DE69927453T2

DE69927453T2 - Elektronisches navigationsgerät

Info

Publication number: DE69927453T2
Application number: DE69927453T
Authority: DE
Inventors: R. Kenneth WHIGHT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: US6353408B1; EP0986764A2; DE69927453D1; JP3848687B2; WO1999050685A2; WO1999050685A3; JP2002500773A; EP0986764B1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Navigationsgerät, und bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Geräts.
Stand der Technik
Es sind viele elektronische Navigationssysteme bekannt. Sie funktionieren alle dadurch, dass sie eine Anzahl Funksender haben, die je Information über die betreffende Lage aussenden, wobei diese Information einem Empfänger die Möglichkeit bietet, aus den empfangenen Signalen die Lage zu ermitteln. Zur Zeit verfügbare Systeme umfassen GPS ("Global Positioning System), ein US System auf Satellitenbasis, und GLONASS ("GLObal NAvigation Satellite System"), die russische Äquivalente.
Empfänger für solche Systeme werden in vielen verschiedenen Applikationen verwendet, beispielsweise in Schiffen und Flugzeugen. Eine wachsend beliebte Applikation ist in elektronischen Leitsystemen für Fahrzeuge, wobei das elektronische Navigationssystem im Zusammenhang mit einer elektronischen Straßenkarte verwendet wird um den Fahrer des Fahrzeugs an das Ziel zu bringen.
GPS ist ein weit verbreitetes System und umfasst eine Konstellation von typischerweise 24 Satelliten in sechs geneigten, etwa 12 Stunden kreisförmigen Umlaufbahnen um die Erde. Jeder Satellit trägt eine extrem genaue Atomuhr und überträgt ein einzigartig codiertes Streuspektrumsignal auf einer Trägerfrequenz, zentriert auf 1,575 GHz, das Information über die aktuelle Zeit und die Lage des Satteliten erteilt. Es gibt grobe und feine Versionen der Streuspektrumsignale, wobei die erstgenannten für den Zivilgebrauch und die letztgenannten für militärische Anwendung gemeint sind. Empfang von groben Signalen von vier oder mehr Satelliten schafft genügend Information für den Empfänger um imstande zu sein, seine dreidimensionale Lage auf (oder in der Nähe der) Erdoberfläche und die aktuelle Zeit zu ermitteln. Die Umlaufbahnen der Satelliten sind derart vorgesehen, dass immer wenigstens vier Satelliten an einer Stelle auf der Erdoberfläche sichtbar sind, es sei denn, dass das Gesichtsfeld des Himmels für den Empfänger durch Gebäude oder andere Behinderungen gesperrt ist.
Ebenso wie die Ermittlung der Lage des Empfängers, hergeleitet von der Eintreffzeit jedes der Satellitensignale, kann die Geschwindigkeit des Empfängers aus der Doppler-Übertragungsfrequenzverschiebung von jedem Satelliten ermittelt werden.
Die Art des übertragenen Signals verursacht beliebige Schwankungen in der scheinbaren Lage und Geschwindigkeit des Empfängers. Diese Schwankung ist unerwünscht und im Allgemeinen wir ein Filtermechanismus verwendet, bevor die Lage und die Geschwindigkeit dem Benutzer des Empfängers mitgeteilt werden. In einem derartigen Prozess wird Information über die genaue Lage und Geschwindigkeit des Empfängers mit neuen Messungen kombiniert um ein statistisch akzeptierbares Ergebnis zu erhalten. Dieser Prozess berücksichtigt das Vertrauen in den alten Ergebnissen und die Qualität der Neuen Messungen. Es wird ebenfalls ermöglicht, dass die Lage des Empfängers kurze Zeit extrapoliert wird, wenn ungenügend Satelliten sichtbar sind um eine genaue Lagenbestimmung durchzuführen, und zwar auf Basis der Voraussetzung einer konstanten Geschwindigkeit.
Information über die Beschleunigung des Empfängers kann weiterhin die Genauigkeit des Filterprozesses und die Unempfindlichkeit für Rauschwerte verbessern. Zur Zeit kann derartige Information nur mechanischen Beschleunigungsmessern (im Endeffekteiner oder mehreren Massen an Federn) entnommen werden, die nicht auf bequeme Art und Weise mit einer integrierten Schaltung kombiniert werden können. Eine Beschreibung, wie ein GPS-Empfänger und ein internes Navigationssystem mit Beschleunigungsmessern integriert werden kann, wobei einige der dabei eine Rolle spielenden Komplexitäten angegeben werden, findet sind in: "Understandig GPS: Principles and Applications" Seite 395, von E D Kaplan, Artech House 1996.
Beschreibung der Erfindung
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ermittlung der Beschleunigung in einem elektronischen Navigationsgerät zu verbessern.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Navigationsgerät geschaffen, das einen ersten und einen zweiten Verfolgungskanal aufweist, mit einer Trägerverfolgungsschleife zur genauen Verfolgung der Frequenz eines in einem Abstand befindlichen Senders, wie empfangen, wobei der zweit Verfolgungskanal eine Verfolgungsschleife hat, vorgesehen um unter dynamischen Bedingungen die Frequenz des in einem Abstand befindlichen Senders, wie empfangen, weniger genau zu ver folgen, und Mittel zum Kombinieren der genau und weniger genau verfolgten Frequenzen zum Schaffen eines Maßen eines kinematischen Parameters des Navigationsgeräts gegenüber dem in einem Abstand befindlichen Sender.
Auf vorteilhafte Weise ist zum Ermitteln der Reheinfolge von n kinematischen Parametern (wobei n = 3 ist für Beschleunigung, n = 4 ist für eine ruckartige Bewegung, usw.) die genaue Trägerverfolgungsschleife als eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n implementiert und die weniger genaue Trägerverfolgungsschleife ist eine frequenzverriegelte Schleife der Größenordnung n – 2 oder als eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n – 1 implementiert.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zum Betreiben eines elektronischen Navigationsgeräts mit einem ersten und einem zweiten Verfolgungskanal, wobei der erste Verfolgungskanal eine Trägerverfolgungsschleife hat, vorgesehen zum genauen Verfolgen der Frequenz eines in einem Abstand befindlichen Senders, wie empfangen, wobei der zweite Verfolgungskanal eine Verfolgungsschleife aufweist, vorgesehen um unter dynamischen Bedingungen die Frequenz des in einem Abstand befindlichen Senders, wie empfangen, weniger genau zu verfolgen, wobei das Verfahren das Kombinieren der genau und weniger genau verfolgten Frequenzen umfasst zum Schaffen eines Maßes eines kinematischen Parameters des Navigationsgeräts gegenüber dem in einem Abstand befindlichen Sender.
Der vorliegenden Erfindung liegt die bisher nicht vorhandene Erkenntnis zugrunde, dass das Zielen einer Anzahl Trägerverfolgungsschleifen mit verschiedenen dynamischen Verfolgungseigenschaften auf einen in einem Abstand befindlichen Sender es ermöglicht, dass Beschleunigung und kinematische Parameter höherer Ordnung hergeleitet werden können.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird Ermittlung der Beschleunigung und von kinematischen Parametern höherer Ordnung unmittelbar von den empfangenen Übertragungen durch eine elektronische Schaltungsanordnung ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines typischen Empfängers,
2 ein Blockschaltbild der Teile eines Kanals, erforderlich zur Trägerverfolgung,
3 ein Blockschaltbild einer idealisierten Verfolgungsschleife,
4 ein Diagramm der Messfolge zur Ermittlung der Beschleunigung,
5 eine Graphik des Frequenzfehlers in Hz gegenüber Zeit in Sekunden für verschiedene Schleifen während einer konstanten Beschleunigung,
6 eine Graphik einer berichteten Beschleunigung in m/s² gegenüber Zeit in Sekunden,
7 ein Blockschaltbild eines Systems zum Ermitteln der Beschleunigung; und
8 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erhalten der Beschleunigung des Empfängers.
In der Zeichnung werden entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben.
Ausführungsformen der Erfindung
Architekturen für GPS und andere elektronische Navigationssysteme sind durchaus bekannt, beispielsweise wie in US-A-4.754.465 und US-A-4.970.523 beschrieben. 1 zeigt schematisch eine derartige Architektur. Eine Antenne 102 sammelt Signale von einer Anzahl in einem Abstand befindlicher Sender (für GPS sind dies rechts drehend polarisierte Signale auf einem Träger von 1,575 GHz). Die empfangenen Signale werden einem Hochfrequenz (RF) Frontend 104 zugeführt, das einen relativ einfachen analogen Teil aufweist, der die empfangenen Signale zu einer viel niedrigeren Zwischenfrequenz (IF) heruntermischt.
Das Zwischenfrequenzsignal IF von dem RF Frontend 104 wird dem Basisband-Verarbeitungsblock 106 zugeführt. Dieser enthält die digitale Schaltungsanordnung, die zum Decodieren der Streuspektrumsignale von den verschiedenen in einem Abstand befindlichen Sendern und zum Verarbeiten der Information zum Berechnen der Lage und der Geschwindigkeit des Benutzers erforderlich ist. Dieser Teil besteht normalerweise aus auf den Kunden zugeschnittener Hardware, gegliedert als eine Anzahl paralleler Kanäle CH1 bis CHN, die je imstande sind, das Signal von einem einzigen fern liegenden Sender zu verfolgen, zusammen mit einer bestimmten Form eines eingebetteten Mikroprozessors oder eines digitalen Signalprozessors (PROC) 110, der die Kanäle steuert und die Lagen- und Geschwindigkeitsberechnungen durchführt.
Bei bekannten Empfängern wird ein Fern-Sender von einem einzigen Kanal verfolgt. Obschon im Grunde nur vier Kanäle erforderliche sind, hat es sich in der Praxis herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn man über mehr Kanäle verfügen kann. Wenn der Empfänger zum ersten Mal eingeschaltet wird, können mehrere Kanäle auf einen einzigen Fern-Sender zielen, wodurch die Anfrage des Signals beschleunigt wird. Wenn einer der Kanäle mit dem Signal von einem betreffenden Fern-Sender verriegelt wird, können die restlichen Kanäle, die ebenfalls versuchten, sich auf diesem Sender zu verriegeln, neu zugeordnet werden um zu versuchen, andere Fern-Sender zu verfolgen. Obschon nur vier Fern-Sender verfolgt zu werden brauchen, damit der Empfänger in den Stand gesetzt wird, eine dreidimensionale Lagen- und Geschwindigkeitsermittlung durchzuführen, ermöglicht die Verfolgung von mehr Fern-Sendern es, dass der Empfänger die Genauigkeit der berichteten Lage und Geschwindigkeit verbessert und auch Redundanz liefert, im Falle der Empfang von Signalen von einem oder mehreren Fernsendern unterbrochen wird.
Das Ausgangssignal von dem Basisband-Verarbeitungsblock 106 ist Information über die Lage und die Geschwindigkeit des Empfängers, wobei diese Information einem Benutzer-Schnittstellenblock 108 zur Wiedergabe zugeführt wird.
Die Hauptaufgabe jedes Kanals in dem Basisband-Verarbeitungsblock 108 ist die Verfolgung des Signals von einem betreffenden einzigen Fern-Sender, selektiert auf Basis des einzigartigen Streucodes. Diese Aufgabe spaltet sich in zwei relatierte Aufgaben, und zwar die Verfolgung des ausgesendeten Trägersignals und die Verfolgung des ausgesendeten Codes.
2 ist eine detaillierte Darstellung eines der Kanäle, wobei nur die Elemente dargestellt werden, die sich auf die Trägerverfolgung beziehen, deren Aufgabe es ist, dafür zu sorgen, dass ein örtlich erzeugtes Signal dem Trägerteil eines eintreffenden ZF-Signals 202 möglicht nahe folgt. Ein Träger "Numerically Controlled Oscillator" (NCO) 204 erzeugt das Ortsoszillatorsignal, das zwei Ausgangssignale liefert, 206 und 208, mit einer 90° Phasendrehung zwischen denselben. Das eintreffende ZF-Signal 202 wird in zwei Teile aufgeteilt, von denen der eine Teil durch eine Mischschaltung 210 mit dem ersten Ausgangssignal 206 des Trägers NCO 204 kombiniert wird um ein Signal in einem phasengleichen (I) Kanal 214 zu erzeugen, wobei der andere Teil durch eine Mischschaltung 212 mit dem zweiten Ausgangssignal 208 des NCO 204 kombiniert wird um ein Signal in einem Quadraturkanal (Q) 216 zu erzeugen.
Das Netto-Signal in dem I Kanal 214 wird über eine definierte Messperiode (beispielsweise 1 ms) durch einen I Akkumulator (I-ACC) 218 integriert, und das Ergebnis wird als Ausgangssignal 220 zum Zugreifen durch den Prozessor 110 geliefert. Auf gleiche Weise wird das Netto-Signals in dem Q Kanal 216 über dieselbe Messperiode durch einen Q Akkumulator (Q-ACC) 222 integriert und das Ergebnis wird als Ausgangssignal 224 zum Zugreifen durch den Prozessor 110 geliefert. Die den Träger verfolgende Schleife wird komplettiert durch den Prozessor 110, der dem Träger NCO 204 ein Eingangssignal liefert, wobei dieser NCO 204 die Frequenz und die Phase der erzeugten Signale 206, 208 steuert. Folglich können der Typ der Schleife und ihre Ansprechempfindlichkeit unter Ansteuerung des Prozessors 110 modifiziert werden kann. Die zwei Basistypen der verwendeten Schleife sind:

– eine in der Frequenz verriegelte Schleife (FLL), worin der Prozessor 110 versucht, die Frequenzen der örtlich erzeugten Signale 206, 208 und des eintreffenden ZF-Signals 202 gleich zu halten; und
– eine phasenverriegelte Schleife (PLL), worin der Prozessor 110 versucht, zu gewährleisten, dass die örtlich erzeugten Signale 206, 208 zu dem eintreffenden ZF-Signal 202 phasengleich bleiben. Es ist auch eine Variante der PLL als eine "Costas Loop" bekannt, das die dem Basisbandsignal aufmodulierten Daten aufrechterhält und wird oft dazu verwendet.

Obschon die Theorie von FLLs und PLLs durchaus bekannt ist, wie beispielsweise in "Phaselock Techniques" zweite Auflage, F.M. Gardner, John Wiley und Söhne, 1979, wobei einige darin verwendete Ausdrücke anders sind als in anderen Veröffentlichungen. Es ist daher nützlich, eine sehr kurze Übersicht der Eigenschaften der beiden Schleifen zu schaffen.
Eine idealisierte Verfolgungsschleife, die als PLL oder als FLL verwirklicht werden kann, ist in 3 dargestellt. Ein Eingangssignal 302 wird einem Eingang eines Phasengenerators 304 zugeführt. Die Phasenvergleichsschaltung erzeigte ein Eingangssignal 306, das direkt proportional zu der Phasendifferenz Ψ zwischen dem Eingangssignal 302 und einem Ausgangssignal 308 eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 310 ist. Das Ausgangssignal 306 der Phasenvergleichsschaltung wird als Eingangssignal für das Filter 312 verwendet, deren Ausgangssignal 314 den VCO 310 betreibt zum Erzeugen des Ausgangssignals 306.
Je nach der Wahl der in dem Filter 312 implementierten Filterfunktion kann eine Vielzahl von PLLs und FLLs erzeugt werden. Die Empfindlichkeit fur das dynamische Verhalten dieser Schleifen wird durch deren Reihenfolge gekennzeichnet. Zunächst wird eine PLL betrachtet. In einer PLL erster Ordnung ist die Ausgangsspannung 314 des Filters 312 proportional zu der Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung 304 (mit anderen Worten, das Filter 312 macht nicht, ausgenommen eine etwaige Skalierung der Spannung). Die Phasendifferenz Ψ(t) zwischen den Eingängen 302, 308 zu der Phasenvergleichsschaltung befolgt die nachfolgende Differentialgleichung:
wobei ω(t) eine beliebige Funktion der Zeit ist, welche die Änderung in der Frequenz als Ergebnis der Dynamik des GPS-Benutzers, und k ist eine Zeitkonstante für die Schleife, welche die Empfindlichkeit für Änderungen in der Frequenz bestimmt.
In einer PLL zweiter Ordnung ist der Ausgang 314 des Filters 312 gleich dem Ausgangssignal 306 von der Phasenvergleichsschaltung 304 zusammen mit einer zusätzlichen Spannung proportional zu dem Integral der vergangenen Ausgangsspannungen 306 von der Phasenvergleichsschaltung 304. Die Phasendifferenz Ψ(t) zwischen den Eingängen 302, 308 zu der Phasenvergleichsschaltung befolgt die nachfolgende Differentialgleichung:
Eine derartige Schleife wird normalerweise als eine kritisch gedämpfte Schleife betrieben, womit gemeint ist eine Schleife, die nach einer Störung in kürzester Zeit zum Gleichgewicht zurückkehrt. Für eine derartige Schleife haben die exponentielle Dämpfung und die Schwingungsanteile des Übergangsverhaltens der Schleife die gleiche Zeitkonstante k. Eine Bedingung für eine PLL zweiter Ordnung um unter kritischer Dämpfung zu arbeiten ist, dass die Wurzeln der Hilfsgleichung gleich -k(l ± i) sind. Die Hilfsgleichung wird dadurch erhalten, dass Ψ = A e^mt in die oben stehende homogene Version der Gleichung 2 ersetzt wird, und zwar zum Erhalten von: m2 + CIm + CO = 0 (3)
Damit die Wurzeln dieser Gleichung die erforderlichen Werte haben, ist C₁ = 2k und C₀ = 2k². Folglich ist die Differentialgleichung mit einer nachfolgenden kritisch gedämpften PLL zweiter Ordnung:
In einer PLL dritter Ordnung ist der Ausgang 314 des Filters 312 derselbe wie der für die PLL zweiter Ordnung mit einer zusätzlichen Spannung proportional zu dem doppelten Integral vergangener Ausgangsspannungen 306 von der Phasenbergleichsschaltung 304. Die Phasendifferenz Ψ(t) zwischen den Eingängen 302, 308 zu der Phasenvergleichsschaltung befolgt die Differentialgleichung für eine kritisch gedämpfte Schleife:
In diesem Fall ist eine Bedingung für kritische Dämpfung, dass die drei Wurzeln der Hilfsgleichung gleich -k und -k(l ± i) sind.
Die verschiedenen Ordnungen der PLL verhalten sich unterschiedlich in Reaktion auf Änderungen in der Signalfrequenz ω. Eine PLL erster Ordnung zeigt einen konstanten Phasenfehler wenn die Signalfrequenz von der natürlichen Frequenz der Schleife abweicht, wie dies während einer durch Geschwindigkeit induzierten Doppler-Verschiebung auftritt. Eine PLL zweiter Ordnung zeigt einen konstanten Phasenfehler unter konstanter Beschleunigung und ist nach einer Übergangsabweichung unempfindlich für eine durch Geschwindigkeit induzierte Dopplerverschiebung. Eine PLL dritter Ordnung ist unempfindlich für konstante Beschleunigungen und zeigt einen konstanten Phasenfehler unter konstanter ruckartiger Bewegungen (Rate der Beschleunigungsänderung).
Für eine FLL soll der Ausgang 314 des Filters 312 auf die Frequenzdifferenz zwischen den Eingangssignalen 302, 308 zu der Phasenvergleichsschaltung bezogen werden. Ein geeigneter Ausgang wird erhalten durch Verwendung von
anstelle von Ψ für den Ausgang 314 des Filters 312, wobei T eine Abtastperiode ist und dΨ/dt die aktuelle Fehlerfrequenz ist. T ist typischerweise eine kurze Periode, wie 1 ms, so dass Phasenverriegelung nicht verloren geht (was passieren würde, wenn T dΨ/dt größer als π/2 werden würde). Der Effekt dieser Substitution ist, dass eine PLL zweiter Ordnung eine FLL erster Ordnung wird und deshalb gleiches Verhalten zeigt, insbesondere zeigt sie einen konstanten Frequenzfehler unter konstanter Beschleunigung.
Die durch eine kritisch gedämpfte FLL erster Ordnung befolgte Differentialgleichung ist
wobei α die Zeitkonstante der FLL erster Ordnung ist, bezogen auf den K Wert und auf die Abtastperiode T durch
Zurückkehrend zu dem Trägerbefolgungskanal aus 2 führt jede Differenz in der Frequenz zwischen dem eintreffenden ZF-Signal 202 und den örtlich erzeugten Signalen 206, 208 zu einem Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz in dem I Kanal 214 und dem Q Kanal 216. Dieses Signal kann verwendet werden zum Betreiben einer FLL. Weiterhin kann der Phasenfehler der erzeugten Signale 206, 208 als arctan(Q/I) erhalten werden, wobei Q das Signal in dem Q Kanal 216 ist und I das Signal in dem I Kanal 214 ist. Im Allgemeinen wird bevorzugt eine FLL zur Anfangserfassung eines Trägersignals von einem Fern-Sender zu erhalten, während die Verwendung einer PLL bevorzugt wird, wenn das Signal einmal erfasst worden ist. Weitere Einzelheiten der Theorie der Befolgung von Schleifen lässt sich beispielsweise finden in: "Understanding GPS: Principles ans Applications", Kapitel 5, E D Kaplan, Artech House, 1996.
Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es wichtig zu bemerken, dass, während die Trägerverfolgung in einem Kanal normalerweise gesteuert wird zum genauen Befolgen des eintreffenden ZF-Signals 202 (in dieser Spezifikation als bewegliche Schleife bezeichnet), kann der Prozessor 110 vorgesehen werden zum Erzeugen gewünschter Charakteristiken der Befolgungsschleife. Insbesondere kann die Trägerbefolgung derart gesteuert werden, dass die Rate, womit der Prozessor die Frequenz des Trägers NCO 226 ändern kann, kleiner ist als die Rate, mit der die Trägerfrequenz sich ändern kann (in dieser Beschreibung als eine langsame Schleife bezeichnet). Auf alternative Weise kann eine Schleife höherer Ordnung (beispielsweise eine PLL dritter Ordnung, nicht empfindliche für Beschleunigung) verwendet werden zur genauen Befolgung der Trägerfrequenz, und eine Schleife niedrigerer Ordnung (beispielsweise eine FLL erster Ordnung, empfindlich für Beschleunigung, nicht aber für Geschwindigkeitsänderungen) kann verwendet werden zur genauen Befolgung der Trägerfrequenz.
Jeder Kanal umfasst (nicht dargestellte) zusätzliche Bestandteile, die sich mit Codebefolgung befassen, was bestrebt ist, eine örtlich erzeugte Version des von einem Fern-Sender ausgesendeten Codes zu der übertragenen Version möglichst phasengleich zu halten. Der Codebefolgungsteil des Kanals wird nicht beschrieben, da dieser zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht relevant ist und Implementierungen durchaus bekannt sind, wie beispielsweise in US-A-4.970.523 beschrieben.
Die von einem Fern-Sender empfangene Trägerfrequenz wird normalerweise von derjenigen abweichen, die von einer Doppler-Verschiebung erhalten worden ist. Die ursprünglich übertragene Frequenz ist bekannt, so dass der Empfänger die Frequenzverschiebung Δf, verursacht durch die relative Bewegung des Empfängers und des Fern-Senders ermitteln kann. Der Anteil der Geschwindigkeit des Empfängers gegenüber dem Fern-Sender über eine Leitung zwischen denselben ist gegeben durch:
wobei f₁ die wirklich übertragene Frequenz ist und c die Geschwindigkeit des Lichtes ist. Diese Beziehung gilt solange v << c ist, was in der Praxis immer der Fall sein wird. Eine positive Verschiebung in der Frequenz gibt an, dass der Empfänger und der Fern-Sender sich aufeinander zu bewegen, eine negative Verschiebung bedeutet, dass sie sich voneinander entfernen.
In der Praxis sind vier Satelliten erforderlich zum Erhalten einer dreidimensionalen Geschwindigkeitsmessung, da es vier Unbekannten gibt, die ermittelt werden müssen (drei Komponenten der Geschwindigkeit und der Fehler in der gesamten örtlichen Frequenzmessung). Die Beschleunigung des Empfängers kann von der Rate der Änderung der gemessenen Geschwindigkeit hergeleitet werden, aber dies ist unbefriedigend, und zwar wegen der beliebigen Fehler in der gemessenen Geschwindigkeit (aus demselben Grund wird bevorzugt, die Geschwindigkeit aus Doppler-Verschiebungsmessungen statt aus der Rate der Lagenänderung zu berechnen).
Nun wird erwogen, wie die Geschwindigkeit und die Beschleunigung berechnet werden können. 4 zeigt die reellen und die gemessenen Parameter für zwei aufeinander folgende Messperioden. Gemessene Parameter sind über der Zeitlinie dargestellt, reelle Parameter unterhalb der Zeitlinie. Das System misst die Frequenz des empfan genen Signals dadurch, dass die Anzahl Signalzyklen in einer Messperiode, mit der Dauer τ, gezählt werden. Die n. Messperiode dauert von der Zeit t_n-1 bis t_n und die n+1. Messperiode von der Zeit t_n bis t_n+1. Die wirkliche (aktuelle) Frequenz zu dem Zeitpunkt t ist durch f(t) bezeichnet. Die geschätzte Frequenz für die n. Messperiode wird durch F_n bezeichnet. Wenn die Messschleife genau ist, ist dies die mittlere Frequenz über die Messperiode.
Zum Vereinfachen der Mathematik soll der Zeitursprung verschoben werden, so dass die n. Messperiode zu dem Zeitpunkt t=0 beginnt, mit dem Ergebnis, dass t_n-1 = 0 ist und t_n = τ ist. Wenn vorausgesetzt wird, dass f(t) zwischen Messpunkten linear variiert, kann dies in der n. Messperiode wie folgt geschrieben werden: f(t) = f(0) + atn (10)wobei a_n für die n. Messperiode eine Konstante ist. Folglich ist f(tn) = f(0) + aτn (11)
Die geschätzte Frequenz F_n wird dadurch erhalten, dass die Signalzyklen in der n. Messperiode erhalten und durch die Länge der Periode geteilt werden, d.h.
Folglich ist für eine lineare Variation der Frequenz zwischen Messperioden F_n die geschätzte Frequenz in der Mitte der n. Messperiode. Dies entspricht der wirklichen Frequenz zu der Zeit, wenn die Messschleife beweglich genug ist für Änderungen in der Genauigkeit der Trägerfrequenz. Die geschätzte Änderungsrate der Frequenz zu der Zeit t_n, bezeichnet durch A_n ist wie folgt definiert:
Diese Schätzung ist ein Mittelwert von aktuellen und vergangenen Änderungsraten (und wird auf diese Weise dazu neigen, die berichtete Beschleunigung zu glätten).
Die oben stehende Beschreibung hat vorausgesetzt, dass die Messschleife Änderungen in der Frequenz des Trägersignals genau befolgen kann. Nun wird eine Schleife betrachtet, bei der dies nicht der Fall ist, beispielsweise eine kritisch gedämpfte Schleife mit einer Zeitkonstanten α, welche die Frequenz als f¹(t) misst. Für eine FLL erster Ordnung ist die Änderungsrate von f¹(t) proportional zu der Differenz zwischen dieser Frequenz und der reellen Frequenz f(t) und deswegen ist
Diese Gleichung hat eine allgemeine Lösung von
wobei k eine Konstante ist, ermittelt durch die Grenzbedingungen. Wenn vorausgesetzt wird, dass die Beschleunigung in der n. Messperiode konstant ist, wird f(t) durch die Gleichung (10) gegeben. Die sich ergebende Lösung für die von der langsamen Schleife f(t) berichtete Frequenz ist
wobei die anfangs laufende Frequenz der langsamen Schleife beim Start der n. Messperiode f¹(t_n-1) ist. Die geschätzte Frequenz (hergeleitet auf dieselbe Art und Weise wie diejenige für die bewegliche Schleife in der Gleichung (12)) ist
Die Verwendung der Formel für die geschätzte, von der beweglichen Schleife berichteten Frequenz aus der Gleichung (12) ermöglicht es, dass die Differenz zwischen den geschätzten Frequenzen, die von den zwei Schleifen berichtet werden, wie folgt geschrieben werden können:
Diese Gleichung kann integriert und neu gegliedert werden zum Erzielen des Wertes von a_n wie folgt:
Wenn die zwei Schleifen anfangs in denselben Zustand gesetzt werden, zu dem Zeitpunkt t₀, dann ist f(t₀) = f(t₀) und die Gleichung ergibt unmittelbar a₁. Für nachfolgende Messperioden kann die Frequenzdifferenz zwischen den zwei Schleifen aus der bekannten Beschleunigung in jeder Messperiode ermittelt werden, und zwar unter Verwendung der Gleichung (16):
Folglich ermöglicht die Differenzierung der Frequenzschätzungen, geliefert von den zwei Verfolgungsschleifen es, dass der aktuelle Beschleunigungsparameter an unmittelbar ermittelt wird. Die Lieferung der Beschleunigung, genauer als durch die Verwendung der Gleichung (13) (die ein Mittelwert der aktuellen und der vergangenen Beschleunigung ist) wird das von diesem Verfahren gelieferte Ergebnis nicht durch beliebige Fehler in der Messung der Geschwindigkeit beeinträchtigt.
Implementierung dieses Verfahrens kann durch Selektion eines geeigneten Wertes von α erfolgen wonach die Messung der entsprechenden Differenzen in den Frequenzen zwischen den Schleifen. Auf alternative Weise könnte der Wert von α, wie dieser von der langsamen Schleife verwendet wird, modifiziert werden um zu versuchen, eine gewählte feste Frequenzdifferenz zwischen den beiden Schleifen beizubehalten.
In diesem ersten Fall ist eine typische Anforderung, dass eine Verfolgungsschleife einwandfrei funktioniert, dass die Phasendifferenz zwischen dem Schleifenrückkopplungssignal und dem reellen Signal (wie von der beweglichen Schleife verfolgt) n/2 nicht übersteigen soll. Wenn die langsame und die schnelle Schleife zu dem Zeitpunkt t=0 in denselben Zustand gesetzt würden, wird nach einer Zeit T die Differenz in der Phase ΔΨ zwischen den beiden Schleifen gegeben durch:
Aus den Kenntnissen der Systemdynamik sind die wahrscheinlich maximale Beschleunigung und die Zeit, in der sie eingehalten werden kann, bekannt. Wenn diese maximale Beschleunigung a ist und wenn diese während der Zeit T eingehalten werden kann, ergibt Substitution der Gleichung 16 in die Gleichung 21 und Durchführung der Integration:
Die Verwendung dieser Beziehung ist, wenn eine maximale Beschleunigung von 10m/s² maximal 10 s lang eingehalten werden kann, ein geeigneter Wert von α etwa 64/s.
Die genaue Form der Entspannungsfunktion, wie in den oben stehenden Gleichungen verwendet, ist nicht kritisch. Die Form der Gleichung 14 ist für die Darstellung der Reaktion einer kritisch gedämpften Schleife geeignet. Andere Schleifenreaktionsfunktionen können in der Praxis verwendet werden, beispielsweise eine leicht gedämpfte Schleife, wobei die Reaktion auf eine Schrittänderung in der Frequenz eine Funktion ist, die um den Endwert herum schwingt, wobei die Amplitude der Schwingungen exponentiell abnimmt. Die oben stehende Herleitung können für jede definierte Schleifenfunktion mit gleichwertigen Ergebnissen durchgeführt werden.
Die oben stehende Beschreibung hat vorausgesetzt, dass die beiden Schleifen FLLs erster Ordnung sind, die eine mit einer beweglichen Reaktion und die andere mit einer langsamen Reaktion. Eine verbesserte und vereinfachte Wirkung kann erzielt werden, wenn die bewegliche Schleife stattdessen eine PLL dritter Ordnung ist und die Zeitkonstanten der beiden Schleifen derart vorgesehen sind, dass sie mit derselben Rate ins Gleichgewicht zurückkehren. Dies geschieht dadurch, dass α für die FLL in der Gleichung 7 derart eingestellt wird, dass dies dasselbe ist wie k in der Gleichung 5 und es ermöglicht, dass eine Beschleunigung auf einfache Weise von der Differenz in der von den beiden Schleifen berichteten Frequenz hergeleitet wird, und zwar ohne die Notwendigkeit, dass auf vorhergehende Frequenzwerte verwiesen wird.
Auf alternative Weise könnte die FLL erster Ordnung durch eine PLL zweiter Ordnung ersetzt werden, wobei die Zeitkonstante k derart eingestellt wird, dass sie derjenigen der PLL dritter Ordnung entspricht. Ein Vorteil der Verwendung der FLL erster Ordnung statt der PLL zweiter Ordnung ist, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass diese die Verriegelung mit dem Signal verliert.
5 ist eine Graphik des Frequenzfehlers in Hz gegenüber der Zeit in Sekunden für die FLL erster Ordnung und die PLL dritter Ordnung. Sie zeigt die Reaktion der Schleifen auf eine konstante Beschleunigung von 15m/s², startend bei t=0, wobei der Phasenrauschwert zu dem Eingangssignal hinzugefügt wird. Die Zeitkonstante k für die PLL dritter Ordnung wurde auf k=8.7/3 gesetzt. Wie erwartet ist die PLL dritter Ordnung nicht durch die Beschleunigung beeinträchtigt, nach einem kurzen Anfangsfehler, während die FLL erster Ordnung einen konstanten Frequenzfehler nach einer ähnlichen Zeit erreicht.
6 zeigt die berichtete Beschleunigung in m/s², gegenüber Zeit in Sekunden, hergeleitet von der Subtrahierung der Ausgangssignale der zwei Schleifen. Das Phasenrauschen ist gewissermaßen heraus subtrahiert, da dies in den beiden Schleifen korreliert ist. Für diesen Wert von k soll es praktisch sein, Beschleunigungen von 0,25 m/s² aufzulösen, entsprechend einer 0,1 Hz Frequenzdifferenz zwischen den Schleifen.
Ein System zum Ermitteln einer Beschleunigung entsprechend der oben stehenden Beschreibung ist in 7 dargestellt. Das Eingangssignal zu dem System ist das eintreffende ZF-Signal 202. Eine genau befolgende Schleife 402 umfasst einen der parallelen Kanäle CH1 bis CHN zusammen mit dem Prozessor 110, der die Schleife derart steuert, dass sie da eintreffende ZF-Signal 202 genau befolgt und die gemessene Frequenz F_n liefert, und zwar an der Ausgangsleitung 404. Eine weniger genaue Befolgungsschleife 406 umfasst einen anderen Kanal der parallelen Kanäle CH1 bis CHN zusammen mit dem Prozessor 110, der die Schleife derart steuert, dass sie das eintreffende ZF-Signal unter dynamischen Bedingungen nicht genau verfolgt. Je nach dem Aufsatz der Schleifen wird die weniger genaue Schleife 406 entweder hinter Änderungen in dem Signal 202 entsprechend einer bekannten Beziehung zurückbleiben, beispielsweise hinter der aus der Gleichung 14, oder wird einen Frequenzoffset haben, der proportional zu der Beschleunigung ist. Die gemessene Frequenz von der langsamen Schleife F t / n wird der Ausgangsleitung 408 geliefert.
Ein Subtrahierblock 410 nimmt die Differenz der beiden Signale 408 und 404 (d.h. F t / n – F_n) und liefert diese einem arithmetischen Block 412, der das Signal entsprechend verarbeitet. Wenn das System als zwei FLLs erster Ordnung konfiguriert ist, wird das Signal entsprechend der Gleichung 19 verarbeitet, so dass die Konstante a_n als Ausgang 414 geliefert wird. Auf alternative Weise ist, wenn das System als eine FLL erster Ordnung und als eine PLL dritter Ordnung konfiguriert ist, keine Verarbeitung erforderlich und der Ausgang 414 entspricht der aktuellen Frequenzdifferenz zwischen den Schleifen. Folglich kann unter Verwendung der Doppler-Verschiebungsformel, die als Gleichung 9 gegeben ist, das Ausgangssignal 404 verarbeitet werden zur Lieferung der Geschwindigkeit des Empfängers, und das Ausgangssignal 414 zur Lieferung der Beschleunigung.
In der Praxis ist die meist geeignete Art und Weise ein derartiges System zu implementieren den Vorteil der Flexibilität der Empfängerarchitektur zu nehmen, wodurch der Prozessor 110 das Verhalten der Kanäle CH1 bis CHN steuert. 8 ist ein Flussdiagramm, das ein mögliches Verfahren zum Betreiben des Empfängers illustriert. Der erste Schritt 502 ist das Einschalten des Empfängers, der zunächst in die Erfassungsphase 504 eintritt. Darin richtet der Prozessor 110 jeden der Kanäle CHI bis CHN auf einen Fern-Sender und jeder Kanal versucht das Signal von dem Sender zu verfolgen, auf den er gerichtet ist. Wenn der Prozessor bestimmt, dass genügend Signale erfasst worden sind um gute Lageninformation zu erfassen, kann er entscheiden, in eine Beschleunigungsmess phase 506 einzutreten. Hier haben einige der Kanäle CH1 bis CHN ihre Parameter modifiziert um weniger genaue Schleifen 40b zu werden. Jede Schleife 406 wird auf einen Fern-Sender gerichtet, der bereits von einer genauen Schleife 402 verfolgt wird und das kombinierte Ausgangssignal der Schleifen wird benutzt, wie oben beschrieben, zum Ermitteln der Beschleunigung.
Wenn die Qualität der empfangenen Signale sich verschlechtert, kann der Prozessor 110 entscheiden, dass eine oder mehrere der weniger genauen Schleifen 406 als genaue Schleife 402 neu konfiguriert und auf einen nicht verfolgten Fern-Sender gerichtet wird, um die Qualität des Lagendilemmas zu verbessern. Diese Flexibilität ermöglicht es, dass ein maximaler Aufwand eingesetzt wird beim Erreichen genauer Lageninformation, wenn es geeignet ist, während Kanäle abgelenkt werden von der Beschleunigungsmessung, wenn sie sich erübrigen.
Nun wird näher betrachtet, wie kinematische Parameter höherer Ordnung erhalten werden können (ruchartige Bewegung). Wenn statt der linearen Variation der Frequenz mit der Zeit, wie in der Gleichung 10 vorausgesetzt, eine quadratische Variation vorausgesetzt wird, dann kann in der n. Messperiode die Frequenz wie folgt geschrieben werden: F(t) = f(tn-1) + an(t-tn-1) + bn(t-tn-1)2 (23)wobei a_n und b_n Konstanten sind für die n. Messperiode. Entsprechend der für die zwei FFIs erster Ordnung oben beschriebenen Prozedur wird die Gleichung 18 wie folgt modifiziert:
Diese Gleichung kann integriert werden zum Erzielen einer Beziehung zwischen den genauen und weniger genauen Schleifenlauffrequenzen und den aktuellen Beschleunigungs- und Ruckbewegungsparametern, a_n und b_n. Da es zwei Unbekannte (a_n und b_n) gibt, sind zwei Gleichungen erforderlich, die dadurch geschaffen werden können, dass man zwei weniger genaue Schleifen mit bestimmten Werten von α hat. Eine geeignete Wahl kann sein, dass man eine Schleife hat, worin α durch Bezugnahme auf die maximale Beschleunigung und ihre Dauer, wie oben beschrieben, bestimmt wird, und eine zweite Schleife mit einem etwas höheren Wert von α.
Es ist ersichtlich, dass zusätzliche kinematische Parameter höherer Ordnung auf eine analoge Art und Weise erhalten werden könnten, wobei jeder Parameter einen Term zu der Darstellung der Frequenz hinzufügt und eine zusätzliche Schleife erfordert.
Auf alternative Art und Weise können dadurch, dass man nur zwei Schleifen hat und die erste Schleife als eine PLL der Ordnung n und die zweite Schleife als eine FLL der Ordnung n-2 konfiguriert (oder eine PLL der Ordnung n-1), dynamische Parameter höherer Ordnung unmittelbar aus der Differenz in den laufenden Frequenzen (oder Phasenfehlern) der Schleifen ermittelt werden, wie oben zur Beschleunigung (mit n=3) dargestellt worden ist. Dies alles ist erforderlich, dass die beiden Schleifen mit denselben Zeitkonstanten kritisch gedämpft werden, wie oben in Bezug auf die Beschleunigung beschrieben. Die Anforderung für eine kritische Dämpfung in Bezug auf Schleifen höherer Ordnung wird dadurch Erfüllt, dass die Wurzeln der betreffenden Hilfsgleichung gleich -k oder -k(1 ± i) sind.
Es sei ebenfalls bemerkt, dass eine Codeverfolgungsschleife verwendet werden kann um die PLL sowie die FLL, die zur Messung der Beschleunigung verwendet werden, oder Parameter höherer Ordnung zu betreiben. In der Praxis gibt es einen gewissen Vorteil dies zu tun, da zusätzliche Kanäle, die je eine Codeverfolgungsschleife haben, die zum Beschleunigen der Erfassung verwendet werden, auf einfache Art und Weise auf Beschleunigungsmessung geschaltet werden können, wenn alle Satelliten erforderlich sind.
Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung dürften dem Fachmann andere Abwandlungen einfallen. Solche Abwandlungen können andere Merkmale betreffen, die im Bereich der elektronischen Navigationsgeräte und -verfahren bereits bekannt und statt der oder zusätzlich zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen verwendbar sind.
Industrielle Anwendung
Die vorliegende Erfindung hat einen großen Bereich industrieller Anwendung im Bereich der elektronischen Navigation, insbesondere der Fahrzeugnavigation.
Text in der Zeichnung
5

Frequenzfehler (Hz)
PLL dritter Ordnung
FLL erster Ordnung
Zeit (s)

6

Beschleunigung
Zeit

8

EIN
Erfassung
Beschleunigung

Claims

Elektronisches Navigationsgerät mit einem ersten und einem zweiten Verfolgungskanal, wobei der erste Verfolgungskanal eine Trägerverfolgungsschleife hat, vorgesehen zur genauen Verfolgung der Frequenz des Fernsenders, wenn diese empfangen worden ist, wobei der zweite Verfolgungskanal eine Verfolgungsschleife hat, vorgesehen zur weniger genauen Verfolgung unter dynamischen Umständen der Frequenz des Fernsenders, wenn empfangen, und Mittel zum Kombinieren der genau und weniger genau verfolgten Frequenzen zum Liefern eines Maßes eines kinematischen Parameters des Navigationsgeräts gegenüber dem Fernsender.
Elektronisches Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genaue Verfolgungsschleife eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n ist, wobei die weniger genaue Verfolgungsschleife eine frequenzverriegelte Schleife der Größenordnung n-2 Informationssignal und dass der bestimmte kinematische Parameter von der Größenordnung n ist.
Elektronisches Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genaue Verfolgungsschleife eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n ist, wobei die weniger genaue Verfolgungsschleife eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n-1 ist und der bestimmte kinematische Parameter von der Größenordnung n ist.
Elektronisches Navigationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur dynamischen Selektion der Schleifenantwortfunktion einer Trägerverfolgungsschleife, abhängig von der der Schleife zugeordneten Aufgabe.
Elektronisches Navigationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur dynamischen Zuordnung eines oder meh rerer Verfolgungskanäle zur Verfolgung der Frequenz eines Fernsenders, wenn empfangen.
Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Navigationsgeräts mit einem ersten und einem zweiten Verfolgungskanal, wobei der erste Verfolgungskanal eine Trägerverfolgungsschleife aufweist zur genauen Verfolgung der Frequenz eines Fernsenders, wenn empfangen, wobei der zweite Verfolgungskanal eine Verfolgungsschleife hat, vorgesehen zur weniger genauen Verfolgung unter dynamischen Bedingungen der Frequenz des Fernsenders, wenn empfangen, wobei das Verfahren das Kombinieren der genau und weniger genau verfolgten Frequenzen zum Schaffen eines Maßes eines kinematischen Parameters des Navigationssystems in Bezug auf den Fernsender.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die genaue Verfolgungsschleife eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n ist und wobei die weniger genaue Verfolgungsschleife eine frequenzverriegelte Schleife der Größenordnung n-2 ist, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte kinematische Parameter von der Größenordnung n ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die genaue Verfolgungsschleife eine phasenverriegelte Schleife der Größenordnung n ist und die weniger genaue Verfolgungsschleife eine frequenzverriegelte Schleife der Größenordnung n-1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte kinematische Parameter von der Größenordnung n ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei dieses Verfahren weiterhin das Selektieren einer Schleifenreaktionsfunktion für eine Trägerverfolgungsschleife umfasst, geeignet für die Aufgabe, die der Schleife zugeordnet worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei dieses Verfahren weiterhin das Zuordnen eines oder mehrere Verfolgungskanäle umfasst, und zwar zum Verfolgen der Frequenz eines einzigen Fernsenders, wenn empfangen.