DE10214071A1 - Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation - Google Patents
Verfahren zum Beschaffen von AzimutinformationInfo
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Abstract
Das Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation kann Azimutinformation schaffen, indem von GPS-Satelliten gesendete Signale unter Verwendung von nur einer einzigen Antenne (1) empfangen werden. Das Verfahren umfasst, dass eine ebene GPS-Antenne (1), die eine halbkugelförmige Keule aufweist, mit ihrem Keulenzentrum horizontal angeordnet wird, um einen Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit zu bilden, die eine Raum-Viertelkugel in der Richtung ist, in die die GPS-Antenne weist; bewirkt wird, dass ein mit der GPS-Antenne verbundener GPS-Empfänger (2) den Empfang von von GPS-Satelliten gesendeten Signalen versucht; die empfangenen Signale in eine Datenverarbeitungseinheit (3) eingegeben werden, um im Abdeckungsbereich vorhandene Satelliten zu unterscheiden; die Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie im Raumabdeckungsbereich vorhanden sind, in der Reihenfolge im Uhrzeigersinn betrachtet, vom Startazimut des Abdeckungsbereichs aus angeordnet werden; der Azimut des Satelliten, der dem letzten Term in der Reihenfolge entspricht, als Startazimut extrahiert wird, und die Richtung entgegengesetzt zum Azimut des Satelliten, der dem ersten Term in der Reihenfolge entspricht, als Endazimut extruhiert wird; die extrahierten Start- und Endazimute dazu verwendet werden, den Azimut der Richtung, in die die Antenne weist, zu begrenzen, und die Information des begrenzten Azimuts als Sprachnachricht oder Bild unter Verwendung einer Ergebnisausgabeeinheit (4) ...
Description
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschaffen von Azimutinforma
tion 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 erhält
lich, die von GPS-Satelliten gesendet werden, jedoch konnte keine Azimut
information beschafft werden.
Die Erfinder haben deshalb ein Verfahren zum Beschaffen von Azimutin
formation durch die Verwendung zweier ebener Patchantennen entwickelt
(japanische Patentanmeldungen Nr. 2000-91362 und 2001-93964).
Dieses Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation umfasst die
Schritte, dass zwei ebene Patchantennen Rücken an Rücken parallel
zueinander und vertikal angeordnet werden, wodurch jede ebene Patch
antenne einen Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlich
keit bildet, die eine Raum-Viertelkugel in der Richtung ist, in die die An
tenne weist, dass bewirkt wird, dass Empfängereinheiten, die mit den
jeweiligen Antennen verbunden sind, Stärkewerte aller empfangenen GPS-
Satellitensignale extrahieren, dass auf der Grundlage eines Vergleiches
der extrahierten Signalstärkewerte die Antenne unterschieden wird, in
deren Raumabdeckungsbereich der GPS-Satellit, der jedes Signal gesendet
hat, vorhanden ist, dass die Ergebnisse des Schrittes der Unterscheidung
von Bereichen der Satellitenanwesenheit in einer ringartigen Abfolge
angeordnet werden, und dass ein Azimut einer Messrichtung auf der
Grundlage von Information, die in einer ringartigen Unterscheidungser
gebnisabfolge enthalten ist, bestimmt oder begrenzt wird.
Um dieses Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation in einem im
Handel erhältlichen GPS-Empfänger einzusetzen, entwickelten die Erfin
der ferner einen GPS-Empfänger, der eine Datensendeeinheit, eine Daten
empfangseinheit und eine Datenverarbeitungseinheit umfasst (japanische
Patentanmeldung Nr. 2000-364605).
Dieser machte es möglich, leicht Azimutinformation zu beschaffen, indem
zwei ebene Patchantennen Rücken an Rücken parallel zueinander und
vertikal angeordnet wurden, zwei GPS-Empfänger derart angeordnet
wurden, dass die Datensendeeinheit und die Datenempfangseinheit von
jedem GPS-Empfänger der Datenempfangseinheit und der Datensende
einheit des anderen 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 Kom
passes beschafft wird, der von Magnetfeldern beeinflusst wird.
Jedoch erfordert das vorstehende Verfahren zum Beschaffen von Azimut
information, das vom Erfinder vorgeschlagen wurde, dass zwei ebene
Antennen parallel angeordnet werden, und dass die Daten, die von einem
der GPS-Empfänger beschafft werden, zum anderen gesendet werden. Es
erfordert deshalb mindestens zwei Antennen und ein Mittel, um Daten
zwischen den beiden GPS-Empfängern zu übertragen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der vorstehenden Umstände
getätigt und hat zum Ziel, ein sehr einfaches Verfahren zum Beschaffen
von Azimutinformation bereitzustellen, das eine Beschaffung von Azimut
information mit nur einer einzigen ebenen Antenne und einem einzigen
GPS-Empfänger ermöglicht.
Diese Erfindung erreicht dieses Ziel, indem ein Verfahren zum Beschaffen
von Azimutinformation bereitgestellt wird, das die Schritte umfasst, dass:
eine einzige ebene GPS-Antenne, die eine halbkugelförmige Antennencha
rakteristik aufweist, mit ihrem Keulenzentrum horizontal angeordnet wird,
so dass ein Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit
gebildet wird, der eine Raum-Viertelkugel in einer Richtung ist, in die die
GPS-Antenne weist, und der durch einen halben Großkreis begrenzt ist,
der durch den Zenit verläuft; bewirkt wird, dass der GPS-Empfänger, der
mit der GPS-Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht,
die von GPS-Satelliten in der Raum-Halbkugel gesendet werden; aus den
empfangenen Signalen die im Abdeckungsbereich vorhandenen Satelliten
unterschieden werden; Azimute der Satelliten, die durch einen Berech
nungsprozess zur Positionsbestimmung erhalten werden, verwendet wer
den, um die Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem
Raumabdeckungsbereich vorhanden sind, in einer Reihenfolge im Uhrzei
gersinn betrachtet vom Startazimut des Raumabdeckungsbereiches aus
anzuordnen; und der Azimut einer Richtung, in die eine Seite des halben
Großkreises weist, innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt wird, im
Uhrzeigersinn definiert, dessen Startazimut der Azimut des Satelliten ist,
der dem letzten in der Reihenfolge entspricht, und dessen Endazimut die
umgekehrte Richtung zum Azimut des Satelliten ist, der dem ersten in der
Reihenfolge entspricht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren
ferner, dass: die ebene GPS-Antenne um 180 Grad gedreht wird; bewirkt
wird, dass der GPS-Empfänger, der mit der GPS-Antenne verbunden ist,
den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in der Raum-
Halbkugel gesendet werden, und der Azimut der Richtung, in die die
andere Seite des halben Großkreises weist, durch die gleichen Schritte
begrenzt wird, wie sie in oben ausgeführt sind; und ein einziger Azimut
begrenzt wird, indem das gemeinsame Produkt von Sätzen des Azimuts,
der in der ersten Stellung der GPS-Antenne erhalten wird, und des Azi
muts, der in der zweiten Stellung der GPS-Antenne erhalten wird, ge
nommen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das
Verfahren ferner einen Schritt, dass eine GPS-Antenne auf dem Kopf
montiert wird und die Antenne gemäß der zu beschaffenden Information
in einen horizontalen Zustand oder in einen vertikalen Zustand gebracht
wird.
Wie es im Vorstehenden ausgeführt wurde, ermöglicht die vorliegende
Erfindung die Beschaffung von Azimutinformation unter Verwendung
einer einzigen GPS-Antenne mit einer halbkugelförmigen Antennencharak
teristik und ist deshalb äußerst einfach und wirtschaftlich.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen zeigt:
Fig. 1 ein konzeptionelles Schaubild, das das Prinzip der Azimut
informationsbeschaffung durch das Verfahren zum Be
schaffen von Azimutinformation der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht,
Fig. 2 ein schematisches Schaubild, das eine Ausführungsform
eines Geräts zum Beschaffen von Azimutinformation veran
schaulicht, das eine konkrete Implementierung des Verfah
rens zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vor
liegenden Erfindung ist,
Fig. 3 ein schematisches Schaubild, das eine Beziehung zwischen
einer Anordnung von Weltraumsatelliten und einer Antenne
veranschaulicht, wenn eine Azimutbegrenzung unter Ver
wendung des Geräts zum Bewirken einer Azimutbegren
zung, das in Fig. 2 gezeigt ist, durchgeführt wird,
Fig. 4(a) ein Schaubild zum Erläutern, wie eine Antenne auf dem
Kopf getragen wird, wenn die Priorität auf die Fähigkeit ei
ner Beschaffung von Positionsbestimmungsinformation ge
legt wird,
Fig. 4(b) ein Schaubild zum Erläutern, wie die Antenne auf dem Kopf
getragen wird, wenn die Priorität auf die Fähigkeit einer Be
schaffung von Azimutinformation gelegt wird,
Fig. 4(c) ein Schaubild zum Erläutern, wie die Antenne auf dem Kopf
getragen wird, wenn die Priorität auf die Fähigkeit einer Be
schaffung von Azimutinformation gelegt wird,
Fig. 5(a) ein Schaubild, um den Zustand von Quecksilberschaltkon
takten zu zeigen, wenn ein Gerät zum Beschaffen von Azi
mutinformation, das zur Kopfmontage ausgestaltet ist, mit
der Priorität einer Fähigkeit einer Beschaffung von Positi
onsbestimmungsinformation verwendet wird,
Fig. 5(b) ein Schaubild, um den Zustand von Quecksilberschaltkon
takten zu zeigen, wenn das Gerät zum Beschaffen von Azi
mutinformation, das zur Kopfmontage ausgestaltet ist, mit
einer Priorität einer Fähigkeit einer Beschaffung von Azi
mutinformation verwendet wird,
Fig. 5(c) ein Schaubild, um den Zustand von Quecksilberschaltkon
takten zu zeigen, wenn das Gerät zum Beschaffen von Azi
mutinformation, das zur Kopfmontage ausgestaltet ist, mit
einer Priorität einer Fähigkeit einer Beschaffung von Azi
mutinformation verwendet wird, und
Fig. 6 ein schematisches Schaubild, das eine Beziehung zwischen
einer Anordnung von Weltraumsatelliten und einer Antenne
zeigt, wenn eine Azimutbegrenzung unter Verwendung des
Geräts zum Bewirken einer Azimutbegrenzung durchge
führt wird, wobei die Antenne um 180 Grad entgegengesetzt
zu der von Fig. 3 orientiert ist.
Eine Ausführungsform eines Geräts zum Beschaffen von Azimutinformati
on, das eine konkrete Implementierung des Verfahrens zum Beschaffen
von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wird nun im
Detail anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Bei der folgenden Erläuterung werden Grade für die Winkeleinheit ver
wendet, wobei Norden als 0 Grad, und bei einer Bewegung im Uhrzeiger
sinn, Osten als 90 Grad, Süden als 180 Grad und Westen als 270 Grad
definiert sind. Der Elevationswinkel ist als 0 Grad in der Horizontalen und
als 90 Grad am Zenit definiert.
Das Prinzip der Beschaffung einer Azimutbegrenzung der vorliegenden
Erindung wird zunächst anhand von Fig. 1 erläutert. In der Nähe der
Mitte von Fig. 1 ist eine ebene Patchantenne 1 angeordnet. Die Patchan
tenne 1 ist rechtwinklig zum Boden angeordnet. Die Richtung, der ein
Beobachter zugewandt ist, wenn er auf dem Boden steht, und in Drauf
sicht auf die ebene Patchantenne 1, wobei die Antenne nach links weisend
angeordnet ist, ist als die Messrichtung 5 des Beobachters definiert.
Die Patchantenne 1 besitzt eine halbkugelförmige Strahl- oder Keulencha
rakteristik in Bezug auf die zirkular polarisierte Welle, die von dem GPS-
Satellitensystem verwendet wird. Die Antenne, die eine halbkugelförmige
Keule aufweist, ist bei seltenen Gelegenheiten in der technischen Literatur
als ungerichtet bezeichnet worden. Genaugenommen bedeutet "ungerich
tet" in diesem Zusammenhang "isotrop", jedoch wird der Ausdruck "unge
richtet" in dieser Beschreibung nicht als modifizierend in Bezug auf die
halbkugelförmige Keulencharakteristik verwendet. Die Patchantenne 1
steht senkrecht zum Boden. Die Hälfte der halbkugelförmigen Keule ist
deshalb in Richtung des Bodens gerichtet und daher nicht benutzbar. Die
verbleibende Hälfte weist eine Empfindlichkeit in der Richtung des Raums
oder Himmels auf.
Wenn die ebene Patchantenne 1 auf diese Weise rechtwinklig zum Boden
angeordnet ist, fällt ihr wesentlicher Abdeckungsbereich mit der Hälfte des
Raums halbiert durch einen Halbkreis, der ein Teil eines Großkreises ist,
zusammen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser Großkreis ist der Großkreis
7, der die Begrenzung zwischen dem Raumabdeckungsbereich 6 der
ebenen Patchantenne 1 und dem Rest des Raums bildet. Mit anderen
Worten ist der Abdeckungsbereich der ebenen Patchantenne 1 die Raum-
Viertelkugel, in der der GPS-Satellit A in Fig. 1 vorhanden ist, und die
Raum-Viertelkugel, in der der GPS-Satellit B vorhanden ist, ist kein Abde
ckungsbereich der ebenen Patchantenne 1.
Die Funkwelle zur Positionsbestimmung, die von einem GPS-Satelliten
gesendet wird, weist eine Mikrowellenbandfrequenz in der Nähe von 1,5
GHz auf und zeigt daher eine ausgezeichnete lineare Ausbreitungseigen
schaft wie Licht auf. Die ebene GPS-Patchantenne 1 kann sich mit Signa
len von dem GPS-Satelliten A in dem Raumabdeckungsbereich 6 synchro
nisieren, aber nicht mit Signalen von dem GPS-Satelliten B, der nicht im
Raumabdeckungsbereich 6 der ebenen Patchantenne 1 liegt. Die Regio
nen, in denen sich der GPS-Satellit A und der GPS-Satellit B befinden,
können deshalb auf der Grundlage davon bestimmt werden, ob eine Syn
chronisation hergestellt wird oder nicht. Eine Azimutbegrenzung der
Messrichtung 5 kann erzielt werden, indem die Unterscheidung der Anwe
senheitsregion der GPS-Satelliten und die Azimutinformation der GPS-
Satelliten verschmolzen werden.
Die Haupteigenschaften einer ebenen Patchantenne, die zur Azimutinfor
mationsbeschaffung verwendet wird, umfassen eine geringe Größe, ein
geringes Gewicht, die Einfachheit der Herstellung und niedrige Kosten. Bei
der tatsächlichen Herstellung einer ebenen Patchantenne kann die fertig
gestellte Antenne eine Keulencharakteristik einer rechts zirkular polari
sierten Welle mit einem Raumwinkel aufweisen, der geringfügig breiter als
die Halbkugel ist, die die Keulencharakteristik einer zirkular polarisierten
Welle ist, die zum Zeitpunkt des Entwurfs unter der Annahme einer un
endlichen Grundebene theoretisch berechnet wird. Dies tritt auf, da das
Ergebnis des Entwurfs unter der Annahme einer unendlichen Grundebene
bei der theoretischen Berechung 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 Com munication Engineers, 10. August 1996, S. 100.
Global Positioning System: Theory and Applications, Band 1, herausgege ben von Bradford W. Parkinson und James J. Spilker Jr., veröffentlicht vom American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1996, S. 342-343, S. 722.
Small Plane Antennas: Misao Haneishi, Kazuhiro Hirasawa und Yasuo Suzuki, veröffentlicht vom Institute of Electronics, Information and Com munication Engineers, 10. August 1996, S. 100.
Global Positioning System: Theory and Applications, Band 1, herausgege ben 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 Keulenformabweichung
durch geringfügiges Abändern der Substratgröße, der Patch-Größe oder
dergleichen, um die angestrebte Antennencharakteristik zu erhalten, ist
als Formung der Antennencharakteristik bekannt.
Wenn es sich im Unterschied zur Raum-Halbkugel gemäß den Entwurfs
berechnungen herausstellt, dass das hergestellte Ergebnis eine größere
Keule als die Raum-Halbkugel aufweist, kann die angestrebte Antenne mit
einer Raum-Halbkugelkeule leicht konfiguriert werden, indem eine Ab
schirmungssubstanz, die aus einem Funkwellen abschirmenden Material
zusammengesetzt ist, auf der Rückseite angeordnet wird, um den Ab
schnitt mit der ungewollten Empfindlichkeit zu beseitigen.
Das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation, das eine Ausführungs
form des Verfahrens zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß dieser
Erfindung ist, wird nun anhand von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist die ebene
Patchantenne 1 mit einer GPS-Empfängereinheit 2 verbunden.
Die in Fig. 2 gezeigte GPS-Empfängereinheit 2 kann die gleichen funktio
nellen Merkmale und Spezifikationen aufweisen, wie die GPS-Empfänger,
die in weitläufig verwendeten, kompakten, mobilen Positionsbestim
mungsgeräten, die L1-Band-Signale anwenden, enthalten sind. Dies
macht es möglich, Nutzen aus Technologien zu ziehen, die für die Produk
tion von kleinen, leichten, zivilen GPS-Positionsbestimmungsgeräten
entwickelt werden, wobei die Größenverringerung und die Einfachheit der
Massenproduktion am bemerkenswertesten sind. Wegen der Größen- und
Gewichtsverringerung, die bei zivilen GPS-Positionsbestimmungsgeräten
erzielt wird, sind reichlich GPS-Empfänger in Größen erhältlich, die mit
ebenen Patchantennen vereinbar sind. Sie sind auch leicht 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 Produktions
technologien sind gut eingeführt. Der beträchtliche Bestand an Miniaturi
sierungstechnologien, der heutzutage verfügbar ist, kann zur wirtschaftli
chen Herstellung des Geräts gemäß dieser Erfindung benutzt werden.
Der GPS-Empfänger gibt periodisch die folgende Datenkette in einer Peri
ode von beispielsweise einmal pro Sekunde oder kürzer aus. Mit anderen
Worten ist er für gewöhnliche Spezifikationen gebaut. In der Datenkette
sind die folgenden Daten enthalten: zunächst die gegenwärtige Zeit, fer
ner, als Positionsbestimmungsdaten, die geographische Breite, die geogra
phische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, der Zeitpunkt der Posi
tionsbestimmungsberechnung, der Modus der Positionsbestimmungsbe
rechnung (der eine zweidimensionale Positionsbestimmung unter Verwen
dung von drei Satelliten oder eine dreidimensionale Positionsbestimmung
unter Verwendung von vier Satelliten angibt), die Satellitennummer, die
Kanal 1 zugewiesen ist, der Satellitenelevationswinkel des Satelliten, der
Kanal 1 zugewiesen ist, der Satellitenazimut des Satelliten, der Kanal 1
zugewiesen ist, und der Kanalzustand hinsichtlich der Synchronisation
mit dem Signal des Satelliten, der Kanal 1 zugewiesen ist, die Satelliten
nummer, die Kanal 2 zugewiesen ist, der Satellitenelevationswinkel des
Satelliten, der Kanal 2 zugewiesen ist, der Satellitenazimut des Satelliten,
der Kanal 2 zuwiesen ist, und der Kanalzustand hinsichtlich der Synchro
nisation mit dem Signal des Satelliten, der Kanal 2 zugewiesen ist, . . ., und
die Satellitennummer, die Kanal n zugewiesen ist, der Satellitenelevati
onswinkel des Satelliten, der Kanal n zugewiesen ist, der Satellitenazimut
des Satelliten, der Kanal n zugewiesen ist und der Kanalzustand hinsicht
lich der Synchronisation mit dem Signal des Satelliten, der Kanal n zuge
wiesen 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 gegenwär
tigen Standards als üblich bezeichnet werden. Die vorliegende Erindung
kann einen solchen L1-Wellen-GPS-Empfänger und eine ebene Antenne,
die auf dem allgemeinen Markt erhältlich sind, im Wesentlichen ohne
Modifikation benutzen.
Die GPS-Empfängereinheit 2 versucht sich mit Satellitensignalen durch
die erste ebene Patchantenne 1 zu synchronisieren und diese zu decodie
ren und eine Position zu bestimmen. Die GPS-Empfängereinheit 2 führt
eine Suche nach Signalen von allen GPS-Satelliten durch, von denen zu
erwarten ist, dass sie im Raum vorhanden sind, genauso wie der GPS-
Empfänger eines gewöhnlichen mobilen Satellitenpositionsbestimmungs
gerätes auf exakt die gleiche Weise, als ob es mit einer Antenne verbunden
wäre, deren Abdeckungsbereich die Raum-Halbkugel ist.
Die Funkwelle, die von einem GPS-Satelliten gesendet wird, enthält Infor
mation 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 Satelli
ten, der nicht im Antennenabdeckungsbereich liegt und mit dessen Signal
keine Synchronisation hergestellt werden kann, der Elevationswinkel und
der Azimutwinkel des betreffenden Satelliten durch eine einfache Berech
nung aus Daten berechnet und ausgegeben werden, die von einem ande
ren GPS-Satelliten empfangen werden, mit dessen Signal eine Synchroni
sation durch die Antenne hergestellt wurde. Die Ausrüstung, die derartige
Information ausgibt, existiert tatsächlich.
Obwohl alle GPS-Satelliten Signale mit exakt der gleichen Frequenz sen
den, tritt aufgrund der Nutzung einer Technologie, die Spreiz-Spektrum-
Kommunikationssystem (Bandspreizkommunikationssystem) genannt
wird, die durch Pseudozufallscodierung möglich gemacht wird, keine
Signalinterferenz auf, selbst wenn die gleiche Frequenz verwendet wird.
Bei einer Pseudozufallscodierung wird jedem GPS-Satelliten eine unter
schiedliche 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 Pseudozufallsco
dierung leicht, die Elevationswinkel im Raum und die Azimute aller GPS-
Satelliten, die vom gegenwärtigen Standort aus betrachtet unter einem
Elevationswinkel von größer als 0 Grad vorhanden sind, 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-Emp
fänger werden die Daten von jedem Satelliten, d. h. die Satellitennummer
des GPS-Satelliten, der Satellitenelevationswinkel, der Satellitenazimut
und der Kanalzustand von dem GPS-Empfänger periodisch ausgegeben.
Die Daten des Positionsbestimmungsergebnisses, d. h. die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, der Zeitpunkt der Positionsbestimmungsberechnung, der Modus der Positi onsbestimmungsberechnung und die gegenwärtige Zeit, werden von dem GPS-Empfänger 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.
Die Daten des Positionsbestimmungsergebnisses, d. h. die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, der Zeitpunkt der Positionsbestimmungsberechnung, der Modus der Positi onsbestimmungsberechnung und die gegenwärtige Zeit, werden von dem GPS-Empfänger 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.
Die Daten, die von der GPS-Empfängereinheit 2 beschafft werden, werden
in eine Datenverarbeitungseinheit 3 eingegeben. Die Datenverarbeitungs
einheit 3 verarbeitet die Daten auf die folgende Weise.
Unter den Satellitendaten werden nur Daten von Satelliten, deren Kanal
zustand synchronisiert ist und deren Satellitenelevationswinkel 85 Grad
oder weniger beträgt, extrahiert. Der Grund für den Ausschluss von Satel
liten, deren Elevationswinkel größer als 85 Grad ist, ist, dass Satelliten
mit großen Elevationswinkeln nahe dem Zenit eine sehr kleine tatsächli
che Elongation aufweisen, obwohl beobachtet wird, dass sie zahlenmäßig
unterschiedliche Azimute besitzen.
Eine Azimutbegrenzung ist möglich, wenn mindestens ein Satellit extra
hiert werden kann.
Um eine Azimutbegrenzung durchzuführen, werden die extrahierten Satel
liten durch die folgende Regel geordnet.
Wenn nur ein Satellit extrahiert wurde, wird er als der erste Gegenstand
in der Reihenfolge und auch als der letzte Gegenstand definiert.
Wenn es zwei oder mehr extrahierte Satelliten gibt, ist das Verfahren wie
folgt. Schaffe eine kreisförmige Reihenfolge im Uhrzeigersinn in Bezug auf
die Satellitenazimute. Wenn der Abstand zwischen dem Azimut eines
bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des nächsten
Satelliten in der Uhrzeigerrichtung (B) 180 Grad oder mehr ist, definiere
den bestimmten Satelliten (A) als den letzten Term und den nächsten
Satelliten (B) als den ersten Term. Ordne die anderen Satelliten (andere
als A und B) nach ihren Satellitenazimuten im Uhrzeigersinn betrachtet
vom ersten Term (B) aus.
Die Messrichtung wird wie folgt begrenzt.
Genauer wird die Messrichtung innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt,
der in der Uhrzeigerrichtung zwischen einem Startazimut, der der Azimut
des Satelliten ist, der dem letzten Term zugeordnet ist, und einem End
azimut, der die Richtung entgegengesetzt zum Azimut des Satelliten ist,
der dem ersten Term zugeordnet ist, definiert ist.
Die Datenverarbeitungseinheit 3 gibt das Ergebnis der Verarbeitung an
eine Ergebnisausgabeeinheit 4 weiter.
Nun wird die Funktionsweise der Ergebnisausgabeeinheit 4 erläutert.
Die Ergebnisausgabeeinheit 4 gibt das Ergebnis der Azimutbegrenzung
der Messrichtung an den Beobachter aus. In dem Ausnahmefall, in dem
die Anzahl von extrahierten Satelliten Null beträgt, rät die Ergebnisaus
gabeeinheit 4 dem Beobachter, die Messung zu wiederholen, nachdem er
sich zu einem Punkt bewegt hat, an dem der Himmel bzw. Raum unge
stört ist.
Die Ergebnisausgabeeinheit 4 befördert Information als Sprachnachricht
zum Beobachter. Obwohl die Ausgabe einer hörbaren Nachricht den Vor
teil hat, dass auch eine sehbehinderte Person Unterstützung hinsichtlich
einer angemessenen Handlung empfangen kann, kann die Information
alternativ an einem Flüssigkristallbildschirm ausgegeben werden.
Die Information, die zu diesem Zeitpunkt ausgegeben wird, kann umfas
sen: Azimutinformation über die Messrichtung (Ergebnis der Azimutbe
grenzung), gegenwärtige Zeit (GPS-Zeit), geographische Breite, geographi
sche Länge, Höhe über dem Meeresspiegel, letzter Zeitpunkt einer Positi
onsbestimmung und Ratschlag für den Beobachter im Fall einer Ausnah
mebehandlung. Wenn beispielsweise kein einziges Satellitensignal erfasst
werden kann, wird dem Beobachter geraten, die Messung zu wiederholen,
nachdem er sich zu einem Ort bewegt hat, an dem der Himmel bzw. Raum
offener ist.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Ausgeben des Azimuts der Messrichtung
in einer Azimutbegrenzung, wenn die Drehrichtung hergestellt worden
ist, kann eine Nachricht an den Beobachter übermittelt werden, indem der
Satz (α, β) geliefert wird, wobei α der Startazimut und β der Endazimut ist.
Es ist jedoch auch möglich, einen groben Azimut (nachstehend θ) und eine
einseitige Abweichung (nachstehend δ) zu definieren und eine Nachricht in
der Form von (θ, δ) auszugeben. θ und δ sind gegeben durch:
θ = α + (δ/2)
δ = {(360 + β - α)MOD 360}/2
wobei x MOD y der Rest der Division von x durch y ist.
Insofern die Drehrichtung definiert worden ist, kann entweder die (α, β)-
Modusinformation oder die (θ, δ)-Modusinformation sofort ineinander
umgewandelt werden. Der Beobachter kann mit Information in beiden
Modi versorgt werden, da die Modi sich in der zahlenmäßigen Bedeutung
der beförderten Information nicht besonders unterscheiden. Es ist daher
möglich, den Nutzen für den Beobachter zu steigern, indem es ermöglicht
wird, dass der Beobachter auswählen kann, welcher Modus für den vorlie
genden Zweck besser geeignet ist. Sonst kann die Information in beiden
Modi ausgegeben werden.
Wenn es für den Beobachter bequemer oder zweckmäßiger ist, kann ein
bestimmter Winkel kontinuierlich zu dem ausgegebenen Ergebnis addiert
werden, bevor es an den Beobachter weitergegeben wird. Wenn beispiels
weise die ebene Patchantenne 1 auf dem Rücken des Beobachters getra
gen wird, wird die Messrichtung 5 seitlich links vom Körper des Beobach
ters weg gerichtet sein. Wenn diese Anordnung angenommen wird, ist es
für den Beobachter bequemer, wenn die Ergebnisausgabeeinheit 4 immer
Werte ausgibt, die in jene für die Richtung vom Beobachter aus nach
vorne umgewandelt werden, d. h. Werte, die erhalten werden, indem
90 Grad zum Ergebnis addiert werden. Es wird ein Beispiel erläutert.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen einer Anordnung von
Weltraumsatelliten und der Antenne 1, wenn eine Azimutbegrenzung
unter Verwendung des Geräts zum Beschaffen von Azimutinformation
gemäß der vorstehenden Ausführungsform durchgeführt wird. Das Muster
der konzentrischen Kreise in Fig. 3 stellt eine imaginäre Ansicht der
Raum-Halbkugel dar, deren Mitte der Zenit am Fußpunkt des Beobach
ters ist, die aufgenommen ist, wenn von einem höheren Punkt als der
Zenit hinuntergeblickt wird. Der Elevationswinkel beträgt am äußersten
Kreis 0 Grad und nimmt nach innen in Inkrementen von 10 Grad mit
jedem sukzessiven konzentrischen Kreis zu. Der Azimut wird als "Norden
(0 Grad)", gefolgt im Uhrzeigersinn durch "Osten (90 Grad)", "Süden
(180 Grad)" und "Westen (270 Grad)" bezeichnet. Die kleinen Punkte an ver
streuten Stellen geben die Standorte von GPS-Satelliten durch den Eleva
tionswinkel und den Azimut an. Es sind zwölf Satelliten gezeigt. Manche
Punkte sind gefüllt (schwarz) und andere offen (weiß).
Ein schwarzer Punkt kennzeichnet einen GPS-Satelliten, der später derart
unterschieden wird, dass er im Abdeckungsbereich der ebenen Patchan
tenne 1 vorhanden ist und einen Satellitenelevationswinkel von nicht
mehr als 85 Grad aufweist. Alle anderen GPS-Satelliten sind als weiße
Punkte dargestellt.
Der Beobachter kennt von seinem Standort aus betrachtet nicht die An
ordnung des Satelliten im Raum. Der Beobachter, der keine Information
hinsichtlich der Richtung (Azimut) hat, platziert die ebene Antenne 1 in
einer beliebigen Richtung, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wobei die Antenne
rechtwinklig zum Boden steht. Die Messrichtung 5 ist durch eine gestri
chelte Linie angegeben. Die umgekehrte Richtung (die schematisch entge
gengesetzte Richtung) der Messrichtung 5 ist auch angegeben.
Wenn das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation in Betrieb ge
nommen wird, werden Daten, wie jene, die in Tabelle 1 gezeigt sind, von
der GPS-Empfängereinheit 2 zur Datenverarbeitungseinheit 3 geschickt.
Der Grund dafür, dass der Satellit 21 nicht synchronisiert ist, ist wahr
scheinlich der, dass er durch irgendein Bodenmerkmal blockiert ist. Das
Blockieren durch Bodenmerkmale ist nicht ungewöhnlich und kann als
ein normaler Zustand angesehen werden. Die Anwesenheit einer Boden
merkmalblockierung ist tolerierbar.
Von den Daten in dieser Tabelle werden nur die Daten für die Satelliten,
die synchronisierte Kanalzustände und einen Satellitenelevationswinkel
von nicht mehr als 85 Grad aufweisen, extrahiert. Es werden nämlich die
Daten für die mit 2, 7, 15, 22, 9 und 20 nummerierten Satelliten extra
hiert.
Zur Azimutbegrenzung werden die extrahierten Satelliten durch die fol
gende Regel geordnet.
Wenn es zwei oder mehr extrahierte Satelliten gibt, ist das Verfahren wie
folgt. Schaffe eine kreisförmige Reihenfolge im Uhrzeigersinn in Bezug auf
die Satellitenazimute. Wenn der Abstand zwischen dem Azimut eines
bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des nächsten
Satelliten in der Uhrzeigerrichtung (B) 180 Grad oder größer ist, definiere
den bestimmten Satelliten (A) als den letzten Term und den nächsten
Satelliten (B) als den ersten Term. Ordne die anderen Satelliten (andere
als A und B) nach ihren Satellitenazimuten im Uhrzeigersinn betrachtet
vom ersten Term (B) aus.
Hier wird deshalb Satellit 20 als der letzte Term und Satellit 2 als der erste
Term ausgewählt.
Die Messrichtung wird wie folgt begrenzt.
Die Messrichtung wird innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt, der in
der Uhrzeigerrichtung zwischen einem Startazimut, der der Azimut des
Satelliten ist, der dem letzten Term zugeordnet ist, (Satellit Nummer 20;
262 Grad), und einem Endazimut, der die Richtung entgegengesetzt zum
Azimut des Satelliten ist, der dem ersten Term zugeordnet ist, (Satelliten
nummer 2; 110 Grad + 180 Grad = 290 Grad), definiert ist.
Die Datenverarbeitungseinheit 3 gibt dieses Ergebnis an die Ergebnisaus
gabeeinheit 4 weiter.
Die Ergebnisausgabeeinheit 4 informiert den Beobachter davon, dass die
Messrichtung in dem Azimutbereich, in der Uhrzeigerrichtung definiert,
zwischen einem Startazimut von 262 Grad und einem Endazimut von
290 Grad liegt.
Die zu diesem Zeitpunkt ausgegebene Information umfasst das Ergebnis
der Azimutbegrenzung der Messrichtung und kann ferner die gegenwärti
ge Zeit, die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über
dem Meeresspiegel und der letzte Zeitpunkt einer Positionsbestimmung
umfassen.
Die Information hinsichtlich der Messrichtung 5, die in einer Azimutbe
grenzung erhalten wird, kann in der Form von (θ, δ) ausgegeben werden,
wobei (θ) ein grober Azimut ist, und (δ) eine einseitige Abweichung ist.
Wenn α = 262 und β = 290, sind θ und δ gegeben durch:
θ = α + (d/2) = 276
δ = {(360 + β - α)MOD 360}/2 = 14.
Mit anderen Worten beträgt der grobe Azimut 276 Grad und die einseitige
Abweichung beträgt 14 Grad.
Die Machbarkeit der Konkretisierung der vorliegenden Erfindung in einer
preisgünstigen und kompakten Ausgestaltung wird nun diskutiert wer
den.
Jüngere GPS-Empfänger bestehen aus einem Mikrocomputer zur Signal
verarbeitung und einer zugehörigen elektronischen Leiterplatte und des
halb ist die Größe der physikalischen Einheit gering. Die geringe Größe
der Bestandteile wird aus dem Sachverhalt deutlich, dass zahlreiche
tragbare GPS-Empfangseinheiten heutzutage tatsächlich erhältlich sind,
die klein genug sind, um sie leicht in der Handfläche halten zu können.
Offensichtlich sind die Bestandteile sehr klein. Das Gerät zum Beschaffen
von Azimutinformation, das eine Ausführungsform des Verfahrens zum
Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
kann gebildet werden, indem die Bauteile benutzt werden, die bei diesen
tragbaren GPS-Empfangseinheiten verwendet werden, und kann deshalb
als eine kompakte Einheit mit geringem Volumen realisiert werden. Bei
spielsweise können die GPS-Empfängereinheit 2 und die Datenverarbei
tungseinheit 3 auf der Rückseite der ebenen Patchantenne 1 montiert
sein. Die Ergebnisausgabeeinheit 4 kann derart eingerichtet sein, dass sie
hörbare Nachrichten über einen Lautsprecher oder Ohrhörer ausgibt.
Da, wie es vorstehend erläutert wurde, das erfinderische Verfahren Azi
mutinformation unter Verwendung von nur einer einzigen ebenen GPS-
Antenne beschaffen kann, kann sie auf dem Kopf oder am Körper des
Beobachters getragen werden, der Azimutinformation beschaffen kann,
während er sich umherbewegt.
Eine Kopfmontage unter Verwendung einer Kappe oder eines Helms ist in
Fig. 4 veranschaulicht. Fig. 4(a) zeigt die Antenne 1, die horizontal oben
auf dem Kopf positioniert ist, Fig. 4(b) zeigt sie vertikal auf der Rückseite
des Kopfes positioniert, und Fig. 4(c) zeigt sie vertikal an der Vorderseite
des Kopfes montiert. Eine derartige Ausgestaltung, die es leicht macht,
zwischen unterschiedlichen Montageorientierungen umzuschalten, erhöht
die Zweckmäßigkeit und Bequemlichkeit.
Wenn ein Quecksilberschalter 8 in einen mit der Antenne 1 integrierten
Empfänger eingebaut wird, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, und die Antenne
horizontal oben auf dem Kopf positioniert ist, wie es in Fig. 4(a) gezeigt ist,
wird das Quecksilber des Quecksilberschalters 8 an einem Kontakt ange
ordnet werden, der eine Positionsbeschaffungsfunktion aktiviert (Fig. 5(a)).
Wenn die Antenne 1 vertikal auf der Rückseite des Kopfes positioniert ist,
wie es in Fig. 4(b) gezeigt ist, bewegt sich das Quecksilber des Quecksil
berschalters 8 zu einem anderen Kontakt, der die Azimutbegrenzungs
funktion aktiviert (Fig. 5(b)), und wenn die Antenne 1 vertikal an der
Vorderseite des Kopfes positioniert ist, wie es in Fig. 4(c) gezeigt ist, be
wegt sich das Quecksilber des Quecksilberschalters 8 zu einem anderen
Kontakt, der die Azimutbegrenzungsfunktion aktiviert (Fig. 5(c)). Somit
kann angestrebte Information erhalten werden, indem einfach die Monta
geposition der Antenne verändert wird.
Wenn die Antenne 1 vertikal an der Rückseite des Kopfes positioniert ist,
wird die nicht justierte Messrichtung 5 seitlich links vom Körper des
Beobachters gerichtet sein. In diesem Fall ist es für den Beobachter be
quemer, die Datenverarbeitungseinheit 3 derart im Voraus einzustellen,
dass konstant 90 Grad zum Messergebnis addiert werden, so dass das
ausgegebene Ergebnis mit der Richtung, in die der Beobachter gewandt
ist, ausgerichtet sein wird. Ähnlich wird es in dem Fall, in dem die Anten
ne 1 vertikal an der Vorderseite des Kopfes positioniert ist, da die nicht
justierte Messrichtung 5 seitlich rechts gerichtet sein wird, für den Beob
achter bequemer sein, die Datenverarbeitungseinheit 3 derart im Voraus
einzustellen, dass konstant 90 Grad vom Messergebnis subtrahiert wer
den, so dass das ausgegebene Ergebnis mit der Richtung, in die der Beob
achter gewandt ist, ausgerichtet sein wird.
Wie es aus der in Fig. 2 veranschaulichten Ausgestaltung zu sehen ist, ist
das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation, das eine konkrete
Implementierung des erfinderischen Verfahrens ist, mit einer Ausrüstung
ausgestattet, die zur Positionsbestimmung erforderlich ist, und kann
deshalb Positionsbestimmungsinformation beschaffen. In Regionen mittle
rer geographischer Breite sind ungefähr 8 bis 12 GPS-Satelliten konstant
in der Raum-Halbkugel anwesend. Dies bedeutet, dass es immer 4 bis 6
Satelliten auf jeder Seite eines halben Großkreises gibt, der durch den
Zenit verläuft. Durch das umfasste Prinzip ist eine zweidimensionale
Positionsbestimmung mit so wenig wie drei Satelliten möglich, und eine
dreidimensionale Positionsbestimmung ist mit so wenig wie vier Satelliten
möglich. Die Anzahl von Satelliten, die in der Raum-Halbkugel anwesend
sind, ist deshalb zur Positionsbestimmung ausreichend. Das Positionsbe
stimmungsergebnis, das von der GPS-Empfängereinheit 2 zur Datenver
arbeitungseinheit 3 gesandt wird, kann von der Ergebnisausgabeeinheit 4
wie es ist ausgegeben werden.
Wie es oben ausgeführt wurde, wird, solange der Raum ungestört ist,
gewöhnlich eine Anzahl von Satelliten, die zur Positionsbestimmung aus
reichend ist, verfügbar sein, selbst wenn die Antenne 1 konstant vertikal
angeordnet ist. Die Benutzung der Positionsbestimmungsfunktion mit der
Antenne 1, die allein in der horizontalen Richtung orientiert ist, ist jedoch
in dem Punkt vorteilhaft, dass die Anzahl von nutzbaren Satelliten zu
nimmt, wodurch die Anzahl von auswählbaren Satellitensätzen zunimmt
und infolge dessen die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass ein Satelli
tensatz, der den Wert der DOP (Dilution of Precision oder Genauigkeitsab
fall) verbessert, ausgewählt werden kann. Mit anderen Worten kann man
che Maßnahme einer Verbesserung der Positionsbestimmungsgenauigkeit
vorweggenommen werden.
Wenn außerdem der Beobachter die Antenne 1 aus dem Zustand in Fig.
4(b) in den in Fig. 4(c) ohne Änderung der Haltung von Hand umschaltet,
kann eine Beschaffung von Azimutinformation genauso durchgeführt
werden, als ob zwei Antennen und zwei GPS-Empfänger verwendet werden
würden.
Hierfür hält die Ergebnisausgabeeinheit 4 die folgenden drei Datentypen
im Speicher. Der erste Typ ist das Azimutbegrenzungsergebnis. Der zweite
besteht aus Daten, die angeben, ob die Messung mit der Antenne in dem
Zustand von Fig. 4(b) oder von Fig. 4(b) durchgeführt wurde (was automa
tisch durch die Position eines Quecksilberschalters oder Metallkugelschal
ters unterschieden werden kann). Der dritte ist der Zeitpunkt, zu dem die
Azimutbegrenzung vorgenommen wurde (dieser Zeitpunkt kann von der
inneren Uhr des GPS-Empfängers genommen werden). Diese Daten wer
den im Speicher des Mikroprozessors gespeichert.
Der Speicher kann effektiver genutzt werden, indem nur die letzte Azimut
information gespeichert wird, die in den beiden vertikalen Orientierungen
der Antenne beschafft wurde (Fig. 4(a) und Fig. 4(b)), d. h. indem alte
Daten überschrieben werden.
Wenn Azimutinformation in einer der vertikalen Orientierungen (z. B. in
der Orientierung von Fig. 4(c)) erhalten wird, wird diese Azimutinformation
ausgegeben, und zusätzlich wird eine Prüfung vorgenommen, ob Azimut
information, die zu der Beschreibung passt, die nachstehend ausgeführt
wird, in dem Speicher gespeichert ist.
Im Besonderen wird geprüft, ob der Speicher das Ergebnis einer Azimut
begrenzung enthält, die in der anderen vertikalen Richtung durchgeführt
wurde, welche innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer (z. B. innerhalb
von 6 Sekunden) des Zeitpunktes der gegenwärtigen Beschaffung der
Azimutinformation, die in der vertikalen Orientierung durchgeführt wird,
beschafft wurde.
Wenn ein solches Ergebnis im Speicher zu finden ist, wird die Schlussfol
gerung gezogen, dass der Beobachter versucht, Information von beiden
Seiten des Raums zu benutzen, indem er schnell die Orientierung der am
Kopf montierten Antenne verändert wird, ohne seine oder ihre Haltung zu
verändern. Als nächstes wird deshalb das Produkt von Sätzen des Azi
mutbegrenzungsergebnisses, das in der anderen vertikalen Orientierung
erhalten wurde und im Speicher gespeichert ist, und des Azimutbegren
zungsergebnisses, das bei der gegenwärtigen Messung in der vertikalen
Orientierung erhalten wurde, berechnet, und das erhaltene Produkt der
Sätze wird ausgegeben.
Dieser Arbeitsgang macht es möglich, einen genaueren Wert der Azimutin
formation zu berechnen, indem nicht nur das Ergebnis der Viertelkugel
auf einer Seite verwendet wird, sondern auch das Ergebnis der Viertelku
gel auf der anderen Seite benutzt wird.
Es wurde bei der zuvor anhand von Fig. 3 beschriebenen Messung, bei der
kein in der anderen vertikalen Orientierung erhaltenes Ergebnis verwen
det wurde, herausgefunden, dass die Messrichtung, wie oben erwähnt, in
einen Bereich von 28 Grad fiel. Im Gegensatz dazu betrug das Azimutin
formationsergebnis, das erhalten wurde, wenn auch die andere vertikale
Orientierung verwendet wurde, d. h. wenn beide vertikale Orientierungen
verwendet wurden, 23 Grad, was im vorliegenden Fall eine Verbesserung
von 5 Grad bei der Azimutbegrenzung bedeutet. In vielen Fällen ist die
Verbesserung noch größer.
Wenn die Ergebnisausgabeeinheit 4 zu diesem Zeitpunkt eine Nachricht
dahingehend ausgeben sollte, wie etwa: "Wenn Sie Ihre Haltung zwischen
der vorhergehenden Azimutinformationsbeschaffung mit der Antenne in
der vertikalen Orientierung und der gegenwärtigen nicht verändert haben,
ist das Produkt der Sätze der Ergebnisse bei der vorhergehenden und bei
der gegenwärtigen Azimutinformationsbeschaffung, die mit der Antenne in
der vertikalen Orientierung durchgeführt wird . . .", wird dann der Beobach
ter in der Lage sein, das Ergebnis, das erhalten wird, wenn beide vertikale
Orientierungen verwendet werden, von demjenigen zu unterscheiden, das
bei der gegenwärtigen vertikalen Orientierung erhalten wird, selbst wenn
beide gleichzeitig ausgegeben werden, und wird auch einen zusätzlichen
Vorteil genießen.
Das Verfahren zur Azimutinformationsbeschaffung unter Verwendung
beider vertikaler Orientierungen wird nun in Bezug auf ein konkretes
Beispiel erläutert werden. Dieses Verfahren beruht auf dem Prinzip der
Anwendung eines Verfahrens, wie dasjenige, das oben anhand der Fig. 1
bis 3 erläutert wurde, auf die Viertelkugel auf der entgegengesetzten Seite
und die Ausgabe des Produktes der Sätze der Azimutbegrenzungen, die in
den beiden vertikalen Orientierungen erhalten werden.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Anordnung von Weltraumsatelliten
und der ebenen Patchantenne 1, wenn die ebene Patchantenne 1 in die
vertikale Orientierung auf der entgegengesetzten Seite zu der von Fig. 3
gestellt wird. Die Figur stellt eine imaginäre Ansicht dar, wobei von einem
höheren Punkt als der Zenit hinuntergeblickt wird. Der Elevationswinkel
beträgt am äußersten Kreis 0 Grad und nimmt nach innen in Inkremen
ten von 10 Grad mit jedem sukzessiven konzentrischen Kreis zu. Der
Azimut wird bezeichnet als "Norden (0 Grad)", gefolgt im Uhrzeigersinn
durch "Osten (90 Grad)", "Süden(180 Grad)" und "Westen (270 Grad)". Die
kleinen gefüllten (schwarzen) Punkte kennzeichnen GPS-Satelliten, die im
Abdeckungsbereich der ebenen Patchantenne 1 vorhanden sind und einen
Satellitenelevationswinkel von nicht mehr als 85 Grad aufweisen. Alle
anderen GPS-Satelliten sind als offene (weiße) Punkte dargestellt. Die
Satelliten, die sich außerhalb des Abdeckungsbereiches in Fig. 3 befinden,
liegen innerhalb des Abdeckungsbereiches in Fig. 6.
Tabelle 2 zeigt die Daten, die von der GPS-Empfängereinheit 2 zu diesem
Zeitpunkt zur Datenverarbeitungseinheit 3 gesandt werden.
Von den Daten in dieser Tabelle sind nur die Daten für die Satelliten, die
synchronisierte Kanalzustände und einen Satellitenelevationswinkel von
nicht mehr als 85 Grad aufweisen, extrahiert worden. Es sind nämlich die
Daten für die mit 14, 18, 11 und 6 nummerierten Satelliten extrahiert
worden. (Satellit 3 ist synchronisiert, aber ausgeschlossen, da sein Eleva
tionswinkel größer als 85 Grad ist).
Zur Azimutbegrenzung werden die extrahierten Satelliten durch die fol
gende Regel geordnet.
Wenn es zwei oder mehr extrahierte Satelliten gibt, wird der folgenden
Regel gefolgt. Schaffe eine kreisförmige Reihenfolge im Uhrzeigersinn in
Bezug auf die Satellitenazimute. Wenn der Abstand zwischen dem Azimut
eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des nächs
ten Satelliten in der Uhrzeigerrichtung (B) 180 Grad oder größer ist, defi
niere den bestimmten Satelliten (A) als den letzten Term und den nächs
ten Satelliten (B) als den ersten Term. Ordne die anderen Satelliten (ande
re als A und B) nach ihren Satellitenazimuten im Uhrzeigersinn betrachtet
vom ersten Term (B) aus.
Hier wird deshalb Satellit 11 als der erste Term und Satellit 18 als der
letzte Term ausgewählt.
Die Messrichtung wird nach dem Verfahren unmittelbar begrenzt.
Gemäß der Definition der Messrichtung 5, die in Fig. 1 gezeigt ist, und
dem Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation, das im Vorste
henden ausgeführt ist, wird die Messrichtung in ihrem ursprünglichen
Sinn automatisch innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt, der in der
Uhrzeigerrichtung zwischen einem Startazimut, der der Azimut des Satel
liten ist, der dem letzten Term zugeordnet ist, (Satellit Nummer 18;
64 Grad), und einem Endazimut, der die Richtung entgegengesetzt zum
Azimut des Satelliten ist, der dem ersten Term zugeordnet ist, (Satelliten
nummer 11; 285 Grad + 180 Grad = 105 Grad), definiert ist.
Wenn die Datenverarbeitungseinheit jedoch herausfindet, dass der Spei
cher angibt, dass es das Ergebnis einer anderen Azimutbegrenzung gab,
die in der entgegengesetzten Stellung der Antenne innerhalb von 6 Sekun
den zuvor ausgeführt wurde, setzt sie die Messrichtung der gegenwärtigen
Prozedur (Fig. 6) als die gleiche Richtung wie die vorhergehende Prozedur
(Fig. 3). Unter der Annahme, dass das Ergebnis auf der Grundlage von
Tabelle 2 in der vertikalen Orientierung von Fig. 4(c) erhalten wurde, wird
das Azimutbegrenzungsergebnis, das durch die Prozedur berechnet wur
de, deshalb in die entgegengesetzte Richtung umgewandelt. D. h., sie
nimmt um 180 Grad zu. Als Folge davon liegt die Messrichtung im Azi
mutbereich, der in der Uhrzeigerrichtung zwischen einem Startazimut von
(64 + 180) = 244 Grad und einem Endazimut von (105 + 180) = 285 Grad defi
niert ist, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
Unter der Annahme, dass das Ergebnis auf der Grundlage von Tabelle 1 in
Fig. 3 in der vertikalen Orientierung von Fig. 4(b) erhalten wurde, betrug
die Azimutbegrenzung der Messrichtung X in diesem Fall 262 < X <
290 Grad. Die Breite betrug 28 Grad. Das Symbol < wird hier dazu verwendet,
anzugeben, dass die Reihenfolge des Auftretens der Azimute im Uhrzeiger
sinn erfolgt.
Die Azimutbegrenzung der Messrichtung, die für die andere vertikale
Orientierung allein erhalten wurde, betrug 244 < X < 285. Die Breite betrug
41 Grad.
Das Produkt der Sätze dieser beiden Ergebnisse, die jeweils allein in einer
einseitigen vertikalen Orientierung erhalten wurden, betrug 262 < X < 285.
Die Breite betrug 23 Grad. Dieses Azimutbegrenzungsergebnis ist schma
ler als eines der beiden Ergebnisse in einer einzigen vertikalen Orientie
rung (28 Grad Breite oder 41 Grad Breite). Somit war das Ergebnis, das
erhalten wurde, indem das Produkt der Sätze genommen wurde, besser
als das Ergebnis für eine der beiden Seite alleine. Mit anderen Worten
wurde eine maximale Verschmälerung der Azimutbegrenzungsbreite er
zielt.
Somit kann eine bessere Azimutinformation erhalten werden, indem
gleichzeitig Daten benutzt werden, die für die Viertelkugeln auf beiden
Seiten erhalten werden, statt dass nur Daten für die Viertelkugel auf einer
Seite benutzt werden. Gemäß der vorliegenden Erindung kann dies mit
einer sehr einfachen Ausgestaltung erzielt werden. Es kann nämlich mit
einer einfachen Ausgestaltung erzielt werden, die nur einen einzigen GPS-
Empfänger und eine einzige ebene Antenne statt zwei von jedem anwen
det.
Der vorstehende Effekt kann auch ohne Bewegung der Arme usw. lediglich
durch Ausrichten der Zuwendungsrichtung mit der Zenitrichtung oder mit
der Nadirrichtung erhalten werden. Dies ist der Fall, weil ein funktionelles
Schalten durch den Quecksilberschalter auch eine geeignete Orientierung
der Antenne in Bezug auf den Raum oder Himmel ermöglicht. Wenn ein
Beobachter mit dem am Kopf montierten Gerät von Fig. 4(a) zunächst in
die Zenitrichtung gewandt ist, um eine Azimutbegrenzung mit dem Gerät
in einer ersten vertikalen Orientierung (gemäß Fig. 4(b)) durchzuführen,
und sich dann sofort in die Nadirrichtung wendet, um eine Azimutbegren
zung mit dem Gerät in einer unterschiedlichen vertikalen Orientierung
(gemäß Fig. 4(c)) durchzuführen, kann dann leicht ein Azimutbegren
zungsergebnis erhalten werden, das das Produkt von Sätzen der beiden
Azimutbegrenzungen ist. Dieses Verfahren ist beispielsweise dann zur
Verwendung zweckmäßig, wenn die Arme des Beobachters nicht frei sind.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, Ergebnisse mit hoher Güte
wie jene, die unter Verwendung von Daten von Satelliten in beiden Vier
telkugeln erhalten werden, mit einem einfachen Aufbau unter Verwen
dung einer Ausrüstung für nur eine einzige Seite zu erhalten. Die vorlie
gende Erfindung kann daher mit relativ geringen Entwicklungskosten
implementiert werden. Sie kann derart implementiert werden, dass sie
einfach zu bedienen ist, aber außerdem sehr praktisch ist. Da eine Imp
lementierung unter Verwendung von nur einem Satz der Ausrüstung
möglich ist, anstelle von zwei Sätzen, die herkömmlich für die entgegenge
setzten Seiten erforderlich sind, verbessert die Erfindung die Gewichtsre
duktion und Tragbarkeit merklich. Sie ist auch in dem Punkt äußerst
praktisch, dass sie unter Verwendung einer weitläufig erhältlichen und
preisgünstigen L1-Band-Satellitenposititionsbestimmungsausrüstung mit
nur minimalen Abänderungen implementiert werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine besondere in den
Zeichnungen veranschaulichte Ausführungsform beschrieben worden ist,
ist die Erfindung in keinster Weise auf die beschriebene Anordnung be
grenzt, und Änderungen und Modifikationen können vorgenommen wer
den, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
Wie es im Vorstehenden erläutert wurde, macht es das Verfahren zum
Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich, schnell eine Azimutbegrenzung durchzuführen, indem eine einzi
ge GPS-Antenne, die mit einer halbkugelförmigen Antennencharakteristik
versehen ist, vertikal angeordnet wird und Signale von GPS-Satelliten
empfangen werden. Mit anderen Worten ermöglicht sie es, dass ein Azi
mutwert auf einen sektorähnlichen Azimutwertebereich verschmälert
werden kann.
Außerdem kann eine zusätzliche Verschmälerung der Azimutwerte erzielt
werden, indem weiter die ebene GPS-Antenne um 180 Grad umgekehrt
wird, eine Azimutbegrenzung durch das gleiche Verfahren in der Richtung
durchgeführt wird, in der die andere Seite des halben Großkreises weist,
und das gemeinsame Produkt der Sätze der beiden Azimute genommen
wird.
Außerdem macht es die Tatsache, dass die ebene Patchantenne durch
eine geringe Größe und ein leichtes Gewicht gekennzeichnet ist, möglich,
dass das Verfahren in einer Anordnung eingesetzt werden kann, die zum
Tragen auf dem Kopf sehr geeignet ist. Nachdem die Antenne auf dem
Kopf angeordnet worden ist, wenn der Azimut der Richtung, in die eine
Seite des halben Großkreises weist, zuerst begrenzt wird, und die am Kopf
befestigte Antenne dann bewegt wird, um den Azimut in die Richtung der
anderen Seite, in die der halbe Großkreis weist, zu begrenzen, wird es
dann möglich, den Azimutwert weiter zu begrenzen, indem das gemeinsa
me Produkt von Sätzen der beiden Azimute genommen wird.
Zusätzlich kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, um die Bequemlichkeit und Zweckdienlichkeit für den Beobachter
merklich zu verbessern, indem es möglich gemacht wird, dem Azimutbe
grenzungsmerkmal oder dem Positionsbestimmungsmerkmal dadurch
Priorität zu geben, dass die Antenne einfach zwischen einer vertikalen
Orientierung und einer horizontalen Orientierung bewegt wird.
Zusammengefasst kann das Verfahren zum Beschaffen von Azimutinfor
mation Azimutinformation beschaffen, indem von GPS-Satelliten gesende
te Signale unter Verwendung von nur einer einzigen Antenne 1 empfangen
werden. Das Verfahren umfasst, dass eine ebene GPS-Antenne 1, die eine
halbkugelförmige Keule aufweist, mit ihrem Keulenzentrum horizontal
angeordnet wird, um einen Raumabdeckungsbereich mit einer Antennen
empfindlichkeit zu bilden, die eine Raum-Viertelkugel in der Richtung ist,
in die die GPS-Antenne weist; bewirkt wird, dass ein mit der GPS-Antenne
verbundener GPS-Empfänger 2 den Empfang von von GPS-Satelliten
gesendeten Signalen versucht; die empfangenen Signale in eine Datenver
arbeitungseinheit 3 eingegeben werden, um im Abdeckungsbereich vor
handene Satelliten zu unterscheiden; die Satelliten, von denen herausge
funden wird, dass sie im Raumabdeckungsbereich vorhanden sind, in der
Reihenfolge im Uhrzeigersinn betrachtet, vom Startazimut des Abdec
kungsbereichs aus angeordnet werden; der Azimut des Satelliten, der
dem letzten Term in der Reihenfolge entspricht, als Startazimut extrahiert
wird, und die Richtung entgegengesetzt zum Azimut des Satelliten, der
dem ersten Term in der Reihenfolge entspricht, als Endazimut extrahiert
wird; die extrahierten Start- und Endazimute dazu verwendet werden, den
Azimut der Richtung, in die die Antenne weist, zu begrenzen; und die
Information des begrenzten Azimuts als Sprachnachricht oder Bild unter
Verwendung einer Ergebnisausgabeeinheit 4 ausgegeben wird.
Claims (4)
1. Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation, mit den Schritten,
dass:
eine einzige ebene GPS-Antenne, die eine halbkugelförmige Antennencharakteristik aufweist, mit ihrem Keulenzentrum horizon tal angeordnet wird, so dass ein Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit gebildet wird, der eine Raum-Viertelkugel in einer Richtung ist, in die die GPS-Antenne weist, und der durch ei nen halben Großkreis begrenzt ist, der durch den Zenit verläuft;
bewirkt wird, dass der GPS-Empfänger, der mit der GPS- Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in der Raum-Halbkugel gesendet werden;
an einer Datenverarbeitungseinheit Signale, die von dem Empfänger empfangen werden, verarbeitet werden, um die im Abdec kungsbereich vorhandenen Satelliten zu unterscheiden;
Azimute der Satelliten, die durch einen Berechnungsprozess zur Positionsbestimmung erhalten werden, verwendet werden, um die Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem Raumab deckungsbereich vorhanden sind, in einer Reihenfolge im Uhrzeiger sinn betrachtet vom Startazimut des Raumabdeckungsbereiches aus anzuordnen; und
der Azimut einer Richtung, in die eine Seite des halben Groß kreises weist, innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt wird, der im Uhrzeigersinn definiert ist und dessen Startazimut der Azimut des Satelliten ist, der dem letzten in der Reihenfolge entspricht, und des sen Endazimut die umgekehrte Richtung zum Azimut des Satelliten ist, der dem ersten in der Reihenfolge entspricht.
eine einzige ebene GPS-Antenne, die eine halbkugelförmige Antennencharakteristik aufweist, mit ihrem Keulenzentrum horizon tal angeordnet wird, so dass ein Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit gebildet wird, der eine Raum-Viertelkugel in einer Richtung ist, in die die GPS-Antenne weist, und der durch ei nen halben Großkreis begrenzt ist, der durch den Zenit verläuft;
bewirkt wird, dass der GPS-Empfänger, der mit der GPS- Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in der Raum-Halbkugel gesendet werden;
an einer Datenverarbeitungseinheit Signale, die von dem Empfänger empfangen werden, verarbeitet werden, um die im Abdec kungsbereich vorhandenen Satelliten zu unterscheiden;
Azimute der Satelliten, die durch einen Berechnungsprozess zur Positionsbestimmung erhalten werden, verwendet werden, um die Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem Raumab deckungsbereich vorhanden sind, in einer Reihenfolge im Uhrzeiger sinn betrachtet vom Startazimut des Raumabdeckungsbereiches aus anzuordnen; und
der Azimut einer Richtung, in die eine Seite des halben Groß kreises weist, innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt wird, der im Uhrzeigersinn definiert ist und dessen Startazimut der Azimut des Satelliten ist, der dem letzten in der Reihenfolge entspricht, und des sen Endazimut die umgekehrte Richtung zum Azimut des Satelliten ist, der dem ersten in der Reihenfolge entspricht.
2. Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die Schritte, dass:
die ebene GPS-Antenne um 180 Grad gedreht wird, um einen Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit zu bil den, die die restliche Raum-Viertelkugel ist;
bewirkt wird, dass der GPS-Empfänger, der mit der GPS-An tenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in der Raum-Halbkugel gesendet werden, und der Azimut der Richtung, in die die andere Seite des halben Großkreises weist, durch die gleichen Schritte begrenzt wird, wie sie in Anspruch 1 aufgeführt sind; und
ein einziger Azimut begrenzt wird, indem das gemeinsame Produkt von Sätzen des Azimuts, der in der ersten Stellung der GPS- Antenne erhalten wird, und des Azimuts, der in der zweiten Stellung der GPS-Antenne erhalten wird, genommen wird.
die ebene GPS-Antenne um 180 Grad gedreht wird, um einen Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit zu bil den, die die restliche Raum-Viertelkugel ist;
bewirkt wird, dass der GPS-Empfänger, der mit der GPS-An tenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in der Raum-Halbkugel gesendet werden, und der Azimut der Richtung, in die die andere Seite des halben Großkreises weist, durch die gleichen Schritte begrenzt wird, wie sie in Anspruch 1 aufgeführt sind; und
ein einziger Azimut begrenzt wird, indem das gemeinsame Produkt von Sätzen des Azimuts, der in der ersten Stellung der GPS- Antenne erhalten wird, und des Azimuts, der in der zweiten Stellung der GPS-Antenne erhalten wird, genommen wird.
3. Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach
Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch den Schritt, dass
die GPS-Antenne auf dem Kopf montiert wird und die Antenne gemäß
der zu beschaffenden Information in einen horizontalen Zustand oder
in einen vertikalen Zustand gebracht wird.
4. Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach
Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch den Schritt, dass
der begrenzte Azimut einer Richtung unter Verwendung einer Ergeb
nisausgabeeinheit ausgegeben wird.
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