NL2019768A - Werkwijze, systeem en computerprogrammaproduct voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie - Google Patents

Abstract

Volgens de uitvinding wordt een werkwijze, een systeem en een computerprogrammaproduct voorzien, waarmee de positiebepaling met satellietdata verbeterd kan worden, doordat gereflecteerde signalen met verschillende evaluatiemethoden geëlimineerd worden en alleen zodanige satellietdata gebruikt worden, die ongereflecteerd ontvangen worden. De werkwijze is makkelijk te detecteren.

Description

Titel: Werkwijze, systeem en computerprogrammaproduct voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie

Stand der techniek

Satelliet-ondersteunde navigatie in de vorm van GPS (Global Positioning System) of -in voorbereiding- Galileo, de Europese tegenhanger daarvan, is wijd verbreid en wint toenemend aan betekenis voor bewegende objecten, zoals bijvoorbeeld automobielen. Het is in het bijzonder bijna noodzakelijk voor de bepaling van positie-afhankelijke informatie en diensten. De start-doel-navigatie van voertuigen is al wijd verbreid en goed gevestigd. Er bestaat echter steeds meer een behoefte aan een hoge nauwkeurigheid van de locatie-bepaling van bewegende objecten, aangezien op deze manier positie-afhankelijke informatie en diensten geïndividualiseerd ter beschikking gesteld kunnen worden. In stedelijke regio’s echter, waarin vaak een hoge concentratie van bewegende objecten, zoals bijvoorbeeld van automobielen, aangetroffen wordt, bestaat echter het probleem, dat van satelliet uitgezonden signalen door gebouwen afgeschermd resp. gereflecteerd worden. Dergelijke gereflecteerde signalen leiden bij positiebepahng tot fouten en zijn daarom ongewenst. De Internet encyclopedie Wikipedia stelt dienaangaande over GPS-technologie: “Beschouwing van vermijdbare signaalstoringen. Tot deze storingen behoren met name meerwegen-propagatie (Eng. multipath), die een menging voorstelt van het directe satelhetsignaal met gereflecteerde omwegsignalen van de nabije omgeving. Dergelijke spiegelingen van radiogolven ontstaan vooral aan gebouwen en metaaloppervlakken met bijbehorende refLectierichting, gedeeltelijk ook door natte bladeren.

Multipath-effecten kunnen enkele centimeters tot decimeters uitmaken, wat de nauwkeurigheid van precieze GPS-lokalisaties wezenlijk overtreft. Ze maken zich in kleine, half-periodieke sprongen van de aangegeven positie merkbaar en laten zich niet geheel vermijden; gereduceerd worden ze door een geschikte plaats van de antenne en een naar onder afschermende grondplaat, waarop de antenne zit.

Voor de positiebepaling van de ontvanger zijn minstens vier satellieten nodig. Bij meer dan vier ontvangen satellieten veranderd aan de berekening weinig, echter zijn de vergelijkingen overbepaald, omdat meer vergelijkingen dan onbekenden beschikbaar zijn. Overbepaalde vergehjkings-systemen worden volgens de methoden van de compensatieberekening behandeld".

Daarom is in het bereik van reflecterende objecten, zoals aan bosranden en bij huizenhjnen, vaak ondanks optimale ontvangstvoorwaarden geen precieze positiebepahng mogebjk. Aan de hand van niet-gereflecteerde satelhetsignalen zou echter zeer precieze positiebepahngen volgens de theoretische mogehjkheid van de ruimtehjke resolutie van de GPS mogebjk zijn.

Er bestaat daarom een behoefte, de positiebepahng met behulp van satelbetensignalen te verbeteren.

De uitvinding stelt zich tot opgave, om de satelbet-ondersteunde navigatie, respectievehjk positiebepahng, met het oog op die fouten van de positie door gereflecteerde signalen te verbeteren.

Openbaring van de uitvinding

Deze opgave wordt door een werkwijze volgens de maatregelen van de conclusie 1, door een systeem volgens de maatregelen van de conclusie 9 en een computerprogrammaproduct volgens de maatregelen van de conclusie 12 opgelost.

De werkwijze volgens de uitvinding voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie omvat daartoe minstens de stappen identificatie van een eerste ontvangen signaal, dat van minstens een eerste satelliet gezonden wordt, vaststellen van een eerste signaaleigenschap van het eerste signaal, vergelijken van de eerste vastgestelde signaaleigenschap van het eerste signaal met een voorbepaalde eerste signaaleigenschap, uitkiezen van het eerste signaal aan de hand van de overeenstemming met de eerste voorbepaalde signaaleigenschap, en gebruik van het uitgekozen signaal voor de positiebepaling.

Het systeem volgens de uitvinding voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie omvat daartoe minstens de componenten een bewegende ontvanger voor ontvangst van een eerste en tweede signaal, dat van minstens een satelliet gezonden wordt, een sensor voor de registratie van bewegingsinformatie van de beweging van de ontvanger, een evaluatie-eenheid voor de uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding.

Het computerprogrammaproduct volgens de uitvinding beschikt over een opslag voor computer-leesbare aanwijzingen, en is daartoe ingericht om, wanneer deze in een rekeneenheid van een systeem voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie ingelezen wordt, deze rekeneenheid daartoe aan te zetten de werkwijzestappen van de werkwijze volgens de uitvinding als processtappen uit te voeren.

Verdere uitvoeringsvormen van de uitvinding blijken uit de afhankelijke conclusies.

Op voordelige wijze worden volgens een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding twee signalen met elkaar vergeleken, en het wordt in het bijzonder vastgesteld, of de signalen met een voorbepaald verwachting overeenkomen. Een dergelijke verwachting zou bijvoorbeeld een richting kunnen zijn, waaruit het signaal arriveert, een frequentie, waarmee het signaal gezonden wordt, of een frequentie-afwijking, waarmee het ontvangen signaal van de bekende zendfrequentie van een satelliet afwijkt. Verder zou een dergelijke eigenschap een hellingshoek van het signaal kunnen zijn, waarmee het inkomende signaal van de horizontaal met betrekking tot bijvoorbeeld een straatoppervlak afwijkt. Op deze manier kunnen gereflecteerde signalen eenvoudig uitgefilterd worden, doordat signalen, die van onderen komen of uit een aan de satelliet tegengestelde richting inkomen, uitgefilterd worden. Door vergelijk van de signalen met voorbepalingen is deze mogelijk, gereflecteerde signalen te identificeren en volgens de uitvinding een signaal, welke niet aan de voorbepalingen voldoet, niet voor de positiebepaling mee te nemen.

Op gunstige wijze wordt bij een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding de signaalrichting als voorbepaalde signaaleigenschap ingezet, aangezien op grond van de vanuit de satelhet uitgestraalde informatie een eenvoudige richtingsbestemming van het signaal als voortbewegingsrichting mogelijk is en daarmee een vergelijk met een werkelijk vastgestelde richting direct zich laat herkennen, of het bij het ontvangen signaal om een gereflecteerd signaal gaat.

Bij een voordelige verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is een voorbepaalde signaaleigenschap de frequentie van het ontvangen signaal. Is de frequentie bijvoorbeeld verhoogd, dan kan daaruit geconcludeerd worden, dat de ontvanger zich naar de zender toe beweegt, terwijl voor het geval, dat de frequentie verlaagd is, er van uit gegaan kan worden, dat de zender en de ontvanger zich van elkaar verwijderen, zoals dit uit het Doppler effect volgt.

Op bijzonder voordelige wijze laat zich bij een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, waarbij een signaaleigenschap, zoals de richting, en de frequentie gecombineerd worden, een afwijking van de bewegingssnelheid van een bewegend objecten van de richting bepalen, waarin zich de satelliet bevindt. Doordat de bekende voertuigsnelheid daartoe gebruikt wordt, een frequentie-afwijking te berekenen en deze frequentie-afwijking met de frequentie-afwijking vergeleken wordt, welke daadwerkelijk plaatsvindt, kan de hoek tussen de bewegingsrichting van een bewegende ontvanger en de zender bepaald worden.

Op bijzonder voordelige wijze kan de eerste signaaleigenschap uit een bewegingsafwijking bij een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding afgeleid worden, doordat bijvoorbeeld een snelheid van de ontvanger daartoe gebruikt wordt, volgens het Doppler effect een frequentie-afwijking van het satellietsignaal te berekenen, en doordat deze frequentie-afwijking met de daadwerkelijk frequentie-afwijking vergeleken wordt.

Op bijzonder voordelige wijze wordt bij een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding een aantal van ruimtelijk van elkaar op afstand ingeiichte antennes gebruikt, om de richting, waaruit het signaal arriveert, vast te stellen. Aan de hand van bekender geometrische samenhang de rangschikking van de verscheidene antennes ten opzichte van elkaar en de loop tijdverschillen van het inkomende signaal op den respectieve antennes kan de richting van het inkomende signaal aan de hand van ten grond liggende geometrische functies relatief eenvoudig bepaald worden.

Op bijzonder voordelige wijze wordt bij een verdere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding een vermindering het aantal gebruikte antennes mogelijk, doordat signaalveranderingen in afhankelijkheid van bewegingsverandering van de ontvanger en daarmee van de antenneposities bepaald worden en de veranderde bewegingsinfonnatie daartoe dient, om de richtingsinformatie van het eenvoudige signaal te bepalen.

Op bijzonder voordelige wijze wordt bij een systeem volgens de onderhavige uitvinding een bewegende ontvanger met een sensor voor de registratie van bewegingsinfonnatie gecombineerd en een evaluatie-eenheid voor de combinatie van de bewegingsinfonnatie met de uit het ontvangen signaal bepaalde informatie. Op deze manier wordt een technisch eenvoudiger en betrouwbaar bedrijven van het systeem bereikt, die op grond van zijn geringe aantal componenten technisch eenvoudig te realiseren en gunstig te produceren is.

Op voordelige wijze wordt bij een verdere uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding maximaal een aantal van drie antennes ingezet, en daarmee minstens een antenne bespaard, waardoor het systeem zich zonder vermindering van de nauwkeurigheid in positiebepaling kostengunstiger produceren laat.

Op bijzonder voordelige wijze heeft een computerprogrammaproduct een opslag, en machine-leesbare instructies, die, wanneer ze door een rekeneenheid gelezen worden en uitgevoerd worden, de rekeneenheid-processtappen laten uitvoeren, welke met de werkwijzestappen van de werkwijze volgens de uitvinding overeenkomen.

Op deze manier is het systeem volgens de onderhavige uitvinding eenvoudig te porten, en veranderingen aan het systeem kunnen middels het computerprogrammaproduct eenvoudig geïmplementeerd worden.

In het volgende worden uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding aan de hand van figuren verder uitgelegd. Hierin toont:

Fig. 1 een voorbeeld van de signaalontvangst met meerdere antennes in een stedelijke omgeving;

Fig. 2 een voorbeeld van de signaalontvangst op een bewegende ontvanger;

Fig. 3 een voorbeeld voor de filtering gewenste signalen middels afscherming;

Fig. 4 een computerprogrammaproduct;

Fig. 5 een evaluatie-eenheid volgens een uitvoeringsvoorbeeld van de onderhavige uitvinding; en

Fig. 6 een werkwijze volgens een uitvoeringsvoorbeeld van de onderhavige uitvinding.

Zoals Fig. 1 toont, bestaat volgens een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding de mogelijkheid, van satelliet afgegeven signalen met meerdere antennes te ontvangen. Getoond zijn satelliet 1, Γ, 2, 3, 4 en 5 alsmede gebouwen 200 en 210. Verder is een drie-assensysteem 50, 60 en 70 weergegeven, waarvan de assen orthogonaal ten opzichte van elkaar zijn. Daarenboven is een bewegende basis, bijvoorbeeld een voertuig, zoals een automobiel, getoond, die over een systeem voor de verbetering van positiebepaling 500 beschikt. Naar het systeem 500 gaan signalen 185 en 183, die daar middels twee antennes, die niet weergegeven zijn en zich bijvoorbeeld op een vlak van het dak aan de buitenkanten bevinden, ontvangen worden. Aan de hand van de loop tijdverschillen van de signalen en de bekende afstanden van de antennes ten opzichte van elkaar kan richtingsinformatie van de inkomende signalen bepaald worden.

Voor zover zich de bewegende basis 180 om de bovenas draait, kan met de verandering van de inkomende signaalinformatie vastgesteld worden, of het zich bij de inkomende signalen om gereflecteerde signalen gaat. Deze kunnen bijvoorbeeld extra informatie van een camera of een afstandmeter gebruikt worden, om vast te stellen, dat zich in het bereik van de richting van het inkomende signaal een gebouw bevindt. In dit voorbeeld staat het gebouwen 210 in de richting van het inkomende signaal 185. Dientengevolge kan dit signaal als gereflecteerd signaal geëlimineerd worden. Er bestaat ook de mogelijkheid, om zonder een verdere antenne te doen, Voor zover de ontvanger vaak bewogen kan worden. Door het Doppler effect als gevolg van de beweging verschuiven zich de inkomende frequenties afhankelijk van de snelheid van de ontvanger relatief tot de respectieve satelliet. Gereflecteerde signalen kunnen daaraan herkend worden, dat zich de frequentie relatief ten opzichte van de gemeten snelheid van de ontvanger en een verwachte plek van de satelhet in een foute richting resp. met een foute factor verschuift. Aangezien voertuigen zich niet. verticaal bewegen, kunnen de van de bodem gereflecteerde signalen niet met het Doppler effect geïdentificeerd worden. In zulk geval is de afscherming van dergelijke signalen door een grondplaat zinvol.

Zoals Fig. 2 toont, kan bij een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding een evaluatie van de signalen over bewegingsi n form atie volgen. Ingaande signalen 100 en 110 worden in hun frequenties f en f door een beweging van het bewegende pl atforni, die den ontvanger transporteert, in een snelheid v beïnvloedt. Hierbij wordt de frequentie f volgens het Doppler effect F verhoogd en de frequentie F' van het signaal 110 vermindert. Middels de hoek cp en cp' laat zich de snelhoidseomponent in de richting van de signalen 100 resp. 110 berekenen. Daaruit volgt in verbinding met een bekende zendfrequentie de navigatiesatel 1 iet een verwachte veranderde frequentie. Volgens het Doppler effect laat zich deze frequentie als volgt berekenen:

Een snelheidsberekening kan bijvoorbeeld uit twee in tijd gescheiden positiemetingen volgen. Voor de verbetering van de snelheidsmeting kan sensorinform atie gebruikt worden, welke met sensoren bepaald worden, die op het bewegende platform resp. in het voertuig beschikbaar zijn. Hiertoe lenen zich in het bijzonder de signalen van een versnellingssensor, die voor snelheid geïntegreerd kan worden, resp. odometrisch bepaalde informatie, waarbij de bedekte weg over den wielmaat en die wiel-draaiaantal bepaald wordt. Verder kan met een conventionele of met een optische radar een snelheid bepaald worden of met eamera-infbrmatie en een verandering van beelden de snelheid geconcludeerd worden, Daarbij laat zich de snelheid van de ontvanger uit de posities voor bepaalde tijdpunten alsmede de tijd, die tussen de twee metingen verlopen is, bepalen. Hieruit laat zich ook de hoek tussen de bewegingsrichting en de as tussen satelliet en ontvanger uit de posities berekenen. Het is op voordelige wijze, aan de van het sterkste ontvangen signaal het nieuwste signaal voor de berekening van de positie te gebruiken, aangezien deze van de dichtstbij gelegen satelliet stamt.

Odometrie kan in de regel alleen voor ontvangers in voertuigen ingezet worden, die slipvrij contact met de vaste ondergrond hebben. Bij voertuigen worden in de regel wiel-draaiaantal-sensoren in combinatie met draaihoeksensoren voor de meting van de snelheid ingezet. Voor zover odometrie-data ter beschikking staat en er van uit gegaan kan worden, dat die tandwielen geen of zo goed zoals geen slip hebben, kunnen daarmee bijvoorbeeld versnellingssensordata op termijn gecorrigeerd worden. Voor zover een versnellingssensor de translatieversnelhng en draaiversnellingen los opneemt en mogelijkerwijs ook het magneetveld in de mogelijke bewegingsrichtingen bepaald, waarbij de versnellingssensor de sensordata voor een betere nauwkeurigheid reeds intern gecombineerd, volgt een precieze grondslag voor de snelheidsmeting. Uit den versnellingswaarden berekent bijvoorbeeld de satellietendata-ontvanger door integratie de snelheid van de ontvanger. Een dergelijke snelheidsmeting is op termijn echter niet zeer precies en kan bijvoorbeeld door de snelheidsmeting over twee verschillende GPS-posities of door een gemeten Doppler verschuiving van de ontvangen signalen getest resp. gecorrigeerd worden.

Fig. 3 toont een verdere mogelijkheid volgens een uitvoeringsvoorbeeld van de werkwijze van de onderhavige uitvinding, om ongewenste signalen bij positiebepaling uit te sluiten. In Fig. 3 worden de gelijke verwijzingsnummers zoals in de andere figuren gebruikt en betekenen dezelfde objecten. Het ontvangen signaal 100 wordt aan de bodem gereflecteerd, terwijl het signaal 110 in directe lijn bij het systeem voor de verbetering van positiebepaling 500 arriveert. Een technisch eenvoudige oplossing bestaat eruit, om onder de signaalontvanger een grondplaat te positioneren, welke gereflecteerde signalen van de bodem niet doorlaat. Daarmee worden dergelijke signalen door een technisch eenvoudig te realiseren oplossing van de evaluatie bij positiebepahng uitgesloten.

Fig. 4 toont een computerprogrammaproduct volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Op een leesbaar opslagmedium 400 zijn computercommando’s 410 opgeslagen, welke door een evaluatie-eenheid of een computer van een systeem volgens de uitvinding voor de verbetering van positiebepahng middels satellietnavigatie uitgelezen en uitgevoerd kunnen worden.

Zoals Fig. 5 toont, kan een systeem 500 voor de verbetering van positiebepahng middels satellietnavigatie eenvoudig opgebouwd zijn. Deze bevat bijvoorbeeld een ontvanger 510, een sensor 520 en een evaluatie-eenheid 530, die speciaal een leeseenheid 535 voor een computerprogrammaproduct bevatten kan. Een dergelijk systeem is technisch niet overmatig complex en laat zich onafhankelijk produceren en in voertuigen monteren. Door het gebruik van een computerprogrammaproduct en een leeseenheid is het eenvoudig mogehjk, om de werkwijze te veranderen en ook volgens de productie software-updates probleemloos te implementeren.

Fig. 6 toont een voorbeeld van een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de onderhavige uitvinding. De werkwijze 600 heeft bijvoorbeeld de volgende stappen:

In een stap 610 volgt de identificatie van een eerste en van een tweede ontvangen signaal, dat van minstens een satelliet gezonden wordtin een stap 620 wordt een eerste signaaleigenschap van de eerste en van het tweede signaal bepaald.

In een stap 630 vindt een vergelijk tussen de vastgestelde eerste signaaleigenschap van de eerste en tweede signalen met een voorbepaalde eerste signaaleigenschap plaats.

In een stap 640 vindt een keuze van de eerste resp. tweede signalen aan de hand van de overeenstemming met de voorbepaalde eerste signaaleigenschap plaats, en in een stap 650 wordt het uitgekozen signaal voor de positiebepaling gebruikt.

Op voordelige wijze laat zich bij de onderhavige uitvinding de werkwijze door een combinatie van de informatie uit meerdere sensoren verbeteren, doordat verschillende sensordata gecombineerd worden en voor het uitkiezen van de gebruikte signalen gebruikt worden, of voor de verbetering van de bewegingsinformatie gebruikt worden.

Een bewijs van het systeem volgens de uitvinding en werkwijze is eenvoudig mogebjk, doordat standaardmetingen in bewegende en in gefixeerde toestand met elkaar vergeleken worden.

Claims (12)

1. Werkwijze voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie (500) met minstens de volgende maatregelen: identificatie (610) van een eerste ontvangen signaal, dat van minstens een eerste satelliet gezonden wordt, vaststellen (620) van een eerste signaaleigenschap van het eerste signaal, vergelijken (630) van de eerste vastgestelde signaaleigenschap van het eerste signaal met een voorbepaalde eerste signaaleigenschap, uitkiezen (640) van het eerste signaal aan de hand van de overeenstemming met de eerste voorbepaalde signaaleigenschap, en gebruik (650) van het uitgekozen signaal voor de positiebepaling.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met de volgende maatregelen: identificatie (610) van een tweede ontvangen signaal, dat van minstens de eerste satelliet gezonden wordt, vaststellen (620) van de eerste signaaleigenschap van het tweede signaal, vergelijken (630) van de eerste vastgestelde signaaleigenschap van de eerste en tweede signalen met de voorbepaalde eerste signaaleigenschap, uitkiezen (640) van de eerste resp. tweede signalen aan de hand van de overeenstemming met de eerste voorbepaalde signaaleigenschap.

3. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de voorbepaalde eerste signaaleigenschap een richting is, waaruit het ontvangen signaal invalt.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de voorbepaalde eerste signaaleigenschap een frequentie van het ontvangen signaal is.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de voorbepaalde eerste signaaleigenschap uit een informatie over de richting, waaruit het ontvangen signaal invalt en een informatie over een frequentie van het ontvangen signaal gegenereerd wordt.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de signalen door een bewegende ontvanger ontvangen worden en de eerste voorbepaalde signaaleigenschap uit minstens een bewegingsinformatie van de beweging van de bewegende ontvanger afgeleid wordt.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies 3 of 5 tot en met 6, waarbij de richting met meerdere ruimtelijk van elkaar op afstand ingerichte antennes bepaald wordt.

8. Werkwijze volgens een de conclusies 6 tot en met 7, waarbij een verandering in tijd van de bewegings- en/of richtingsinformatie met betrekking tot de signalen geëvalueerd wordt.

9. Systeem (500) voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie met minstens de volgende componenten: een bewegende ontvanger (510) voor ontvangst van een eerste en tweede signaal, dat van minstens een satelliet gezonden wordt, een sensor (520) voor de registratie van bewegingsinformatie van de beweging van de ontvanger, een evaluatie-eenheid (530) voor de uitvoering van een werkwijze volgens een der conclusies 1 tot en met 8.

10. Systeem volgens conclusie 9, waarbij de sensor (520) voor de registratie van bewegingsinformatie van de beweging van de ontvanger een ontvangen signaal van minstens een tweede satelliet gebruikt.

11. Systeem volgens conclusie 9 of 10, waarbij drie vlak ingerichte antennes over een grondplaat gebruikt worden.

12. Computerprogrammaproduct (400) met een opslag (410) voor computer-leesbare aanwijzingen, die, wanneer deze in een rekeneenheid van een systeem voor de verbetering van positiebepaling middels satellietnavigatie ingelezen wordt, deze rekeneenheid daartoe aanzet, de werkwijzestappen van de werkwijze volgens een der conclusies 1 tot en met 7 als processtappen uit te voeren.