DE102018203644A1 - Verfahren zur satellitengestützten Bestimmung der Position eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zur satellitengestützten Bestimmung der Position eines Fahrzeugs (1), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Empfangen mindestens eines Car-to-X-Kommunikationssignals (4), das von einem Kommunikationspartner (2) ausgesendet wurde, b) Bestimmen einer Relativposition (3) zu dem Kommunikationspartner(2) unter Verwendung der Laufzeit des Car-to-X-Kommunikationssignals (4).

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur satellitengestützten Bestimmung der Position eines Fahrzeugs. Solche Verfahren sind insbesondere für den Betrieb von autonomen (selbstfahrenden) Fahrzeugen anwendbar. Sie können aber auch für jedes Navigationssystem in einem konventionellen Fahrzeug eingesetzt werden.
• Die Genauigkeit der satellitengestützten Bestimmung einer Position ist für die Verwendbarkeit von solchen Fahrzeugen insbesondere beim autonomen Fahren ausgesprochen wichtig. Nur wenn die Position exakt bekannt ist können hierauf basierend Entscheidungen hinsichtlich des autonomen Fahrbetriebs getroffen werden.
• Offenbarung der Erfindung
• Hier beschrieben werden soll einen Verfahren zur satellitengestützten Bestimmung der Position eines Fahrzeugs, umfassend zumindest folgende Schritte:
1. a) Empfangen mindestens eines Car-to-X-Kommunikationssignals (4), das von einem Kommunikationspartner ausgesendet wurde,
2. b) Bestimmen einer Relativposition zu dem Kommunikationspartner unter Verwendung der Laufzeit des Car-to-X-Kommunikationssignals.
• Das Verfahren ist insbesondere in einem Fahrzeug, das zumindest teilweise automatisiert betrieben wird oder für den Betrieb von hochentwickelten Fahrerassistenzsystemen verwendbar.
• Ein zumindest teilweise automatisiert betriebenes Fahrzeug ist ein Fahrzeug, bei dem die gesamte oder zumindest Teile der Fahraufgabe von Fahrzeugsystemen übernommen wird. Wird die gesamte Fahraufgabe übernommen so spricht man von einem vollautomatisiert betriebenen Fahrzeug, das ohne einen menschlichen Fahrer auskommen würde. Das Fahrzeug fährt dabei automatisiert, indem es beispielsweise den Straßenverlauf, andere Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse selbständig erkennt und die entsprechenden Steuerbefehle im Fahrzeug berechnet sowie diese an die Aktuatoren im Fahrzeug weiterleitet, wodurch der Fahrverlauf des Fahrzeugs entsprechend beeinflusst wird. Ein menschlicher Fahrer ist bei einem vollautomatisiert betriebenen Fahrzeug nicht an der Fahraufgabe beteiligt.
• Fahrerassistenzsysteme sind elektronische Zusatzeinrichtungen in Fahrzeugen zur Unterstützung des Fahrers in bestimmten Fahrsituationen. Hierbei stehen oft die Steigerung des Fahrkomforts, aber auch Sicherheitsaspekte im Vordergrund.
• Ein weiterer Aspekt, der für den Einsatz von Fahrerassistenzsystemen spricht ist, die Verbesserung der Ökonomie des Fahrzeugbetriebs. Fahrerassistenzsysteme greifen teilautonom oder autonom in Antrieb, Steuerung (z. B. Gas, Bremse) oder Signalisierungseinrichtungen des Fahrzeuges ein oder warnen durch geeignete Mensch-Maschine-Schnittstellen den Fahrer kurz vor oder während kritischer Situationen. Derzeit sind die meisten Fahrerassistenzsysteme so konzipiert, dass die Verantwortung beim Fahrer bleibt und dieser damit nicht entmündigt wird. Durch die Verwendung des beschriebenen Verfahrens kann die Verantwortung für den Betrieb des Fahrzeugs mehr vom Fahrer weg, hin zu den Fahrerassistenzsystemen verlagert werden, weil komplexere und präzisere Daten für den Fahrzeugbetrieb zur Verfügung stehen.
• Für den Betrieb von Fahrerassistenzsystemen sind präzise Informationen erforderlich. Für die Gewinnung dieser Informationen spielt die Umfeldsensorik zur Überwachung des Umfeldes des Kraftfahrzeuges eine wichtige Rolle. Für Fahrerassistenzsysteme kommen verschiedene Arten von Umfeldsensorik zum Einsatz. Folgende Auflistung benennt die wichtigsten Arten der Umfeldsensorik im Kraftfahrzeug:
• - Ultraschall (insbesondere bekannt aus der Verwendung in Einparkhilfen)
• - Radar (beispielsweise eingesetzt für Spurwechselassistenten und automatische Abstandswarner)
• - Lidar (Eingesetzt für die Totwinkel-Überwachung, automatische Abstandswarner, Abstandsregelung, Pre-Crash und Pre-Brake)
• - Kameras (insbesondere eingesetzt für Spurverlassenswarnung, Verkehrszeichenerkennung, Spurwechselassistent, Totwinkel Überwachung, Notbremssystem zum Fußgängerschutz)
• Das Verfahren setzt auf Car-to-X-Kommunikationssignale. Car-to-X-Kommunikationssignale werden insbesondere im Zusammenhang mit der sogenannten Car-to-X Communication eingesetzt.
• Unter Car-to-Car Communication (Car2Car oder C20) wird also der Austausch von Informationen und Daten zwischen Kraftfahrzeugen verstanden. Ziel dieses Datenaustausches ist es, dem Fahrer frühzeitig kritische und gefährliche Situationen zu melden.
• Car-to-X Communication ist eine Abwandlung der sogenannten Car-to-Car- Communication die die Kommunikation von Kraftfahrzeugen im Verkehr untereinander betrifft. Durch das X wird ausgedrückt, dass hier eben nicht nur die Kommunikation eines Kraftfahrzeugs mit anderen Fahrzeugen, sondern gerade auch die Kommunikation eines Kraftfahrzeugs mit Nicht-Kraftfahrzeug-Kommunikationspartnern (beispielsweise stationären Stationen) erfasst ist.
• Im Rahmen der Car-to-Car Communication können Kraftfahrzeuge anderen Kraftfahrzeugen beispielsweise Daten betreffend ABS Eingriffe, Lenkwinkel, Position, Richtung, Geschwindigkeit etc. senden. Diese Daten werden anderen Kraftfahrzeugen über Car-to-X-Kommunikationsmittel bereitgestellt. Dies ermöglicht es einem Fahrzeug, dem Fahrzeugführer bzw. insbesondere hochentwickelten Assistenzsystemen und Systemen für den autonomen Fahrbetrieb vorausschauende Entscheidungen zu treffen.
• Unter Car-to-X-Kommunikationsmittel sind vorliegend Kommunikationsmittel für den Einsatz zur Kommunikation eines Fahrzeugs mit anderen Fahrzeugen bzw. mit seiner Umgebung zu verstehen. Dazu bieten sich drahtlose Kommunikationsmittel wie Funk, WLAN, GSM, LTE udgl., insbesondere in deren Ausgestaltungen für den Automobil-Bereich an.
• Dabei wird die „Sichtweite“ des Fahrers durch Car-to-Car-Kommunikation gewissermaßen mit elektronischen Mitteln verlängert.
• Car-to-X Communication umfasst neben der Car-to-Car Communication ,insbesondere auch Car-to-Infrastructure-Kommunikation. Unter Car-to-Infrastructure (CZI) wird der Austausch von Daten zwischen einem Fahrzeug und der umliegenden Infrastruktur (z.B. Lichtzeichenanlagen) verstanden.
• Die verschiedenen genannten Technologien (autonomes Fahren, hochentwickelte Assistenzsysteme und Car-to-X Communication) basieren auf dem Zusammenwirken von Sensoren der verschiedenen Verkehrspartner.
• Das beschriebene Verfahren wird insbesondere in einem Sensormodul eingesetzt, welches auch als kombinierter Bewegungs- und Positionssensor bezeichnet werden kann. Im Folgenden ist teilweise von korrigierten Positionen bzw. von Korrigiergierten -Positionsdaten die Rede. Hiermit sind jeweils Positionen bzw. Positionsdaten gemeint, die mit einem kombinierter Bewegungs- und Positionssensor ermittelt wurden.
• Der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor ist ein Sensor bzw. ein Steuergerät, welches insbesondere für das automatisierte Fahren verwendet werden kann und welches hochgenaue Fahrzeugpositionen mit Hilfe von Navigationssatellitendaten (GNSS-Daten, beispielsweise aus den Systemen GPS, GLONASS, Beidou, Galileo) bereitstellt. Darüber hinaus verarbeitet ein solcher Sensor verschiedenste Korrekturdaten, die insbesondere von so genannten Korrekturdiensten im Sensor bereitgestellt werden und mit welchen die Positionsbestimmung über Navigationssatelliten erheblich verbessert wird.
• Das hier beschriebene Verfahren betrifft letztlich Maßnahmen, die in einem kombinierte Bewegungs- und Positionssensor -Sensormodul durchgeführt werden können. Die GNSS-Daten können von einem in dem kombinierte Bewegungs- und Positionssensor - enthaltenen GNSS-Modul bestimmt werden. Es ist auch möglich, dass zur Bestimmung der GNSS-Daten ein externes GNSS-Modul verwendet wird und die GNSS-Daten von dem Modul bzw. Steuergerät, welches das beschriebene Verfahren ausführt, empfangen werden. Die Verfahrensschritte a) und b) betreffen Maßnahmen, die im kombinierte Bewegungs- und Positionssensor r gegebenenfalls nachgelagert zu einer Positionsbestimmung mittels GNSS-Daten durchgeführt werden. Besonders bevorzugt erfolgt eine Positionsbestimmung mittels GNSS-Daten einem dem Schritt a) vorgelagerten schritt a.0). Durch die nachfolgende Durchführung der Schritte a) und b) können die im Schritt a.0) empfangenen GNSS-Daten für eine besonders präzise Positionsbestimmung verwendet werden.
• Besonders bevorzugt wird zusammen mit den empfangenen GNSS-Daten im kombinierte Bewegungs- und Positionssensor auch eine hochgenaue Uhrzeit (Universal Time) eingelesen und für die genaue Positionsbestimmung verwendet.
• Besonders bevorzugt ist, wenn das Car-to-X-Kommunikationssignal einen Zeitstempel aufweist.
• Die hochgenaue Uhrzeit wird ggf. als Zeitstempel in das Car-to-X-Kommunikationssignal kodiert.
• Durch das hier beschriebene kombinierte Bewegungs- und Positionssensormodul sind Fahrzeuge in der Lage ihre Position auf einer Karte sehr viel genauer zu bestimmen als dies nur unter Verwendung von (reinen, nicht korrigierten) GNSS-Daten möglich wäre. Diese Ausgangsposition auf welcher die Bestimmung der hochgenauen Position letztlich basiert, ist (wie bereits beschrieben) aus GNSS Satellitendaten bestimmt.
• Durch das beschriebene Verfahren kann insbesondere erreicht werden, dass ein kombinierter Bewegungs- und Positionssensor nach dem Einschalten des Fahrzeugs nur eine sehr kurze Zeitspanne (beispielsweise weniger als eine Minute oder sogar weniger als einige Sekunden, beispielsweise weniger als 5 Sekunden) braucht, um seine absolute Position zu bestimmen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Fahrzeug seine Position zwischen dem Aus- und wieder Einschalten verändert hat (z.B. durch Transport auf einer Fähre). In diesem Fall hilft es auch nicht die letzte Position des kombinierte Bewegungs- und Positionssensors vor dem Ausschalten im Fahrzeug zu speichern und nach dem Einschalten wieder zu laden, da sich das Fahrzeug an einem anderen Ort befindet. Durch das beschriebene Verfahren kann dieses Problem gelöst werden.
• Durch das hier beschriebene Verfahren wird es möglich die Positionsbestimmung mit einem kombinierten Bewegungs- und Positionssensor in einem Fahrzeug zu verbessern.
• Die Verfahrensschritte a) und b) bilden letztlich eine alternative Positionsbestimmung in einem kombinierten Bewegungs- und Positionssensor, die parallel zu einer üblichen Positionsbestimmung aus GNSS-Satellitendaten (beispielsweise im weiter oben beschriebenen Schritt a.0) . Die mit dem kombinierten Bewegungs- und Positionssensor ermittelte GNSS-Position kann schneller initialisiert werden und außerdem kann die mit dem VMPS-Sensor ermittelte GNSS basierte Position mit dem beschriebenen Verfahren (insbesondere mit den Verfahrensschritten a und b)) von Zeit zu Zeit im laufenden Betrieb plausibilisiert werden.
• Darüber hinaus kann mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens eine weg driftende kombinierte Bewegungs- und Positionssensor -Position zuverlässig erkannt werden. Eine weg driftende Position ist eine bestimmte Position deren Fehler kontinuierlich (und dadurch nur schwer verifizierbar) verschoben wird.
• In einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens erfolgt mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens eine schnellere Initialisierung einer Startposition nach einem Neustart eines Positionssensors bzw. des Fahrzeugs. In diesem Fall wird die Fahrzeugposition zumindest grob bis auf wenige Meter genau bestimmt und damit ein Kalman-Filter initialisiert.
• Das Kalman-Filter (auch: Kalman-Buch-Filter, Stratonovich-Kalman-Bucy-Filter oder Kalman-Bucy-Stratonovich-Filter) ist ein mathematisches Verfahren. Die Schätzung des Zustands sollte möglichst auf der Kenntnis aller früheren Beobachtungen beruhen. Dabei ist ein minimaler Schätzfehler zu fordern, der durch die bereits gemachten Beobachtungen nicht zu verbessern sein soll. Für lange Messreihen wird das entsprechende mathematische Minimierungsproblem schnell unhandlich, da für jede Schätzung die gesamte Messreihe ausgewertet werden muss. Die Idee, die dem Kalman-Filter zugrunde liegt, ist nun, die Schätzung zum Zeitpunkt k als lineare Kombination der vorangegangenen Schätzung mit dem neuen Messwert z_k zu formulieren. Dies ist möglich, da die Schätzung zum Zeitpunkt k-1 die Informationen der Messreihe z_k-1, z_k-2... z₁ enthält. Diese rekursive Formulierung des Schätzproblems erlaubt eine effiziente rechentechnische Umsetzung. Ein solcher Kalman-Filter wird bevorzugt in einem dem Schritt c) nachgelagerten Verfahrensschritt d) verwendet um die GNSS-Satellitendaten mit der in Schritt c) bestimmten Relativposition und weiteren Werten zu plausibilisieren.
• Die Initialisierung der Startposition und des Kalman-Filters kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen:
1. (1) Über eine Car-to-X-Kommunikationsschnittstelle werden A-GPS Daten aus einem Mobilfunknetz an das Fahrzeug übertragen. Aus diesen Daten extrahiert der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor seine ungefähre Position und initialisiert sich bzw. den Kalman-Filter selbst.
2. (2) Über die Laufzeit der Car-to-X Communication ausgehend von bestimmten Infrastrukturpunkten erfolgt eine initiale Positionsbestimmung im kombinierten Bewegungs- und Positionssensor. Die Car-to-X-Kommunikationssignale enthalten dabei Zeitstempel sowie die hochgenaue Position des entsprechenden Infrastrukturpunkts in der Welt. Der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor bestimmt nun seine Startposition mit Hilfe mehrerer Car-to-X-Kommunikationssignale und deren Laufzeiten und den enthaltenen Positionen des Infrastrukturpunkts. Diese Startposition wird zur Initialisierung des kombinierten Bewegungs- und Positionssensor bzw. des Kalman-Filters verwendet.
3. (3) Über einen Datenaustausch zu weiteren Fahrzeugen über eine Car-to-X-Kommunikationsschnittstelle werden die Positionen der weiteren Fahrzeuge im eigenen Fahrzeug eingelesen (Position, Geschwindigkeit, Zeit). Außerdem wird die Lage des eigenen Fahrzeugs relativ zu den umliegenden Fahrzeugen mit Hilfe von Umfeldsensoren oder aus den Laufzeiten der Car-to-X-Kommunikationsdaten der Einzelfahrzeuge bestimmt. Der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor berechnet seine eigene Position hochgenau in der Welt aus diesen Eingangsdaten zur Initialisierung und/oder ein Kalman-Filter wird mit diesen Eingangsdaten initialisiert.
4. (4) Über eine Car-to-X-Kommunikationsschnittstelle erfolgt die Übertragung des Almanachs der GNSS Satelliten in der Gegend in der sich das Fahrzeug befindet. Dadurch weiß der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor bereits, welche Satelliten sichtbar am Himmel sind und kann schneller seine eigene Position bestimmen, da die Datenverarbeitung in der Signalkette optimiert wird, indem nur die Satelliten ausgewertet werden, die auch sichtbar sind. Auch die so ermittelten Daten können zur Initialisierung des Sensors verwendet werden, damit dieser schneller reagieren kann.
• Wie im weiter oben schon beschriebenen Verfahren bestimmt der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor seine Position relativ zu den weiteren Kommunikationspartnern (1) bis (4) mit Hilfe der Laufzeit der Kommunikationssignale, wobei die Kommunikationssignale mit hochgenauen Zeitstempeln versehen werden. In den Daten der Infrastrukturpunkte, welche an das Fahrzeug gesendet werden, sind dabei die hochgenauen Positionsdaten der Infrastrukturpunkte enthalten. Durch die Kenntnis der hochgenauen Infrastrukturpunktepositionen, sowie den Relativpositionen der Infrastrukturpunkte, kann der Sensor hochgenau bezüglich seiner Startposition initialisiert werden, oder die Sensorpositionen können hochgenau über der Zeit plausibilisiert werden.
• Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn das Car-to-X-Kommunikationssignal Positionsdaten des Kommunikationspartners aufweist bzw. enthält. Diese Positionsdaten können in dem Kommunikationssignal kodiert und gegebenenfalls sogar verschlüsselt sein. Die Positionsdaten können als Testdaten verwendet werden mit welchen im Rahmen des beschriebenen Verfahrens die Laufzeitmessung durchgeführt wird. Die Positionsdaten werden also einerseits für die Übermittlung der Positionsinformation verwendet und andererseits als Testdaten zur Durchführung der Laufzeitmessung. Durch diesen Ansatz kann auf zusätzliche Testdaten (beispielsweise Rauschsignale) verzichtet werden.
• Eine Positionsbestimmung mittels einer Laufzeitmessung erfolgt dadurch, dass die Laufzeit der Signale über Zeitstempel bestimmt wird. Diese Zeitstempel können beispielsweise in der Infrastruktur und im Fahrzeug gleich sein, indem diese über einen Datenaustausch synchronisiert werden.
• Ein sogenannter Time Master, welcher zur Initialisierung und Synchronisation der Zeitstempel dient, befindet sich in diesem Fall in einer Cloud auf die alle Kommunikationsteilnehmer zugreifen können oder (je nach Kommunikationsrichtung) auf einem der an der Kommunikation beteiligten Kommunikationsteilnehmer. Der Time Master ist beispielsweise mit einer Atomuhr oder der Universal Time (UTC) synchronisiert. Außerdem können die Zeiten ohne viel Aufwand synchronisiert werden, indem direkt auf die von den Satelliten empfangenen UTC Werten in der Cloud und auf dem Fahrzeug zurückgegriffen wird, wobei diese Zeitwerte in die Nachrichten hinein kodiert werden. In diesem Fall sind die Zeiten beider Kommunikationspartner bereits hochgenau synchronisiert. Aufgrund der hochgenauen gemeinsamen Zeitbasis, können die Relativabstände des Fahrzeugs zu den weiteren Kommunikationspartnern hochgenau aus der Laufzeit der Signale mindestens zweier Botschaften bestimmt wenden.
• Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn in Schritt c) Abstände des Fahrzeugs zu Kommunikationspartnern unter Verwendung der Laufzeit der Kommunikationssignale mindestens zweier Kommunikationspartner bestimmt werden.
• Außerdem vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in Schritt c) ein Abstand des Fahrzeugs zum Kommunikationspartner unter Verwendung von Zeitstempeln von Kommunikationssignalen mindestens zweier Kommunikationspartners bestimmt wird.
• In einer weiteren Ausführungsvariante des beschriebenen Verfahrens wird in Schritt c) ein Abstand des Fahrzeugs zu einem Kommunikationspartner unter Verwendung zweier direkt aufeinander folgenden Car-to-X-Kommunikationssignalen dieses Kommunikationspartners bestimmt.
• Zur Bestimmung eines Abstandes aus einer Laufzeitmessung können die Zeitstempel mindestens zweier Botschaften eines Kommunikationspartners innerhalb des Fahrzeugs analysiert und daraus der Relativabstand des Fahrzeugs zum weiteren Kommunikationspartner hochgenau bestimmt werden: $${\text{- Relativabstand}}_{\left(\text{n}\right)\left(\text{M}+1\right)}=\left({\text{Zeit}}_{\left(\text{M}+1\right)}-{\text{Zeit}}_{\left(\text{M}\right)}\right)\left[\text{s}\right]*\mathrm{299.792.458}\left[\text{m}/\text{s}\right]$$

  
• Im ersten Teil der Formel wird der Zeitabstand zwischen den Zeiten Zeit_(M) und Zeit_(M+1) ermittelt, wobei die Zeit_(M) die Zeit einer Nachricht und die Zeit_(M+1) die Zeit einer darauffolgenden Nachricht ist. Im zweiten Teil der Formel wird dieser Zeitabstand mit der Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 [m/s = Meter pro Sekunde]) multipliziert, um eine Signallaufzeit zu ermitteln. Mit dieser Formel ist eine Abstandsberechnung anhand einer unidirektionalen Kommunikation mit zwei direkt aufeinander folgenden Botschaften möglich.
• Ausgehend von einer absoluten Position eines stationären Infrastrukturpunktes (beispielsweise eines Sendemastes) ist mit folgender Formel die Bestimmung einer Einzelposition möglich, wenn ein Relativabstand bekannt ist bzw. zuvor mit dem beschriebenen Verfahren ermittelt wurde: $${\text{- Einzelposition}}_{\left(\text{Kreis}\text{,n}\right)\left(\text{M}+1\right)}={\text{PositionSendemast}}_{\left(\text{n}\right)}+{\text{Relativabstand}}_{\left(\text{n}\right)\left(\text{M}+1\right)}$$

  
• Der Relativabstand wird also einfach zu der Position des Sendemastes hinzuaddiert, um die absolute Position zu bestimmen.
• Mit der Bezeichnung Einzelposition_{(Kreis,n)(M1)} ist hier ein die Einzelposition umgebender Kreis gemeint, der jede mögliche Einzelposition umgibt, die sich aus dem Relativabstand_(n)(M+1) und der Position des Sendemastes PositionSendemast_(n) ergibt. Mit dem Index (n) ist hier ein bestimmter Sendemast bzw. allgemein ein bestimmter Kommunikationspartner bezeichnet. Der Index (n) wird auch in den folgenden Formeln zur Bezeichnung unterschiedlicher Sendemasten bzw. Kommunikationspartner verwendet.
• Die richtige Einzelposition auf dem Kreis kann häufig durch weitere Informationen bestimmt werden, beispielsweise durch Navigationsdaten mit welchen die Position des Kraftfahrzeugs auf dem Kreis eingegrenzt werden kann. Eine Variante ist, dass die Positionen von zwei Sendemasten sowie die Relativabstände zu diesen Sendemasten bekannt sind. Dann ergeben sich zwei die jeweiligen Sendemasten umgebende Kreise und damit zwei mögliche Positionen des Kraftfahrzeugs, die auf den Schnittpunkten der Kreise liegen.
• Eine weitere Methode eine Position aus den absoluten Positionen stationärer Infrastrukturpunkte zu ermitteln, ist die sogenannte Triangulation. Bei der Triangulation werden zunächst mit Hilfe von Laufzeitmessungen Abstände zu absoluten Positionen stationärer Infrastrukturpunkte ermittelt. Es ist notwendig die Abstände zu zumindest zwei stationären Infrastrukturpunkten, bevorzugt zu drei stationären Infrastrukturpunkten zu bestimmen.
• Um für die Laufzeitmessung den Zeitunterschied Zeit_(M+1) - Zeit_(M) auf Empfängerseite noch genauer zu ermitteln, werden sensorinterne Verzögerungen der Aussendung des Signals zusätzlich kompensiert. Üblicherweise wird die Laufzeit der Signale von einem sogenannten Samplezeitpunkt ausgehend berechnet. Die Datenaussendung ist aber gegenüber diesem Samplezeitpunkt aufgrund von internen Vorgängen innerhalb des Sensors noch etwas verzögert. Dies wird in einem im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens verwendeten Zeitstempels bevorzugt noch kompensiert.
• Sensorinterne Verzögerungen werden beispielsweise messtechnisch oder in der Produktion der Sendereinheit ermittelt. Sensorinterne Verzögerungen werden zu der gesampelten UTC Zeit hinzuaddiert. In diesem Fall ist: $${\text{- Zeit}}_{\left(\text{M}\right)}={\text{UTC}}_{\left(\text{M}\right)}+\text{L}$$

  

  $${\text{- Zeit}}_{\left(\text{M}+1\right)}={\text{UTC}}_{\left(\text{M}+1\right)}+\text{L}$$

  
• Dabei ist UTC die UTC-Zeit zu einem Zeitpunkt an dem eine Nachricht M bzw. M+1 übermittelt wurde und L ist die sensorinterne Verzögerung (auch Latenzzeit genannt). Die Zeit zum Zeitpunkt M entspricht so der Zeit unmittelbar vor dem Aussenden der Botschaft.
• L ist ein sensorspezifische Konstante. Bevorzugt wird die Auswertung der Laufzeitmessung bei der Ermittlung der Abstände so durchgeführt, dass sich die Konstante L heraus kürzt. Dadurch ist L obsolet und muss nicht bestimmt werden.
• Bei einer auf synchronisierten UTC zwischen den Kommunikationspartnern der Car-to-X-Kommunikation kann das Verfahren durch die Kompensation mit L jedoch weiter vereinfacht und verbessert werden, indem nur eine Botschaft übertragen werden muss, um eine Abstandsbestimmung durchzuführen. Die Latenzzeit ist in der Botschaft bereits kompensiert. Die Berechnung des Relativabstandes erfolgt dann beispielsweise gemäß folgender Formel: $${\text{- Relativabstand}}_{\left(\text{n}\right)}=\left(\left({\text{Zeit}}_{\left(\text{F}\right)}\right)-{\text{Zeit}}_{\left(\text{M}\right)}\right)\left[\text{s}\right]*\mathrm{299.792.458}\left[\text{m}/\text{s}\right]$$

  
• Die entspricht einer unidirektionalen Kommunikation mit zwei direkt aufeinander folgenden Botschaften. Dabei ist die Zeit_(M), der Zeitpunkt einer Nachricht M bzw. noch genauer die UTC-Zeit_(M) einer Nachricht M + der Verzögerung L. Die Zeit_(F) ist die UTC-Zeit, die im Fahrzeug (Fahrzeug) zum Zeitpunkt (M + L + Signallaufzeit) ermittelt wurde. Wenn der Relativabstand_(n) null beträgt entsprechen sich die Zeit_(F) und die Zeit_(M).
• In einer noch weiter verbesserten Ausführungsvariante des Verfahrens kann von der Zeit_(F) eine Konstante C subtrahiert werden bevor der Relativabstand_(n) bestimmt wird, wobei C der Verarbeitungszeit der Zeit_(M) nach dem Empfang bis zur Bestimmung des Relativabstands(n) entspricht. Die Zeit(F) entspricht der UTC-Zeit im Fahrzeug zum Zeitpunkt (M + L + Signallaufzeit - C)
• In diesem Zusammenhang entspricht die Zeit_(F) dem Empfangszeitpunkt der Botschaft mit der Zeit_(M). Sie bezieht sich auf die Zeitdifferenz, die zur Bestimmung des Relativabstandes verwendet wird rein auf die tatsächliche Laufzeit der Kommunikationssignale in der Luft.
• In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Relativabstand_(n) zu einem weiteren Kommunikationspartner des Fahrzeugs hochgenau mit im kombinierten Bewegungs- und Positionssensor ermitteltet bzw. bereits vorhandenen Relativbeschleunigungen, Relativdrehraten, Relativgeschwindigkeiten sowie den Relativradrehzahlen und dem Relativlenkwinkel weiter verbessert werden. $${\text{- Relativabstand}}_{\left(\text{n}\right)\left(\text{M}+1\right)}=\left(\left({\text{Zeit}}_{\left(\text{M}+1\right)}-{\text{Zeit}}_{\left(\text{M}\right)}\right)\left[\text{s}\right]*\mathrm{299.792.458}\left[\text{m}/\text{s}\right]\right)+{\text{delta}}_{\left(\text{x}\text{,y}\text{,z}\right)}$$

  
• Diese Formel bezieht sich auf eine Ausführungsvariante mit unidirektionaler Kommunikation mit zwei direkt aufeinander folgenden Botschaften M und M+1 und gibt den aus diesen Botschaften ermittelten Relativabstand_(n) zu einem bestimmten Kommunikationspartner.
• Eine andere Variante dieser Ausführungsvariante nutzt folgende Formel, die anstatt den zwei Zeitpunkten M und M+1 den Zeitpunkt F gemäß obenstehender Definition (UTC-Zeit im Fahrzeug zum Zeitpunkt (M + L + Signallaufzeit)) $${\text{- Relativabstand}}_{\left(\text{n}\right)\left(\text{M}+1\right)}=\left(\left({\text{Zeit}}_{\left(\text{F}\right)}\right)-{\text{Zeit}}_{\left(\text{M}\right)}\right)\left[\text{s}\right]*\mathrm{299.792.458}\left[\text{m}/\text{s}\right]+{\text{delta}}_{\left(\text{x}\text{,y}\text{,z}\right)}$$

  
• Dabei ist der der Term delta_(x,y,z) das Delta der Positionen des Fahrzeugs zu den Zeitpunkten der Nachrichten M und M+1. Die Indizes X, Y und Z geben drei Achsen eines räumlichen Koordinatensystems zur Beschreibung der Position an. $${\text{- delta}}_{\left(\text{x}\text{,y}\text{,z}\right)}={\text{Pos}}_{\left(\text{x}\text{,y}\text{,z}\right)\left(\text{M}+1\right)}-{\text{Pos}}_{\left(\text{x}\text{,y}\text{,z}\right)\left(\text{M}\right)}$$

  
• Die Position (x,y,z) ist dabei in einem absoluten Koordinatensystem (Weltkoordinatensystem) definiert, wie beispielsweise einem GNSS Koordinatensystem.
• Bei dieser Ausführungsvariante des beschriebenen Verfahrens wird die Relativposition des Fahrzeugs zum Zeitpunkt (M+1) aus den Laufzeitunterschieden der Signale noch genauer bestimmt. Dies geschieht insbesondere durch eine Mittelwertbildung, Medienbildung oder Kalman Filterung der mit den verschiedenen, hier genannten Formeln berechneten Relativpositionen.
• Für die Bestimmung eines Relativabstandes ist nicht unbedingt eine Mittelwertbildung notwendig. Eine solche Mittelwertbildung ist jedoch nicht ausgeschlossen. Hier kann delta_(x,y,z) auch direkt auf den Relativabstand aufaddiert wenden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Plausibilisierung der vom kombinierte Bewegungs- und Positionssensor im laufenden Betrieb berechneten Positionsdaten. Beispielsweise erfolgt eine zyklische Plausibilisierung der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor-Positionsdaten mit Hilfe der in (1) bis (4) genannten Anwendungsarten, indem die Daten oder eine Kombination derselben zyklisch in den Berechnungen einbezogen werden. Weicht die GNSS basierte -Position grundlegend von der berechneten Position aus den Verfahrensvarianten (1) bis (4) ab, so kommen anschließend verschiedene Möglichkeiten für das weitere Vorgehen in Betracht.
• Bei einer hohen Abweichung wird das Fahrzeug beispielsweise in einen sicheren Zustand versetzt, da der kombinierte Bewegungs- und Positionssensor nicht mehr in der Lage ist, seine Position genau genug zu bestimmen.
• Alternativ erfolgt ein Neustart des kombinierten Bewegungs- und Positionssensor, wobei derselbe mit der ungefähren Position aus den Verfahrensvarianten (1) bis (4) neu initialisiert wird. Weicht die neu berechnete GNSS Position immer noch grundlegend von der Position aus den Verfahrensvarianten (1) bis (4) ab, so wird das Fahrzeug in einen sicheren Zustand versetzt.
• Außerdem denkbar ist, dass bei kleinen Abweichungen der Positionen aus den Verfahrensvarianten (1) bis (4) von den tatsächlichen GNSS Positionen im kombinierten Bewegungs- und Positionssensor eine Mittelwertbildung, eine Medienbildung oder eine Filterung mittels eines Kalman-Filters der Einzelpositionen verwendet wird. Das Ergebnis ist dann eine kombinierte Position. Die Verwendung einer derartigen kombinierten Position kann temporär sinnvoll sein, beispielsweise beim Start des kombinierten Bewegungs- und Positionssensor oder aber, wenn keine ausreichenden Anzahl an Satelliten sichtbar am Himmel sind. Bspw. bei einer Fahrt im städtischen Bereich, in dem durch Häuserschluchten eine verringerte Sichtbarkeit des Himmels vorliegt.
• In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine wegdriftende GNSS basierte Position auch mit Hilfe der Fahrzeugdynamik erkannt werden. Beispielsweise kann sich eine GNSS basierte Position während einer Fahrt nicht hinter einem Fahrzeug befinden. Wenn dies doch der Fall ist kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, dass die GNSS basierte Position fehlerbehaftet ist. In diesem Fall kann entweder vollständig auf die Positionen aus (1) bis (4) zurückgegriffen werden, oder es wird erneut eine kombinierte Position aus (1) bis (4) bzw. der GNSS basierten Position im kombinierten Bewegungs- und Positionssensor berechnet werden.
• Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung dienen zur Verbesserung einer Positionsbestimmung in einem kombinierten Bewegungs- und Positionssensor in einem Fahrzeug. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, dass durch die Verwendung des Verfahrens ein kombinierter Bewegungs- und Positionssensor nach einen Neustart schneller initialisiert werden kann. Außerdem kann eine GNSS basierte Position im kombinierten Bewegungs- und Positionssensor mit Hilfe zusätzlicher Eingangsgrößen plausibilisiert werden. Dadurch wird die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht. Darüber hinaus wird die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit autonomer Fahrzeug erhöht.
• Hier insbesondere auch beschrieben werden sollen ein Sensormodul, welches zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Außerdem beschrieben werden soll ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Das beschriebene Verfahren sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die das beschriebene Verfahren nicht beschränkt ist. Die Figuren sind insbesondere rein schematische Figuren. Es zeigen:
• 1: eine Skizze der Funktionsweise des beschriebenen Verfahrens und
• 2: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.
• 1 zeigt das Fahrzeug 1 im Umfeld verschiedener Kommunikationspartner 2. Dargestellt sind zwei weitere Fahrzeuge 6 als Kommunikationspartner sowie ein Infrastrukturpunkt 5. In dem Fahrzeug 1 ist ein Sensormodul 11 vorgesehen mit welchem das beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Das Sensormodul 11 ist insbesondere ein VMPS-Sensor. Das Sensormodul 1 weist einen GNSS-Sensor 10 auf, mit dem Positionsdaten gemäß Schritt a) ermittelt werden können. Außerdem ist das Sensormodul 11 dazu eingerichtet Kommunikationssignale 4 von den Kommunikationspartnern 2 zu empfangen. Aus diesen Kommunikationssignalen 4 ermittelt das Sensormodul 11 eine Relativposition 3 des Fahrzeugs 1 zu zumindest einem der Kommunikationspartner 2. Das Kommunikationssignal 4 umfasst bevorzugt Zeitstempel 7 und ggf. auch Positionsdaten 8 des jeweiligen Kommunikationspartner 2. Das Sensormodul 11 kann anhand einer Laufzeitmessung der Kommunikationssignale 4 Abstände 9 zwischen den Kommunikationspartnern 2 und dem Fahrzeug 1 ermitteln. Die Messung der Abstände 9 erfolgt durch den Vergleich verschiedener Zeitstempel 7. Üblicherweise werden Zeitstempel 7, die mit den Kommunikationssignalen 4 übertragen werden mit Zeitstempeln 7 verglichen, die im Fahrzeug 1 ermittelt wurden. So kann festgestellt werden wie lange die Übertragung der Kommunikationssignale 4 gebraucht hat bzw. wie die Laufzeiten der Kommunikationssignale 1 sind. Mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit lassen aus den Laufzeiten der Abstand 9 berechnet werden.
• Der Ablauf des beschriebenen Verfahrens zur satellitengestützten Bestimmung der Position eines Fahrzeugs ist in 2 nochmal erläutert. 2 zeigt die Verfahrensschritte a.0) (Block 210), a) (Block 220) und b) (Block 230), die im Rahmen des beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden. Gemäß Block 210 werden GNSS-Satellitendaten empfangen. Gemäß Block 220 wird mindestens eines Car-to-X-Kommunikationssignals, das von einem Kommunikationspartner (2) ausgesendet wurde, empfange. Gemäß Block 230 erfolgt die Bestimmung einer Relativposition zu dem Kommunikationspartner unter Verwendung der Laufzeit des Car-to-X-Kommunikationssignals.

Claims (11)

1. Verfahren zur satellitengestützten Bestimmung der Position eines Fahrzeugs (1), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Empfangen mindestens eines Car-to-X-Kommunikationssignals (4), das von einem Kommunikationspartner (2) ausgesendet wurde, b) Bestimmen einer Relativposition (3) zu dem Kommunikationspartner (2) unter Verwendung der Laufzeit des Car-to-X-Kommunikationssignals (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Car-to-X-Kommunikationssignal (4) einen Zeitstempel (7) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Car-to-X-Kommunikationssignal (4) Positionsdaten (8) des Kommunikationspartners (2) aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) Abstände (9) des Fahrzeugs (1) zu Kommunikationspartnern (2) unter Verwendung der Laufzeit der Kommunikationssignale (4) mindestens zweier Kommunikationspartner (2) bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) ein Abstand (9) des Fahrzeugs (1) zum Kommunikationspartner (2) unter Verwendung von Zeitstempeln (7) von Kommunikationssignalen (4) mindestens zweier Kommunikationspartners (2) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) ein Abstand (9) des Fahrzeugs (1) zu einem Kommunikationspartner (2) unter Verwendung von zweier direkt aufeinander folgenden Car-to-X-Kommunikationssignalen (4) dieses Kommunikationspartners (2) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sensormodul (11) des Fahrzeugs (1) unter Verwendung der Relativposition (3) initialisiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mittels eines GNSS-Sensors (10) bestimmte Position des Fahrzeugs (1) unter Verwendung der Relativposition (3) plausibilisiert wird.
9. Sensormodul (11), welches zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
10. Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.

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