FI115167B - Menetelmä ja järjestelmä sijainninmäärityksessä sekä laite - Google Patents

Description

115167

Menetelmä ja järjestelmä sijainninmäärityksessä sekä laite

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu menetelmään laitteen sijainnin mää-5 rittämiseksi, jossa suoritetaan mittauksia ainakin ensimmäisen paikan-nusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä toisen paikannusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja jossa kukin mittaus määrittää laitteen sijainnille geometrisen pinnan. Keksintö kohdistuu lisäksi järjestelmään laitteen sijainnin määrittämi-10 seksi, jossa on välineet mittausten suorittamiseksi ainakin ensimmäisen paikannusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä toisen paikannusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja välineet jossa geometrisen pinnan määrittämiseksi laitteen sijainnille mittausten perusteella. Keksintö kohdistuu vielä laitteeseen, 15 jossa on välineet mittausten suorittamiseksi ainakin ensimmäisen paikannusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä toisen paikannusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja välineet jossa geometrisen pinnan määrittämiseksi laitteen sijainnille mittausten perusteella. Keksintö kohdistuu myös ohjelmaan sekä 20 tallennusvälineeseen ohjelman tallentamiseksi, joka ohjelma käsittää koneellisesti suoritettavissa olevia ohjelmakäskyjä laitteen sijainnin . .a määrittämiseksi, jossa ohjelmassa on ohjelmakäskyjä mittauksien ; suorittamiseksi ainakin ensimmäisen paikannusaseman ja laitteen : välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä ainakin toisen

• I

· 25 paikannusaseman ja laitteen välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja jossa ainakin yksi mittaus määrittää laitteen sijainnille geometrisen ;·*; pinnan, ja jotka mainitut ensimmäinen paikannusasema ja toinen paikannusasema kuuluvat eri järjestelmiin • · : ·’ 30 Keksinnön taustaa • · • · . Laitteen tai muun kohteen sijainninmääritys voidaan suorittaa usealla .···. eri menetelmällä. Tunnetaan satelliitteihin perustuvia järjestelmiä, joissa käytetään useita maata kiertävällä radalla olevaa satelliittia, 35 joista lähetetään signaaleita. Satelliittien lähettämiä signaaleita vas-·: i taanotetaan ja suoritetaan signaalien vastaanoton perusteella erilaisia 115167 2 mittauksia, joista kohteen sijainti pyritään selvittämään. Signaalien mittaus suoritetaan joko laitteessa, jonka sijaintia selvitetään, ja/tai jollakin sijainniltaan tunnetulla maa-asemalla, kuten matkaviestinverkon tukiasemalla. Tällaisia satelliittipaikannusjärjestelmiä ovat mm. GPS 5 (Global Positioning System) ja GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System). Satelliitteihin perustuvan sijainninmäärityksen etuna on mm. se, että sijainti saadaan edullisissa olosuhteissa määritettyä suhteellisen tarkasti. Suhteellisen edullisillakin vastaanottimilla voidaan sijainninmääritys suorittaa jopa muutamien metrien tarkkuudella. Täl-10 lainen tilanne on usein avoimilla paikoilla, joissa satelliittien signaalia vaimentavia esteitä ei juurikaan ole. Sen sijaan huonoissa olosuhteissa, jolloin signaalinvoimakkuus on heikko, sijainninmääritys satelliittien signaalin perusteella ei välttämättä ole edes mahdollista. Tällainen tilanne syntyy usein kaupungeissa ja erityisesti sisätiloissa, joissa sig-15 naali joutuu kulkemaan rakennuksen rakenteiden läpi. Lisäksi jos vastaanottimella ei saada vastaanotettua riittävän monen satelliitin signaalia, sijainninmääritystä ei tällöin pystytä suorittamaan pelkästään satelliittipaikannusjärjestelmän avulla.

20 Matkaviestimen sijainti voidaan nykyisin määrittää tukiasemapohjai- : sesti. Tällöin mittauksia suoritetaan matkaviestinverkon tukiasemien ja ; _ matkaviestimen välillä lähetettävien signaalien perusteella. Sijainnin- ; määrityksessä käytetään esimerkiksi signaalien kulkuaikojen eroja • · * * · ’ * matkaviestimen ja eri tukiasemien välillä. Sijainninmääritystarkkuus on : 25 tällaisessa järjestelmässä tyypillisesti luokkaa 100 metriä tai huonompi riippuen tukiaseman kuuluvuusalueen eli solun koosta. Mitä pienempi on solun koko, sitä parempi on sijainninmääritystarkkuus. Solun koko ei välttämättä ole sama vaan se voi vaihdella. Tavallisesti tiheämmin .. . asutuilla alueilla, kuten kaupungeissa, tukiasemia on enemmän eli so- 30 lun koko on pienempi, kun taas seuduilla, joilla on vähemmän asutusta, tukiasemia on harvemmassa eli solun koko on suurempi. Jos tukiase-; ; millä käytetään suuntaavia antenneja, voidaan sijainninmääritystark- kuutta jossain määrin parantaa. Etuna tällaisessa tukiasemapohjaises-sa sijainninmäärityksessä on mm. se, että sen käyttäminen ei edellytä 35 erillisen sijainninmääritysvastaanottimen käyttöä, vaan sijainninmääri-•: * : tyksessä voidaan käyttää matkaviestintä.

115167 3

On kehitetty myös sijainninmäärityslaitteistoja, joissa edellä esitetyt menetelmät on yhdistetty. Tällaisessa hybridijärjestelmässä käytetään sekä satelliitteja että tukiasemia hyväksi laitteen sijaintia määritettäes-5 sä.

Satelliitteihin perustuvassa sijainninmäärityksessä on vastaanotettava vähintään kolmen eri satelliitin signaali kolmiulotteisen sijaintiratkaisun aikaansaamiseksi (x, y, z: leveys- ja pituuspiiri sekä korkeus), mikäli 10 vastaanottimessa on tarkka aikatieto. Esimerkiksi GPS-jäijestelmän satelliiteissa käytetään tarkkoja atomikelloja, joiden käyntitarkkuutta seurataan maa-asemilla. Satelliittien kellojen aikatietoa voidaan tarvittaessa säätää näiden maa-asemien suorittamien mittausten perusteella. Tavanomaisissa, kaupallisissa sijainninmääritysvastaanottimissa 15 ei sen sijaan ole mahdollista käyttää tällaisia atomikelloja mm. siitä syystä, että ne ovat erittäin arvokkaita ja vaativat suhteellisen tasaiset ympäristöolosuhteet luotettavan toiminnan takaamiseksi. Tällöin tarvitaan vielä neljännen satelliitin signaali, jotta myös aikavirhe voidaan selvittää.

20 ·; : Tukiasemiin perustuvassa sijainninmäärityksessä on matkaviestimessä : vastaanotettava vähintään kahden tukiaseman signaalia, jotta vas- ! taanottimen sijainti voidaan selvittää kaksiulotteisesti (x,y: leveys-ja pituuspiiri). Toisaalta tukiasemapohjainen sijainnin määritys voidaan : 25 suorittaa myös toisinpäin, eli kahdella tai useammalla tukiasemalla •« * i ' ,· vastaanotetaan matkaviestimen signaalia ja suoritetaan kaksiulotteinen sijainninmääritys tukiasemien vastaanottamien signaalien perusteella. Kolmiulotteinen sijainninmääritys ei nykyisin tunnetuissa tukiasema-: · f , pohjaisissa sijainninmääritysjärjestelmissä ole mahdollista.

LV 30 *···' Tunnetun tekniikan mukaisissa sijainninmääritysjärjestelmissä sijainti pyritään määrittämään iteratiivisesti epälineaaristen yhtälöryhmien .···. avulla. Lisäksi voidaan käyttää ylimääritystä, eli ratkaistavia yhtälöitä on enemmän kuin tuntemattomia. Käytännössä tämä merkitsee sitä, 35 että vastaanotetaan useampia signaaleita kuin vähimmäismäärä. Yh-·:··: tälöryhmien ratkaisemisessa voidaan käyttää esimerkiksi pienimmän 115167 4 neliösumman menetelmää ja etsiä minimikohtaa. Ongelmana on mm. se, että mikäli on käytetty oletussijaintia ja se on merkittävästi virheellinen, tai painottamalla eri mittauksia epäedullisesti, saattaa iteratiivinen laskenta johtaa väärän minimikohdan löytymiseen. Tämä merkitsee 5 sitä, että määritetty sijainti ei ole oikea.

Keksinnön lyhyt yhteenveto

Nyt esillä olevan keksinnön eräänä tarkoituksena on aikaansaada pa-10 rannettu menetelmä ja järjestelmä sijainnin määrittämiseksi sekä laite, jossa menetelmää sovelletaan. Keksinnössä hyödynnetään iteratiivisen laskennan sijasta suljettua laskentaa, jolla sijaintiratkaisu pyritään selvittämään. Ratkaisussa käytetään ylimäärityksen sijasta minimimäärää mittaustuloksia, eli käytännössä kolmen eri signaalin mittausta kun ha-15 lutaan saada kolmiulotteinen sijaintiratkaisu. Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että suoritettavien mittausten perusteella määritetään geometrisiä pintoja, joiden leikkauskohdat selvitetään laskennallisesti. Yksi tällaisista leikkauskohdista on lähinnä todellista sijaintia, jolloin tätä leikkauskohdan koordinaattitietoa voidaan käyttää sijaintiratkaisu-20 na. Geometriset pinnat ovat korkeintaan neliöllisiä eli toisen asteen pintoja (quadratic surfaces, quadrics). Lisäksi pyritään siihen, että mää-. . ritetyistä pinnoista on neliöllisiä pintoja mahdollisimman vähän, mie- ; luimmin vain yksi, muiden pintojen ollessa tasoja. Täsmällisemmin il- : maistuna nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle on pää- j.j I 25 asiassa tunnusomaista se, että menetelmässä valitaan mittausten pe- rusteella geometrinen malli, joka käsittää korkeintaan neliöllisiä pintoja, .··*. suoritetaan valitun geometrisen mallin yksinkertaistaminen neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, sijoitetaan mittaustulokset yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja määritetään laitteen sijainti : 30 ratkaisemalla yksinkertaistettu geometrinen malli. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle järjestelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, /:*. että järjestelmä käsittää välineet korkeintaan neliöllisiä pintoja käsittävän geometrisen mallin valitsemiseksi mittausten perusteella, välineet valitun geometrisen mallin yksinkertaistamiseksi neliöllisten 35 pintojen lukumäärän pienentämiseksi, välineet mittaustulosten ·; ·· sijoittamiseksi yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja välineet 115167 5 yksinkertaistetun geometrisen mallin ratkaisemiseksi laitteen sijainnin määrittämiseksi. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle laitteelle on vielä pääasiassa tunnusomaista se, että laite käsittää välineet korkeintaan neliöllisiä pintoja käsittävän geometrisen mallin valitsemi-5 seksi mittausten perusteella, välineet valitun geometrisen mallin yksinkertaistamiseksi neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, välineet mittaustulosten sijoittamiseksi yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja välineet yksinkertaistetun geometrisen mallin ratkaisemiseksi laitteen sijainnin määrittämiseksi. Nyt esillä olevan 10 keksinnön mukaiselle ohjelmalle on pääasiassa tunnusomaista se, että ohjelmassa on lisäksi ohjelmakäskyjä, joilla valitaan mittausten perusteella geometrinen mallin, joka käsittää korkeintaan neliöllisiä pintoja, suoritetaan valitun geometrisen mallin yksinkertaistaminen 15 neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, sijoitetaan mittaustulokset yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja - määritetään laitteen sijainti ratkaisemalla yksinkertaistettu geometrinen malli.

20 : Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle tallennusvälineelle on vielä • · . . pääasiassa tunnusomaista se, että tallennusvälineelle tallennetussa ; ohjelmassa on lisäksi ohjelmakäskyjä, joilla - valitaan mittausten perusteella geometrinen malli, joka käsittää ·.· j 25 korkeintaan neliöllisiä pintoja, - suoritetaan valitun geometrisen mallin yksinkertaistaminen .·*·. neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, sijoitetaan mittaustulokset yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja :t ;* 30 - määritetään laitteen sijainti ratkaisemalla yksinkertaistettu ,.: geometrinen malli.

• · ’·;·* Nyt esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan etuja tunnetun tekniikan 35 mukaisiin ratkaisuihin verrattuna. Keksinnön mukaisessa menetelmäs-·;··· sä tarvittava laskenta on huomattavasti vähäisempää kuin esimerkiksi 115167 6 iteratiiviseen laskentaa perustuvissa ratkaisuissa. Tällöin laitteessa tarvittava laskentateho voi olla pienempi. Keksinnön mukaista menetelmää sovellettaessa saadaan kaikki mahdolliset sijaintiratkaisut, joista oikea voidaan päätellä jollakin sopivalla kriteerillä. Iteratiivinen mene-5 telmä sen sijaan antaa vain yhden sijaintiratkaisun, joka ei välttämättä ole kuitenkaan oikea. Lisäksi sijainninmäärityksen suorittaminen on nopeampaa, mikä myös vähentää laitteen tehonkulutusta. Sijainnin-määritys toimii paremmin myös heikoissa signaaliolosuhteissa verrattuna pelkästään satelliittipohjaisiin järjestelmiin. Keksinnön mukaista 10 menetelmää voidaan käyttää myös tilanteessa, jossa ei ole riittävästi mittauksia käytettäessä ylimääritystä soveltavia menetelmiä varten.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, jossa 15 kuva 1 esittää erästä esimerkkiä keksinnön mukaista menetelmää soveltavasta sijainninmäärityksestä, kuva 2 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista 20 laitetta pelkistettynä lohkokaaviona, • » . . kuva 3a esittää kolmen eri pinnan avulla tehtävää sijainninmääritys- : ta, • .

:.j · 25 kuva 3b esittää kuvan 3a tilannetta muunnettuna siten, että yksi !' ·': neliöllinen pinta on korvattu tasopinnalla, ja • * kuva 3c esittää tilannetta, jossa geometrinen malli käsittää tason . sekä kaksi neliöllistä pintaa, joista yksi on pallopinta.

• i » 30 :: Keksinnön edullisen suoritusmuodon yksityiskohtainen kuvaus • > * i.. Seuraavassa selostetaan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon • · "·;·* mukaista menetelmää kuvan 1 tilanteessa. Laitteessa 1 vastaanote- 35 taan eri lähettimien lähettämiä signaaleita. Laitteessa 1 pyritään vas-;··: taanottamaan ainakin kahden eri järjestelmän lähettämiä signaaleita.

11516? 7

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään sopivimmin satelliittipaikannusjärjestelmää ja matkaviestinverkon tukiasemia, jolloin signaalit voivat olla satelliittien 2 lähettämiä signaaleita ja tukiasemien 3 lähettämiä signaaleita. Tällaisista lähetysasemista käytetään tässä se-5 lityksessä myös yhteistä nimitystä paikannusasema. Signaalien perusteella pyritään selvittämään erilaisia mittaustuloksia, kuten signaalin lähettäneen paikannusaseman ja kohteen välinen etäisyys ja/tai pseu-doetäisyys, ja yhden paikannusaseman ja kohteen eli laitteen 1 välisen etäisyyden ja jonkin toisen paikannusaseman ja laitteen 1 välisen etäi-10 syyden (tai pseudoetäisyyden) ero. Lisäksi voidaan pyrkiä määrittämään laitteen 1 kellon aikaero satelliittijärjestelmän aikaan nähden.

Keksinnön mukainen menetelmä voidaan edullisesti jakaa neljään vaiheeseen seuraavasti: Mittausvaiheessa suoritetaan signaalien vas-15 taanotto ja mittausten tekeminen vastaanotettujen signaalien perusteella. Tarvittaessa suoritetaan vielä mittaustulosten arviointi sen selvittämiseksi, mitkä mittaukset ovat käyttökelpoisia sijainninmäärityk-sessä käytettäväksi. Sen jälkeen kun riittävä määrä käyttökelpoisia mittauksia on suoritettu, suoritetaan muunnosvaihe, jossa mittaustu-20 losten perusteella muodostetaan geometrisessa muodossa olevia yh- : tälöryhmiä. Lisäksi suoritetaan geometrian yksinkertaistaminen, mikäli • · . . mahdollista. Yksinkertaistaminen suoritetaan esimerkiksi redusoimalla ; tai jollakin muulla sopivalla tavalla. Tavoitteena on määrittää ratkaisu, : ' joka on määritettävissä neliöllisen pinnan ja viivan, sopivimmin · 25 neliöllisen pinnan ja suoran leikkauskohtien avulla. Muunnosvaiheen jälkeen ratkaisuvaiheessa etsitään geometriselle ongelmalle ratkaisu, ;··*. eli etsitään eri geometristen muotojen leikkauspisteet. Minimaalisesti määritetty ongelma tuottaa tavallisesti kaksi erillistä ratkaisua, jolloin .. . jollakin lisäkriteerillä voidaan pyrkiä selvittämään se, kumpi ratkaisu on 30 oikea. Nämä lisäkriteerit voivat olla esim. laitteen 1 maksi- • · * mi/minimietäisyys tukiasemasta 3, maksimi/minimikorkeus, jne. Nämä tiedot voidaan saada esimerkiksi tukiasemasta 3 erillisenä avusteena ,···. (viiva 4 kuvassa 1). Ratkaisuvaiheen jälkeen arviointivaiheessa T pyritään arvioimaan ratkaisuvaiheessa saadun ratkaisun virhe ja 35 edullisesti vielä vertaamaan ratkaisua ja/tai virhettä joihinkin ennalta ; · ·: määritettyihin raja-arvoihin.

8 1 15167

Seuraavaksi tarkastellaan yksityiskohtaisemmin edellä kuvattuja eri vaiheita. Oletetaan, että tarkoituksena on määrittää laitteen 1 kolmiulotteinen sijainti. Lisäksi oletetaan, että laitteen 1 sijainti on jollakin 5 tarkkuudella tiedossa, esim. muutaman sadan kilometrin tarkkuudella. Joissakin tapauksessa tämä oletussijainti voi olla tarkempikin, esimerkiksi luokkaa GSM-matkaviestinverkon solun koko. Tämän jälkimmäisen oletuksen perusteella voidaan jonkin verran yksinkertaistaa sijainti-ratkaisun selvittämisessä käytettävää geometriaa. Ongelman ratkaise-10 misessa sovelletaan paikalliskoordinaatistoa, tässä esimerkissä ENU-koordinaattijärjestelmää (East-North-Up), jossa origo asetetaan johonkin vertailupisteeseen, joka on riittävän lähellä laitteen 1 oletussijaintia. Keksintöä ei kuitenkaan ole rajoitettu tällaiseen koordinaattijärjestel-mään, vaan se on helposti yleistettävissä muihinkin koordinaattijärjes-15 telmiin, kuten maakeskeiseen koordinaatistoon ECEF (Earth-Centered Earth-Fixed) ja satunnaisesti valittuun vertailupisteeseen.

Paikannusasemat voivat olla suhteellisen lähellä käyttäjän laitetta 1, kuten matkaviestinverkon tukiasemat 3, tai kaukana laitteesta 1, kuten 20 satelliitit 2. Kaukana olevien paikannusasemien tapauksessa voidaan olettaa, että etäisyysvektori laitteesta 1 paikannusasemaan on vakio . koko tutkittavalla alueella, eli sillä alueella, jossa laitteen 1 oletetaan : : ; sijaitsevan. Esimerkiksi GPS-järjestelmän satelliittien tapauksessa tä män oletuksen aiheuttama virhe on korkeintaan 2,5 m, kun laite 1 on : 25 korkeintaan 10 km:n etäisyydellä vertailupisteestä.

Mittaukset

Merkitään laitteen 1 sijaintia vektorilla x = [x,y,zj ja paikannusasemi-•(i30 en sijaintia vektoreilla η, s2, .... s„s. Menetelmässä käytettävät mit- taustyypit ja niitä vastaavat yhtälöt ovat seuraavanlaisia:

Laitteen 1 ja paikannusaseman 2, 3 välistä etäisyyttä merkitään yhtä-I, löllä: » t *···; 35 115167 9 ||S/ - χ|| = , missä i on mittauksen numero. (1)

Laitteen 1 ja tukiaseman 3 välistä biasoitua etäisyyttä (pseudoetäi-syyttä) merkitään yhtälöllä: 5 |K_XI + Pi =mi (2)

Laitteen 1 ja satelliitin 2 välistä biasoitua etäisyyttä (pseudoetäisyyttä) merkitään yhtälöllä: 10

sT

-|T1 x + A=^-N (3)

IKI

Laitteen 1 korkeusmittausta merkitään vielä yhtälöllä: 15 ulpx = mi (4)

Yhtälön (3) mukainen kaukaisen pseudoetäisyyden mittausyhtälö perustuu ensimmäisen asteen Taylorin approksimaatioon

s T

" ||s — x|| = ||s|| — τη? x- Kun ||x||<||s|> voidaan osoittaa, että

: INI

1 ||x||2||s||2 i ||x|2 20 approksimointivirhe on korkeintaan luokkaa— —!-i --Mr·

2 (IHHMlF 2 IN

* * « • * · • ·

Laitteen 1 kellon aikavirheen arvio β,·, eli arvioitu ero laitteen 1 oman aikatiedon ja paikannusaseman ajan välillä voi olla sama eri mittauk-·· sissa, jos paikannusasemat on synkronoitu keskenään. Tilanteessa, 25 jossa eri järjestelmiin kuuluvien paikannusasemin välillä ei aikaa ole synkronoitu, tarvitaan tavallisesti erilaiset aikavirheen arviot eri mit-: tauksissa. Tällainen tilanne on esimerkiksi tapauksessa, jossa matka- ;·: viestinverkkoa ei ole synkronoitu satelliittipaikannusjärjestelmän aika- I· tietoon.

30

Geometrinen malli 10 115167

Seuraavaksi tarkastellaan geometrista mallia, jota käytetään sijaintiratkaisun selvittämisessä. Tämä geometrinen malli koostuu kolmiulotteisista pinnoista siten, että laitteen 1 sijainti on yhdessä eri pintojen yh-5 teisessä leikkauspisteessä. Tämä oletus pätee luonnollisesti sellaisissa tapauksissa, joissa virheitä ei esiinny. Käytännössä yhteinen leikkauspiste ei yleensä ole aivan tarkasti sama kuin laitteen 1 todellinen sijainti. Kukin pinta vastaa yhtä mittausta (esim. etäisyys tai korkeus) tai mittausparia (esim. pseudoetäisyyksien ero).

10

Etäisyysmittaus (1) määrittää pallopinnan (sphere), jonka keskipiste sijaitsee paikannusaseman sijaintikohdassa s„s. Tällöin laitteen 1 oletettu sijainti on jossakin kohdassa tällä pallopinnalla.

15 Pseudoetäisyysmittaukset (2) ja (3) sisältävät aikavirhetermin β,, joka voidaan eliminoida muodostamalla mittauspareja, jolloin mittauspari määrittää etäisyyseron. Mikäli eri järjestelmiin kuuluvat paikannusase-mat eivät ole synkronoituja keskenään, on mittauspareina käytettävä sellaisia mittauksia, joissa paikannusasemat kuuluvat samaan järjes-20 telmään. Tällaisia mittauspareja voidaan muodostaa siis kahden satel-liitin 2 ja laitteen 1 pseudoetäisyysmittauksista sekä kahden tukiase- . . man 3 ja laitteen 1 pseudoetäisyysmittauksista.

* * · * 1 * · ' : Käytettäessä mittausparien muodostuksessa satelliitteja 2, mittauksien » > i.i i 25 perusteella laskettu etäisyysero määrittää tasopinnan. Tällöin n kpl : : satelliittimittausta määrittää n-1 tasoa. Tämä pätee edellä esitetyllä .' . oletuksella, että laite 1 sijaitsee suhteellisen lähellä vertailupistettä.

,. , Mittauspareina voi olla myös satelliitti 2 ja tukiasema 3, mikäli tukiase- : 30 mat on synkronoitu keskenään eli tukiasemat on synkronoitu satelliitti- järjestelmän aikatietoon. Tällä tavalla muodostettu etäisyysero määrit-tää paraboloidin. Kaikki mittausparit on tällöin muodostettu sopivimmin siten, että niissä on käytetty samaa satelliittia. Tällöin n kpl pseudoetäi-;* syysmittausta määrittää yhden satelliitin pseudoetäisyysmittauksen 35 kanssa n paraboloidia.

tili· 115167 11

Kun mittauspareina käytetään tukiasemia 3 tai muita maa-asemia, määrittää kukin mittauspari hyperboloidin, tai itse asiassa kaksiosaisen hyperboloidin yhden osan (haaran). Tässä keksinnössä käytetään tuki-5 asema-tukiasema -mittauspareja ainoastaan tilanteissa, joissa tukiasemia ei ole synkronoitu satelliitteihin sekä tilanteissa, joissa mittauksia ei voida suorittaa satelliittisignaaleista riittävän luotettavasti. Tässä tapauksessa n kpl pseudoetäisyysmittausta määrittää n-1 hyperboloidia.

10 Korkeusmittaus (4) määrittää vielä tason, joka on maan pinnan suuntainen.

Nyt esillä olevan keksinnön mukaisessa geometrisessa mallissa käytettävät pinnat ovat joko tasoja tai neliöllisiä pintoja. Tasomaiset pinnat 15 voidaan yleisesti esittää yhtälöllä: nTjX = aj (5)

Neliölliset pinnat voidaan vastaavasti esittää neliöllisen pyörähdyspin-20 nan osina seuraavalla yhtälöllä: *·{·* t * :.: : |s;- x||+n j Tx = aj (6) » > . · * missä j tarkoittaa pinnan indeksiä. Useampi pinta voi käsittää saman 25 paikannusaseman. Vektorin nTj pituus määrittää neliöllisen pinnan tyy-: pin seuraavasti: jos j|n,||>i, kyseessä on hyperboioidi, arvolla ||n,.||=l kyseessä on paraboloidi, mikäli n, = 0, pinta on pallopinta, ja vielä ellip-. soidipinnan tapauksessa 0<||η,||<ι. Tämän keksinnön mukaista mene- .··. telmää soveltavissa hybridipaikannusjärjestelmissä ei kuitenkaan 30 yleensä ole tarve käyttää ellipsoidipintoja.

t * ·

On selvästi havaittavissa, että kun etäisyysero muodostetaan tukiase-, * ·. man 3 ja satelliitin 2 mittauksista, pinta noudattaa yhtälöä (6), jossa en simmäinen termi vastaa tukiaseman 3 ja laitteen 1 pseudoetäisyysmit- 115167 12 tausta ja toinen termi vastaa satelliitin 2 ja laitteen 1 pseudoetäisyys-mittausta.

Tukiasemien välisen etäisyyseron määrittämän pinnan yhtälö selvite-5 tään seuraavaksi. Määritetään etäisyysero vähentämällä kahden tukiaseman 3 ja laitteen 1 väliset pseudoetäisyydet toisistaan. Tällöin saadaan yhtälö ΙΚ·-χΙΙ-|^·-χΙΙ=^ν <7) 10 missä i on ensimmäisen tukiaseman indeksi ja j on toisen tukiaseman indeksi. Tämä yhtälö voidaan uudelleen järjestää muotoon (8, ai,j lai,j 15

Voidaan havaita, että yhtälö (8) on samaa muotoa kuin yhtälö (6), eli kyseessä on neliöllinen pyörähdyspinta.

,. : Mittaukset pyritään valitsemaan siten, että sijaintiratkaisussa käytettävä 20 geometrinen malli on mahdollisimman yksinkertainen. Esimerkiksi jos * *: ; käytettävissä on sekä satelliittien että tukiasemien pseudoetäisyysmit- : : tauksia, pyritään sopivimmin muodostamaan mahdollisimman monta i.i i satelliittien pseudoetäisyyksien erotusta, koska tällöin kyseessä ovat tasopinnat. Lisäksi muodostetaan yksi tai useampi satelliittien ja tuki-:·*. 25 asemien pseudoetäisyyksien erotus, joka on paraboloidipinta. Tuki asemien pseudoetäisyyksien erotusta (=hyperboloidipinta) käytetään .. . sopivimmin vain silloin, kun satelliittien pseudoetäisyysmittauksia ei ole : käytettävissä, tai kun tukiasemat eivät ole synkronoituna satelliittijär- jestelmän aikaan.

30 • » · ,···. Nyt esillä olevassa keksinnössä pyritään geometrista mallia vielä yk- sinkertaistamaan siten, että ratkaistavana olevassa geometriassa on tasopintojen ja/tai viivojen lisäksi korkeintaan yksi neliöllinen eli toisen » I » * · 13 115167 asteen pinta. Tämän aikaansaamiseksi käytetään sinänsä tunnettua ominaisuutta, jolla kahden neliöllisen pinnan, joilla on sama polttopiste, leikkauspisteet voidaan ratkaista korvaamalla yksi näistä neliöllisistä pinnoista tasolla. Tällöin tason ja toisen neliöllisen pinnan leikkauspis-5 teet ovat samat kuin alkuperäisten neliöllisten pintojen leikkauspisteet.

Kahden neliöllisen pinnan leikkaus voidaan ratkaista yhtälöllä .h-AW*-* (9) hj -xll + ny x = dj 10 missä joko Si=sj tai Ensimmäisessä tapauksessa (si=sJ·) yhtälön (9) geometrinen malli redusoituu muotoon , oo, x = <3,· - cij jolloin kyseessä on neliöllisen pinnan ja tason leikkaus.

15

Vastaavasti jälkimmäisessä tapauksessa («/=«y) yhtälön (9) geometrinen malli redusoituu muotoon • f "· |s,-x|+n,.rx = ai ;;;I [2((0/ - aj K·+s* Yx=af -α) + ||*y f - h ||2 ’ * * > * · ;;:: 20 joka myös on neliöllisen pinnan ja tason leikkaus.

» * '» » · 1 »

Useimmat taso—neliöllinen pinta—neliöllinen pinta -tapausten leikkauspisteet voidaan ratkaista käyttämällä näitä redusoituja kaavoja (10) ja (11). Jopa neliöllinen pinta—neliöllinen pinta—neliöllinen pinta - f > .···. 25 tapaukset voidaan muuntaa viiva—neliöllinen pinta -tapaukseksi suo- • * rittamalla redusointi kahdesti. Todettakoon kuitenkin se, että redusointi : on mahdollinen ainoastaan sellaisissa tilanteissa, joissa jokaisella kah- den neliöllisen pinnan muodostamalla parilla on yhteinen polttopiste. Geometrisen mallin redusointi viiva—neliöllinen pinta -tapaukseksi on • · 115167 14 aina mahdollista suorittaa, jos kaikki paikannusasemat on synkronoitu keskenään.

Geometrinen ratkaisu 5

Sen jälkeen kun geometrinen malli on redusoitu viivan ja neliöllisen pinnan leikkausmuotoon, voidaan suorittaa yhtälöryhmän ratkaiseminen laitteen 1 sijainnin selvittämiseksi. Viivan ja neliöllisen pinnan leikkaus voidaan esittää yhtälöllä 10 «2 * = d2, (12) ||s-x||+nrx = a Tämä voidaan ratkaista esimerkiksi seuraavasti. Muodostetaan viivan yhtälö, joka toteuttaa kaksi lineaarista yhtälöä yhtälössä (12).

15 x = p + Av, te R (13)

Yhtälössä (13) w on viivan yksikkösuuntavektori, joka saadaan yhtä-löllä 20 '•••j ulXu2 (U) : .·. Iluixu2| • · » «* · · t · · • · · ja p on jokin kyseisen viivan piste. Jatkolaskelmien helpottamiseksi • · · ·: voidaan p valita siten, että se toteuttaa seuraavan yhtälön 25 • (s-p)rw = (a-nrp)irw (15) I < | • · » m ,.J.. Tällä yhtälöllä on joitakin ei-suppenevia tapauksia lukuunottamatta yk- sikäsitteinen ratkaisu, joka voidaan selvittää seuraavan lineaarisen ’·;·* 30 yhtälöryhmän avulla.

I 1 · » ·

» I I

> * * * * · 115167 15 ui Γ di U2 p= d2 (16) ((wrn)i-wfj

Sijoittamalla yhtälöryhmään (12) muuttujan x paikalle yhtälön (13) mukainen määritelmä, saadaan seuraava yhtälö: 5 ||s-(p+ ^1 + 11^ + ^) = a (17) Tästä voidaan havaita, että yhtälössä on t ainoa muuttuja. Edellä esitetty p:n valinta aikaansaa sen, että ensimmäisen asteen termit voi-10 daan eliminoida neliöimällä yhtälö (17) ja jäijestelemällä termejä uudelleen. Tällöin saadaan seuraavanlainen yhtälö: i-^wf t2=(a-nTvf -|s-pf (18) 15 Kun tästä yhtälöstä (18) ratkaistaan t ja sijoitetaan näin ratkaistu t yhtälöön (13), on etsittävä sijainti esitettävissä yhtälöllä: • · : l(a-nTpf -||s-p||2 ‘"prrfr,rw • · t l ‘ · • * : 20 Yhtälöllä (19) voi olla kaksi ratkaisua, yksi ratkaisu tai ei yhtään ratkai- sua riippuen neliöjuuren sisällä olevan lausekkeen (diskriminantin) merkistä. Tilanne, jossa yhtälölle ei saada yhtään ratkaisua, voi johtua :v: mm. siitä, että mittauksissa on ollut suuria virheitä. Tällöin sijainnille x voidaan hyvänä oletuksena pitää arvoa p tai sijainti voidaan selvittää • · T 25 esim. pienimmän neliösumman avulla laskemalla, jossa mahdollisesti v : painotetaan eri mittauksia eri tavalla.

• I » • · • · ·

Esimerkki i i i I I · » · • · 16 115167

Seuraavaksi esitetään tason sekä kahden neliöllisen pinnan leikkauspisteiden ratkaiseminen eräässä esimerkkitapauksessa. Oletetaan, että käytettävissä on korkeusmittaus, yksi pseudoetäisyysmittaus satelliittiin 2 ja kaksi pseudoetäisyysmittausta tukiasemiin 3, jotka on synkronoitu 5 satelliittipaikannusjärjestelmän aikatietoon. Tätä tilannetta vastaava geometrinen malli on esitetty kuvassa 3a. Kuvaan 3a on tasoa merkitty viitteellä c1, ensimmäistä neliöllistä pintaa viitteellä c2 ja toista neliöl-listä pintaa viitteellä c3. Tason c1 ja ensimmäisen neliöllisen pinnan c2 leikkauskäyrää on merkitty viitteellä 301. Tason c1 ja toisen neliöllisen 10 pinnan c3 leikkauskäyrää on vastaavasti merkitty viitteellä 302. Ensimmäisen neliöllisen pinnan c2 ja toisen neliöllisen pinnan c3 leikkauskäyrää on vielä merkitty viitteellä 303 kuvassa 3a. Tason c1 määrittää korkeusmittaus 15 u lp\ = ml (20)

Neliölliset pinnat c2, c3 muodostetaan vähentämällä satelliitin pseu-doetäisyys (yhtälö 3)

T

,20 -j^jj x^-2-NI (21) ► » - # : kummastakin tukiaseman pseudoetäisyydestä (yhtälö 2) * V * * 1 · i v h-xl+P = m3 (22) 25 |js4-χ||+β = τη4 Tällöin voidaan neliölliset pinnat c2, c3 esittää muodossa • ·

/’ T

|s3-x||+j^j X = m3-m2+||s2|| (23)

T

30 IN-xll + jgj x = m4-m2 +I|s2| (24) 17 115167 Tässä tapauksessa pätee ehto nt = nj, joten yhtälön (11) mukaan voidaan kaavojen (23) ja (24) mukaisten neliöllisten pintojen c2, c3 geometria redusoida ensimmäisen neliöllisen pinnan (23) ja tason leikkaukseksi. Tämä taso voidaan määritellä seuraavasti.

5

f S \T

2 (m3-m4Ä + s4-s3 x = l M J (25)

(m3 -m2 +IS2I)2 - (m -m2 + N|2 “NP

Sijainnin määrittämiseksi on ratkaistavana siis kahden tason (20) ja (25) sekä yhden neliöllisen pinnan (23) leikkauspisteet. Kuva 3b ha-10 vainnollistaa tätä kuvan 3a tilanteesta redusoitua geometrista mallia. Kuvan 3b esimerkissä on kuvan 3a ensimmäinen neliöllinen pinta c2 korvattu tasolla c4. Kuvaan 3b on viitteellä 304 vielä merkitty tämän toisen tason c4 ja ensimmäisen tason c1 leikkauskäyrää. Toisen tason c4 ja ensimmäisen neliöllisen pinnan c2 leikkauskäyrä 303 on sama 15 kuin kuvan 3a esimerkissä ensimmäisen c2 ja toisen neliöllisen pinnan c3 leikkauskäyrä 303. Sijaintiratkaisua on kuviin 3a ja 3b merkitty viitteillä x1 ja x2.

I · i , Tason ja kahden neliöllisen pinnan geometrinen ratkaisu .‘7,: 20 • · : Joissakin tapauksissa ratkaistava geometrinen malli ei redusoidu viivan • * » 77.’ tai tason ja neliöllisen pinnan leikkaukseksi, vaan on ratkaistava tason, sekä kahden neliöllisen pinnan leikkauspisteet. Tällainen tilanne esiin- • · ’··* tyy tavallisesti silloin, kun neliöllisillä pinnoilla ei ole yhteistä polttopis- 25 tettä, esim. silloin, kun on vain yksi satelliitin pseudoetäisyysmittaus ja .. : ’ useampia tukiasemien pseudoetäisyysmittauksia.

» » * »* i . ·. Seuraavaksi on ongelmaa ensin yksinkertaistettu olettamalla, että yksi !*’ 7 neliöllisistä pinnoista on pallopinta. Tämä vastaa esimerkiksi tilannetta, 30 jossa mittauksista ainakin yksi on tukiaseman etäisyysmittaus, joka määrittää pallopinnan, jonka keskipisteenä on tukiaseman 3 sijainti ja / säteenä on laitteen 1 mitattu etäisyys tukiasemasta 3. Kuvassa 3c on 18 115167 pyritty havainnollistamaan tätä tapausta. Pallopintaa merkitään viitteellä c5. Viitteellä 305 vielä merkitty pallopinnan c5 ja tason c1 leikkauskäyrää. Pallopinnan c5 ja ensimmäisen neliöllisen pinnan c2 leikkauskäyriä on merkitty viitteellä 306. Tason c1 ja ensimmäisen 5 neliöllisen pinnan c2 leikkauskäyrää on merkitty viitteellä 301. Sijaintiratkaisua on kuviin 3a ja 3b merkitty viitteillä x1 ja x2. Geometrinen malli voidaan nyt esittää yhtälöryhmällä u7x - a,||u|| = 1 ||q-x|| = c (26) ||s - x|| + nTx - b 10

Jos u ja n eivät ole yhdensuuntaiset, voidaan yhtälöryhmä (26) ratkaista muodostamalla ensin tason ja pallopinnan leikkaus. Tämä leikkaus määrittää ympyrän, joka toteuttaa yhtälön 15 x = p + rv ± Vl-i2w,-l < t < 1 (27) missä : \ p = q + (a-urq)u (28) I * » « ; · 20 w = r^,v=uxw (29) : uxn| < t · : r = -(a-uTqf (30) » >

* B

Tämän jälkeen yhtälö (27) sijoitetaan yhtälöryhmän (26) kolmanteen yhtälöön, jolloin järjestelemällä ja neliöimällä kahdesti saadaan neljän-25 nen asteen polynomi

1 I

," > t fl2?^ + + ψ2 "t" + 04 r2 + + fl2 — <24 (31) »e ' ' t i i •;;j’ missä 30 115167 19 ax = (nrvf α2 =2^+(nrp - ό)ι - pf ν (32) λ3 = ^2_r2~|ls|2 + bs + (nrp-2i)tt-pf p a4=2(8-pfvr

Yhtälöryhmä (26) voidaan ratkaista etsimällä polynomin (31) reaalijuu-ret ja sijoittamalla ne yhtälöön (27). Yhtälöryhmän (26) ratkaisujen 5 määrä on tilanteesta riippuen neljä, kolme, kaksi, yksi tai ei yhtään ratkaisua.

Sen jälkeen kun mahdolliset ratkaisut on selvitetty ja ratkaisuja on enemmän kuin yksi, voidaan oikea ratkaisu pyrkiä selvittämään jollakin 10 kriteerillä. Tällaisia kriteereitä voivat olla esimerkiksi etäisyyden mak-simi/minimiarvo jostakin tietystä pisteestä, kuten tukiaseman sijainnista, korkeuden maksimi/minimiarvo, poikkeama edellisen sijainninmää-rityksen antamasta sijainnista jne. - 15 Menetelmän soveltaminen : : Käytännön sovelluksissa voidaan keksinnön mukaista menetelmää ; käyttää laitteen 1 sijainninmäärityksessä mm. silloin, kun riittävää mää- ·:* · rää mittauksia ei ole saatavissa tavanomaista, ylimääritettyä sijainnin- : .·. 20 määritystä varten. Tällöin laitteessa 1 edullisesti valitaan jokin mittaus- !.'V joukko, johon sovelletaan menetelmän mukaista suljettua laskentaa sijainnin ratkaisemiseksi. Tämän mittausten joukon valitsemiseksi voi-’···’ daan esim. selvittää, onko satelliittien signaaleita vastaanotettavissa riittävän voimakkaasti ja jos on, kuinka monta eri satelliitin signaalin on 25 vastaanotettavissa. Tämän jälkeen valitaan vielä yksi tai useampi tuki-asemamittaus, jotta riittävä määrä mittauksia on käytettävissä. Yhden tukiasemamittauksen tai satelliittimittauksen sijasta voidaan käyttää • I · ’·’ ’ myös korkeusmittausta, mikäli laitteessa 1 on välineet korkeuden mit- taamiseksi tai korkeusmittaustiedon vastaanottamiseksi jostakin ulkoi-30 sesta lähteestä, kuten erillisestä korkeusmittauslaitteesta, maan-7,’: päällisestä mittausjärjestelmästä tai matkapuhelinverkon 20 115167 korkeusavusteesta. Laitteessa 1 valitaan sijainnin ratkaisemiseksi käytettävä geometrinen malli sen perusteella, minkälaisia mittauksia on käytettävissä. Lisäksi valitulle geometriselle mallille suoritetaan redusointi laskennan yksinkertaistamiseksi, kuten aikaisemmin tässä 5 selityksessä on esitetty. Kun ratkaisu on löydetty, voidaan sitä käyttää laitteen 1 oletussijaintina. Tällöin tilanteessa, jossa on käytettävissä useampia mittauksia kuin minimimäärä, voidaan soveltaa esim. tunnetun tekniikan mukaista pienimmän neliösumman menetelmää, jossa ensin asetetaan oletussijainniksi keksinnön mukaisella menetel-10 mällä selvitetty sijainti. Tämä varmentaa pienimmän neliösumman mukaisen ratkaisun saamista, koska keksinnön mukaisella menetelmällä löydetty ratkaisu aikaansaa sen, että pienimmän neliösumman laskenta suppenee suurella todennäköisyydellä kohti oikeaa minimiä riippumatta mittausten mahdollisesta painotuksesta.

15

Keksintöä voidaan soveltaa myös ylimääritetyssä tilanteessa edullisesti siten, että jaetaan ylimääritetty sijainninmääritys useammaksi osajärjestelmäksi, joissa käytetään suljettua laskentaa. Tällöin saadaan useita ratkaisuja, joiden perusteella voidaan oikea sijainti selvittää 20 suhteellisen tarkasti. Esimerkiksi jos kukin osajärjestelmä antaa kaksi ·:·: tai useampia ratkaisuja, voidaan oikea ratkaisu selvittää tutkimalla, . ·. mikä ratkaisuista on olennaisesti sama kaikissa osajärjestelmissä.

Tällöin kyseinen ratkaisu olennaisesti vastaa suurella todennäköisyy-. , dellä laitteen 1 sijaintia. Eri osajärjestelmien antamista olennaisesti : 25 samoista ratkaisuista voidaan vielä määrittää esim. painopiste, keski- : ',: arvo tms., jota käytetään laitteen 1 sijaintitietona.

«· * * »

Kuvassa 2 on esitetty eräs esimerkki laitteesta 1, jossa keksintöä voi-:·,·. daan soveltaa. Laite 1 käsittää sijainninmääritysvastaanottimen 1.2 _ 30 sekä langattoman viestimen 1.1, mutta on selvää, että keksintöä ei ole ·;·* rajoitettu ainoastaan tähän suoritusmuotoon. Keksinnön mukaista lai- tetta 1 voidaan nyt esillä olevan keksinnön puitteissa soveltaa myös ‘ ’ ‘: omana elektroniikkalaitteenaan ilman, että sitä on kytketty jonkin toisen laitteen yhteyteen.

:···; 35 115167 21

Keksinnön mukaisen menetelmän vaiheista suuri osa voidaan toteuttaa ohjelmallisesti ohjauslohkon 1.11 suorittimen, kuten digitaalisen signaalinkäsittely-yksikön (DSP, Digital Signal Processor) ohjelmakäskyinä. Keksinnön mukaista sijainninmäärityslaskentaa varten on mitat-5 tava pseudoetäisyyksiä ainakin yhteen eri satelliittiin SVj. Sijainninmää-ritysvastaanotin 1.2 käsittää ainakin yhden vastaanottoka navan, mutta käytännössä vastaanottokanavia on tavallisesti vähintään neljä tai jopa 12. Tällöin on useamman kuin yhden satelliitin signaalin samanaikainen vastaanotto mahdollista. Kuvassa 2 on sijainninmääritysvastaanot-10 timen 1.2 lohkokaaviossa esitetty selvyyden vuoksi vain yhden tällaisen vastaanottokanavan rakennetta muiden vastaanottokanavien ollessa sopivimmin olennaisesti identtiset. Antennin 1.3 kautta vastaanotettava toistokoodattu signaali vahvistetaan suurtaajuusvahvistimessa 1.4 ja muunnetaan kellogeneraattorin 1.5 ja taajuussyntetisaattorin 1.6 muo-15 dostaman kellosignaalin avulla sopivimmin välitaajuudelle tai suoraan kantataajuudelle muunninlohkossa 7. Tässä vaiheessa signaali on edullisesti vielä analogisessa muodossa, joten se muunnetaan digitaaliseksi signaaliksi AD-muuntimessa 1.8. AD-muuntimelta 8 saadaan digitaalisen vastaanottosignaalin lisäksi ohjaus automaattiselle vahvis-20 tuksensäätölohkolle 1.9 (AGC, Automatic Gain Control), joka pyrkii ta-•j saamaan vastaanotetussa signaalissa olevia voimakkuusvaihteluita ;·. sinänsä tunnetusti. Välitaajuudelle tai kantataajuudelle muunnettu di- ”' gitaalinen signaali johdetaan digitaaliseen seurantalohkoon 1.10, jossa pyritään selvittämään vastaanotetun signaalin kantoaaltotaajuus. Näi-·’·· : 25 den eri lohkoissa selvitettyjen kantoaaltotaajuuksien ja tunnetun lähe- : tystaajuuden erotuksena saadaan eri satelliittien pseudoetäisyysmit- taukset, joita käytetään edellä kuvatussa geometrisessa mallissa. Osa edellä mainituista vastaanottokanavan lohkoista voivat olla kaikille : ·, ·. vastaanottokanaville yhteisiä, kuten antenni 1.3 ja suurtaajuusvahvistin 30 1.4.

• · » ·

Laitteessa 1 käytetään myös ainakin yhtä tukiasemamittausta satelliit-timittausten lisäksi. Nämä tukiasemamittaukset voidaan suorittaa joko laitteessa 1 tai matkaviestinverkossa. Mikäli mittaukset suoritetaan 35 laitteessa 1, tapahtuu se edullisesti seuraavasti. Laite 1 lähettää tuki-asemalle 3, edullisesti ainakin palvelevalle tukiasemalle signaalia, joka 22 1 1 c; i f \ I I ^ I U / vastaanotetaan tukiasemalla 3. Tukiasema 3 lähettää signaalin takaisin laitteeseen 1, jossa mitataan lähetyshetken ja vastaanottohetken välinen aika. Tästä ajasta vähennetään tarvittaessa viive, joka tukiasemalla syntyi signaalin vastaanoton ja takaisinlähetyksen välillä, mikäli 5 tällainen tieto on tiedossa. Kun tällainen sisäinen viive (viiveet) on vähennetty, on tiedossa signaalin edestakaiseen matkaan kulunut aika. Jakamalla aika kahdella sekä valonnopeudella, saadaan selville tukiaseman 3 ja laitteen 1 välinen etäisyys, jota voidaan käyttää sijainnin-määrityslaskennassa. Tavallisesti myös tukiaseman 3 sijainti on tie-10 dossa, joten tätä sijaintitietoa voidaan käyttää sen pallopinnan keskipisteenä, jonka säde saadaan edellä mainitusta tukiaseman 3 ja laitteen 1 välisestä etäisyystiedosta. Mittaus suoritetaan useammalle tukiasemalle, mikäli on tarve käyttää useampaa kuin yhtä tukiasemamit-tausta.

15

Mikäli tukiasemamittaukset sen sijaan suoritetaan matkaviestinverkossa, toimitaan edullisesti seuraavasti. Tukiasema a3 lähettää laitteelle 1 signaalin, jonka perusteella laite Ϊ lähettää signaalin takaisin tukiasemalle 3. Nyt tukiasemalla voidaan vastaavasti määrittää tukiaseman 3 20 ja laitteen 1 välinen etäisyystieto. Joissakin tilanteissa voidaan sama signaali vastaanottaa useammalla kuin yhdellä tukiasemalla, jolloin ; saadaan määritettyä laitteen 1 etäisyys useampaan tukiasemaan.

: ; Tämä kuitenkin edellyttää sitä, että tukiasemat ovat synkronoituja kes kenään, jotta signaalin lähetyshetki saadaan selville eri tukiasemilla.

: . : 25

Laitteeseen 1 välitetään tarvittaessa tieto siitä, ovatko eri järjestelmiin kuuluvat paikannusasemat 2, 3 synkronoituja keskenään, mikäli laitteessa 1 käytetään pseudoetäisyysmittauspareja. Kuten jo aikaisem-.. . min tässä selityksessä on käynyt ilmi, voidaan mittauspareina käyttää :,, ;* 30 eri järjestelmiin kuuluvia paikannusasemia ainoastaan silloin, kun ne on synkronoitu keskenään. Tällöin mittauspareja voidaan muodostaa esim. yhden satelliitin 2 ja laitteen 1 pseudoetäisyysmittauksista sekä .··. yhden tukiaseman 3 ja laitteen 1 pseudoetäisyysmittauksista. Mikäli Γ synkronointia ei ole eri järjestelmien paikannusasemien välillä, laittees- • I · 35 sa 1 valitaan mittauspareiksi sellaisia mittauksia, joissa paikannusase-:··· mat 2, 3 kuuluvat samaan järjestelmään. Tällaisia mittauspareja voi- 23 115167 daan muodostaa siis kahden satelliitin 2 ja laitteen 1 pseudoetäisyys-mittauksista sekä kahden tukiaseman 3 ja laitteen 1 pseudoetäisyys-mittauksista.

5 Käytännössä saattaa tulla tilanteita, joissa yhtään satelliittimittausta ei ole käytettävissä. Tällöin laitteessa 1 pyritään muodostamaan riittävä määrä tukiasema-tukiasema -mittauspareja, joiden antamia mittaustuloksia käytetään sijainnin ratkaisemisessa.

10 Taulukossa 1 esitetään vielä lyhyesti joitakin erilaisia mittausvaihtoeh-toja, joiden perusteella redusoitava geometrinen malli muodostetaan käyttämällä mittauksia sellaisenaan ja/tai muodostamalla mittauspareja eri mittauksista. Mittaukset voivat olla korkeusmittaus A, tukiaseman (3) ja laitteen (1) välinen etäisyysmittaus B, synkronoitu tukiase-15 man (3) ja laitteen (1) välinen pseudoetäisyysmittaus D, ei-synkronoitu tukiaseman (3) ja laitteen (1) välinen pseudoetäisyysmittaus E, ja satelliitin (2) ja laitteen (1) välinen pseudoetäisyysmittaus G.

_Mittaukset_

I ABEE

ί 2 ABGG

* 3 ADDD

4 AD DG

5 ADGG

\:1} 6 AEEE

: ’ 7 AEEGG

O 8 AGGG

9 BEEE

10 BEEGG

II BGGG

’:· 12 DDDG

13 DDGG

14 DGGG

15 EEEGG

16 EEGGG

» · 115167 24

Suuressa osassa mittausvaihtoehtoja riittää, että käytettävissä on neljä eri mittausta. Joissakin tapauksissa minimaalisesti määritetty ongelma edellyttää kuitenkin viiden mittauksen käyttämistä.

5

Nyt esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa useiden järjestelmien yhteydessä. Esimerkiksi matkaviestinjärjestelmänä voi olla GSM, UMTS tai muu sinänsä tunnettu matkaviestinjärjestelmä. Matkaviestinjärjestelmän sijasta tai lisäksi voidaan käyttää myös jotakin muuta maan -10 päällistä lähetysasemaverkostoa, kuten LORAN-C. Vastaavasti satelliittipaikannusjärjestelmänä voi olla GPS, GLONASS ja/tai joku muu paikannusjärjestelmä, jossa paikannusasemat ovat suhteellisen kaukana laitteesta 1. Tällöin keksinnön mukaisessa geometrisessa mallissa tehty oletus tasopinnan käyttämisestä satelliitin 2 ja laitteen 1 pseu-15 doetäisyysmittauksen yhteydessä ei muodosta sijainnin määritystark-kuuden kannalta merkittävää virhettä mittaustuloksiin.

Kuvan 2 mukaisessa laitteessa 1 on vielä mm. näyttö 1.15, näppäimistö 1.16 ja audiovälineet 1.17, 1.18, 1.19, mutta on selvää, että käy-20 tännön sovelluksissa elektroniikkalaitteen 1 rakenne voi poiketa kuvas-• sa 2 esitetystä. Lisäksi sijainninmääritystoiminnoissa on erilaisia tah- : distus- ja seurantatoimintoja, joita ei tässä yhteydessä ole taipeen kä- » I » ‘" I siteitä tarkemmin.

: ·. : 25 On selvää, että nyt esillä olevaa keksintöä ei ole rajoitettu ainoastaan : nyt esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheis- :"': ten patenttivaatimusten puitteissa.

* ► *

» I

* ·

* » » t I I

• · < I » ‘ < » » · > ·

Claims (29)

115167

1. Menetelmä laitteen (1) sijainnin määrittämiseksi, jossa suoritetaan mittauksia ainakin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) 5 välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä ainakin toisen paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja jossa ainakin yksi mittaus määrittää laitteen (1) sijainnille geometrisen pinnan, ja jotka mainitut ensimmäinen paikannusasema (2) ja toinen paikannusasema (3) kuuluvat eri 10 järjestelmiin, tunnettu siitä, että menetelmässä valitaan mittausten perusteella geometrinen malli, joka käsittää korkeintaan neliöllisiä pintoja, suoritetaan valitun geometrisen mallin yksinkertaistaminen neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, sijoitetaan mittaustulokset yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja määritetään 15 laitteen (1) sijainti ratkaisemalla yksinkertaistettu geometrinen malli.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisenä paikannusasemana (2) käytetään satelliittijärjestelmän satelliittia, jolloin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) vä- 20 lisellä ainakin kahdella pseudoetäisyysmittauksella määritetään I laitteen (1) sijaintia kuvaamaan tasopinta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ‘ ensimmäisenä paikannusasemana (2) käytetään satelliittijärjestelmän i 25 satelliittia, jolloin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) vä- j’ ,: lisellä pseudoetäisyysmittauksella määritetään laitteen (1) sijaintia ku- :" ’: vaavan tasopinnan suunta.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ' 30 että toisena paikannusasemana (3) käytetään maanpäällisen järjestel- män asemaa, jolloin toisen paikannusaseman (3) ja laitteen (1) väli- sellä etäisyysmittauksella määritetään laitteen (1) sijaintia kuvaamaan ,···, pallopinta. * » t»1 I · I · - > 1 » · * I 115167

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maanpäällisenä järjestelmänä käytetään matkaviestinverkkoa, jolloin toisena paikannusasemana (3) on matkaviestinverkon tukiasema.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1—5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan paikannusaseman (2, 3) ja laitteen (1) välisistä pseudoetäisyysmittauksista mittauspareja, joille määritetään pseudo-etäisyyksien erotus, jolloin pseudoetäisyyksien erotuksella määritetään laitteen (1) sijaintia kuvaamaan neliöllinen pinta. 10

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1—6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valitaan joukko ensimmäisiä paikannusasemia (2), jotka kuuluvat yhteen järjestelmään, ja joukko toisia paikannusasemia (3), jotka kuuluvat yhteen toiseen järjestelmään, ja että suoritetaan jokaisen 15 ensimmäisen joukon paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisiä pseu-doetäisyysmittauksia, ja jokaisen toisen joukon paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisiä pseudoetäisyysmittauksia.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 ensimmäiset paikannusasemat (2) ja toiset paikannusasemat (3) on ... j synkronoitu keskenään, jolloin kukin mittauspari muodostetaan yhdestä ; ensimmäisen joukon paikannusasemasta (2) ja yhdestä toisen joukon ; paikannusasemasta (3), ja että kussakin mittausparissa käytetään sa- Hl)· ' ‘ maa ensimmäisen joukon paikannusasemaa (2). 25 i’\:

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittausparien muodostamiseksi tutkitaan, kuinka moneen ensimmäiseen paikannusasemaan (2) on käytettävissä pseudoetäisyysmittaus, ... jolloin 30. mikäli on käytettävissä useampia kuin yksi ensimmäinen paikannusaseman (2) pseudoetäisyysmittaus, muodoste-: i’; taan ensimmäisistä paikannusasemista (2) mahdollisim- man monta mittausparia, / - mikäli on käytettävissä vain yksi ensimmäinen paikannus- 35 aseman (2) pseudoetäisyysmittaus, muodostetaan maini- :-: tusta yhdestä ensimmäisestä paikannusasemasta (2) ja 115167 toisista paikannusasemista mahdollisimman monta mit-tausparia, mikäli ei ole käytettävissä yhtään ensimmäistä paikannus-aseman (2) pseudoetäisyysmittausta, muodostetaan toi-5 sista paikannusasemista (2) mahdollisimman monta mit- tausparia.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1—9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan laitteen (1) korkeutta maan pintaan nähden, jolloin 10 korkeusmittauksella määritetään laitteen (1) sijaintia kuvaamaan taso-pinta, joka on olennaisesti maan pinnan suuntainen.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1—10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että redusoitu geometrinen malli ratkaistaan etsimällä 15 ainakin yksi mittauksilla määritettyjen pintojen leikkauspiste.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikäli ratkaisussa on leikkauspisteitä useampia kuin yksi, käytetään jotakin ennalta määrättyä kriteeriä yhden leikkauspisteen valitsemiseksi 20 määrittämään laitteen (1) sijainti.

«·« > * • · : .·. 13. Järjestelmä laitteen (1) sijainnin määrittämiseksi, jossa on välineet mittausten suorittamiseksi ainakin ensimmäisen paikannusaseman (2) ’ ja laitteen (1) välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä ainakin toisen i-i : 25 paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisen etäisyyden selvittämiseksi, « · I : ja välineet geometrisen pinnan määrittämiseksi laitteen (1) sijainnille 7“; ainakin yhden mittauksen perusteella, ja jotka mainitut ensimmäinen paikannusasema (2) ja toinen paikannusasema (3) kuuluvat eri järjestelmiin, tunnettu siitä, että jäijestelmä käsittää välineet 30 korkeintaan neliöllisiä pintoja käsittävän geometrisen mallin valitsemiseksi mittausten perusteella, välineet valitun geometrisen : mallin yksinkertaistamiseksi neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, välineet mittaustulosten sijoittamiseksi yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja välineet yksinkertaistetun 35 geometrisen mallin ratkaisemiseksi laitteen (1) sijainnin : määrittämiseksi. 115167

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisenä paikannusasemana (2) on satelliittijärjestelmän satelliitti, jolloin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisellä 5 ainakin kahdella pseudoetäisyysmittauksella on järjestetty määritettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaamaan tasopinta.

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisenä paikannusasemana (2) on satelliittijärjestelmän satelliitit) ti, jolloin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisellä pseudoetäisyysmittauksella on järjestetty määritettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaavan tasopinnan suunta.

16. Patenttivaatimuksen 13,14 tai 15 mukainen järjestelmä, tunnettu 15 siitä, että toisena paikannusasemana (3) on maanpäällisen järjestelmän asemaa, jolloin toisen paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisellä etäisyysmittauksella on järjestetty määritettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaamaan pallopinta.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että . I maanpäällinen järjestelmä käsittää matkaviestinverkon, jolloin toisena : paikannusasemana (3) on matkaviestinverkon tukiasema. » > »11*

' ’ 18. Jonkin patenttivaatimuksen 13—17 mukainen järjestelmä, · 25 tunnettu siitä, että se käsittää välineet (1.11) mittausparien muodos- :v: tamiseksi paikannusaseman (2, 3) ja laitteen (1) välisistä pseudoetäi- : syysmittauksista ja pseudoetäisyyksien erotuksen määrittämiseksi, jol loin pseudoetäisyyksien erotuksella on järjestetty määritettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaamaan neliöllinen pinta. 30

19. Jonkin patenttivaatimuksen 13—18 mukainen järjestelmä, j*. tunnettu siitä, että se käsittää välineet joukon ensimmäisiä paikannus- ·, asemia (2) valitsemiseksi, jotka kuuluvat yhteen järjestelmään, ja jou kon toisia paikannusasemia (3) valitsemiseksi, jotka kuuluvat yhteen 1 i > 3. toiseen järjestelmään, ja välineet (1.2) jokaisen ensimmäisen joukon ;*; paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisten pseudoetäisyysmittausten 115167 suorittamiseksi, ja välineet (1.1, 3) jokaisen toisen joukon paikannus-aseman (3) ja laitteen (1) välisten pseudoetäisyysmittausten suorittamiseksi.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ensimmäiset paikannusasemat (2) ja toiset paikannusasemat (3) on synkronoitu keskenään, jolloin kukin mittauspari on muodostettu yhdestä ensimmäisen joukon paikannusasemasta (2) ja yhdestä toisen joukon paikannusasemasta (3), ja että kussakin mittausparissa on 10 käytetty samaa ensimmäisen joukon paikannusasemaa (2).

21. Jonkin patenttivaatimuksen 13—20 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää välineet laitteen (1) korkeuden mittaamiseksi maan pintaan nähden, jolloin korkeusmittauksella on järjestetty 15 määritettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaamaan tasopinta, joka on olennaisesti maan pinnan suuntainen.

22. Laite (1), jossa on välineet mittausten suorittamiseksi ainakin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisen etäisyyden sel- 20 vittämiseksi sekä ainakin toisen paikannusaseman (3) ja laitteen (1) • : välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja välineet geometrisen pinnan mää- : rittämiseksi laitteen (1) sijainnille ainakin yhden mittauksen perusteella, • * * ja jotka mainitut ensimmäinen paikannusasema (2) ja toinen paikannusasema (3) kuuluvat eri järjestelmiin, tunnettu siitä, että : 25 laite (1) käsittää välineet korkeintaan neliöllisiä pintoja käsittävän : ',· geometrisen mallin valitsemiseksi mittausten perusteella, välineet valitun geometrisen mallin yksinkertaistamiseksi neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, välineet mittaustulosten sijoittamiseksi yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja välineet yksinkertaistetun 30 geometrisen mallin ratkaisemiseksi laitteen (1) sijainnin ; ' määrittämiseksi.

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että se käsittää välineet (1.11) mittausparien muodostamiseksi paikannus- 35 aseman (2, 3) ja laitteen (1) välisistä pseudoetäisyysmittauksista ja ί pseudoetäisyyksien erotuksen määrittämiseksi, jolloin pseudoetäisyyk- 115167 sien erotuksella on järjestetty määritettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaamaan neliöllinen pinta.

24. Patenttivaatimuksen 22 tai 23 mukainen laite (1), tunnettu siitä, 5 että se käsittää välineet joukon ensimmäisiä paikannusasemia (2) valitsemiseksi, jotka kuuluvat yhteen järjestelmään, ja joukon toisia paikannusasemia (3) valitsemiseksi, jotka kuuluvat yhteen toiseen järjestelmään, ja välineet (1.2) jokaisen ensimmäisen joukon paikannusase-man (2) ja laitteen (1) välisten pseudoetäisyysmittausten suorittami- 10 seksi, ja välineet (1.1) jokaisen toisen joukon paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisten pseudoetäisyysmittausten suorittamiseksi.

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että ensimmäiset paikannusasemat (2) ja toiset paikannusasemat (3) on 15 synkronoitu keskenään, jolloin kukin mittauspari on muodostettu yhdestä ensimmäisen joukon paikannusasemasta (2) ja yhdestä toisen joukon paikannusasemasta (3), ja että kussakin mittausparissa on käytetty samaa ensimmäisen joukon päikännusasemaa (2).

26. Jonkin patenttivaatimuksen 22—25 mukainen laite (1), tunnettu • : ·· siitä, että se käsittää välineet laitteen (1) korkeuden mittaamiseksi : maan pintaan nähden, jolloin korkeusmittauksella on järjestetty määri- • ' ! tettäväksi laitteen (1) sijaintia kuvaamaan tasopinta, joka on olennai sesti maan pinnan suuntainen. i 25

• ,* 27. Jonkin patenttivaatimuksen 22—26 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että se käsittää välineet (1.1) matkaviestintoimintojen suorittamiseksi.

28. Ohjelma, joka käsittää koneellisesti suoritettavissa olevia ‘‘ ohjelmakäskyjä laitteen (1) sijainnin määrittämiseksi, jossa ohjelmassa on ohjelmakäskyjä mittauksien suorittamiseksi ainakin ensimmäisen . paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä ainakin toisen paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisen 35 etäisyyden selvittämiseksi, ja jossa ainakin yksi mittaus määrittää : laitteen (1) sijainnille geometrisen pinnan, ja jotka mainitut 115167 ensimmäinen paikannusasema (2) ja toinen paikannusasema (3) kuuluvat eri järjestelmiin, tunnettu siitä, että ohjelmassa on lisäksi ohjelmakäskyjä, joilla valitaan mittausten perusteella geometrinen malli, joka käsittää 5 korkeintaan neliöllisiä pintoja, suoritetaan valitun geometrisen mallin yksinkertaistaminen neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, sijoitetaan mittaustulokset yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja 10. määritetään laitteen (1) sijainti ratkaisemalla yksinkertaistettu geometrinen malli.

29. Tallennusväline ohjelman tallentamiseksi, joka käsittää koneellisesti suoritettavissa olevia ohjelmakäskyjä laitteen (1) sijainnin 15 määrittämiseksi, jossa ohjelmassa on ohjelmakäskyjä mittauksien suorittamiseksi ainakin ensimmäisen paikannusaseman (2) ja laitteen (1) välisen etäisyyden selvittämiseksi sekä ainakin toisen paikannusaseman (3) ja laitteen (1) välisen etäisyyden selvittämiseksi, ja jossa ainakin yksi mittaus määrittää laitteen (1) sijainnille 20 geometrisen pinnan, ja jotka mainitut ensimmäinen ·: *· paikannusasema (2) ja toinen paikannusasema (3) kuuluvat eri : ·. järjestelmiin, tunnettu siitä, että tallennusvälineelle tallennetussa 7 , · ohjelmassa on lisäksi ohjelmakäskyjä, joilla . - valitaan mittausten perusteella geometrinen malli, joka käsittää • * · j;: : 25 korkeintaan neliöllisiä pintoja, : - suoritetaan valitun geometrisen mallin yksinkertaistaminen : ’ ’ neliöllisten pintojen lukumäärän pienentämiseksi, sijoitetaan mittaustulokset yksinkertaistettuun geometriseen malliin, ja 30. määritetään laitteen (1) sijainti ratkaisemalla yksinkertaistettu geometrinen malli. » 115167