanswelligen oder sonst geeigneten Sondern arbeiten; die zu ortenden Fahrzeuge
führen z. B.
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Laufzeit- oder Phasendifferenzmessungen aus. Die in Europa verbreiteten
Decca-Ketten können hierbei z. B. Verwendung finden. Weiter ist es notwendig, Monitorstationen
einzurichten, welche zeitabhängige Ausbreitungsstörungen messen. Solche Monitorstationen
sind beispielsweise bekannt beim "differential-Omega-Verfahren" zur Navigation von
Schiffen.
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 beschrieben. Am Boden, vor allem in
dicht bebautem Gebiet, ist die Ausbreitung von Funksignalen gegenüber normaler räumlicher
Ausbreitung lokal stark verändert und damit sind die herkömmlichen Funknaviga tionsverfahren
nicht mehr anwendbar.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Störungen charakteristisch von
der Formgebung der Einsatzgebiete abhängen und zeitlich konstant sind. Das nutzt
die Erfindung aus, indem in der Zentrale eine Korrelation durchgeführt wird zwischen
den vom Fahrzeug ermittelten und übermittelten Navigationsmeßdaten und den Sollwerten,
welche in Interferenzkarten (z. B. Phasendifferenzen zwischen Sendern einer Decca-Kette)
abgespeichert sind. Die Fahrzeuge führen in einem Speicher eine gewisse "Historie"
von Meßdaten mit, die jederzeit zur Zentrale übermittelt werden können. Gegenüber
herkömmlichen Funkortungsverfahren werden also keine Punktmessungen, sondern Linienmessungen
durchgeführt. Aufgrund der charakteristischen Verläufe z. B. der Phasendifferenzen
zwischen der Strahlung zweier Sender in einer bebauten Straße sind gebietsweise
Ortungsgenauigkeiten von besser als 10 m möglich. Ein günstiges Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird weiter unten beschrieben.
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Eine Verringerung des Aufwands an Speicherbedarf in der Zentrale und
an Sollwertmessungen für die Interferenzkarte bedeutet es, wenn man in Weiterbildung
der Erfindung den Fahrzeugen Mittel für eine Koppelnavigation zufügt.
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Diese Kombination bietet die Möglichkeit, die kurzzeitstabile Koppelnavigation
mit der langzeitstabilen Funkortung zu einem kostengünstigen Ortungssystem zu kombinieren,
Mit der Koppelnavigation werden, ausgehend von einem bekannten Standort (z. B. durch
Funkortung oder einmalige manuelle Eingabe und permanente Speicherung der letzten
Werte), fort-
laufend die Positionsdaten des Fahrzeuges ermittelt
und bei Bedarf zu einer Zentrale übertragen. Abhängig vom zurückgelegten Weg akkumuliert
sich bei der Koppelnavigation der Positionsfehler. Deshalb muß die Koppelnavigation
von Zeit zu Zeit korrigiert werden. BeiderbesagtenWeitertildung der Erfindung wird
die Koppelnavigation mit dem bereits beschriebenen Funkortungssystem korrigiert.
Dadurch ergeben sich einige Verbesserungen gegenüber dem reinen Funkverfahren.
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1. Die Korrelation zwischen Meßwerten und Sollwerten braucht nicht
fortlaufend zu erfolgen. Daraus ergibt sich eine Entlastung der Datenübertragung
und Datenverarbeitung.
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2. Es braucht nicht für das gesamte Einsatzgebiet eine Phasenkarte
angelegt zu werden, sondern es genügen ausgewählte Gebiete (funktechnisch, strategisch
usw. ausgewählt), sogenannte Oasen. In diesen Gebieten kann dann eine Korrektur
erfolgen.
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3. Die Koppelnavigation liefert auch im ungünstigsten Fall eine grobe
Positionsinformation (Grobortung). Damit kann festgestellt werden, wann eine Oase
erreicht ist und die Funkortung kann sich auf die Feinmessung beschränken.
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4. Die Koppelnavigation liefert kurzzeitstabil, oder besser ausgedrückt
kurzwegstabil die genaue Bahnkurve des Fahrzeuges. Die Meßwerte von Koppelnavigation
(k) und Funkortung (XF) können paarweise zur Zentrale übertragen werden. Dort besteht
dann die Möglichkeit, die Meßwerte der Funkortung mit der durch die Koppelnavigation
vorgegebenen Bahnkurve auszugleichen und damit die Ortungsgenauigkeit zu verbessern.
Der Ausgleich kann z. B. nach dem Gauß'schen Prinzip der kleinsten Fehlerquadratsumme
Qx erfolgen:
Dabei gibt die Koppelnavigation die Funktion der Bahnkurve vor.
Die optimalen Parameter dieser Funktion werden durch die Ausgleichsrechnung bestimmt.
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Darüber hinaus sind noch weitere, eventuell zu entwickelnde Verfahren
denkbar.
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Die Systemkombination Koppelnavigation und Funkortung kann vorteilhaft
durch eine (stadtplangestützte oder auch rechnergestützte Ortung genannte) Plausibilitätsprüfung
zwischen Ortungsergebnis und der Landkarte des Einsatzgebietes mittels eines Rechners
ergänzt werden.
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Mit einem solchen Verfahren ist eine weitere Steigerung der Ortungsgenauigkeit
und/oder eine Reduzierung der Anforderungen für die restlichen Systemkomponenten
möglich. Ein weiterer Vorteil ist, daß damit eine landkartengetreue Darstellung
der Fahrzeugpositionen in der Zentrale möglich ist.
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Es sind bereits Realisierungsvorschläge für eine rechnergestützte
Ortung in Verbindung mit einer Koppelnavigation bekannt (DE-OS 23 01 054 und 23
41 162). Diese Vorschläge gehen jedoch alle von einer fortlaufenden Stützung der
Eoppelnavigation aus. Die Nachteile eines solchen Verfahrens sind die hohe Belastung
der Auswerteeinheit in der Zentrale und der Datenübertragung vom Fahrzeug zur Zentrale.
Beim vorliegenden Systemvorschlag soll eine rechnergesützte Ortung nur sporadisch,
je nach Bedarf, eingesetzt werden, um diese Nachteile zu vermeiden. Die Voraussetzung
hierfür wird durch die Systemkomponenten Koppelnavigation und Funkortung geschaffen,
weil damit der Ortungsfehler unabhängig vom zurückgelegten Weg wird. Dadurch ist
es möglich, ohne fortlaufendes Mitkoppeln zu einem beliebigen Zeitpunkt mit dem
Algorithmus der rechnergestützten Ortung zu beginnen.
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Die Auflösung der Interferenzkarten wird sinnvollerweise den Einsatzforderungen
angepaßt, in Abstimmung mit den übrigen Systemkomponenten.
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Je nach den Schwankungen der zeitabhängigen Ausbreitungsstörungen
ist es vorteilhaft, daß neben den Navigationsmeßdaten noch die zugehörigen Meßzeitpunkte
in den Fahrzeugen gespeichert bzw. zur Zentrale übermittelt werden.
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In einer Ausführung der Erfindung werden Meßdaten und Sollwerte einer
Filterung, z. fl. einer gleitenden Mittelwertbildung, unterzogen. Das hat beispielsweise
den Effekt, daß die in der Zentrale erforderliche Speicherkapazität abnimmt und
die Mehrdeutigkeit der Werte reduziert wird. Die Filterkonsnten ergeben sich dabei
aus den speziellen Einsatzbedingungen (Ausbreitungsverzerrungen, Genauigkeitsforderungen
usw.). Mit den gefilterten Werten erfolgt dann ebenfalls die Korrelation der Soll-
und Istmeßdaten.
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Im folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In diesem Beispiel werden die Sender der deutschen Decca-Kette benutzt, die auf
Frequenzen zwischen 70 und 130 kHz strahlen. Die zeitabhängigen Ausbreitungsstörungen
werden mit einer oder mehreren Monitorstationen gemessen und zur Zentrale übermittelt.
Damit werden dann die Fahrzeugmeßwerte korrigiert.
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Bei den bisherigen Versuchen mit Differential-Omega waren Einsatzgebiete
mit einem Radius ' 100 km um die Monitorstation abzudecken. Die wesentlichen Probleme
eines solchen Monitorbetriebes waren dabei: a) die Übertragung der Korrekturwerte
an die zufällig im Monitorgebiet operierenden Fahrzeuge b) die abnehmende Korrelation
zwischen Meß- und Korrekturwert mit zunehmender Entfernung vom Monitorort und
c)
systematische Fehler der Standliniengeometrie, die jedoch nur durch eine gerichtete
Abstrahlung des Korrekturwertes berücksichtigt werden können.
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Bei der Standortbestimmung von Landfahrzeugen wirken sich diese Probleme
nicht so stark aus, da: 1) das Einsatzgebiet bei einem Radius von 10 bis 30 km eng
begrenzt ist, 2) in diesem Gebiet mehrere Monitorstationen installiert werden können,
3) durch die Verarbeitung der Korrekturwerte in der Zentrale eine Ubertragung zu
den mobilen Teilnehmern entfällt und 4) die Standorte der Teilnehmer bekannt sind
und dadurch systematische Fehler der Standliniengeometrie in der Zentrale berücksichtigt
werden können.
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Weiter wird vom Einsatzgebiet eine "Phasenkarte" angelegt, mit der
zeitunabhängige örtliche Ausbreitungsstörungen (Bebauung, Topographie usw.) (bzw.
Phasendifferenzen oder Hyperbelstandlinien) als Sollwerte für spätere Messungen
erfaßt werden. Von der Genauigkeit, mit der die Sollwerte bestimmt werden, hängt
unter anderem auch die spätere Ortungsgenauigkeit ab. Zweckmäßigerweise wird die
Auflösung der Phasenkarte den Einsatzforderungen (z. B. Innenstadt hohe Genauigkeit,
Außenbezirke geringere Genauigkeit) angepaßt. Für die Ortung von Straßenfahrzeugen
kann die Erstellung der Phasenkarte in der Regel auf Straßenzüge beschränkt werden.
Gefilterte Phasensollwerte können zwischen vermessenen Straßenzügen mit einer Genauigkeitseinbuße
Je nach Sekundarstrahlung durch Interpolation bestimmt werden. Eine Ortung ist in
diesen Fällen ebenfalls nur mit gefilterten Meßwerten möglich.
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Die Positionsbestimmung erfolgt folgendermaßen: Der mobile Teilnehmer
(Fahrzeug) empfängt über eine einfache
Empfangseinrichtung zwei
oder mehr Sendestationen mit den Signalen f1 f2 ... f im Zeit- oder Frequenzmultiplex
und n bildet dann auf der Empfangsfrequenz und/oder durch Teilung, Vervielfachung
oder Mischung erzeugten weiteren möglichen Frequenzen die Phasendifferenz dieser
Signale f1 ..... f zueinander.
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Damit die Fahrzeuge jederzeit Daten für eine Linienmessung an die
Zentrale liefern können, werden die Meßdaten von aufeinanderfolgenden Ortspunkten
im Fahrzeug gespeichert.
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Über welche Weglänge s die Phasenwerte aus der Vergangenheit mitgeführt
werden müssen, hängt von den jeweiligen Randbedingungen eines Ortungssystems ab.
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Die gemessenen Phasenwinkel werden in äquidistanten Wegintervallen,
- Wegmessung erfolgt z. B. mit Tachowelle und Impulsgeber - über Funk zu einer zentralen
Auswertestation übertragen. Eventuell je nach Schwankung der Übertragungsverzögerung,
sind den Phasenmeßwerten noch die Meßzeitpunkte zuzuordnen.
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In der Zentrale werden die zeitlichen Schwankungen der Phasenwerte
mit Hilfe der Monitormeßwerte eliminiert. Daraufhin erfolgt für eine bestimmte Wegstrecke,
die je nach Gegebenheiten variieren kann, eine Korrelation der vom mobilen Teilnehmer
ermittelten Meßwerte x(9) mit den in der Zentrale vorliegenden Phasensollwerten
Y(s) (Phasenkarte). Mit dieser Korrelation werden die Phasenwerte den Positionskoordinaten
des Einsatzgebietes zugeordnet und damit eine Positionsbestimmung durchgeführt.
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Unter der Voraussetzung, daß die Positionsbestimmung in der Regel
nur auf Straßen erfolgt, genügt eine Standlinienschar (Phasendifferenz zweier Sender),
da der Schnitt von Straßenzug und Standlinie für eine Ortung ausgenützt wird. Trifft
diese Voraussetzung nicht zu, sind mindestens zwei Standlinienscharen erforderlich,
Eine
Soll-Istwertkorrelation kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen: mit den vom
mobilen Teilnehmer (in äquidistanten Wegabschnitten) gemessenen Phasenwerten x(s)
und den in der Zentrale vorliegenden Phasensollwerten y( ) wird die Kreuzkorrelationsfunktion
wxy gebildet:
Y(5) - Sollwert des Phasenverlaufs über dem Weg s X(5) = vom mobilen Teilnehmer
gemessener wegabhängiger Phasenverlauf As = Weginkrement Verschiebungsparameter
in Inkrementen A = As N = Normierungsfaktor k = Laufindex n = Anzahl der Ist- bzw.
Sollwerte für die Korrelation.
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Der Punkt, an dem (Pxy (<) den Maximalwert erreicht, entspricht
der augenblicklichen Fahrzeugposition.
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Bei ausreichender Signifikanz der Phasenverläufe ist eine genaue Positionsbestimmung
möglich. Die Signifikanz kann durch Vergrößern der Korrelationsstrecke s = k . As
erzwungen werden.
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Bei der Auswertung mehrerer Standlinienscharen kann die Korrelation
getrennt für jede Standlinienschar und/oder kombiniert als Standlinienschnitte erfolgen.
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Je nach Genauigkeitsanforderungen ist: a) nur eine grobe Ortung mit
niedriger Vergleichsfrequenz oder b) eine zusätzliche Ortung auf hoher Vergleichsfrequens
erforderlich.
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Die Fig. 1 zeigt Beispiele für Phasenverläufe in zwei Straßen der
Stadt Ulm. In der Abszisse sind Wegstrecken in Metern auf-0 getragen, in der Ordinate
Phasendifferenzen (1 = 360 ) zwischen der Strahlung jeweils eines Nebensenders ("rot"
bzw.
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"violett") und des Hauptsenders der deutschen Decca-Kette.
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Die Sedanstraße ist dicht bebaut, die Römerstraße geringer, was sich
in einer Annäherung an den ungestörten Phasenverlauf bemerkbar macht (der theoretische,
ungestörte Phasenverlauf ist durch Geraden angedeutet).
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Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild für die Einrichtung einer Zentrale.
Im gezeisten Fall ist eine Kombination der Systeme Funkortung - Koppelnavigation
- rechnergestützte Ortung vorgesehen.
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Überschlagsrechnungen haben ergeben, daß bei vorhandener Infrastruktur
für die Funkortung ein System mit Funkortung-Koppelnavigation billiger wäre als
ein System mit Baken-Koppelnavigation, selbst im ungünstigen Fall, daß für die Zentrale
ein eigener Prozessrechner anzuschaffen wäre.