DE102008024263B4 - Method for determining the quality of a GNSS navigation solution - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer GNSS Navigationslösung, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf einen GNSS Empfänger zwei konsekutive Positionslösungen Pt-1 und Pt zum Zeitpunkt t bzw. t – 1 bestimmt werden und daraus der Vektor Pt-1Pt gebildet wird, ferner der Geschwindigkeitsvektor v(t) des GNSS Empfängers bestimmt wird, weiter sowohl der vertikale Winkel αv als auch der horizontale Winkel αh zwischen den Vektoren Pt-1Pt und v(t) berechnet werden und schließlich als Maß für die Qualität der GNSS Navigationslösung ein Qualitätsindikator λQuality unter Verwendung des genannten vertikalen Winkels αv und des genannten horizontalen Winkels αh berechnet wird.Method for determining the quality of a GNSS navigation solution, characterized in that, with respect to a GNSS receiver, two consecutive position solutions Pt-1 and Pt are determined at time t and t-1, respectively, and the vector Pt-1Pt is formed therefrom, and the velocity vector v (t) of the GNSS receiver, further calculating both the vertical angle αv and the horizontal angle αh between the vectors Pt-1Pt and v (t), and finally using as a measure of the quality of the GNSS navigation solution a quality indicator λQuality of said vertical angle αv and said horizontal angle αh.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer GNSS Navigationslösung.The invention relates to a method for determining the quality of a GNSS navigation solution.
Seit Menschengedenken existiert die Herausforderung der räumlichen Orientierung und der reproduzierbaren Beschreibung von Orten und Wegen. Was früher durch die Navigation mithilfe von Gestirnen gelöst wurde, kann heute durch moderne Satellitennavigationssysteme, sogenannte Global Navigation Satellite Systems, kurz GNSS, unkompliziert für jedermann ermöglicht werden: An jedem Ort der Welt mit freier Sicht zum Himmel, zu jeder Zeit und bei jeder Witterung kann die eigene Position mit einer Genauigkeit von wenigen Meter bestimmt werden, und die benötigte Ausstattung ist nahezu für jedermann erschwinglich.From time immemorial, the challenge of spatial orientation and the reproducible description of places and paths exists. What was once solved by navigating with the help of stars can now be made easy for anyone with modern satellite navigation systems, so-called Global Navigation Satellite Systems, GNSS for short: Anywhere in the world with a clear view of the sky, at any time and in any weather the own position can be determined with a precision of few meters, and the required equipment is almost affordable for everyone.
Navigation per GNSS ist in den letzten Jahren alltäglich geworden. Kaum ein Automobil der Mittelklasse, das ohne Navigationseinheit vertrieben wird. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Anbieter für mobile Navigationsgeräte. Gleichzeitig gibt es verschiedene Ansätze, die Nutzung der GNSS-Daten über den ursprünglichen Gedanken der reinen Positionsbestimmung hinaus auszudehnen. Schon heute werden GNSS-Daten auch zu anderen Zwecken als zur reinen Positionsbestimmung benutzt, so z. B. zur Berechnung der Maut auf deutschen Autobahnen. Angedacht ist auch die Nutzung für die Berechnung von City-Maut oder – vor dem Hintergrund der aktuellen Treibhausgas-Diskussion – von CO2-Emissionsabgaben auf Basis des Fahrverhaltens. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist es, Beiträge für KFZ-Versicherungen nach dem Fahrverhalten zu bemessen (pay-as-you-drive/PAYD) wie es im Auftrag der norwegischen Regierung 2004 in einem Experiment untersucht wurde und von einer Versicherung in UK bereits als Produkt angeboten wird. Bei diesen Beispielen geht es also weniger um Positionsbestimmung als um die Messung von zurückgelegter Distanz und Erkennung der Dynamik sowohl auf Autobahnen als auch in Stadtgebieten.Navigation via GNSS has become commonplace in recent years. There is hardly a middle-class automobile that is sold without a navigation unit. In addition, there are numerous providers of mobile navigation devices. At the same time, there are various approaches to extend the use of GNSS data beyond the original idea of pure positioning. Even today, GNSS data are also used for purposes other than mere positioning, such. B. to calculate the toll on German highways. The use for the calculation of city toll or - against the background of the current discussion of the greenhouse gas - of CO 2 emissions levies on the basis of driving behavior is also planned. Another area of application is to assess contributions to car insurance based on driving behavior (pay-as-you-drive / PAYD), as investigated on behalf of the Norwegian government in 2004 in an experiment and already offered by insurance in the UK as a product becomes. These examples are less about determining the position than measuring the distance covered and dynamics on both motorways and urban areas.
Diese neuen Anwendungsgebiete stellen hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Verlässlichkeit der GNSS-Daten und der darauf basierenden Analysen. Gleichzeitig gesellen sich im Bereich der Stadtfahrten, wie sie bei Anwendungen wie der Erhebung von City-Maut oder Abgas-Abgaben auftreten würden, besondere Herausforderungen durch z. B. enge Straßenschluchten hinzu, die die Distanzmessung und Positionsbestimmung mithilfe von GNSS-Empfängern durch Reflexion und Abschattung der Satellitensignale stark einschränken. Eine weitere Schwierigkeit stellt die Bemessung der Qualität einer GNSS Navigationslösung ohne zusätzliche Sensorik dar, d. h. scheinbar schlechte Navigationslösungen können gute Genauigkeiten aufweisen und umgekehrt. Aufgrund von Kosten versucht man, die Positionsbestimmung und auch die Qualitätsanalyse mit GNSS only Daten durchzuführen. Problematisch bei GNSS only Verfahren ist aber die hohe sich rasch ändernde Korrelation der Satellitensignale, wodurch realistische Qualitätsangaben nur sehr schwer in wenigen Fällen möglich sind. Des Weiteren unterliegt das Messverfahren zur Geschwindigkeits- und Positionsbestimmung systematischen Fehlern, die das Messergebnis mit einem Fehler behalten. Diese Fehler sind abhängig von lokalen Umgebungsparametern des GNSS-Empfängers wie z. B. Anzahl sichtbarer Satelliten, Refexionen der Satellitensignale usw. In Situationen mit schlechten, die Genauigkeit der GNSS Navigationslösung negativ beeinflussenden Umgebungsparametern kommt es vermehrt zu Sprüngen und Drifts der berechneten Positionen zur wahren Position. Jedes nachverarbeitende Verfahren, das eine Maximaldistanz zur realen Position zulässt, wird von solchen Positionsfehlern (Sprüngen und Drifts der Position) potentiell negativ beeinflusst. Ziel ist es, den Positionsfehler zu verringern.These new application areas place high demands on the accuracy and reliability of GNSS data and the analyzes based on it. At the same time, there are particular challenges in the area of city driving, such as those that would occur in applications such as the collection of city tolls or emissions taxes. For example, there are narrow street canyons that severely limit distance measurement and positioning using GNSS receivers through reflection and shadowing of satellite signals. Another difficulty is the assessment of the quality of a GNSS navigation solution without additional sensors, ie. H. seemingly poor navigation solutions can have good accuracies and vice versa. Due to costs one tries to carry out the position determination and also the quality analysis with GNSS only data. The problem with GNSS only methods, however, is the high, rapidly changing correlation of the satellite signals, which makes realistic quality information very difficult in a few cases. Furthermore, the measurement method for speed and position determination is subject to systematic errors that keep the measurement result with a fault. These errors depend on local environment parameters of the GNSS receiver, such as: For example, the number of visible satellites, reflections from the satellite signals, etc. In situations with poor environmental parameters that adversely affect the accuracy of the GNSS navigation solution, there will be an increasing number of jumps and drifts in the calculated positions to the true position. Any postprocessing procedure which allows a maximum distance to the real position is potentially adversely affected by such positional errors (jumps and drifts of the position). The goal is to reduce the position error.
Jeder GNSS Empfänger führt zur Berechnung einer Navigationslösung zwei unterschiedliche Messungen durch, die
- – Laufzeitmessung der Satellitensignale vom Satelliten zum Empfänger (notwendig zur Positionsbestimmung)
- – Exakte Frequenzmessung (Dopplerverschiebung zur nominalen Satellitensignalfrequenz) des eintreffenden Satellitensignals (notwendig zur Extraktion der Daten aus dem Signal). Aus dieser Messung kann die Geschwindigkeit und Orientierung des GNSS Empfängers berechnet werden.
- - transit time measurement of the satellite signals from the satellite to the receiver (necessary for position determination)
- - Exact frequency measurement (Doppler shift to the nominal satellite signal frequency) of the incoming satellite signal (necessary to extract the data from the signal). From this measurement, the speed and orientation of the GNSS receiver can be calculated.
Wie theoretische Studien aber auch praktische Untersuchungen zeigen, unterliegen Laufzeitmessung und Frequenzmessung unterschiedlichen systematischen Fehlern und lokalen Einflüssen, d. h. beide Messgrößen und damit auch Ihre Ergebnisse Position/Orientierung und Geschwindigkeit sind zu großen Teilen unkorreliert. Dadurch ist es möglich, die jeweiligen Einzelmessungen über die jeweils andere Messung zu validieren, aber auch Aussagen über Navigationslösung aus beiden Messarten zu kombinieren.As theoretical studies but also practical investigations show, transit time measurement and frequency measurement are subject to different systematic errors and local influences. H. both measured quantities and thus also your results position / orientation and speed are largely uncorrelated. This makes it possible to validate the respective individual measurements on the other measurement, but also to combine statements about navigation solution from both types of measurement.
Da GNSS Navigationslösungen die Basis für die Lösung weiterer technischer Aufgabenstellungen bilden (vgl. z. B. die am selben Tag parallel eingereichte
Aus den Druckschriften
Die am 19. März 2008 eingereichte und am 5. November 2009 als
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer GNSS Navigationslösung bzw. ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines von einem Navigationsmodul ermittelten, Navigationsdaten enthaltenden Datensatzes bereitzustellen. Außerdem soll eine Verwendung dieser Verfahren angegeben werden.The object of the invention is to provide a further method for determining the quality of a GNSS navigation solution or a further method for determining the quality of a data set containing navigation data determined by a navigation module. In addition, a use of these methods should be specified.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein Verfahren nach Anspruch 10 und durch eine Verwendung nach Anspruch 25.According to the invention, this object is achieved by a method according to
Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 9 und 22 bis 24.Advantageous and preferred developments of the method according to the invention according to
Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 10 sind Gegenstand der Ansprüche 11 bis 24.Advantageous and preferred developments of the method according to the invention according to claim 10 are subject matter of claims 11 to 24.
Zu der in Anspruch 25 angegebenen erfindungsgemäßen Verwendung wird ausdrücklich hingewiesen auf die von derselben Anmelderin am selben Tag parallel eingereichte Deutsche Patentanmeldung
Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:Advantageous and preferred embodiments of the method according to the invention are explained below with reference to figures. It shows:
Gegeben ist eine Sequenz von zwei konsekutiven GNSS Navigationslösungen (Position, Orientierung und Geschwindigkeit), die auf übliche Weise aus Meßergebnissen berechnet wurden.Given is a sequence of two consecutive GNSS navigation solutions (position, orientation and velocity) calculated in the usual way from measurement results.
Die dem erfindungsgemäßen Verfahren im nachfolgend beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiel zugrundeliegende Idee besteht darin, die berechnete Bewegungsrichtung aus zwei konsekutiven Positionslösungen Pt-1 und Pt zum Zeitpunkt t bzw. t – 1, mit der berechneten Orientierung und Geschwindigkeit vt aus der Dopplermessung (Frequenzmessung) zu vergleichen. Verglichen wird die Bewegungsrichtung und geschieht über den Winkel zwischen den Vektoren v(t) und Pt-1Pt (vgl.
Der Vektor v(t) berechnet sich über die Geschwindigkeitswerte in x, y, und z-Richtung: wobei Δt dem Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t und t – 1 in Sekunden entspricht. Alternativ kann der Geschwindigkeitswert für „Geschwindigkeit über Grund” verwendet werden. In diesem Fall liegt der Vektor v(t) planar in der Ebene (Erdoberfläche) und hat keine Höhenkomponente.The vector v (t) is calculated using the velocity values in x, y, and z direction: where Δt corresponds to the time interval between times t and t-1 in seconds. Alternatively, the speed over ground speed value can be used. In this case, the vector v (t) lies planar in the plane (earth surface) and has no height component.
Der Vektor Pt-1Pt ist der Vektor von der Positionslösung Pt-1 zur Positionslösung Pt. Schematisch sind die Vektoren und der eingeschlossene Winkel in
Der Eingeschlossene Winkel α zwischen zwei Vektoren v(t) und Pt-1Pt lässt sich über das Skalarprodukt berechnen: The included angle α between two vectors v (t) and P t-1 P t can be calculated via the scalar product:
Für den Qualitätsindikator werden der horizontale Winkel αh und der vertikale Winkel αv unterschieden (vgl.
Der Indikator für die vorliegende Dynamik und somit die Güte der Navigationslösung wird in Abhängigkeit von der Größe des eingeschlossenen Winkels zwischen den Vektoren der Positionsfolge (aus zwei zeitlich folgenden Positionen) und dem Geschwindigkeitsvektor (aus Geschwindigkeitsbetrag und Orientierung) definiert.The indicator for the present dynamics and thus the quality of the navigation solution is defined as a function of the size of the included angle between the vectors of the position sequence (from two temporally following positions) and the velocity vector (from speed amount and orientation).
Betrachtet wird der eingeschlossene Winkel zwischen den beiden Vektoren, d. h. bei Winkeln α größer 180° wird als Winkel α = 360° – α angenommen.Consider the included angle between the two vectors, i. H. at angles α greater than 180 ° is assumed as angle α = 360 ° - α.
Bei Stillstand streut der Winkel α beliebig (< 180°), bei bewegten Empfängern ist der Winkel α bei guter GNSS Navigationslösung kleiner als bei einer schlechten GNSS Navigationslösung. Im Idealfall ist der Winkel α = 0°, schlimmstenfalls α = 180°. Die möglichen Werte für 0° < α < 180° gehen als Parameter in die Qualitätsbestimmung ein.At standstill, the angle α spreads arbitrarily (<180 °), with moving receivers, the angle α is smaller with good GNSS navigation solution than with a poor GNSS navigation solution. Ideally, the angle α = 0 °, worst case α = 180 °. The possible values for 0 ° <α <180 ° are used as parameters in the quality determination.
Für den Qualitätsindikator werden der horizontale Winkel αh und der vertikale Winkel αv unterschieden. Die möglichen Werte für 0° < αh, αv < 180° gehen als Parameter in die Qualitätsbestimmung ein. Da der Geschwindigkeitsvektor in der Horizontalen liegt, entspricht αv dem Winkel zwischen der Horizontalen und dem Verbindungsvektor aus zwei konsekutiven Positionen. Für αv wird überprüft, ob der Winkel einen Schwellwert αth überschreitet und das Ergebnis ebenfalls im Qualitätsindikator berücksichtigt.For the quality indicator, the horizontal angle α h and the vertical angle α v are distinguished. The possible values for 0 ° <α h , α v <180 ° are used as parameters in the quality determination. Since the velocity vector is horizontal, α v corresponds to the angle between the horizontal and the connection vector from two consecutive positions. For α v it is checked whether the angle exceeds a threshold value α th and also takes the result into account in the quality indicator.
Der Qualitätsindikator einer GNSS Navigationslösung kann folgendermaßen berechnet werden: mit:
ωαh = Gewichtung für αh,
ωαv = Gewichtung für αv,
ωαh + ωαv = 1,
αth = Schwellwert für αv The quality indicator of a GNSS navigation solution can be calculated as follows: With:
ω αh = weighting for α h ,
ω αv = weighting for α v ,
ω αh + ω αv = 1,
α th = threshold for α v
Je größer der Wert λ, desto besser die Qualität der GNSS-Positionslösung. Optional kann auch ein Schwellwert λThresh für λ verwendet werden, welcher die Grenze zwischen guter und schlechter GNSS-Positionslösung festlegt.The larger the value λ, the better the quality of the GNSS position solution. Optionally, a threshold λ Thresh can be used for λ, which defines the boundary between good and bad GNSS position solution.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann z. B. gesetzt werden:
Ein Beispiel für eine qualitativ schlechtere GNSS Positionslösung ist dann z. B. Gemessene Werte für αh und αv:
Ein Beispiel für eine qualitativ bessere GNSS Positionslösung wäre dann z. B. Gemessene Werte für αh und αv:
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Brown, Robert G., Hwang, Patrick Y.C.: Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering. 3. Aufl., John Wiley & Sons Inc., 1997, S. 214-220 und 437-441 - ISBN: 0-471-12839-2 * |
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