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Stand der Technik
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Im Bereich der satellitengestützten Positionsbestimmung ist für viele Anwendungen eine hochpräzise Lokalisierung mit einer maximalen Zuverlässigkeit erforderlich. Im Bereich der automatisierten Fortbewegung spielen solche Systeme eine sicherheitsrelevante Rolle. Ein System zur satellitengestützten Lokalisierung umfasst mindestens eine GNSS-Antenne, die mit einem Receiver verbunden ist, der aus den empfangenen Satellitensignalen eine Positionsbestimmung durchführt.
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Werden in der Umgebung der GNSS-Antenne Gegenstände platziert, schränken diese die freie Sicht der GNSS-Antenne auf die Satelliten ein. Hierdurch reduziert sich die Genauigkeit der vom Receiver ausgegebenen Positionsdaten. Problematisch ist dies besonders dann, wenn durch die Abschattung der Antenne die Präzision der Positionsdaten bereits deutlich abgenommen hat, dies jedoch nicht vom Receiver erkannt wird, da ihm keine Referenz für die gegenwärtige Position vorliegt. In diesem Zustand gibt der Receiver weiterhin Positionsdaten aus, die aber durch ihre nicht gekennzeichnete Ungenauigkeit zu einem erheblichen Sicherheitsrisiko führen können. Eine Vorgehensweise zur eindeutigen Identifikation solcher Störfaktoren ist aktuell nicht verfügbar.
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Im Folgenden soll ein Ansatz beschrieben werden hiermit umzugehen bzw. soll insbesondere ein Verfahren beschrieben werden, mit welchem solche Objekte erkannt werden können, um diese dann bei der Auswertung von GNSS-Satellitensignalen zu berücksichtigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier beschrieben werden soll ein Verfahren zur Identifikation und/oder Detektion von Objekten in unmittelbarer Umgebung einer GNSS-Antenne, die den Empfang von GNSS-Satellitensignalen mit der GNSS-Antenne stören, aufweisend folgende Schritte:
- a) Erkennen einer erwarteten Satellitenkonstellation am Orbit;
- b) Feststellen eines ersten Abdeckbereichs von Satelliten aus der Satellitenkonstellation;
- c) Ändern einer Ausrichtung der GNSS-Antenne;
- d) Feststellen eines zweiten Abdeckbereichs von Satelliten aus der Satellitenkonstellation; und
- e) Ermitteln von mindestens einem Formparameter, der die Form eines Objektes in der Umgebung der GNSS-Antenne beschreibt und/oder ein Existenzparameter, der die Anwesenheit eines Objektes signalisiert, unter Verwendung des ersten Abdeckbereichs und des zweiten Abdeckbereichs.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die GNSS-Antenne starr auf einem Fahrzeug montiert ist und zur Änderung der Ausrichtung der GNSS-Antenne in Schritt c) eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs geändert wird.
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Objekte in der Umgebung der GNSS-Antenne können den Empfang von GNSS-Signalen mit der GNSS-Antenne stören bzw. beeinträchtigen. Daher ist es nützlich mit dem hier beschriebenen Verfahren Formparameter bzw. Existenzparameter zu akquirieren, die dazu verwendet werden können solche Objekte bei der Auswertung von GNSS-Satellitensignalen zu berücksichtigen.
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Es ist zur Abschätzung der Genauigkeit und Verwendbarkeit von ermittelten Navigationsdaten (insbesondere Positionsdaten) üblich, verschiedene Parameter der Übertragungsstrecke dauerhaft zu überwachen und auszuwerten. Im Falle eines permanent vorhandenen Objekts in unmittelbarer Nähe der GNSS-Antenne ist die alleinige Kontrolle der Signalparameter, wie beispielweise der Signalqualität einzelner Satelliten (CNR), allerdings häufig nicht zielführend, da durch ein solches Objekt verursachte Beeinträchtigungen bzw. Fehler der empfangenen GNSS-Signale nicht wirksam erkannt werden können bzw. in einer Art- und Weise gleichmäßig systematisch auftreten, die zu einer dauerhaften Signalverfälschung führt, die nicht bzw. nur schwer heraus gerechnet werden kann. Insbesondere ist es nicht möglich, solche Beeinträchtigungen bzw. Fehler von Einflüssen des Antennendiagramms und von Umwelteinflüssen zu unterscheiden. Das hier beschriebene Verfahren löst dieses Problem, in dem systematisch Informationen hinsichtlich solcher Objekte ermittelt werden, die dann anschließend bei der Bestimmung von Navigationsdaten verwertet werden können.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erwartete Satellitenkonstellation am Orbit in Schritt a) unter Verwendung von GNSS-Bahndaten ermittelt wird.
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GNSS-Bahndaten (auch Ephemeriden-Daten genannt) sind in einem GNSS-System hinterlegt und diese Daten werden üblicherweise regelmäßig aktualisiert. Die erwartete Satellitenkonstellation, wird für Schritt a) bevorzugt aus verfügbaren GNSS-Bahndaten berechnet. GNSS-Bahndaten beschreiben die Bahnen von Satelliten im Orbit und sie ermöglichen es, für jeden beliebigen Zeitpunkt die Position der Satelliten zu berechnen.
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Bereits kurze Zeit nach der Aktivierung eines Navigationsmoduls zum Empfangen und Verarbeiten von GNSS-Satellitensignalen (auch Receiver genannt) verfügt dieses über die Information, welche GNSS-Satelliten aktuell an welcher Position am Himmel zu finden sind. Ein Korrekturdatendienst, wie er in vielen Navigationsmodulen zur Verbesserung der Positionsgenauigkeit verwendet wird, liefert die GNSS-Bahndaten.
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Gegebenenfalls ist es auch möglich, GNSS-Bahndaten während des Betriebs eines Navigationsmoduls kontinuierlich zu sammeln oder die Satellitenkonstellation direkt selbst aus Beobachtungen zu gewinnen. Solche Ansätze sind beispielsweise zielführend, wenn ein Dienst zur Bereitstellung von Bahndaten nicht verfügbar ist. Ansätze, GNSS-Bahndaten oder direkt eine Satellitenkonstellation aus Beobachtungen zu bestimmen, erfordert etwas mehr Zeitaufwand. Bevorzugt wird hierzu die Satellitenkonstellation am Himmel, während der Bewegung des Fahrzeugs vom Receiver beobachtet. Auch bei teilweiser Abschattung durch Aufbauten oder Gegenstände im Bereich um die GNSS-Antenne, wird durch Drehungen des Fahrzeugs während der Fahrt, mit der Zeit eine Erfassung des kompletten, lokal sichtbaren Himmelbereichs möglich. So kann Schritt a) ebenfalls durchgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erwartete Satellitenkonstellation im Orbit in Schritt a) unter Verwendung von GNSS-Korrekturdaten ermittelt wird.
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Hier sind insbesondere weitere Korrekturdaten gemeint, die über die Ephemeriden-Daten (GNSS-Bahndaten) hinaus gehen, beispielsweise lonosphärendaten oder Troposphärendaten. Korrekturdaten können noch zusätzlich verwendet werden, um die Genauigkeit der erkannten Satellitenkonstellation noch weiter zu erhöhen. Durch eine genaue Kenntnis der Satellitenkonstellation wird auch die Genauigkeit der Feststellung des ersten und zweiten Abdeckbereichs erhöht.
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In einer weiteren Ausführungsvariante wird die erwartete Satellitenkonstellation am Orbit in Schritt a) durch Beobachtung der Satellitenkonstellation unter Änderung der Fahrtrichtung erkannt wird.
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Anhand der Kenntnis über die aktuelle Satellitenkonstellation kann bei einer konstanten Abschattung der GNSS-Antenne ein reproduzierbarer Zusammenhang zwischen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs und der Sichtbarkeit einzelner Satelliten hergestellt werden. Auf diese Art und Weise lässt sich ein konstant störendes Objekt im Bereich der GNSS-Antenne identifizieren. Dies geschieht in den Verfahrensschritten b) und d).
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Wird die GNSS-Antenne beispielsweise teilweise überdeckt, so können Satelliten, die aktuell mit einer guten Signalqualität empfangen werden, nach einer Fahrtrichtungsänderung gegebenenfalls sprunghaft drastisch an Empfangsqualität verlieren oder gar nicht mehr sichtbar sein. Die ursprüngliche Signalqualität und Sichtbarkeit kann aber durch die Rückkehr zur vorherigen Fahrtrichtung wiederhergestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste Abdeckbereich in Schritt b) und der zweite Abdeckbereich in Schritt d) durch eine beeinträchtigte Signalqualität von empfangenen GNSS- Satellitensignalen festgestellt wird, deren erwarteter Signallaufpfad von dem jeweiligen GNSS-Satelliten zu der GNSS-Antenne durch den jeweiligen Abdeckbereich verläuft.
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In dieser Ausführungsvariante erfolgt eine geometrische Betrachtung, bei welcher von einem einzelnen geradlinigen Signallaufpfad von dem jeweiligen GNSS-Satelliten zu der GNSS-Antenne ausgegangen wird. Es sind auch weitergehende geometrische Betrachtungen möglich, bei welchen auch nicht geradlinige Signallaufpfade von den jeweiligen GNSS-Satelliten zu der GNSS-Antenne betrachtet werden, die durch das Objekt beeinflusst sind.
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Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn das Objekt ein entfernbares Anbauteil an einem Fahrzeug ist. Ein solches Anbauteil ist nur temporär an dem Fahrzeug vorhanden. Es kann sich beispielsweise um eine Dachbox oder einen ähnlichen Dachaufbau handeln. Daten hinsichtlich der Existenz eines solchen Objektes sind in einem GNSS-System bzw. im Bordsystem des Fahrzeugs normalerweise nicht verfügbar und ein solches Objekt kann auch auf unterschiedlichste und nicht vorhersehbare Art- und Weise (in nicht vorhersehbarer Position) an einem Fahrzeug befestigt sein. Aus diesem Grund ist es sehr vorteilhaft, das Objekt bzw. anhand eines Formparameters die Form des Objektes und dessen Einfluss auf den weiteren Empfang von GNSS-Signalen zu erkennen und bei GNSS-Positionsbestimmungen zu verwenden.
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Wenn mit dem hier beschriebenen Verfahren ein Objekt erkannt wurde und ein Formparameter und/oder ein Existenzparameter betreffend das Objekt ermittelt wurde, kann diese Information nicht nur für GNSS-Positionsbestimmungen verwendet werden, sondern die Position kann auch für andere Aufgaben innerhalb eines Fahrzeuges (in einem Bordsystem des Fahrzeugs) verwendet werden. Beispielsweise kann ein Warnhinweis und/oder eine Geschwindigkeitsbegrenzung ausgegeben werden, wenn ein Objekt (bspw. eine Dachbox auf dem Dach des Fahrzeugs) erkannt wurde. Außerdem möglich wäre es einen durch das Objekt ausgelösten zusätzlichen Luftwiderstand/Windlast zu berücksichtigen.
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Durch das reproduzierbare Verhalten, welches durch die Richtungsänderung und die Bestimmung des ersten Abdeckbereichs in Schritt b) und des zweiten Abdeckbereichs in Schritt d) entsteht, lässt sich ein Dachaufbau oder platzierte Gegenstände in der Umgebung der Antenne durch den Receiver detektieren. Dieses Prinzip macht sich das hier beschriebene Verfahren zu Nutze, in dem in Schritt c) gezielt eine Änderung der Ausrichtung der GNSS-Antenne hervorgerufen wird, bspw. durch eine Fahrtrichtungsänderung. Das Navigationsmodul ist mit diesem Verfahren in der Lage, die ermittelten Navigationsdaten (bspw. Positionsdaten) entsprechend zu kennzeichnen, wenn aufgrund eines störenden Objektes davon ausgegangen werden kann, dass diese beeinträchtigt sind. Ggf. können Navigationsdaten in diesem Falle auch komplett verworfen werden.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist es, wenn in Schritt e) mindestens ein Antennenparameter verarbeitet wird, der eine richtungsabhängige Empfangsfähigkeit der GNSS-Antenne für GNSS-Satellitensignale beschreibt. Mit der Umgebung einer GNSS-Antenne ist hier insbesondere ein Bereich im Umkreis von ca. 2 Meter oder weniger rund um die GNSS-Antenne gemeint.
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Ein solcher Antennenparameter definiert beispielsweise einen Verstärkungsfaktor bzw. einen Dämpfungsfaktor in Abhängigkeit von der Richtung, aus welcher ein GNSS-Satellitensignal auf die Antenne trifft. Dieser Faktor gibt ein Maß dafür an wie gut die GNSS-Antenne dafür geeignet ist GNSS-Satellitensignale aus einer bestimmten Richtung zu empfangen. Eine richtungsabhängige Empfangsfähigkeit überlagert sich mit den Auswirkungen eines Objektes, welches mit dem beschriebenen Verfahren identifiziert wird. Um die Ermittlung des mindestens einen Formparameters in Schritt e) basierend auf dem in Schritt b) ermittelten ersten Abdeckbereich und dem in Schritt d) ermittelten zweiten Abdeckbereich auch im Falle einer richtungsabhängigen Empfangsfähigkeit der GNSS-Antenne besser durchführen zu können, ist es hilfreich, diese richtungsabhängige Empfangsfähigkeit zu berücksichtigen.
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Insbesondere abgedeckte Satelliten im Bereich um den Zenit sind für die Durchführung von Schritt e) relevant. Insofern betreffen die in Schritt b) und Schritt d) festgestellten Abdeckbereiche insbesondere Satelliten im Zenit. In diesem Richtungsbereich haben GNSS-Antennen oft einen hohen und konstanten Antennengewinn, bzw. eine gute richtungsabhängige Empfangsfähigkeit. Zudem unterliegen die Signale der im Zenit stehenden Satelliten seltener Störfaktoren aus der Umwelt wie bspw. Abschattung oder Mehrwegeausbreitung. Eine fahrtrichtungsabhängige, sprunghafte Verbesserung oder Verschlechterung des Signals eines solchen, nahe dem Zenit stehenden Satelliten, der in dem ersten Abdeckbereich gemäß Schritt b) beispielsweise als abgedeckt erkannt wird und in dem zweiten Abdeckbereich gemäß Schritt d) dann als nicht mehr abgedeckt erkannt wird (oder umgekehrt), kann insbesondere durch ein die Empfangsfähigkeit einschränkendes Objekt in der Umgebung der GNSS-Antenne hervorgerufen werden. Der Begriff „Abdeckbereich“ ist somit breit zu verstehen. Ein Abdeckbereich kann auch die Abdeckung oder auch nur die Beeinflussung des Signals eines einzelnen Satelliten betreffen. Mit dem Begriff „Abdeckbereich“ wird insbesondere ausgedrückt, dass eine Beeinflussung von Sichtbaren Satelliten durch eine wie auch immer geartete Art der Abdeckung hervorgerufen wird, die sich in den Schritten b) und d) jeweils unterschiedlich auswirkt, so dass unterschiedliche erste Abdeckbereiche und zweite Abdeckbereiche entstehen.
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Aus dem ersten Abdeckbereich und dem zweiten Abdeckbereich kann ein Formparameter ermittelt werden. Ein Formparameter kann bspw. eine Breite, Länge oder Fläche des störenden Objekts, ein Abstand des störenden Objekts von der GNSS-Antenne oder Ähnliches sein. Gegebenenfalls können mit dem Verfahren auch mehrere Formparameter ermittelt werden, die zusammengenommen Eigenschaften des störenden Objekts beschreiben.
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Existenzparameter können aus dem ersten Abdeckbereich und dem zweiten Abdeckbereich ebenfalls ermittelt werden. Existenzparameter sind noch etwas allgemeiner zu verstehen. Ein Existenzparameter kann insbesondere auch ein binärer Flag sein, welcher gesetzt ist, wenn mit dem Verfahren ein Objekt erkannt wurde und welches nicht gesetzt ist, wenn mit dem Verfahren kein Objekt erkannt wurde.
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Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in Schritt e) zusätzlich Umgebungsdaten verarbeitet werden.
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Umgebungsdaten sind beispielsweise Kartendaten, welche Informationen zur Umgebung der GNSS-Antenne und mögliche Abdeckungen von Signallaufwegen durch die Umgebung der GNSS-Antenne beinhalten. Solche Abdeckungen überlagern sich ggf. ebenfalls mit Abdeckungen, die das zu identifizierende Objekt hervorruft. Durch die Verwertung von Umgebungsdaten in Schritt e) kann dies berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise aufgrund der Struktur der Umgebung der Empfang von GNSS-Satellitensignalen von der linken Seite aus grundsätzlich beeinträchtigt ist, dann können GNSS-Satellitensignale von dort bei der Bestimmung der Abdeckungsbereiche in den Schritten b) und d) sowie bei der Ermittlung des Formparameters in Schritt e) vernachlässigt werden.
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Hier auch beschrieben werden soll ein Verfahren zur Bestimmung von Navigationsdaten unter Verwendung von GNSS-Signalen von GNSS-Satelliten, wobei bei der Verarbeitung der GNSS-Signale mindestens ein Formparameter eines Objektes in der Umgebung der GNSS-Antenne verwertet wird, welcher mit dem beschriebenen Verfahren zur Identifikation von Objekten in der unmittelbaren Umgebung der GNSS-Antenne bestimmt wurde.
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Ein solches Verfahren zur Bestimmung von Navigationsdaten nutzt damit die Vorteile des beschriebenen Verfahrens zur Identifikation von Objekten für die Bestimmung von Navigationsdaten.
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Hier ebenfalls beschrieben werden soll ein Navigationsmodul eingerichtet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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Das Verfahren und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die das Verfahren jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen:
- 1: ein Fahrzeug mit einem störenden Objekt in einer Ansicht von Oben,
- 2: ein Fahrzeug mit einem störenden Objekt in einer Ansicht von der Seite,
- 3: eine Satellitenkonstellation und einen ersten Abdeckbereich bei einer Fahrtrichtung
- 4: eine Satellitenkonstellation und einen zweiten Abdeckbereich bei einer Fahrtrichtung nach einer Fahrtrichtungsänderung, und
- 5: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.
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Die 1 und die 2 zeigen jeweils ein Fahrzeug 1 an welchem ein den Empfang von GNSS-Satellitensignalen störendes Objekt 3 bzw. eine Dachbox angeordnet ist. Das Fahrzeug 1 fährt in einer Fahrtrichtung 2. Eine GNSS-Antenne 4 an dem Fahrzeug 1 ist von dem störenden Objekt 3 teilweise verdeckt. In 1 ist dies in einer Ansicht auf das Fahrzeug 1 von oben und in 2 in einer Ansicht von der Seite zu erkennen.
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3 und 4 zeigen jeweils die gleiche Satellitenkonstellation 5 mit als Punkten dargestellten GNSS-Satelliten 12, die für eine GNSS-Antenne 4 sichtbar ist. 3 zeigt beispielhaft einen ersten Abdeckbereich 6, der sich durch das störende Objekt 3 ergibt, wenn das Fahrzeug in der Fahrtrichtung 2 ausgerichtet ist. 4 zeigt beispielhaft einen zweiten Abdeckbereich 7, der sich durch das störende Objekt 3 ergibt, wenn das Fahrzeug in einer Fahrtrichtung 2 nach einer Fahrtrichtungsänderung 8 ausgerichtet ist. Durch eine Berücksichtigung der beiden Abdeckbereiche 6, 7 kann auf mindestens einen Formparameter des störenden Objektes 3 geschlossen werden, der dann hilft, das störende Objekt 3 bzw. den Einfluss des störenden Objekts 3 auf den Empfang von GNSS-Satellitensignalen 10 mit der GNSS-Antenne 4 zu berücksichtigen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens mit den Verfahrensschritten a) bis e). Ergebnis des Verfahrens ist mindestens ein Formparameter 13 des störenden Objekts 3, welcher bei der Ermittlung von Navigationsdaten 11 aus GNSS-Satellitensignalen 10 in einem Navigationsmodul 9 berücksichtigt werden kann.
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Der Polarplot in 3 zeigt die Position der Satelliten über dem horizontalen Azimut-Winkel (0-360°) und im Radius ihren vertikalen Elevationswinkel (0° = Horizont, 90° = Zenit). Die Satelliten sind rot eingezeichnet. Der Himmelbereich, der durch die Platte abgedeckt wird, ist grau eingefärbt. Bei dieser Betrachtung wird die Fahrt in Richtung 0° Azimut (Norden) angenommen. Man sieht, dass durch die Abschattung fünf Satelliten nicht, oder sehr eingeschränkt sichtbar sind, obwohl sie sich nahe des Zenits befinden und ohne Abdeckung der Antenne normalerweise vom Receiver detektiert würden. Wird die Fahrt in Richtung Azimut = 40° geändert, resultiert die folgend gezeigte Veränderung der Satellitensichtbarkeit.
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In 4 ist zu sehen, dass der abgedeckte Himmelsbereich durch die Änderung der Fahrtrichtung ebenfalls um 40° gedreht wird. Die Satellitenkonstellation 5 am Himmel bleibt jedoch bestehen. Dadurch werden die Satelliten 1 und 2 für den Receiver sprunghaft sichtbar. Dreht das Fahrzeug wieder zurück auf 0°, verschwinden beide Satelliten wieder oder verlieren enorm an Signalqualität. Diese richtungsabhängige sprunghafte Änderung der Sichtbarkeit identifiziert eindeutig einen störenden Gegenstand im Bereich der Antenne. Mit diesem Verfahren können somit die Ausgangsdaten dann entsprechend markiert und von folgenden Systemen besser eingeordnet werden.
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Um die Aussagekraft der beschriebenen Vorgehensweise zu untermauern, kann zur Betrachtung im Receiver das Antennendiagramm mit einbezogen werden. Es beschreibt die richtungsabhängige Signalverstärkung, die durch die Antenne hervorgerufen wird. Dadurch kann bestätigt werden, dass die Signaldegradation oder das Verschwinden des Satellitensignals eindeutig auf einen störenden Gegenstand im Antennenumfeld rückführbar ist und nicht durch die Richtcharakteristik der Antenne hervorgerufen wird.
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Die oben beschriebene Analyseprozedur im Receiver, ob eine Abschattung vorliegt oder nicht, wird im Optimalfall unter freiem Himmel durchgeführt. Um zu identifizieren, ob die Umgebung für die Analyse brauchbar ist oder nicht, kann auf weitere Sensoren am Fahrzeug zurückgegriffen werden. Durch diese lässt sich feststellen, ob sich das Fahrzeug unter freiem Himmel befindet, oder beispielsweise ein anderes Fahrzeug, ein Waldstück, oder andere Hindernisse den freien Blick auf den Himmel beeinträchtigen. Dieses Verfahren erhöht die Eindeutigkeit und die Geschwindigkeit des Verfahrens. Um festzustellen, ob sich Brücken oder sonstige, sich ungünstig auswirkende Objekte in der Umgebung befinden, können neben weiteren Sensoren am Fahrzeug auch kartographierte Informationen herangezogen werden, welche dann mit der aktuellen Position abgeglichen werden können. Diese Karteninformationen können Auskunft darüber geben, in welchen Bereichen die beschriebene Analyse ohne den Einfluss von umliegenden Bauwerken, anderen Fahrzeugen, oder fest installierten Hindernissen optimal durchgeführt werden kann, beziehungsweise wie geeignet die bislang vom Receiver als Entscheidungsgrundlage herangezogenen Messdaten sind, um das oben beschriebene Verfahren erfolgreich anzuwenden.
