DE3633557C2 - Verfahren zur Positionsbestimmung von Verkehrsmitteln, insbesondere Landfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verfahren dieser Art, die die Positionsbestimmung im Verkehrsmittel selbst, also ohne Notwendigkeit einer zentralen ortsfesten Station, ermöglichen, sind bekannt. So beschreibt die Veröffentlichung über das "Symposium Land Vehicle Navigation", 1984, der Deutschen Gesellschaft für Ortung und Navigation in Abschnitt 13 ein derartiges Verfahren, das mehrere, relativ nahe beieinanderstehende Rundfunksender ausnutzt, die absolut synchrone Signale aussenden; durch Ermittlung der Laufzeitdifferenzen an Bord des Fahrzeugs unter Einsatz eines Zählers kann in einem fahrzeuginternen Rechner der jeweilige Fahrzeugstandort angegeben werden.

Auch andere Verfahren, wie das bekannte Loran-C-Ortungsverfahren (siehe "Verkehr und Technik" 1978, Heft 11, Seite 449) nutzen mehrere ortsfeste Sender aus, von denen einer als Master-Sender und die anderen als Slave-Sender bezeichnet werden; die letzteren sind bezüglich des Master-Senders synchronisiert. Hier ergeben sich Schwierigkeiten bei der Positionsbestimmung innerhalb eines sehr großen Gebiets, da eine Synchronisierung nur in der jeweiligen Master-Slave-Kette möglich ist. In dem jeweiligen Verkehrsmittel können also nur solche Signale ausgewertet werden, die von einer derartigen Kette stammen.

Das weltumspannende Omega-System verwendet gleichsam eine Kette, d. h. alle Sender sind synchronisiert. Zu diesem Zweck sind sie mit hochgenauen Caesiumuhren ausgestattet, und die Überprüfung des Synchronismus erfolgt mittels einer Referenzuhr, die von Sender zu Sender geflogen wird. Zusätzlich zu diesem Aufwand für die Synchronisierung besitzt das Omega-Verfahren den Nachteil, daß es im VLF-Bereich arbeitet, in dem geomagnetische Störungen relativ große Positionierungsfehler hervorrufen können; gegebenenfalls ist die Ausbreitung derart stark gestört, daß ein Empfang in dem jeweiligen Verkehrsmittel unmöglich ist.

Gemeinsam ist den beschriebenen bekannten Verfahren, daß sie für genaue Positionsbestimmungen innerhalb eines großen Bereichs, beispielsweise über Ländergrenzen hinweg, mit vertretbarem Aufwand für die Synchronisierung der Sender kaum geeignet sind.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das weitgehend ohne Änderung der Infrastruktur - insbesondere ohne Notwendigkeit zusätzlicher Baken oder Sender - und ohne den Aufwand einer Synchronisation mehrerer relativ weit voneinander positionierter Sender auskommt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreiben die Unteransprüche.

Ein grundlegender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also darin zu sehen, daß für diese "räumlich einsinnig fortschreitende" Synchronisierung keine Maßnahmen zur direkten Synchronisierung relativ weit voneinander stehender Sender erforderlich sind. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht um eine absolute Synchronisierung zwischen einem Master-Sender einerseits und dem in dem betrachteten Gebiet am weitesten von dem Master-Sender entfernten Sender, sondern um eine "indirekte" Synchronisierung im Sinne der Herstellung einer festen Zeitrelation, die sich mit zunehmendem Abstand vom Master-Sender ändert. In jedem Fall ist aber durch die Mittelwertbildung, die sich jeweils über Signale erstreckt, die nur von innerhalb eines gewissen Gebiets stehenden Sendern herrühren, sichergestellt, daß die jeweils in den Verkehrsmitteln, insbesondere einem Landfahrzeug, empfangenen Signale nur von Sendern herrühren, die in weitgehendem Synchronismus arbeiten.

Dies beinhaltet verständlicherweise die Notwendigkeit, daß die Mittelwertbildung gleichsam in einer Richtung erfolgt, daß also jeweils der Mittelwert der Sendezeitpunkte speziell derjenigen Sender ermittelt wird, die dem betreffenden Sender in Richtung auf den Master-Sender benachbart sind. Eine weitere, für die Genauigkeit der Positionsbestimmung vorteilhafte Maßnahme beinhaltet Patentanspruch 3.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß die DE-OS 33 10 111, GO1S 5/10, eine Navigationsanlage für Landfahrzeuge beschreibt, die die von einigen Sendern bekannten Standorts ausgesandten Signale durch Auswertung von laufzeitbedingten und/oder phasenbedingten Effekten in einem fahrzeugfesten Empfänger ausnutzt, wobei der arithmetische Mittelwert der Standortdaten dieses Ortungssystems ermittelt wird. Dabei handelt es sich aber nicht um die erfindungsgemäße, räumlich einsinnig fortschreitende Synchronisierung durch Mittelwertbildung, sondern es werden die in kurzen Zeitabständen erzeugten Standortdaten gemittelt, um unabhängig von den Zufälligkeiten beispielsweise in der Signalübertragung eine möglichst genaue Positionierung zu erzielen. Systematische Fehler, z. B. durch mangelhafte Synchronisierung, können dadurch nicht eliminiert werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 die Lage- und Laufzeitbeziehungen zwischen drei Sendern,

Fig. 2 das Prinzip der Mittelwertbildung,

Fig. 3 und 4 mögliche Ausbildungen von erfindungsgemäß synchronisierten geographischen Bereichen und

Fig. 5 eine fehlerhafte Synchronisierung.

In Fig. 1 sind mit 1, 2 und 3 drei ortsfeste Rundfunksender bezeichnet, deren Signale zur Gewinnung von Positionssignalen in einem nicht dargestellten Fahrzeug dienen. Da die Gewinnung von Positionssignalen im Fahrzeug die Laufzeitdifferenzen der Sender ausnutzt, deren Standorte und Entfernungen voneinander bekannt sind, ist es erforderlich, daß diejenigen Sender, deren Signale im Fahrzeug ausgewertet werden, hinsichtlich der Signalabgabe in einer bestimmten zeitlichen Relation zueinander arbeiten, sie also synchronisiert sind. In Fig. 1 relativ weit links hat man sich ferner einen ersten Sender vorzustellen, der gleichsam den Master-Sender darstellt. Insbesondere bei ausgedehnten Gebieten, d. h. großen Entfernungen der betrachteten Sender vom Master-Sender, macht es Schwierigkeiten, eine direkte Synchronisierung zwischen allen Sendern und dem Master-Sender durchzuführen.

Diese Schwierigkeiten werden bei der Erfindung dadurch umgangen, daß in dem Beispiel nach Fig. 1 der Sender 3 gleichsam auf die ihm in Richtung auf den Master- Sender benachbarten Sender 1 und 2 synchronisiert wird, was - wie auch in den weiteren Figuren - durch die Pfeile an den Verbindungslinien zwischen den Sendern 1 und 2 einerseits und 3 andererseits angedeutet wird. Die Laufzeiten der von den Sendern 1 und 2 emittierten Signale sind mit τ1 und τ2 bezeichnet.

In den Diagrammen der Fig. 2 sind über die Zeit t untereinander die Zeitverläufe der von den Sendern 1 und 2 ausgesandten Signale T1 und T2 am Ort dieser Sender sowie unter Berücksichtigung der Laufzeiten am Ort des Senders 3 aufgetragen; das im Sinne der Erfindung synchronisierte Signal des Senders 3 ist ordinatenmäßig mit T3 bezeichnet.

Der Sender 1 sendet im zeitlichen Abstand T (Synchronisierperiode) Impulse T1.1, T1.2 usw. aus. Der erste Impuls (Signalanfang) des Senders 2 liegt im Zeitpunkt T2.1, der gegenüber dem Zeitpunkt T1.1 verschoben ist. Der im Zeitpunkt T1.1 erzeugte Impuls des Senders 1 trifft unter Berücksichtigung der Laufzeit τ1 im Zeitpunkt TR1 am Ort des Senders 3 ein, der im Zeitpunkt T2.1 erzeugte Impuls des Senders 2 unter Berücksichtigung der Laufzeit τ2 im Zeitpunkt TR2.

Entsprechendes gilt für die weiteren, von den Sendern 1 und 2 ausgesandten Impulse.

Der "Synchronisierungszeitpunkt" T3.1 für die Signalaussendung des Senders 3 wird im Fahrzeug in einem Bordcomputer nach folgender Formel berechnet:

Hierin sind die Größen T und τ bekannt, während die übrigen Größen gemessen werden.

Fig. 3 zeigt eine beispielsweise räumliche Verteilung einer größeren Anzahl von Sendern, die mit ihren Koordinaten (z. B. 0,1, 2,2 usw.) bezeichnet sind, in einem die Himmelsrichtungen wiedergebenden Koordinatensystem und durch Pfeile die Sender, deren Signale jeweils zur Mittelwertbildung herangezogen werden. Betrachtet man beispielsweise den Sender 1,2, dessen Verbindungslinie zum Master-Sender 0,0 bei 4 angedeutet ist, so werden zur Mittelwertbildung die Sender 1,1 und 0,2 herangezogen. Sie liegen näher am Master-Sender 0,0 als der zu synchronisierende Sender 1,2, und die Verbindungslinie 4 des Senders 1,2 verläuft zwischen den entsprechenden Verbindungslinien der ihn synchronisierenden Sender 0,2 und 1,1.

Betrachtet man nun den Sender 1,3, so werden zu seiner Synchronisierung die synchronisierten Signale des Senders 1,2 sowie die Signale des Senders 0,3 herangezogen, so daß sich eine mit zunehmender Entfernung vom Master-Sender 0,0 gleichsam fortschreitende teilgebietsweise Synchronisierung der Sender ergibt.

In Abweichung von der bekannten Loran-C-Kette hat man hier also gleichsam eine Synchronisierungsfläche. Das gilt auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. In dieser Figur ist der Master-Sender mit 6 und einer der zu synchronisierenden Sender mit 7 bezeichnet. Hier liegt die Besonderheit vor, daß die zur Synchronisierung des Senders herangezogenen Sender 8 und 9 etwa gleiche Abstände vom Master-Sender wie der Sender 7 besitzen. Auch hier liegt aber die Verbindungslinie 7′ zwischen dem zu synchronisierenden Sender 7 und dem Master-Sender 6 zwischen den entsprechenden Verbindungslinien der Sender 8 und 9.

Gemeinsam ist beiden Ausführungsbeispielen, daß längst bestimmten Geraden aufeinanderfolgende Sender zur Synchronisation des jeweils folgenden Senders herangezogen werden. Diese Geraden definieren zwischen sich quadranten- oder sektorförmige Synchronisierbereiche, in denen die erfindungsgemäße Mittelwertbildung erfolgt. Dies darf jedoch nicht, wie im Falle der Fig. 5, zur Ausbildung getrennte "Synchronisierungszweige" führen, bei denen die Sender nicht durch Mittelwertbildung gleichsam wieder zusammengeführt werden. Bei 10 ist wiederum der Master-Sender angedeutet, der in diesem Fall die ihm am nächsten liegenden Sender 11 und 12 direkt synchronisiert. Ausgehend von den Sendern 11 und 12 verzweigen sich jetzt die durch Pfeile angedeuteten Synchronisierungsrichtungen, d. h. Sender 13 wird allein vom Sender 12, Sender 14 allein vom Sender 13 her synchronisiert. Ein derartiges Fehlen einer Mittelwertbildung hätte zur Folge, daß der Empfangsbereich 15 des jeweiligen Fahrzeugs, dessen Position bei 17 eingetragen ist, letztlich Sender enthält, deren Sendezeitpunkte allenfalls in einer losen zeitlichen Relation zueinander stehen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß es ohnehin vorhandene Rundfunksender ausnutzen kann, wobei der zusätzliche Aufwand für die Synchronisierung sehr klein ist. Auch kann das bordeigene Rundfunkgerät des Fahrzeugs zum Auffangen der von den Sendern stammenden Signale ausgenutzt werden, wenn es geringfügig, beispielsweise um einen Zähler zur digitalen Erfassung der Laufzeitdifferenzen, erweitert wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung von Verkehrsmitteln, insbesondere Landfahrzeugen, bei dem in dem jeweiligen Verkehrsmittel von aufeinander synchronisierten ortsfesten Sendern ausgesendete Signale empfangen und aus den Laufzeitunterschieden der von verschiedenen Sendern stammenden Signale Positionssignale gewonnen werden, wobei den Ausgang für die Synchronisierung der Sender die von einem Master-Sender ausgesendeten Signale bilden, gekennzeichnet durch eine räumlich einsinnig fortschreitende Synchronisierung der übrigen Sender (z. B. 3) in der Weise, daß diesen Sendern (3) die Sendezeitpunkte (T1.1; T2.1) höchstens gleich weit vom Master-Sender entfernter Sender (1; 2) übermittelt werden und sie sich auf einen Mittelwert (T3.1) dieser Sendezeitpunkte (T1.1; T2.1) synchronisieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation auf den arithmetischen Mittelwert (T3.1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Synchronisieren eines Senders (1, 2) nur derart gewählte Sender (0,2; 1,1) herangezogen werden, daß die Verbindungslinie (4) des zu synchronisierenden Senders (1, 2) zum Master- Sender (0,0) zwischen den entsprechenden Verbindungslinien der herangezogenen Sender (0,2; 1,1) verläuft.