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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines GNSS-basierten Navigationsmoduls während einer Startphase sowie ein Navigationsmodul, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung kann insbesondere beim autonomen Fahren zur Anwendung zu kommen.
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Stand der Technik
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Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von GNSS-basierten Systemen zur Positionsbestimmung werden häufig externe Datenquellen verwendet, welche Informationen für die Positionsbestimmung über andere Datenkanäle als die Satelliten des GNSS-Systems liefern bzw. andere reguläre Datenquellen. Dies gilt insbesondere weil derartige Datenquellen die notwendigen Daten für die Positionsbestimmung üblicherweise nur mit geringen Bitraten kontinuierlich übertragen können und eine Übertragung in Form von Datenpaketen mit einer Vielzahl von Informationen in einem bzw. in einem sehr kurzen Zeitintervall nicht möglich ist.
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Solche Ansätze werden insbesondere für den schnellen Start von GNSS-basierten Systemen nach einer Betriebsunterbrechung verwendet und werden auch A-GPS (A=assisted) genannt. Beim Start des Systems notwendige Navigationsinformationen werden über GNSS-Satelliten normalerweise nur mit sehr langsamen Datenraten empfangen.
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Daten bzw. Navigationsinformationen, die ein Navigationsmodul zur Bestimmung von Positionen benötigt, können aufgeteilt werden in GNSS-Navigationsdaten und GNSS-Korrekturdaten. GNSS-Navigationsdaten sind dabei Daten, die unmittelbar von Satelliten empfangen werden, um Signallaufzeitmessungen durchzuführen, anhand derer dann Positionsschätzungen möglich sind. Hierbei handelt es sich also insbesondere um zeitlich von Satelliten abgesendete Code-Phasen-Informationen. GNSS-Korrekturdaten sind dabei Daten, mit welchen Fehler in der Positionsbestimmung durch Laufzeitmessungen korrigiert werden können, beispielsweise weil Signallaufzeiten durch unterschiedliche Bedingungen beeinflusst werden können. Beispiele für solche Störungen sind beispielsweise ionosphärische Störungen oder troposphärische Störungen, Abweichungen in Satelliten-Orbits etc. Die entsprechenden GNSS-Korrekturdaten werden bspw. Ionosphären-Daten, Troposphärendaten oder Orbit-Daten genannt.
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Die Verwendung von GNSS-Korrekturdaten ist für hochpräzise GNSS-basierte Positionsbestimmungen üblich und auch notwendig.
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GNSS-Korrekturdaten können auf verschiedene Arten ermittelt werden. Eine häufige Art der Ermittlung von GNSS-Korrekturdaten ist die Berechnung von Fehlern aus Referenzmessungen, um hieraus dann geeignete GNSS-Korrekturdaten zur Korrektur der beobachteten Fehler zu bestimmen. Eine andere häufige Art der Ermittlung von GNSS-Korrekturdaten ist die Ermittlung mit Hilfe von Modellen. Dies können beispielsweise Modelle der Ionosphäre, der Troposphäre oder der Satelliten-Orbits sein.
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GNSS-Korrekturdaten können grundsätzlich in verschiedenen Formaten bereitgestellt werden. Hervorzuheben sind das OSR-Format (OSR = Observation State Representation) und das SSR-Format (SSR = State Space Representation). Im OSR-Format werden Korrekturdaten für jeden einzelnen Satelliten übermittelt. Im SSR-Format werden Korrekturdaten für jeden einzelnen physikalischen Einfluss auf die Signalübertragung vom Satelliten zum Empfänger übermittelt. Insbesondere im OSR-Format ist die Gesamtdatenmenge der GNSS-Korrekturdaten, die für eine präzise Positionsbestimmung notwendig sind, relativ groß. Im regulären Betrieb eines GNSS-Systems ist für die Übertragung dieser Datengesamtmenge eine relativ große Zeitspanne erforderlich. Daten im SSR-Format sind nicht nutzerspezifisch. Eine bidirektionale Kommunikation zum Übermitteln von nutzerspezifischen Informationen vom Nutzer zum Datenbereitsteller, um nutzerspezifische Daten zur Verfügung stellen zu können, ist im Falle von Daten im SSR-Format nicht erforderlich. Ein unidirektionaler Kommunikationskanal, über welchen SSR-Daten üblicherweise bereitgestellt werden, ist beispielsweise ein Kommunikationskanal, welcher auf L-Band-Kommunikationssignalen basiert, die von den GNSS-Satelliten zur Datenübertragung an GNSS-Empfänger verwendet werden können. Die zur Verfügung stehende Bandbreite zur Bereitstellung von Daten über das L-Band ist gering.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend hiervon soll ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines GNSS-basierten Navigationsmoduls beschrieben werden, mit welchem in einer Startphase schnell präzise Positionsbestimmungen möglich sind.
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Hier beschrieben werden soll ein Verfahren zum Betrieb eines GNSS-basierten Navigationsmoduls in einem Fahrzeug während einer Startphase des Fahrzeugs aufweisend folgende Schritte:
- a) Anfrage von initialen GNSS-Navigationsdaten von einer externen Datenquelle, die Daten mit einer Datenrate bereitstellt, welche größer ist als eine Datenbereitstellungsrate einer regulären Datenquelle eines GNSS-Systems für GNSS-Navigationsdaten und Empfangen der initialen GNSS-Navigationsdaten aus dieser externen Datenquelle;
- b) Anfrage von initialen GNSS-Korrekturdaten von einer externen Datenquelle, die Daten mit einer Datenrate bereitstellt, welche größer ist als eine Datenbereitstellungsrate einer regulären Datenquelle eines GNSS-Systems für GNSS-Korrekturdaten und Empfangen der initialen GNSS-Korrekturdaten aus dieser externen Datenquelle;
- c) Bestimmen mindestens eines initialen Ausgabeparameters basierend auf den initialen GNSS-Navigationsdaten und den initialen GNSS-Korrekturdaten.
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GNSS steht in diesem Zusammenhang für ein Globales
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Navigationssatellitensystem, wie zum Beispiel GPS (Global Positioning System) oder Galileo. Die angegebene Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist beispielhaft und kann sich so bei einem regulären Betriebsablauf des Verfahrens einstellen bzw. zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge ablaufen. Darüber hinaus können die Schritte a), b) und c), insbesondere die Schritte a) und b) auch zumindest teilweise parallel bzw. gleichzeitig durchgeführt werden. Insbesondere können die Schritte a), b) und c) mittels eines hier auch beschriebenen Navigationsmoduls durchgeführt werden. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein Automobil, das besonders bevorzugt für automatisierte oder autonome (Fahr-)Operationen eingerichtet ist.
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Mit einer Startphase ist hier insbesondere eine Phase kurz nach einer Aktivierung oder Reaktivierung des Fahrzeugs gemeint, wenn das Fahrzeug vorher für ein Zeitintervall abgeschaltet war. Je nachdem wie lang dieses Zeitintervall war (bspw. mehr als eine halbe Stunde oder länger als mehrere Stunden oder Tage) sind Daten für die Positionsbestimmung (GNSS-Korrekturdaten oder GNSS-Navigationsdaten), die noch während der letzten Aktivierung des Fahrzeugs empfangen wurden für eine hochgenaue Positionsbestimmung nicht mehr geeignet. Insbesondere GNSS-Korrekturdaten müssen sehr regelmäßig aktualisiert werden, damit sie für eine präzise Positionsbestimmung verwendet werden können.
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Das hier beschriebene Fahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftfahrzeug. Es kann sich aber auch um jedes andere Fahrzeug handeln, beispielsweise ein Lastkraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug.
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Der in Schritt c) bestimmte mindestens eine Ausgabeparameter ist insbesondere eine Position. Eine Position als Ausgabeparameter kann dann bevorzugt auch in Schritt b) direkt verwendet werden, um eine Anfrage nach positionsabhängigen GNSS-Korrekturdaten zu starten. Es kann sich aber auch um jeden anderen möglichen Positionsparameter handeln, beispielsweise eine Positionsveränderung oder eine Bewegungsgeschwindigkeit oder Ähnliches. Bevorzugt als Ausgabeparameter in Schritt c) mindestens eine Position bestimmt und zusätzlich werden gegebenenfalls weitere Ausgabeparameter bestimmt.
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Mit dem hier beschriebenen Verfahren wird ein schneller Start von hochgenauen Positionsbestimmungen bei der Aktivierung eines GNSS-basierten Navigationsmoduls ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass ein GNSS in der Startphase sowohl mit GNSS-Navigationsdaten als auch mit GNSS-Korrekturdaten aus externen Datenquellen versorgt wird, wobei diese Daten mit einer wesentlich höheren Datenrate und damit in wesentlich kürzerer Zeit von dem Navigationsmodul empfangen werden als dies im regulären Betrieb des GNSS-basierten Navigationsmoduls möglich wäre. Aus diesem Grund kann auch sehr viel schneller eine hochgenaue Positionsbestimmung erfolgen.
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Besonders bevorzugt ist, wenn in Schritt b) mindestens eine erste Anfrage von initialen GNSS-Korrekturdaten erfolgt, die unabhängig von einer Position des Fahrzeugs sind.
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Weiter vorteilhaft ist, wenn vor Schritt b) mit den in Schritt a) empfangenen initialen Navigationsdaten eine erste initiale Position bestimmt wird und in Schritt b) eine zweite Anfrage von initialen GNSS-Korrekturdaten erfolgt, die in Abhängigkeit von einer Position des Fahrzeugs unterschiedlich sind, wobei die Anfrage Informationen zu der ersten initialen Position beinhaltet.
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Für eine Anfrage nach GNSS-Korrekturdaten ist es besonders vorteilhaft, wenn das Navigationsmodul seine eigene Position zumindest ungefähr kennt. Dies gilt natürlich insbesondere für solche GNSS-Korrekturdaten die positionsabhängig sind. Ohne eine solche Information hinsichtlich der eigenen Position muss zumindest auf positionsabhängige Korrekturdaten etwas gewartet werden. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, bereits ohne die vorliegenden Korrekturdaten die Bestimmung einer ersten initialen Position durchzuführen, die dann zur Anfrage der initialen GNSS-Korrekturdaten als Anfrageparameter verwendet wird. Gegebenenfalls kann eine solche erste initiale Position allerdings auch aus einem Speicher ausgelesen werden, in welchem eine solche erste initiale Position bei einem letzten Abstellen des Fahrzeugs abgelegt wurde.
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Sobald dann initiale Korrekturdaten als Antwort auf die entsprechende Anfrage empfangen wurden, kann die Bestimmung einer zweiten initialen Position erfolgen, wobei hierbei dann bereits initiale GNSS-Navigationsdaten und initiale GNSS-Korrekturdaten berücksichtigt wurden, womit bereits eine hohe Genauigkeit bei der Positionsbestimmung erreicht wird.
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Die Verbesserung, die mit dem hier beschriebenen Verfahren erreicht wird, ist insbesondere die Fähigkeit bereits in der Startphase eine hohe Positionsgenauigkeit zu erreichen, weil bei der Positionsbestimmung mit (zeitlich) aktuellen GNSS-Korrekturdaten gearbeitet werden kann, die ohne das hier beschriebene Verfahren in der Startphase nicht verfügbar wären.
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Außerdem vorteilhaft ist es, wenn die in Schritt b) angefragten und empfangenen GNSS-Korrekturdaten Integritätsinformationen beinhalten, die die Integrität der GNSS-Korrekturdaten definieren. Bevorzugt ist, wenn auch die in Schritt a) empfangenen GNSS-Navigationsdaten Integritätsinformationen beinhalten, die die Integrität der GNSS-Navigationsdaten definieren.
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Solche Integritätsinformationen werden bei der Bestimmung von Ausgabeparametern (insbesondere bei der Positionsbestimmung) dazu verwendet die Integrität des bestimmten Ausgabeparameters und insbesondere der bestimmten Position zu ermitteln. Die Integrität der bestimmten Position ist insbesondere eine Teilinformation, die Bestandteil der in Schritt c) bestimmten Position ist. Die Integrität der bestimmten Position kann von weiteren Komponenten in dem Fahrzeug zusammen mit der Position weiter verarbeitet werden. In Schritt c) wird als Teil des initialen Ausgabeparameters insbesondere auch eine Integrität der initialen Ausgabeparameters bestimmt. Integritätsinformationen sind insbesondere dann sehr wichtig, wenn bestimmte Ausgabeparameter als Parameter für Anwendungen des autonomen Fahrens und der Fahrerassistenzsysteme verwendet werden. Dies gilt insbesondere wenn der mindestens eine initiale Ausgabeparameter eine (initiale) Position ist.
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Eine weitere Beschleunigung bei der Durchführung hochgenauer Positionsbestimmungen in einer Starphase kann dadurch erreicht werden, dass die Schritte a) und b) parallel stattfinden, in Schritt b) nur GNSS-Korrekturdaten angefragt und empfangen werden, die unabhängig von der Position sind und für die Bestimmung der initialen Position basierend auf den initialen GNSS-Navigationsdaten und den initialen GNSS-Korrekturdaten in Schritt c) nur auf diese positionsunabhängigen GNSS-Korrekturdaten zurück gegriffen wird. Für die gleichzeitige Durchführung der Schritte a) und b) ist wichtig, dass diese Schritte nicht aufeinander aufbauen.
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Noch eine weitere Beschleunigung bei der Durchführung hochgenauer Positionsbestimmungen kann erreicht werden, wenn die initiale Position in Schritt c), die initialen GNSS-Navigationsdaten und/oder die initialen GNSS-Korrekturdaten zumindest teilweise aus einem Speicher ausgelesen werden. Ein solcher Zugriff auf einen Speicher wird aber gemäß dem hier beschriebenen Verfahren in jedem Fall ergänzt durch den Zugriff auf eine externe Datenquelle. Dies gilt insbesondere dann, wenn die im Speicher hinterlegte Information (egal ob initiale Position, GNSS-Navigationsdaten oder initiale GNSS-Korrekturdaten) älter ist. Gegebenenfalls erfolgt die Bestimmung der initialen Position in Schritt c) als Ergebnis einer gewichteten Migration von in einem Speicher hinterlegten Daten, die während eines letzten Betriebs des Fahrzeugs gewonnen wurden und in den Schritten a) und b) aus externen Datenquellen empfangenen GNSS-Korrekturdaten und GNSS-Navigationsdaten bzw. basierend auf solchen Daten bestimmten initialen Positionen.
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Insbesondere im Hinblick auf GNSS-Korrekturdaten besteht das Problem, dass diese mit der Zeit veralten. Während einer vorangegangenen Betriebsphase eines Fahrzeugs gesammelte, aufgezeichnete und in einem Speicher abgelegte GNSS-Korrekturdaten sind aus diesem Grund regelmäßig nicht mehr für die Positionsbestimmung verwertbar, wenn das Fahrzeug nach der vorangegangenen Betriebsphase länger abgestellt war bzw. deaktiviert war.
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Außerdem bevorzugt ist das Verfahren, wenn in Schritt b) initiale GNSS-Korrekturdaten als Datenpaket empfangen werden, welches eine Initialisierung mindestens eines Korrekturalgorithmus in dem Navigationsmodul ermöglicht.
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Bevorzugt enthält ein solches Datenpaket insbesondere GNSS-Korrekturdaten im SSR-Format. Solche Daten haben bevorzugt eine positionsunabhängige Gültigkeit, die im Extremfall global sein kann. Mit einer positionsunabhängigen Gültigkeit ist hier auch umfasst, wenn die Daten in einem lokal begrenzten Bereich/in einer Region positionsunabhängig sind. Beispielsweise kann ein Datenpaket von GNSS-Korrekturdaten für Gesamteuropa oder Gesamtdeutschland oder eine ähnliche Region existieren. Für die Anfrage eines solchen Datenpakets von GNSS-Korrekturdaten in Schritt b) ist bevorzugt eine Information hinsichtlich der jeweiligen Region fest hinterlegt oder es wird bei der Anfrage ein Flag übergeben für welche Region das Datenpaket von GNSS-Korrekturdaten empfangen werden soll. Es wird also ein kompletter Satz derartiger GNSS-Korrekturdaten in Schritt b) aus der externen Datenquelle empfangen. Das Navigationsmodul kann dann mit diesem Satz von GNSS-Korrekturdaten eingerichtet werden. Derartige SSR-Korrekturdaten treffen während des regulären Betriebs des Navigationsmoduls nur langsam bzw. über einen längeren Zeitraum verteilt ein. Die Bereitstellung derartiger Korrekturdaten direkt zum Start des Betriebs des Navigationsmoduls als Datenpaket ermöglicht es sehr viel schneller präzise bestimmen von Ausgangsparametern (insbesondere Positionen) ausführen zu können.
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Im Zusammenhang mit dem beschriebenen Verfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn die externen Datenquellen verwendet in Schritt a) und/oder b) extern zu einem in einem Orbit stationierten Teil eines Satellitennavigationssystems sind.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die externen Datenquellen verwendet in Schritt a) und/oder b) bodenstationiert sind.
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Auch vorteilhaft ist es, wenn die externen Datenquellen verwendet in Schritt a) und/oder b) Mobilfunk-Datenquellen sind.
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Über solche externen Datenquellen können die GNSS-Korrekturdaten und/oder die GNSS-Navigationsdaten in der Startphase sehr schnell empfangen werden, insbesondere weil solche Datenquellen nach dem Start sehr schnell verfügbar sind.
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Wie schon beschrieben ist das Verfahren eingerichtet für die Startphase des Betriebs eines Navigationsmoduls. Bevorzugt wird nachfolgend zu den Schritten a) bis c) in einen regulären Betriebsmodus gewechselt wird, in welchem GNSS-Navigationsdaten und/oder GNSS-Korrekturdaten von Satelliten eines Satellitennavigationssystems empfangen werden.
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GNSS-Navigationsdaten werden im regulären Betrieb üblicherweise bzw. bevorzugt vollständig bzw. ausschließlich über die Satelliten des Satellitennavigationssystems empfangen. GNSS-Korrekturdaten hingegen können auch teilweise im regulären Betrieb aus anderen Datenquellen als über Satelliten empfangen werden, beispielsweise über Korrekturdatendienste, die einen Datenstrom von Korrekturdaten kontinuierlich bereitstellen.
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Außerdem bevorzugt ist, wenn während der Schritte a) bis c) überwacht wird, ob über Satelliten eines Satellitennavigationssystems GNSS-Navigationsdaten in einer Qualität, oberhalb einer Schwellwertqualität empfangbar sind und wenn dies der Fall ist, über Satelliten empfangene GNSS-Navigationsdaten zur Bestimmung von Positionen verwendet werden.
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Darüber hinaus bevorzugt ist, wenn während der Schritte a) bis c) überwacht wird, ob über Satelliten eines Satellitennavigationssystems GNSS-Korrekturdaten in einer vorgegebenen Qualität, oberhalb einer Schwellwertqualität empfangbar sind und wenn dies der Fall ist über Satelliten empfangene GNSS-Korrekturdaten zur Bestimmung von Positionen verwendet werden.
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Diese Verfahrensführung betrifft insbesondere SSR-Daten als GNSS-Korrekturdaten bzw. ald in Schritt b) empfangene initiale GNSS-Korrekturdaten. Bevorzugt ist die Schwellwertqualität eine vorgegebene Qualität, die so gewählt ist, dass diese Qualität (üblicherweise) höher ist als die Qualität der initialen GNSS-Korrekturdaten, die in Schritt b) empfangen werden. In wechselt das GNSS-Navigationsmodul dann die verwendeten Korrekturdaten weg von den initialen GNSS-Korrekturdaten hin zu den über Satelliten empfangenen GNSS-Korrekturdaten. In einer weiteren Ausführungsvariante des beschriebenen Verfahrens werden die aus den externen Datenquellen in den Schritten a) und b) empfangenen GNSS-Navigationsdaten und/oder GNSS-Korrekturdaten mit Daten verglichen werden, die später (im regulären Betriebsmodus) aus regulären Datenquellen (insbesondere von Satelliten) empfangen werden. Hierdurch erfolgt bevorzugt eine Validierung der Datenqualität und insbesondere eine Qualität der Datenübertragung der GNSS-Navigationsdaten und/oder der GNSS-Korrekturdaten.
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Nach einem weiteren Aspekt kann auch ein Computerprogramm zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens angegeben werden. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen. Weiterhin kann auch ein maschinenlesbares Speichermedium angegeben werden, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
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Hier auch beschrieben werden soll ein Navigationsmodul, eingerichtet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Bei dem Navigationsmodul handelt es sich insbesondere um ein solches für ein Fahrzeug, insbesondere ist dieses in oder an einem Fahrzeug anordnenbar und/oder mit elektronischen Steuereinrichtungen des Fahrzeugs verbindbar. Beispielsweise kann das zuvor beschriebene Speichermedium Bestandteil des Navigationsmoduls oder mit diesem verbunden sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem Navigationsmodul um einen GNSS-Sensor. Das Navigationsmodul ist weiterhin bevorzugt für einen autonomen Betrieb des Fahrzeugs vorgesehen und eingerichtet. Weiterhin kann es sich bei dem Navigationsmodul um einen kombinierten Bewegungs- und Positionssensor handeln. Ein solcher ist für autonome Fahrzeuge besonders vorteilhaft. Das Navigationsmodul beziehungsweise eine Recheneinheit (Prozessor) des Navigationsmoduls kann beispielsweise auf das hier beschriebene Computerprogramm zugreifen, um ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogram und/oder dem Speichermedium und/oder dem Navigationsmodul auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Das Verfahren, das Navigationsmodul sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel, auf welches die Offenbarung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigt:
- 1: eine Skizze des beschriebenen Verfahrens.
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In 1 ist ein Fahrzeug 2 (beispielsweise ein Personenkraftfahrzeug) mit einem Navigationsmodul 1 zu erkennen, welches dazu eingerichtet ist, basierend auf Signalen von GNSS-Satelliten 7 eines Satellitennavigationssystems 8 eine Position des Fahrzeugs 2 zu ermitteln. In einer Starphase empfängt das Positionsbestimmungsmodul 1 jedoch initiale GNSS-Navigationsdaten 3 aus einer ersten externen Datenquelle 4 und initiale GNSS-Korrekturdaten 5 aus einer zweiten externen Datenquelle 6 und nicht von den Satelliten 7 des Satellitennavigationssystems 1. Dies geschieht gemäß den Verfahrensschritten a) und b). In Schritt c) erfolgt dann die Positionsbestimmung basierend auf diesen Daten. Nach dem Ende der Startphase (in einem regulären Betrieb) erfolgt dann die Substitution der initialen GNSS-Navigationsdaten 3 und der initialen GNSS-Korrekturdaten 5 durch regulär empfangene (vorzugsweise über Satelliten empfangene) GNSS-Navigationsdaten 3 und GNSS-Korrekturdaten 5.
