DE60217218T2

DE60217218T2 - Verfahren und Gerät für GPS, Navigationssystem und Computerprogramm

Info

Publication number: DE60217218T2
Application number: DE60217218T
Authority: DE
Inventors: Hajime Kawagoe-shi Takemura
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: EP1256814B1; US6484098B1; DE60217218D1; JP4257045B2; EP1256814A2; US20020177952A1; EP1256814A3; JP2002333472A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein GPS-(Global Positioning System)Verfahren und eine GPS-Vorrichtung zum Messen oder Positionieren einer aktuellen Position eines beweglichen Körpers auf Basis von Funkwellen, die von GPS-Satelliten empfangen wurden, und ein Navigationssystem, das die GPS-Vorrichtung umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogramm, mit dem ein Computer als die GPS-Vorrichtung fungieren kann.
In den letzten Jahren wurde eine GPS-Messung in einem Navigationssystem eines beweglichen Körpers wie beispielsweise eines Fahrzeugs, eines Flugzeugs, eines Schiffes oder dergleichen weithin eingesetzt. Koordinaten der GPS-Satelliten, die die Basis der GPS-Messung darstellen, werden durch das Lösen der Kepler-Gleichung mit der in den übertragenen Daten der empfangenen Funkwellen, das heißt, der Abwärtsverbindung, empfangenen Systemzeit an einer Vielzahl von Überwachungsstationen auf der Erde erhalten. Danach wird eine Bahnkonstante (Position) des Satelliten, die auf diese Weise erhalten wurde, als ein Teil der übertragenen Daten der übertragenen Funkwelle, das heißt, der Aufwärtsverbindung, an den entsprechenden GPS-Satelliten übertragen. Als ein Ergebnis überträgt jeder GPS-Satellit in den Daten der Abwärtsverbindung seine eigenen Positionsinformationen.
Bei einer 3D-(dreidimensionalen)Positionsmessung, die auf den von dem GPS-Satelliten auf diese Weise empfangenen Funkwellen basiert, misst er eine Pseudoentfernung r, die einer Entfernung eines GPS-Empfängers zu jedem GPS-Satelliten ist, auf der Basis (i) der Positionsinformationen jedes GPS-Satelliten, die in der von jedem GPS-Satelliten empfangenen Funkwelle enthalten ist, und (ii) einer Zeitspanne, die die empfangenen Funkwellen von jedem GPS-Satelliten bis zu dem GPS-Empfänger benötigen, im Wesentlichen für vier GPS-Satelliten. Diese Pseudoentfernung r wird als die Koordinaten (x, y, z) des GPS-Empfängers und Funktion eines Uhrfehlers t mit vier Variablen dargestellt. Werden also die Pseudoentfernungen in Abhängigkeit von den von den vier GPS-Satelliten empfangenen Funkwellen gemessen, erhält man die vier Funktionen, so dass der Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) des GPS-Empfängers durch Lösen der vier nichtlinearen Simultangleichungen berechnet werden können. Dann werden die auf diese Weise berechneten Koordinaten als die aktuelle Position eines beweglichen Körpers betrachtet, an dem der GPS-Empfänger befestigt ist.
In der Realität geschieht es jedoch oft, dass die Funkwellen von fünf oder mehr GPS-Satelliten zur gleichen Zeit empfangen werden können und somit eine Positionierungslösung von fünf (oder sechs oder mehr) nichtlinearen Simultangleichungen für vier Variablen x, y, z und t durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate auf der Basis der fünf oder mehr Pseudoentfernungen r zum Erhöhen einer Positionierungsgenauigkeit berechnet wird.
Ein Nachteil der GPS-Messung ist nebenbei auch das Erzeugen von Messfehlern der Pseudoentfernung durch einen Multipath. Genauer gesagt, die Funkwelle kann von dem GPS-Satelliten neben dem direkten Weg zu dem GPS-Empfänger, insbesondere um ein sehr großes Gebäude, wie beispielsweise ein Wolkenkratzer, ein Hochhaus oder dergleichen, herum auf anderen Wegen zu dem GPS-Empfänger gelangen, nachdem sie an der Oberfläche des sehr großen Gebäudes oder dergleichen einmal oder mehrere Male reflektiert wurden. Dieses Phänomen des Empfangens von Funkwellen von ein und demselben Satelliten gleichzeitig über eine Vielzahl von Funkwellenwegen wird "Multipath" (Mehrwegausbreitung) genannt. Wird ein Multipath erzeugt, wird innerhalb des Zeitraumes, den die empfangenen Funkwellen benötigen, um zu dem GPS-Empfänger zu gelangen, ein Fehler erzeugt, und auf der Basis dieses Fehlers wird auch ein Fehler in der Pseudoentfernung erzeugt. Wenn ein Multipath erzeugt wird, werden die Pseudoentfernung, die auf einer normalen Funkwelle basiert, und die Pseudoentfernung, die auf einer unnormalen Funkwelle basiert, unregelmäßig und abwechselnd gemessen, so dass die Ankunftszeit und die Pseudoentfernung in einem kurzen Zyklus geändert werden oder flackern. Somit verschlechtert sich die Genauigkeit der GPS-Messung erheblich.
Daher wird eine Vorrichtung zum Erkennen des Erzeugens von Multipath eingebaut; wird ein Multipath erzeugt, wird eine Korrektur durchgeführt, die beispielsweise den GPS-Satelliten, der mit der Erzeugung eines Multipath in Zusammenhang steht, aus einem Messziel der GPS-Messung entfernt. Demgemäß wird ein Multipath erkannt und korrigiert; wird das Erzeugen eines Multipath für die eine oder die mehreren empfange nen Funkwellen erkannt, wird oder werden diese aus dem Messziel entfernt, und die GPS-Messung wird basierend auf wenigstens vier empfangenen Funkwellen durchgeführt. Darüber hinaus wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem von einer 3D-Positionsmessung auf eine 2D-Positionsmessung umgeschaltet werden kann, wenn der Fall eintritt, dass nur drei Funkwellen empfangen werden, weil die Funkwellen eliminiert wurden, in denen von dem Messziel das Entstehen von Multipath erkannt wurde, weil die Umgebung zum Empfangen von Funkwellen ungünstig ist. So wird konkret bei der GPS-2D-Positionsmessung die Pseudoentfernung von jedem GPS-Satelliten zu dem GPS-Empfänger gemessen, dazu werden (i) der Zeitraum, den die empfangenen Funkwellen von jedem GPS-Satelliten zu dem GPS-Empfänger benötigen, und (ii) die Positionsinformationen jedes GPS-Satelliten benötigt, die in der von jedem Satelliten empfangenen Funkwelle enthalten sind; im Wesentlichen von etwa drei GPS-Satelliten unter der Annahme, dass sich ihre Entfernungen von der Erde in einem kurzen Zeitraum kaum ändern.
Nach Untersuchungen des Erfinders der vorliegenden Erfindung ist das oben genannte Verfahren, das das Erzeugen eines Multipath erkennt und den Fehler der Pseudoentfernung eliminiert, bei der Erkennung nicht völlig akkurat. So besteht ein Problem darin, dass die Funkwelle, die über den normalen Funkweg empfangen wurde, durch falsche Erkennung des Multipath oft fälschlicherweise aus dem Messziel der GPS-Messung entfernt wird, was die Genauigkeit der GPS-Messung noch weiter verschlechtert.
Das US-Patent US-A-5808582 offenbart einen GPS-Empfänger, der ein eingehendes Signal empfängt und die Zurückweisung von Multipath-Signalen verbessert.
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein GPS-Verfahren und eine GPS-Vorrichtung bereitzustellen, die das Erzeugen eines Multipath feststellen und einen Fehler der Pseudoentfernung, der durch die Auswirkung des Multipath hervorgerufen wird, korrigieren sowie die Verschlechterung der Positionierungsgenauigkeit selbst dann verringern können, wenn fälschlicherweise das Erzeugen eines Multipath erkannt wurde, ein Navigationssystem, das die GPS-Vorrichtung umfasst, sowie ein Computerprogramm, mit dem ein Computer als die GPS-Vorrichtung fungieren kann.
Die oben genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch ein GPS-Verfahren gelöst werden, das umfasst: einen Messprozess des Messens jeder Pseudoentfernung ri (i = 1, 2, ..., n) von einer jeweiligen einen von empfangenen Funkwellen von n GPS-Satelliten (n ist ein natürliche Zahl gleich 3 oder größer als 3), die von einem GPS-Empfänger, der auf einem beweglichen Körper befestigt ist, eingefangen wird; einen Erkennungsprozess des Erkennens einer Erzeugung eines Multipath der entsprechenden einen der empfangenen Funkwellen; einen ersten Rechenprozess der näherungsweisen Berechnung eines Uhrfehlers t und der Koordinaten (x, y, z) des GPS-Empfängers als eine Lösung von n Simultangleichungen, indem eine Konvergenzberechnung durchgeführt wird, die sich auf n Funktionen fi (x, y, z, t) bezieht, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfassen und jede der n Funktionen fi (x, y, z, t) stellt die Pseudoentfernung ri dar; einen zweiten Rechenprozess der näherungsweisen Berechnung des Uhrfehlers t und der Koordinaten (x, y, z) als eine Lösung von n + 1 Simultangleichungen, indem eine Konvergenzberechnung durchgeführt wird, die sich auf insgesamt n + 1 Funktionen bezieht, die durch Addieren eines α fn + 1 (x, y, z, t) zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten wird, wobei das eine α fn + 1 (x, y, z, t) durch Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl gleich 1 oder größer als 1) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten wird, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfasst, die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) stellt eine Pseudoentfernung rn + 1 dar, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird; einen Ausgabeprozess des Ausgebens der Koordinaten (x, y, z), die in dem ersten oder zweiten Rechenprozess als aktuelle Positionsdaten berechnet wurden, die eine aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen; und eines Auswählprozesses des Auswählens des zweiten Rechenprozesses, wenn das Erzeugen eines Multipath von dem Erkennungsprozess erkannt wurde.
Gemäß dem GPS-Verfahren der vorliegenden Erfindung misst der Messprozess jede Pseudoentfernung ri aus der jeweiligen einen der empfangenen Funkwellen von n GPS-Satelliten, die von dem GPS-Empfänger eingefangen wurden. Für diese Messung wird im Wesentlichen ein Zeitraum gemessen, der für die Ankunft benötigt wird, und dieser mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert. Danach erkennt der Erkennungsprozess, ob auf der empfangenen Funkwelle ein Multipath erzeugt wurde, und zwar daran, ob das Messergebnis, das durch Erfahrung, Versuch oder theoretisch erhalten werden soll, auch tatsächlich erhalten wird oder nicht; so ergibt sich beispielsweise das Ergebnis, dass die Pseudoentfernung ri, wie oben gemessen, instabil ist. Wird an dieser Steile das Erzeugen eines Multipath von dem Erkennungsprozess nicht erkannt, führt der erste Rechenprozess die Konvergenzberechnung durch, beispielsweise gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die n Funktionen fi (x, y, z, t), von denen jede die Pseudoentfernung ri darstellt. Danach berechnet er hier näherungsweise den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) als eine Positionierungslösung der n nichtlinearen Simultangleichungen. Als ein Ergebnis hiervon werden die Koordinaten (x, y, z) berechnet, die die aktuelle Position des beweglichen Körpers mit einer großen Genauigkeit anzeigen, sofern kein Multipath erzeugt wurde.
Erkennt jedoch der Erkennungsprozess, dass der Multipath erzeugt wurde, wählt der Auswählprozess den zweiten Rechenprozess aus. Dann führt der zweite Rechenprozess die Konvergenzberechnung durch, beispielsweise gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die gesamten n + 1 Funktionen, die durch Addieren des einen α fn + 1 (x, y, z, t) zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten werden, von denen jede die Pseudoentfernung ri darstellt. Dieses eine α fn + 1 (x, y, z, t) wird durch das Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl, die gleich 1 oder größer als 1 ist) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfasst, diese Funktion stellt eine Pseudoentfernung rn + 1 dar, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird. Danach berechnet er hier näherungsweise den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) als eine Positionierungslösung der n + 1 nichtlinearen Simultangleichungen. Wurde ein Multipath erzeugt, werden also die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der gemäß der Bedingung, dass die Erde als der GPS-Satellit betrachtet wird, angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Wurde fälschlicherweise die Erzeugung eines Multipath erkannt, obwohl während des Erkennungsprozesses kein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der gemäß der Bedingung, dass die Erde als der GPS-Satellit betrachtet wird, angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Dann gibt der Ausgabeprozess die Koordinaten, die die verminderte Dispersion oder Abweichung haben, die aus einem Fehler entstanden ist, der von dem Erzeugen von Multipath oder der fälschlichen Erkennung davon erzeugt wurde, als die aktuellen Positionsdaten aus, die die aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z) als stabile Positionierungslösung zu berechnen, wenn tatsächlich ein Multipath erzeugt wurde, und ebenso, wenn dieser fälschlicherweise erkannt wurde, ohne dass bekannt ist, welcher der beiden Fälle gerade eintritt. Insbesondere in Fällen, in denen es schwierig ist, die Genauigkeit des Erkennens der Erzeugung eines Multipath zu erhöhen, ist die vorliegende Erfindung in der Praxis sehr profitabel, da sie im Wesentlichen stabile GPS-Messergebnisse erhält, unabhängig davon, ob das Erkennen der Erzeugung eines Multipath ordnungsgemäß durchgeführt wird oder nicht.
In einem Aspekt des GPS-Verfahrens sind die n Funktionen fi (x, y, z, t) wie folgt:
ri' + (∂ri/∂x)Δx + (∂ri/∂y)Δy + (∂ri/∂z)Δz + (∂ri/∂t)Δt, wobei ri' ein Näherungswert von ri ist, die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) ist wie folgt:
rn + 1' + (∂rn + 1/∂x)Δx + (∂rn + 1/∂y)Δy + (∂rn + 1/∂z)Δz + (∂rn + 1/∂t)Δt, hierbei ist rn + 1' ein Näherungswert von rn + 1, die Konvergenzberechnung ist eine Berechnung zum Konvergieren eines Pseudobereichsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n) innerhalb eines vorgegebenen Wertes in den n Simultangleichungen in dem ersten Berechnungsprozess, eine Berechnung zum Konvergieren eines Pseudobereichsfehlers ist Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n, n + 1) innerhalb eines vorgegebenen Wertes in den n + 1 Simultangleichungen in dem zweiten Berechnungsprozess.
Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung durch die Berechnung zum Konvergieren eines Pseudobereichsfehlers Δri = |ri – ri'| innerhalb des vorgegebenen Wertes, beispielsweise eines sehr kleinen Wertes, der beispielsweise nahe 0 liegt, relativ leicht und schnell unter Verwendung eines Computers oder dergleichen in dem ersten und dem zweiten Berechnungsprozess zu berechnen.
Der für diese Konvergenzberechnung genutzte, vorgegebene Wert ist entsprechend der gewünschten Positionierungsgenauigkeit eingestellt, er nähert sich im Allgemeinen bei steigender Positionierungsgenauigkeit 0 an und entfernt sich im Allgemeinen bei sinkender Positionierungsgenauigkeit von 0. Diese Art von vorgegebenem Wert wird abhängig von der gewünschten Positionierungsgenauigkeit im Voraus durch Erfahrung, Experiment oder theoretisch eingestellt.
In einem anderen Aspekt des GPS-Verfahrens verwendet der zweite Berechnungsprozess eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t), mit der der Uhrfehler t anstelle der einen Funktion abgeschätzt wird.
Sofern der Erkennungsprozess das Erzeugen eines Multipath erkennt, führt der zweite Berechnungsprozess die Konvergenzberechnung gemäß diesem Aspekt durch, beispielsweise gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die gesamten n + 1 Funktionen, die durch Addieren der einen Funktion fn + 1 (x, y, z, t), die den Uhrfehler t schätzt, zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten wird, von denen jede die Pseudoentfernung n darstellt, nachdem die Gewichtung α, die gleich 1 oder größer als 1 ist, auf die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) angewendet wurde. Folglich berechnet er näherungsweise den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) als eine Positionierungslösung der n + 1 nichtlinearen Simultangleichungen.
Sofern ein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der entsprechend der Schätzung des Uhrfehlers t angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Sofern fälschlicherweise die Erzeugung eines Multipath erkannt wurde, obwohl während des Erkennungsprozesses kein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der entsprechend der Schätzung des Uhrfehlers t angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Dann gibt der Ausgabeprozess die Koordinaten, die die verminderte Dispersion oder Abweichung haben, die aus einem Fehler entstanden ist, der von dem Erzeugen von Multipath oder der fälschlichen Erkennung davon erzeugt wurde, als die aktuellen Positionsdaten aus, die die aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z) als die stabile Positionierungslösung zu berechnen, sowohl dann, wenn tatsächlich Multipath erzeugt wurde, als auch dann, wenn das Erzeugen eines Multipath fälschlicherweise erkannt wurde, ohne dass bekannt wäre, welcher der beiden Fälle eingetreten ist.
Daneben ist es ebenfalls möglich, die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung durch das Lösen von n + 2 nichtlinearen Simultangleichungen zu lösen, wobei die eine Funktion, die den Uhrfehler schätzt, zusätzlich zu der einen Funktion verwendet wird, die eine Funktion wird unter der Bedingung erhalten, dass der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird, nachdem die Gewichtung α auf wenigstens eine der Funktionen angewendet wurde.
In einem weiteren Aspekt des GPS-Verfahrens berechnet der erste Berechnungsprozess eine Positionierungslösung (x, y, z, t) durch Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix vom Typ (n, 1) ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn) und eine Positionsfehlermatrix vom Typ (4, 1) ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt) ist, eine partielle Differenzialausdruck-Matrix vom Typ (n, 4) ist A, und der zweite Berechnungsprozess berechnet eine Lösung (x, y, z, t) durch Konvergieren von ΔR = A ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix vom Typ (n + 1, 1), in dem die Gewichtung α auf die n + 1te Zeile angewendet wird, ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn, α·Δrn + 1) ist, eine Positionsfehlermatrix vom Typ (4, 1) ist ΔX = (Δx, ∆y, Δz, Δt), und eine partielle Differenzialausdruck-Matrix vom Typ (n + 1, 4), in dem die Gewichtung α auf die n + 1te Zeile angewendet wird, ist A.
Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z,) als die Positionierungslösung durch Berechnen der Konvergenz von ΔR = A·ΔX innerhalb der vorgegebenen Größe, beispielsweise eines sehr kleinen Wertes, der beispielsweise nahe an 0 liegt, relativ leicht und schnell unter Verwendung eines Computers oder dergleichen in dem ersten und dem zweiten Berechnungsprozess durch eine Matrix-Operation zu berechnen.
In einem weiteren Aspekt des GPS-Verfahrens erkennt der Erkennungsprozess das Erzeugen eines Multipath in Abhängigkeit davon, ob die von dem Messprozess gemessene Pseudoentfernung ri instabil ist oder nicht.
Gemäß diesem Aspekt wird das Erzeugen eines Multipath von dem Erkennungsprozess in Abhängigkeit davon erkannt, ob die von dem Messprozess gemessene Pseudoentfernung ri instabil ist oder nicht. Mit anderen Worten, ist die Pseudoentfernung ri gemäß einem vorgegebenen Standard nicht instabil, betrachtet der Erkennungsprozess den Multipath als denjenigen ohne das Erzeugen, ist die Pseudoentfernung ri dagegen ge mäß dem vorgegebenen Standard instabil, betrachtet der Erkennungsprozess den Multipath als denjenigen mit dem Erzeugen.
In diesem Aspekt kann der Erkennungsprozess so entworfen sein, dass er das Erzeugen eines Multipath auf Basis der von dem Messprozess gemessenen Varianz der Pseudoentfernung ri erkennt.
Durch dieses Verfahren kann das Erzeugen eines Multipath mit relativ hoher Genauigkeit und Leichtigkeit auf Basis der Tatsache festgestellt werden, dass die Varianz oder Dispersion von Messwerten oft zwischen den eingefangenen GPS-Satelliten variiert, wenn ein Multipath erzeugt wird.
Daneben können der erste und der zweite Berechnungsprozess beispielsweise durch das Lösen von n (oder n – 1 oder weniger) nichtlinearen Simultangleichungen über die empfangenen Funkwellen gelöst werden, die nach dem Ausschließen einer oder mehrerer Funktionen fi (x, y, z, t), die der oder den empfangenen Funkwellen entsprechen, in der oder in denen das Erzeugen von Multipath erkannt wurde, und zwar aus der Operation, die das Objekt des ersten und des zweiten Berechnungsprozesses ist. Im Allgemeinen kann die Positionierungslösung nicht erhalten werden, wenn die Operation, die das Objekt des ersten und des zweiten Berechnungsprozesses ist, weniger als vier Funktionen besitzt, einschließlich (i) der Funktion, die den Uhrfehler schätzt, und (ii) der Funktion, die die Pseudoentfernung anzeigt und die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als der GPS-Satellit betrachtet wird, so dass wenigstens vier Funktionen als die Operationen angenommen werden, die das Objekt des ersten und des zweiten Berechnungsprozesses sind.
Die oben genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch eine GPS-Vorrichtung gelöst werden, die Folgendes umfasst: eine Messeinrichtung zum Messen jeder Pseudoentfernung ri (i = 1, 2, ..., n) von einer jeweiligen einen von empfangenen Funkwellen von n GPS-Satelliten (n ist ein natürliche Zahl gleich 3 oder größer als 3), die von einem GPS-Empfänger, der auf einem beweglichen Körper befestigt ist, eingefangen wird; eine Erkennungseinrichtung zum Erkennen einer Erzeugung eines Multipath in der entsprechenden einen der empfangenen Funkwellen; eine erste Recheneinrichtung für das näherungsweise Berechnen eines Uhrfehlers t und der Koordinaten (x, y, z) des GPS-Empfängers als eine Lösung von n Simultangleichungen, indem eine Konvergenzberechnung durchgeführt wird, die sich auf n Funktionen fi (x, y, z, t) bezieht, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfassen und jede der n Funktionen fi (x, y, z, t) stellt die Pseudoentfernung ri dar; eine zweite Recheneinrichtung für das näherungsweise Berechnen des Uhrfehlers t und der Koordinaten (x, y, z) als eine Lösung von n + 1 Simultangleichungen, indem eine Konvergenzberechnung durchgeführt wird, die sich auf insgesamt n + 1 Funktionen bezieht, die durch Addieren eines α fn + 1 (x, y, z, t) zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten wird, wobei das eine α fn + 1 (x, y, z, t) durch Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl gleich 1 oder größer als 1) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten wird, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfasst, die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) stellt eine Pseudoentfernung rn + 1 dar, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird; eine Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben der Koordinaten (x, y, z), die in der ersten oder zweiten Recheneinrichtung als aktuelle Positionsdaten berechnet wurden, die eine aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen; und eine Auswähleinrichtung für das Auswählen der zweiten Recheneinrichtung, wenn das Erzeugen eines Multipath von der Erkennungseinrichtung erkannt wurde.
Gemäß der GPS-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung misst die Messeinrichtung jede Pseudoentfernung ri aus der jeweiligen einen der empfangenen Funkwellen von n GPS-Satelliten, die von dem GPS-Empfänger eingefangen wurden. Wird an dieser Stelle das Erzeugen eines Multipath von der Erkennungseinrichtung nicht erkannt, führt die erste Recheneinrichtung die Konvergenzberechnung durch, beispielsweise gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die n Funktionen fi (x, y, z, t), von denen jede die Pseudoentfernung ri darstellt. Danach berechnet sie hier näherungsweise den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) als eine Positionierungslösung der n nichtlinearen Simultangleichungen. Als ein Ergebnis hiervon werden die Koordinaten (x, y, z) berechnet, die die aktuelle Position des beweglichen Körpers mit einer großen Genauigkeit anzeigen, sofern kein Multipath erzeugt wurde.
Erkennt jedoch die Erkennungseinrichtung, dass ein Multipath erzeugt wurde, wählt die Auswähleinrichtung den zweiten Rechenprozess aus. Dann führt die zweite Recheneinrichtung die Konvergenzberechnung durch, beispielsweise gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die gesamten n + 1 Funktionen, die durch Addieren des einen α fn + 1 (x, y, z, t) zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten werden, von denen jede die Pseudoentfernung ri darstellt. Das eine α fn + 1 (x, y, z, t) wird durch das Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl, die gleich 1 oder größer als 1 ist) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfasst, diese Funktion stellt eine Pseudoentfernung rn + 1 dar, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird. Wurde ein Multipath erzeugt, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der entsprechend der Bedingung, dass die Erde als der GPS-Satellit betrachtet wird, angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Wurde fälschlicherweise die Erzeugung eines Multipath erkannt, obwohl in der Erkennungseinrichtung kein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der entsprechend der Bedingung, dass die Erde als der GPS-Satellit betrachtet wird, wird angenommen, dass sie stabilisiert ist. Dann gibt die Ausgabeeinrichtung die Koordinaten, die die verminderte Dispersion oder Abweichung haben, die aus einem Fehler entstanden ist, der von dem Erzeugen eines Multipath oder der fälschlichen Erkennung davon erzeugt wurde, als die aktuellen Positionsdaten aus, die die aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z) als die stabile Positionierungslösung zu berechnen, sowohl dann, wenn tatsächlich Multipath erzeugt wurde als auch dann, wenn das Erzeugen eines Multipath fälschlicherweise erkannt wurde, ohne dass bekannt wäre, welcher der beiden Fälle eingetreten ist.
In einem Aspekt der GPS-Vorrichtung sind die n Funktionen fi (x, y, z, t) wie folgt:
ri' + (∂ri/∂x)Δx + (∂ri/∂y)Δy + (∂ri/∂z)Δz + (∂ri/∂t)Δt, wobei ri' ein Näherungswert von ri ist, die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) ist wie folgt:
rn + 1' + (∂rn + 1/∂x)Δx + (∂rn + 1/∂y)Δy + (∂rn + 1/∂z)Δz + (∂rn + 1/∂t)Δt, wobei rn + 1' ein Näherungswert von ri + 1 ist, und die Konvergenzberechnung ist eine Berechnung zum Konvergieren eines Pseudobereichsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n) innerhalb einer vorgegebenen Größe in den n Simultangleichungen in der ersten Recheneinrichtung und eine Berechnung zum Konvergieren eines Pseudobereichsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n, n + 1) innerhalb einer vorgegebene Größe in den n + 1 Simultangleichungen in der zweiten Recheneinrichtung.
Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung zu berechnen, indem die Konvergenzberechnung des Pseudoentfernungsfehlers Δri = |ri – ri'| innerhalb der vorgegebenen Größe durchgeführt wird, beispielsweise eines sehr kleinen Wertes, der beispielsweise nahe an 0 liegt, und die relativ leicht und schnell unter Verwendung eines Computers oder dergleichen in der ersten und der zweiten Recheneinrichtung berechnet werden kann.
In einem weiteren Aspekt der GPS-Vorrichtung verwendet die zweite Recheneinrichtung eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) die den Uhrfehler t anstelle der einen Funktion schätzt.
Sofern die Erkennungseinrichtung das Erzeugen eines Multipath erkennt, führt die zweite Recheneinrichtung gemäß diesem Aspekt die Konvergenzberechnung durch, beispielsweise gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die gesamten n + 1 Funktionen, die durch Addieren der einen Funktion fn + 1 (x, y, z, t), die den Uhrfehler t schätzt, zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten wurden, von denen jede die Pseudoentfernung ri darstellt, nachdem die Gewichtung α, die gleich 1 oder größer als 1 ist, auf die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) angewendet wurde. Sofern ein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der entsprechend der Schätzung des Uhrfehlers t angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Sofern fälschlicherweise die Erzeugung eines Multipath erkannt wurde, obwohl in der Erkennungseinrichtung kein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, und die Gewichtung α wird auf die Ausdrücke angewendet, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, von der entsprechend der Schätzung des Uhrfehlers t angenommen wird, dass sie stabilisiert ist. Dann gibt die Ausgabeeinrichtung die Koordinaten, die die verminderte Dispersion oder Abweichung haben, die aus einem Fehler entstanden ist, der von dem Erzeugen eines Multipath oder der fälschlichen Erkennung davon erzeugt wurde, als die aktuellen Positionsdaten aus, die die aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen.
In einem weiteren Aspekt des GPS-Verfahrens berechnet die erste Recheneinrichtung eine Positionierungslösung (x, y, z, t) durch Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix vom Typ (n, 1) ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn) ist, eine Positionsfehlermatrix vom Typ (4, 1) ist ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt), eine partielle Differenzialausdruck-Matrix vom Typ (n, 4) ist A, und der zweite Berechnungsprozess berechnet eine Lösung durch Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix vom Typ (n + 1, 1), in der auf die n + 1te Zeile die Gewichtung αΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn, α·Δrn + 1) angewendet wird, eine Positionsfehlermatrix vom Typ (4, 1) ist ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt), eine partielle Differenzialausdruck-Matrix vom Typ (n + 1, 4), in dem die Gewichtung α auf die n + 1te Zeile angewendet wird, ist A.
Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung zu berechnen, indem die Konvergenzberechnung ΔR = A·ΔX innerhalb der vorgegebenen Größe durchgeführt wird, beispielsweise eines sehr kleinen Wertes, der beispielsweise nahe an 0 liegt, und die relativ leicht und schnell unter Verwendung eines Computers oder dergleichen in der ersten und der zweiten Recheneinrichtung berechnet werden kann.
In einem weiteren Aspekt des GPS-Verfahrens erkennt die Erkennungseinrichtung das Erzeugen eines Multipath in Abhängigkeit davon, ob die von der Messeinrichtung gemessene Pseudoentfernung ri instabil ist oder nicht.
Gemäß diesem Aspekt wird das Erzeugen eines Multipath durch die Erkennungseinrichtung in Abhängigkeit davon erkannt, ob die von der Messeinrichtung gemessene Pseudoentfernung ri instabil ist oder nicht. Mit anderen Worten, ist die Pseudoentfernung ri gemäß einem vorgegebenen Standard nicht instabil, betrachtet die Erkennungseinrichtung den Multipath als denjenigen ohne das Erzeugen, ist die Pseudoentfernung ri dagegen gemäß dem vorgegebenen Standard instabil, betrachtet die Erkennungseinrichtung den Multipath als denjenigen mit dem Erzeugen.
In diesem Aspekt erkennt die Erkennungseinrichtung das Erzeugen eines Multipath auf Basis der von der Messeinrichtung gemessenen Varianz der Pseudoentfernung ri.
Durch dieses Verfahren kann das Erzeugen eines Multipath mit relativ hoher Genauigkeit und Leichtigkeit auf Basis der Tatsache festgestellt werden, dass die Varianz oder Dispersion von Messwerten oft zwischen den eingefangenen GPS-Satelliten variiert, wenn ein Multipath erzeugt wird.
Die oben genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch ein Navigationssystem gelöst werden, das umfasst: die oben genannte GPS-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung (einschließlich ihrer verschiedenen Aspekte); den GPS-Empfänger; und eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der aktuellen Positionsdaten, die von der Ausgabeeinrichtung in einem vorgegebenen Format ausgegeben wurden, auf Kartendaten.
Gemäß dem Navigationssystem der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die aktuellen Positionsdaten auf Kartendaten auf Basis stabiler Positionierungsergebnisse anzuzeigen, selbst dann, wenn tatsächlich kein Multipath erzeugt wurde, und auch dann, wenn das Erzeugen eines Multipath korrekt erkannt wurde, und auch dann, wenn das Erzeugen eines Multipath fälschlicherweise erkannt wurde, da das Navigationssystem mit der oben genannten GPS-Vorrichtung bereitgestellt wird.
Die oben genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus durch ein Computerprogramm gelöst werden, das in einer Programmspeicherungsvorrichtung gespeichert ist, die von einem Computer gelesen werden kann, oder die als ein Computerdatensignal durch eine Trägerwelle übertragen werden kann. Das aus Befehlen bestehende Computerprogramm bewirkt, dass der Computer Verfahrensprozesse ausführt, die jeden beliebigen der Prozesse umfasst, die in dem oben genannten GPS-Verfahren der vorliegenden Erfindung (einschließlich ihrer verschiedenen Aspekte) beschrieben werden. Da der Computer das erste Computerprogramm einliest und ausführt, ist es gemäß dem Computerprogramm der vorliegenden Erfindung möglich, das oben beschriebene GPS-Verfahren der vorliegenden Erfindung auf dem Computer durchzuführen.
Die Art, Nützlichkeit und weitere Eigenschaften dieser Erfindung werden aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen klar ersichtlich, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
1 ist ein Blockdiagramm eines in einem Fahrzeug befindlichen Navigationssystems als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein schematisches Diagramm einer GPS-Messung in der Ausführungsform;
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Multipath in der Ausführungsform zeigt;
4 ist ein weiteres schematisches Diagramm, das einen Multipath in der Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Ablaufplan, der ein GPS-Verfahren in der ersten Ausführungsform zeigt; und
6 ist ein Ablaufplan, der ein GPS-Verfahren in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
(I) Erste Ausführungsform
Zunächst wird ein in einem Fahrzeug befindliches Navigationssystem in der ersten Ausführungsform mit Bezug auf die 1 bis 5 erläutert.
Wie in 1 gezeigt, wird das in einem Fahrzeug befindliche Navigationssystem in der ersten Ausführungsform mit einer eigenständigen Positionierungsvorrichtung 10, einem GPS-Empfänger 18, einer Systemsteuereinheit 20, einem CD-ROM-Laufwerk 31, einem DVD-ROM-Laufwerk 32, einer Anzeigeeinheit 40, einer Audioausgabeeinheit 50 und einer Eingabevorrichtung 60 bereitgestellt.
Die eigenständige Positionierungsvorrichtung 10 ist so hergestellt, dass sie einen Beschleunigungssensor 11, einen Winkelgeschwindigkeitssensor 12 und einen Geschwin digkeitssensor 13 umfasst. Der Beschleunigungssensor 11, der beispielsweise ein piezoelektrisches Element besitzt, erkennt eine Beschleunigung eines Fahrzeuges und gibt Beschleunigungsdaten aus. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 12, der beispielsweise einen Vibrationskreisel besitzt, erkennt eine Winkelgeschwindigkeit eines Fahrzeugs, wenn eine Richtung des Fahrzeugs geändert wird, und gibt Winkelgeschwindigkeitsdaten und relative Azimutdaten aus.
Der Geschwindigkeitssensor 13 erkennt die Rotation einer Fahrzeugachse mechanisch, magnetisch oder optisch und wird aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor hergestellt, der bei jeder Rotation um einen vorgegebenen Winkel der Fahrzeugachse einen Fahrzeuggeschwindigkeitsimpuls als ein Impulssignal erzeugt.
Der GPS-Empfänger 18 ist ein Teil zum Empfangen einer Funkwelle 19, die die Daten der Abwärtsverbindung einschließlich der Positionierungsdaten von einer Vielzahl von GPS-Satelliten überträgt, die Daten werden zum Erkennen der absoluten Position eines Fahrzeuges über Informationen über Breitengrad, Längengrad oder dergleichen genutzt.
Die Systemsteuereinheit 20 umfasst eine Schnittstelle 21, eine CPU (Prozessor, Central Processing Unit) 22, einen ROM (Nur-Lese-Speicher, Read Only Memory) 23 und einen RAM (dynamischer Schreib-/Lese-Speicher, Random Access Memory) 24 und ist so hergestellt, dass sie die gesamte Navigationsvorrichtung steuert.
Die Schnittstelle 21 arbeitet mit dem Beschleunigungssensor 11, dem Winkelgeschwindigkeitssensor 12, dem Geschwindigkeitssensor 13 und dem GPS-Empfänger 18 im Schnittstellenbetrieb zusammen. Die Schnittstelle gibt die Daten der jeweiligen Systeme, das heißt, die Beschleunigungsdaten, die relativen Azimutdaten, die Winkelgeschwindigkeitsdaten, die GPS-Messdaten, die absoluten Azimutdaten und dergleichen zusätzlich zu dem Fahrzeuggeschwindigkeitsimpuls in die Systemsteuereinheit 20 ein. Die CPU 22 steuert die gesamte Systemsteuereinheit 20. Der ROM 23 besitzt einen nicht dargestellten, nichtflüchtigen Speicher, in dem ein Steuerungsprogramm und dergleichen zum Steuern der Systemsteuereinheit 20 gespeichert ist. Der RAM 24 speichert verschiedene Datenarten wie beispielsweise Routendaten, die im Voraus durch einen Benutzer über die Eingabevorrichtung 60 eingestellt werden, und stellt der CPU 22 einen Arbeitsbereich bereit.
Die Systemsteuereinheit 20, das CD-ROM-Laufwerk 31, das DVD-ROM-Laufwerk 32, die Anzeigeeinheit 40, die Audioausgabeeinheit 50 und die Eingabevorrichtung 60 sind über eine Sammelleitung 30 miteinander verbunden.
Das CD-ROM-Laufwerk 31 und das DVD-ROM-Laufwerk 32 lesen unter der Steuerung der Systemsteuereinheit 20 ein Steuerprogramm, das jeder der unten beschriebenen Ausführungsformen entspricht, und verschiedene Datenarten, wie beispielsweise Straßendaten und dergleichen, einschließlich der Anzahl von Fahrspuren, der Fahrbahnbreite und dergleichen, von einer CD 33 beziehungsweise einer DVD 34 und geben diese aus. Es ist ebenfalls möglich, entweder das CD-ROM-Laufwerk 31 oder das DVD-ROM-Laufwerk 32 oder beide einzubauen, und es ist darüber hinaus möglich, ein CD- und DVD-kompatibles Laufwerk einzubauen.
Die Anzeigeeinheit 40 wird von der Systemsteuereinheit 20 gesteuert und zeigt verschiedene Arten von Anzeigedaten an. Die Anzeigeeinheit 40 wird bereitgestellt mit: einem Grafikcontroller 41, der die gesamte Anzeigeeinheit 40 auf der Basis von Steuerdaten steuert, die von der CPU 22 über die Sammelleitung 30 in einen Pufferspeicher 42 geleitet werden, der aus einem Speicher, beispielsweise einem VRAM (Video-RAM) oder dergleichen besteht und vorübergehend unmittelbar anzeigbare Bildinformationen speichert; einer Anzeigesteuereinrichtung 43, die eine Anzeigevorrichtung 44, beispielsweise eine Flüssigkristallvorrichtung, eine Bildröhre (Cathode Ray Tube) oder dergleichen auf der Basis von Bilddaten steuert, die von dem Grafikcontroller 41 ausgegeben werden; und der Anzeigevorrichtung 44. Die Anzeigevorrichtung 44 besteht aus einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung oder dergleichen, sie besitzt eine Bildschirmdiagonale von beispielsweise 5 bis 10 Zoll Länge und ist im Inneren des Fahrzeugs im Bereich einer vorderen Abdeckung angebracht.
Die Audioausgabeeinheit 50 wird bereitgestellt mit: einem D/A-(Digital zu Analog)Wandler 51, der die digitalen Tondaten, die über die Sammelleitung 30 von dem CD-ROM-Laufwerk 31, dem DVD-ROM 32 oder dem RAM 24 oder dergleichen übertragen werden, in analoge Tondaten umwandelt; einen Verstärker (VERST.) 52, der ein analoges Tonsignal, das von dem D/A-Wandler 51 ausgegeben wird, verstärkt, und einen Lautsprecher 53, der das verstärkte, analoge Tonsignal in Ton umwandelt und in das Fahrzeug ausgibt.
Die Eingabevorrichtung 60 wird mit einer Taste, einem Schalter, einem Knopf, einer Fernsteuerung und so weiter bereitgestellt, damit verschiedene Arten von Befehlen und Daten eingegeben werden können. Die Eingabevorrichtung 60 ist im Bereich der Anzeigevorrichtung 44 oder im Bereich der vorderen Abdeckung eines Hauptgehäuses eines in einem Fahrzeug befindlichen Navigationssystems, das mit dem Fahrzeug verbunden ist, befestigt.
Als Nächstes werden die Positionsbeziehungen zwischen den GPS-Satelliten und einem Fahrzeug erläutert, an dem das wie oben hergestellte Navigationssystem zur Verwendung mit dem Fahrzeug befestigt ist, es wird das Prinzip der GPS-Messung mit Bezug auf 2 und 1 erläutert.
Wie in 2 gezeigt, befinden sich derzeit etwa zwanzig GPS-Satelliten 200i im Orbit der Erde 300, und ein GPS-Empfänger 18 kann, solange er sich nicht in Tunnels oder im Inneren von Gebäuden befindet oder von diesen verdeckt wird, zur gleichen Zeit die Funkwellen 19 empfangen, die die Daten der Abwärtsverbindung enthalten, die im Allgemeinen von vier oder mehr GPS-Satelliten 200i gesendet werden.
Die Funkwellen 19, die die Daten der Abwärtsverbindung enthalten, die von den jeweiligen GPS-Satelliten 200i gesendet werden, werden von Überwachungsstationen 210 auf der Erde 300 empfangen und gesammelt an eine Haupt-Steuerstation 220 weitergeleitet. Danach wird die Position jedes GPS-Satelliten 200i durch das Lösen der Kepler-Gleichung mit der Systemzeit, die in den Daten der Abwärtsverbindung enthalten ist, errechnet. Dann wird die erhaltene Bahnkonstante (Position) jedes GPS-Satelliten 200i von einer Übertragungsstation 212 als ein Teil einer Funkwelle 29, die die Daten der Aufwärtsverbindung sowie verschiedene Informationen, beispielsweise einen Kalender (Almanach), einen Korrekturkoeffizienten einer Uhr und dergleichen zu dem entsprechenden GPS-Satelliten 200i überträgt, an jeden GPS-Satelliten 200i übertragen. Jeder GPS-Satellit 200i, der diese Daten empfängt, überträgt auf der Funkwelle 19 seine Positionsinformationen sowie verschiedene Informationen, beispielsweise einen Kalender (Almanach), einen Code für die Entfernungsmessung und dergleichen mit den Daten der Abwärtsverbindung.
Der an oder in einem Fahrzeug 118 befestigte GPS-Empfänger 18 ist so hergestellt, dass er die Funkwellen 19 empfängt, die die Daten der Abwärtsverbindung einschließlich der jeweiligen Positionsinformationen von einer Vielzahl von GPS-Satelliten 2001 übertragen, und den Zeitraum misst, den die Funkwelle 19 von jedem GPS-Satelliten 2001 bis zu dem GPS-Empfänger 18 benötigt.
In 1 und 2, insbesondere in der ersten Ausführungsform, werden die folgenden Beispiele durch die Systemsteuereinheit 20 konstruiert, die ein Computerprogramm ausführt, das auf der CD 33, der DVD 34, in dem ROM 23 oder dergleichen gespeichert ist: ein Beispiel der Messeinrichtung zum Messen einer Pseudoentfernung ri aus den entsprechenden Daten der Abwärtsverbindung, die durch die Funkwellen 19 übertragen werden, die von n GPS-Satelliten 200i (i = 1, 2, ..., n) gesendet und von dem GPS-Empfänger 18 eingefangen werden, der an dem Fahrzeug 118 befestigt ist; ein Beispiel der Erkennungseinrichtung zum Erkennen des Erzeugens eines Multipath der Funkwelle 19; ein Beispiel der ersten Recheneinrichtung und ein Beispiel der zweiten Recheneinrichtung zum Berechnen der Koordinaten des Fahrzeuges 118 selektiv und abhängig von dem Ergebnis des Erkennens; und ein Beispiel der Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben der Koordinaten des Fahrzeuges 118, die von der ersten oder der zweiten Recheneinrichtung als die aktuellen Positionsdaten berechnet werden, die die aktuelle Position des Fahrzeuges 118 zeigen. In diesem Fall ist die erste Recheneinrichtung dafür vorgesehen, einen Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) der aktuellen Position des Fahrzeuges 118 näherungsweise als eine Lösung von n Simultangleichungen zu berechnen, indem eine Konvergenzberechnung gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf n Funktionen fi (x, y, z, t) durchgeführt wird, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) des Fahrzeuges 118 enthält, von denen jede die Pseudoentfernung ri darstellt, wenn das Erzeugen eines Multipath nicht erkannt wird. Die zweite Recheneinrichtung ist dafür vorgesehen, den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) der aktuellen Position des Fahrzeuges 118 näherungsweise als eine Lösung von n + 1 Simultangleichungen zu berechnen, indem eine Konvergenzberechnung gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf gesamte n + 1 Funktionen durchgeführt wird, wenn das Erzeugen eines Multipath erkannt wurde. Diese n + 1 Funktionen werden durch Addieren von einem α fn + 1 (x, y, z, t) zu n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten. Dieses eine α fn + 1 (x, y, z, t) wird durch das Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl, die gleich 1 oder größer als 1 ist) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) umfasst, diese Funktion stellt eine Pseudoentfernung rn + 1 dar, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit 200n+1 betrachtet wird.
Obwohl die Positionierungslösung in dieser Ausführungsform über die Konvergenzberechnung gemäß dem Newton-Verfahren berechnet wird, ist dieses Verfahren nur ein Beispiel zum Berechnen einer Näherungslösung, und es können zum Berechnen der Positionierungslösung der n Simultangleichungen auch die anderen Verfahren genutzt werden.
Als Nächstes wird mit Bezug auf die 3 und 4 ein Multipath erläutert, der die Basis für die Auswahl bildet, ob für die Berechnung der aktuellen Positionskoordinaten des Fahrzeuges 118 in dieser Ausführungsform die erste Recheneinrichtung oder die zweite Recheneinrichtung genutzt wird.
Wie in 3 gezeigt, kann die Funkwelle 19 von dem GPS-Satelliten 200i eine reflektierte Welle 19b haben, die über einen anderen Pfad zu dem GPS-Empfänger 18 gelangt, nachdem sie einmal oder mehrmals an der Oberfläche eines Gebäudes 300a reflektiert wurde, zusätzlich zu einer direkten Welle 19a, die an dem Gebäude 300a, das beispielsweise ein Wolkenkratzer, ein Hochhaus oder dergleichen sein kann, vorbei direkt zu dem GPS-Empfänger 18 gelangt. Wenn wie oben beschrieben, die direkte Welle 19a und die reflektierte Welle 19b gleichzeitig über eine Vielzahl von Funkwellenpfaden von dem identischen GPS-Satelliten 200i empfangen werden, das heißt, wenn ein Multipath erzeugt wird, tritt in dem Zeitraum, den die direkte Welle 19a und die reflektierte Welle 19b benötigen, um zu dem GPS-Empfänger 18 zu gelangen, ein Fehler auf und folglich auch in der Pseudoentfernung ri, die basierend auf diesem Zeitfehler berechnet wird. Wenn beispielsweise ein Multipath erzeugt wird, werden die Pseudoentfernung, die auf der direkten Funkwelle basiert, und die Pseudoentfernung, die auf der reflektierten Funkwelle basiert, unregelmäßig und abwechselnd gemessen, so dass die Ankunftszeit und die Pseudoentfernung ri in einem kurzen Zyklus geändert werden oder flackern, wodurch sich die Genauigkeit der GPS-Messung erheblich verschlechtert.
Theoretisch muss lediglich die reflektierte Welle 19b erkannt und eliminiert werden. Der GPS-Empfänger 18 empfängt jedoch eine aus der direkten Welle und der reflektierten Welle zusammengesetzte Welle 19c, wie in 4 gezeigt, so dass es in der Praxis schwierig ist, festzustellen, welche Welle empfangen wird. Wenn also ein Multipath erzeugt wird, ist das Erkennen des Multipath relativ schwierig, zusätzlich zu der Schwierigkeit des Erkennens und Eliminierens nur der reflektierten Welle 19b.
Ist beispielsweise in dieser Ausführungsform die Pseudoentfernung ri auf Basis der Dispersion oder Abweichung der zu messenden Pseudoentfernung ri nicht instabil, so wird davon ausgegangen, dass kein Multipath erzeugt wurde. Ist die Pseudoentfernung ri instabil, wird davon ausgegangen, dass ein Multipath erzeugt wurde. Durch dieses Verfahren kann das Erzeugen eines Multipath mit relativ hoher Genauigkeit und Leichtigkeit auf Basis der Tatsache festgestellt werden, dass die Varianz oder Dispersion von Messwerten oft zwischen den eingefangenen GPS-Satelliten variiert, wenn ein Multipath erzeugt wird. Wie jedoch 4 beweist, gibt es nach wie vor eine Möglichkeit der falschen Erkennung des Erzeugens von Multipath.
In Anbetracht der oben genannten Erkennungskennwerte von Multipath wird das GPS-Verfahren so durchgeführt, dass es das stabile GPS-Messergebnis selbst dann erhält, wenn ein Multipath fälschlicherweise erkannt wurde, wenn er ordnungsgemäß erkannt wurde oder wenn er nicht erkannt wurde, wie in dieser Ausführungsform nachstehend beschrieben.
Das GPS-Verfahren der ersten und der zweiten Ausführungsform, die im Folgenden beschrieben werden, ist dafür vorgesehen, hauptsächlich in der CPU 22 ausgeführt zu werden, wie in 1 gezeigt, und es wird als ein Teil eines Haupt-Navigationsprogramms ausgeführt, das das gesamte, in einem Fahrzeug befindliche Navigationssystem steuert, um eine Navigationsoperation durchzuführen. Daher werden beim Ausführen des Hauptprogramms des Navigationssystems Operationen, die in jedem Ablaufdiagramm der Ausführungsformen dargestellt werden, immer ausgeführt. Darüber hinaus kann das Computerprogramm in dieser Art im ROM 23, auf der CD-ROM 33 oder der DVD-ROM 34 gespeichert werden und in den RAM 24 oder dergleichen durch eine Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise ein Modem, ein Mobiltelefon oder dergleichen, heruntergeladen werden. Anstelle davon oder zusätzlich dazu können auch Kartendaten und dergleichen, die für die Navigation erforderlich sind, her untergeladen werden.
Als Nächstes wird das in einem Fahrzeug befindliche Navigationssystem in der ersten Ausführungsform, wie oben konstruiert, mit Bezug auf ein Ablaufdiagramm in 5 erläutert.
In 5 wird die Pseudoentfernung ri gemessen, wenn der GPS-Empfänger 18 die Funkwelle 19 von dem GPS-Satelliten 200i empfängt (Schritt S10). Bei dieser Messung wird im Wesentlichen der Zeitraum gemessen, der für die Ankunft benötigt wird, und dieser mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert. Auf der Grundlage davon, ob die von dem GPS-Satelliten 200i gemessene Pseudoentfernung ri, die empfangen wird, instabil ist oder nicht, also auf Basis der Varianz der Pseudoentfernung ri oder dergleichen, wird danach abgeschätzt, ob aktuell ein Multipath erzeugt wird oder nicht (Schritt S11).
Als Ergebnis dieser Einschätzung, und wenn die Pseudoentfernung ri nicht instabil ist (Schritt S11: NEIN), wird davon ausgegangen, dass kein Multipath erzeugt wird, und der Positionierungsprozess wird ohne Änderungen fortgesetzt (Schritt S13). Hier wird als erster Berechnungsprozess die Konvergenzberechnung gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf n Funktionen fi (x, y, z, t) durchgeführt, von denen jede die Pseudoentfernung ri angibt (Schritt S13). Mit anderen Worten, der Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) werden näherungsweise als eine Positionierungslösung der n Simultangleichungen berechnet. Unter der Bedingung, dass kein Multipath erzeugt wurde, können folglich die Koordinaten (x, y, z), die die aktuelle Position eines beweglichen Körpers anzeigen, mit einer großen Genauigkeit berechnet werden.
Genauer gesagt, wenn ein Näherungswert von ri gleich ri' ist, sind die n Funktionen fi (x, y, z, t) wie folgt: ri' + (∂ri/∂x)Δx + (∂ri/∂y)Δy + (∂ri/∂z)Δz + (∂ri/∂t)Δt
In diesem Fall ist die Konvergenzberechnung eine Berechnung zum
Konvergieren eines Pseudobereichsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n) innerhalb ei ner vorgegebenen Größe ε, der in den n Simultangleichungen nahe an 0 liegt (ε ist ein Wert, der im Voraus durch Erfahrung, Experiment oder durch Simulation oder dergleichen abhängig von der erforderlichen Positionierungsgenauigkeit eingestellt wurde).
Noch genauer gesagt, ist eine Fehlerentfernungsmatrix vom Typ (n, 1) ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn) und ist eine Positionsfehlermatrix vom Typ (4, 1) ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt) und ist eine partielle Differenzialausdruck-Matrix vom Typ (n, 4) A, berechnet der zweite Berechnungsprozess eine Lösung (x, y, z, t) durch Konvergieren von ΔR = A·ΔX = (,wie in Formel (1) unten gezeigt, innerhalb der vorgegebenen Größe ε,
Ist jedoch die Pseudoentfernung ri als ein Ergebnis der Einschätzung in Schritt S11 instabil (Schritt S11: JA), so wird davon ausgegangen, dass ein Multipath erzeugt wurde, und das Positionierungsverfahren wird unter Nutzung der Gewichtung α von dem oben genannten 3D-Positionierungsverfahren in das 2D-Positionierungsverfahren umgewandelt (Schritt S14). Hier führt der zweite Berechnungsprozess in dem 2D-Positionierungsverfahren, das die Gewichtung α nutzt, die Konvergenzberechnung gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die gesamten n + 1 Funktionen durch, die durch Addieren von einem α fn + 1 (x, y, z, t) zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten wird, die alle die Pseudoentfernung ri darstellen, wobei ein fn + 1 (x, y, z, t) durch Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl, die gleich 1 oder größer als 1 ist) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten wird, die Variablen wie den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) des Fahrzeuges 118 enthält, die letztgenannte Funktion stellt die Pseudoentfernung rn + 1 dar, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird. Danach berechnet er hier näherungsweise den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) als eine Positionierungslösung der n + 1 nichtlinearen Simultangleichungen. Daneben kann der Wert der Gewichtung α, die in Schritt S14 genutzt wird, auch angemessen auf einen Wert gleich 1 oder größer als 1 eingestellt werden, wobei ein Wert größer als 1 die Positionierungslösung effizienter stabilisiert, wie nachstehend beschrieben wird.
Genauer gesagt, wenn ein Näherungswert von ri gleich ri' ist, sind die n Funktionen fi (x, y, z, t) wie folgt: ri' + (∂ri/∂x)Δx + (∂ri/∂y)Δy + (∂ri/∂z)Δz + (∂ri/∂t)Δt
Ist dagegen rn + 1' ein Näherungswert von rn + 1, ist die eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) wie folgt: rn + 1' + (∂rn + 1/∂x)Δx + (∂rn + 1/∂y)∆y + (∂rn + 1/∂z)Δz + (∂rn + 1/∂t)Δt
In diesem Fall ist die Konvergenzberechnung eine Berechnung zum Konvergieren des Pseudoentfernungsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n, n + 1) innerhalb der vorgegebenen Größe ε in den n + 1 Simultangleichungen.
Genauer gesagt, ist eine Fehlerentfernungsmatrix vom Typ (n + 1, 1), in der auf die n + 1te Zeile die Gewichtung α angewendet wird, ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn, α·Δrn + 1), eine Positionsfehlermatrix vom Typ (4, 1) ist ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt), eine partielle Differenzialausdruck-Matrix vom Typ (n + 1, 4), in dem die Gewichtung α auf die n + 1te Zeile angewendet wird, ist A, der zweite Rechenprozess berechnet die Lösung (x, y, z, t) durch Konvergieren von ΔR = A·Δx, wie in Formel (2) unten gezeigt, innerhalb der vorgegebenen Größe ε.
Insbesondere in diesem Fall wird die Gewichtung α mit Bezug auf die Ausdrücke durchgeführt, die in der unteren Zeile stehen und beim Betrachten des Mittelpunktes der Erde 300 als ein GPS-Satellit 200n+1 addiert werden, das heißt, mit Bezug auf Δ rn + 1 in der linken und Ax, n + 1, Ay, n + 1, Az, n + 1, At, n + 1 in der rechten partiellen Differenzialausdruck-Matrix (oder einer Richtungs-Cosinus-Matrix) A.
Wurde folglich entsprechend der ersten Ausführungsform ein Multipath erzeugt, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, da die Gewichtung α auf die Ausdrücke angewendet wird, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, die entsprechend der Bedingung, dass in Schritt S14 die Erde als der GPS-Satellit betrachtet wird, stabilisiert werden soll. Wurde fälschlicherweise die Erzeugung eines Multipath erkannt, obwohl kein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, da die Gewichtung α auf die Ausdrücke angewendet wird, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, die entsprechend der Bedingung, dass in Schritt S14 die Erde als der GPS-Satellit betrachtet wird, stabilisiert werden soll. Wird jedoch kein Multipath erzeugt, sind die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung in Schritt S13 stabil, ohne dass zu dem 2D-Positionierungsverfahren gewechselt oder eine spezielle Gewichtung genutzt werden müsste. Dann werden die aktuellen Positionskoordinaten des Fahrzeuges 118, die die verminderte Dispersion oder Abweichung haben, die aus einem Fehler entstanden ist, der von dem Erzeugen eines Multipath oder der fälschlichen Erkennung davon erzeugt wurde, als die aktuellen Positionsdaten auf einer Anzeigekarte auf der Anzeigevorrichtung 44 dargestellt (siehe 1).
(II) Zweite Ausführungsform
Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 6 erläutert. 6 ist ein Ablaufplan, der ein GPS-Verfahren in der zweiten Ausführungsform zeigt. Zunächst ist die Hardwarestruktur in der zweiten Ausführungsform dieselbe wie die in der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird. Dieselben Schritte wie in 5 besitzen dieselben Schrittnummerierungen, ausführliche Erläuterungen dazu werden ausgelassen.
Das GPS-Verfahren in der zweiten Ausführungsform nutzt eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t), die den Uhrfehler t an Stelle der einen Funktion in der ersten Ausführungsform schätzt, die addiert wird, wenn der Mittelpunkt der Erde 300 als der eine GPS-Satellit 200n+1 betrachtet wird. Hinsichtlich der Funktion, die den Uhrfehler t schätzt, ist es möglich, das eine Positionierungsverfahren zu nutzen, das bei der Positionierung mit zwei Satelliten genutzt wird und Personen mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik bekannt ist, die genauen Erläuterungen der Funktion werden ausgelassen.
In 6 werden Schritt S10 bis Schritt S13 auf dieselbe Weise ausgeführt wie in der ersten Ausführungsform.
Wenn die Pseudoentfernung ri als ein Ergebnis der Einschätzung in Schritt S11 instabil ist (Schritt S11-JA), wird davon ausgegangen, dass ein Multipath erzeugt wurde, und es wird eingeschätzt, ob der Uhrfehler t geschätzt werden kann oder nicht (Schritt S22). An dieser Stelle bedeutet die Benennung "Uhrfehler t" einen Zeitfehler des GPS-Empfängers 18 und des GPS-Satelliten, der hervorgerufen wird, weil es unmöglich ist, eine Quarzuhr des GPS-Empfängers 18 und eine Atomuhr des GPS-Satelliten vollständig zu synchronisieren. Er kann von dem GPS-Empfänger 18 auf Basis der Daten der Abwärtsverbindung und abhängig von einer Bedingung des Empfangens der Funkwelle 13, die die Daten der Abwärtsverbindung enthält, geschätzt werden. Kann der Uhrfehler t als ein Ergebnis dieser Einschätzung nicht geschätzt werden (Schritt S22: NEIN), verzweigt sich der Ablauf zu Schnitt S13, und der oben genannte Positionierungsprozess läuft ohne jede Änderung weiter.
Kann der Uhrfehler t als ein Ergebnis der Einschätzung in Schritt S22 (Schritt S22: JA) jedoch geschätzt werden, wird das Positionierungsverfahren von dem oben beschriebenen 3D-Positionierungsverfahren zu dem Verfahren geändert, das durch die Schätzung des Zeitfehlers mit Hilfe der Gewichtung α durchgeführt wird. Hier führt der zweite Berechnungsprozess in dem Positionierungsverfahren, das von der Zeitfehlerschätzung durchgeführt wird, die die Gewichtung α nutzt, die Konvergenzberechnung gemäß dem Newton-Verfahren mit Bezug auf die gesamten n + 1 Funktionen durch, die durch Addieren des einen α fn + 1 (x, y, z, t) zu den n Funktionen fi (x, y, z, t) erhalten wird, die alle die Pseudoentfernung ri darstellen, wobei ein fn + 1 (x, y, z, t) durch Anwenden einer Gewichtung α (α ist eine reelle Zahl, die gleich 1 oder größer als 1 ist) auf eine Funktion fn + 1 (x, y, z, t) erhalten wird, die den Uhrfehler schätzt (Schnitt S24). Danach berechnet er hier im Wesentlichen auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform näherungsweise den Uhrfehler t und die Koordinaten (x, y, z) als eine Positionierungslösung der n + 1 nichtlinearen Simultangleichungen, wie in Formel (2) gezeigt. Daneben kann der Wert der Gewichtung α, die in Schritt S24 genutzt wird, auch angemessen auf einen Wert gleich 1 oder größer als 1 eingestellt werden, wobei ein Wert größer als 1 die Positionierungslösung effizienter stabilisiert.
Insbesondere in diesem Fall wird die Gewichtung α mit Bezug auf die Ausdrücke durchgeführt, die in der unteren Zeile stehen und beim Positionieren nach dem Schätzen des Uhrfehlers t in der oben genannten Formel (2) addiert werden, das heißt, mit Bezug auf Δ rn + 1 in der linken und Ax, n + 1, Ay, n + 1, Az, n + 1, At, n + 1 in der rechten partiellen Differenzialausdruck-Matrix (oder einer Richtungs-Cosinus-Matrix) A.
Wurde folglich entsprechend der zweiten Ausführungsform ein Multipath erzeugt, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, da die Gewichtung α auf die Ausdrücke angewendet wird, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, die entsprechend der in Schritt S24 durchgeführten Zeitfehlerschätzung stabilisiert werden soll. Wurde fälschlicherweise die Erzeugung eines Multipath erkannt, obwohl kein Multipath erzeugt wurde, werden die Koordinaten (x, y, z) als die Positionierungslösung stabilisiert, da die Gewichtung α auf die Ausdrücke angewendet wird, die der Pseudoentfernung rn + 1 zugeordnet sind, die entsprechend der in Schritt S24 durchgeführten Zeitfehlerschätzung stabilisiert werden soll. Wird jedoch kein Multipath erzeugt, sind die Koordinaten (x, y, z) in Schritt S13 stabil, ohne dass zu dem von der Zeitfehlerschätzung oder durch Nutzung der speziellen Gewichtung durchgeführten Positionierungsverfahren gewechselt werden muss. Dann werden die aktuellen Positionskoordinaten des Fahrzeuges 118, die die verminderte Dispersion oder Abweichung haben, die aus einem Fehler entstanden ist, der von dem Erzeugen eines Multipath oder der fälschlichen Erkennung davon erzeugt wurde, als die aktuellen Positionsdaten auf einer Anzeigekarte auf der Anzeigevorrichtung 44 dargestellt (siehe 1).
Obwohl jede der oben beschriebenen Ausführungsformen einem in einem Fahrzeug befindlichen Navigationssystem zugeordnet wurden, sind das GPS-Verfahren und die GPS-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt und können auch zum Bereitstellen einer stabilen Positionierung der aktuellen Position eines beliebigen beweglichen Körpers, beispielsweise eines Tieres, eines Menschen und dergleichen, der sich mit dem Navigationssystem bewegt, sowie eines Flugzeugs, eines Schiffes oder dergleichen genutzt werden.

Claims

GPS-Verfahren, wobei das Verfahren umfasst: einen Messprozess des Messens jeder Pseudoentfernung ri (i = 1, 2, ..., n) von einer jeweiligen von empfangenen Funkwellen (19) von n GPS-Satelliten (200i), wobei n eine natürliche Zahl ist, die gleich 3 oder größer als 3 ist, die von einem GPS-Empfänger (is), der auf einem beweglichen Körper (118) befestigt ist, eingefangen wird; einen Erkennungsprozess des Erkennens einer Erzeugung eines Multipath der entsprechenden einen der empfangenen Funkwellen; einen ersten Rechenprozess der approximativen Berechnung eines Uhrfehlers t und von Koordinaten (x, y, z) des GPS-Empfängers als eine Lösung von n Simultangleichungen durch Durchführen einer Konvergenzberechnung in Bezug auf n Funktionen fi(x, y, z, t) mit solchen Variablen wie dem Uhrfehler t und den Koordinaten (x, y, z), wobei jede der n Funktionen fi(x, y, z, t) die Pseudoentfernung ri darstellt, und gekennzeichnet ist durch einen zweiten Rechenprozess der approximativen Berechnung des Uhrfehlers t und der Koordinaten (x, y, z) als eine Lösung von n + 1 Simultangleichungen durch Durchführen einer Konvergenzberechnung in Bezug auf insgesamt n + 1 Funktionen, die durch Addieren einer α fn(x, y, z, t) zu den n Funktionen fi(x, y, z, t) erhalten wurden, wobei die eine α fn + 1(x, y, z, t) durch Anwenden einer Gewichtung α, wobei α eine reelle Zahl ist, die gleich 1 oder größer als 1 ist, auf eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) mit solchen Variablen wie dem Uhrfehler t und den Koordinaten (x, y, z, t), erhalten wird, wobei die eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) eine Pseudoentfernung rn + 1 darstellt, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird, einen Ausgabeprozess des Ausgebens der Koordinaten (x, y, z), die im ersten oder im zweiten Rechenprozess als aktuelle Positionsdaten berechnet wurden, die eine aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen, und einen Auswählprozess des Auswählens des zweiten Berechnungsprozesses, wenn durch den Erkennungsprozess die Erzeugung von Multipath erkannt wird.
GPS-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n Funktionen fi(x, y, z, t) wie folgt sind: ri' + (∂ri/∂x)Δx + (∂ri/∂y)Δy + (∂ri/∂z)Δz + (∂ri/∂t)Δt, wobei ri' ein Näherungswert von ri, die eine Funktion fn + 1(x, y, z) wie folgt ist: rn + 1' + (∂rn + 1/∂x)Δx + (∂rn + 1/∂y)Δy + (∂rn + 1/∂z)Δz + (∂rn + 1/∂t)Δt, wobei rn + 1' ein Näherungswert von rn + 1 und die Konvergenzberechnung eine Berechnung zum Konvergieren eines Pseudoentfernungsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n) innerhalb einer vorgegebenen Größe in den n Simultangleichungen in dem ersten Rechenprozess ist und eine Konvergenzberechnung zum Konvergieren eines Pseudoentfernungsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n, n + 1) innerhalb einer vorgegebenen Größe in den n + 1 Simultangleichungen in dem zweiten Rechenprozess ist.
GPS-Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rechenprozess eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) verwendet, die den Uhrfehler t anstelle der einen Funktion schätzt.
GPS-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rechenprozess eine Positionierungslösung (x, y, z, t) bei Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe berechnet, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix des (n, 1)-Typs ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn) ist und eine Positionsfehlermatrix des (4, 1)-Typs ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt) ist und eine partielle Differenzialausdruck-Matrix des (n, 4)-Typs A ist, und der zweite Rechenprozess eine Lösung (x, y, z, t) bei Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe berechnet, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix des (n + 1, 1)-Typs, in der die Gewichtung α auf die n + 1te Reihe angewendet wird, ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn,α·Δrn + 1) ist und eine Positionsfehlermatrix des (4, 1)-Typs ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt) ist und eine partielle Differenzialausdruck-Matrix des (n + 1, 4)-Typs, in der die Gewichtung α auf die n + 1te Reihe angewendet wird, A ist.
GPS-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erkennungsprozess die Erzeugung des Multipath in Abhängigkeit davon erkennt, ob die durch den Messprozess gemessene Pseudoentfernung ri instabil ist oder nicht.
GPS-Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Erkennungsprozess die Erzeugung des Multipath auf Basis einer Varianz der durch den Messprozess gemessenen Pseudoentfernung ri erkennt.
GPS-Vorrichtung, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Messeinrichtung (20) zum Messen jeder Pseudoentfernung ri (i = 1, 2, ..., n) von einer jeweiligen von empfangenen Funkwellen (19) von n GPS-Satelliten (200i), wobei n eine natürliche Zahl ist, die gleich 3 oder größer als 3 ist, die von einem GPS-Empfänger (18), der auf einem beweglichen Körper (118) befestigt ist, eingefangen wird; eine Erkennungseinrichtung (20) zum Erkennen einer Erzeugung eines Multipath in der entsprechenden einen der empfangenen Funkwellen; eine erste Recheneinrichtung (20) zur approximativen Berechnung eines Uhrfehlers t und von Koordinaten (x, y, z) des GPS Empfängers als eine Lösung von n Simultangleichungen durch Durchführen einer Konvergenzberechnung in Bezug auf n Funktionen fi(x, y, z, t) mit solchen Variablen wie dem Uhrfehler t und den Koordinaten (x, y, z, t), wobei jede der n Funktionen fi(x, y, z) die Pseudoentfernung ri darstellt, und gekennzeichnet ist durch eine zweite Recheneinrichtung (20) zur approximativen Berechnung des Uhrfehlers t und der Koordinaten (x, y, z) als eine Lösung von n + 1 Simultangleichungen durch Durchführen einer Konvergenzberechnung in Bezug auf insgesamt n + 1 Funktionen, die durch Addieren einer α fn(x, y, z, t) zu den n Funktionen fi(x, y, z, t) erhalten wurden, wobei die eine α fn + 1(x, y, z) durch Anwenden einer Gewichtung α, wobei α eine reelle Zahl ist, die gleich 1 oder größer als 1 ist, auf eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) mit solchen Variablen wie dem Uhrfehler t und den Koordinaten (x, y, z), erhalten wird, wobei die eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) eine Pseudoentfernung darstellt, die erhalten wird, wenn der Erdmittelpunkt als ein GPS-Satellit betrachtet wird, eine Ausgabeeinrichtung (20) zum Ausgeben der Koordinaten (x, y, z), die im ersten oder im zweiten Rechenprozess als die aktuellen Positionsdaten berechnet wurden, die eine aktuelle Position des beweglichen Körpers anzeigen, und eine Auswähleinrichtung (20) zum Auswählen des zweiten Berechnungsprozesses, wenn durch die Erkennungseinrichtung die Erzeugung von Multipath detektiert wird.
GPS-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die n Funktionen fi(x, y, z, t) wie folgt sind: ri' + (∂ri/∂x)Δx + (∂ri/∂y)Δy + (∂ri/∂z)Δz + (∂ri/∂t)Δt, wobei ri' ein Näherungswert von ri, die eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) wie folgt ist: rn + 1' + (∂rn + 1/∂x)Δx + (∂rn + 1/∂y)Δy + (∂rn + 1/∂z)Δz + (∂rn + 1/∂t)Δt, wobei rn + 1' ein Näherungswert von rn + 1 und die Konvergenzberechnung eine Berechnung zum Konvergieren eines Pseudoentfernungsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n) innerhalb einer vorgegebenen Größe in den n Simultangleichungen in der ersten Recheneinrichtung (20) ist und eine Konvergenzberechnung zum Konvergieren eines Pseudoentfernungsfehlers Δri = |ri – ri'| (i = 1, 2, ..., n, n + 1) innerhalb einer vorgegebenen Größe in den n + 1 Simultangleichungen in der zweiten Recheneinrichtung (20) ist.
GPS-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Recheneinrichtung (20) eine Funktion fn + 1(x, y, z, t) verwendet, die den Uhrfehler t anstelle der einen Funktion schätzt.
GPS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Recheneinrichtung (20) eine Positionierungslösung (x, y, z, t) bei Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe berechnet, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix des (n, 1)-Typs ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn) ist und eine Positionsfehlermatrix des (4, 1)-Typs ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt) ist und eine partielle Differenzialausdruck-Matrix des (n, 4)-Typs A ist, und die zweite Recheneinrichtung (20) eine Lösung bei Konvergieren von ΔR = A·ΔX innerhalb einer vorgegebenen Größe berechnet, wenn eine Fehlerentfernungsmatrix des (n + 1, 1)-Typs, in der die Gewichtung α auf die n + 1te Reihe angewendet wird, ΔR = (Δr1, Δr2, ..., Δrn, α·Δrn + 1) ist und eine Positionsfehlermatrix des (4, 1)-Typs ΔX = (Δx, Δy, Δz, Δt) ist und eine partielle Differenzialausdruck-Matrix des (n + 1, 4)-Typs, in der die Gewichtung α auf die n + 1te Reihe angewendet wird, A ist.
GPS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinrichtung die Erzeugung des Multipath in Abhängigkeit davon erkennt, ob die durch die Messeinrichtung (20) gemessene Pseudoentfernung ri instabil ist oder nicht.
GPS-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinrichtung 20 die Erzeugung des Multipath auf Basis einer Varianz der durch die Messeinrichtung (20) gemessenen Pseudoentfernung ri erkennt.
Navigationssystem, wobei das System umfasst: (i) eine GPS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, (ii) einen GPS-Empfänger (18) und (iii) eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der aktuellen Positionsdaten, die von der Ausgabeeinrichtung in einem vorgegebenen Format ausgegeben wurden, auf Kartendaten.
Computerprogramm von Befehlen, die durch einen Computer ausführbar sind, um Verfahrensprozesse des Ausgebens von aktuellen Positionsdaten auszuführen, die eine aktuelle Position eines beweglichen Körpers anzeigen, wobei die Verfahrensprozesse das Verfahren jedes der Ansprüche 1 bis 6 umfassen.