DE10214071B4

DE10214071B4 - Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation

Info

Publication number: DE10214071B4
Application number: DE10214071A
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: 2002-03-28
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: GB0207000D0; GB2379112A; GB2379112B; DE10214071A1; FR2823570A1; GB2379112A8; FR2823570B1; US6774843B2; US20020175858A1

Abstract

Verfahren zum Beschaffen von Information bezüglich des Azimuts einer zu bestimmenden Richtung, mit den Schritten, dass:
eine einzige ebene GPS-Antenne, die eine halbkugelförmige Antennencharakteristik aufweist, mit ihrem Strahlzentrum horizontal angeordnet wird, so dass ein Raumabdeckungsbereich gebildet wird, der aufgrund des unter der Antenne befindlichen Bodens eine Raum-Viertelkugel ist, und der durch einen halben Großkreis begrenzt ist, der durch den Zenit verläuft, wobei der Großkreis eine Begrenzung zwischen der Raumviertelkugel und dem Rest des Raums bildet;
bewirkt wird, dass ein GPS-Empfänger, der mit der GPS-Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in einer sich oberhalb des Bodens erstreckenden Raum-Halbkugel gesendet werden;
in einer Datenverarbeitungseinheit Signale, die von dem Empfänger empfangen werden, verarbeitet werden, um die im Raumabdeckungsbereich vorhandenen Satelliten zu unterscheiden;
Azimute der Satelliten, die durch einen Berechnungsprozess zur Positionsbestimmung erhalten werden, verwendet werden, um die Azimute der Satelliten, von denen herausgefunden wird,...

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 Azimutin- formation durch die Verwendung zweier ebener Patchantennen entwickelt (japanische Patentanmeldungen Nr. 2000-91362 und 2001-9396 - JP 2001356161 AA - 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. 2000–3460 - JP 2002168938 AA -.

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 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.

Aus den Druckschriften US 5,589,836 , DE 40 02 176 C2 und DE 41 42 403 A1 sind GPS-Navigationssysteme bekannt, die mittels einer oder zweier Antennen von GPS-Satelliten gesendete GPS-Signale empfangen können. Die Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeuges wird dabei jeweils mit Hilfe einer zusätzlichen Vorrichtung, beispielsweise eines geomagnetischen Richtungssensors, eines Gyroskops, eines Radsensors und/oder eines Kompasses, bestimmt.

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.

Wie es im Vorstehenden ausgeführt wurde, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Beschaffung von Azimutinformation unter Verwendung einer einzigen GPS-Antenne mit einer halbkugelförmigen Antennencharakteristik und ist deshalb äußerst einfach und wirtschaftlich.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
1 ein konzeptionelles Schaubild, das das Prinzip der Azimutinformationsbeschaffung durch das Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
2 ein schematisches Schaubild, das eine Ausführungsform eines Geräts zum Beschaffen von Azimutinformation veranschaulicht, das eine konkrete Implementierung des Verfahrens zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
3 ein schematisches Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Anordnung von Weltraumsatelliten und einer Antenne veranschaulicht, wenn eine Azimutbegrenzung unter Verwendung des Geräts zum Bewirken einer Azimutbegrenzung, das in 2 gezeigt ist, durchgeführt wird,
4(a) ein Schaubild zum Erläutern, wie eine Antenne auf dem Kopf getragen wird, wenn die Priorität auf die Fähigkeit einer Beschaffung von Positionsbestimmungsinformation gelegt wird,
4(b) ein Schaubild zum Erläutern, wie die Antenne auf dem Kopf getragen wird, wenn die Priorität auf die Fähigkeit einer Beschaffung von Azimutinformation gelegt wird,
4(c) ein Schaubild zum Erläutern, wie die Antenne auf dem Kopf getragen wird, wenn die Priorität auf die Fähigkeit einer Beschaffung von Azimutinformation gelegt wird,
5(a) ein Schaubild, um den Zustand von Quecksilberschaltkontakten zu zeigen, wenn ein Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation, das zur Kopfmontage ausgestaltet ist, mit der Priorität einer Fähigkeit einer Beschaffung von Positionsbestimmungsinformation verwendet wird,
5(b) ein Schaubild, um den Zustand von Quecksilberschaltkontakten zu zeigen, wenn das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation, das zur Kopfmontage ausgestaltet ist, mit einer Priorität einer Fähigkeit einer Beschaffung von Azimutinformation verwendet wird,
5(c) ein Schaubild, um den Zustand von Quecksilberschaltkontakten zu zeigen, wenn das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation, das zur Kopfmontage ausgestaltet ist, mit einer Priorität einer Fähigkeit einer Beschaffung von Azimutinformation verwendet wird, und
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 durchgeführt wird, wobei die Antenne um 180 Grad entgegengesetzt zu der von 3 orientiert ist.
Eine Ausführungsform eines Geräts zum Beschaffen von Azimutinformation, 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 wird Grad für die Winkeleinheit verwendet, wobei Norden als 0 Grad, und bei einer Bewegung im Uhrzeigersinn, 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 Erfindung wird zunächst anhand von 1 erläutert. In der Nähe der Mitte von 1 ist eine ebene Patchantenne 1 angeordnet. Die Patchantenne 1 ist rechtwinklig zum Boden angeordnet. Die Richtung, der ein Beobachter zugewandt ist, wenn er auf dem Boden steht und auf die ebene Patchantenne 1 herabsieht, wobei die Antenne nach links weisend angeordnet ist, ist als die Messrichtung 5 des Beobachters definiert.
Die Patchantenne 1 besitzt eine halbkugelförmige Strahlcharakteristik in Bezug auf die zirkular polarisierte Welle, die von dem GPS-Satellitensystem verwendet wird. Die Antenne, die eine halbkugelförmige Strahlcharakteristik aufweist, ist bei seltenen Gelegenheiten in der technischen Literatur als ungerichtet bezeichnet worden. Genaugenommen bedeutet "ungerichtet" in diesem Zusammenhang "isotrop", jedoch wird der Ausdruck "ungerichtet" in dieser Beschreibung nicht als Kennzeichen in Bezug auf die halbkugelförmige Strahlcharakteristik verwendet. Die Patchantenne 1 steht senkrecht zum Boden. Die Hälfte der halbkugelförmigen Strahlcharakteristik 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 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 1 vorhanden ist, und die Raum-Viertelkugel, in der der GPS-Satellit B vorhanden ist, ist kein Abdeckungsbereich 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 Ausbreitungseigenschaft wie Licht auf. Die ebene GPS-Patchantenne 1 kann sich mit Signalen von dem GPS-Satelliten A in dem Raumabdeckungsbereich 6 synchronisieren, aber nicht mit Signalen von dem GPS-Satelliten B, der nicht im Raumabdeckungsbereich 6 der ebenen Patchantenne 1 liegt. Die Regionen, in denen sich der GPS-Satellit A und der GPS-Satellit B befinden, können deshalb auf der Grundlage davon bestimmt werden, ob eine Synchronisation hergestellt wird oder nicht. Eine Azimutbegrenzung der Messrichtung 5 kann erzielt werden, indem die Unterscheidung der Anwesenheitsregion der GPS-Satelliten und die Azimutinformation der GPS-Satelliten verschmolzen werden.
Die Haupteigenschaften einer ebenen Patchantenne, die zur Azimutinformationsbeschaffung 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 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 zum Zeitpunkt des Entwurfs unter der Annahme einer unendlichen Grundebene theoretisch berechnet wird. Dies tritt auf, da das Ergebnis des Entwurfs, der bei der theoretischen Berechnung 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 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-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.
Das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation, das eine Ausführungsform des Verfahrens zum Beschaffen von Azimutinformation gemäß dieser Erfindung ist, wird nun anhand von 2 erläutert. In 2 ist die ebene Patchantenne 1 mit einer GPS-Empfängereinheit 2 verbunden.
Die in 2 gezeigte GPS-Empfängereinheit 2 kann die gleichen funktionellen Merkmale und Spezifikationen aufweisen, wie die GPS-Empfänger, die in weitläufig verwendeten, kompakten, mobilen Positionsbestimmungsgeräten, die L1-Band-Signale verwenden, enthalten sind. Dies macht es möglich, Nutzen aus Technologien zu ziehen, die für die Produktion 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 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 des Geräts gemäß dieser 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. In der Datenkette sind die folgenden Daten enthalten: zunächst die gegenwärtige Zeit, ferner, als Positionsbestimmungsdaten, die geographische Breite, die geographische Länge, die Höhe über dem Meeresspiegel, der Zeitpunkt der Positionsbestimmungsberechnung, 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, 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 Satellitennummer, 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 Synchronisation mit dem Signal des Satelliten, der Kanal 2 zugewiesen ist, ..., und die Satellitennummer, die Kanal n zugewiesen ist, der Satellitenelevationswinkel des Satelliten, der Kanal n zugewiesen ist, der Satellitenazimut des Satelliten, der Kanal n zugewiesen ist und der Kanalzustand hinsichtlich der Synchronisation mit dem Signal 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.
Die GPS-Empfängereinheit 2 versucht sich mit Satellitensignalen durch die erste ebene Patchantenne 1 zu synchronisieren und diese zu decodieren 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, genau so, wie es der GPS-Empfänger eines gewöhnlichen mobilen Satellitenpositionsbestimmungsgerätes macht, auf exakt die gleiche Weise, als ob sie mit einer Antenne verbunden wäre, deren Abdeckungsbereich die Raum-Halbkugel ist.
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 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 anderen GPS-Satelliten empfangen werden, mit dessen Signal eine Synchronisation durch die Antenne hergestellt wurde. 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, die durch Pseudozufallscodierung möglich gemacht wird, 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 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-Empfänger 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 Positionsbestimmungsberechnung 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 Datenverarbeitungseinheit 3 verarbeitet die Daten auf die folgende Weise.
Unter den Satellitendaten werden nur Daten von Satelliten, deren Kanalzustand synchronisiert ist und 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 nahe dem Zenit eine sehr kleine tatsächliche Elongation aufweisen, obwohl beobachtet wird, dass sie Azimute aufweisen, die sich zahlenmäßig unterscheiden.
Eine Azimutbegrenzung ist möglich, wenn mindestens ein Satellit extrahiert werden kann.
Um eine Azimutbegrenzung durchzuführen, werden die extrahierten Satelliten 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 im Uhrzeigersinn kreisförmige Reihenfolge in Bezug auf die Satellitenazimute. Wenn der Abstand zwischen dem Azimut eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des im Uhrzeigersinn nächsten Satelliten (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 im Uhrzeigersinn zwischen einem Startazimut, der der Azimut des Satelliten ist, der dem letzten Term zugeordnet ist, und einem Endazimut, 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 Ergebnisausgabeeinheit 4 dem Beobachter, die Messung zu wiederholen, nachdem er sich zu einem Punkt bewegt hat, an dem der Himmel bzw. Raum ungestört ist.
Die Ergebnisausgabeeinheit 4 befördert Information als Sprachnachricht zum Beobachter. Obwohl die Ausgabe einer hörbaren Nachricht den Vorteil 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 umfassen: Azimutinformation über die Messrichtung (Ergebnis der Azimutbegrenzung), gegenwärtige Zeit (GPS-Zeit), geographische Breite, geographische Länge, Höhe über dem Meeresspiegel, letzter Zeitpunkt einer Positionsbestimmung und Ratschlag für den Beobachter im Fall einer Ausnahmebehandlung. 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 5 in einer Azimutbegrenzung kann, wenn die Drehrichtung festgestellt worden ist, 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 in die jeweils andere umgewandelt werden. Der Beobachter kann mit Information in beiden Modi versorgt werden, da die Modi sich in der zahlenmäßigen Bedeutung der übermittelten 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 vorliegenden 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 beispielsweise die ebene Patchantenne 1 auf dem Rücken des Beobachters getragen wird, wird die Messrichtung 5 seitlich links vom Körper des Beobachters 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.
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 3 stellt eine imaginäre Ansicht der Raum-Halbkugel dar, deren Mitte der Zenit am Fußpunkt des Beobachters 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 verstreuten Stellen geben die Standorte von GPS-Satelliten durch den Elevationswinkel 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 Patchantenne 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 Anordnung 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 3 gezeigt ist, wobei die Antenne rechtwinklig zum Boden steht. Die Messrichtung 5 ist durch eine gestrichelte Linie angegeben. Die umgekehrte Richtung (die schematisch entgegengesetzte Richtung) der Messrichtung 5 ist auch angegeben.
Wenn das Gerät zum Beschaffen von Azimutinformation in Betrieb genommen 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 wahrscheinlich 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 Bodenmerkmalblockierung ist tolerierbar.
Tabelle 1
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 extrahiert.
Zur Azimutbegrenzung werden die extrahierten Satelliten durch die folgende Regel geordnet.
Wenn es zwei oder mehr extrahierte Satelliten gibt, ist das Verfahren wie folgt. Schaffe eine im Uhrzeigersinn kreisförmige Reihenfolge in Bezug auf die Satellitenazimute. Wenn der Abstand zwischen dem Azimut eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des im Uhrzeigesinn nächsten Satelliten (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 im Uhrzeigersinn 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, (Satellitennummer 2; 110 Grad + 180 Grad = 290 Grad), definiert ist.
Die Datenverarbeitungseinheit 3 gibt dieses Ergebnis an die Ergebnisausgabeeinheit 4 weiter.
Die Ergebnisausgabeeinheit 4 informiert den Beobachter darüber, 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 gegenwärtige 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 Azimutbegrenzung 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 + (δ/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 werden.
Jüngere GPS-Empfänger bestehen aus einem Mikrocomputer zur Signalverarbeitung und einer zugehörigen elektronischen Leiterplatte und deshalb 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. Beispielsweise können die GPS-Empfängereinheit 2 und die Datenverarbeitungseinheit 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 Azimutinformation 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 4 veranschaulicht. 4(a) zeigt die Antenne 1, die horizontal oben auf dem Kopf positioniert ist, 4(b) zeigt sie vertikal auf der Rückseite des Kopfes positioniert, und 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 5 gezeigt ist, und die Antenne horizontal oben auf dem Kopf positioniert ist, wie es in 4(a) gezeigt ist, wird das Quecksilber des Quecksilberschalters 8 an einem Kontakt angeordnet werden, der eine Positionsbeschaffungsfunktion aktiviert (5(a)). Wenn die Antenne 1 vertikal auf der Rückseite des Kopfes positioniert ist, wie es in 4(b) gezeigt ist, bewegt sich das Quecksilber des Quecksilberschalters 8 zu einem anderen Kontakt, der die Azimutbegrenzungsfunktion aktiviert (5(b)), und wenn die Antenne 1 vertikal an der Vorderseite des Kopfes positioniert ist, wie es in 4(c) gezeigt ist, bewegt sich das Quecksilber des Quecksilberschalters 8 zu einem anderen Kontakt, der die Azimutbegrenzungsfunktion aktiviert (5(c)). Somit kann angestrebte Information erhalten werden, indem einfach die Montageposition 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 bequemer, 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 Antenne 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 werden, so dass das ausgegebene Ergebnis mit der Richtung, in die der Beobachter gewandt ist, ausgerichtet sein wird.
Wie es aus der in 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 mittlerer 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 Positionsbestimmungsergebnis, das von der GPS-Empfängereinheit 2 zur Datenverarbeitungseinheit 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 ausreichend 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 Satellitensatz, der den Wert der DOP (Dilution of Precision oder Genauigkeitsabfall) verbessert, ausgewählt werden kann. Mit anderen Worten kann manche Maßnahme einer Verbesserung der Positionsbestimmungsgenauigkeit vorweggenommen werden.
Wenn außerdem der Beobachter die Antenne 1 aus dem Zustand in 4(b) in den in 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 4(b) oder von 4(b) durchgeführt wurde (was automatisch durch die Position eines Quecksilberschalters oder Metallkugelschalters 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 werden im Speicher des Mikroprozessors gespeichert.
Der Speicher kann effektiver genutzt werden, indem nur die letzte Azimutinformation gespeichert wird, die in den beiden vertikalen Orientierungen der Antenne beschafft wurde (4(a) und 4(b)), d.h. indem alte Daten überschrieben werden.
Wenn Azimutinformation in einer der vertikalen Orientierungen (z.B. in der Orientierung von 4(c)) erhalten wird, wird diese Azimutinformation ausgegeben, und zusätzlich wird eine Prüfung vorgenommen, ob Azimutinformation, die zu der Beschreibung passt, die nachstehend ausgeführt wird, in dem Speicher gespeichert ist.
Im Besonderen wird geprüft, ob der Speicher das Ergebnis einer Azimutbegrenzung 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 Schlussfolgerung 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 aus dem Azimutbegrenzungsergebnis, das in der anderen vertikalen Orientierung erhalten wurde und im Speicher gespeichert ist, und dem Azimutbegrenzungsergebnisses, das bei der gegenwärtigen Messung in der vertikalen Orientierung erhalten wurde, auf einen gemeinsamen Azimutbereich geschlossen.
Dieser Arbeitsgang macht es möglich, einen genaueren Wert der Azimutinformation zu berechnen, indem nicht nur das Ergebnis der Viertelkugel auf einer Seite verwendet wird, sondern auch das Ergebnis der Viertelkugel auf der anderen Seite benutzt wird.
Es wurde bei der zuvor anhand von 3 beschriebenen Messung, bei der kein in der anderen vertikalen Orientierung erhaltenes Ergebnis verwendet wurde, herausgefunden, dass die Messrichtung, wie oben erwähnt, in einen Bereich von 28 Grad fiel. Im Gegensatz dazu betrug das Azimutinformationsergebnis, 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, ergibt die gemeinsame Auswertung der Ergebnisse bei der vorhergehenden und bei der gegenwärtigen Azimutinformationsbeschaffung, die mit der Antenne in der vertikalen Orientierung durchgeführt wird, ...", dann wird der Beobachter 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 1 bis 3 erläutert wurde, auf die Viertelkugel auf der entgegengesetzten Seite und der Ausgabe des gemeinsamen Ergebnisses der Azimutbegrenzungen, die in den beiden vertikalen Orientierungen erhalten werden.
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 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 Inkrementen 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 in 3 außerhalb des Abdeckungsbereiches befinden, liegen in 6 innerhalb des Abdeckungsbereiches.
Tabelle 2 zeigt die Daten, die von der GPS-Empfängereinheit 2 zu diesem Zeitpunkt zur Datenverarbeitungseinheit 3 gesandt werden.
Tabelle 2
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 Elevationswinkel größer als 85 Grad ist).
Zur Azimutbegrenzung werden die extrahierten Satelliten durch die folgende Regel geordnet.
Wenn es zwei oder mehr extrahierte Satelliten gibt, wird der folgenden Regel gefolgt. Schaffe eine im Uhrzeigersinn kreisförmige Reihenfolge in Bezug auf die Satellitenazimute. Wenn der Abstand zwischen dem Azimut eines bestimmten Satelliten (hier A genannt) und dem Azimut des im Uhrzeigersinn nächsten Satelliten (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 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 1 gezeigt ist, und dem Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation, das im Vorstehenden ausgeführt ist, wird die Messrichtung in ihrem ursprünglichen Sinn automatisch innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt, der im Uhrzeigersinn zwischen einem Startazimut, der der Azimut des Satelliten 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, (Satellitennummer 11; 285 Grad + 180 Grad = 105 Grad), definiert ist.
Wenn die Datenverarbeitungseinheit jedoch herausfindet, dass der Speicher 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 (6) als die gleiche Richtung wie die vorhergehende Prozedur (3). Unter der Annahme, dass das Ergebnis auf der Grundlage von Tabelle 2 in der vertikalen Orientierung von 4(c) erhalten wurde, wird das Azimutbegrenzungsergebnis, das durch die Prozedur berechnet wurde, deshalb in die entgegengesetzte Richtung umgewandelt. D.h., sie nimmt um 180 Grad zu. Als Folge davon liegt die Messrichtung im Azimutbereich, der in der Uhrzeigerrichtung zwischen einem Startazimut von (64 + 180) = 244 Grad und einem Endazimut von (105 + 180) = 285 Grad definiert ist, wie es in 6 gezeigt ist.
Unter der Annahme, dass das Ergebnis auf der Grundlage von Tabelle 1 in 3 in der vertikalen Orientierung von 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 Uhrzeigersinn erfolgt.
Die Azimutbegrenzung der Messrichtung, die für die andere vertikale Orientierung allein erhalten wurde, betrug 244 < X < 285. Die Breite betrug 41 Grad.
Das gemeinsame Ergebnis 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 schmaler als jedes der beiden Ergebnisse in einer einzigen vertikalen Orientierung (28 Grad Breite oder 41 Grad Breite). Somit war das Ergebnis, das erhalten wurde, indem die beiden Ergebnisse gemeinsam ausgewertet wurden, besser als das Ergebnis für eine der beiden Seite alleine. Mit anderen Worten wurde eine maximale Verschmälerung der Azimutbegrenzungsbreite erzielt.
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 Erfindung 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 anwendet.
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 4(a) zunächst in die Zenitrichtung gewandt ist, um eine Azimutbegrenzung mit dem Gerät in einer ersten vertikalen Orientierung (gemäß 4(b)) durchzuführen, und sich dann sofort in die Nadirrichtung wendet, um eine Azimutbegrenzung mit dem Gerät in einer unterschiedlichen vertikalen Orientierung (gemäß 4(c)) durchzuführen, kann dann leicht ein Azimutbegrenzungsergebnis erhalten werden, das die gemeinsame Auswertung 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 Viertelkugeln erhalten werden, mit einem einfachen Aufbau unter Verwendung einer Ausrüstung für nur eine einzige Seite zu erhalten. Die vorliegende 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 Implementierung unter Verwendung von nur einem Satz der Ausrüstung möglich ist, anstelle von zwei Sätzen, die herkömmlich für die entgegengesetzten Seiten erforderlich sind, verbessert die Erfindung die Gewichtsreduktion und Tragbarkeit merklich. Sie ist auch in dem Punkt äußerst praktisch, dass sie unter Verwendung einer weitläufig erhältlichen und preisgünstigen L1-Band-Satellitenpositionsbestimmungsausrüstung 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 begrenzt, und Änderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, 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 einzige 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 die beiden Azimutbereiche gemeinsam ausgewertet werden.
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 aus den beiden Azimutbereichen auf einen gemeinsamen Azimutbereich geschlossen 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 Azimutbegrenzungsmerkmal 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 Azimutinformation Azimutinformation beschaffen, 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 Antennencharakteristik aufweist, mit ihrem Strahlzentrum horizontal angeordnet wird, um einen Raumabdeckungsbereich mit einer Antennenempfindlichkeit zu bilden, der aufgrund des unter der Antenne befindlichen Bodens 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 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 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

Verfahren zum Beschaffen von Information bezüglich des Azimuts einer zu bestimmenden Richtung, mit den Schritten, dass: eine einzige ebene GPS-Antenne, die eine halbkugelförmige Antennencharakteristik aufweist, mit ihrem Strahlzentrum horizontal angeordnet wird, so dass ein Raumabdeckungsbereich gebildet wird, der aufgrund des unter der Antenne befindlichen Bodens eine Raum-Viertelkugel ist, und der durch einen halben Großkreis begrenzt ist, der durch den Zenit verläuft, wobei der Großkreis eine Begrenzung zwischen der Raumviertelkugel und dem Rest des Raums bildet; bewirkt wird, dass ein GPS-Empfänger, der mit der GPS-Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in einer sich oberhalb des Bodens erstreckenden Raum-Halbkugel gesendet werden; in einer Datenverarbeitungseinheit Signale, die von dem Empfänger empfangen werden, verarbeitet werden, um die im Raumabdeckungsbereich vorhandenen Satelliten zu unterscheiden; Azimute der Satelliten, die durch einen Berechnungsprozess zur Positionsbestimmung erhalten werden, verwendet werden, um die Azimute der Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem Raumabdeckungsbereich vorhanden sind, in einer im Uhrzeigersinn kreisförmigen Reihenfolge betrachtet vom Startazimut des Raumabdeckungsbereiches aus anzuordnen; und der Azimut der Richtung, in die eine Seite des halben Großkreises weist, innerhalb eines Azimutbereiches begrenzt wird, der im Uhrzeigersinn definiert ist und dessen Startazimut der Azimut des Satelliten ist, der einem letzten Term der Reihenfolge entspricht, und dessen Endazimut die entgegengesetzte Richtung zum Azimut des Satelliten ist, der einem ersten Term der Reihenfolge entspricht.
Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte, dass: die ebene GPS-Antenne um 180 Grad gedreht wird, um einen zweiten Raumabdeckungsbereich zu bilden, der die angrenzende Raum-Viertelkugel ist; bewirkt wird, dass der GPS-Empfänger, der mit der GPS-Antenne verbunden ist, den Empfang von Signalen versucht, die von GPS-Satelliten in der sich oberhalb des Bodens erstreckenden Raum-Halbkugel gesendet werden; in der Datenverarbeitungseinheit Signale, die von dem Empfänger empfangen werden, verarbeitet werden, um die im zweiten Raumabdeckungsbereich vorhandenen Satelliten zu unterscheiden; Azimute der Satelliten, die durch einen Berechnungsprozess zur Positionsbestimmung erhalten werden, verwendet werden, um die Azimute der Satelliten, von denen herausgefunden wird, dass sie in dem zweiten Raumabdeckungsbereich vorhanden sind, in einer im Uhrzeigersinn kreisförmigen Reihenfolge betrachtet vom Startazimut des zweiten Raumabdeckungsbereiches aus anzuordnen; der Azimut der Richtung, in die die andere Seite des halben Großkreises weist, innerhalb eines zweiten Azimutbereiches begrenzt wird, der im Uhrzeigersinn definiert ist und dessen Startazimut der Azimut des Satelliten ist, der einem letzten Term der Reihenfolge entspricht, und dessen Endazimut die entgegengesetzte Richtung zum Azimut des Satelliten ist, der einem ersten Term der zweiten Reihenfolge entspricht; und der Azimut der zu bestimmenden Richtung begrenzt wird, indem aus den Azimutbereichen, die aus der ersten Stellung der GPS-Antenne und aus der zweiten Stellung der GPS-Antenne erhalten werden, auf einen gemeinsam Azimutbereich geschlossen wird.
Verfahren zum Beschaffen von Azimutinformation nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt, dass die GPS-Antenne auf dem Kopf eines Beobachters getragen wird und die Antenne für eine Positionsbestimmung oder eine Azimutbegrenzung in eine horizontale Lage oder in eine vertikale Lage gebracht wird.