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Die Erfindung betrifft das Bestimmen einer Position eines Benutzers. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung der Position auf der Basis mehrerer Sensoren, von denen einer einen Empfänger eines Radionavigationssystems umfasst.
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Ein Fahrzeug umfasst mehrere Sensoren, die jeweils Informationen bereitstellen, die auf eine Position des Fahrzeugs hinweisen. Beispielsweise kann die Position des Fahrzeugs auf der Basis von Messwerten eines Beschleunigungssensors, eines oder mehrerer Raddrehzahlsensoren oder einer Kamera bestimmt werden, deren Abtastungen auf Landmarken mit bekannten Positionen untersucht werden können. Ferner kann das Fahrzeug über einen Empfänger für Radiosignale eines Funknavigationssystems umfassen. Ein Funknavigationssystem umfasst üblicherweise mehrere örtlich verteilte Sender, die Radiosignale aussenden. Ein Empfänger kann über Laufzeiten der Radiosignale Entfernungen zu den Sendern errechnen und seine Position auf der Basis bekannter Positionen der Sender bestimmen. Ist ein Sender nicht ortsfest, so kann er einen Hinweis auf seine Position in den Radiosignalen übermitteln.
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Die Position des Fahrzeugs soll insbesondere genau genug bestimmt werden, um eine Aussage zu erlauben, auf welcher von mehreren parallelen Fahrspuren einer Fahrstraße es sich befindet. Dazu sollen die Informationen vorhandener Sensoren geeignet miteinander fusioniert werden. Für die Fusion sind unterschiedliche mögliche Fehlereinflüsse auf die Sensoren, sowie jeweils zu Grunde liegende Heuristiken zur Positionsbestimmung zu berücksichtigen.
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Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Positionierung eines Fahrzeugs bereitzustellen, die Fehlereinflüsse verbessert berücksichtigt, wenn einer der Sensoren einen Empfänger für Radiosignale eines Funknavigationssystems umfasst. Die Erfindung löst die Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Fahrzeug umfasst wenigstens einen Sensor zur Bereitstellung von Informationen, die auf die Position hinweisen, und einen Empfänger zum Empfangen von Radiosignalen eines Funknavigationssystems. Ein Verfahren zum Bestimmen einer Position des Fahrzeugs umfasst Schritte des Bestimmens einer ersten Schätzung der Position des Fahrzeugs auf der Basis von Informationen des wenigstens einen Sensors; des Bestimmens einer zweiten Schätzung der Position des Fahrzeugs auf der Basis der empfangenen Radiosignale; und des Bestimmens einer Wahrscheinlichkeit, mit der die Position des Fahrzeugs innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die erste Schätzung liegt. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit auf der Basis von Fehlereinflüssen in den Radiosignalen des Funknavigationssystems im Bereich des Fahrzeugs bestimmt.
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Es wurde erkannt, dass eine Position, die mittels des Funknavigationssystems bestimmt wurde, andere Fehlercharakteristika hat als eine Position, die auf der Basis von lokalen Sensoren bestimmt wurde. Die Sensoren können eine Änderung der Position verbessert bestimmen, während mittels des Funknavigationssystems verbessert eine absolute Position bestimmt werden kann. Durch die vorgeschlagene Kombination der Sensoren mit dem Funknavigationssystem kann die Wahrscheinlichkeit der korrekten Positionierung des Fahrzeugs verbessert bestimmt werden. Insbesondere kann bestimmt werden, ob sich das Fahrzeug mit einer ausreichend hohen Wahrscheinlichkeit innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet. Ferner kann mit erhöhter Wahrscheinlichkeit angegeben werden, ob sich das Fahrzeug innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet oder nicht. Eine Fehlbestimmung der Position des Fahrzeugs kann so verbessert ausgeschlossen werden. Die hierin beschriebene Technik eignet sich insbesondere als Grundlage für eine teil- oder vollautomatische Steuerung des Fahrzeugs in Längs- und/oder Querrichtung.
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Die hierin beschriebene Technik kann mit allen bekannten Funknavigationssystemen verwendet werden, beispielsweise bodengestützte Systeme wie LORAN-C oder ALPHA. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Funknavigationssystem satellitengestützt. Ein solches System ist auch als globales satellitengestütztes Navigationssystem (global satellite-based navigation system, GNSS) bekannt. Beispielhafte bekannte GNSS umfassen GPS, GALILEO, GLONASS oder Beidou. Dabei werden die Radiosignale jeweils von Satelliten gesendet, die um die Erde kreisen.
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Die Fehlereinflüsse können mittels eines weiteren Empfängers bestimmt werden, dessen Position bekannt ist. In Kombination mit einem GNSS spricht man in diesem Zusammenhang auch von Differentiellem GNSS (DGNSS). Der weitere Empfänger kann für jeden Sender, dessen Position bekannt ist, einen tatsächlichen Abstand bestimmen. Der Unterschied zu einem durch den weiteren Empfänger auf der Basis der Radiosignale bestimmten Abstand kann dann als Fehlereinfluss bestimmt werden, der üblicherweise mehrere verschiedene Teilfehler umfasst, die beispielsweise auf Einflüsse der Ionosphäre, der Troposphäre oder einen Mehrwegempfang (Multipath) zurückgehen können.
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Die erste Schätzung der Position des Fahrzeugs auf der Basis von Signalen der lokalen Sensoren kann Signale des Empfängers für die Radiosignale einschließen. Die Signale des Empfängers können dafür bereits um die genannten, extern bestimmten Fehlereinflüsse korrigiert sein. Anders ausgedrückt kann eine durch den Empfänger bereitgestellte Schätzung für die Position des Fahrzeugs bereits in die erste Schätzung eingehen.
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Die Fehlereinflüsse im Bereich des Fahrzeugs können auf der Basis von Fehlereinflüssen bestimmt werden, die mittels mehrerer örtlich verteilter weiterer Empfänger bestimmt werden, die sich bevorzugt in örtlicher Nähe zum Fahrzeug befinden. Eine ortsabhängige Veränderung von Fehlereinflüssen kann bestimmt werden. Durch ein Netzwerk von weiteren Empfängern kann für eine Position im Bereich der weiteren Empfänger eine Positioniergenauigkeit bestimmt werden.
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Auf der Basis bestimmter Fehlereinflüsse kann eine Verteilung der Dichte der Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, die eine örtliche Verteilung der Wahrscheinlichkeit reflektieren kann, mit der sich das Fahrzeug innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet.
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Die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung kann bezüglich einer oder zwei horizontaler Dimensionen bestimmt werden. Für eine spurgenaue Lokalisierung eines Fahrzeugs ist üblicherweise eine Position in Querrichtung am relevantesten, sodass eine eindimensionale Bestimmung der Wahrscheinlichkeit ausreichen kann. Ebenfalls relevant ist üblicherweise eine Position in Längsrichtung. Die entsprechende Wahrscheinlichkeit kann unabhängig auf dieselbe Weise bestimmt werden. Alternativ kann die Wahrscheinlichkeit bezüglich beider Dimensionen in nur einem Schritt bestimmt werden.
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Die Wahrscheinlichkeit kann insbesondere bestimmt werden, indem die bestimmte Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung über den vorbestimmten Bereich integriert wird. Dabei können eine oder zwei eindimensionale Integrale bestimmt werden, die optional miteinander multipliziert werden können, um die Wahrscheinlichkeit bezüglich des Bereichs zu bestimmen. Alternativ kann ein zweidimensionales Integral bestimmt werden, das direkt die zu bestimmende Wahrscheinlichkeit ergeben kann.
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Der vorbestimmte Bereich kann eine vorbestimmte Breite und/oder eine vorbestimmte Länge bezüglich des Fahrzeugs aufweisen. Dabei ist die Länge bevorzugt entlang einer Längsachse oder einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs festgelegt, und die Breite senkrecht zur Länge, in einer horizontalen Richtung. In einer weiteren Ausführungsform kann der Bereich auch eine vertikale Komponente umfassen. In diesem Fall kann ein weiteres eindimensionales Integral bestimmt werden, oder ein mehrdimensionales Integral, von dem die vertikale Komponente eine Dimension bildet. In einer Ausführungsform kann ein dreidimensionales Integral gebildet werden.
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Eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Fahrzeugs umfasst wenigstens einen Sensor zur Bereitstellung von Informationen, die auf die Position hinweisen; einen Empfänger zum Empfangen von Radiosignalen eines Funknavigationssystems; und eine Verarbeitungseinrichtung. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, eine erste Schätzung der Position des Fahrzeugs auf der Basis von Informationen des wenigstens einen Sensors zu bestimmen; eine zweite Schätzung der Position des Fahrzeugs auf der Basis der empfangenen Radiosignale zu bestimmen; und einen Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, mit der die Position des Fahrzeugs innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die erste Schätzung liegt. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit auf der Basis von Fehlereinflüssen in den Radiosignalen des Funknavigationssystems im Bereich des Fahrzeugs bestimmt.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein hierin beschriebenes Verfahren ganz oder teilweise auszuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.
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Ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, umfasst eine hierin beschriebene Vorrichtung. Das Fahrzeug kann seine Position mit verbesserter Genauigkeit und/oder verringerter Fehlerwahrscheinlichkeit bestimmen. Eine Steuerung des Fahrzeugs in Längs- und/oder Querrichtung kann in Abhängigkeit der bestimmten Position erfolgen.
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Ein System umfasst mehrere örtlich verteilte Empfänger zum Empfangen von Radiosignalen eines Funknavigationssystems, wobei Positionen der Empfänger jeweils bekannt sind; und eine Verarbeitungseinrichtung. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, auf der Basis von empfangenen Radiosignalen und den Positionen der jeweiligen Empfänger Fehlereinflüsse in den Radiosignalen des Funknavigationssystems im Bereich der Empfänger zu bestimmen; und bezüglich einer ersten und einer zweiten Schätzung der Position im Bereich der Empfänger eine Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, mit der sich ein Benutzer innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die erste Schätzung der Position befindet. Dabei ist die erste Schätzung der Position auf der Basis wenigstens eines lokalen Sensors des Benutzers, und die zweite Schätzung der Position auf der Basis von empfangenen Radiosignalen des weiteren Empfängers des Benutzers bestimmt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein System und ein Fahrzeug;
- 2 eine beispielhafte Positionierung eines Benutzers; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
illustriert.
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1 zeigt ein System 100, ein Funknavigationssystem 105 und ein Fahrzeug 110 mit einer Vorrichtung 115. Das Funknavigationssystem 105 ist beispielhaft satellitengestützt und umfasst eine Anzahl Sender 120, die vorliegend an Bord von Satelliten angebracht sind. Jeder Sender 120 kann Radiosignale aussenden, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Ein Empfänger 125 kann die Radiosignale empfangen und aufgrund einer Laufzeit der Signale einen Abstand zum Sender 120 bestimmen. Dazu ist die Kenntnis der Position des Senders 120 zum Sendezeitpunkt erforderlich. Das Radiosignal kann einen Hinweis auf diese Position umfassen. Im Fall von Satelliten kann dazu eine Beschreibung der Satellitenbahn übermittelt werden, aus der in Abhängigkeit des Empfangszeitpunkts die Position des Satelliten bestimmt werden kann.
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Das System 100 umfasst wenigstens einen Empfänger 125, dessen geographische Position zum Zeitpunkt des Aussendens von Radiosignalen bekannt ist. Außerdem ist eine Verarbeitungseinrichtung 130 vorgesehen, die mit einer drahtlosen Kommunikationseinrichtung 135 verbunden sein kann. Die Verarbeitungseinrichtung kann mit einer Vielzahl Empfänger 125 verbunden sein, die bevorzugt innerhalb eines vorbestimmten Gebiets verteilt sind. Jeder Empfänger 125 kann den Abstand zu einem Sender 120 auf der Basis der bekannten Positionen, sowie zusätzlich auf der Basis der Radiosignale bestimmen. Eine Differenz zwischen diesen Entfernungen kann als Fehlereinfluss auf das Signal des entsprechenden Senders 120 an der Position des Empfängers 125 bestimmt werden. Über mehrere Empfänger 125 kann eine ortsabhängige Verteilung von Fehlereinflüssen auf das Signal bestimmt werden. Eine solche Bestimmung kann bezüglich aller empfangbarer Signale von Sendern 120 durchgeführt werden.
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Die Vorrichtung 115 an Bord des Fahrzeugs 110 umfasst einen weiteren Empfänger 125 für Signale der Sender 120 des Funknavigationssystems 105. Eine auf der Basis empfangener Radiosignale bestimmte Position des Empfängers 125, beziehungsweise des Fahrzeugs 110, unterliegt zunächst unbekannten Fehlereinflüssen. Diese können weitgehend eliminiert werden, indem sie mittels des Systems 100 bestimmt und an das Fahrzeug 110 übermittelt werden.
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Die Position des Fahrzeugs 110 kann aber auch auf der Basis von Informationen anderer Sensoren 140 bestimmt werden, die an Bord des Fahrzeugs 110 vorgesehen sind. Beispielhafte Sensoren 140 umfassen einen Drehzahlsensor für ein Rad des Fahrzeugs 110; einen Lenkwinkelsensor, ein Inertialsystem und eine Umgebungskamera.
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Mittels der Sensoren 140 kann eine erste Schätzung der Position für das Fahrzeug 110 erstellt werden, und mittels des Empfängers 125 eine zweite Schätzung der Position. Die Informationen der Sensoren 140 erlauben insbesondere eine relative Positionierung, also die Bestimmung der Veränderung der Position des Fahrzeugs 110. Auf der Basis von Informationen des Empfängers 125 hingegen ist bevorzugt eine absolute Positionierung, also die Bestimmung einer geographischen Position des Fahrzeugs 110 möglich.
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Informationen an Bord des Fahrzeugs 110 können mittels einer Verarbeitungseinrichtung 145 verarbeitet werden. Eine Kommunikationseinrichtung 135 ist bevorzugt zur drahtlosen Kommunikation mit dem System 100 vorgesehen.
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2 zeigt eine beispielhafte Positionierung eines Benutzers nach einer hierin vorgestellten Technik. Die Darstellung von 2 ist beispielhaft auf Achsen eines Fahrzeugs 110 bezogen; die x-Richtung entspricht einer Längsrichtung und die y-Richtung einer Querrichtung des Fahrzeugs 110. Eine erste Schätzung 205 für die Position des Fahrzeugs 110 basiert auf Informationen von lokalen Sensoren 140, während eine zweite Schätzung 210 auf der Basis des Empfängers 125 bestimmt ist.
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Es ist zu bestimmen, ob sich das Fahrzeug 110 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs 215 befindet, der bezüglich der ersten Schätzung 205 bestimmt ist. Vorliegend ist der Bereich 215 rechteckig und mit parallel zur Längs- und Querrichtung liegenden Seiten vorgegeben. In Längsrichtung kann der vorbestimmte Bereich 215 beispielsweise ca. 16 m messen, und in Querrichtung ca. 4 m. Die erste Schätzung 205 bildet einen Mittelpunkt des vorbestimmten Bereichs 215.
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Aufgrund der bestimmten Fehlereinflüsse auf die Signale der Sender 120 kann die Genauigkeit der zweiten Schätzung 210 bestimmt werden. Insbesondere kann bestimmt werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit die tatsächliche Position des Fahrzeugs 110 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die zweite Schätzung 210 liegt. Für unterschiedlich große solche Bereiche können unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten angegeben werden. Vorliegend sind ein etwas kleinerer erster Bereich 220 und ein etwas größerer Bereich 225 dargestellt. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Position des Empfängers 125 innerhalb des größeren Bereichs 225 befindet, ist größer als die, dass sie sich innerhalb des kleineren Bereichs 220 befindet.
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Obwohl vorliegend der größere Bereich 225 ähnlich groß wie der vorbestimmte Bereich 215 ist, kann die dem größeren Bereich 225 zugeordnete Wahrscheinlichkeit nicht zur Bestimmung der Position des Fahrzeugs 110 auf der Basis der Schätzungen 205 und 210 verwendet werden, da der größere Bereich 225 teilweise außerhalb des vorbestimmten Bereichs 215 liegt. Der kleinere Bereich 220 hingegen ist signifikant kleiner als der vorbestimmte Bereich 220. Um die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Positionierung auf der Basis beider Schätzungen 205, 210 durchzuführen, wären miteinander deckungsgleiche Bereiche 220 und 225, 230 ideal.
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Es wird vorgeschlagen, ortsabhängige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen 230 zu bestimmen, die für eine zweite Schätzung 210 angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Position korrekt ist. Wird eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion 230 über Grenzen des vorbestimmten Bereichs 215 in der entsprechenden Richtung integriert, so ergibt sich eine Zahl, die den unter der Dichtefunktion 230 eingeschlossene Fläche 235 repräsentiert. Die Zahl liegt definitionsgemäß zwischen 0 und 1 und repräsentiert die Wahrscheinlichkeit, mit der sich die tatsächliche Position des Fahrzeugs 110 innerhalb des vorbestimmten Bereichs 215 um die erste Schätzung 205 befindet.
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Manchmal kann nur eine obere Schranke für die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, dass sich die Position des Fahrzeugs außerhalb eines vorbestimmten Bereichs 215 befindet. Allgemein kann sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung aus mehreren Abschätzungen für unterschiedliche Fehler zusammensetzen, etwa als Summe. Beispielsweise kann eine erste Abschätzung angeben, dass die Position des Fahrzeugs aufgrund eines bestimmten Fehlers in der Positionsbestimmung mittels des Empfängers 125 mit einer Wahrscheinlichkeit von 99% nicht mehr als 3 m in Längsrichtung von der GNSS-Schätzung abweichen kann. Diese Aussage betrifft nicht einen Punkt, sondern einen Bereich, sodass die Wahrscheinlichkeitsverteilung nicht einfach in einem Punkt integriert werden kann. Eine zweite beispielhafte Abschätzung könnte vorgeben, dass die Abweichung der Position in Längsrichtung für einen zweiten GNSS-Fehler mit 98% Wahrscheinlichkeit zwischen -1 m und +2 m liegt.
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Um die Abschätzungen zu nutzen, muss man sie zuerst auf den gewünschten vorbestimmten Bereich 215 anwenden, also jeweils nur den Ausschnitt der Aussage nehmen, der auf den vorbestimmten Bereich 215 anwendbar ist. Anschließend können Werte, die zu einzelnen Abschätzungen bestimmt wurden, aufintegriert beziehungsweise aufsummiert werden.
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Liegt in einer Fortführung des Beispiels eine dritte Abschätzung vor, die im Wesentlichen Gauß-verteilt ist, so könnte diese über Grenzen des vorbestimmten Bereichs 215 integriert werden.
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Die Wahrscheinlichkeitsverteilung kann als Summe von Einzelfehlern bestimmt werden, die jeweils Aussagen über einen Bereich oder einen Punkt machen können. Die einzelnen Abschätzungen können dann über Grenzen des vorbestimmten Bereichs 215 integriert werden, und die einzelnen Integrale können anschließend summiert werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zur Bestimmung einer Position eines Fahrzeugs 110. In einem ersten Schritt 305 können Sensoren 140 abgetastet werden, um Informationen zu erhalten, die auf eine Position des Fahrzeugs 110 hinweisen. In einem Schritt 310 kann eine erste Schätzung 205 für die Position des Fahrzeugs 110 bestimmt werden.
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In einem Schritt 315 kann eine zweite Schätzung 210 für die Position des Fahrzeugs 110 auf der Basis von Signalen bestimmt werden, die mittels des Empfängers 125 von Sendern 120 des Funknavigationssystems 100 ausgesandt wurden. In einem Schritt 320 kann der vorbestimmte Bereich 215 um die erste Schätzung 205 bestimmt werden. Der vorbestimmte Bereich 215 kann auch als Bounding Box bezeichnet werden.
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Der Bereich 215 sowie die Schätzungen 205 und 210 können vom Fahrzeug 110 an das System 100 übermittelt werden, wo in einem Schritt 325 die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden kann, mit der die tatsächliche Position des Fahrzeugs 110, aufgrund der Bestimmungen der zweiten Schätzung 210, innerhalb des vorbestimmten Bereichs 215 liegt. Dazu kann eine ortsabhängige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion 230 bestimmt werden, die bezüglich Begrenzungen des vorbestimmten Bereichs 215 integriert werden können. In einer anderen Variante kann auch die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion 230 an das Fahrzeug 110 übermittelt werden, sodass die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit dort erfolgen kann.
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In einem Schritt 330 kann die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, mit der die tatsächliche Position außerhalb des vorbestimmten Bereichs 215 liegt. Beträgt diese Wahrscheinlichkeit mehr als ein vorbestimmter Schwellenwert, so kann ein Signal ausgegeben werden, das darauf hinweist, dass eine auf der Basis der Schätzungen 205 und 210 bestimmte Position unzuverlässig ist. Eine Steuerung des Fahrzeugs 110 auf der Basis der bestimmten Position kann in diesem Fall beispielsweise beendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 105
- Funknavigationssystem
- 110
- Fahrzeug
- 115
- Vorrichtung
- 120
- Sender
- 125
- Empfänger
- 130
- Verarbeitungseinrichtung
- 135
- Kommunikationseinrichtung
- 140
- Sensor
- 205
- erste Schätzung
- 210
- zweite Schätzung
- 215
- vorbestimmter Bereich
- 220
- kleinerer Bereich
- 225
- größerer Bereich
- 300
- Verfahren
- 305
- Sensoren abtasten
- 310
- Schätzung der Position (Positionsschätzung) bestimmen
- 315
- GPS-Position bestimmen
- 320
- Bounding Box bestimmen
- 325
- Wahrscheinlichkeit bestimmen lassen
- 330
- Fehlerwahrscheinlichkeit bestimmen
