DE10213502B4

DE10213502B4 - Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation

Info

Publication number: DE10213502B4
Application number: DE10213502A
Authority: DE
Inventors: Masato Koganei Takahashi
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: DE10213502A1; US20020183926A1; FR2823569B1; GB2378835B; GB2378835A; US6718264B2; GB2378835A8; GB0206997D0; FR2823569A1

Abstract

Verfahren zum Beschaffen von Information bezüglich des Azimuts einer zu bestimmenden Richtung mit den Schritten, dass:
zwei ebene Antennen, die jeweils eine halbkugelförmige Antennencharakteristik aufweisen, derart unter einem Winkel zueinander und normal zum Boden angeordnet werden, dass sich ihre Raumabdeckungsbereiche teilweise überlappen;
der zwischen den Antennen gebildete Winkel detektiert wird, bewirkt wird, dass jeweils ein GPS-Empfänger, der mit jeweils einer Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in seinem Raumabdeckungsbereich gesendet werden;
Daten der beschafften Satellitensignale verglichen werden und unterschieden wird, in welchem von drei separaten Raumbereichen der Satellit, der das jeweilige Signal sendet, vorhanden ist;
in jedem der drei Raumbereiche eine im Uhrzeigersinn kreisförmige Reihe von Satellitenazimuten von Satelliten, die sich in dem jeweiligen Raumbereich befinden, geschaffen wird, und jeweils der Azimut eines ersten Terms und der Azimut eines letzten Terms der Reihen extrahiert werden; und
für mindestens einen Raumbereich...

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation, d.h. ein Verfahren zum Beschaffen von Information bezüglich des Azimuts einer zu bestimmenden Richtung, unter Verwendung von Signalen, die von GPS-Satelliten (Satelliten des Globalen Positionsbestimmungssystems; engl. Global Positioning System) gesendet werden.
Bisher war Positionsbestimmungsinformation, wie etwa die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel und die GPS-Zeit (Zeit des Global Positioning System) leicht aus Signalen erhältlich, die von GPS-Satelliten gesendet werden, jedoch konnte keine Azimutinformation beschafft werden.

Die Erfinder haben deshalb ein Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation durch die Verwendung zweier ebener Patchantennen entwickelt (japanische Patentanmeldungen Nr. 2000-91362 und 2001-9396 – JP 2001356161AA –.

Dieses Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation umfasst die Schritte, dass zwei ebene Patchantennen Rücken an Rücken parallel zueinander und vertikal zum Boden angeordnet werden, wodurch jede ebene Patchantenne einen Raumabdeckungsbereich bildet, der aufgrund des unter der Antenne befindlichen Bodens eine Raum-Viertelkugel in der Richtung ist, in die die Antenne weist, dass bewirkt wird, dass Empfängereinheiten, die mit den jeweiligen Antennen verbunden sind, Stärkewer te aller empfangenen GPS-Satellitensignale extrahieren, dass auf der Grundlage eines Vergleiches der extrahierten Signalstärkewerte die Antenne erkannt wird, in deren Raumabdeckungsbereich der GPS-Satellit, der das jeweilige Signal gesendet hat, vorhanden ist, dass die Ergebnisse des Schrittes der Unterscheidung von Bereichen mit Satellitenanwesenheit in einer ringartigen Abfolge angeordnet werden, und dass ein Azimut einer Messrichtung auf der Grundlage von Information, die in einer ringartigen Unterscheidungsergebnisabfolge enthalten ist, bestimmt oder begrenzt wird.

Um dieses Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation in einem im Handel erhältlichen GPS-Empfänger einzusetzen, entwickelten die Erfinder ferner einen GPS-Empfänger, der eine Datensendeeinheit, eine Datenempfangseinheit und eine Datenverarbeitungseinheit umfasst (japanische Patentanmeldung Nr. 2000-36460 – JP 2002168938AA –.

Dieser machte es möglich, leicht Azimutinformation zu beschaffen, indem zwei ebene Patchantennen Rücken an Rücken parallel zueinander und vertikal zum Boden angeordnet wurden, zwei GPS-Empfänger derart angeordnet wurden, dass die Datensendeeinheit und die Datenempfangseinheit des einen GPS-Empfängers der Datenempfangseinheit und der Datensendeeinheit des anderen GPS-Empfängers zugewandt waren, wodurch GPS-Satelliten-Daten, die von einem GPS-Empfänger empfangen wurden, zu dem anderen GPS-Empfänger gesendet werden konnten, und diese beiden Datensätze mit der Datenverarbeitungseinheit verarbeitet wurden.

Azimutinformation, die aus GPS-Satelliten-Signalen beschafft wird, ist zuverlässiger als Azimutinformation, die unter Verwendung eines Kompasses beschafft wird, der von Magnetfeldern beeinflusst wird.

Jedoch erfordert das vorstehende Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation, das von dem Erfinder vorgeschlagen wurde, dass zwei ebene Antennen parallel angeordnet sein müssen. Deshalb ist es an einem Ort, an dem nur ein begrenzter Azimutabschnitt des gesamten Raums oder Himmels wegen der Anwesenheit von hoch ansteigenden Gebäuden davor oder dahinter verwendet werden kann, schwierig, ein Azimutbegrenzungsergebnis zu erhalten, das die gemessene Richtung auf einen relativ schmalen Azimutbereich begrenzt.

Außerdem macht es die Tatsache, dass bei dem früher vorgeschlagenen Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation die beiden ebenen Antennen parallel angeordnet sein müssen, schwierig, diese an der Nase einer mobilen, an Land befindlichen Einheit mit einer stromlinienförmigen Nase einzubauen.

Aus der EP 0 437 372 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kinematischen Vermessung bekannt. Die Richtung, die durch drei kollineare Antennen definiert ist, wird mit Hilfe der Trägerphasen der von GPS-Satelliten gesendeten Signale bestimmt. Die US 5,185,610 beschreibt ein GPS-System, das eine Richtungsmessung ermöglicht, die ebenfalls auf der Auswertung der Trägerphasen der Satellitensignale basiert.

Die US 5,471,218 beschreibt Vorrichtungen und ein Verfahren, um Vermessungsparameter wie z.B. Entfernungen und Winkelabweichungen zwischen einer Referenzstation, deren Standort bekannt ist, und einer mobilen Station mit erhöhter Genauigkeit zu messen, wobei die Richtung zwischen den beiden Stationen durch einen elektronischen Entfernungsmesser bestimmt wird.

Die DE 43 40 954 A1 beschreibt, dass die Fahrtrichtung eines Fahrzeugs dadurch bestimmt werden kann, dass die Position von zwei Antennen oder Empfängersystemen berechnet wird, die in Fahrtrichtung voneinander beabstandet an dem Fahrzeug befestigt sind. Diese Methode setzt voraus, dass die Empfänger relativ rauscharm sind.

In der DE 35 22 880 A1 wird eine Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung beschrieben, die mindestens drei Richtantennen aufweist, deren Empfangsrichtungen in der Horizontalebene voneinander verschieden sind. Aus der Kombination der Pegel oder der Phasen der Empfangssignale der Antennen kann die Einfallsrichtung der Satellitenfunkwelle bezüglich der Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges ermittelt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschaffen von Information bezüglich des Azimuts einer zu bestimmenden Richtung bereitzustellen, das sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Somit kann bei dem Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Situation, in der eine Behinderung durch einen Berg, ein Gebäude oder ein anderes derartiges Boden merkmal vorhanden ist, eine Verteilung der Antennenempfindlichkeit auf den gesamten Raum vermieden werden, und die vorstehende Tendenz, dass das Ergebnis der Azimutbegrenzung einen weiten Azimutbereich umfasst, kann überwunden werden, um ein erstrebenswerteres Ergebnis der Azimutbegrenzung zu liefern.

Außerdem können aufgrund der Platzierung der beiden ebenen Antennen, so dass ein bestimmter Winkel gebildet wird, bei dem Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung die beiden Antennen leicht an der Nase einer stromlinienförmigen mobilen, an Land befindlichen Einheit eingebaut werden, wobei der Winkel derart eingestellt werden kann, dass er zu der Stromlinienform passt, so dass während des Reisens Azimutinformation beschafft werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
1 ein Schaubild zum Erläutern der Platzierung zweier ebener Patchantennen bei dem Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 ein Schaubild zum Erläutern der Raumabdeckungsbereiche, die durch die jeweilige Antenne gebildet werden, die wie in 1 gezeigt platziert sind,
3 ein Blockdiagramm eines Systems zum Ausführen des Verfahrens zum Beschaffen von Azimutinformation der vorliegenden Erfindung,
4 ein Schaubild zum Erläutern der Positionsbeziehung zwischen den beiden Antennen und Weltraumsatelliten, wenn die Antennen derart platziert sind, dass sie einen Winkel von 100 Grad bilden,
5 ein Schaubild zum Erläutern der Beschaffung von Azimutinformation, wenn der Raumbereich, aus dem Satelliteninformation erhalten werden kann, auf einen Sektor begrenzt ist, der auf dem Zenit zentriert ist und einen Mittelpunktswinkel von 100 Grad aufweist, und
6 ein Schaubild zum Erläutern der Beschaffung von Azimutinformation, wenn der Raumbereich, aus dem Satelliteninformation erhalten werden kann, auf einen Sektor begrenzt ist, der auf dem Zenit zentriert ist und einen Mittelpunktswinkel von 45 Grad aufweist.
Das Prinzip des Verfahrens zum Beschaffen von Azimutinformation der Erfindung wird zunächst anhand der 1 bis 3 erläutert.
Zwei ebene GPS-Patchantennen 11a, 11b, die jeweils eine halbkugelförmige Strahlcharakteristik aufweisen, sind vertikal (normal zum Boden) angeordnet, so dass ein Winkel δ gebildet ist. Die Hauptstrahlen der Antennen 11a, 11b weisen, wie in 1 betrachtet, zur Rückseite des Zeichnungsblattes.
Die Haupteigenschaften der ebenen Patchantennen, die zur Azimutinformationsbeschaffung verwendet werden, umfassen eine geringe Größe, ein geringes Gewicht, die Einfachheit der Herstellung und niedrige Kosten. Bei der tatsächlichen Herstellung der ersten ebenen Patchantenne 11a und der zweiten ebenen Patchantenne 11b kann die fertiggestellte Antenne eine Strahlcharakteristik einer rechts zirkular polarisierten Welle mit einem Raumwinkel aufweisen, der geringfügig breiter als die Halbkugel ist, die die Strahlcharakteristik einer zirkular polarisierten Welle ist, die theoretisch zum Zeitpunkt des Entwurfs unter der Annahme einer unendlichen Grundebene berechnet wird. Dies tritt auf, da das Ergebnis des Entwurfs, der bei der theoretischen Berechung von einer unendlichen Grundebene ausgeht, von der tatsächlichen Situation abweicht. Dies wird in den folgenden Literaturnachweisen diskutiert:
Small Plane Antennas: Misao Haneishi, Kazuhiro Hirasawa und Yasuo Suzuki, veröffentlicht vom Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 10. August 1996, S. 100.
Global Positioning System: Theory and Applications, Band 1, herausgegeben von Bradford W. Parkinson und James J. Spilker Jr., veröffentlicht vom American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1996, S. 342-343, S. 722.
Die Technik zum Korrigieren einer derartigen Strahlformabweichung durch geringfügiges Abändern der Substratgröße, der Patch-Größe oder dergleichen, um die angestrebte Antennencharakteristik, nämlich im vorliegenden Fall die angestrebte halbkugelförmige Strahlcharakteristik zu erhalten, ist als Formung der Antennencharakteristik bekannt.
Wenn es sich im Unterschied zur Raum-Halbkugel gemäß den Entwurfsberechnungen herausstellt, dass das hergestellte Ergebnis eine größere Strahlcharakteristik als die Raum-Halbkugel aufweist, kann die angestrebte Raum-Halbkugel-Strahl-Antenne leicht konfiguriert werden, indem eine Abschirmsubstanz, die aus einem Funkwellen abschirmenden Material zusammengesetzt ist, auf der Rückseite angeordnet wird, um den Abschnitt mit der ungewollten Empfindlichkeit zu beseitigen.
Der zwischen den beiden Antennen 11a, 11b gebildete Winkel δ ist ein Winkel, der bewirkt, dass sich die Raumabdeckungsbereiche der Antennen teilweise überlappen, so dass ein gemeinsamer Raumbereich gebildet ist. Insbesondere ist, wie es in 2 gezeigt ist, der Winkel δ derart definiert, dass der Raumabdeckungsbereich der ersten ebenen Patchantenne 11a aus einem ersten Bereich 1 und einem zweiten Bereich 2 besteht, und der Raumabdeckungsbereich der zweiten ebenen Patchantenne 1 1b aus dem zweiten Bereich 2 und einem dritten Bereich 3 besteht. Der zweite Bereich 2 ist deshalb ein gemeinsamer Bereich, der durch beide Antennen abgedeckt wird.
Wenn die Richtung, in die ein Ende der ersten ebenen Patchantenne 11a (das Ende, das näher bei der zweiten ebenen Patchantenne 11b liegt) zeigt, als X definiert wird, wird die entgegengesetzte Richtung der ersten ebenen Patchantenne 11a die Richtung, die erhalten wird, indem 180 Grad zu X addiert werden. Die Richtung, in die ein Ende der zweiten ebenen Patchantenne 11b (das Ende, das näher bei der ersten ebenen Patchantenne 11a liegt) zeigt, wird die Richtung, die erhalten wird, indem der Winkel 6 von X subtrahiert wird, und die entgegengesetzte Richtung der zweiten ebenen Patchantenne 11b wird die Richtung, die erhalten wird, indem 180 Grad zu dieser Richtung addiert werden.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist ein erster GPS-Empfänger 12a mit der ersten ebenen Patchantenne 11a verbunden, und ein zweiter GPS-Empfänger 12b ist mit der zweiten ebenen Patchantenne 11b verbunden.
Der erste GPS-Empfänger 12a versucht, die erste ebene Patchantenne 11a zu benutzen, um sich mit Signalen von Satelliten, die im Raum vorhanden sind, zu synchronisieren bzw. diese zu decodieren, und auch eine Position zu bestimmen. Ähnlich versucht der zweite GPS-Empfänger 12b die zweite ebene Patchantenne 11b zu benutzen, um sich mit Signalen von Satelliten, die im Raum vorhanden sind, zu synchronisieren und diese zu decodieren, und auch eine Position zu bestimmen.
Der erste und der zweite GPS-Empfänger 12a und 12b, die in 3 gezeigt sind, können die gleichen funktionellen Merkmale und Spezifikationen aufweisen, wie die GPS-Empfänger, die in weitläufig verwendeten kompakten mobilen Positionsbestimmungsgeräten, die L1-Signale verwenden, enthalten sind. Dies macht es möglich, Nutzen aus Technologien zu ziehen, die für die Produktion von handelsüblichen, kleinen, leichten GPS-Positionsbestimmungsgeräten entwickelt werden, wobei die Größenverringerung und die Einfachheit der Massenproduktion am bemerkenswertesten sind. Dank der Größen- und Gewichtsverringerung, die bei handelsüblichen GPS-Positionsbestimmungsgeräten erzielt wird, sind reichlich GPS-Empfänger in Größen erhältlich, die mit ebenen Patchantennen vereinbar sind. Sie sind auch einfach herzustellen. Außerdem weisen diese GPS-Empfänger ebene Patchantennen auf, die integral mit dem Empfängergehäuse ausgebildet sind, und preiswerte Modelle im Handflächenformat sind bereits erhältlich. Die Produktionstechnologien sind gut eingeführt. Der beträchtliche Bestand an Miniaturisierungstechnologien, der heutzutage verfügbar ist, kann zur wirtschaftlichen Herstellung von Geräten zur Implementierung der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
Der GPS-Empfänger gibt periodisch die folgende Datenkette mit einer Periode von beispielsweise einmal pro Sekunde oder kürzer aus. Mit anderen Worten ist er für gewöhnliche Spezifikationen gebaut. Daten, wie die folgenden, sind in der Datenkette enthalten: zunächst die gegenwärtige Zeit, ferner, als Positionsbestimmungsdaten, die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, die Positionsbestimmungsberechnungszeit, der Modus der Positionsbestimmungsberechnung (der eine zweidimensionale Positionsbestimmung unter Verwendung von drei Satelliten oder eine dreidimensionale Positionsbestimmung unter Verwendung von vier Satelliten angibt), die Satellitennummer, der Satellitenelevationswinkel, der Satellitenazimut und der Kanalzustand des Satelliten, der Kanal 1 zuwiesen ist, die Satellitennummer, der Satellitenelevationswinkel, der Satellitenazimut und der Kanalzustand des Satelliten, der Kanal 2 zugewiesen ist, ..., und die Satellitennummer, der Satellitenelevationswinkel, der Satellitenazimut und der Kanalzustand des Satelliten, der Kanal n zugewiesen ist. Die Anzahl von benutzten Kanälen n beträgt gewöhnlich 12. Da der GPS-Empfänger sich gleichzeitig mit den Signalen dieser 12 Satelliten synchronisieren kann, können seine Spezifikationen gemäß den gegenwärtigen Standards als üblich bezeichnet werden. Die vorliegende Erfindung kann einen solchen L1-Wellen-GPS-Empfänger und eine ebene Antenne, die auf dem allgemeinen Markt erhältlich sind, im Wesentlichen ohne Modifikation benutzen. Der Ausgang des ersten GPS-Empfängers 12a wird zu einer Datenverarbeitungseinheit 13 weitergeleitet.
Der erste GPS-Empfänger 12a versucht, die erste ebene Patchantenne 11a zu benutzen, um sich mit Signalen von Satelliten, die im Raum vorhanden sind, zu synchronisieren und diese zu decodieren, und auch eine Position zu bestimmen. Ähnlich versucht der zweite GPS-Empfänger 12b die zweite ebene Patchantenne 11b zu benutzen, um sich mit Signalen von Satelliten, die im Raum vorhanden sind, zu synchronisieren und diese zu decodieren, und auch eine Position zu bestimmen. Mit anderen Worten führen der erste GPS-Empfänger 12a und der zweite GPS-Empfänger 12b eine Suche nach Signalen von allen GPS-Satelliten durch, von denen zu erwarten ist, dass sie im Raum vorhanden sind, genau so, wie es der GPS-Empfänger eines gewöhnlichen mobilen Satellitenpositionsbestimmungsgerätes macht, auf exakt die gleiche Weise, als ob sie mit Antennen verbunden wären, deren Abdeckungsbereiche die Raum-Halbkugel sind.
Die Funkwelle, die von einem GPS-Satelliten gesendet wird, enthält Information über die Umlaufbahnen aller GPS-Satelliten (Almanach-Daten). Jeder Satellit sendet diese Daten. Deshalb kann im Fall eines Satelliten, der im Raum unter einem Elevationswinkel von größer als 0 Grad, vom gegenwärtigen Standort aus betrachtet, vorhanden ist, aber dessen Signal durch ein Gebäude oder die Topographie blockiert wird, oder eines Satelliten, der nicht im Antennenabdeckungsbereich liegt, mit dessen Signal keine Synchronisation hergestellt werden kann, der Elevationswinkel und der Azimutwinkel des betreffenden Satelliten durch eine einfache Berechnung aus Daten berechnet und ausgegeben werden, die von einem anderen GPS-Satelliten empfangen werden, mit dessen Signal eine Synchroni sation durch eine der Antennen hergestellt wird. Die Ausrüstung, die derartige Information ausgibt, existiert tatsächlich.
Obwohl alle GPS-Satelliten Signale mit exakt der gleichen Frequenz senden, tritt aufgrund der Nutzung einer Technologie, die Spreiz-Spektrum-Kommunikationssystem (Bandspreizkommunikationssystem) genannt wird, durch Pseudozufallscodierung keine Signalinterferenz auf, selbst wenn die gleiche Frequenz verwendet wird. Bei einer Pseudozufallscodierung wird jedem GPS-Satelliten eine unterschiedliche digitale Signalabfolge zugewiesen, wobei es den Anschein hat, dass 0 und 1 sich unregelmäßig abwechseln. Dies ermöglicht es, dass die Signale von den Satelliten unterschieden und separat empfangen werden können. Mit anderen Worten macht es das Prinzip einer Pseudozufallscodierung leicht, die Elevationswinkel im Raum und die Azimute aller GPS-Satelliten, die unter einem Elevationswinkel von größer als 0 Grad vorhanden sind, wie vom gegenwärtigen Standort aus betrachtet, zu unterscheiden, und genauso eine Synchronisation mit den Signalen von den einzelnen Satelliten herzustellen oder nicht herzustellen, d.h. den Empfangszustand zu unterscheiden und die Signale von den Satelliten zu empfangen.
Bei dem Verfahren zum Durchführen der Signalsuche mit dem GPS-Empfänger werden die Daten von jedem Satelliten, d.h. die Satellitennummer, der Satellitenelevationswinkel, der Satellitenazimut und der Kanalzustand des GPS-Satelliten periodisch von beiden GPS-Empfängern ausgegeben. Die Positionsbestimmungsergebnisdaten, d.h. die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, die Positionsbestimmungsberechnungszeit, der Modus der Positionsbestimmungsberechnung und die gegenwärtige Zeit, werden von beiden GPS-Empfängern ebenfalls periodisch ausgegeben. Es gibt keine besondere Beschränkung der Datenausgabeperiode. GPS-Empfänger, die Daten ungefähr einmal pro Sekunde ausgeben, sind gegenwärtig weitläufig in Gebrauch. Eine kürzere Ausgabeperiode funktioniert ebenfalls, wenn sie verfügbar ist.
Als eine Gegenmaßnahme, wenn keine Positionsbestimmung hergestellt werden kann, können die bei der letzten Positionsbestimmungsberechnung hergestellten Werte als die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, die Positionsbestimmungsberechnungszeit und der Modus der Positionsbestimmungsberechnung ausgegeben werden. GPS-Empfänger nach Standardspezifikation des üblichsten Typs sind in der Lage, einen Satellitenelevationswinkel und einen Satellitenazimut aus Satellitenumlauffaktoren zu berechnen, wobei die geographische Breite, die geographische Länge und die Höhe über dem Meeresspiegel zu der Zeit, zu der eine Positionsbestimmungsberechnung zuletzt vorgenommen wurde, zusammen mit der gegenwärtigen Zeit benutzt wird. Wenn ein derartiger GPS-Empfänger angenommen wird, können, selbst unter Bedingungen, die es nicht erlauben, dass eine Positionsbestimmung vorgenommen wird, der Satellitenelevationswinkel und der Satellitenazimut dennoch sehr genau berechnet werden, vorausgesetzt, dass die letzte Vornahme der Positionsbestimmungsberechnung bei einer nahegelegenen Position erfolgt war, indem die Ergebnisse der Positionsbestimmungsberechnung verwendet werden, die an dem nahegelegenen Standort vorgenommen wurde. Es sei angenommen, dass beispielsweise die Positionsbestimmungsberechnung an einem Punkt 300 km vom gegenwärtigen Standort entfernt hergestellt wurde. Selbst wenn die Werte, die zu dieser Zeit erhalten wurden, zusammen mit der gegenwärtigen Zeit verwendet werden, ist es dennoch möglich, die Berechnung mit sehr hoher Genauigkeit vorzunehmen, vorausgesetzt, dass der Satellitenazimut und die Satellitenelevation berechnet wurden, da die Verschiebung im Satellitenelevationswinkel und Satellitenazimut sehr gering sein wird (weniger als 1 Grad). Mit anderen Worten ist der Fehler für praktische Zwecke zu vernachlässigen.
Die Datenverarbeitungseinheit 13 schließt zunächst die Daten für jeden GPS-Satelliten aus, für den die Kanalzustände beider GPS-Empfänger anzeigen, dass keine Synchronisation hergestellt worden ist. (Obwohl die Nicht-Synchronisation eines derartigen Satelliten entweder dadurch, dass dieser durch Bodenmerkmale blockiert wird, oder durch die Tatsache, dass der Satellit sich in einem Raumbereich befindet, auf den die Antennen nicht empfindlich sind, verursacht werden kann, muss zwischen diesen beiden Fällen nicht unterschieden werden). Als nächstes werden die Daten von Satelliten, deren Satellitenelevationswinkel 85 Grad oder weniger beträgt, extrahiert. Der Grund für den Ausschluss von Satelliten, deren Elevationswinkel größer als 85 Grad ist, ist, dass Satelliten mit großen Elevationswinkeln in der Nähe des Zenits eine sehr kleine tatsächliche Elongation aufweisen, obwohl beobachtet wird, dass sie Azimute aufweisen, die sich zahlenmäßig unterscheiden,.
Die Datenverarbeitungseinheit 13 vergleicht die restlichen Daten jedes GPS-Satelliten und unterscheidet, in welchem von dem ersten Bereich 1, dem zweiten Bereich 2 und dem dritten Bereich 3 er vorhanden ist.
Wenn herausgefunden wird, dass der Zustand des Kanals, der einem Signal zugeordnet ist, das von einem Satelliten gesendet wird, in dem ersten GPS-Empfänger 12a synchronisiert ist, und herausgefunden wird, dass der Zustand des Kanals, der dem Signal zugeordnet ist, das von dem Satelliten gesendet wird, in dem zweiten GPS-Empfänger 12b nicht synchronisiert ist, wird entschieden, dass der Satellit im ersten Bereich 1 vorhanden ist.
Wenn herausgefunden wird, dass der Zustand des Kanals, der einem Signal zugeordnet ist, das von einem Satelliten gesendet wird, in dem zweiten GPS-Empfänger 12b synchronisiert ist, und herausgefunden wird, dass der Zustand des Kanals, der dem Signal zugeordnet ist, das von dem Satelliten gesendet wird, in dem ersten GPS-Empfänger 12a nicht synchronisiert ist, wird entschieden, dass der Satellit im dritten Bereich 3 vorhanden ist.
Wenn herausgefunden wird, dass der Zustand des Kanals, der einem Signal zugeordnet ist, das von einem Satelliten gesendet wird, in dem ersten GPS-Empfänger 12a synchronisiert ist, und herausgefunden wird, dass der Zustand des Kanals, der dem Signal zugeordnet ist, das von dem Satelliten gesendet wird, in dem zweiten GPS-Empfänger 12b synchronisiert ist, wird entschieden, dass der Satellit in dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 vorhanden ist.
Der Satellitenazimut, der von dem GPS-Empfänger ausgegeben wird, der den letzten Zeitpunkt der Positionsbestimmungsberechnung angibt, wird auf die folgende Weise verwendet, um einen Satelliten, dessen Bereich bestimmt worden ist, zu verarbeiten.
Die Azimute der Satelliten, die in dem ersten, dem zweiten und dem dritten Bereich vorhanden sind, werden im Uhrzeigersinn in einer Reihe angeordnet, und die Daten des führenden Satelliten (erster Term) und des abschließenden Satelliten (letzter Term) der Reihe werden extrahiert. Wenn nur ein Satellit in dem Bereich vorhanden ist, wird er verarbeitet, indem definiert wird, erster Term = letzter Term. Wenn es zwei oder mehr Satelliten in dem Bereich gibt, werden der erste Term und der letzte Term wie folgt definiert. Schaffe eine im Uhrzeigersinn kreisförmige Reihe oder Kreisfolge in Bezug auf die Azimute von nur den Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem Bereich vorhanden sind. Wenn der im Uhrzeigersinn drehende Winkel zwischen dem Azimut eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) der kreisförmigen Reihe und dem Azimut des im Uhrzeigersinn nächsten existierenden Satelliten (B) größer ist als "der Winkel, der erhalten wird, indem der Mittelpunktswinkel des Bereichs von 360 Grad subtrahiert wird", definiere den Satelliten (A) als den letzten Term und den Satelliten (B) als den ersten Term.
Wenn dies vorgenommen wird, wird Satellit 5 in 2 der Satellit des ersten Terms und Satellit 6 wird der Satellit des letzten Terms des ersten Bereiches 1. In dem gemeinsamen (zweiten) Bereich 2, in dem vier Satelliten vorhanden sind, wird Satellit 7 der Satellit des ersten Terms und Satellit 8 wird der Satellit des letzten Terms. Da Satellit 9 der einzige Satellit ist, der im dritten Bereich 3 vorhanden ist, wird er sowohl der erste als auch der letzte Term in diesem Bereich.
Ein Symbol wie A(S1, 1), das neben einem Satelliten des ersten Terms oder des letzten Terms in 2 erscheint, gibt den Azimut des Satelliten gemäß der folgenden Definition an.
Beispielsweise in dem Symbol A(S1, 1), das dem Satelliten 5 zugeordnet ist, bedeutet das Symbol S1 links innerhalb der Klammern, dass der Satellit 5 sich in der Reihe von Satelliten befindet, die im ersten Bereich 1 zu finden sind, und die Zahl 1 rechts gibt die Position (Ordnungszahl) des Terms in der Reihe an. Somit gibt A(S1, 1) den Azimut des Satelliten des ersten Terms in der Reihe von Satelliten an, die im ersten Bereich 1 vorhanden sind. Im Fall des Satelliten 8 ist, da der Satellit im zweiten Bereich 2 vorhanden ist, das Symbol links in der Klammer S2, während das Symbol rechts e2 ist, was zugeordnet ist, um die Position des Azimut des Satelliten in der Uhrzeigerrichtung in dem Bereich anzuzeigen, d.h., dass dieser Satellit 8 der letzte Term im zweiten Bereich 2 ist. (Genauer, da der Satellit 8 der vierte Satellit ist, e2 = 4).
Die folgende Gl. (1) wird daher aus 2 erhalten: X + 180 < A(S1, 1) < A(S1, e1) < X – δ < A(S2, 1) < A(S2, e2) < X < A(S3, 1) < A(S3, e3) < X – δ + 180 ... Gl. (1)
Das Symbol "<" wird hier dazu verwendet, anzugeben, dass die Reihenfolge des Auftretens der Azimute im Uhrzeigersinn erfolgt.
Nun wird das Verfahren zum Ableiten einer den Azimut X begrenzenden Gleichung aus Gl. (1) auf der Grundlage des ersten Terms und des letzten Terms des ersten Bereiches 1 erläutert.
Zunächst werden durch die Extrahierbarkeit die ersten Terme und die letzten Terme von anderen Bereichen als dem ersten Bereich 1 aus Gl. (1) weggelassen. X + 180 < A(S1, 1) < A(S1, e1) < X – δ < X < X – δ + 180 ... Gl. (1-1)
Durch die Additions- bzw. Subtraktionsfähigkeit wird (180) zu Gl. (1-1) addiert. X < A(S1, 1) + 180 < A(S1, e1) + 180 < X – δ + 180 < X + 180 < X – δ ... Gl. (1-2)
Ähnlich wird durch die Additions- bzw. Subtraktionsfähigkeit (δ) zu Gl. (1-1) addiert. X + δ + 180 < A(S1, 1) + δ < A(S1, e1) + δ < X < X + δ < X + 180 ... Gl. (1-3)
Durch die Verknüpfbarkeit werden Gl. (1-2) und (1-3) in Bezug auf den X – Term und den X + 180-Term verknüpft. X + 180 < X + δ + 180 < A(S1, 1) + δ < A(S1, e1) + δ < X < A(S1, 1) + 180 < A(S1, e1)+ 180 < X – δ + 180 ... Gl. (1-4)
Durch die Extrahierbarkeit werden alle außer dem X – Term und benachbarten Termen aus Gl. (1-4) weggelassen, um Gl. (1-5) zu erhalten, die den Azimut X durch die ersten und die letzten Terme des ersten Bereiches 1 begrenzt. A(S1, e1) + δ < X < A(S1, 1) + 180 ... Gl. (1-5)
Als nächstes wird das Verfahren zum Ableiten einer den Azimut X begrenzenden Gleichung aus Gl. (1) auf der Grundlage des ersten Terms und des letzten Terms des zweiten Bereiches 2 erläutert.
Zunächst werden durch die Extrahierbarkeit die ersten Terme und die letzten Terme von anderen Bereichen als dem zweiten Bereich 2 aus Gl. (1) weggelassen. X + 180 < X – δ < A(S2, 1) < A(S2, e2) < X < X – δ + 180 ... Gl. (2-2)
Durch die Additions- bzw. Subtraktionsfähigkeit wird (δ) zu Gl. (2-2) addiert. X + δ + 180 < X < A(S2, 2) + δ < A(S2, e2) + δ < X + δ < X + 180 ... Gl. (2-3)
Durch die Verknüpfbarkeit werden Gl. (2-2) und Gl. (2-3) in Bezug auf den X – Term und den X + 180-Term verknüpft. X + 180 < X – δ < A(S2, 1) < A(S2, e2) < X < A(S2, 1) + δ < A(S2, e2) + δ < X + δ ... Gl. (2-4)
Durch die Extrahierbarkeit werden alle außer dem X – Term und benachbarten Termen aus Gl. (2-4) weggelassen, um Gl. (2-5) zu erhalten, die den Azimut X durch die ersten und die letzten Terme des zweiten Bereiches 2 begrenzt. A(S2, e2) < X < A(S2, 1) + δ ... Gl. (2-5)
Schließlich wird das Verfahren zum Ableiten einer den Azimut X begrenzenden Gleichung aus Gl. (1) auf der Grundlage des ersten Terms und des letzten Terms des dritten Bereiches 3 erläutert.
Zunächst werden durch die Extrahierbarkeit die ersten Terme und die letzten Terme von anderen Bereichen als dem dritten Bereich 3 aus Gl. (1) weggelassen. X + 180 < X – δ < X < A(S3, 1) < A(S3, e3) < X – δ + 180 ... Gl. (3-1)
Durch die Additions- bzw. Subtraktionsfähigkeit wird (δ – 180) zu Gl. (3-1) addiert. X + δ < X - 180 < X + δ – 180 < A(S3, 1) + δ – 180 < A(S3, e3) + δ – 180 < X ... Gl. (3-2)
Da der zweite Term (X – 180) in Gl. (3-2) gleich ist wie (X + 180), wird die Gleichung umgeschrieben. X + δ < X + 180 < X + δ – 180 < A(S3, 1) + δ – 180 < A(S3, e3) + δ – 180 < X ... Gl. (3-3)
Durch die Verknüpfbarkeit werden Gl. (3-1) und Gl. (3-3) in Bezug auf den X – Term und den X + 180 – Term verknüpft. X + 180 < X + δ – 180 < A(S3, 1) + δ – 180 < A(S3, e3) + δ – 180 < X < A(S3, 1) < A(S3, e3) < X – δ + 180 ... Gl. (3-4)
Durch die Extrahierbarkeit werden alle außer dem X – Term und benachbarten Termen aus Gl. (3-4) weggelassen, um Gl. (3-5) zu erhalten, die den Azimut X durch die ersten und letzten Terme des dritten Bereiches 3 begrenzt. A(S3, e3) + δ – 180 < X < A(S3, 1) ... Gl. (3-5)
Die Gl. (1-5), (2-5) und (3-5), die auf die vorstehende Weise erhalten wurden, spielen eine wichtige Rolle bei der Beschaffung von Azimutinformation bei der vorliegenden Erfindung. Wenn eine dieser drei Hauptgleichungen erhalten wird, kann diese Gleichung dazu verwendet werden, Azimutinformation zu beschaffen. Wenn zwei oder alle Gleichungen erhalten werden, kann noch genauere Azimutinformation beschafft werden, indem der Azimutbereich bestimmt wird, der die Gleichungen gleichzeitig erfüllt. Die beschaffte Azimutinformation wird durch eine Ergebnisausgabeeinheit 14 ausgegeben, indem sie beispielsweise an einem Flüssigkristallbildschirm angezeigt wird und/oder hörbar durch einen Lautsprecher oder Ohrhörer angesagt wird.
Die vorstehende Verarbeitung wird durch die Datenverarbeitungseinheit 13 durchgeführt, die durch einen Mikroprozessor mit einer numerischen Berechnungs- und Speicherfähigkeit gebildet ist.
Der Ausdruck "Extrahierbarkeit", der bei der vorstehenden Erläuterung verwendet wird, beruht auf der Aussage, dass die kreisförmige Reihe, die erhalten wird, indem drei oder mehr Terme aus einer gültigen kreisförmigen Azimutreihe, die aus vier oder mehr Termen besteht, unter Beibehal tung ihrer kreisförmigen Reihenfolge extrahiert werden, auch als eine kreisförmige Azimutreihe gültig ist.
Der Ausdruck "Additions- bzw. Subtraktionsfähigkeit" beruht auf der Aussage, dass das Ergebnis, das durch Addieren (oder Subtrahieren) eines beliebigen Rotationswinkels zu bzw. von allen Termen einer gültigen kreisförmigen Azimutreihe erhalten wird, eine gültige kreisförmige Azimutreihe ist.
Der Ausdruck "Verknüpfbarkeit" beruht auf der Aussage, dass, wenn eine bestimmte gültige kreisförmige Azimutreihe einen Term a umfasst, dem unmittelbar ein Term b folgt, und eine andere gültige kreisförmige Azimutreihe den Term b umfasst, dem unmittelbar der Term a folgt, dann, wenn eine Reihe, die gebildet wird, indem die erstere kreisförmige Azimutreihe zwischen a und b getrennt wird, und eine Reihe, die gebildet wird, indem die letzte kreisförmige Azimutreihe zwischen b und a getrennt wird, in Bezug auf a und a, b und b verknüpft werden, die neu gebildete kreisförmige Azimutreihe als eine kreisförmige Azimutreihe gültig ist.
Nun wird das Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation unter Verwendung der Gleichungen (1-5), (2-5) und (3-5) im Detail erläutert. Bei der folgenden Erläuterung wird Grad als die Einheit für Winkel verwendet, wobei Norden als 0 Grad definiert ist und, wenn man sich im Uhrzeigersinn bewegt, Osten als 90 Grad, Süden als 180 Grad und Westen als 270 Grad. Der Elevationswinkel ist als 0 Grad in der horizontalen und 90 Grad am Zenit definiert.
Zunächst werden die erste und die zweite ebene Patchantenne 11a, 11b vertikal (normal zum Boden) angeordnet, so dass ein Winkel δ gebildet wird. Obwohl die beiden Antennen unter Berücksichtigung der Bedingungen an der Messstelle, und zwar der Azimutbeschaffungsrichtung und dergleichen, geeignet platziert werden können, müssen sie derart platziert werden, dass ihre Raumabdeckungsbereiche sich teilweise überlappen und einen gemeinsamen Bereich bilden.
Der zwischen den beiden Antennen gebildete Winkel kann unter Verwendung eines variablen Kondensators, eines variablen Widerstandes oder eines anderen derartigen bekannten Winkelmessinstruments gemessen werden, das es ermöglicht, dass ein Drehwinkel als ein Zahlenwert ausgelesen werden kann, der eine Spannung oder dergleichen darstellt.
Wenn der durch die Antennen 11a, 11b gebildete Winkel δ auf 100 Grad festgelegt wird, wie es in 4 gezeigt ist, ist der erste Bereich 1 ein Sektor mit einem Startazimut von X + 180 Grad, einem Endazimut von X – 100 Grad und einen Mittelpunktswinkel, definiert im Uhrzeigersinn, von 80 Grad.
Die Satelliten im ersten Bereich 1 sind welche, mit denen der Kanalzustand im ersten GPS-Empfänger 12a synchronisiert ist und im zweiten GPS-Empfänger 12b nicht synchronisiert ist. Es wird angenommen, dass herausgefunden wird, dass drei Satelliten mit Azimuten von 12 Grad, 6 Grad und 351 Grad in diesem Bereich vorhanden sind.
Die kreisförmige Reihe von drei Satellitenazimuten kann als 6 < 12 < 351 ausgedrückt werden. Der Mittelpunktswinkel des ersten Bereiches 1 beträgt 80 Grad. Wenn der Winkel, der im Uhrzeigersinn zwischen dem Azimut eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des im Uhrzeigersinn nächsten Satelliten (B) gebildet wird, größer als der Winkel ist, der erhalten wird, indem der Mittelpunktswinkel des Bereiches von 360 Grad subtrahiert wird (360 – 80 = 280 Grad), wird der Satellit A als der letzte Term und der Satellit B als der erste Term definiert, und deshalb werden die 351 Grad des Satelliten 5 als der erste Term A(S1, 1) definiert, und die 12 Grad des Satelliten 6 werden als der letzte Term A(S1, e1) definiert.
Da auf die vorstehende Art und Weise herausgefunden wurde, dass der erste Term A(S1, 1) 351 beträgt und der letzte Term A(S1, e1) 12 Grad beträgt, werden diese in Gl. (1-5) substituiert. A(S1, e1) + δ < X < A(S1, 1) + 180 ... Gl. (1-5) und deshalb 12 + 100 – 180 < X < 351 + 180 was, wenn es umgeordnet wird, die folgende X begrenzende Gleichung ergibt 112 < X < 171 ... Gl. (1)'
Wie es in 4 gezeigt ist, ist der zweite Bereich 2 ein Sektor mit einem Startazimut von X – 100 Grad, einem Endazimut von X und einem Mittelpunktswinkel, definiert im Uhrzeigersinn, von 100 Grad.
Die Satelliten im zweiten Bereich 2 sind welche, mit denen der Kanalzustand im ersten GPS-Empfänger 12a synchronisiert ist und auch im zweiten GPS-Empfänger 12b synchronisiert ist. Es wird angenommen, dass herausgefunden wird, dass vier Satelliten mit Azimuten von 72 Grad, 53 Grad, 148 Grad und 102 Grad in diesem Bereich 2 vorhanden sind.
Die kreisförmige Reihe kann ausgedrückt werden als 53 < 72 < 102 < 148, oder 148 < 52 < 72 < 102, oder 102 < 148 < 53 < 72, oder 72 < 102 < 148 < 53.
Wenn der Winkel, der im Uhrzeigersinn zwischen dem Azimut eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des im Uhrzeigersinn nächsten Satelliten (B) gebildet wird, größer als der Winkel ist, der erhalten wird, indem der Mittelpunktswinkel des Bereiches von 360 Grad subtrahiert wird (360 – 100 = 260 Grad), wird der Satellit A als der letzte Term und der Satellit B als der erste Term definiert und deshalb werden die 53 Grad des Satelliten 7 als der erste Term A(S2, 1) definiert, und die 148 Grad des Satelliten 8 werden als der letzte Term A(S2, e2) definiert.
Da auf die vorstehende Art und Weise herausgefunden wurde, dass der erste Term A(S2, 1) 53 beträgt, und der letzte Term A(S2, e2) 148 beträgt, werden diese in Gl. (2-5) substituiert. A(S2, e2) < X < A(S2, 1) + δ ... Gl. (2-5) und deshalb 148 < X < 53 + 100 die, wenn sie umgeordnet wird, die folgende X begrenzende Gleichung ergibt 148 < X < 153 ...(2)'
Wie es in 4 gezeigt ist, ist der dritte Bereich 3 ein Sektor mit einem Startazimut von X Grad, einem Endazimut von X – 100 + 180 Grad und einem Mittelpunktswinkel, definiert im Uhrzeigersinn, von 80 Grad.
Die Satelliten im dritten Bereich 3 sind welche, mit denen der Kanalzustand im ersten GPS-Empfänger 12a nicht synchronisiert und im zweiten GPS-Empfänger 12b synchronisiert ist. Es wird angenommen, dass herausgefunden wird, dass ein Satellit (Satellit 9), der einen Azimut von 215 Grad aufweist, in diesem Bereich vorhanden ist. Dieser Wert wird in Gl. (3-5) für sowohl A(S3, 1) als auch A(S3, e3) substituiert. A(S3, e3) + δ – 180 < X < A(S3, 1) ... Gl. (3-5) und deshalb 215 + 100 – 180 < X < 215 die, wenn sie umgeordnet wird, die folgende X begrenzende Gleichung ergibt 135 < X < 215 ...(3)'
Da der Azimutbereich gleichzeitig die Gleichungen (1)', (2)' und (3)' erfüllt, wird 148 < X < 153 erhalten.
Mit anderen Worten wird Information erhalten, dass der unbekannte Azimut X in 4 ein Bereich von Azimuten zwischen nicht weniger als 148 Grad und nicht größer als 153 Grad ist.
Nun wird das Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation erläutert, wenn es klar ist, dass in einigen Richtungsbereichen des gesamten Raums keine Satellitensignale von Satelliten empfangen werden können, da drei Richtungen durch sehr hohe Gebäude oder dergleichen blockiert sind.
Es wird der Fall betrachtet, in dem, wie es in 5 gezeigt ist, der Himmel oder Raum nur an einem Sektor offen ist, der auf dem Zenit zentriert ist und einen Mittelpunktswinkel von 100 Grad aufweist. Die Antennen 11a, 11b werden beispielsweise derart platziert, dass δ 30 Grad beträgt, und der gemeinsame zweite Bereich 2 in der Richtung, in dem der Raum offen ist, gebildet wird. (Es wird angenommen, dass, wie es in 5 gezeigt ist, der Bereich der schraffierten Sektoren den Raumbereich darstellt, in dessen Richtung aufgrund eines Blockierens durch hoch ansteigende Gebäude oder dergleichen keine Satellitensignale empfangen werden können).
Als nächstes werden die GPS-Empfänger, die mit den Antennen verbunden sind, betätigt, und es wird ein Versuch unternommen, sie mit Satellitensignalen der GPS-Satelliten in der Raum-Halbkugel zu synchronisieren und diese zu decodieren, und eine Position zu bestimmen.
Obwohl tatsächlich sechs Satelliten in dem ersten Bereich 1 und dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 vorhanden sind (die zusammen dem Abdeckungsbereich des ersten ebenen Patchantennenbereiches entsprechen), können Signale von vieren von diesen nicht empfangen werden (es kann mit diesen keine Synchronisation hergestellt werden), da sie durch Gebäude verdeckt werden. (Jedoch kann der Beobachter nicht unterscheiden, ob dies der Fall ist, weil der Satellit sich in einem Raumbereich befindet, in dem die Antenne keine Empfindlichkeit besitzt, oder weil er von einem Bodenmerkmal blockiert ist). Infolgedessen können Signale von nur zwei Satelliten (Satelliten 18 und 22) empfangen werden, von denen angenommen wird, dass einer ein Satellit ist, der in dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 vorhanden ist.
In der Zeichnung gibt die Schraffur Regionen an, aus denen keine Signale empfangen werden, da sie durch Gebäude blockiert werden, die grauen Kreise geben Satelliten an, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem ersten Bereich 1 vorhanden sind, die schwarzen Kreise geben Satelliten an, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem zweiten Bereich 2 vorhanden sind, die weißen Kreise mit einem Pluszeichen geben Satelliten an, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem dritten Bereich 3 vorhanden sind und die weißen Kreise geben Satelliten an, von denen herausgefunden wird, dass sie nicht in irgendeinem der Bereiche 1, 2 und 3 vorhanden sind. Der äußerste massive Kreis gibt einen Elevationswinkel von 0 Grad an, und die restlichen konzentrischen massiven Kreise geben Elevationswinkel an, die nach innen in Inkrementen von 10 Grad zunehmen.
Obwohl tatsächlich auch sechs Satelliten im dritten Bereich 3 und dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 vorhanden sind (die zusammen dem Abdeckungsbereich des zweiten ebenen Patchantennenbereichs entsprechen), können Signale von vieren von diesen nicht empfangen werden, da sie durch Gebäude verdeckt sind. (Jedoch kann der Beobachter nicht unterscheiden, ob dies der Fall ist, weil der Satellit sich in einem Raumbereich befindet, in dem die Antenne keine Empfindlichkeit aufweist, oder weil er von einem Bodenmerkmal blockiert ist). Infolgedessen können Signale von nur zwei Satelliten (Satelliten 18 und 20) empfangen werden, wobei angenommen wird, dass einer von diesen ein Satellit ist, der in dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 vorhanden ist.
Da somit ein Satellit in jedem der drei Bereiche 1, 2 und 3 vorhanden ist, folgt, dass erster Term = letzter Term, und die folgende Information kann aus den jeweiligen Bereichen beschafft werden.
w obei die aufgelistete Reihenfolge Satellitenazimutdaten für den ersten Bereich 1, den zweiten Bereich 2 und den dritten Bereich 3 sind.
Diese Daten und δ = 30 werden in die folgenden drei Hauptgleichungen (1-5), (2-5) und (3-5) substituiert.
Die Substitution der vorstehenden Daten in den Hauptgleichungen ergibt die folgenden Gleichungen:
Ein Umordnen dieser Gleichungen ergibt das folgende:
Als der Azimutbereich, der diese drei Gleichungen gleichzeitig erfüllt, wird 244 < X < 262 erhalten. Mit anderen Worten liegt der angestrebte Azimut X im Bereich von 244 Grad bis 262 Grad.
Der Beobachter entscheidet den Wert von δ unter Berücksichtigung der folgenden Abwägung.
Der Wert von δ und der Wert des Mittelpunktswinkels des gemeinsamen zweiten Bereiches 2 sind gleich. Selbst wenn ein einzelner Satellit in dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 erfasst wird, ist daher der Azimut unmittelbar auf den Bereich von δ begrenzt. Das bedeutet, dass das Festlegen von δ auf einen schmalen Wert den Vorteil hat, dass die Genauigkeit des Ergebnisses gesteigert wird. Wenn 6 auf einen schmalen Wert gesetzt wird, wird jedoch der Mittelpunktswinkel des gemeinsamen zweiten Bereiches 2 schmal, und es kann unmöglich werden, selbst einen einzigen Satelliten zu erfassen.
Es wird nun eine Betrachtung der Anzahl von verwendbaren Satelliten im Raum angegeben, die vom Standort des Beobachters und der Tageszeit abhängt. Es ist bekannt, dass in Tokio, Japan, eine Stadt in den mittleren geographischen Breiten, die Anzahl von Satelliten, die tatsächlich für das GPS verwendet werden kann, zu jedem Zeitpunkt zwischen 8 und 12 betragen kann. Es ist vernünftig, deshalb den Schluss zu ziehen, dass im Durchschnitt 10 Satelliten zur Verwendung verfügbar sind. Es wird beispielsweise angenommen, dass der nutzbare Raumbereich, wie vom Standort des Beobachters aus betrachtet, ein Sektorbereich ist, der einen Mittelpunktswinkel von nur 36 Grad aufweist. Auf der Grundlage von statistischer Wahrscheinlichkeit beträgt die Anzahl von verwendbaren Satelliten, von denen zu erwarten ist, dass sie in dem schmalen 36-Grad-Raumsektor am Standort des Beobachters vorhanden eins ist (10 Satelliten × 36 Grad/360 Grad = 1 Satellit).
Wenn der Winkel δ zwischen den beiden Antennen auf 36 Grad festgelegt ist, und der gemeinsame Bereich, der einen Mittelpunktswinkel von 36 Grad aufweist, mit dem verwendbaren Raumbereich ausgerichtet ist, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass ein Signal von einem einzigen Satelliten, der in dem Bereich vorhanden ist, erfasst wird. Bei der Messung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Begrenzung auf einen Azimutbereich von δ im Allgemeinen sofort möglich, selbst wenn ein einziger Satellit erfasst wird. (Der Azimut wird sofort auf innerhalb die Spanne von δ begrenzt, wenn ein einziger Satellit erfasst wird, weil in Gl. (2-5), d.h. A(S2, e2) < X < A(S2, 1) + δ der erste Term und der letzte Term gleich werden (e2 = 1), so dass sich A(S2, 1) < X < A(S2, 1) + δ) ergibt. Somit ist selbst in einer Umgebung, in der nur ein schmaler Raumbereich zur Verwendung verfügbar ist, zu erwarten, dass die vorliegende Erfindung nichts desto weniger eine Azimutbegrenzung in der Größenordnung von ungefähr 36 Grad mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ermöglicht.
Der verwendbare Raumbereich ist selten auf eine derart schlechte Bedingung wie 36 Grad begrenzt und ist gewöhnlich beträchtlich breiter. Wenn er breiter ist, ist natürlich die Anzahl von Satelliten, die erfasst werden kann, größer. Dies bedeutet, dass die Anzahl von Termen (e2) in Gl. (2-5) zunimmt. In diesem Fall ist eine Azimutbegrenzung, die schmaler als δ ist, aus Gl. (2-5) alleine möglich, während eine noch genauere Azimutbegrenzung wahrscheinlich aufgrund von den Gleichungen (1-5) und (3-5) möglich ist, die auch wegen der Anwesenheit von S1 und S3 im ersten Bereich 1 und im dritten Bereich 3 verwendbar ist.
Als nächstes wird der Fall betrachtet, in dem, wie es in 6 gezeigt ist, der Raumbereich, in dem Satelliteninformation beschafft werden kann (in dem der Himmel oder Raum offen ist) durch Gebäude oder dergleichen auf nur einen Sektor begrenzt ist, der auf dem Zenit zentriert ist und einen Mittelpunktswinkel von 45 Grad aufweist. (Es wird angenommen, dass, wie es in 6 gezeigt ist, der Bereich der schraffierten Sektoren den Raumbereich darstellt, in dessen Richtung aufgrund eines Blockierens durch hoch ansteigenden Gebäuden oder dergleichen keine Satellitensignale empfangen werden können). Es sei angenommen, dass der Beobachter die Azimutinformation aus irgendeinem Grund auf innerhalb eine Spanne von 25 Grad begrenzen möchte. In diesem Fall platziert der Beob achter die Antennen 11a, 11b derart, dass δ = 25 Grad, beispielsweise, um den gemeinsamen zweiten Bereich 2 in der Richtung des Raumbereiches, in dem die Messung möglich ist, zu bilden. Der Bediener bewirkt dann, dass die GPS-Empfänger, die mit den Antennen verbunden sind, versuchen, sich mit Signalen von Satelliten, die in dem Raum vorhanden sind, zu synchronisieren und diese zu decodieren, und auch eine Position zu bestimmen.
Wenn glücklicherweise herausgefunden wird, dass ein Satellit im zweiten Bereich 2 vorhanden ist, werden der erhaltene Azimut (244 Grad) und δ = 25 in der Hauptgleichung für den zweiten Bereich 2 substituiert. Da in diesem Fall nur ein einziger Satellit (Satellit 18) vorhanden ist, sind auch der erste Term A(S2, 1) und der letzte Term A(S2, e2) gleich. Deshalb 244 < X < 244 + 25 die, wenn sie umgeordnet wird, ergibt 244 < X < 269
Mit anderen Worten fällt der gewünschte Azimut X zwischen 244 Grad und 269 Grad.
Dies kann wie folgt verallgemeinert werden. Unter Berücksichtigung einer schlechten Umgebung, in der nur ein einziger Satellit erfasst werden kann, beträgt die Azimutbegrenzungsbreite δ Grad, wenn der einzige Satellit in dem gemeinsamen zweiten Bereich 2 erfasst wird. (Der Azimut wird unmittelbar auf innerhalb die Spanne von δ Grad begrenzt, selbst wenn ein einziger Satellit erfasst wird, weil in Gl. (2-5), d.h. A(S2, e2) < X < A(S2, 1) + δ, der erste Term und der letzte Term gleich werden (e2 = 1), so dass sich A(S2, 1) < X < A(S2, 1) + δ ergibt).
Wenn der einzige Satellit im ersten Bereich 1 erfasst wird, beträgt die Azimutbegrenzungsbreite 180 – δ Grad. (Der Azimut kann unmittelbar als auf innerhalb die Spanne von 180 – δ Grad begrenzt erkannt werden, selbst wenn ein einziger Satellit erfasst wird, weil in Gl. (1-5), d.h. A(S1, e1) + δ < X < A(S1, 1) + 180 der erste Term und der letzte Term gleich werden (e1 = 1), so dass sich A(S1, 1) + δ < X < A(S1, 1) + 180 ergibt).
Wenn ein einziger Satellit im dritten Bereich 3 erfasst wird, beträgt die Azimutbegrenzungsbreite wieder 180 – δ Grad. (Der Azimut kann unmittelbar als auf innerhalb die Spanne von 180 – δ Grad begrenzt erkannt werden, selbst wenn ein einziger Satellit erfasst wird, weil in Gl. (3-5), d.h. A(S3, e3) + δ – 180 < X < A(S3, 1) der erste Term und der letzte Term gleich werden (e3 = 1), so dass sich A(S3, 1) + δ – 180 < X < A(S3, 1) ergibt).
Diese sind offensichtlich den Ergebnissen überlegen, die mit einer Ausgestaltung erhalten werden würden, die den gemeinsamen Bereich nicht aufweisen.
Dies wird aus der Tatsache deutlich, dass, wenn δ auf Null gesetzt wird (kein gemeinsamer Bereich vorhanden ist), die Azimutbegrenzungsweite 180 Grad beträgt, sowohl wenn der einzige Satellit in dem ersten Bereich 1 erfasst wird, als auch wenn er im dritten Bereich 3 erfasst wird. (Dies entspricht dem Fall, dass e1 = 1 und δ = 0 in Gl. (1-5) substituiert werden). Mit anderen Worten steigert die Herstellung des gemeinsamen zweiten Bereiches 2 die Azimutbegrenzungsfähigkeit insbesondere unter Bedingungen, unter denen nur ein einziger Satellit erfasst werden kann.
Wie es aus der vorstehenden Erläuterung deutlich wird, ermöglicht das Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung in wirksamer Weise die Beschaffung von Azimutinformation, selbst an einem Standort, an dem der Himmel oder Raum teilweise blockiert ist, oder an einem Ort, an dem die Wahrscheinlichkeit eines Blockierens durch Gebäude nahe liegend ist.
Tatsächlich kann Azimutinformation selbst an einem Ort beschafft werden, an dem der größte Teil des Himmels oder Raums blockiert ist, insofern ein Signal von mindestens einem Satelliten, der im nicht blockierten Raumbereich vorhanden ist, empfangen werden kann.
Da die beiden Patchantennen nicht parallel angeordnet werden müssen, können sie beispielsweise außerdem an einer mobilen Einheit angebaut werden, die ein stromlinienförmiges Element aufweist, das an ihrer Nase montiert ist (z.B. ein Motorrad, das mit einer stromlinienförmigen Verkleidung ausgerüstet ist), um eine ständige Beschaffung von Azimutinformation während der Fahrt zu ermöglichen.
Wie es im Vorstehenden erläutert wurde, werden bei dem Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste und eine zweite ebene Patchantenne unter einem Winkel zueinander derart angeordnet, dass ihre Raumabdeckungsbereiche sich teilweise überlappen, wodurch der Raumabdeckungsbereich der Antennen unterteilt wird in einen Bereich, der nur durch die erste Antenne abgedeckt wird, einen Bereich, der nur durch die zweite Antenne abgedeckt wird, und einen gemeinsamen Bereich, der durch sowohl die erste Antenne als auch die zweite Antenne abgedeckt wird, wodurch Azimutbegrenzungsinformation in wirksamer Weise beschafft werden kann, insofern ein Signal von mindestens einem Satelliten empfangen werden kann, der in mindestens einem dieser drei Bereiche vorhanden ist. Azimutinformation kann deshalb in wirksamer Weise selbst an einem Ort beschafft werden, an dem der größte Teil des Himmels oder Raums blockiert ist.
Wenn ein oder mehrere Satelliten in zweien oder mehreren der Bereiche vorhanden sind, kann die Azimutinformation von jedem dieser Bereiche beschafft werden, was es möglich macht, noch genauere Azimutinformation zu beschaffen, indem aus mehreren Azimutbereichen auf einen einzigen Azimutbereich geschlossen wird.
Zusammengefasst ist ein Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation vorgesehen, bei dem eine erste und eine zweite ebene Patchantenne 11a, 11b derart angeordnet werden, dass sich ihre Raumabdeckungsbereiche teilweise überlappen, so dass ein gemeinsamer Bereich 2 gebildet ist, wodurch der Raumabdeckungsbereich der Antennen in einen ersten Bereich 1, einen dritten Bereich 3 und einen gemeinsamen zweiten Bereich 2 unterteilt wird, und ein Azimut begrenzt wird, indem Azimute, die in den jeweiligen Bereichen beschafft werden, und der Winkel zwischen den beiden Antennen benutzt werden. Infolgedessen kann Azimutbegrenzungsinformation in wirksamer Weise selbst an einem Ort beschafft werden, an dem der Raum ernstlich blockiert ist und Satelliteninformation nur in einem kleinen Sichtbereich des Himmels oder Raums hinreichend beschafft werden kann.

Claims

Verfahren zum Beschaffen von Information bezüglich des Azimuts einer zu bestimmenden Richtung mit den Schritten, dass: zwei ebene Antennen, die jeweils eine halbkugelförmige Antennencharakteristik aufweisen, derart unter einem Winkel zueinander und normal zum Boden angeordnet werden, dass sich ihre Raumabdeckungsbereiche teilweise überlappen; der zwischen den Antennen gebildete Winkel detektiert wird, bewirkt wird, dass jeweils ein GPS-Empfänger, der mit jeweils einer Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in seinem Raumabdeckungsbereich gesendet werden; Daten der beschafften Satellitensignale verglichen werden und unterschieden wird, in welchem von drei separaten Raumbereichen der Satellit, der das jeweilige Signal sendet, vorhanden ist; in jedem der drei Raumbereiche eine im Uhrzeigersinn kreisförmige Reihe von Satellitenazimuten von Satelliten, die sich in dem jeweiligen Raumbereich befinden, geschaffen wird, und jeweils der Azimut eines ersten Terms und der Azimut eines letzten Terms der Reihen extrahiert werden; und für mindestens einen Raumbereich der Azimut der zu bestimmenden Richtung auf der Grundlage des Azimuts des ersten und des letzten Terms sowie des zwischen den beiden Antennen gebilde ten Winkels auf einen Azimutbereich begrenzt wird, innerhalb dessen die zu bestimmende Richtung liegt.
Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Raumbereich derjenige Bereich ist, in dem sich die Raumabdeckungsbereiche der beiden Antennen überlappen.
Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwesenheit nur eines einzigen Satelliten in dem mindestens einen Raumbereich der Azimut des ersten Terms und der Azimut des letzten Terms gleich dem Azimut des einen Satelliten gesetzt werden.
Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren Azimutbereichen, die in mehreren Raumbereichen beschafft werden, auf einen einzigen Azimutbereich geschlossen wird.