DE102015010340A1

DE102015010340A1 - Positionsbestimmungsvorrichtung und globales Satellitenavigationssystem, Verfahren zum Detektieren von Satellitensignalen

Info

Publication number: DE102015010340A1
Application number: DE102015010340.7A
Authority: DE
Inventors: Nicola Matteo Palella; Leonardo Colombo
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics International NV Switzerland
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2035-08-08
Also published as: US10234292B2; US20160040992A1; DE102015010340B4

Abstract

Offenbart ist eine Positionsbestimmungsvorrichtung eines Fahrzeuges (2), umfassend ein mit dem Fahrzeug (2) verknüpfbares und mit einem zum Liefern gemessener Axialbeschleunigungen in einem kartesianischen Bezugssystem während eines Zeitintervalles, das zwischen einer vorherigen Zeit und einer gegenwärtigen Zeit enthalten ist, konfigurierten triaxialen Ausrichtungssensor (22) versehenes Messmodul (20), das mit einem triaxialen Bewegungssensor (21) versehen ist, der konfiguriert ist, um mindestens ein Winkeländerungssignal proportional zu der axialen Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges (2) während des Zeitintervalls zu liefern; eine zum Entgegennehmen eines zu der von dem Fahrzeug (2) in dem Zeitintervall zurückgelegten Distanz proportionalen Entfernungssignals und zum Entgegennehmen des mindestens einen Winkeländerungssignals konfigurierte Verarbeitungseinheit (30), die konfiguriert ist, mindestens eine Bezugsbeschleunigung des Fahrzeuges (2) zu liefern; einen Abschätzer-Kalibrierer-Block (40), der zum rekursiven Abschätzen mindestens einer kalibrierten Beschleunigung als einer Funktion der gemessenen Winkelbeschleunigung sowie der mindestens einen Bezugsbeschleunigung konfiguriert ist; wobei der Abschätzer-Kalibrierer-Block (40) eine Berechnungseinheit (44) umfasst, die zum Berechnen einer Höhenveränderung als einer Funktion des Distanzsignals und eines rekursiv als einer Funktion von mindestens einer kalibrierten Beschleunigung rekursiv berechneten abgeschätzten Neigungswinkels konfiguriert ist. Offenbart ist ferner ein globales Satellitennavigationssystem, umfassend eine Konstellation von Satelliten, das konfiguriert ist, um eine Mehrzahl von Satellitensignalen an mindestens eine Navigationsvorrichtung zu liefern, welche einen Satellitenempfänger umfasst, welcher konfiguriert ist, aus den Satellitensignalen entsprechende Ausgangssignale zu extrahieren, wobei die Navigationsvorrichtung eine Positionsbestimmungsvorrichtung (1) umfasst.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Fahrzeugpositionsbestimmungsvorrichtung.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ebenfalls ein globales Navigationssatellitensystem des Hybrid-Trägheitstyps, welches eine derartige Positionsbestimmungsvorrichtung beinhaltet.
Darüberhinaus betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Detektieren von Satellitensignalen eines globalen Navigationssatellitensystems.
Bekanntlich werden die globalen Navigationssatellitensysteme oder GNSS, ein englisches Akronym, welches für ”Global Navigation Satellite Systems” (Globale Navigationssatellitensystem) steht, weithin in Echtzeit zum Lokalisieren der Position eines Fahrzeuges und zum Führen eines Fahrzeuges zu einem angeforderten Ziel verwendet.
Die von verschiedenen Satelliten gelieferten elektromagnetischen Signale werden durch einen GNSS-Empfänger empfangen, formatiert und verarbeitet und sind in der Lage, eine akkurate Abschätzung der Fahrzeugposition hinsichtlich Breitengrad, Längengrad und Höhe über dem Meeresspiegel zu liefern.
In zahlreichen Anwendungsfällen, beispielsweise in einer urbanen Umgebung, lassen es mögliches Rauschen, Funkfrequenz-(RF)Interferenzen, Signalreflektionen, Fehler bei der Übertragung oder falsche Signalübertragungen nicht zu, die Integrität der von den Satelliten empfangenen Signale und/oder die Kontinuität der empfangenen Daten sicherzustellen, und daher sind die durch den GNSS-Empfänger bestimmten Postionen nicht korrekt. Die Breitengrad-, Längengrad- und Höhenwerte, die eindeutig durch die Satellitensignale berechnet werden, können manchmal einen Fehler von Mehrfachen von 10 Metern aufweisen. In den Standard-Navigationsanwendungen müssen der berechnete Breitengrad und der berechnete Längengrad auf einer ebenen (zweidimensionalen) Karte zur Deckung gebracht werden, und in Anwesenheit der vorhin erwähnten Fehler erweist sich dies als schwierig. Im Falle von Straßen mit mehreren Niveaus wird das Deckungsproblem durch die Einführung der Vertikaldimension verschärft, und daher ist es von grundlegender Bedeutung, den Höhenwert des Fahrzeuges zum Zur-Deckung-Bringen der Position auf dem korrekten Kartenniveau und zum Erzielen einer korrekten Navigation zu kennen. Darüberhinaus können in Innenraum-Umgebungen wie etwa Parkplätzen, Untergrundgaragen, Tunnels und ähnlichem die durch die Satelliten gelieferten elektromagnetischen Signale komplett verschwinden, oder sie werden lediglich zum Teil empfangen, und der GNSS-Empfänger ist nicht in der Lage, in Echtzeit Informationen zu korrekten Positionen zu liefern.
Eine Lösung liefert der Gebrauch eines Koppelnavigations-Positionsbestimmungssystems, als DR bekannt, welches die Position eines Benutzers in einem lokalen Bezugssystem (Nord-Ost) durch Einbeziehen einer in der Vergangenheit berechneten bekannten Position und durch Aktualisieren derselben bis zum gegenwärtigen Augenblick durch Messen der Dislokation des Benutzers beispielsweise durch Identifizieren der in Längsrichtung zurückgelegten Distanz und möglicher Richtungsänderungen liefert. Die DR-Systeme verwenden eine Trägheits-Messeinheit IMU, welche Trägheitssensoren umfasst, welche im Allgemeinen mechanische MEMS-Sensoren sind (Akronym, welches für ”Micro Electro Mechanical System” (Mikromechanisches System) steht), die kostengünstig sind.
Unter den verwendeten MEMS-Sensoren gibt es Beschleunigungsmesser und einachsige sowie dreiachsige Gyroskope. Der Beschleunigungsmesser ermöglicht, wenn er geeignet installiert wird, die absolute Ausrichtung der Trägheitsmesseinheit und daher diejenige des Fahrzeuges bezüglich des Gravitationsfeldes der Erde zu bestimmen. Das Gyroskop ermöglicht es, mögliche relative Veränderungen der Ausrichtung (Rotationen) der Trägheitsmesseinheit IMU und daher auch solche des Fahrzeuges zu detektieren.
Die Hybrid-Trägheitsnavigationssysteme ermöglichen es, die durch den GNSS-Empfänger empfangenen Satellitensignale und die durch die Bewegungssensoren empfangenen Signale zu zusammenzuführen und verwenden Abschätzungssysteme zum Kompensieren der Nachteile, die beide dieser Systeme zeigen.
Trotz der Tatsache, dass die Trägheitssensoren unter verschiedenen Aspekten adäquat sind, sind sie auf lange Sicht nicht sehr zuverlässig. Obgleich die Trägheitssensoren auf kurze Sicht zuverlässig und unempfindlich gegenüber Umgebungsproblemen sind, welche typischerweise die elektromagnetischen Signale stören, sind sie Fehlern unterworfen (verursacht durch Messrauschen und Kalibrierungsfehler), die sich im Laufe der Zeit aufsummieren. Daher verschlechtert sich ihre Performanz auf lange Sicht, und die gelieferte Information wie etwa die Position, mit anderen Worten Längengrad und Breitengrad, die Höhe, die Geschwindigkeit oder der Kurs des Fahrzeuges sind nicht zuverlässig.
Darüberhinaus kann man gut beobachten, dass eine Navigationsvorrichtung mit von einer Satellitenkonstellation empfangenen Signalen langfristig zuverlässig ist; jedoch können die erzielten Daten kurzfristig unrichtig sein, beispielsweise infolge eines fehlerhaften oder ausbleibenden Empfangs von Signalen. Die Art des Beitrages, der durch die beiden Systeme geliefert wird, ist komplementär: Die GNSS-Ortung kann kurzfristig fehlerhaft sein, aber ist im allgemeinen langfristig genau, wohingegen die MEMS-Sensoren es ermöglichen, kurzfristig sehr genau die Dislokation zu berechnen, dabei aber weniger zuverlässig werden, wenn sie auf lange Sicht betrachtet werden.
Der Anmelderin ist deutlich geworden, dass die Positionsbestimmungsvorrichtung und das Positionsbestimmungssystem unter Bezugnahme auf die Höhen- oder Ortsberechnung eines Fahrzeuges durch Übernehmen einer Technik, welche die durch die Messinstrumente detektierten Beschleunigungen kalibriert, effizienter gestaltet werden können. Der Anmelderin ist ebenso deutlich geworden, dass eine derartige Kalibrierungstechnik mit den durch die GNSS-Systeme unterstützten Maßnahmen kombiniert und in diese integriert werden kann.
Daher sind eine Positionsbestimmungsvorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, sowie deren bevorzugte Ausführungsformen, die in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben sind, Gegenstand der vorliegenden Offenbarung.
Darüberhinaus sind ein globales Satellitennavigationssystem, wie in Anspruch 9 definiert, sowie ein Verfahren zum Detektieren von Satellitensignalen, wie in den Ansprüchen 10 und 11 definiert, Gegenstand der vorliegenden Offenbarung.
Weitere Charakteristika und Vorzüge der vorliegenden Offenbarung können besser aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und deren Abwandlungen verstanden werden, welche in einer beispielgebenden und nicht beschränkenden Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren angegeben sind, wobei:
1 schematisch eine Ausführungsform einer Positionsbestimmungsvorrichtung zeigt;
2 ein Ablaufdiagramm der Positionsbestimmungsvorrichtung in 1 zeigt;
3 schematisch ein mit einem Teil der Positionsbestimmungsvorrichtung aus 1 versehenes Fahrzeug zeigt;
4 schematisch ein Fahrzeug und die Vektorkomponenten der Beschleunigung entlang einer Kurve zeigt;
5, 6 und 7 schematisch Gleichungen und Diagramme zum rekursiven Berechnen ein Axialkomponente der Beschleunigung zeigt, umfassend einen Vorhersageschritt und einen Aktualisierungsschritt;
8 ein Diagramm eines Kalman-Filters zeigt, welches zum Erhalten der zweiten Axialbeschleunigung a_y verwendet wird;
9a ein Verarbeitungsmodul zeigt, das zum Gewinnen des Ortes eines Fahrzeuges in einer Umgebung verwendet wird;
9b ein Diagramm eines Kalman-Filters zeigt, welches in 9A verwendet wird;
10a und 10b ein Weiterverarbeitungsmodul, welches zum Erhalten des Ortes eines Fahrzeuges beziehungsweise ein weiteres schematisches Beispiel eines Kalman-Filters, welches im Modul in 10a verwendbar ist, zeigen;
11 ein Weiterverarbeitungsmodul zeigt, welches zum Gewinnen des Ortes eines Fahrzeuges verwendet wird;
12 einige Kurven-Diagramme zeigt, welche unter Verwendung eines Kalman-Filters gewonnen wurden, bezüglich eines kalibrierten Beschleunigungsdiagrammes, eines Gewinnes oder einer Empfindlichkeit beziehungsweise eines Versatzes unter Bezugnahme auf ein Nullraten-Niveau, wobei derartige Diagramme durch dieselbe Anmelderin detektiert worden sind;
13 und 14 schematisch eine Ausführungsform einer Navigationsvorrichtung des Hybrid-Typs und ein entsprechendes Ablaufdiagramm zeigen;
15 und 16 ein schematisches Blockdiagramm eines Teils einer Navigationsvorrichtung des Hybrid-Typs beziehungsweise ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren von Satellitensignalen zeigt;
17 einen Steuerungsfluss von durch ein Satellitensystem empfangenen Signalen zeigt;
18 ein generisches Diagramm eines IIR-Filters zeigt;
19–26 Bezugstabellen zeigen, welche zum Detektieren der Solidität der durch ein globales Satellitennavigationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung empfangenen Signale verwendet werden;
27, 28 und 29 entsprechende Diagramme zum Detektieren eines Fahrzeug-Ortes zeigen, welche durch dieselbe Anmelderin mittels eines Satellitennavigationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt worden sind.
1 zeigt schematisch eine Positionsbestimmungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, welche an einem Fahrzeug 2 installiert werden kann. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 ermöglicht es, eine gegenwärtige Position des Fahrzeuges, mit anderen Worten den Breitengrad, den Längengrad sowie die Höhe, zu einer gegenwärtigen Zeit t zu gewinnen und die Niveau-Differenz bezüglich einer absoluten Position relativ zu einer vorherigen Zeit t_t-1 zu berechnen.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 ermöglicht es, die 3D-Position zu berechnen, mit anderen Worten, eine dreidimensionale Position: Breitengrad, Längengrad und Höhe des Fahrzeuges 2 durch Verwenden eines Systems, welches zum Detektieren einer gegenwärtigen 2D-Position und zum Erzielen der Höhe des Fahrzeuges zu einer gegenwärtigen Zeit t aus einer vorhergehenden Höhe, die zu einem Zeitpunkt t_t-1 berechnet wurde, konfiguriert ist.
Das verwendete System ist vom mit Trägheitssensoren versehenen Koppelnavigations-Typ. In der vorliegenden Ausführungsform wird ebenso ein Nicht-Trägheitssensor wie ein Tachozähler-Sensor verwendet, der in der folgenden Beschriftung einfach als Tachozähler bezeichnet wird. Es ist hilfreich, festzuhalten, dass die Tachozähler-Information durch direktes Verbinden mit dem an dem Fahrzeug 2 installierten Analog-Tachozähler erhalten werden kann, oder sie kann detektiert werden durch Verbinden mit einem Datenbus des Fahrzeuges, CAN genannt, ein englisches Akronym, welches für „Controller Area Network” (Bereichssteuerungsnetzwerk) steht.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 umfasst ein Messmodul 20, das zum Detektieren einiger mit dem Fahrzeug 2 verknüpfter Daten geeignet ist, welches mit dem Fahrzeug 2 und mit einem Prozessorblock 15 verknüpft ist, welcher eine Verarbeitungseinheit 30 umfasst, die zum Verarbeiten der detektierten Daten konfiguriert ist, einen Abschätzer-Kalibrierer-Block 40, der mit einer Berechnungseinheit 44 versehen ist. Die Berechnungseinheit ist zum Abschätzen einer abgeschätzten gegenwärtigen Höhe, mit anderen Worten, eines abgeschätzten Anstiegswinkels p_a und einer gegenwärtigen Niveaudifferenz oder Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 in einem Zeitintervall Δt zwischen der gegenwärtigen Zeit und der vorhergehenden Zeit t_t-1 mittels einer rekursiven Berechnung konfiguriert.
Darüberhinaus umfasst die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 ein zum Abschätzen der gegenwärtigen 2D-Position des Fahrzeuges 2 zur gegenwärtigen Zeit t konfiguriertes Berechnungsmodul 50.
Das Messmodul 20 umfasst einen triaxialen Ausrichtungssensor 22, der zum Liefern einer ersten gemessenen Axialbeschleunigung a_z, einer zweiten gemessenen Axialbeschleunigung a_y sowie einer dritten gemessenen Axialbeschleunigung a_x zur gegenwärtigen Zeit t gemäß den Achsen eines kartesianischen Bezugssystems X, Y und Z konfiguriert ist.
Darüberhinaus umfasst das Messmodul 20 einen triaxialen Bewegungssensor 21, welcher, wie in 3 gezeigt, zum Liefern mindestens eines ersten Winkeländerungssignals ω_x, auch als Schlingerbewegungs-Veränderungssignal bekannt, eines zweiten Winkeländerungssignals ω_y, auch als Stampfbewegungs-Veränderungssignal bekannt, und eines dritten Winkeländerungssignals ω_z, auch als Gierbewegungs-Veränderungssignal bekannt, konfiguriert ist. Die drei Winkelsignale ω_x, ω_y und ω_z liefern für jede der Achsen des kartesianischen Bezugssystems X, Y und Z die Winkelrate über der Zeit. Die drei Winkelsignale ω_x, ω_y und ω_z sind proportional zu den entsprechenden triaxialen Winkelgeschwindigkeiten des Fahrzeuges 2 in dem Zeitintervall Δt und werden herkömmlicherweise in Radiant pro Sekunde ausgedrückt.
In einer Ausführungsform ist der Ortssensor 22 ein Beschleunigungsmesser, während der Bewegungssensor 21 ein Gyroskop ist, welche beide vorzugsweise in der ökonomischen MEMS-Technologie hergestellt sind.
Der triaxiale Beschleunigungsmesser 22 und das Gyroskop 21 sind in dem Messmodul 21 installiert und an dem Fahrzeug 2 angebracht, so dass die entsprechenden Achsen X, Y und Z in demselben kartesianischen Koordinatensystem angeordnet sind. Insbesondere sind die Achsen gemäß den Achsen eines Rahmens oder Fahrgestells des Fahrzeuges 2 orientiert, wobei die Ebene XY eine Ebene parallel zu der Ebene P der Erdoberfläche ist, auf welcher das Fahrzeug 2 liegt und sich bewegt, wie in 3 schematisch dargestellt. In einem derartigen Fall:

– ist die Achse X ein Vektor, der zu der XY Ebene gehört, die parallel zu der Längsachse des Fahrzeuges 2 ist und eine Richtung aufweist, die mit der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges 2 zusammenfällt. Im vorliegenden Zusammenhang entspricht das Konzept einer „longitudinalen” Bewegung des Fahrzeuges 2 dem Konzept einer „tangentialen” Bewegung des Fahrzeuges 2 bezüglich eines Pfades oder einer Spur 3 wie schematisch in 4 gezeigt;
– ist die Achse Y eine Vektornormale auf der Achse X und parallel zu einer transversalen Achse des Fahrzeuges 2. Im vorliegenden Zusammenhang entspricht die Bewegung entlang der Achse Y dem Konzept einer „zentripetalen” Bewegung des Fahrzeuges 2 bezüglich des Pfades 3;
– ist die Achse Z ein Vektor, der senkrecht mit einer Richtung, die der Ebene P abgewandt ist, auf der XY-Ebene steht. Die Achse Z entspricht im wesentlichen der Richtung der Gravitationsbeschleunigung, wenn die Ebene P, auf welcher das Fahrzeug 2 liegt, eine ebene Oberfläche ist.

In einer Ausführungsform kann die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 ein automatisches Kompensationsmodul für die Installation des Messmoduls 20 umfassen. Das nicht in den Figuren dargestellte Kompensationsmodul ist zum Berechnen von Versatzwinkeln für jede Achse konfiguriert, um die Achsen X, Y und Z des Messmoduls mit den Achsen des Fahrgestells des Fahrzeuges 2 auszurichten, um mögliche Fehler zu kompensieren, die durch die Installation des Messmoduls 20 verursacht werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Versatzwinkel durch Signale aus einem Satellitensystem gewonnen werden, wie es aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden wird.
Die Verarbeitungseinheit 30 ist zum Empfangen eines zu einer gemessenen Entfernung d, die das Fahrzeug in dem Zeitintervall Δt gefahren ist, proportionalen Abstandssignals s_odo von einem Tachozähler 11, der mit dem Fahrzeug 2 verknüpft ist, konfiguriert. Die Verarbeitungseinheit 30 ist ebenso zum Entgegennehmen des in dem Zeitintervall Δt gemessenen dritten Winkelsignals oder Gier-Veränderungssignals ω_z aus dem Messmodul 20 konfiguriert.
Die Verarbeitungseinheit 30 ist zum Liefern einer ersten Bezugsgeschwindigkeit oder tangentialen Geschwindigkeit ϑ_t,dr und einer ersten Bezugsbeschleunigung oder Tangentialbeschleunigung a_t,dr durch einmaliges bzw. zweimaliges Differenzieren des von dem Tachozähler 11 entgegengenommenen Distanzsignals S_odo konfiguriert gemäß den Gleichungen: (1) v_t,dr = ds_odo/dt (2) a_t,dr = dv_t,dr/dt
Ferner ist die Verarbeitungseinheit 30 zum Liefern einer zweiten Bezugsbeschleunigung oder Zentripetalbeschleunigung a_c,dr konfiguriert gemäß den Gleichungen (3) a_c,dr = ω_z·v_t,dr
Gemäß einer Ausführungsform wird angenommen, dass unter der besonderen Annahme, dass das Zeitintervall Δt in einem Bereich zwischen 0,05 s und 0,1 s enthalten und vorzugsweise gleich 0,05 s ist, die Bewegung des Fahrzeuges 2 in dem Zeitintervall Δt gleichförmig und zirkulär ist.
Die Verarbeitungseinheit 30 ist zum Liefern eines dritten Beschleunigungsbezugssignals g des Fahrzeuges 2 gemäß der Achse Z konfiguriert.
Der Abschätzer-Kalibrierer-Block 40 ist zum Entgegennehmen der gemessenen Axialbeschleunigungen a_x, a_y, a_z aus dem Beschleunigungsmesser 22 und zum rekursiven Kalibrieren einer ersten kalibrierten Beschleunigung â_t, einer zweiten kalibrierten Beschleunigung â_c und einer dritten kalibrierten Beschleunigung â_cg des Fahrzeuges 2, bezogen auf das Zeitintervall Δt, konfiguriert. (4) â_t = g_t(a_x – o_t) (5) â_c = g_c(a_y – o_c) (6) â_g = g_g(a_z – o_g) wobei:
a_x, a_y, a_z die erste, zweite beziehungsweise dritte Beschleunigung ist, unabhängig voneinander und durch den Beschleunigungsmesser 22 gewonnen;
g_t, g_c und g_g ein erster, zweiter beziehungsweise dritter Gewinnwert oder Skalenfaktor in der entsprechenden Achse ist, die es ermöglichen, den digitalen Ausgang in eine herkömmliche Maßeinheit zu konvertieren;
o_t, o_c, e, o_g ein erster, zweiter beziehungsweise dritter Niveauwert eines Nullratenniveaus ist und durch die Ausgänge des Beschleunigungsmessers 22 ohne Beanspruchung erzielt werden.
Der Abschätzer-Kalibrierer-Block 40 umfasst mindestens einen ersten Kalibrierer 43, der aufgrund der Werte der durch das Gyroskop 21 und durch den Tachozähler 11 gewonnenen Bezugsbeschleunigungen a_t,dr, a_c,dr, g und der Beschleunigungsschätzwerte zu einer vorhergehenden Zeit t_t-1. zum Kalibrieren der Axialbeschleunigungen a_x, a_y, a_z zur gegenwärtigen Zeit t fähig ist. Dies macht es möglich, die Fehler aufgrund des Beschleunigungsmessers 22 von den Axialbeschleunigungen a_x, a_y, a_z zu entfernen
Bekanntlich sind die Fehler im wesentlichen zweifach:

a) Der Fehler, der durch den Prozess des Herstellens des Beschleunigungsmessers 22 verursacht wird, und dies bedingt, dass die Kalibrierungs- oder Abgleichparameter im allgemeinen unterschiedlich von den Nominalwerten sind, die in dem entsprechenden Datenblatt erwähnt sind;
b) Der durch Umgebungsumstände verursachte Fehler, beispielsweise die Temperatur.

Es ist hifreich, festzuhalten, dass der Fehler (b) die Quelle eines über der Zeit veränderlichen Fehlers ist und daher nicht vorhersagbar ist, wohingegen der Fehler (a) über der Zeit konstant ist.
Gemäß einer Ausführungsform, die in den 5 bis 8 schematisch dargestellt ist, ist der erste Kalibrierer 43 definiert durch ein mathematisches Modell, welches einen ersten Kalman-Filter verwendet, der in der Lage ist, durch einen rekursiven Algorithmus den Wert zu bestimmen, der durch die Variablen angenommen wird, die den Zustand eines dynamischen Systems in einem gegenwärtigen Zeitpunkt t beschreiben, beginnend mit den gemessenen Eingängen und daher mit Rauschen versehen. Die Variablen des dynamischen Systems werden durch eine Messvariable Y, eine Eingangsvariable U und den Zustand des Systems zu einer vorherigen Zeit t_t-1 repräsentiert.
In der dargestellten Ausführungsform ist es möglich, durch die Ausgänge des ersten Kalman-Filters 41 die erste kalibrierte Beschleunigung â_t und die ersten Anpassungs- oder Kalibrierungsparameter des Beschleunigungsmessers 22 zu bestimmen, spezifisch der erste Gewinnabschätzwert g_t und der erste Niveauwert auf einem Nullratenniveau o_t.
Analog ist es möglich, die gegenwärtigen kalibrierten Beschleunigungen â_c, â_g und die entsprechenden ersten Kalibrierungsparameter zu bestimmen.
Zur Veranschaulichung wird die zweite axiale Beschleunigung a_y durch das erste Kalman-Filter 41 basierend auf den folgenden Vorhersage- (7) und Aktualisierungsgleichungen (8) kalibriert:
Derartige Gleichungen (7) und (8) beziehen sich auf die Vorhersage beziehungsweise Aktualisierung der Parameter des betrachteten mathematischen Modells, wobei die Messvariable Y die zweite Bezugsbeschleunigung a_c,dr ist, wohingegen die Eingangsvariable U die zweite Axialbeschleunigung a_y ist.
Die Matrix A ist eine dynamische Matrix und die Matrix A^T ist die transponierte Matrix zu A, P ist der Vektor, der die abgeschätzten Fehlerwerte repräsentiert, wohingegen der Ausdruck R Messrauschen genannt wird und eine Diagnolmatrix ist, die es ermöglicht, die Fehler zu modellieren, durch die verwendete Messung beeinfluss werden. Die Schätzwert-Matrix R bezieht sich auf Ungewissheiten über die Messungen und kann Werte darstellen, die durch den Konstrukteur geeignet gewählt werden oder die durch GNSS-Signale eines Satellitensystems erzielt werden, wie aus der folgenden Beschreibung besser deutlich werden wird.
Analoge Gleichungen können zum Kalibrieren entsprechend der ersten gemessenen Axialbeschleunigung a_x wie in 6 und 7 dargestellt beziehungsweise der dritten gemessenen Axialbeschleunigung a_z unter Verwendung des ersten modifizierten Kalman-Filters 41 oder unter Verwendung weiterer und getrennter erster Kalman-Filter erzielt werden.
Die Diagramme aus 12 repräsentieren einige Kurven, welche durch Verwenden des ersten Kalman-Filters 41 erzielt worden sind, wobei derartige Kurven sich auf die Kurve der kalibrierten Beschleunigung a_c, auch Querspur[-Beschleunigung] genannt, auf den Gewinn oder die Empfindlichkeit g_c beziehungsweise auf den Versatz o bezüglich eines Nullraten-Niveaus beziehen und es ermöglichen, die Solidität der kalibrierten Beschleunigungen â_t, â_c, â_g zu evaluieren. Durch von der Anmelderin ausgeführte Tests wurde beobachtet, dass der Filter sehr schnell die korrekten Gewinn- und Versatzwerte ermittelt. Beispielsweise werden, ausgehend von einem anfänglichen fehlerbehafteten Wert, innerhalb der ersten einhundert Sekunden der Bewegung des Fahrzeuges 2 die korrigierten Gleichgewichtszustandswerte von 0,5 × 10^–3 für den Gewinn und 615 für den Versatz bestimmt.
Darüberhinaus umfasst der Abschätzer-Kalibrierer-Block 40 die Berechnungseinheit 44, welche zum Berechnen des abgeschätzten Neigungswinkels p_a des Fahrzeuges 2 zur gegenwärtigen Zeit t als auch der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2, mit anderen Worten, der Differenz des Niveaus in dem Zeitintervall Δt im Hinblick auf die vorhergehende Position, konfiguriert ist. Die Berechnungseinheit 44 ist zum Entgegennehmen der kalibrierten Beschleunigungen â_t, â_c, â_g von dem ersten Kalibrierer 43 und des Gier-Veränderungssignals der Veränderung des Abstandsveränderungssignals ds_odo, mit anderen Worten, der in dem Zeitintervall Δt zurückgelegten Distanz, vom Gyroskop 21 konfiguriert.
Die durch die Berechnungseinheit 44 verwendeten trigonometrischen Formeln lauten: (12) p_a = Atan[â_t/sqrt(â_c ² + â_g ²)] (13) dh = ds_odo·tg(p_a)
Die konfigurierte Modellierung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht es, zuverlässige Werte des abgeschätzten Neigungswinkels p_a und Höhenveränderungen dh zu erzielen, die hinsichtlich durch den Beschleunigungsmesser 22 verursachter Fehler korrigiert sind.
Der Abschätzer-Kalibrierer-Block 44 kann auch eine Kompensationseinheit 45 umfassen, die zum Bestimmen eines Neigungswinkel-Versatzes p^_t zur gegenwärtigen Zeit t konfiguriert ist. Die Kompensationseinheit 45 ist zum Entgegennehmen des abgeschätzten Neigungswinkels p_a von der Berechnungseinheit 44 und zum Entgegennehmen des zweiten Winkelsignals ω_y von dem Gyroskop 21, gemessen in dem Zeitintervall Δt, konfiguriert.
Der Versatz des Neigungswinkels p^_t wird durch folgende Gleichung erzielt: (14) p^_t = p_t-1 + (ṗ_g – o_p)dt
Gemäß einer Ausführungsform verwendet die Kompensationseinheit 45 (9a) zum Erzielen des Versatzes des Neigungswinkels p^_t ein weiteres rekursives diskretes mathematisches Modell mit einem zweiten Kalman-Filter 46 (9b), wobei die Messvariable Y der abgeschätzte Neigungswinkel p^_t zur gegenwärtigen Zeit t ist, wohingegen die Eingangsvariable U ein Wert des Eingangs-Neigungswinkels ṗ_g ist, welche durch eine Skalierung des durch das Gyroskop 21 gemessenen zweiten Winkeländerungssignals ω_y durch einen Empfindlichkeitswert G erzielt wird. Das zweite Kalman-Filter 46 wird durch die folgenden Vorhersage- (14) und Aktualisierungs-Gleichungen (15) konfiguriert:
wobei:
G ein Empfindlichkeitswert ist, von dem angenommen werden kann, dass er gleich dem Empfindlichkeitswert für die Achse z des Gyroskops 21 ist, berechnet durch Einbeziehung von Kalibrierungswerten der Instrumente oder erzielt durch eine Kalibrierungsoperation mittels eines globalen Satellitennavigationssystems GNSS, das mit dem Gyroskop 21 gekoppelt werden kann;
dt das Zeitintervall zwischen zwei durch das Gyroskop 21 gemessenen Abtastwerten ist;
o_p der Versatzwert oder Kalibrierungsparameter des Gyroskops 21 in Bezug auf die Achse Y ohne Winkelrotationen ist;
p_t der abgeschätzte Neigungswinkel zur gegenwärtigen Zeit t ist.
Es ist zu beobachten, dass der Versatzwert des Gyroskops entlang der drei Achsen im allgemeinen unterschiedlich ist, während der Empfindlichkeitswert G generell entlang der Z-Achse ermittelt wird und von dem angenommen ist, dass er entlang der X- und Y-Achsen ähnlich ist, weniger abhängig ist von Umgebungsfaktoren wie beispielsweise der Temperatur. Darüberhinaus sind die Effekte der Langzeitintegration eines Fehlers auf den Wert G weniger schädlich als diejenigen eines Fehlers des Versatzwertes. In der Tat ist der Versatzfehler in den detektierten Messungen vorhanden, wohingegen der Gewinn-Fehler nur dann vorhanden ist, wenn es eine Änderung der Ausrichtung (beispielsweise eine Bewegung bezugnehmend auf das dritte Winkeländerungssignal ω_z) gibt.
Das zweite Kalman-Filter 46 ermöglicht es, die durch die Sensoren detektieren Werte durch Mittelwertbildung der Fehler, die bei singulärer Erwägung der durch das Gyroskop 21 und den Beschleunigungsmesser 22 gemessenen Werte auftreten könnten, mit einem Offset zu versehen. Der durch das Gyroskop 21 gemessene Wert könnte einem Mangel an Einheitlichkeit unterworfen sein, da er einem Fehler als einer Funktion der Umgebungstemperatur unterworfen ist, oder er könnte ebenso einen Drift-Wert umfassen, der, wenn man ihn nicht korrigiert, als eine Funktion der Zeit mit einem zunehmend relevanten Problem auftritt. Der durch den Beschleunigungsmesser 22 gemessene Wert ist einem Fehler als einer Funktion des Rauschens unterworfen, das im allgemeinen infolge der Vibration des Fahrzeuges 2 groß ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Abschätzer-Kalibrierer-Block 40 einen zweiten Kalibrierer 47, der zum Kalibrieren der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges und zum Erzielen einer kalibrierten Höhenveränderung dh_dr (10a) konfiguriert ist.
Der zweite Kalibrierer 47 ist zum Entgegennehmen des Versatz-Neigungswinkels p^_t aus der Kompensationseinheit 45 und des Abstandssignals S_odo aus dem Tachozähler 11 und zum Erzielen der kalibrierten Höhenveränderung dh_dr konfiguriert gemäß der Formel: (16) dh_dr = g_dhds_odosin(p^_t) wobei:
g_dh ein abgeschätzter Korrekturfaktor ist, mit anderen Worten, ein Skalenwert, der die Veränderung der Höhe dh betrifft, der zum Versetzen von Fehlanpassungen oder kleinen Ungenauigkeiten, die bei der Kalibrierung des Abstandssignals s_odo in der berechneten Steigung vorhanden sein können, verwendet wird;
p^_t der Neigungswinkel-Versatz ist.
Der zweite Kalibrierer 47 ist durch ein weiteres diskretes rekursives mathematisches Modell bestimmt, welches ein drittes Kalman-Filter 48 verwendet, in welchem die gemessene Variable Y eine vertikal gemessene Geschwindigkeit v_v ist, welche durch einen geeigneten Drucksensor gewonnen werden kann oder die durch das Satellitensystem GNSS geliefert werden kann, während die Eingangsvariablen U zwei und insbesondere das Abstandssignal s_odo und der Neigungswinkel-Versatz p^_t sind. Das dritte Kalman-Filter 48 (10b) ist durch die folgenden Vorhersagegleichungen (17) und durch die folgenden Aktualisierungsgleichungen (18) bestimmt:
wobei:
den Höhenveränderuns-Offset oder die Vertikalgeschwindikeit zur gegenwärtigen Zeit t repräsentiert;
ḣ_t die abgeschätzte Höhenveränderung zum gegenwärtigen Zeitpunkt t repräsentiert;
p^_t der Neigungswinkel-Versatz ist;
v die gemessene Horizontalgeschwindigkeit ist, berechnet durch das Abstandssignal ds_odo, erzielt durch den Tachozähler 11;
v_v die Vertikalgeschwindigkeit ist.
Es ist ersichtlich, dass die Vorhersagegleichungen 17 auf dem abgeschätzten Gewinnfaktor g_dh und auf den Eingangsvariablen U basieren, die der Neigungswinkel-Offset p^_t und das Abstandssignal S_{_odo} sind.
Das Berechnungsmodul 50 ist daher zum Entgegennehmen der Veränderung des Höhenversatzes dh_dr aus dem zweiten Kalibrierer 47 und zum Erzielen eines abgeschätzten Höhenwertes h_dr,t zur gegenwärtigen Zeit t konfiguriert, welcher ein Höhenwert des Absoluttyps ist, erzielt durch Integration mit der Gleichung: (19) h_dr^(t) = h_dr(t-1) + h_dr(t-1)
Offensichtlich wird der abgeschätzte Höhenwert h_dr,t durch die Formel 19 durch das Berechnungsmodul 50 selbst mittels eines absoluten Höhenbezuges, welcher durch den geeigneten Drucksensor h_pres(t) oder durch das Satellitensystem GNSS geliefert werden kann, korrigiert.
Das Berechnungsmodul 50 kann zum Modellieren durch eine Vorhersage und eine Aktualisierung der gegenwärtigen Variablen ein weiteres rekursives mathematisches Modell verwenden. Das weitere mathematische Modell ermöglicht es, den Höhenwert h_t zur gegenwärtigen Zeit t durch die abgeschätzten Höhenwerte gemäß der folgenden Gleichung zu berechnen: (20b) h_dr(t) = α·h_dr^(t) + (1 – α)·h_pres(t) in Anwesenheit eines Drucksensors or (20a) h_dr(t) = α·h_dr^(t) + (1 – α)·_gnss(t) in Anwesenheit eines GNSS-Satelliten-Systems
Alternativ kann das Berechnungsmodul 50 ein fünftes Kalman-Filter beinhalten, wobei die Messvariable Y die durch die durch den Drucksensor h_pres(t) oder durch die durch ein globales Satellitensystem GNSS gelieferten Satellitensignale gelieferte vorherige Höhe erzielte detektierte absolute Höhe h ist und wobei die Eingangsvariable U der Höhenveränderungs-Offset dh_dr ist.
Die erzielte Positionsbestimmungsvorrichtung ermöglicht es, alternativ zu den bekannten Lösungen die Differenz des Höhenniveaus eines Fahrzeuges durch Kalibrieren und Verschieben der durch die Instrumente gewonnen Messungen durch eine Vorhersage und eine Aktualisierung derselben zu erzielen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ebenso ein globales Satellitennavigationssystem GNSS des Hybrid-Trägheits-Typs, umfassend eine Konstellation von Satelliten, die zum Liefern einer Mehrzahl von elektromagnetischen Satellitensignalen an mindestens eine Navigationsvorrichtung 100 konfiguriert sind, welches einen Satellitenempfänger 3 umfasst. Die Navigationsvorrichtung 100 umfasst eine Positionsbestimmungsvorrichtung 1, welche gemäß dem hergestellt worden ist, was vorstehend beschrieben und veranschaulicht wurde. In der folgenden Beschreibung werden Teile und Einzelheiten, die bereits zuvor beschrieben und gezeigt sind, durch die gleichen Bezugsnummern und Zeichen angezeigt.
Der Satellitenempfänger 3 ist von einem an sich bekannten Typ, konfiguriert zum Empfangen und Verarbeiten der durch die Satelliten gelieferten elektromagnetischen Satellitensignale, und konfiguriert zum Extrahieren entsprechender Ausgangssignale aus dem Satellitensignalen: Pseudostrecke (i) Doppler (i), Cn0 (i) betreffend das Fahrzeug 2.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das in 13 veranschaulichte Navigationssystem das Messmodul 20, das zum Detektieren einiger mit einem Fahrzeug 2 in einem Zeitintervall Δt zwischen einer gegenwärtigen Zeit t und einer vorhergehenden Zeit t_t-1 verknüpfter Daten durch den Bewegungssensor oder durch das Gyroskop 21 und durch den Ausrichtungssensor oder durch den Beschleunigungsmesser 22 geeignet ist. Darüberhinaus umfasst die Navigationsvorrichtung 100 den Prozessorblock 15, der mit der Verarbeitungseinheit 30 versehen ist, die zur Verarbeitung der detektierten Daten des Abschätzer-Kalibrierer-Blocks 40 konfiguriert ist, umfassend die Berechnungseinheit 44 und das Berechnungsmodul 50, die zum Abschätzen der gegenwärtigen 2D-Position zum gegenwärtigen Zeitpunkt t und einer Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 konfiguriert sind.
Insbesondere umfasst der in 14 veranschaulichte Prozessorblock der Navigationsvorrichtung 100 einen zum Empfangen der Ausgangssignale Pseudostrecke (i), Doppler (i), Cn0 (i) von dem Empfänger 3 und zum Extrahieren aus den selben einige gegenwärtige Parameter, Position P_t, Geschwindigkeit V_t und Zeit t betreffend das Fahrzeug 2 und zum Abschätzen der Seriosität der empfangenen Satellitensignale und ebenfalls der Zuverlässigkeit der detektieren Daten und Informationen konfigurierten Verarbeitungsblock. Darüberhinaus ist der Verarbeitungsblock 5 zum Berechnen von Qualitäts-Metriken der extrahierten Parameter PST: Ort, Geschwindigkeit und Zeit konfiguriert.
Unter Bezugnahme auf die 15–26 wird im folgenden eine Ausführungsform sowie ein Berechnungsverfahren des Verarbeitungsblockes 5 beschrieben.
In der Erwägung, dass die Anzahl der Satelliten gleich N ist, empfängt der Verarbeitungsblock 5 vom Empfänger 3 N Paare einer Pseudostrecken-Messung φ(i) und eine Doppler-Messung d(i).
Die Pseudostrecken-Messung φ(i) ist repräsentativ für das durch das Signal beanspruchte Zeitintervall, um das Fahrzeug 2 vom Satelliten aus zu erreichen, wobei eine derartige Pseudostrecken-Messung φ(i) durch einen mittleren Pseudostrecken-Fehler σ RMS / φ betroffen ist, welcher durch den Verarbeitungsblock 5 als eine Funktion der Messungen von allen Satelliten abgeschätzt wird.
Darüberhinaus empfängt der Verarbeitungsblock 5 vom Empfänger 3 und für jeden der Satelliten einen Parameter, der die Stärke des empfangenen Signales c_n0(i) mißt und ebenso den Parameter HDOP, ein englischsprachiges Akronym, das für „Horizontal Dilution of Precision” („horizontale Genauigkeitsverdünnung”) steht, einen Parameter, der eine Angabe über die Anordnung der geometrischen Konstellation der Satelliten bereitstellt.
Der Verarbeitungsblock 5 empfängt von dem Tachozähler-Sensor 11 das Geschwindigkeitssignal v_odo, das aus den Distanzsignal s_odo abgeleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Verarbeitungsblock 5 ein Berechnungsmodul PVT_GNSS 661 sowie ein Qualitätsevaluationsmodul 62, welches die Parameter Pseudostrecken-Messung φ(i), die Dopplermessung d(i) und die Signalstärkemessung c_n0(i) entgegennimmt.
Das Berechnungsmodul PVT_GNSS 61 ist zum Entegennehmen auf eine an sich bekannte Art und Weise, aber unter Verwendung von Abschätzungsalgorithmen, beispielsweise durch Kalman-Filter, der Parameter des Fahrzeuges 2 wie etwa der gegenwärtigen Position P_t, der gegenwärtigen Geschwindigkeit V_t und der gegenwärtige Zeit t konfiguriert.
Das Qualitätsevaluationsmodul 62 umfasst gemäß der Ausführungsform, die in 15 veranschaulicht ist, eine Trägheitsanalyseeinheit 63, eine Berechnungseinheit 64, eine Vertrauenseinheit 65 und eine GNSS Einheit 66 zum Abschätzen des Rauschens in den GNSS-Messungen.
Das Qualitätsevaluationsmodul 62 ermöglicht es, Parameter die etwa einen Breitengrad-Fehler r_λ, einen Längengrad-Fehler r_ϕ sowie einen Höhenfehler r_θ, zu erzeugen, welche unmittelbar durch den Abschätzer-Kalibrierer-Block 40 und durch das Berechnungsmodul 50 zum Erzielen der Abschätzung der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges verwendet werden, wie aus der folgenden Beschreibung besser deutlich werden wird.
Die Trägheits-Analyseeinheit 63 ist zum Analysieren der durch den Empfänger 3 empfangenen Signal und zum Erhalten der GNSS-Bedingung „Akezptieren/Zurückweisen” konfiguriert. Ein Steuerungsfluss 71 der Trägheits-Analyseeinheit 63 ist in dem Diagramm der 17 angegeben. Wenn die GNSS-Bedingung den Wert „Zurückweisen” annimmt, wird die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 zum Berechnen der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 ohne Verwendung des GNSS-Signals konfiguriert, wie vorstehend beschrieben. Für den Fall, dass die GNSS-Bedingung „Aktzeptiert” lautet, werden die empfangenen GNSS-Signale durch die Berechnungseinheit 64 durch beispielsweise ein IR-Filter 73 erster Ordnung, schematisch in 18 repräsentiert, verarbeitet, und wobei x_k die gegenwärtige Eingangsvariable, y_k die gegenwärtige Ausgangsvariable und y_k-1 die vorhergehende Ausgangsvariable und y₀ ein Eingang für einen Initialisierungsparameter ist. Die Übertragungsfunktion des IIR-Filters 73 wird durch die Gleichung repräsentiert:
wobei der gegenwärtige Ausgang y_k durch Aufsummieren von zwei Komponenten erzielt wird:

1) des vorhergehenden Ausganges y_k-1, moduliert durch den Koeffizienten α;
2) ein neuer Eingang x_k, moduliert mit dem Koeffizienten β, wobei der Koeffizient β gleich (α – 1) ist.

Der Koeffizient α wird Gedächtnis des IR-Filters 73 genannt und bestimmt, inwieweit der gegenwärtige Ausgangswert x_k durch den vorherigen Ausgang y_k-1 beeinflusst wird.
Die Berechnungseinheit 64 ist zum Berechnen, getrennt und unabhängig voneinander, von mindestens einem ersten Eingangsparameter x1, einem zweiten Eingangsparameter x2 und einem dritten Eingangsparameter x3 sowie zum Liefern entsprechender Anzeiger konfiguriert. Insbesondere wird durch Filtern des ersten Eingangsparameters x1 ein Fehler der abgeschätzten Genauigkeiten der GNSS-Position ε_λ,Φ erzielt: (22) ε_λ,ϕ = IIR(σ RMS / ρ·HDOP) wobei σ RMS / ρ der RMS-Wert des Pseudostrecken-Fehlers und HDOP die horizontale Verdünnung der Vorhersage ist.
Es ist hilfreich festzuhalten, dass der RMS-Wert aus der Aufsummierung der Quadrate der Fehler der durch die Satelliten empfangene Signale, dem Berchnen der Quadratwurzel aus einer derartigen Summe und der Division durch die Anzahl der Satelliten besteht.
Das Filtern des zweiten Eingangsparamters x2 erzeugt einen Genauigkeitsfehler ε_v der abgeschätzten GNSS-Geschwindigkeit: (23) ε_v = IIR(σ RMS / d·HDOP) wobei σ RMS / ρ der RMS-Wert des Dopplerfehlers ist.
Durch Versorgen des IIR-Filters 73 mit dem dritten Eingangsparameter x3 wird eine Angabe des Träger-zu-Rauschen-Verhältnisses cn0 erzielt: (24) cn₀ = IIR( 1 / CΣ C / c=1cn_0c) wobei 1 / CΣ C / c=1cn_0c ein Mittelwert der Signalstärke cn0 zwischen allen verfolgten Satelliten ist.
Dann wird die GNSS-Abschätzungs-Einheit 66 zum Verifizieren des abgeschätzten Präszisionsfehlers der GNSS-Position ε_λ,Φ des Präzisionsfehlers ε_v der abgeschätzten GNSS-Geschwindigkeit sowie des Träger zu Rauschen-Verhältnisses cn0 konfiguriert, mit weiteren Indikatoren, die durch die Vertrauenseinheit 65 zum Bestimmen der Bedingungen und der Solidität der GNSS-Signale mit einer Mehrzahl von Bezugswerten/Schwellenwerten geliefert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vertrauenseinheit 65 zum Bestimmen eines ersten Vertrauenswertes γ_λ,Φ betreffend die Satellitenpositionen als einer Funktion eines gefilterten Fehlermaßes konfiguriert. Der erste Vertrauenswert γ_λ,Φ ist durch folgende Gleichung bestimmt, (25) γ_λ,ϕ = Σ 1 / j=0a_j/b_j wobei die Parameter a und b der Aufsummierung beispielsweise in der Tabelle in 19 angegeben sind, wobei
b₀ der mittlere Pseudostrecken-Fehler σ RMS / ρ ist mit einer Gewichtung a₀ = 100 und
b₁ der HDOP-Parameter ist mit einer Gewichtung a₁ = 10.
Die Vertrauenseinheit 65 ist ebenso zum Bestimmen eines zweiten Vertraunswertes γ_ϑ der detektierten Geschwindigkeit des Fahrzeuges 2 konfiguriert, der als eine Differenz in Absolutwerten zwischen einer durch das GPS gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem durch den Tachozähler 11 entgegengenommenen Geschwindigkeitswert v_odo gemäß folgender Formel definiert ist: (26) γ_ϑ = |v_GPS – vodo|
Der zweite Vertrauenswert γ_ϑ wird mit einem Minimal-Schwellenwert S_γϑ ^MIN verglichen und, falls er größer ist als der Schwellenwert, wird der GNSS-Geschwindigkeitswert zum Berechnen der Höhenveränderung dh herangezogen. In einer Ausführungsform kann die GNSS-Messung als akzeptabel einbezogen werden, wenn die detektierte Geschwindigkeit größer als der Minimal-Schwellenwert S_γϑ ^MIN = 3 [m/s] ist.
Die GNSS-Abschätzungseinheit 66 des Rauschens der GNSS-Messungen ist zum Berechnen der Solidität der empfangenen GNSS-Signale und deren möglichem Gebrauch konfiguriert. Gemäß einer Ausführungsform wird der erste Vertrauenswert γ_λ,Φ der Satellitenposition durch empirisches Festlegen des zugehörigen Bereiches, wie in Tabelle 21 gezeigt, mit ersten Bezugstabellen verglichen, beispielsweise derjenigen, die in 20 gezeigt ist, wobei:

– das Minimalvertrauen durch den unteren Bereich bei einer ersten Niveaulinie A bestimmt ist: γ_λ,ϕ < Γ min / λ,ϕ
– das Maximalvertrauen durch einen oberen Bereich an einer zweiten Niveaulinie B bestimmt ist: γ_λ,ϕ ≥ Γ max / λ,ϕ
– das mittlere Vertrauen durch den Bereich bestimmt wird, der zwischen der ersten Niveaulinie A und der zweiten Niveaulinie B umfasst ist: Γ min / λ,ϕ < γ_λ,ϕ < Γ max / λ,ϕ

In der Tabelle in 20 ist der Maximalvertrauensbereich größer als der Wert Γ_λ,Φ ^max = 24, und der Minimalvertrauensbereich ist kleiner als der Wert Γ_λ,Φ ^min = 17.
Wenn der erste Vertrauenswert γ_λ,Φ ist:

– Minimum: die von den Satelliten empfangenen GNSS-Signale werden zurückgewiesen und werden nicht zum Berechnen der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 verwendet;
– Mittelwert: die von den Satelliten empfangen GNSS-Signale werden teilweise für die Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 verwendet;
– Maximum: die GNSS-Signale beeinflussen wesentlich die Berechnung zum Bestimmen der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2.

Die Tabelle in 20 zeigt einige Kurven 1, 2 und 5 betreffend den HDOP-Wert, und es ist möglich, zu beobachten, dass für den gleichen Pseudostrecken-Wert der HDOP-Wert umso höher ist, je niedriger das Vertrauen ist.
Die GNSS-Abschätzungs-Einheit 66 ist auch zum Bestimmen eines Fehlers oder einer Unsicherheit der GNSS-Messungen konfiguriert. Gemäß einer Ausführungsform wird der Fehler r_λ des Längengrades durch die Gleichung (27) berechnet, wohingegen der Fehler r_Φ durch die Gleichung (28) berechnet wird: (27) r_λ = w_λ,ϕα²(σ_λ,ϕ + σ_cn0 + σ_HPE + σ RMS / ρ·HDOP)² (28) r_ϕ = w_λ,ϕβ²(σ_λ,ϕ + σ_cn0 + σ_HPE + σ RMS / ρ·HDOP)² wobei
w_λ,Φ ein erster Verstärkungsfaktor betreffend die Position der Satelliten und ein Wert ist, der als Funktion der Zugehörigkeitsregion des ersten Vertrauenswertes γ_λ,Φ durch geeignete zweite Tabellen, wie etwa die in 24, erzielt wird;
α und β festgelegte Werte sind, die aus geeigneten Tabellen abgelesen werden können;
σ_λ,Φ ein Fehler ist, der die Position der Satelliten betrifft;
σ_cn0 ein Fehler ist, der die Signalstärke des empfangenen GNSS-Signals betrifft;
σ_HPE ein Fehler ist, der durch einen unter dem Akronym HPE bekannten Horizontalpositionsfehler erzielt wird;
σ RMS / ρ der Pseudostrecken-Fehler ist;
HDOP die horizontale Vorhersage-Abschwächung ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Fehler r_λ des Längengrades einbezogen, wenn das Träger-zu-Rauschen-Verhältnis cn0, mit anderen Worten, die Stärke des empfangenen GNSS-Signals, kleiner als 32 dB ist, wohingegen der Fehler r_Φ des Längengrades einbezogen wird, wenn die Genauigkeit ε_λ,Φ der abgeschätzten GNSS-Position, berechnet durch die Funktion 22, größer als 150 m ist. Derartige Parameter werden durch die Berechnungseinheit 64 festgelegt.
Die Berechnungseinheit 64 ist zum Festlegen des Kursfehlers oder der Horizontalrichtung r_θ konfiguriert, welche, in einer Ausführungsform durch folgende Formel berechnet wird: (29) r_ϑ = w_ϑ(r_s + r_Δϑ) wobei:
w₀ ein zweiter Rausch-Fehler ist, der sich auf die Position der Satelliten bezieht und ein Wert ist, der als eine Funktion des Zugehörigkeitsbereiches des ersten Vertrauenswertes γ_λ,Φ durch geeignete dritte Tabellen, beispielsweise durch die in 25 gezeigte Tabelle, erzielt wird.
Der Wert r_s moduliert den Fehler betreffend die Fahrzeuggeschwindigkeit und wird durch folgende Gleichung erzielt: (30) r_s = d·αtan(μ/v_odo) wobei d ein Wert ist, der unter Bezugnahme auf die Solidität des GNSS-Doppler-Signals eingefügt wird und insbesondere evaluiert wird, wenn gilt: σ RMS / d·HDOP > 2 m/s μ eine Konstante ist;
V_odo der Geschwindigkeitswert ist, der durch den Abstandswert d_odo erzielt wird, welcher von den Tachozähler 11 entgegengenommen wird.
In dem in 26 dargestellten Diagramm ist das Rauschen der Messungen betreffend die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeuges 2 dargestellt. Bekanntlich sind die durch die GNSS-Signale, die durch die Satelliten gesendet werden, erzielten Messungen um so genauer und präziser, je höher die Fahrzeuggeschwindigkeit ist.
Zusammenfassend liefern das Berechnungsmodul PVT_GNSS 61 und das Qualitätsevaluationsmodul 62 die folgenden Parameter:

– die Position P, die gegenwärtige Geschwindigkeit V und die gegenwärtige Zeit t, und ebenso:
– den Fehler r_λ des Breitengrades, den Fehler r_Φ des Längengrades sowie den Kursfehler r_ϑ.

Insbesondere der Fehler r_λ des Breitengrades, der Fehler r_Φ des Längengrades sowie der Kursfehler r_ϑ werden als Werte verwendet, um festzulegen:

– die Matrix R der Messungen ist insbesondere die Diagonalmatrix, welche entlang ihrer Diagonalen die Vorhersagefehler r_λ, r_Φ und r_ϑ aufweist und die in den oben erwähnten Aktualisierungsgliechungen 8, 15 und 18 zum Gewinnen der Aktualisierungswerte für die Zustandsvariablen verwendet wird.
– die Matrix Q, mit anderen Worten, die Matrix des Prozessrauschens, ermöglicht es, die Ungenauigkeit der Kalibrierung der verwendeten Sensoren zu modellieren.

Die Berechnung der Veränderung der Höhenveränderung dh und daher der absoluten Höhe h wird daher im wesentlichen analog zu dem, was vorstehend beschrieben wurde, durch einen Abschätzer-Kalibrierer-Block 140 durchgeführt, der analog zu dem vorstehend beschriebenen Abschätzer-Kalibrierer-Block 40 die durch den Verarbeitungsblock 5 erzielten Parameter verwendet.
Dank der Präsenz der Trägheitsanalyseeinheit 63 in dem Qualitätsevaluationsmodul 62 werden die durch gegenwärtigen GNSS-Satellitensignale erzielten Parameter P_t, V_t, T_t nur in dem Fall verwendet, in dem die A/R-Bedingung akzeptiert lautet.
In diesem Fall ist das Berechnungsmodul PVT_GNSS zum Liefern eines Wertes der erzielten gegenwärtigen Vertikalgeschwindigkeit v_v,gnss an den zweiten Kalibrierer 47 und ebenso zum Liefern eines detektierten Höhenwertes h_GNSS an das Berechnungsmodul 50 konfiguriert.
Darüberhinaus ist unter Bezugnahme auf 14 das Berechnungsmodul PVT_GNSS 61 des Verarbeitungsblockes 5 zum Liefern der Parameter P_t, V_t, T_t welche durch die Ausgangssignale Pseudostrecke (i), Doppler (i), Cn0 (i) erzielt wurden, an einen dritten Kalibrierer 51 konfiguriert. Insbesondere ermöglicht es der dritte Kalibrierer 47, eine Empfindlichkeit G des Gyroskops 21 durch Verwenden der gegenwärtigen Information oder von Satellitenmessungen als Bezug abzuschätzen.
Der dritte Kalibrierer 51 ist konfiguriert, um das dritte Winkelveränderungssignal w_z oder den Gier-Winkel, gemessen durch das Gyroskop 21, von dem Messmodul 20 entgegenzunehmen, und zum Entgegennehmen der Parameter P_t, V_t, T_t sowie des Breitengrades r_λ, des Längengrades r_ϑ und des Höhenfehlers r_Φ von dem Verarbeitungsblock und zum rekursiven Berechnen durch ein mathematisches rekursives Modell eines kalibrierten Gier-Winkels ω r_z. Insbesondere ermöglicht es der dritte Kalibrierer 51, mögliche durch das Gyroskop, welches GNSS-Satelitten-Signale verwendet, eingeführte Fehler zu korrigieren.
Das durch den dritten Kalibrierer 51 verwendete mathematische Modell kann ein weiteres Kalman-Filter 51 sein, ein Kleinstquadrat-Algorithmus oder ein Alpha-Filter oder ein IIR-Filter.
Der Abschätzer-Kalibrierer-Block 140 kann auch noch einen vierten Kalibrierer 52 umfassen, der zum Entgegennehmen des Abstandssignals s_odo von dem Tachozähler 11 und zum Entgegennehmen des gegenwärtigen Geschwindigkeitssignals V_t von dem Berechnungsmodul PVT_GNSS 61 zum rekursiven Berechnen eines kalibrierten Abstandswertes s^ konfiguriert ist. Der vierte Kalibrierer 52 kann ein weiteres rekursives mathematisches Modell verwenden, welches ein weiteres Kalman-Filter, ein Kleinstquadrat-Algorithmus, oder ein Alpha-Filter oder ein IR-Filter sein kann. Der vierte Kalibrierer 52 ist ebenso zum Berechnen einer kalibrierten Geschwindigkeit v^, die aus dem kalibrierten Abstandswert s^ gewonnen wird, den das Fahrzeug 2 in dem Zeitintervall Δt zurückgelegt hat, konfiguriert.
Unter Bezugnahme auf die Navigationsvorrichtung 100 des Trägheits-Hybrid-Typs wird nun ein Beispiel des Verfahrens 200 zum Detektieren von GNSS-Satelliten-Signalen, wie in 16 schematisch dargestellt, beschrieben.
Die Navigationsvorrichtung 100 empfängt (150) die GNSS-Satelliten-Signale, die zum Berechnen analysiert (160) werden, beispielsweise für das Berechnungsmodul PVT_GNSS 61, Parameter wie etwa: die gegenwärtige Position P_t, die gegenwärtige Geschwindigkeit V_t sowie die gegenwärtige Zeit t des Fahrzeuges 2.
Die empfangenen GNSS-Satelliten-Signale werden ebenso zum Berechnen (200) von Parametern verwendet wie etwa: eines Fehlers r_λ des Breitengrades, eines Fehlers r_Φ des Längengrades, eines Kursfehlers r_ϑ, um die Qualität der durch die empfangenen GNSS-Satelliten-Signale zum Beispiel durch ein Qualitätsevaluationsmodul 62 ausdrücken zu können.
Gemäß einer Ausführungsform liefert die Berechnung (200) der Qualität eine Prä-Evaluation (210) zum Vergleichen der empfangenen GNSS-Signale mit geeigneten Schwellenwerten und zum Bestimmen, basierend auf dem Wert des Vergleiches, einer Bedingung akzeptieren/zurückweisen, die identifiziert, ob die GNSS-Signale für aktzeptabel gehalten werden und daher analyisiert werden oder ob sie zurückgewiesen werden.
In einer Ausführungsform könnte die Prä-Evaluation (210) vor der Analyse (160) zum Berechnen der Parameter durchgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf die akzeptierten GNSS-Signale liefert die Qualitätsberechnung (200) eine Signalmetrik (220) zum Evaluieren durch beispielsweise die Berechnungseinheit 64, ob die durch die GNSS-Signale erzielten Parameter zuverlässig sind oder nicht. In einer Ausführungsform verwendet die Signalmetrik (220) das IR-Filter 73 erster Ordnung, das schematisch in 18 dargestellt und vorhergehend beschrieben ist, welches separat und voneinander unabhängig filtert:

– den ersten Eingangsparameter (x1) zum Erzielen der abgeschätzten Genauigkeit der GNSS-Position ε_λ,Φ. (22) ε_λ,ϕ = IIR(σ RMS / ρ·HDOP) wobei σ RMS / ρ der RMS-Wert des Pseudostrecken-Fehlers und HDOP die Horizontalabschwächung der Vorhersage ist.
– den zweiten Eingangsparameter (x2) zum Erzielen der Genauigkeit ε_v der abgeschätzten GNSS-Geschwindigkeit: (23) ε_v = IIR(σ RMS / d·HDOP) wobei σ RMS / ρ der RMS-Wert des Doppler-Fehlers ist.
– des dritten Eingangaparameters (x3) zum Erzielen des Träger-Rauschen-Verhältnis cn0: (24) cn₀ = IIR( 1 / CΣ C / c=1cn_0c) wobei 1 / CΣ C / c=1cn_0c ein Mittelwert der Signalstärke cn0 unter allen verfolgten Satelliten ist.

Darüberhinaus liefert die Qualitätsberechnung (200) eine Vertrauensdefinition (230) der berechneten Parameter durch beispielsweise die Vertrauenseinheit 65, worin sie einen ersten Vertrauenswert γ_λ,Φ als eine Funktion der Position der Satelliten durch Erwägung des gefilterten Fehlermaßes liefert, und einen zweiten Vertrauenswert γ_ϑ als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Vertrauenswert γ_λ,Φ definiert durch folgende Gleichung: (25) γ_λ,ϕ = Σ 1 / j=0a_j/b_j wobei die Parameter a und b der Aufsummierung beispielsweise in der Tabelle aus 19 angegeben sind.
Der zweite γ_ϑ Vertrauenswert γ_ϑ wird als Absolutwert der Differenz zwischen dem gegenwärtigen Geschwindigkeitsparameter V_t und der dem Tachozähler 11 entgegengenommenen Geschwindigkeit gemäß der folgenden Gleichung berechnet: (26) γ_ϑ = |v_GPS – vodo|
Nachdem der erste Vertrauenswert γ_ϑ berechnet worden ist, falls der Vergleichsschritt verifiziert, dass der zweite Vertrauenswert γ_ϑ größer als ein Minimal-Schwellenwert ist, liefert die Qualitätsberechnung (200) zum Berechnen des Rauschens der GNSS-Messwerte (240) zum Bestimmen durch geeignete Vergleiche die Seriosität S MIN / γϑ = 3[ m / s] der empfangenen GNSS-Signale und deren möglichen Gebrauch. In einer Ausführungsform wird die Berechnung des Rauschens der GNSS-Messungen (240) durch die GNSS-Einheit 66 erzielt, die das Rauschen von GNSS-Messungen abschätzt.
Die Berechnung des Rauschens der GNSS-Messungen (240) liefert das Vergleichen des ersten Vertrauenswertes γ_λ,Φ der Position der Satelliten mit einem Minimal-Schwellenwert sowie mit einem Maximal-Vertrauensschwellenwert, um die drei Zugehörigkeitsbereiche zu bestimmen, wie in 20 dargestellt, gemäß der Tabelle aus 21, worin:

– Minimalvertrauen, ein Bereich unterhalb einer ersten Niveaulinie A γ_λ,ϕ < Γ min / λ,ϕ die von den Satelliten empfangenen GNSS-Signale werden zurückgewiesen und werden nicht zum Berechnen der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 verwendet;
– Maximalvertrauen, ein Bereich oberhalb einer zweiten Niveaulinie B: γ_λ,ϕ ≥ Γ max / λ,ϕ die GNSS-Signale beeinflussen wesentlich die Berechnung zum Bestimmen der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2;
– Mittleres Vertrauen, ein zwischen der ersten Niveaulinie A und der zweiten Niveaulinie B eingeschlossener Bereich: Γ min / λ,ϕ < γ_λ,ϕ < Γ max / λ,ϕ

Die von den Satelliten empfangenen GNSS-Signale werden teilweise für die Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 verwendet.
In der Tabelle aus 20 ist der Maximal-Vertrauensbereich größer als der Wert Γ_λ,Φ ^max = 24, und der Minimal-Vertrauensbereich ist kleiner als der Wert Γ_λ,Φ ^min = 17.
Darüberhinaus ermöglicht die Berechnung des Messrauschens GNSS (240), dass der Fehler r_λ des Breitengrades, der Fehler r_Φ des Längengrades und der Höhenfehler r_θ bestimmt werden kann.
In einer Ausführungsform wird der Fehler r_λ des Breitengrades evaluiert, wenn das Träger-zu-Rauschen-Verhältnis cn0, mit anderen Worten, die Stärke des empfangenen GNSS-Signals, kleiner als 32 dB ist, wohingegen der Fehler r_Φ des Längengrades einbezogen wird, wenn die Genauigkeit ε_λ,Φ der abgeschätzten GNSS-Position, berechnet durch die Funktion 22, größer als 150 m ist.
Gemäß einer Ausführungsform sieht die Berechnung des Rauschens der GNSS-Messungen (240) den Gebrauch der vorstehend beschriebenen folgenden Gleichungen 27–29 vor: (27) r_λ = w_λ,ϕα²(σ_λ,ϕ + σ_cn0 + σ_HPE + σ RMS / ρ·HDOP)² (28) r_ϕ = w_λ,ϕβ²(σ_λ,ϕ + σ_cn0 + σ_HPE + σ RMS / ρ·HDOP)² (29) r_ϑ = w_ϑ(r_s + r_Δϑ)
Die Parameter: gegenwärtige Position P_t, gegenwärtige Geschwindigkeit V_t und die gegenwärtige t des Fahrzeuges 2 und ebenso der Fehler r_λ des Breitengrades, der Fehler r_Φ des Längengrades und der Höhenfehler r_θ werden zum Berechnen der Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 herangezogen.
Das Berechnungsverfahren (200) ermöglicht es insbesondere durch den Fehler r_λ des Breitengrades, durch den Fehler r_Φ des Längengrades und durch den Höhenfehler r_θ die Matrix R des Messrauschens zu bestimmen, die auf geeignete Weise in den vorstehend beschriebenen Aktualisierungsgleichungen 8, 15 und 18 zum Erzielen der Aktualisierungswerte der Zustandsvariablen verwendet wird, um die erste Höhenveränderung dh des Fahrzeuges 2 unter Heranziehung der entsprechenden Kalman-Filter 41, 46 und 48 oder anderer Filter wie vorstehend beschrieben zu berechnen.
Darüberhinaus leistet es das Berechnungsverfahren (200), die Matrix Q festzulegen, die Matrix des Rauschens.
Die Parameter: gegenwärtige Position P_t, gegenwärtige Geschwindigkeit V_t und die gegenwärtige Zeit t werden durch die Berechnung der GNSS-Signale (160) gewonnen und zum Bestimmen der einzuführenden Werte in den vorstehend identifizierten Gleichungen verwendet, die geeignet sind zum Kalibrieren der Messwerte, die durch die Instrumente oder Bezugssensoren empfangen werden: Beschleunigungsmesser 22, Gyroskope 21 und Tachozähler 11.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung, wie dargestellt und beschrieben, überwindet die Nachteile des Standes der Technik und ermöglicht es, die das Höhenniveau h eines Fahrzeuges in absolutem Ausdrücken und zuverlässig und positiv die Veränderungen der Höhe oder des Niveaus dh in dem Zeitintervall Δt sowohl in Abwesenheit des GSNN-Satellitensignals auch in dessen Anwesenheit zu bestimmen. Insbesondere wird die durch den Abschätzer-Kalibrierer-Block abgeschätzte Höhe automatisch von den thermischen Effekten abgesetzt und ist unabhängig von durch die verwendeten Instrumente eingeführten Fehlern.
Darüberhinaus ist der Abschätzer-Kalibrierer-Block der Positionsbestimmungsvorrichtung effizient trotz der Verwendung von kostengünstigen Trägheitssensoren. In der Tat ist es hilfreich, festzuhalten, dass die Messdaten abgeschätzt und kalibriert werden, um die Genauigkeit der erzielten Höhe durch Dämpfen von möglichen Fehlern zu verbessern, welche durch Versatz und Empfindlichkeitsveränderungen verursacht werden, welche die Instrumente als eine Funktion der Temperatur und ihrer Alterung aufweisen können.
Darüberhinaus ermöglicht es der Abschätzer-Kalibrierer-Block, Kalibrierungswerte vorherzusagen und zu kodieren, die auf diese Art und Weise den gleichen Trägheitssensoren durch Vorprogrammierung oder durch Abspeichern derselben in einem Datenblatt zur Verfügung gestellt werden können, auf diese Weise eine schnellere und leichtere Berechnung der absoluten Höhe und von Differenzen im Niveau des Fahrzeuges ermöglichend.
Darüberhinaus können das Satellitennavigationssystem und die Positionsbestimmungsvorrichtung eine Anwendung in den Automobil- und Telematikfeldern (gebührenpflichtige Straßen, Versicherungen und Notrufe), bei der Assistenz automatischem oder autonomem Fahren und bei der Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation und ebenso im Bereich der Robotik finden, um die Position eines beweglichen Fahrzeuges/einer beweglichen Plattform auch im Falle von schwachen oder abwesenden GNSS-Signalen zu bestimmen. Weitere Anwendungsbereiche liegen in der Navigation. Die Anwendungsbereiche als Beispiele und in nicht beschränkender Weise angegeben.
Experimentelle Resulate
Die Anmelderin konnte die Positionsbestimmungsvorrichtung durch Hardware und Software beispielsweise durch Verarbeitung durch GNSS-Daten implementieren. Die Anmelderin konnte eine Positionsbestimmungsvorrichtung implementieren und diese für einige Tests verwenden unter Verwendung als Hardware: STA8088, A3G4250D, AIS328DQ derselben Anmelderin und eines analogen Tachometers und durch Verwenden eines Sechs-Achsen IMU-Sensors des A3G4250D Modells für das Gyroskop 21 und des Modells AIS328DQ für den Beschleunigungsmesser 22, getestet durch ein Softwaresimulationssystem. Die Seriosität dessen, was beschrieben worden ist, kann durch Erwägung der Resultate der abgeschätzten Höhe durch die vorliegende Positionsbestimmungsvorrichtung evaluiert werden durch Verwendung von lediglich den Trägheitssensoren, die in den 27–29 gezeigt sind, worin die Linie 1 die Resultate ohne Beitrag der GNSS-Signale anzeigt und die Linie 2 die Resultate anzeigt, die durch den Beitrag der GNSS-Signale erzielt worden sind. Der Pfad der Kurve in 27 zeigt eine spiralförmige Trägheitsrampe mit drei aufwärtsgerichteten Schleifen und auf den Endpunkt hin einer Rampe mit drei abwärtsgerichteten Schleifen, und es ist möglich, zu detektieren, dass die Linie zwei eine Länge aufweist, in der die Höhe konstant bleibt, einen gestörten Empfang des GNSS-Signals anzeigend, während die Linie 1 die Höhenveränderung korrekt detektiert.
Anstelledessen veranschaulicht 28 die Simulation von Daten eines zweiten Beispieles, in dem die gleichen Hardware und Software-Instrumente des in 27 gezeigten Beispieles verwendet werden.
Der Pfad weist einen Tunnel auf einer Straße auf, welche eine Steigungsveränderung hat. Es ist evident, dass die Linie 1 die Steigungsveränderung auch auf der ersten Länge mit dem Tunnel identifiziert, während diese nicht in der Linie 2 gezeigt ist, ferner in dem zentralen Segment, in welchem die Linien 1 und 2 sich überlappen.
Anstelledessen veranschaulicht 29 die Simulationsdaten eines dritten Beispieles, in dem die gleichen Hardware und Software Instrumente des in 27 gezeigten Beispiels verwendet werden.
Der Pfad erstreckt sich auf einem Untergrundparkplatz mit einem Höhenunterschied, wobei die GNSS-Signale nicht verfügbar sind wie durch die Linie 2 in 29 gezeigt, wohingegen die Linie 1 die durch die Trägheitssensoren detektierte Änderung der Höhe identifiziert.
Die vorgeschlagene Technik ermöglicht es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und durch eine genaue und effiziente Abschätzung die 3D-Position des Fahrzeuges durch Erzielen der Höhe nur durch Trägheitssensoren ohne Beeinflussung der Berechnungskomplexität des Berechnungsalgorithmus.
Insbesondere ermöglicht es die Positionsbestimmungsvorrichtung, die Fahrzeugposition unabhängig von dem Empfang der GNSS-Satelliten-Signale zu detektieren.

Claims

Positionsbestimmungsvorrichtung eines Fahrzeuges (2), umfassend: – ein mit dem Fahrzeug (2) verknüpfbares und mit einem zum Liefern gemessener Axialbeschleunigungen (a_x, a_y, a_z) in einem kartesianischen Bezugssystem (X, Y, Z) während eines Zeitintervalles (Δt), das zwischen einer vorherigen Zeit (t_t-1) und einer gegenwärtigen Zeit (t) enthalten ist, konfigurierten triaxialen Ausrichtungssensor (22) versehenes Messmodul (20), das mit einem triaxialen Bewegungssensor (21) versehen ist, der konfiguriert ist, um mindestens ein Winkeländerungssignal (ω_x, ω_y, ω_z) proportional zu der axialen Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges (2) während des Zeitintervalls (Δt) zu liefern; – eine zum Entgegennehmen eines zu der von dem Fahrzeug (2) in dem Zeitintervall (Δt) zurückgelegten Distanz proportionalen Entfernungssignals (s_odo) und zum Entgegennehmen des mindestens einen Winkeländerungssignals (ω_x, ω_y, ω_z), konfigurierte Verarbeitungseinheit (30), die konfiguriert ist, mindestens eine Bezugsbeschleunigung (α_t,dr, α_c,dr, g) des Fahrzeuges (2) zu liefern; – einen Abschätzer-Kalibrierer-Block (40), der zum rekursiven Abschätzen mindestens einer kalibrierten Beschleunigung (â_t, â_c, â_g) als einer Funktion der gemessenen Winkelbeschleunigung (a_x, a_y, a_z) sowie der mindestens einen Bezugsbeschleunigung (α_t,dr, α_c,dr, g) konfiguriert ist; – wobei der Abschätzer-Kalibrierer-Block (40) eine Berechnungseinheit (44) umfasst, die zum Berechnen einer Höhenveränderung (dh) als einer Funktion des Distanzsignals (s_odo) und eines rekursiv als einer Funktion von mindestens einer kalibrierten Beschleunigung (â_t, â_c, â_g) berechneten abgeschätzten Neigungswinkels (p_a) konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschätzer-Kalibrierer-Block (40) einen ersten Kalibrierer (43) umfasst, welcher konfiguriert ist, rekursiv und getrennt voneinander eine erste (â_t), eine zweite (â_c) sowie eine dritte kalibrierte Beschleunigung (â_g) und entsprechende Kalibrierungsparamter (g_t, g_c, g_g, o_t, o_c, o_g) des Ausrichtungssensors (22) durch ein diskretes rekursives mathematisches Modell zu berechnen, welches Vorhersagegleichungen (7) und Aktualisierungsgleichungen (8) umfasst, die als Funktion einer ersten (a_x), einer zweiten (a_y), und einer dritten (a_z) gemessenen Axialbeschleunigung, einer ersten (a_t,dr), einer zweiten (a_c,dr) und einer dritten Bezugsbeschleunigung (g) sowie abgeschätzter Fehlerwerte (P, R) berechnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abschätzer-Kalibrierer-Block (40) eine Kompensationseinheit (45) umfasst, welche konfiguriert ist, aus dem zweiten Winkeländerungssignal (ω_y) einen Eingangs-Neigungswinkel (p ._g) zu berechnen und durch ein diskretes rekursives mathematisches Modell (14, 15) einen Steigungsversatzwinkel (p^_t) des Fahrzeuges (2) sowie einen Kalibrierungsparameter (o_p) des Bewegungssensors (21) als Funktion des abgeschätzten Neigungswinkels (p_a) zu bestimmen, welcher durch die Berechnungseinheit (44) zur gegenwärtigen Zeit (t) aus dem Eingangs-Neigungswinkel (p ._g) erhalten wurde.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abschätzer-Kalibrierer-Block (40) einen zweiten Kalibrierer (47) umfasst, welcher konfiguriert ist, eine gemessene Vertikalgeschwindigkeit (v_v) des Fahrzeuges (2), den Steigungsversatzwinkel (p^_t) sowie das Distanzsignal (s_odo) entgegenzunehmen, wobei der zweite Kalibrierer (47) konfiguriert ist, durch ein drittes rekursives mathematisches Modell einen abgeschätzten Gewinnfaktor (g_dh) und ebenso eine kalibrierte Höhenveränderung (d_hdr) zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner ein Berechnungsmodul (50) umfassend, welches konfiguriert ist, rekursiv einen abgeschätzten Höhenwert (h_dr,t) zur gegenwärtigen Zeit (t) zu berechnen als einer Funktion der kalibrierten Höhenvariation (dh_dr) und eines abgeschätzten Höhenwertes (dh_dr,t-1) zu der vorhergehenden Zeit (t_t-1).
Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der vorstehend genannten Ansprüche, wobei jedes von dem ersten Kalibrierer (43), der Kompensationseinheit (45) und dem zweiten Kalibrierer (47) als ein diskretes rekursives mathematisches Modell konfiguriert ist, welches einen Kalman-Filter oder einen Alpha-Filter oder einen Kleinstquadrat-Algorithmus umfasst.
Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der vorstehend genannten Ansprüche, wobei der Ausrichtungssensor (22) ein Beschleunigungsmesser ist und der Bewegungssensor (21) ein Gyroskop ist, wobei der Beschleunigungsmesser (22) und das Gyroskop (22) mit der mikroelektromechanischen Systemtechnologie (MEMS) hergestellt sind.
Vorrichtung nach irgendeinem oder mehrerer der vorstehend genannten Ansprüche, umfassend ein Kompensationsmodul, welches konfiguriert ist, Versatzwinkel für jede Achse des Messmoduls (20) zu berechnen, um die Achsen X, Y und Z des kartesianischen Bezugssystems des Messmoduls (20) mit den Achsen des Fahrgestells des Fahrzeuges (2) zu fluchten und/oder dadurch, dass das Messmodul (20) einen Drucksensor umfasst, der konfiguriert ist, den abgeschätzten Höhenwert (h_dr,t-1) des Fahrzeuges (2) zu der vorhergehenden Zeit (t_t-1) zu messen.
Globales Satellitennavigationssystem, umfassend eine Konstellation von Satelliten, die konfiguriert ist, um eine Mehrzahl von Satellitensignalen an mindestens eine Navigationsvorrichtung (100) zu liefern, welche einen Satellitenempfänger (3) umfasst, welcher konfiguriert ist, aus den Satellitensignalen entsprechende Ausgangssignale (Pseudostrecke (i), Doppler (i), Cn0 (i)) zu extrahieren, wobei die Navigationsvorrichtung (100) eine gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8 implementierte Positionsbestimmungsvorrichtung (1) umfasst, und umfassend einen Verarbeitungsblock (5), der mit einem Berechnungsmodul PVT_GNSS (61) versehen ist, welcher konfiguriert ist, aktuelle Informationen (P_t, V_t, T_t) des Fahrzeuges (2) zu erhalten, und ein Qualitätsevaluationsmodul (62), welches konfiguriert ist, Fehlerparameter (r_λ, r_Φ, r_ϑ) der Ausgangssignale (Pseudostrecke (i), Doppler (I), Cn0 (i)) zu erzielen.
Verfahren zum Detektieren von Satellitensignalen eines Satellitennavigationssystems mit zwei oder mehr Satelliten, umfassend: – Empfangen (150) einer Mehrzahl von Satellitensignalen von den zwei oder mehr Satelliten und Analysieren (160) der Mehrzahl von Satellitensignalen zum Gewinnen von mit dem Fahrzeug (2) verknüpften Parametern, wobei die Parameter eine gegenwärtige Position (P_t), eine gegenwärtige Geschwindigkeit (V_t) sowie eine gegenwärtige Zeit (t) umfassen; gekennzeichnet durch – Vor-Evaluieren (210) der Mehrzahl von Satellitensignalen durch Vergleichen jedes Satellitensignals mit Schwellenwerten und Bestimmen, basierend auf dem Vergleich, einer Bedingung des Akzeptierens/Zurückweisens der Satellitensignale; wobei die Vor-Evaluation umfasst: – Bestimmen einer Signalmetrik (220) und Evaluieren, basierend auf der Signalmetrik (220), ob die Parameter zuverlässig sind, wobei die Signalmetrik (220) einen Filteradapter (73) umfasst, um die Parameter zum Festlegen mindestens einer abgeschätzten Genauigkeit einer Satellitenposition (ε_λ,Φ), eines Genauigkeitsfehlers (ε_v) der abgeschätzten Satellitengeschwindigkeit, eines Träger-zu-Rauschen-Verhältnisses (cn0) zu verarbeiten; – Bestimmen eines Vertrauens (230) der Parameter durch Bestimmen eines ersten Vertrauenswertes (γ_λ,Φ) als einer Funktion der Position der Satelliten und eines zweiten Vertrauenswertes (γ_ϑ) als einer Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeuges (2); – Vergleichen des zweiten Vertrauenswertes (γ_ϑ) mit einem Schwellenwert und, basierend auf dem Ergebnis des Vergleiches, durchführen: – Berechnen des Rauschens der GNSS-Messungen (240) durch Liefern eines Minimalvertrauens-Schwellenwertes (Γ_λΦ ^min) und eines Maximalvertrauensschwellenwertes (Γ_λΦ ^max) zum Bestimmen eines Zurückweisungsbereiches der GNSS-Messungen, eines Zwischenbereiches sowie eines Akzeptanzbereiches der GNSS-Messungen, Vergleichen des ersten Vertrauenswertes (γ_λ,Φ) mit den Bereichen und Bestimmen eines Zugehörigkeitsbereiches für den ersten Wert, Berechnen des Rauschens der GNSS-Messungen (240) durch ebenso Festlegen eines Breitengrad-Fehlers (r_λ), eines Längengrad-Fehlers (r_Φ) sowie eines Höhenfehlers (r_ϑ), wobei die Fehler bestimmt werden als einer Funktion des Zugehörigkeitsbereiches des ersten Wertes und der durch die Signalemetrik (220) erzielten Werte.
Detektionsverfahren nach Anspruch 10, angepasst zur Verwendung in einem globalen Satellitensystem, das gemäß Anspruch 9 implementiert ist, gekennzeichnet durch – Verwendung des gegenwärtigen Positionsparameters (P_t), der gegenwärtigen Geschwindigkeit (V_t) und der gegenwärtige Zeit (t), des Breitengrad-Fehlers (r_λ), des Längengrad-Fehlers (r_Φ) sowie des Höhenfehlers (r_ϑ) zum Berechnen der Höhenveränderung (dh) des Fahrzeuges (2).