DE102009024930A1

DE102009024930A1 - Standortbestimmungshöhenmesser und Verfahren

Info

Publication number: DE102009024930A1
Application number: DE102009024930A
Authority: DE
Inventors: Peter Van Sunnyvale Wyck Loomis
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2029-06-06
Also published as: US7856336B2; CN101603825A; DE102009024930B4; CN101603825B; KR20090129329A; KR101138815B1; US20090312975A1

Abstract

Ein Höhenkoppelnavigationssystem unter Verwendung eines Geschwindigkeitsmessers und eines Vorwärtsbeschleunigungsmessers zum Messen von Höhenänderungen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Koppelnavigationssysteme und insbesondere eine Koppelnavigationshöhenmesservorrichtung, die einen Geschwindigkeitsmesser und einen Vorwärtsbeschleunigungsmesser zum Messen von Höhenänderungen verwendet. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch insbesondere eine Neigungsmesservorrichtung, die einen Geschwindigkeitsmesser und einen Vorwärtsbeschleunigungsmesser zum Messen des Neigungswinkels verwendet.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Koppelnavigation (DR) ist das Verfahren des Schätzens der eigenen gegenwärtigen Position auf der Grundlage einer vorher bestimmten Position und des Vorrückens jener Position auf der Grundlage der gemessenen Geschwindigkeit, Richtung und/oder Beschleunigung. Die DR beginnt mit einer anfänglichen bekannten Position, oder Standort. Der Standort ist unter Verwendung der Entfernungsmessung, der Dreiecknavigation oder des Kartenabgleiches bestimmbar. Es ist üblich, Funksignale für die Entfernungsmessung aus dem Global Navigation Satellite System (GNSS) zur Feststellung eines anfänglichen Standortes, von dem aus mit der Koppelnavigation begonnen wird, zu verwenden.
Die Koppelnavigationsgeschwindigkeit ist mittels vieler Verfahren messbar. Bevor es eine moderne Instrumentenausrüstung gab, wurde die DR-Geschwindigkeit an Bord eines Schiffes bestimmt, indem ein hölzerner Schwimmer, Log genannt, über Bord geworfen wurde und die Knoten auf einer an dem Schwimmer festgebundenen Schnur, die in einer mittels Sanduhr gemessenen Zeit während der Vorwärtsbewegung des Schiffes durch das Wasser durch die Hand eines Seemannes gingen, gezählt wurden. Modernere Schiffe verwenden die Maschinendrehzahl, automatische Logs zur Messung der Wassergeschwindigkeit oder ein nach unten gerichtetes Dopplersonar. Straßenfahrzeuge messen die Geschwindigkeit typischerweise durch Messen der Umdrehungsgeschwindigkeiten ihrer Räder. Straßenfahrzeuge können zur Geschwindigkeitsmessung auch die Motordrehzahl und ein Dopplersonar oder -radar verwenden. Die Horizontalrichtung ist mit einem Magnet- oder Erdinduktionskompass messbar. Die Koppelnavigationsrichtung ist auch durch Integrieren der durch einen Drehratensensor abgefühlten Änderungsrate von Winkeln bestimmbar. Ein Drehratensensor wird manchmal als Kreiselkompass bezeichnet. Trägheitssysteme, die direktionale lineare Beschleunigungen integrieren, sind für die Koppelnavigation, speziell für Luftfahrzeuge, verwendbar.
Trotz zunehmender Zweckdienlichkeit und Genauigkeit des Global Navigation Satellite System (GNSS) besteht nach wie vor die Notwendigkeit der Koppelnavigation in Fällen, in denen kontinuierliche GNSS-Standorte nicht erlangbar oder verrauscht sind. Ferner neigt die Positionierung durch das Global Navigation Satellite System dazu, bei der Höhe und vertikalen Steuerkurswinkeln weniger genau und verrauschter zu sein als bei horizontalen Positionen und horizontalen Steuerkurswinkeln.
Diese Schrift betrifft im Allgemeinen ein Höhenkoppelnavigationssystem, das einen Geschwindigkeitsmesser und einen Vorwärtsbeschleunigungsmesser zum Messen von Höhenänderungen verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Höhenänderungen durch Messen der Vorwärtsbewegung. Die vorliegende Offenbarung beschreibt auch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Neigungswinkels durch Messen der Vorwärtsbewegung.
Eine Ausführungsform ist ein Koppelnavigationshöhenmesser mit einem Geschwindigkeitsmesser zum Bestimmen der Vorwärtsgeschwindigkeit, einem Beschleunigungsmesser zum Messen der Vorwärtsbeschleunigung und einem DR-Rechner zum Berechnen einer Höhenänderung auf der Grundlage der Geschwindigkeit und der gemessenen Beschleunigung. Der Höhenmesser kann auch einen Giergeschwindigkeitssensor zum Messen der Gierwinkelgeschwindigkeit und einen Gierkompensator zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit einschließen, wobei der DR-Rechner so konfiguriert ist, dass er die kompensierte Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung verwendet.
Eine andere Ausführungsform ist ein Verfahren zur Koppelnavigationshöhe, umfassend das Bestimmen der Vorwärtsgeschwindigkeit, das Messen der Vorwärtsbeschleunigung und das Berechnen einer Höhenänderung auf der Grundlage der Geschwindigkeit und der gemessenen Beschleunigung. Das Verfahren kann auch das Messen der Gierwinkelgeschwindigkeit, das Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit und das Verwenden der kompensierten Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung einschließen.
Eine andere Ausführungsform ist ein Neigungsmesser mit einem Geschwindigkeitsmesser zum Bestimmen der Vorwärtsgeschwindigkeit, einem Beschleunigungsmesser zum Messen der Vorwärtsbeschleunigung und einem Neigungswinkelrechner zum Berechnen eines Neigungswinkels auf der Grundlage der Rate der Änderung der Geschwindigkeit und der gemes senen Beschleunigung. Der Neigungsmesser kann auch einen Giergeschwindigkeitssensor zum Messen der Gierwinkelgeschwindigkeit und einen Gierkompensator, der so konfiguriert ist, dass er die Gierwinkelgeschwindigkeit zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung verwendet, einschließen, wobei der Neigungswinkelrechner so konfiguriert ist, dass er die kompensierte Beschleunigung zusammen mit der Rate der Änderung der Geschwindigkeit für die Berechnung des Neigungswinkels verwendet.
Eine andere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Bestimmen des Neigungswinkels, umfassend das Bestimmen der Vorwärtsgeschwindigkeit, das Messen der Vorwärtsbeschleunigung und das Berechnen eines Neigungswinkels auf der Grundlage der gemessenen Beschleunigung und einer Rate der Änderung der Geschwindigkeit. Das Verfahren kann auch das Messen der Gierwinkelgeschwindigkeit, das Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit und das Verwenden der kompensierten Beschleunigung zusammen mit der Rate der Änderung der Geschwindigkeit für die Berechnung des Neigungswinkels einschließen.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage einer Vorwärtsgeschwindigkeit und einer Vorwärtsbeschleunigung eine Höhenänderung bestimmt.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage einer Rate der Änderung der Vorwärtsgeschwindigkeit und einer Vorwärtsbeschleunigung ein Neigungswinkel bestimmt.
In einer Ausführungsform wird der Einfluss einer Gierwinkelgeschwindigkeit auf eine gemessene Beschleunigung kompensiert.
In einer Ausführungsform wird der Einfluss einer Gierwinkelgeschwindigkeit auf eine gemessene Beschleunigung gemäß einer Linearpositionsversetzung kompensiert.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage von Rückkehrbewegungen zur Startposition in Schleifen mit entgegengesetzten Richtungen eine Linearpositionsversetzung bestimmt.
In einer Ausführungsform wird der Einfluss einer Gierwinkelgeschwindigkeit auf eine gemessene Beschleunigung gemäß einem Gierausrichtwinkel kompensiert.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage von Rückkehrbewegungen zur Startposition in Schleifen mit entgegengesetzten Richtungen ein Gierausrichtwinkel bestimmt.
In einer Ausführungsform wird der Einfluss eines Beschleunigungsmesser-Bias auf eine gemessene Beschleunigung kompensiert.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage von Rückkehrbewegungen zur Startposition mit entgegengesetzten Richtungen ein Installations-Beschleunigungsmesser-Bias bestimmt.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage eines letzten Neigungswinkels ein Neustart-Beschleunigungsmesser-Bias bestimmt.
In einer Ausführungsform wird auf der Grundlage von Differenzen zwischen externen Höhenpositionen und durch Koppelnavigation bestimmten Höhen ein aktualisierter Beschleunigungsmesser-Bias kalibriert.
Diese und andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten nach dem Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibungen und Betrachten der verschiedenen Zeichnungen zweifellos klar werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Fahrzeug, das einen Koppelnavigationshöhenmesser und einen Neigungsmesser trägt;
1A veranschaulicht einen Gierausrichtwinkel für einen Beschleunigungsmesser des Koppelnavigationshöhenmessers und des Neigungsmessers von 1;
2 ist ein Blockdiagramm des Koppelnavigationshöhenmessers und des Neigungsmessers von 1;
3 ist ein Blockdiagramm eines Beschleunigungskompensators des Koppelnavigationshöhenmessers und des Neigungsmessers von 1;
4 ist ein Blockdiagramm des Koppelnavigationshöhenmessers und des Neigungsmessers von 1 mit einem Kalmanfilter zur Erhöhung der Genauigkeiten von dreidimensionalen Positionen, Geschwindigkeiten und Steuerkursen;
5 veranschaulicht eine Beschleunigungsmesserpositionsversetzung und einen Gierausrichtwinkel für den Koppelnavigationshöhenmesser und den Neigungsmesser von 1;
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Höhenänderung und des Neigungswinkels und der/des Koppelnavigationsposition, -geschwindigkeit und -steuerkurses;
7A ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Beschleunigungsmesser-Bias-Kalibrierung für einen Neustart;
7B ist ein Ablaufdiagramm eines Rückkehr-zur-Position-Verfahrens zur Bestimmung einer Beschleunigungsmesser-Bias-Kalibrierung;
7C ist ein Fahrzeugbewegungsdiagramm, wobei zur Bestimmung einer Beschleunigungsmesser-Bias-Kalibrierung für den Koppelnavigationshöhenmesser und den Neigungsmesser von 1 eine Gegenlaufschleife verwendet wird;
8 ist ein Ablaufdiagramm eines Rückkehr-zur-Position-Anfangsinstallationsverfahrens zur Bestimmung eines Beschleunigungsmesser-Bias, einer Linearpositionsversetzung und eines Gierausrichtwinkels für den Koppelnavigationshöhenmesser und den Neigungsmesser von 1 und das Verfahren von 6; und
9A und 9B veranschaulichen Stockwerke eines Parkhauses und Auf- bzw. Abfahrtsrampen von Hauptverkehrsstraßen, wo der Koppelnavigationshöhenmesser und/oder der Neigungsmesser von 1 vorteilhaft verwendet wird/werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun werden die Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen und der besten Art und Weise der Ausführung der Gedanken der Erfindung dargestellt. Es versteht sich, dass es nicht notwendig ist, sämtliche Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsformen zu verwenden, um den Erfindungsgedanken auszuführen.
1 zeigt eine Koppelnavigationshöhenmesservorrichtung (DR-Höhenmesservorrichtung) und eine Neigungsmesservorrichtung, die mit den Bezugszeichen 10 bzw. 12 bezeichnet sind. Die Vorrichtung 10, 12 soll in einem Fahrzeug 14 transportiert werden, wobei das Fahrzeug 14 eine Vorwärtsbewegungsrichtung 16 mit einem unbekannten Neigungswinkel θ zur Horizontalebene 18 hat. Das Fahrzeug 14 kann ein Automobil, Lastkraftwagen, Zug, Straßenbahnwagen oder dergleichen mit auf dem Boden 25 befindlichen Hinterrädern 22 und Vorderrädern 23 sein.
Die Vorrichtung 10, 12 schließt einen Geschwindigkeitsmesser 32 und einen Vorwärtslinearbeschleunigungsmesser 34 ein. Das Fahrzeug 14 hat eine Wenderadiuslinie R (5), die senkrecht zu dem Fahrzeug 14 durch einen Wendemittelpunkt 92 (5) des Fahrzeuges 14 verläuft. Bei einem Fahrzeug 14, das mit den Vorderrädern 23 wendet, verläuft die Wenderadiuslinie R ungefähr durch die Achse der Hinterräder 22. Der Beschleunigungsmesser 34 hat eine Installations-Linearpositionsversetzung L bezüglich der Wenderadiuslinie R. Die Linearpositionsversetzung L ist in der Vorwärtsrichtung 16 dargestellt.
Die DR-Höhenmesservorrichtung 10 schließt einen DR-Höhenrechner 40 (2) ein. Die Neigungsmesservorrichtung 12 schließt einen Neigungswinkelrechner 42 (2) ein. Der Geschwindigkeitsmesser 32 kann ein Geschwindigkeitsmessinstrument oder ein Entfernungsmessinstrument unter Einschluss einer Rechenvorrichtung zum Berechnen einer Vorwärtsgeschwindigkeit v(t) auf der Grundlage der gemessenen Entfernung über einen bekannten Zeitraum sein. Der Geschwindigkeitsmesser 32 kann ein Tachometer oder Wegstrecken zähler zum Messen der Entfernung und anschließenden Berechnen der Geschwindigkeit v(t) in der Vorwärtsrichtung 16 auf der Grundlage des Zählens der Umdrehungen der Hinter- oder Vorderräder 22, 23 über einen bestimmten Zeitraum sein. Der Geschwindigkeitsmesser 32 kann aber auch die Vorwärtsgeschwindigkeit v(t) des Fahrzeuges 14 mit einem Dopplerradar oder -sonar oder optischen Messungen auf der Grundlage von Signalen, die vom Boden 25 reflektiert werden, messen. Ein Flugzeug kann zum Beispiel die Vorrichtung 10, 12, bei der der Geschwindigkeitsmesser 32 die Geschwindigkeit v(t) auf Doppler-Grundlage berechnet, verwenden. Der Beschleunigungsmesser 34 kann eine einachsige Vorrichtung sein, die zum Messen der Beschleunigung α_m(t) in der Vorwärtsrichtung 16 montiert ist, oder eine Zweivon-drei-Achsen-Vorrichtung, die die Beschleunigung α_m(t) in der Vorwärtsrichtung 16 unter Verwendung einer linearen Kombination aus Zwei- oder Dreiachsen-Linearbeschleunigungsmessungen misst.
1A zeigt eine Montage des Beschleunigungsmessers 34 mit einer Messrichtung 46 mit einem Gierausrichtwinkel γ bezüglich der Vorwärtsrichtung 16 des Fahrzeuges 14. In einem einfachen Fall entspricht die Messrichtung 46 der Vorwärtsrichtung 16. Der Sensor für den Beschleunigungsmesser 34 kann jedoch so montiert sein, dass die Messrichtung 46 von der Vorwärtsrichtung 16 in der Horizontalebene um den Gierausrichtwinkel γ abweicht.
2 ist ein Blockdiagramm der Koppelnavigationshöhenvorrichtung 10 und der Neigungsmesservorrichtung 12 mit dem DR-Höhenrechner 40 und dem Neigungswinkelrechner 42. Die Vorrichtung 10, 12 schließt einen Beschleunigungskompensator 50 und einen Giergeschwindigkeitssensor 52 ein. Der Giergeschwindigkeitssensor 52 misst eine Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t). Zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung α_c(t) kompensiert der Beschleunigungskompensator 50 den Einfluss der Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) und eines Beschleunigungsmesser-Bias β auf die gemessene Beschleunigung α_m(t).
Der DR-Höhenrechner 40 verwendet die Vorwärtsgeschwindigkeit v(t) und die kompensierte Vorwärtsbeschleunigung α_c(t) zum Berechnen einer Höhenänderung ΔH. Der Neigungswin kelrechner 42 schließt einen Geschwindigkeitsratenrechner 55 ein, der die Geschwindigkeit v(t) zum Bestimmen einer Rate der Änderung der Geschwindigkeit Δv/Δt gegen die Zeit verwendet, und verwendet dann die Geschwindigkeitsrate Δv/Δt zusammen mit der kompensierten Vorwärtsbeschleunigung α_c(t) für die Berechnung des Neigungswinkels θ.
3 ist ein Blockschaltbild-Beschleunigungskompensator 50. Der Beschleunigungskompensator 50 schließt einen Gierkompensator 62 ein, der einen Gierabstandskompensator 64 und einen Gierausrichtkompensator 66 einschließt. Der Gierabstandskompensator 64 verwendet die gemessene Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) und die Versetzung L, um einen Positionsversetzungsbeschleunigungsmessfehler zu berechnen, der auftritt, wenn sich das Fahrzeug 14 dreht (giert), und kompensiert den Einfluss dieses Fehlers auf die gemessene Beschleunigung α_m(t). Der Positionsversetzungsfehler wird gemäß ω²(t) × L berechnet. Der Gierausrichtkompensator 66 verwendet die gemessene Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t), die Geschwindigkeit v(t) und den Gierausrichtwinkel γ, um einen Gierausrichtwinkelbeschleunigungsmessfehler zu berechnen, der auftritt, wenn sich das Fahrzeug 14 dreht (giert), und kompensiert den Einfluss dieses Fehlers auf die gemessene Beschleunigung α_m(t). Der Gierausrichtwinkelfehler wird gemäß ω(t) × v(t) × γ berechnet.
Der Beschleunigungskompensator 50 schließt auch einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor 72, einen Neustart-Bias-Detektor 74 und einen Beschleunigungsmesser-Bias-Kompensator 76 ein.
Der Kompensationsdetektor 72 verfolgt Höhenänderungen ΔH's zwischen Auslösern und bestimmt, dass ein Installations-Beschleunigungsmesser-Bias β₁ für die Summe der Höhenänderungen ΔH's zwischen den Auslösern gleich Null ist oder für eine Rückkehrhöhe H_R gleich einer Starthöhe H₁ ist. Um die Wirkung des Parkpositionsneigungswinkels zu beseitigen, kann das Fahrzeug 14 zur Bestimmung der Höhen H_R und H₁ in entgegengesetzten Richtungen geparkt werden. Es wird der Beschleunigungsmesser-Bias β₁ bestimmt, der in den Nullsummenhöhenänderungen ΔH's resultiert. Der Auslöser kann automatisch sein (vor zugsweise nach einer manuellen Freigabe), wenn die Vorrichtung 10, 12 abfühlt, dass die horizontale Position wieder eingenommen wurde, oder manuell, wenn ein Bediener weiß, dass er zur selben Position zurückgekehrt ist. Um die Kombination aus dem Beschleunigungsmesser-Bias β₁, der Linearpositionsversetzung L und dem Gierausrichtwinkel γ zu bestimmen, wird das Fahrzeug 14 in einer Schleife (mindestens einmal in einer Schleife im Uhrzeigersinn und mindestens einmal in einer Schleife gegen den Uhrzeigersinn) zur Startposition zurückgefahren. Diese Operationen sind in den Ablaufdiagrammen von 8 und 7B und 7C veranschaulicht und in den beigefügten ausführlichen Beschreibungen beschrieben.
Der Neustart-Bias-Detektor 74 geht von den beiden Gedanken aus, dass die Geschwindigkeit v(t) zu Beginn der Bewegung des Fahrzeuges 14 noch sehr nahe bei Null liegt und der Neigungswinkel θ zu Beginn der Bewegung fast dem letzten Neigungswinkel θ_L, der vorlag, als das Fahrzeug 14 vor dem Stopp zuletzt in Bewegung war, entspricht. Demgemäß wird ein Neustart-Beschleunigungsmesser-Bias β₀ mit einer Gleichung 1 geschätzt. In der Gleichung 1 wird die Beschleunigung α vorzugsweise nach der Beschleunigungskompensation für die Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) genommen; g steht für die gleichförmige Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft. β0 = α – g sinθL 1)
Der Beschleunigungsmesser-Bias β kann sich rasch ändern, wenn die Vorrichtung 10, 12 warmläuft, nachdem sie in einem stromlosen Zustand war. Es kann zu einer langen Warmlaufphase kommen, bevor der Beschleunigungsmesser-Bias β stabil genug ist, um genau kalibriert zu werden. Dieses Problem kann gemäß der Gleichung 1 entschärft werden, indem der Neustart-Beschleunigungsmesser-Bias β₀ bestimmt wird unter der Voraussetzung, dass sich der Neigungswinkel θ_L unmittelbar zu Beginn der Bewegung gegenüber dem Neigungswinkel θ_L der zuletzt für die letzte Bewegung vor dem Stopp berechnet wurde, nicht geändert hat, und unter der Voraussetzung, dass die Geschwindigkeit v(t) unmittelbar zu Beginn der Bewegung Null beträgt.
Der Beschleunigungsmesser-Bias-Kompensator 76 verwendet den Installations-Bias β₁ und/oder den Neustart-Bias β₀ und/oder den Bias β, der durch Vergleiche mit externen Navigationsinformationen bestimmt wurde, für die Kompensation der gemessenen Beschleunigung α_m(t). Ein Kalmanfilter 80 (4) kann als Teil des Beschleunigungsmesser-Bias-Kompensators 76 eingeschlossen sein, um den Bias β kontinuierlich besser zu schätzen. Der Bias-Kompensator 76 kann einen Bias-Schalter einschließen, um zwischen dem Installations-Beschleunigungsmesser-Bias β₁, dem Neustart-Beschleunigungsmesser-Bias β₀ und dem neuen kalibrierten Beschleunigungsmesser-Bias β umzuschalten, wenn das Kalmanfilter neue Kalibrierungen erlangt.
Ein kleiner Vertikalversatzwinkel des Beschleunigungsmessers 34 wirkt mit der Schwerkraft g zusammen, um den Messwert der Beschleunigung α_m(t) um einen fast konstanten Schwerkraft-Bias-Term von g × sin (Vertikalversatzwinkel) zu verändern. Der Beschleunigungsmesser-Bias β, der bestimmt und kompensiert wird, wird um diesen Schwerkraft-Bias-Term effektiv erhöht (oder vermindert).
4 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung 10, 12 mit einem Kalmanfilter 80 und einer oder mehreren externen Positionierquellen 82. Zu den externen Quellen 82 gehören zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Empfänger 84 für das Global Navigation Satellite System (GNSS), ein Barohöhenmesser 85 und ein Kartenabgleicher 86. Der GNSS-Empfänger 84 empfängt und verarbeitet GNSS-Signale zur Bereitstellung von GNSS-gestützten Positionierinformationen, zum Beispiel eine dreidimensionale Position, einschließlich GNSS-gestützte externe Höhenposition H_EXT, Zeit, dreidimensionale Geschwindigkeit, dreidimensionaler Steuerkurs, einschließlich Neigungswinkel, Satellitensignal-Doppler und Satellitenpseudoentfernungen. Der Barohöhenmesser 85 stellt eine externe Höhenposition H_EXT auf Luftdruckbasis bereit. Der Kartenabgleicher 86 verwendet die/den durch den GNSS-Empfänger 84 bereitgestellte/n Position und Steuerkurs oder die Ausgabe des Kalmanfilters 80 zur Bereitstellung einer mit der Karte abgeglichenen Position, um eine Position auf einer Straße oder einem Gleis mit einer Linie auf einer elektronischen Karte abzugleichen und die linke oder rechte Seite der Straße oder des Gleises gemäß den Richtungssteuerkursinformationen abzugleichen. Der Kartenabgleicher 86 stellt dann seine beste mit der Karte abgeglichene Schätzung der Position entlang der Straße oder dem Gleis oder der Linie bereit. Die Position entlang der Straße oder dem Gleis oder der Linie kann eine kartengestützte Höhe H_EXT wie auf einer topografischen Karte haben, die durch das Kalmanfilter 80 verwendbar ist.
Der Geschwindigkeitsmesser 32, der Beschleunigungsmesser 34 und der Giergeschwindigkeitssensor 52 liefern die Geschwindigkeit v(t), die gemessene Beschleunigung α_m(t) und die Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) an das Kalmanfilter 80. Das Kalmanfilter 80 filtert die Differenzen zwischen den verrauschten und/oder diskontinuierlichen externen Höhenpositionen H_EXT's an seinem Eingang und seinen Koppelnavigationshöhen H's an seinem Ausgang, wobei die Koppelnavigationshöhe H durch Akkumulieren von Höhenänderungen ΔH's bestimmt wird. Die gefilterten Differenzen werden in Rückkopplungsschleifen verwendet, um eine kalibrierte Version des Beschleunigungsmesser-Bias β bereitzustellen. Das Kalmanfilter 80 kann auf einem festen Medium in Form von maschinell lesbaren Befehlen zum Anweisen einer Rechnervorrichtung (zum Beispiel die Vorrichtung 10, 12), die Befehle auszuführen, gespeichert sein.
Das Filter 80 verwendet alle verfügbaren Informationen, die einschließen können (ohne darauf beschränkt zu sein): Beschleunigungsmesser-Bias β, Höhenänderungen ΔH's, Geschwindigkeit v(t) aus dem Geschwindigkeitsmesser 32 (oder Abstand ΔS aus dem Geschwindigkeitsmesser 32, aus dem die Geschwindigkeit v(t) aus ΔS/Δt berechenbar ist), gemessene Vorwärtsbeschleunigung α_m(t) (oder eine teilweise kompensierte Beschleunigung oder eine vollständig kompensierte Beschleunigung α_c(t)) und Positioniernavigationsinformationen aus den externen Quellen 82, einschließlich (ohne darauf beschränkt zu sein) externe Höhe H_EXT. Das Kalmanfilter 80 verwendet diese Informationen zum Berechnen einer dreidimensionalen Position, einschließlich Höhe H, dreidimensionale Geschwindigkeit und dreidimensionaler Steuerkurs, einschließlich Neigungswinkel θ.
Das Kalmanfilter 80 verwendet mehrere Navigationseingaben von unterschiedlicher Kontinuität und Genauigkeit zur Bereitstellung von kontinuierlich aktualisierten besten Schätzungen für den 3D-Steuerkurs, die 3D-Position und die 3D-Geschwindigkeit. Die Navigationseingaben können einschließen (ohne darauf beschränkt zu sein): barometrischer Druck, GNSS-Satellitenpseudoentfernungen und Doppler aus dem Kartenabgleich des GNSS-Empfangers 84 für geografische Breite, Länge und externe Höhe H_EXT, Kartenabgleich für Steuerkurs, Giergeschwindigkeitssensor 52, der Kreiselkompass sein kann zum Messen von Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t), Messungen von Geschwindigkeit v(t) oder Abstand S aus Geschwindigkeitsmesser 32 und Messungen von Vorwärtsbeschleunigung α_m(t) durch Beschleunigungsmesser 34. Der GNSS-Empfänger 84 kann ein Empfänger für das Global Positioning System (GPS) sein.
Der interne oder verdeckte Betrieb des Kalmanfilters 80 stellt eine Kalibrierung des Beschleunigungsmesser-Bias β bereit, die zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung α_m(t) und Korrigieren und/oder Glätten der Steuerkurs-, Positions- und Geschwindigkeitsausgaben verwendet wird. Das Kalmanfilter 80 funktioniert ähnlich wie das Kalmanfilter, beschrieben durch Geier und andere in US-Patent 5,416,712 für „ein Positions- und Geschwindigkeitsschätzsystem für die adaptive Wichtung von GPS- und Koppelnavigationsinformationen”, dessen Lehre durch Literaturhinweis in diese Anmeldung eingefügt ist. Weitere Kenntnisse der Filtertechnologie des Kalmanfilters 80 werden vermittelt durch Elliot Kaplan und Christopher Hegarty in "Understanding GPS: principles and applications", 2. Auflage, veröffentlicht durch Artech House, Inc. aus Norwood, Massachusetts, Copyright 2006, ISBN 1-58053-894-0. Kapitel 9.3 über die Integration von Sensoren in Landfahrzeuge, verfasst von Geier und anderen, ist besonders aufschlussreich.
5 veranschaulicht die Positionsversetzung L in der Vorwärtsrichtung 16 zwischen dem Beschleunigungsmesser 34 und der Wenderadiuslinie R senkrecht zu dem Fahrzeug 14, die durch den Wendemittelpunkt 92 des Fahrzeuges 14 verläuft. Bei einem Fahrzeug 14, das zum Wenden die Vorderräder 23 verwendet, verläuft die Wenderadiuslinie R ungefähr durch die Achse des Hinterrades 22. Der Gierausrichtwinkel γ ist der Winkel zwischen der Vorwärtsrichtung 46 des Beschleunigungsmessers 34 und der Vorwärtsrichtung 16 des Fahrzeuges 14.
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Höhenänderung ΔH und des Neigungswinkels θ. Die Verfahrensschritte können auf einem festen Medium 100 in maschinell lesbarer Form gespeichert sein, um von einem Rechner zum Zwecke der Ausführung der Schritte gelesen zu werden. Die Vorrichtung 10, 12 kann als ein Rechner zur Ausführung dieser Schritte funktionieren, arbeiten und laufen. In einem Schritt 102 wird die Beschleunigung α_m(t) gemessen. In einem Schritt 104 wird die Geschwindigkeit v(t) bestimmt. In einem Schritt 106 wird die Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) gemessen. In den Schritten 110 und 112 werden die Einflüsse der Giergeschwindigkeit ω(t) auf die Beschleunigung α_m(t) kompensiert. In Schritt 110 wird der Einfluss der Linearpositionsversetzung L als Funktion der Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) auf die Beschleunigung kompensiert. In Schritt 112 wird der Einfluss des Gierausrichtwinkels γ als Funktion der Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) und der Geschwindigkeit v(t) auf die Beschleunigung kompensiert. In einem Schritt 114 wird der Einfluss des Beschleunigungsmesser-Bias β auf die Beschleunigung kompensiert. In einer Installationskalibrierung kann der Beschleunigungsmesser-Bias β in einem Rückkehr-zur-Position-Verfahren (8) als Beschleunigungsmesser-Bias β₁ bestimmt werden. Bei einem Neustart kann der Beschleunigungsmesser-Bias β aus dem letzten Neigungswinkel θ_L als Beschleunigungsmesser-Bias β₀ berechnet werden (7A).
In einem Schritt 116 wird aus der Geschwindigkeit v(t) und der kompensierten Beschleunigung α_c(t) eine Höhenänderung ΔH berechnet. In einem Schritt 118 werden externe Positionierinformationen, zum Beispiel Positionen, Pseudoentfernungen, Höhen, Doppler und Steuerkurse aus externen Positionierquellen 82 empfangen. In einem Schritt 122 werden die Höhenänderungen ΔH akkumuliert, um eine DR-Höhe H bereitzustellen. Für einen kontinuierlichen Betrieb akkumuliert der DR-Höhenmesser 10 eine Folge von Höhenänderungen ΔH's bis zu der letzten vorherigen DR-Höhe H zur Bereitstellung einer kontinuierlichen Folge von DR-Höhen H's. In einem Schritt 124 wird die DR-Höhe H auf der Grundlage der externen Positionierinformationen nach Kalmanfiltrierverfahren zum Berechnen der dreidimensionalen Position einschließlich der Höhe H, der dreidimensionalen Geschwindigkeit und des dreidimensionalen Steuerkurses einschließlich des Neigungswinkels θ gefiltert. In einem Schritt 126 wird der Beschleunigungsmesser-Bias β nach Kalmanfiltrierverfahren unter Verwendung der DR-Höhe H neu berechnet, und dann werden die externen Positionierinformationen zur Aktualisierung des Beschleunigungsmesser-Bias β, der zur Bereitstellung der kompensierten Beschleunigung α_c(t) verwendet wird, angewandt. Die Schritte 124 und 126 werden normalerweise zusammen mit Zustanden des Kalmanfiltrierverfahrens ausgeführt.
In einem Schritt 132 wird die Rate der Änderung der Geschwindigkeit Δv/Δt aus der Geschwindigkeit v(t) und der Zeit berechnet. In einem Schritt 134 wird unter Verwendung der unten stehenden Gleichung 4 der Neigungswinkel θ aus der kompensierten Beschleunigung α_c(t) und der Rate der Änderung der Geschwindigkeit Δv/Δt berechnet.
7A ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Berechnung des Neustart-Beschleunigungsmesser-Bias β₀. Die Verfahrensschritte können auf einem festen Medium 150 in maschinell lesbarer Form gespeichert sein, um von einem Rechner zum Zwecke der Ausführung der Schritte gelesen zu werden. Die Vorrichtung 10, 12 kann als ein Rechner zur Ausführung dieser Schritte funktionieren, arbeiten und laufen. In einem Schritt 152 werden die Neigungswinkel θ's berechnet. Wenn die Vorrichtung 10, 12 abgeschaltet wird, wird der letzte Neigungswinkel θ_L _, der berechnet wurde, gespeichert.
Die Vorrichtung 10, 12 ist über einen willkürlichen Zeitraum in einem Ruhe- oder ausgeschalteten Zustand abgeschaltet. In einem Schritt 154 wird die Vorrichtung 10, 12 eingeschaltet und beginnt mit der Bewegung. In einem Schritt 155 misst die Vorrichtung 10, 12 die Beschleunigung α_m(t) und kompensiert den Einfluss der Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) auf die gemessene Beschleunigung α_m(t), um die Beschleunigung α in der oben stehenden Gleichung 1 bereitzustellen. In einem Schritt 156 wird der Neustart-Beschleunigungsmesser-Bias β₄ in der Gleichung 1 aus dem Neigungswinkel θ_L berechnet.
7B ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Rückkehr-zur-Position-Kalibrierverfahrens. Die Verfahrensschritte können auf einem festen Medium 200 in maschinell lesbarer Form gespeichert sein, um von einem Rechner zum Zwecke der Ausführung der Schritte gelesen zu werden. Die Vorrichtung 10, 12 kann als ein Rechner zur Ausführung dieser Schritte funktionieren, arbeiten und laufen. In einem Schritt 202 wird ein Rückkehr-zur-Position-Auslöser von einem Benutzer empfangen und die Vorrichtung 10, 12 bestimmt ihre Position und eine erste Höhe H₁. In einem Schritt 204 erfasst die Vorrichtung 10, 12, dass sie in Bewegung ist. In einem Schritt 206 wird eine Rückkehrschleifenhöhe H_R bestimmt, wenn die Vorrichtung 10, 12 feststellt, dass sie innerhalb eines Grenzwertes von einem bis drei Metern innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereiches zur selben zweidimensionalen horizontalen Position zurückgekehrt ist. Die Länge der Zeit kann in einem Bereich liegen, der sich von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten erstreckt. Als Alternative dazu wird eine Rückkehrschleifenhöhe H_R gemessen, wenn ein zweiter Auslöser empfangen wird.
In einem einfachen Fall löst ein Fahrer die Vorrichtung 10, 12 aus, wenn das Fahrzeug 14 geparkt ist, und fährt dann in einer Schleife zur selben Parkposition zurück. Das Verfahren geht von der Voraussetzung aus, dass die Rückkehrschleifenhöhe H_R gleich der Starthöhe H₁ ist, wenn es erfasst, dass die Vorrichtung 10, 12 zur selben horizontalen Position zurückgekehrt ist oder ein zweites Mal ausgelöst wird. In einem Schritt 208 bestimmt die Vorrichtung 10, 12 den Beschleunigungsmesser-Bias β, der bewirkt, dass die Summe der Höhenänderungen ΔH's gleich Null ist, oder sie bestimmt den Beschleunigungsmesser-Bias β, der bewirkt, dass die Starthöhe H₁ gleich der Rückkehrschleifenhöhe H_R ist.
7C ist ein Diagramm einer Fahrzeugbewegung für eine Rückkehr-zur-Position-Kalibrierung. Das Fahrzeug 14 startet bei einer Position 250 und fährt zum Zwecke einer Einschleifenkalibrierung in einer Schleife gegen den Uhrzeigersinn 252 zur Startposition 250 zurück. Zum Zwecke einer Doppelschleifenkalibrierung fährt das Fahrzeug 14 weiter durch eine Schleife im Uhrzeigersinn 254 zurück zur Startposition 250. Es kann entweder die Schleife gegen den Uhrzeigersinn 252 oder die Schleife im Uhrzeigersinn 254 zuerst durch fahren werden. Es ist möglich, eine der beiden oder beide Schleifen 252 und 254 beliebig oft zu wiederholen und den Mittelwert der Ergebnisse zu bilden, und die Schleifen müssen nicht genau kreisförmig sein.
8 ist ein Ablaufdiagramm einer Doppelschleifeninstallationskalibrierung unter Verwendung eines Rückkehr-zur-Position-Verfahrens zur Bestimmung eines Installationswertes β₁ für den Beschleunigungsmesser-Bias β und von Werten für eine Linearpositionsversetzung L und eines Gierausrichtwinkels γ. Die Verfahrensschritte können auf einem festen Medium 300 in maschinell lesbarer Form gespeichert sein, um von einem Rechner zum Zwecke der Ausführung der Schritte gelesen zu werden. Die Vorrichtung 10, 12 kann als ein Rechner zur Ausführung dieser Schritte funktionieren, arbeiten und laufen. In einem Schritt 304 läuft die Vorrichtung 10, 12 warm. Die Warmlaufphase stabilisiert den Beschleunigungsmesser-Bias β. In einem Schritt 306 wird das Fahrzeug 14 in einer ersten Richtung geparkt. Es wird eine erste Beschleunigung α_m(t) gemessen. Diese gemessene Beschleunigung α_m(t) ist gering, da das Fahrzeug 14 nicht in Bewegung ist.
In einem Schritt 308 wird das Fahrzeug 14 langsam zu derselben Parklücke zurückgefahren und so angehalten, dass es in der Gegenrichtung steht. Es wird eine zweite Beschleunigung α_m(t) gemessen. Diese gemessene Beschleunigung α_m(t) ist gering, da das Fahrzeug 14 nicht in Bewegung ist. In einem Schritt 314 wird die Differenz zwischen der ersten und der zweiten gemessenen Beschleunigung α_m(t) dazu verwendet, zwischen dem Beschleunigungsmesser-Bias β₁ und einer Wirkung der Schwerkraft g wegen eines Parkneigungswinkels des Bodens 25 zu unterscheiden.
In einem Schritt 316 verwendet die Vorrichtung 10, 12 den gerade berechneten Beschleunigungsmesser-Bias β₁ und vorgewählte Schätzungen der Positionsversetzung L und des Gierausrichtwinkels γ zur Bestimmung einer Starthöhe H₁. In einem Schritt 318 wird das Fahrzeug 14 in einer Schleife im Uhrzeigersinn (oder gegen den Uhrzeigersinn) rasch zu der Parklücke zurückgefahren. Die Fahrgeschwindigkeit muss hoch genug sein, um eine Gierwinkel geschwindigkeit ω(t) zu bewirken, die den Gierwinkelgeschwindigkeiten ω(t)'s ähnelt, die während des Betriebes auftreten. In einem Schritt 322 wird eine erste Rückkehr-zur-Position-Höhe (RTP-Höhe) H_R1 bestimmt. In einem Schritt 324 wird das Fahrzeug 14 in der in Gegenrichtung verlaufenden Schleife rasch zu der Parklücke zurückgefahren. Die Fahrgeschwindigkeit muss hoch genug sein, um eine Gierwinkelgeschwindigkeit ω(t) zu bewirken, die den Gierwinkelgeschwindigkeiten ω(t)'s ähnelt, die während des Betriebes auftreten. In einem Schritt 326 wird eine zweite Rückkehr-zur-Position-Höhe (RTP-Höhe) H_R2 bestimmt. Im Schritt 328 werden unter Verwendung der unten stehenden Gleichungen 2 und 3 die/der effektive Installationspositionsversetzung L und Gierausrichtwinkel γ aus der Starthöhe H₁, der ersten RTP-Höhe H_R1 und der zweiten RTP-Höhe H_R2 berechnet. Der Schritt 328 bestimmt den Beschleunigungsmesser-Bias β₁, die Positionsversetzung L und den Gierausrichtwinkel γ für die Summe der Höhenänderungen ΔH's als Null zwischen der Starthöhe H₁ und der ersten Schleifenhöhe H_R1 und zwischen der ersten Schleifenhöhe H_R1 und der zweiten Schleifenhöhe H_R2 oder bestimmt den Beschleunigungsmesser-Bias β₁, die Positionsversetzung L und den Gierausrichtwinkel γ, der die Starthöhe H₁, die erste Schleifenhöhe H_R1 und die zweite Schleifenhöhe H_R2 ausgleicht.
BESTIMMUNG DER HÖHE UND DES NEIGUNGSWINKELS
Der folgende Abschnitt zeigt die Wirkungsweise der Vorrichtung 10, 12 für eine Berechnung der Höhenänderung ΔH und des Neigungswinkels θ. Die Gleichung 2 zeigt eine Berechnung der Höhenänderung ΔH auf der Grundlage der kompensierten Beschleunigung α_c(t) und der Geschwindigkeit v(t) für eine Messzeit ΔT und die Schwerkraftbeschleunigungskonstante g.
Die Gleichung 3 zeigt die kompensierte Beschleunigung α_c(t) als Funktion der gemessenen Beschleunigung α_m(t), des Beschleunigungsmesser-Bias β, eines Positionsgiergeschwindigkeitsfehlers ω²(t) × L und eines Ausrichtgiergeschwindigkeitsfehlers ω(t) × v(t) × γ. αc(t) = αm(t) + β – ω2(t) L – ω(t) v(t) γ 3)
Der Positionsgiergeschwindigkeitsfehler ist bei Links- und Rechtswendungen der gleiche. Der Ausrichtgiergeschwindigkeitsfehler ist bei Links- und Rechtswendungen gleich und entgegengesetzt. Die Gleichung 4 zeigt den Neigungswinkel θ als Funktion der kompensierten Beschleunigung α_c(t) und der Rate der Änderung der Geschwindigkeit gegen die Zeit Δv/Δt. θ = Sin–1 {[αc(t) – Δv/Δt]/g} 4)
ALLGEMEINE VORTEILE
Eine Ausführungsform kann die Leistung einer Fahrzeugnavigationsvorrichtung steigern, die einen GPS-Empfänger, einen Giergeschwindigkeitskreiselkompass oder Steuerkurskreiselkompass, eine Transmissionswelle oder ein Radgeschwindigkeitsmessinstrument und als Option eine Kartenabgleichfähigkeit umfasst. Eine Ausführungsform kann einen Vorwärtslinearbeschleunigungsmesser und mehrere Beschleunigungsmesser-Kompensieralgorithmen hinzufügen, um die Genauigkeit dieser Vorrichtung, vorzugsweise auf ein oder zwei Meter, zu erhöhen, ohne dass differenzielle GPS-Messungen erforderlich sind, und um kontinuierliche und glatte Höhen und Neigungswinkel bereitzustellen, ohne dass kontinuierliche oder glatte GPS-Messungen erforderlich sind.
Es ist allgemein bekannt, dass GPS-Breiten- und -längenmessungen in Wechselbeziehung mit Höhenfehlern stehen. Durch die Verbesserung der Kenntnis der Höhe kann die Kenntnis der Breite und Länge durch diese Wechselbeziehungen verbessert werden. In Situationen, in denen die Sicht behindert ist, kann die GPS-Geschwindigkeit verrauscht sein oder kann die Ge ometrie (DOP) der GPS-Satellitensignale mangelhaft sein oder sind möglicherweise nur drei GPS-Satellitensignale verfügbar. In solchen Fällen stellt die verbesserte Höhenmessung eine merkliche Verbesserung der Breiten- und Längenmessungen dar.
Die direkte Kenntnis der Höhe, die besser als die GPS-Genauigkeit sein kann, wird in Kombination mit einer Kartenabgleichdatenbank verwendet, die Höheninformationen enthält. Unter Verwendung von genauen Höhen- oder Höhenänderungsinformationen kann ein Kartenabgleichalgorithmus rasch bestimmen, ob sich das Fahrzeug auf einer von zwei parallelen Spuren auf einer Abfahrtsrampe einer Hauptverkehrsstraße befindet, von denen eine nach oben oder nach unten führt und eine nicht. Die alleinige Verwendung von GPS und eines Steuerkurskreiselkompasses ergibt möglicherweise nicht die für eine solche Bestimmung erforderliche Genauigkeit, bis eine beträchtliche Entfernung zurückgelegt worden ist, so dass in der Kartenabgleichdatenbank die zwei möglichen Wege horizontal durch einen der GPS-Genauigkeit entsprechenden Abstand horizontal voneinander getrennt sind. Zu wissen, ob das Fahrzeug die Hauptverkehrsstraße verlassen hat, ist kritisch bei der raschen Bestimmung von Informationen für die Streckenwahl. Durch die direkte Kenntnis der Höhe ist auch die vertikale Position des Fahrzeuges feststellbar, wenn es sich in einem mehrstöckigen Parkhaus ohne GPS-Empfang oder mit ungenauen GPS-gestützten Höhen befindet.
9A veranschaulicht Stockwerke 512 eines Parkhauses, wo die DR-Höhe H dazu verwendet wird, zwischen den durch eine spiralförmige Rampe miteinander verbundenen Stockwerken 512 zu unterscheiden, wenn eine GNSS-gestützte Höhe die Stockwerke 512 nicht verlässlich voneinander unterscheidet.
9B veranschaulicht eine Hauptverkehrsstraße 522, eine Auffahrtsrampe 524 und eine Abfahrtsrampe 526, wobei die Messung des Neigungswinkels θ die Auffahrtsrampe 524 und die Abfahrtsrampe 526 voneinander unterscheidet, wenn der GNSS-gestützte Steuerkurs die Rampen nicht verlässlich voneinander unterscheidet.
Zwar ist die vorliegende Erfindung hinsichtlich gegenwärtig bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden, doch versteht es sich, dass eine solche Offenbarung nicht als einschränkend aufzufassen ist. Verschiedene Obergruppen, Untergruppen und Äquivalente werden Fachleuten nach dem Lesen der oben stehenden Offenbarung zweifellos klar werden. Diese Obergruppen, Untergruppen und Äquivalente sollten jedoch nicht als den Erfindungsgedanken einschränkend betrachtet werden. Demgemäß sollen die unten stehenden Ansprüche als den wahren Sinn und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beinhaltend ausgelegt werden.
KONZEPTE

Konzept 1. Ein Koppelnavigationshöhenmesser, umfassend: einen Geschwindigkeitsmesser zum Bestimmen einer Vorwärtsgeschwindigkeit, einen Beschleunigungsmesser zum Messen einer Vorwärtsbeschleunigung und einen DR-Höhenrechner zum Berechnen einer Höhenänderung auf der Grundlage der Geschwindigkeit und der gemessenen Beschleunigung.
Konzept 2. Der Höhenmesser nach Konzept 1, ferner umfassend: einen Giergeschwindigkeitssensor zum Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, einen Gierkompensator zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung, und wobei der DR-Höhenrechner so konfiguriert ist, dass er die kompensierte Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung verwendet.
Konzept 3. Der Höhenmesser nach Konzept 2, wobei der Gierkompensator einen Gierpositionskompensator zum Kompensieren des Einflusses der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einer Linearpositionsversetzung bezüglich einer Wenderadiuslinie auf die gemessene Beschleunigung zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung einschließt.
Konzept 4. Der Höhenmesser nach Konzept 3, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen der Linearpositionsversetzung unter Verwendung einer Doppelrückkehrschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Konzept 5. Der Höhenmesser nach Konzept 2, wobei der Gierkompensator einen Gierausrichtkompensator, konfiguriert zum Kompensieren des Einflusses der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einem Gierausrichtwinkel auf die gemessene Beschleunigung zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung, einschließt.
Konzept 6. Der Höhenmesser nach Konzept 5, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen des Gierausrichtwinkels unter Verwendung einer Doppelrückkehrschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Konzept 7. Der Höhenmesser nach Konzept 1, ferner umfassend: einen Bias-Kompensator zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß einem Beschleunigungsmesser-Bias zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung, wobei der DR-Höhenrechner so konfiguriert ist, dass er die kompensierte Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung verwendet.
Konzept 8. Der Höhenmesser nach Konzept 7, ferner umfassend: ein Kalmanfilter, konfiguriert zum Filtern der Höhenänderung mit einer externen Höhenposition zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias.
Konzept 9. Der Höhenmesser nach Konzept 8, wobei die externe Höhenposition aus GNSS-Signalen hergeleitet ist.
Konzept 10. Der Höhenmesser nach Konzept 8, wobei die externe Höhenposition aus einem Kartenabgleich hergeleitet ist.
Konzept 11. Der Höhenmesser nach Konzept 7, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition.
Konzept 12. Der Höhenmesser nach Konzept 7, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition in entgegengesetzter Richtung.
Konzept 13. Der Höhenmesser nach Konzept 7, ferner umfassend: einen Neigungswinkelrechner zum Berechnen eines Neigungswinkels auf der Grundlage der kompensierten Beschleunigung und der Rate der Änderung der Geschwindigkeit und einen Neustart-Bias-Detektor zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias bei einem Neustart der Bewegung nach einem Zeitraum der Ruhe auf der Grundlage eines letzten Neigungswinkels vor dem Zeitraum der Ruhe.
Konzept 14. Der Höhenmesser nach Konzept 1, ferner umfassend: einen GNSS-Empfänger zum Bestimmen einer GNSS-gestützten Position einschließlich einer GNSS-gestützten Höhe, einen Giergeschwindigkeitssensor zum Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, und wobei der DR-Höhenrechner so konfiguriert ist, dass er die Gierwinkelgeschwindigkeit, die GNSS-gestützte Position und die Höhenänderung zur Bereitstellung einer DR-Höhe, die genauer als die GNSS-gestützte Höhe ist, verwendet.
Konzept 15. Der Höhenmesser nach Konzept 14, ferner umfassend: eine Karte mit Stockwerken eines Parkhauses, wobei die DR-Höhe dazu verwendet wird, zwischen den Stockwerken zu unterscheiden, wenn die GNSS-gestützte Höhe die Stockwerke nicht verlässlich voneinander unterscheidet.
Konzept 16. Ein Verfahren zur Koppelnavigationshöhenmessung, umfassend: Bestimmen einer Vorwärtsgeschwindigkeit, Messen einer Vorwärtsbeschleunigung und Berechnen einer Höhenänderung auf der Grundlage der Geschwindigkeit und der gemessenen Beschleunigung.
Konzept 17. Das Verfahren nach Konzept 16, ferner umfassend: Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung, und wobei die Berechnung der Höhenänderung die Verwendung der kompensierten Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung einschließt.
Konzept 18. Das Verfahren nach Konzept 17, wobei das Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit das Kompensieren der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einer Linearpositions versetzung bezüglich einer Wenderadiuslinie zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung einschließt.
Konzept 19. Das Verfahren nach Konzept 18, ferner umfassend: Schätzen der Linearpositionsversetzung einschließlich der Verwendung einer Doppelschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Konzept 20. Das Verfahren nach Konzept 17, wobei das Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit das Kompensieren der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einem Gierausrichtwinkel zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung einschließt.
Konzept 21. Das Verfahren nach Konzept 20, ferner umfassend: Schätzen des Gierausrichtwinkels einschließlich der Verwendung einer Doppelschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Konzept 22. Das Verfahren nach Konzept 16, ferner umfassend: Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß einem Beschleunigungsmesser-Bias zur Bereitstellung einer kompensierten Beschleunigung, wobei die Berechnung der Höhenänderung die Verwendung der kompensierten Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung einschließt.
Konzept 23. Das Verfahren nach Konzept 22, ferner umfassend: Kalmanfiltern der Höhenänderung mit einer externen Höhenposition zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias.
Konzept 24. Das Verfahren nach Konzept 23, ferner umfassend: Herleiten der externen Höhenposition aus GNSS-Signalen.
Konzept 25. Das Verfahren nach Konzept 23, ferner umfassend Herleiten der externen Höhenposition aus einem Kartenabgleich.
Konzept 26. Das Verfahren nach Konzept 22, ferner umfassend: Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition.
Konzept 27. Das Verfahren nach Konzept 22, ferner umfassend: Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition in entgegengesetzter Richtung.
Konzept 28. Das Verfahren nach Konzept 22, ferner umfassend: Berechnen eines Neigungswinkels auf der Grundlage der kompensierten Beschleunigung und der Rate der Änderung der Geschwindigkeit und Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias bei einem Neustart der Bewegung nach einem Zeitraum der Ruhe auf der Grundlage eines letzten Neigungswinkels vor dem Zeitraum der Ruhe und der gemessenen Beschleunigung.
Konzept 29. Das Verfahren nach Konzept 16, ferner umfassend: Bestimmen einer GNSS-gestützten Position einschließlich einer GNSS-gestützten Höhe, Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, und wobei die Berechnung der Höhenänderung die Verwendung der Gierwinkelgeschwindigkeit, der GNSS-gestützten Position und der Höhenänderung zur Bereitstellung einer DR-Höhe, die genauer als die GNSS-gestützte Höhe ist, einschließt.
Konzept 30. Das Verfahren nach Konzept 29, ferner umfassend: Bereitstellen einer elektronischen Karte mit Stockwerken eines Parkhauses und Verwenden der DR-Höhe zum Unterscheiden zwischen den Stockwerken, wenn die GNSS-gestützte Höhe die Stockwerke nicht verlässlich voneinander unterscheidet.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5416712 [0053]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Elliot Kaplan und Christopher Hegarty in ”Understanding GPS: principles and applications”, 2. Auflage, veröffentlicht durch Artech House, Inc. aus Norwood, Massachusetts, Copyright 2006, ISBN 1-58053-894-0. Kapitel 9.3 [0053]

Claims

Koppelnavigationshöhenmesser, umfassend: einen Geschwindigkeitsmesser zum Bestimmen einer Vorwärtsgeschwindigkeit, einen Beschleunigungsmesser zum Messen einer Vorwärtsbeschleunigung und einen DR-Höhenrechner zum Berechnen einer Höhenänderung auf der Grundlage der Geschwindigkeit und der gemessenen Beschleunigung.
Höhenmesser nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Giergeschwindigkeitssensor zum Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, einen Gierkompensator zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung, und dadurch gekennzeichnet, dass der DR-Höhenrechner so konfiguriert ist, dass er die kompensierte Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung verwendet.
Höhenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierkompensator einen Gierpositionskompensator zum Kompensieren des Einflusses der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einer Linearpositionsversetzung bezüglich einer Wenderadiuslinie auf die gemessene Beschleunigung zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung einschließt.
Höhenmesser nach Anspruch 3, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen der Linearpositionsversetzung unter Verwendung einer Doppelrückkehrschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schlei fen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Höhenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierkompensator einen Gierausrichtkompensator, konfiguriert zum Kompensieren des Einflusses der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einem Gierausrichtwinkel auf die gemessene Beschleunigung zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung, einschließt.
Höhenmesser nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen des Gierausrichtwinkels unter Verwendung einer Doppelrückkehrschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Höhenmesser nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Bias-Kompensator zum Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß einem Beschleunigungsmesser-Bias zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung, dadurch gekennzeichnet, dass der DR-Höhenrechner so konfiguriert ist, dass er die kompensierte Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung verwendet.
Höhenmesser nach Anspruch 7, ferner umfassend: ein Kalmanfilter, konfiguriert zum Filtern der Höhenänderung mit einer externen Höhenposition zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias.
Höhenmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Höhenposition aus GNSS-Signalen hergeleitet ist.
Höhenmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Höhenposition aus einem Kartenabgleich hergeleitet ist.
Höhenmesser nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition.
Höhenmesser nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Rückkehr-zur-Position-Kompensationsdetektor zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition in entgegengesetzter Richtung.
Höhenmesser nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Neigungswinkelrechner zum Berechnen eines Neigungswinkels auf der Grundlage der kompensierten Beschleunigung und der Rate der Änderung der Geschwindigkeit und einen Neustart-Bias-Detektor zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias bei einem Neustart der Bewegung nach einem Zeitraum der Ruhe auf der Grundlage eines letzten Neigungswinkels vor dem Zeitraum der Ruhe.
Höhenmesser nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen GNSS-Empfänger zum Bestimmen einer GNSS-gestützten Position einschließlich einer GNSS-gestützten Höhe, einen Giergeschwindigkeitssensor zum Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, und dadurch gekennzeichnet, dass der DR-Höhenrechner so konfiguriert ist, dass er die Gierwinkelgeschwindigkeit, die GNSS-gestützte Position und die Höhenänderung zur Bereitstellung einer DR-Höhe, die genauer als die GNSS-gestützte Höhe ist, verwendet.
Höhenmesser nach Anspruch 14, ferner umfassend: eine Karte mit Stockwerken eines Parkhauses, dadurch gekennzeichnet, dass die DR-Höhe dazu verwendet wird, zwischen den Stockwerken zu unterscheiden, wenn die GNSS-gestützte Höhe die Stockwerke nicht verlässlich voneinander unterscheidet.
Verfahren zur Koppelnavigationshöhenmessung, umfassend: Bestimmen einer Vorwärtsgeschwindigkeit, Messen einer Vorwärtsbeschleunigung und Berechnen einer Höhenänderung auf der Grundlage der Geschwindigkeit und der gemessenen Beschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit zum Bestimmen einer kompensierten Beschleunigung, und dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Höhenänderung die Verwendung der kompensierten Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit das Kompensieren der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einer Linearpositionsversetzung bezüglich einer Wenderadiuslinie zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Schätzen der Linearpositionsversetzung einschließlich der Verwendung einer Doppelschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der an deren der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß der Gierwinkelgeschwindigkeit das Kompensieren der Gierwinkelgeschwindigkeit mit einem Gierausrichtwinkel zum Bestimmen der kompensierten Beschleunigung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend: Schätzen des Gierausrichtwinkels einschließlich der Verwendung einer Doppelschleife mit einer ersten Rückkehr zur Startposition nach einer von zwei Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist, und mit einer zweiten Rückkehr zur Startposition nach der anderen der beiden Schleifen, von denen die eine eine Schleife im Uhrzeigersinn und die andere eine Schleife gegen den Uhrzeigersinn ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Kompensieren der gemessenen Beschleunigung gemäß einem Beschleunigungsmesser-Bias zur Bereitstellung einer kompensierten Beschleunigung, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Höhenänderung die Verwendung der kompensierten Beschleunigung zusammen mit der Geschwindigkeit für die Berechnung der Höhenänderung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend: Kalmanfiltern der Höhenänderung mit einer externen Höhenposition zum Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend: Herleiten der externen Höhenposition aus GNSS-Signalen.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend, dass Herleiten der externen Höhenposition aus einem Kartenabgleich.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend: Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend: Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias auf der Grundlage einer Rückkehr zur Startposition in entgegengesetzter Richtung.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend: Berechnen eines Neigungswinkels auf der Grundlage der kompensierten Beschleunigung und der Rate der Änderung der Geschwindigkeit und Schätzen des Beschleunigungsmesser-Bias bei einem Neustart der Bewegung nach einem Zeitraum der Ruhe auf der Grundlage eines letzten Neigungswinkels vor dem Zeitraum der Ruhe und der gemessenen Beschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Bestimmen einer GNSS-gestützten Position einschließlich einer GNSS-gestützten Höhe, Messen einer Gierwinkelgeschwindigkeit, und dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Höhenänderung die Verwendung der Gierwinkelgeschwindigkeit, der GNSS-gestützten Position und der Höhenänderung zur Bereitstellung einer DR-Höhe, die genauer als die GNSS-gestützte Höhe ist, einschließt.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend: Bereitstellen einer elektronischen Karte mit Stockwerken eines Parkhauses und Verwenden der DR-Höhe zum Unterscheiden zwischen den Stockwerken, wenn die GNSS-gestützte Höhe die Stockwerke nicht verlässlich voneinander unterscheidet.