DE19810772A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortung von Fahrzeugen in Leitstellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ortung von Land-, Luft- und Seefahrzeugen von einer oder mehreren Überwachungs- oder Leitstellen aus, wie es etwa beim Flottenmanagement oder Einsatzlenkung angewendet werden kann. Im Rahmen einer zentralen Fahrzeugverwaltung - etwa bei Fuhrparks - sind meist die Standorte der Fahrzeuge zu be­ stimmten Zeitpunkten sowie auch zusätzliche Informationen gewünscht. Diese Informationen werden bisher in den Fahrzeugen ermittelt. Insbesondere die Standortbestimmung der Fahrzeuge geschieht meist mittels GPS-Empfänger sowie ggf. weiterer Sensordaten oder Straßendatenbanken in Verbindung mit einem entsprechend leistungsfähigen Bordrechner in den Fahrzeugen selber. Dieser ermittelt oder verbessert die aktuelle Fahrzeugposition, soweit sie nicht vom GPS bereits hinreichend genau zur Verfügung gestellt wird.

Die so erzielte Standortinformation kann dann je nach Anwendung bordseitig abgespeichert (Datenlogger- bzw. Fahrtenschreiber-Funktion) oder angezeigt werden (z. B. auf einer digitalen Straßenkarte). Für Navigations- oder Zielführungsaufgaben werden die Standortinformationen bordseitig üblicherweise weiterverarbeitet, um z. B. eine bestimmte Route einzuhalten. Für diese klassischen Navigationsaufgaben - nämlich der (Ziel-)Führung eines Fahrzeuges - ist es erforderlich, eine bordseitige Ortung durchzuführen, d. h. die Standortinformation muß im Fahrzeug selber zur Verfügung stehen.

Beim Flottenmanagement hingegen sind diese Informationen nicht in den zu verfolgenden Fahrzeugen, sondern lediglich in den überwachenden Leitstellen erforderlich. Dazu müssen die Standortinformationen aus den jeweiligen Fahrzeugen über Funk oder anderweitig an eine Zentrale übertragen werden (Ortung), wo diese Information weiterverarbeitet oder visualisiert werden.

Der Nachteil der üblichen Verfahrens ist, daß in jedem einzelnen Fahrzeug ein vollständiges Navigationssystem vorhanden sein muß, einschließlich Bordrechner und eventuell einer Straßendatenbank. Das Navigationsergebnis kann schließlich als fertiger Standort an eine Leitzentrale übermittelt werden. Damit ist ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich, wenn man eine ganze Fahrzeugflotte verfolgen möchte. Ist aber aus den im Fahrzeug auflaufenden Informationen und Meßwerten keine Standortbestimmung möglich, kann auch kein gültiger Wert übermittelt werden. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn die Summe der Meßwerte (z. B. Standlinien) keine eindeutige oder hinreichend genaue Standortberechnung zuläßt oder wenn die vorhandenen Informationen nicht optimal miteinander verknüpft werden.

So können einige Verfahren lediglich aus den eigenen Meßwerten einen Standort bestimmen. Insbesondere beim Satellitennavigationssystem GPS ist es üblich, Empfänger zu verwenden, die nur dann zu einer Navigationslösung mit gültigem Standort gelangen, wenn mindestens vier GPS-Satelliten in brauchbarer Konstellation empfangen werden können. Mit weniger Satelliten ist hingegen keine Lösung möglich auch dann nicht, wenn im Gegenzug andere Informationen (z. B. weitere Standlinien- oder Flächen) zur Verfügung stehen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn es am Fahrzeugstandort zur Abschattung von Satellitensignalen und damit zu einem Ausfall von Informationsquellen kommt. Mit den im Fahrzeug normalerweise vorhanden Mitteln ist es zum Teil nicht mehr möglich, jederzeit einen Standort zu bestimmen.

Die Aufgabe des hier beschriebenen Verfahrens ist die Ortung von Fahrzeugen (z. B. für zum Flottenmanagement) in Leit- bzw. Überwachungsstellen durch Auswertung von einer maximalen Anzahl möglicher Informationen in dieser Stelle anstatt im Fahrzeug. Dabei ist eine entsprechende Rechenleistung für die Positionsbestimmung (Ortung) der Fahrzeuge auch nur ausschließlich dort erforderlich. Dort kann eine Standortbestimmung der Fahrzeuge mit zusätzlichen Informationen, die im Fahrzeug selber nicht vorliegen, besser vorgenommen werden. Beispielsweise unterliegen einige Meßverfahren speziellen systematischen Meßfehlern, die mit der Zeit schwanken, über eine größere räumliche Ausdehnung aber nahezu gleich bleiben. Werden in der Leitstelle nun einige Referenzmeßwerte ermittelt und mit dem genau bekannten Standort der Leitstelle verglichen, läßt sich auch eine gute Aussage über die fahrzeugseitigen Meßfehler treffen, woraus sich in der Leitstelle schließlich ein sehr genauer Fahrzeugstandort finden läßt.

Die Art der im Fahrzeug ermittelten Navigationsmeßwerte ist dabei unerheblich ebenso, wie die Art der Datenübermittlung. Außerdem ist der Standort sowie die Anzahl der Leitstellen, in denen die Fahrzeuge verfolgt werden, unerheblich. Somit ist beispielsweise ein gleichzeitiges Verfolgen oder eine Routenauswertung von ortsfesten und mobilen Leitstellen aus möglich, da in jeder Leitstelle mit dem gleichen technischen Aufwand auch das gleiche Verfahren angewendet werden kann, sofern einer Leitstelle auch der eigene Standort genau bekannt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens werden erfindungsgemäß in den Fahrzeugen alle Navigationsinformationen gesammelt, die dort technisch zur Verfügung stehen oder gestellt werden (z. B. durch Navigationsempfänger). Dabei kann von Fall zu Fall entschieden werden, welche Meßsysteme zusätzlich hinzugefügt werden, sofern bereits vorhandene Sensoren nicht ausreichen. Diese Meßwerte werden schließlich zentral erfaßt und zwischengespeichert. Eine Positionsbestimmung erfolgt hier aber nicht.

Die in den zu ortenden Fahrzeugen gesammelten Meßdaten werden erst an die beteiligten Leitstellen übermittelt, bei denen dann unter Einbeziehung eigener Referenzmeßwerte sowie weiterer Informationen die jeweiligen Standorte bestimmt werden. In den Fahrzeugen selber erfolgt somit keine Standortbestimmung. Dadurch erfolgt eine Konzentration von Aufwand für Rechenleistung und Datenverwaltung an die Orte, wo die Information benötigt wird. Der technische Aufwand im Fahrzeug wird lediglich auf die Meßwerterfassung reduziert.

Für das Verfahren ist die Art der Datenübermittlung unerheblich. Diese kann auf einschlägige Arten erfolgen wie drahtgebunden, drahtlos oder über portable Speichermedien. Letzteres ist anwendbar, wenn keine Echtzeitauswertung der Meßdaten erforderlich ist sondern die Fahr­ zeugstandorte nur für eine nachträgliche Fahrstreckenauswertung benötigt werden. Dies setzt aber ebenso eine zeitgleiche Erfassung und Zwischenspeicherung von Referenzdaten in der jeweiligen Leitstelle voraus.

Das Verfahren ist auf alle Arten von Fahrzeuge (Land, Luft, See) anwendbar, da der Standort stets als optimaler dreidimensionaler Schnittpunkt mehrerer Standlinien oder Standflächen, die sich aus entsprechenden Messungen ergeben, ermittelt wird. Die Meßwerttypen und somit auch die Meßverfahren können dabei verschiedener Art sein, müssen also keineswegs derselben Informationsquelle entspringen. Mögliche Meßwerttypen sind dabei:

• - Pseudoentfernungen, Entfernungsdifferenzen oder Relativgeschwindigkeiten zu Navigationssatelliten (z. B. GPS oder GLONASS),
• - Entfernungen oder Entfernungsdifferenzen zu Funknavigationsanlagen am Boden (z. B. DECCA, LORAN; OMEGA, DME),
• - Funkpeilrichtungen (z. B. VOR),
• - magnetische Kompaßrichtungen,
• - Fahrstreckenmeßwerte (z. B. mittels Log oder Radsensor)
• - statischer Luftdruck oder Staudruck,
• - Beschleunigungsmeßwerte,
• - Drehratenmeßwerte um beliebige Fahrzeugachsen.

Die im einzelnen herangezogenen Meßwerttypen können sich von Fahrzeug zu Fahrzeug unterscheiden. So ist es durchaus möglich, ein Fahrzeug aufgrund von Pseudoentfernungen zu Navigationssatelliten, andere Fahrzeuge aber durch andere Meßwerte oder einer Kombination daraus zu orten.

Die in einem jeweiligen Fahrzeug erfaßten Daten werden dann zu einer oder mehreren ortsfesten oder mobilen Leitstellen übertragen. Dort werden einige gleichartige Meßwerte zeitgleich durch eigene Sensorik erfaßt, die dort als Referenzwerte dienen. Ferner können in den betreffenden Leitstellen weitere Informationen vorliegen (z. B. in Form von Datenbanken), die die möglichen Aufenthaltsorte oder Bewegungsmöglichkeiten der Fahrzeuge beinhalten wie beispielsweise

• - feste Fahrrouten (z. B. auf einem festgelegten Straßen- oder Schienennetz),
• - geodätische Höhe des Fahrzeugstandortes bei ausschließlicher Bewegung am Boden,
• - physikalische Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsgrenzen des Fahrzeuges,

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht zweckmäßigerweise aus folgenden Komponenten: Für Kraftfahrzeuge:

• - Mikrocontroller-gesteuertes Meßdatenerfassungssystem (1),
• - Navigationssatellitenempfänger (bevorzugt GPS) zur Messung von Pseudoentfernungen, und Relativgeschwindigkeiten zu den Satelliten (2),
• - Sensoren zur Messung weiterer oben genannter Meßwerttypen (bevorzugt Fahrstrecken- und Magnetkompaßsensor) (4),
• - Datenspeicher zur Zwischenspeicherung der Meßdaten (5),
• - Datenübertragungssystem, das mit den jeweiligen Leitstellen in Verbindung steht (6),

Für Luftfahrzeuge:

• - Mikrocontroller-gesteuertes Meßdatenerfassungssystem (1),
• - Navigationssatellitenempfänger (bevorzugt GPS) zur Messung von Pseudoentfernungen, und Relativgeschwindigkeiten zu den Satelliten (2),
• - weitere Funknavigationsgeräte wie VOR und/oder DME mit Schnittstelle zum Datenerfassungssystem (3),
• - Sensoren zur Messung zusätzlicher Meßwerttypen (bevorzugt Luftdruck- und Magnet­ kompaßsensor) (4),
• - Datenspeicher zur Zwischenspeicherung und manuellen Übermittlung der Meßdaten (5),
• - für den Echtzeitbetrieb auch ein Datenübertragungssystem, das mit den jeweiligen Leitstellen in Verbindung steht (6),

Für die Leit- bzw. Überwachungsstelle:

• - Eine Rechenanlage zur Entgegennahme und Auswertung der übertragenen Meßwerte (7) einschließlich aller erforderlichen Schnittstellen sowie einer
• - Software zur Meßdatenverarbeitung und Positionsbestimmung der Fahrzeuge aus allen verfügbaren Informationen mittels geeignetem Algorithmus (Kalman-Filter),
• - einen oder mehrere Navigationsreferenzempfänger wie in den Fahrzeugen verwendet (8),
• - optionalen Luftdruck-Referenzsensoren sofern auch im Fahrzeug verwendet (9),
• - eine Datenbank mit Informationen über Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsgrenzen der Fahrzeuge und bei KFZ ein digitalisiertes Straßen- oder Schienennetz, das ausschließlich benutzt werden (10).

Im einzelnen kann bordseitig ein Meßdatenerfassungssystem eingesetzt werden, daß als Kern einen Mikrocontroller beinhaltet, der alle erforderlichen Schnittstellen zu vorhandenen Sensoren bedient und die anfallenden Meßdaten in einem separaten Datenspeicher ablegt. Ferner wird eine Schnittstelle zu einem Datenfunksystem bedient, wie es allgemein Verwen­ dung findet. Im dem Meßdatenerfassungssystem kann bereits ein GPS-Empfänger integriert sein, der neben den Pseudoentfernungen und Entfernungsänderungen zu allen empfangenen Satelliten auch deren Kennung sowie den Zeitpunkt der Messung liefert.

An dem System können dann, soweit vorhanden, weitere Navigationsfunkanlagen derart angeschlossen sein, daß deren Meßwerte ausgelesen werden können (z. B. VOR oder DME in Luftfahrzeugen aber ggf. auch LORAN-, DECCA- oder OMEGA-Empfänger einsetzbar in allen Fahrzeugarten) sowie auch ein Drucksensor zur Erfassung des statischen Umgebungs­ druckes (bei Luftfahrzeugen) oder ein Drehzahlgeber der Tachometerwelle eines Kraftfahr­ zeuges (KFZ) oder der Drehzahlausgang eines Schiffslogs sowie ein magnetischer Kompaß­ sensor. Diese Meßwerte werden zusammen mit dem Meßzeitpunkt zwischengespeichert, bis sie über Datenfunk (oder wahlweise mittels Austausch eines Datenträgers) an die jeweilige Leitstelle übertragen werden.

Die Leitstelle selber kann zunächst aus einem üblichen PC bestehen mit Schnittstellen zum Datenfunksystem sowie zu den eigenen Referenzsensoren. Als Referenzsensoren dienen hier gleichartige Navigationsempfänger, wie sie bordseitig ausgelesen werden (sofern es sie um GPS, GLONASS, LORAN, DECCA oder OMEGA handelt), sowie ggf. auch ein statischer Luftdrucksensor. Diese Referenzsensoren gestatten in Verbindung mit der Kenntnis über den genauen Standort der Leitstelle eine Korrektur der vom jeweiligen Fahrzeug übermittelten Meßwerte. Dabei werden die übertragenen Fahrzeug-Meßwerte mit den tatsächlichen Meßfehlern am Standort der Leitstelle korrigiert. Diese Meßfehler können als Differenz aus den theoretischen Meßwerten (für den Leitstellenstandort berechnet) und den in der Leitstelle gemessenen Werten bestimmt werden.

Damit ist dann eine optimale Standortbestimmung (Ortung) der Fahrzeuge möglich mittels Kenntnisse über ihre maximal mögliche Geschwindigkeit, Beschleunigung bzw. Kurvenradius sowie über ausschließlich mögliche Aufenthaltsorte, etwa anhand eines geographisch vorge­ gebenen Straßen- oder Schienenverlaufs, abgespeichert in einer angeschlossenen Datenbank. Die Standortberechnung im Rechner der Leitstelle erfolgt dann mittels speziellem Programmalgorithmus (Kalman-Filter) unter Einbeziehung aller dort verfügbaren Informationen und Meßwerte.

Claims (2)

1. Verfahren zur Ortung von Geräten, Objekten, Personen und Fahrzeugen aller Art von einer oder mehreren Leitstellen aus, wobei in den Fahrzeugen unterschiedliche Ortungs- und Navigationsmeßdaten erfaßt, abgespeichert und an eine oder mehrere Leitstellen übertragen werden, die zum Teil über gleichartige Sensoren verfügen sowie über Datenbankinformationen, aus denen räumliche oder zeitliche Randbedingungen über mögliche Standorte oder Bewegungsverhalten der jeweiligen Fahrzeuge hervorgehen, um mit diesen Meßdaten und Informationen die Standorte der Fahrzeuge in der jeweiligen Leitstelle mittels eines Computerprogramms zu berechnen und weiteren Anwendungen zur Verfügung zu stellen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. mit

• - Mikrocontroller-gesteuertem Meßdatenerfassungssystem (1),
• - Navigationssatellitenempfänger zur Messung von Pseudoentfernungen und Relativ­ geschwindigkeiten zu den Satelliten (2),
• - optionalen Sensoren zur Messung weiterer Meßwerttypen (z. B. Funkmeßwerte, Fahrstrecken oder Kompaßrichtungen) (3, 4),
• - Datenspeicher zur Zwischenspeicherung der Meßdaten (5),
• - Datenübertragungssystem, das mit den jeweiligen Leitstellen in Verbindung steht (6),
• - Rechenanlage zur Entgegennahme und Auswertung der übertragenen Meßwerte in jeder Leitstelle (7) einschließlich aller erforderlichen Schnittstellen einschließlich einer
• - Software zur Meßdatenverarbeitung und Positionsbestimmung der Fahrzeuge aus allen verfügbaren Informationen mittels geeignetem mathematischem Algorithmus,
• - einem oder mehreren Navigationsreferenzempfänger wie in den Fahrzeugen verwendet (8),
• - optional weiteren Sensoren zur Messung von Referenzwerten in der Leitstelle (9),
• - einer Datenbank in den Leitstellen mit Informationen über Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsgrenzen bzw. über zur Verfügung stehender möglicher Fahrrouten (z. B. Schienennetz) der Fahrzeuge (10).