WO2016119957A1 - Antennenmodul, verfahren zum bestimmen einer gierrate, gierratensensor und verwendung - Google Patents

Antennenmodul, verfahren zum bestimmen einer gierrate, gierratensensor und verwendung Download PDF

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WO2016119957A1
WO2016119957A1 PCT/EP2015/078837 EP2015078837W WO2016119957A1 WO 2016119957 A1 WO2016119957 A1 WO 2016119957A1 EP 2015078837 W EP2015078837 W EP 2015078837W WO 2016119957 A1 WO2016119957 A1 WO 2016119957A1
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WO
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antenna
yaw rate
satellite navigation
signal
phase
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/078837
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Inventor
Michael ZALEWSKI
Ulrich STÄHLIN
Marc Menzel
Original Assignee
Continental Teves Ag & Co. Ohg
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Teves Ag & Co. Ohg filed Critical Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/35—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain
    • G01S19/36—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain relating to the receiver frond end

Definitions

  • Antenna module method for determining a yaw rate, yaw rate sensor, and use
  • the invention relates to an antenna module, a method for determining a yaw rate, a yaw rate sensor and a use.
  • the determination of a course can take place in particular via a compass.
  • a change in orientation can be measured, for example, by means of rotation rate sensors, gyros, gyros or the like.
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • a change of a vehicle orientation is therefore not recognizable, since only the direction of movement, but not the orientation or orientation can be determined. While the direction of travel and the orientation are identical when driving straight ahead, they differ around the slip angle during cornering. This change can be measured by a compass or gyroscope sensors, but not by a standard satellite navigation system.
  • the invention relates to an antenna module for a yaw rate sensor.
  • the antenna module has a first antenna and a second antenna.
  • the first antenna and the second antenna are designed as in the same direction circularly polarized satellite navigation antennas.
  • the antenna module is designed to rotate at least the first antenna about a first, preferably vertical axis.
  • the antenna module By means of the antenna module according to the invention, it is possible, based on a measurement of satellite navigation signals to determine a change in orientation of the antenna module and thus also a vehicle to which the antenna module is mounted. This will be described in more detail below with reference to the method according to the invention.
  • a conventional antenna module which typically has only one antenna, this is at least not possible with all exporting ⁇ approximately of the inventive method. Rather, it would be necessary to know the position very accurately when using only one antenna, which is not required when using two antennas.
  • vertical refers to a typical installation state.
  • a preferred receiving direction is typi ⁇ cally parallel to the axis.
  • the rotation of an antenna causes a typically circular, in particular right-circularly polarized field up or unwound and the phase offset with the rotation changes continuously, it will be described below how this can be used to determine an orientation.
  • the antenna module is preferably designed to measure and track at least the carrier phase signal, also referred to as carrier phase signal, of a satellite navigation signal.
  • carrier phase signal also referred to as carrier phase
  • the determination of the orientation is particularly advantageously possible, as will be described in more detail below.
  • the antennas are arranged close to each other, for example with a distance between 0.1 cm and 20 cm.
  • the lower limit of this range may also be, for example, 0.2 cm, 0.3 cm, 0.4 cm, 0.5 cm, 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm or 10 cm.
  • the upper limit of this range may also be, for example, 19 cm, 18 cm, 17 cm, 16 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm or 1 cm. All corresponding combinations of lower and upper limit are regarded as a manifestation of this approach.
  • the antennas may alternatively be spaced further apart.
  • the module is preferably designed as an integrated, separately manageable module. It may be designed, for example, as a component or spare part for an automobile or another land vehicle, watercraft or aircraft.
  • the antennas are preferably formed identical to one another. They are further preferably designed to receive the same type of signal, emission and / or electromagnetic field. Thus, for example, they can both receive the same electromagnetic field emitted by the satellite.
  • the antenna module is designed to rotate the first antenna continuously in one direction of rotation.
  • it may also be designed to rotate the first antenna alternately in both directions of rotation, for example within respective, preferably identical angular ranges.
  • the antenna module can be designed to rotate the first antenna at least by an angle of 360 °. This achieves complete coverage of a full angle.
  • the antenna module is preferably designed to rotate the second antenna about a second axis parallel to the first axis.
  • the antenna module is designed to rotate the second antenna in opposite directions to the first antenna.
  • the second antenna can be rotated at the same angular velocity and / or the same frequency.
  • a signal-to-noise ratio can be further improved.
  • the antenna module has drive means for mechanically rotating the first antenna and / or the second antenna.
  • this may be an electric motor.
  • the first antenna or the first antenna and the second antenna are designed as patch antennas.
  • Such a patch antenna can be rotated in particular by their Charak ⁇ teroxide is changed by electrical wiring.
  • the invention further relates to a method for determining a yaw rate, which comprises the following steps:
  • the method according to the invention can in particular make use of the so-called carrier-phase windup effect. This is based on the fact that typically an electromagnetic wave emitted by the satellite is circularly polarized, in GPS (Global Positioning System, for example, right-handed circular) and further typically also used receiving antennas are in the same direction circularly polarized. Thus, on the one hand the reception of the circularly polarized wave can be improved, on the other hand, reflections can be suppressed, which often have an opposite polarization.
  • GPS Global Positioning System, for example, right-handed circular
  • the receiving antenna now rotates relative to the satellite, it winds up the signal, which leads to a phase shift and thus to a distance error.
  • the distance error for a complete revolution of 360 ° is 19 cm, for example. This effect was always considered to be annoying, but it was corrected or not depending on the required accuracy or implementation in determining the position.
  • the inventors of this application have recognized that the carrier phase windup effect may be beneficial in determining a yaw rate and direction of rotation.
  • the carrier-phase windup in particular to the following
  • the step of determining the yaw rate comprises the following steps:
  • said first phase correction value compensates for rotation and Positionsän ⁇ alteration of the first satellite navigation signal emp ⁇ scavenging antenna
  • the phase correction value is a value which can be obtained from a Pha ⁇ sensignal, and which in particular indicates how the phase has changed due to rotation and / or position ⁇ change. It should be understood that not necessarily rotation and position change must be present at the same time. A non-zero phase correction value also occurs when there is only either one rotation or one position change. In the event of a change in position, in particular a change in altitude is relevant.
  • the phase correction value is also referred to as phase windup correction. According to one embodiment, the method further comprises the following step:
  • the yaw rate is also determined based on the position.
  • the portion of a phase correction value based on a change in position in particular a change in altitude, can be eliminated from a phase correction value which was calculated on the basis of a received signal.
  • that portion of the phase correction value which is based on a rotation remains.
  • the position is known with a high accuracy, for example, more accurate than a wavelength of the received satellite navigation signal, or less than half or one tenth of that wavelength.
  • a satellite navigation system can be used which also carries out the method according to the invention.
  • the method further comprises the following steps:
  • first satellite navigation signal and the second satellite navigation signal pola ⁇ are the same direction circular ized
  • Determining and tracking a second phase signal from the second satellite navigation signal wherein, in the step of determining the yaw rate, the yaw rate is determined based on a comparison of the first phase signal with the second phase signal.
  • the second satellite navigation signal ⁇ is taken as a reference, whereby it is possible to distinguish a rotation of a change in position, in particular a change in altitude.
  • the second Satellitennavigati ⁇ onssignal is typically received with another antenna.
  • the second satellite navigation signal is typically a signal based on the same emission of the same satellite and / or the same electromagnetic wave as the first satellite navigation signal.
  • both the first satellite navigation signal and the second satellite navigation signal may be based on the LI or L2 emission of a GPS satellite.
  • the method may be carried out preferably using an antenna module of the invention. It can be used on all variants and versions described.
  • the step of determining the yaw rate further comprises the step of:
  • the yaw rate is also determined based on the second phase correction value, wherein in the comparison, the first
  • Phase correction value and the second phase correction value are compared.
  • phase correction value is also calculated by the second satellite navigation signal and the yaw rate is determined based on a comparison of the phase correction values.
  • a phase correction value is also calculated by the second satellite navigation signal and the yaw rate is determined based on a comparison of the phase correction values.
  • an exact determination of the position or a consideration of the position can be dispensed with.
  • the yaw rate is determined based on a phase correction value corrected for position change, or position change and antenna rotation, wherein a deviation of the phase correction value from a constant value, preferably 0, indicates a non-fading yaw rate.
  • a non-rotating vehicle that is, not the orientation-changing vehicle or other object with the antennas receiving the signals, results in the phase correction value being determined exclusively by a position change.
  • the phase correction value remains at a constant value, typically 0. If the correspondingly adjusted phase correction value is positive or negative, this indicates a rotation in one direction or the other.
  • a correction of the antenna rotation can take place in particular when the antenna is rotated. This is possible, for example, even when using only one antenna.
  • the yaw rate is determined based on respective symmetry behavior of the first phase correction value and the second phase correction value, whereby a saw under ⁇ Kunststofferie symmetry of the phase correction values over time indicating a non-zero yaw rate.
  • respective antennas which receive the first satellite navigation signal and the second satellite navigation signal, rotate in opposite directions. This can improve the signal-to-noise ratio.
  • the first satellite navigation signal is received by means of a first antenna and the second satellite navigation signal is received by means of a second antenna.
  • the first satellite navigation ⁇ signal and the second satellite navigation signal based preferably on the same emission of the same satellite.
  • the first antenna is rotated about a preferably vertical axis during reception.
  • the first antenna and the second antenna are rotated in opposite directions about a respective preferably vertical axis during the respective receiving.
  • the first satellite navigation signal is preferably a carrier phase signal and / or a circularly polarized signal.
  • the second satellite navigation signal is also preferably a carrier phase signal and / or a circularly polarized signal. The use of such signals has proved to be advantageous for the inventive method.
  • the method is two or more times performed in parallel using emission of two or more satellites, wherein in the step of determining the yaw rate preferably, the yaw rate is determined based on that a non-zero yaw rate on phase signals and / or phase correction values at different ⁇ same effect on a satellite, while a change in position has an effect on phase signals and / or phase correction values depending on the elevation angle of the respective satellite.
  • the Ge ⁇ accuracy and the reliability can be increased when the yaw rate determination.
  • a yaw rate may be calculated for each satellite, with an average calculated from all calculated yaw rates.
  • the invention further relates to a yaw rate sensor. This has at least a first antenna, which is designed as a circularly polarized satellite navigation antenna. Furthermore, the yaw rate sensor has means for determining a yaw rate based on a satellite navigation signal received by the first antenna.
  • the yaw rate sensor By means of the yaw rate sensor according to the invention, it is possible to determine a yaw rate using satellite navigation, that is, for example, waiving a compass or a system based on inertia. In this case, the procedure already described above can be used, wherein all embodiments and variants described in this application can be used.
  • the first antenna is regarded as part of the yaw rate sensor, even if it is significantly spaced at ⁇ play, from a transmitter.
  • the first antenna is part of an antenna module according to the invention.
  • the yaw rate sensor also has a second antenna.
  • the yaw rate can be determined without precise knowledge of the position. It can only one antenna or both antennas are rotated, in the latter case in particular in opposite directions.
  • the antenna module is regarded as part of the yaw rate sensor, even if it is clearly spaced, for example, from a transmitter.
  • the antenna may be configured to be rotated.
  • it may be rotated relative to the remainder of a vehicle of which it is part, for example by means of an electric motor or by the formation of a patch antenna.
  • the rotation can be improved the signal-to-noise ratio.
  • the means for determining a yaw rate may according to one embodiment comprise an electronic control device which is configured to carry out a method according to the invention. It can be used on all described versions and variants. Illustrated benefits apply accordingly.
  • the electronic control device may in particular comprise processor means and memory means, wherein program code is stored in the memory means, in the execution of which the processor means behave in a defined manner, for example carrying out the method according to the invention.
  • the yaw rate sensor is adapted to determine a per ⁇ réelles phase signal of a signal received from the first and / or the second antenna carrier phase or the carrier phase of a satellite navigation signal.
  • the yaw rate sensor can preferably have a phase-locked loop (PLL). This has proved to be advantageous for the determination of a carrier phase or carrier phase.
  • a carrier phase can also be understood or referred to as a carrier phase.
  • the invention further relates to a use of a satellite navigation signal, in particular one
  • Carrier phase signal for determining a yaw rate, in particular by means of determination and evaluation of a on the Satellite navigation signal based phase signal.
  • the determination can be carried out, for example, by means of the method according to the invention and / or by means of the yaw rate sensor according to the invention and / or using the antenna module according to the invention. It can be used in each case on all described versions and variants.
  • the invention further relates to a non-volatile computer-readable storage medium which contains program code, in the execution of which a processor carries out a method according to the invention. It can be used on all described versions and variants. Further features and advantages of the invention will be apparent to those skilled in the embodiments described below with reference to the accompanying drawings. Showing:
  • Fig. 4 A first waveform
  • Fig. 5 A second waveform.
  • Fig. 1 shows schematically a yaw rate sensor 10 according to a first embodiment.
  • the yaw rate sensor 10 has a control module 20 and an antenna module 30.
  • the control module 20 has an electronic Steuerungvor ⁇ direction 22 and a satellite navigation system 24. It is connected to the antenna module 30 via a connecting line 26.
  • the antenna module 30 has a first antenna 32, which is designed as a circularly polarized satellite navigation antenna. This is the only antenna of the antenna module 30 of the yaw rate sensor 10 according to the first embodiment.
  • the term "first antenna" is merely used to establish a consistency of designations with the second embodiment, in which there is also a second antenna.
  • FIG. 1 also shows a satellite 50 of the GPS system. This emits an emission in the form of an electromagnetic wave 60 in the direction of the earth's surface, on which there is an unillustrated vehicle in which the yaw rate sensor 10 is installed.
  • the wave 60 is received by the first antenna 32, thereby generating a first satellite navigation signal. This is forwarded to the electronic control device 22 which calculates a yaw rate therefrom in the manner described below.
  • the first satellite navigation signal is also routed in parallel to the satellite navigation system 24. In a known way this calculates the exact position of the yaw rate sensor 10.
  • this calculates the exact position of the yaw rate sensor 10.
  • the electronic control device 22 receives both the first satellite navigation signal from the first antenna 32 and the exact position from the satellite navigation system 24.
  • the electronic control device 22 first calculates a phase signal from the first satellite navigation signal and then a phase correction value.
  • the phase correction value indicates a phase shift in the first satellite navigation signal, which is caused by a possible change in position as well as a possible rotation of the antenna module 30.
  • the phase signal can be obtained because the wave 60 is right circularly polarized and the first antenna 32 is also right handed polarized. If the first antenna 32 rotates relative to the shaft 60 or if its height changes, the phase of the received signal thus changes.
  • the phase correction value comprises two compo nents ⁇ , wherein a first component is based on a change in position, and a second component based on a rotation. If only the position changes or the antenna module 30 only rotates, then the phase correction value has only one component.
  • the phase correction value has a value of 0. If there is at least one position change or one rotation, the phase correction value has a value greater or less zero. In this case, the electronic control device 22 first calculates the influence of the position change on the phase correction value. The remaining nonvanishing part is then based on the rotation and is further used to compute a yaw rate.
  • the electronic Steuerungsvor ⁇ direction 22 calculates a yaw rate exclusively using satellite navigation, which can be dispensed with additional hardware such as a compass.
  • FIG. 2 schematically shows a yaw rate sensor 10 according to a second exemplary embodiment.
  • the antenna module 30 has not only the first antenna 32 but also a second antenna 34.
  • This is also designed as a circularly polarized satellite navigation antenna.
  • the first antenna 32 is connected to a first electric motor 33 and the second antenna 34 is connected to a second electric motor 35.
  • the electric motors 33, 35 continuously rotate the two antennas 32, 34 in opposite directions, in the present case the first antenna 32 is rotated counterclockwise and the second antenna 34 is rotated clockwise. Both antennas 32, 34 are rotated about a respective vertical axis.
  • both Satellitennaviga ⁇ tion signals 32, 34 based on the same electromagnetic wave 60th
  • the first Satellitennavigati ⁇ onssignal is then passed from the first antenna 32 at first to a first processing circuit 42 and to a first amplifier 43.
  • the second Satellitenna ⁇ vigationssignal is then passed from the second antenna 34 is first to a second processing circuit 44 and to a second amplifier 45th
  • the two satellite navigation signals are brought together and directed via the connecting line 26 to the electronic control ⁇ device 22 and the satellite navigation module 24.
  • a position is calculated from the satellite navigation signals in a known manner. In the present case, this does not have to be quite as accurate as in the first exemplary embodiment.
  • the electronic control device 22 calculates a first phase signal from the first satellite navigation signal and from this, in turn, a first phase correction value. From the second satellite navigation signal, it calculates a second phase signal and from this, in turn, a second phase correction value.
  • the phase correction values indicate as already above in the description of the first embodiment mentioned how the phase signal has changed due Positionsver ⁇ change and / or rotation.
  • FIG. 4 shows the time profile of the first phase correction value PI and of the second phase correction value P2.
  • the time (t) is plotted on the horizontal axis.
  • the phase correction values PI, P2 are dimensionless on the vertical axis.
  • FIG. 4 shows the course of the phase correction values PI, P2 in the case of an antenna module 30 which does not change its position and does not rotate.
  • the two phase correction values PI, P2 are adjusted so that they have a same amplitude. They describe opposing, but mutually symmetrical shege leopardkurven due to the already described above rotation of the antennas 32, 34 by means of the electric motors 33, 35. Their sum always gives a constant value.
  • the sawtooth curves show jumps after one revolution, which are clearly visible. Since the two antennas 32, 34 in rotation, but rotated at the same angular velocity, the discontinuities occur at the same time.
  • FIG. 5 shows a case in which the antenna module 30 rotates, for example because a vehicle to which it is attached is turning. As shown, the distances between the discontinuities in the first phase correction value PI shorten while the distances between the discontinuities in the second phase correction value P2 increase.
  • phase correction referred to as “carrier phase windup” can be calculated and which are described in the two references cited above
  • the change in the discontinuities and the associated slopes of the phase correction values PI, P2 at a certain azimuth of a satellite, which is not in the zenith characteristic of a certain combination of positional change and yaw rate. This allows a determination of the yaw rate, in particular ⁇ by special retroactive accounting.
  • a yaw rate sensor could also be operated with two antennas, with only one of the antennas being rotated.
  • a shift of the discontinuities relative to discontinuities at standstill can be evaluated, which provides an at least approximately proportional to the yaw rate signal.
  • a signal of the rotating antenna relative to the non-rotating antenna can be evaluated.
  • the use of two opposing antennas has the advantage that interfering effects such as temperature ⁇ turdrift, drift in the electronic control device 22 or the drift of the received signals affect both antenna paths and are thus automatically compensated.
  • the compensation is particularly good when the components of the yaw rate sensor are arranged adjacent to each other, ie immediately adjacent or only at a short distance (for example, with distances as above for the distance between two antennas), since in this case, for example, all components an identical or at least similar Have temperature. Disturbing effects of the satellite signals can be avoided by a closely juxtaposed arrangement of the antennas 32, 34. It is not absolutely necessary that with two rotating antennas the jump points take place simultaneously, since one can only evaluate the shift of the jump points and subtract the relative position at standstill as a constant. In individual cases, the use of oscillating antennas, which swing back and forth in a certain angular range, be easier to implement than continuously rotatable antennas. Ideally, the oscillating motions of several antennas are synchronized so that they oscillate with the same frequency and constant phase offset, in two antennas ideally in the opposite direction.
  • steps of the method according to the invention can be carried out in the order given. However, they can also be executed in a different order. In one of its embodiments, for example with a specific set of steps, the method according to the invention can be carried out in such a way that no further steps are carried out. It can, however, in principle also further steps are performed, even those which are not mentioned.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Gierrate mittels Satellitennavigation sowie ein hierfür geeignetes Antennenmodul, einen Gierratensensor und die Verwendung eines Satellitennavigationssignals für die Bestimmung einer Gierrate. Durch die Ermittlung einer Gierrate unter Verwendung des Phase-Windup-Effekts kann auf den zusätzlichen Einbau von Kreiselinstrumenten oder ähnlichem verzichtet werden.

Description

Beschreibung
Antennenmodul, Verfahren zum Bestimmen einer Gierrate, Gierratensensor und Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul, ein Verfahren zum Bestimmen einer Gierrate, einen Gierratensensor und eine Verwendung .
Die Bestimmung eines Kurses, beispielsweise eines Fahrzeugs, kann insbesondere über einen Kompass erfolgen. Eine Änderung einer Orientierung kann beispielsweise über Drehratensensoren, Kreisel, Kreiselkompasse oder ähnliches gemessen werden. Demgegenüber erfolgt bei einer Positionsbestimmung mittels eines Satellitennavigationssystems (GNSS = Global Navigation Sa- tellite System) typischerweise nur die Bestimmung einer punktförmigen Position oder einer Bewegung. Eine Änderung einer Fahrzeugorientierung ist damit nicht erkennbar, da nur die Bewegungsrichtung, nicht aber die Orientierung beziehungsweise Ausrichtung bestimmt werden kann. Während bei einer Geradeausfahrt Bewegungsrichtung und Orientierung identisch sind, unterscheiden sich diese während der Kurvenfahrt um den Schwimmwinkel. Diese Änderung ist über einen Kompass oder über Drehratensensoren messbar, jedoch nicht mittels eines handelsüblichen Satellitennavigationssystems .
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der Erfindung, Mittel zum Bestimmen einer Orientierung unter ausschließlicher Verwendung eines Satellitennavigationssystems bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Antennenmodul nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 5, einen Gierratensensor nach Anspruch 13 und eine Verwendung nach Anspruch 15 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen können beispielsweise den je- weiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul für einen Gierratensensor. Das Antennenmodul weist eine erste Antenne und eine zweite Antenne auf. Die erste Antenne und die zweite Antenne sind als gleichsinnig zirkulär polarisierte Satellitennavigationsantennen ausgebildet. Das Antennenmodul ist dazu aus- gebildet, zumindest die erste Antenne um eine erste, vorzugsweise vertikale Achse zu drehen.
Mittels des erfindungsgemäßen Antennenmoduls ist es möglich, basierend auf einer Messung von Satellitennavigationssignalen eine Orientierungsänderung des Antennenmoduls und damit auch eines Fahrzeugs, an welchem das Antennenmodul angebracht ist, zu bestimmen. Dies wird weiter unten mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben werden. Mit einem herkömmlichen Antennenmodul, welches typischerweise nur eine Antenne aufweist, ist dies zumindest nicht mit allen Ausfüh¬ rungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Vielmehr wäre es bei Verwendung nur einer Antenne erforderlich, die Position sehr genau zu kennen, was bei der Verwendung von zwei Antennen nicht erforderlich ist.
Die Bezeichnung„vertikal" bezieht sich dabei auf einen typischen Einbauzustand. Eine bevorzugte Empfangsrichtung ist typi¬ scherweise parallel zur Achse. Die Drehung einer Antenne führt dazu, dass ein typischerweise zirkulär, insbesondere rechtszirkular polarisiertes Feld auf- oder abgewickelt wird und sich der Phasenversatz mit der Drehung kontinuierlich ändert. Es wird weiter unten beschrieben werden, wie dies zur Bestimmung einer Orientierung ausgenutzt werden kann .
Das Antennenmodul ist bevorzugt dazu ausgebildet, zumindest das Trägerphasensignal, auch als Carrierphasensignal bezeichnet, eines Satellitennavigationssignals zu messen und zu verfolgen. Mittels eines solchen Trägerphasensignals, auch als Carrier Phase bezeichnet, ist die Bestimmung der Orientierung besonders vorteilhaft möglich, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.
Bevorzugt sind die Antennen nahe beieinander angeordnet, beispielsweise mit einem Abstand zwischen 0,1 cm und 20 cm. Die untere Grenze dieses Bereichs kann beispielsweise auch 0,2 cm, 0,3 cm, 0,4 cm, 0,5 cm, 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm oder 10 cm betragen. Die obere Grenze dieses Bereichs kann beispielsweise auch 19 cm, 18 cm, 17 cm, 16 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm oder 1 cm betragen. Alle entsprechenden Kombinationen von unterer und oberer Grenze gelten als Offenbarung dieser An- meidung.
Durch die nahe beieinander liegende Anordnung kann eine Phasenverschiebung aufgrund des Abstands der Antennen zueinander, welche eine Messung und/oder Bestimmung verfälschen würde, vermieden werden.
Die Antennen können alternativ jedoch auch weiter voneinander beabstandet sein. Das Modul ist bevorzugt als integriertes, separat handhabbares Modul ausgebildet. Es kann beispielsweise als Bauteil oder Ersatzteil für ein Automobil oder ein anderes Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug ausgebildet sein. Die Antennen sind bevorzugt identisch zueinander ausgebildet. Sie sind weiter bevorzugt zum Empfang der gleichen Art von Signal, Emission und/oder elektromagnetischem Feld ausgebildet. Damit können sie beispielsweise beide das gleiche vom Satelliten emittierte elektromagnetische Feld empfangen.
Das Antennenmodul ist gemäß einer Ausführung dazu ausgebildet, die erste Antenne kontinuierlich in einer Drehrichtung zu drehen. Alternativ kann es auch dazu ausgebildet sein, die erste Antenne alternierend in beiden Drehrichtungen zu drehen, beispielsweise innerhalb jeweiliger, vorzugsweise identischer Winkelbereiche.
Insbesondere kann das Antennenmodul dazu ausgebildet sein, die erste Antenne mindestens um einen Winkel von 360° zu drehen. Damit wird eine komplette Abdeckung eines Vollwinkels erreicht.
Das Antennenmodul ist bevorzugt dazu ausgebildet, die zweite Antenne um eine zweite, zur ersten Achse parallele Achse zu drehen. Besonders bevorzugt ist das Antennenmodul dazu aus- gebildet, die zweite Antenne gegenläufig zur ersten Antenne zu drehen. Insbesondere kann die zweite Antenne mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und/oder gleicher Frequenz gedreht werden. Damit kann ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis weiter verbessert werden.
Gemäß einer Ausführung weist das Antennenmodul Antriebsmittel zum mechanischen Drehen der ersten Antenne und/oder der zweiten Antenne auf. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Elektromotor handeln. Gemäß einer hierzu alternativen Ausführung ist die erste Antenne oder sind die erste Antenne und die zweite Antenne als Patchantenne ausgebildet. Eine solche Patchantenne kann insbesondere dadurch gedreht werden, dass ihre Charak¬ teristik durch elektrische Beschaltung verändert wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Bestimmen einer Gierrate, welches folgende Schritte aufweist:
Empfangen zumindest eines ersten Satellitennavigations¬ signals,
- Ermitteln und Verfolgen eines ersten Phasensignals aus dem ersten Satellitennavigationssignal, und
Ermitteln der Gierrate basierend zumindest auf dem ersten Phasensignal . Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich insbesondere den sogenannten Carrier-Phase-Windup-Effekt zu Nutze machen. Dieser basiert darauf, dass typischerweise eine vom Satelliten emittierte elektromagnetisch Welle zirkulär, bei GPS (Global Positioning System beispielsweise rechtszirkular) polarisiert ist und ferner typischerweise auch verwendete Empfangsantennen gleichsinnig zirkulär polarisiert sind. Damit kann einerseits der Empfang der zirkulär polarisierten Welle verbessert werden, andererseits können auch Reflexionen unterdrückt werden, welche häufig eine entgegengesetzte Polarisation aufweisen.
Dreht sich nun die Empfangsantenne relativ zum Satelliten, so wickelt sie das Signal auf, was zu einem Phasenversatz und damit zu einem Distanzfehler führt. Bei einer für das Ll-Signal von GPS-Satelliten typischen Wellenlänge von 19 cm beträgt der Distanzfehler bei einer vollständigen Umdrehung von 360° beispielsweise 19 cm. Dieser Effekt wurde bislang immer als störend betrachtet, wobei er je nach geforderter Genauigkeit oder Implementierung bei der Positionsbestimmung korrigiert wurde oder auch nicht.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben jedoch erkannt, dass sich der Carrier-Phase-Windup-Effekt vorteilhat zum Bestimmen einer Gierrate und einer Drehrichtung nutzen lässt. Zum Carrier-Phase-Windup sei insbesondere auf folgende
Grundlagenliteratur verwiesen:
Alfred Leick, GPS Satellite Surveying, Third Edition Wu, J.T., S,C. Wu, G.A. Hajj, W.I. Bertiger und S . M . Lichten, Effects of antenna orientation on GPS carrier phase, Man.
Geodetica 18, pp . 91-98, 1993
Der Inhalt dieser Literaturzitate wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht.
Bevorzugt weist der Schritt des Ermitteins der Gierrate folgende Schritte auf:
Ermitteln und Verfolgen eines ersten Phasenkorrekturwerts basierend auf dem ersten Phasensignal, wobei der erste Phasenkorrekturwert eine Rotation und eine Positionsän¬ derung einer das erste Satellitennavigationssignal emp¬ fangenden Antenne ausgleicht, und
Ermitteln der Gierrate basierend auf dem ersten Phasen- korrekturwert .
Der Phasenkorrekturwert ist ein Wert, welcher aus einem Pha¬ sensignal erhalten werden kann, und welcher insbesondere angibt, wie sich die Phase aufgrund von Rotation und/oder Positions¬ änderung verändert hat. Es sei dabei verstanden, dass nicht zwingend Rotation und Positionsänderung gleichzeitig vorhanden sein müssen. Ein nichtverschwindender Phasenkorrekturwert tritt auch dann auf, wenn nur entweder eine Rotation oder eine Positionsänderung vorhanden ist. Bei einer Positionsänderung ist insbesondere eine Höhenänderung relevant. Der Phasenkorrek- turwert wird auch als Phase Windup Correction bezeichnet. Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:
Ermitteln und Verfolgen einer Position der das erste Satellitennavigationssignal empfangenden Antenne,
- wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate auch basierend auf der Position ermittelt wird.
Durch die genaue Bestimmung der Position kann der auf einer Positionsänderung, insbesondere einer Höhenänderung, basierende Anteil eines Phasenkorrekturwerts aus einem Phasenkorrektur- wert, welcher anhand eines empfangenen Signals berechnet wurde, herausgerechnet werden. Somit verbleibt derjenige Anteil des Phasenkorrekturwerts, welcher auf einer Rotation basiert. Dies ermöglicht die Berechnung einer Gierrate, ohne dass es hierfür einer weiteren Antenne bedarf. Für eine solche Berechnung ist es von Vorteil, wenn die Position mit einer hohen Genauigkeit, beispielsweise genauer als eine Wellenlänge des empfangenen Satellitennavigationssignals, oder weniger als die Hälfte oder als ein Zehntel dieser Wellenlänge, bekannt ist. Zur Ermittlung und zum Verfolgen der Position kann beispielsweise ein Satellitennavigationssystem verwendet werden, welches auch das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf:
Empfangen eines zweiten Satellitennavigationssignals, welches auf Emissionen des gleichen Satelliten basiert wie das erste Satellitennavigationssignal,
wobei das erste Satellitennavigationssignal und das zweite Satellitennavigationssignal gleichsinnig zirkulär pola¬ risiert sind, und
Ermitteln und Verfolgen eines zweiten Phasensignals aus dem zweiten Satellitennavigationssignal, wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate basierend auf einem Vergleich des ersten Phasensignals mit dem zweiten Phasensignal ermittelt wird. Mittels dieser Ausführung ist es möglich, eine Gierrate und Drehrichtung auch ohne genaue Kenntnis der Position exakt und zuverlässig zu bestimmen. Hierzu wird das zweite Satelliten¬ navigationssignal als Referenz genommen, womit es möglich ist, eine Rotation von einer Positionsänderung, insbesondere einer Höhenänderung, zu unterscheiden.
Es sei dabei verstanden, dass das zweite Satellitennavigati¬ onssignal typischerweise mit einer anderen Antenne empfangen wird. Es handelt sich aber bei dem zweiten Satellitennaviga- tionssignal typischerweise um ein Signal, welches auf der gleichen Emission des gleichen Satelliten und/oder der gleichen elektromagnetischen Welle basiert wie das erste Satellitennavigationssignal. Beispielsweise können sowohl das erste Satellitennavigationssignal wie auch das zweite Satelliten- navigationssignal auf der LI- oder der L2-Emission eines GPS-Satelliten basieren.
Insbesondere bei Verwendung eines zweiten Satellitennaviga¬ tionssignals kann das Verfahren vorzugsweise unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Antennenmoduls ausgeführt werden. Dabei kann auf alle beschriebenen Varianten und Ausführungen zurückgegriffen werden.
Bevorzugt weist der Schritt des Ermitteins der Gierrate ferner folgenden Schritt auf:
Ermitteln und Verfolgen eines zweiten Phasenkorrekturwerts basierend auf dem zweiten Phasensignal, wobei der zweite Phasenkorrekturwert eine Rotation und eine Positionsän- derung einer das zweite Satellitennavigationssignal empfangenden Antenne ausgleicht,
wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate auch basierend auf dem zweiten Phasenkorrekturwert er- mittelt wird, wobei bei dem Vergleich bevorzugt der erste
Phasenkorrekturwert und der zweite Phasenkorrekturwert verglichen werden.
Dies ermöglicht ein ähnliches Vorgehen wie weiter oben mit Bezug auf den ersten Phasenkorrekturwert beschrieben, wobei auch von dem zweiten Satellitennavigationssignal ein Phasenkorrekturwert berechnet wird und die Gierrate basierend auf einem Vergleich der Phasenkorrekturwerte ermittelt wird. Insbesondere kann dabei auf eine genaue Bestimmung der Position beziehungsweise auf eine Berücksichtigung der Position verzichtet werden.
Gemäß einer Ausführung wird die Gierrate basierend auf einem um Positionsänderung, oder Positionsänderung und Antennenrotation, korrigierten Phasenkorrekturwert ermittelt, wobei eine Ab- weichung des Phasenkorrekturwerts von einem konstanten Wert, vorzugsweise 0, eine nichtverschwindende Gierrate anzeigt. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein nicht rotierendes, also nicht die Orientierung änderndes Fahrzeug oder sonstiges Objekt mit den die Signale empfangenden Antennen dazu führt, dass der Pha- senkorrekturwert ausschließlich durch eine Positionsänderung bestimmt wird. Wenn diese Positionsänderung herausgerechnet wird, verbleibt der Phasenkorrekturwert auf einem konstanten Wert, typischerweise 0. Wird der entsprechend bereinigte Phasenkorrekturwert positiv oder negativ, so zeigt dies eine Rotation in der einen oder der anderen Richtung an. Eine Korrektur der Antennenrotation kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Antenne gedreht wird. Dies ist beispielsweise auch bei Verwendung von nur einer Antenne möglich. Gemäß einer Ausführung wird die Gierrate basierend auf jeweiligem Symmetrieverhalten des ersten Phasenkorrekturwerts und des zweiten Phasenkorrekturwerts ermittelt, wobei eine unter¬ schiedliche Symmetrie der Phasenkorrekturwerte im zeitlichen Verlauf gesehen eine nichtverschwindende Gierrate anzeigt.
Dies basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass sich das Symmetrieverhalten der Phasenkorrekturwerte ändert, wenn die Antennen, welche die Signale empfangen, ihre Position, ins- besondere ihre Höhe, verändern oder sich drehen. Durch den Vergleich kann eine Höhenänderung von einer Rotation unterschieden werden, ohne dass es hierbei einer genauen Ortskenntnis bedarf. Wie die Erfinder herausgefunden haben ist die Unterscheidung zwischen Positionsänderung und Rotation besonders vorteilhaft möglich, wenn ein hierzu verwendeter Satellit außerhalb des Zenits steht.
Es ist dabei insbesondere von Vorteil, wenn sich jeweilige Antennen, welche das erste Satellitennavigationssignal und das zweite Satellitennavigationssignal empfangen, gegenläufig drehen. Damit kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden .
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird das erste Satelli- tennavigationssignal mittels einer ersten Antenne empfangen und das zweite Satellitennavigationssignal wird mittels einer zweiten Antenne empfangen. Das erste Satellitennavigations¬ signal und das zweite Satellitennavigationssignal basieren dabei bevorzugt auf der gleichen Emission des gleichen Satelliten. Die erste Antenne wird gemäß einer Ausführung während des Empfangens um eine vorzugsweise vertikale Achse gedreht. Gemäß einer hierzu alternativen Ausführung werden die erste Antenne und die zweite Antenne während des jeweiligen Empfangens um eine jeweilige vorzugsweise vertikale Achse gegenläufig gedreht. Durch die Drehung kann, wie bereits weiter oben beschrieben, das Sig- nal-zu-Rausch-Verhältnis verstärkt werden. Außerdem wird durch die Verwendung zweier Antennen wie beschrieben eine Bestimmung der Gierrate ohne genaue Ortskenntnis ermöglicht.
Das erste Satellitennavigationssignal ist bevorzugt ein Carrierphase-Signal und/oder ein zirkulär polarisiertes Signal. Auch das zweite Satellitennavigationssignal ist bevorzugt ein Carrierphase-Signal und/oder ein zirkulär polarisiertes Signal. Die Verwendung derartiger Signale hat sich für das erfindungsgemäße Verfahren als vorteilhaft erwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird das Verfahren zweifach oder mehrfach parallel unter Verwendung von Emissionen zweier oder mehrerer Satelliten ausgeführt, wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate bevorzugt basierend darauf ermittelt wird, dass sich eine nichtverschwindende Gierrate auf Phasensignale und/oder Phasenkorrekturwerte bei unterschied¬ lichen Satelliten gleich auswirkt, während sich eine Positi- onsänderung auf Phasensignale und/oder Phasenkorrekturwerte abhängig vom Elevationswinkel des jeweiligen Satelliten auswirkt .
Durch die Verwendung von zwei oder mehr Satelliten und ent- sprechend parallele Ausführung des Verfahrens können die Ge¬ nauigkeit und die Zuverlässigkeit bei der Gierratenbestimmung erhöht werden. Beispielsweise kann für jeden Satellit eine Gierrate berechnet werden, wobei aus allen berechneten Gierraten ein Mittelwert gebildet wird. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, einen Satelliten zum Bestimmen einer Höhenänderung zu verwenden und den anderen zur Bestimmung der Gierrate, wobei vorteilhaft die bestimmte Höhenänderung verwendet werden kann. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Gierratensensor. Dieser weist zumindest eine erste Antenne auf, welche als zirkulär polarisierte Satellitennavigationsantenne ausgebildet ist. Des Weiteren weist der Gierratensensor Mittel zum Ermitteln einer Gierrate basierend auf einem mittels der ersten Antenne empfangenen Satellitennavigationssignal auf.
Mittels des erfindungsgemäßen Gierratensensors ist es möglich, unter Verwendung von Satellitennavigation, also beispielsweise unter Verzicht auf einen Kompass oder ein trägheitsbasiertes System, eine Gierrate zu bestimmen. Dabei kann das weiter oben bereits beschriebene Vorgehen verwendet werden, wobei auf alle in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann. Die erste Antenne wird dabei als Teil des Gierratensensors angesehen, auch wenn sie bei¬ spielsweise von einer Auswerteelektronik deutlich beabstandet ist .
Die erste Antenne ist gemäß einer Ausführung Bestandteil eines erfindungsgemäßen Antennenmoduls. Dies bedeutet insbesondere, dass der Gierratensensor auch eine zweite Antenne aufweist. Damit kann, wie weiter oben beschrieben wurde, die Gierrate ohne genaue Kenntnis der Position bestimmt werden. Es können dabei nur eine Antenne oder auch beide Antennen gedreht werden, in letzterem Fall insbesondere gegenläufig. Das Antennenmodul wird dabei als Teil des Gierratensensors angesehen, auch wenn es beispielsweise von einer Auswerteelektronik deutlich beabstandet ist.
Es sei verstanden, dass auch im Falle der Verwendung nur einer Antenne diese dazu ausgebildet sein kann, gedreht zu werden. Beispielsweise kann sie relativ zum Rest eines Fahrzeugs, dessen Teil sie ist, gedreht werden, beispielsweise mittels eines Elektromotors oder durch die Ausbildung als Patchantenne. Durch die Drehung kann insbesondere das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Die Mittel zum Ermitteln einer Gierrate können gemäß einer Ausführung eine elektronische Steuerungsvorrichtung aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Dabei kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Erläuterte Vorteile gelten entsprechend .
Die elektronische Steuerungsvorrichtung kann insbesondere Prozessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei in den Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung sich die Prozessormittel in definierter Weise verhalten, beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren ausführen .
Bevorzugt ist der Gierratensensor dazu ausgebildet, ein je¬ weiliges Phasensignal einer von der ersten und/oder der zweiten Antenne empfangenen Carrierphase beziehungsweise Trägerphase eines Satellitennavigationssignals zu bestimmen. Dies erlaubt beispielsweise einige mögliche Ausführungen des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens. Der Gierratensensor kann hierfür vorzugsweise eine Phasenregelschleife (PLL = Phase Locked Loop) aufweisen. Diese hat sich für die Bestimmung einer Carrierphase beziehungsweise Trägerphase als vorteilhaft erwiesen.
Es sei verstanden, dass eine Carrierphase auch als Trägerphase verstanden oder bezeichnet werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verwendung eines Satellitennavigationssignals, insbesondere eines
Carrierphase-Signals , für eine Bestimmung einer Gierrate, insbesondere mittels Ermittlung und Auswertung eines auf dem Satellitennavigationssignal basierenden Phasensignals. Die Bestimmung kann beispielsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder mittels des erfindungsgemäßen Gierratensensors und/oder unter Verwendung des erfindungsge- mäßen Antennenmoduls durchgeführt werden. Dabei kann jeweils auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden .
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges com- puterlesbares Speichermedium, welches Programmcode enthält, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt. Dabei kann auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1: Einen Gierratensensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2: Einen Gierratensensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3: Eine Beschaltung eines Antennenmoduls,
Fig. 4: Einen ersten Signalverlauf, und
Fig. 5: Einen zweiten Signalverlauf.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Gierratensensor 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Gierratensensor 10 weist ein Kontrollmodul 20 und ein Antennenmodul 30 auf. Das Kontrollmodul 20 weist eine elektronische Steuerungsvor¬ richtung 22 und ein Satellitennavigationssystem 24 auf. Es ist mit dem Antennenmodul 30 über eine Verbindungsleitung 26 verbunden . Das Antennenmodul 30 weist eine erste Antenne 32 auf, welche als zirkulär polarisierte Satellitennavigationsantenne ausgebildet ist. Dies ist die einzige Antenne des Antennenmoduls 30 des Gierratensensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Bezeichnung „erste Antenne" wird lediglich verwendet, um eine Konsistenz der Bezeichnungen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel herzustellen, in welchen es auch eine zweite Antenne gibt.
In Fig. 1 ist des Weiteren ein Satellit 50 des GPS-Systems dargestellt. Dieser emittiert eine Emission in Form einer elektromagnetischen Welle 60 in Richtung der Erdoberfläche, auf welcher sich ein nicht dargestelltes Fahrzeug befindet, in welchem der Gierratensensor 10 eingebaut ist. Die Welle 60 wird von der ersten Antenne 32 empfangen, wodurch ein erstes Satellitennavigationssignal erzeugt wird. Dieses wird an die elektronische Steuerungsvorrichtung 22 weitergeleitet, welche daraus auf die nachfolgend beschriebene Art und Weise eine Gierrate berechnet.
Das erste Satellitennavigationssignal wird ferner parallel auch an das Satellitennavigationssystem 24 geleitet. Dieses berechnet in bekannter Art und Weise eine exakte Position des Gierratensensors 10. Durch Nutzung bekannter Verfeinerungs- techniken wie Differential-GPS erreicht das Satellitennavi¬ gationssystem 24 vorliegend eine besonders hohe Genauigkeit von wenigen cm.
Die elektronische Steuerungsvorrichtung 22 erhält sowohl das erste Satellitennavigationssignal von der ersten Antenne 32 wie auch die exakte Position von dem Satellitennavigationssystem 24.
Die elektronische Steuerungsvorrichtung 22 berechnet aus dem ersten Satellitennavigationssignal zunächst ein Phasensignal und anschließend einen Phasenkorrekturwert . Der Phasenkor- rekturwert gibt dabei eine Phasenverschiebung in dem ersten Satellitennavigationssignal an, welche durch eine etwaige Positionsänderung sowie eine etwaige Rotation des Antennenmoduls 30 hervorgerufen wird. Das Phasensignal kann erhalten werden, weil die Welle 60 rechtszirkular polarisiert ist und die erste Antenne 32 ebenfalls rechtszirkular polarisiert ist. Dreht sich die erste Antenne 32 relativ zur Welle 60 oder verändert sich ihre Höhe so ändert sich folglich die Phase des empfangenen Signals.
Wie eben erwähnt enthält der Phasenkorrekturwert zwei Kompo¬ nenten, wobei eine erste Komponente auf einer Positionsänderung basiert und eine zweite Komponente auf einer Rotation basiert. Wenn sich nur die Position ändert oder sich das Antennenmodul 30 nur dreht, so hat der Phasenkorrekturwert nur eine Komponente.
Wenn sich das Antennenmodul 30 weder in der Position verändert noch dreht, hat der Phasenkorrekturwert einen Wert von 0. Tritt zumindest eine Positionsveränderung oder eine Rotation auf, so hat der Phasenkorrekturwert einen Wert größer oder kleiner Null. In diesem Fall rechnet die elektronische Steuerungsvorrichtung 22 zunächst den Einfluss der Positionsveränderung aus dem Phasenkorrekturwert heraus. Der dann verbleibende nichtver- schwindende Teil basiert auf der Rotation und wird weiter dazu genutzt, eine Gierrate zu berechnen.
Auf diese Weise errechnet die elektronische Steuerungsvor¬ richtung 22 eine Gierrate ausschließlich unter Verwendung von Satellitennavigation, wobei auf zusätzliche Hardware wie beispielsweise einen Kompass verzichtet werden kann.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Gierratensensor 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dieser unterscheidet sich von dem Gierratensensor 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Antennenmodul 30 nicht nur die erste Antenne 32, sondern auch eine zweite Antenne 34 aufweist. Auch diese ist als zirkulär polarisierte Satellitennavigationsantenne ausgebildet. Des Weiteren ist die erste Antenne 32 mit einem ersten Elektromotor 33 verbunden und die zweite Antenne 34 ist mit einem zweiten Elektromotor 35 verbunden. Die Elektromotoren 33, 35 drehen die beiden Antennen 32, 34 kontinuierlich gegenläufig, wobei vorliegend die erste Antenne 32 gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird und die zweite Antenne 34 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Beide Antennen 32, 34 werden um eine jeweilige vertikale Achse gedreht. Zusätzlich zum ersten Satellitennavigationssignal wird nun auch ein zweites Satellitennavigationssignal mittels der zweiten Antenne 34 empfangen, wobei beide Satellitennaviga¬ tionssignale 32, 34 auf der gleichen elektromagnetischen Welle 60 basieren.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, welche eine interne Beschaltung des Antennenmoduls 30 zeigt, wird das erste Satellitennavigati¬ onssignal von der ersten Antenne 32 zunächst zu einer ersten Aufbereitungsschaltung 42 und anschließend zu einem ersten Verstärker 43 geleitet. Ebenso wird das zweite Satellitenna¬ vigationssignal von der zweiten Antenne 34 zunächst zu einer zweiten Aufbereitungsschaltung 44 und anschließend zu einem zweiten Verstärker 45 geleitet. An einem Knoten 47 werden die beiden Satellitennavigationssignale zusammengeführt und über die Verbindungsleitung 26 an die elektronische Steuerungs¬ vorrichtung 22 und das Satellitennavigationsmodul 24 geleitet.
In dem Satellitennavigationsmodul 24 wird aus den Satelli- tennavigationssignalen in bekannter Art und Weise eine Position berechnet. Diese muss vorliegend nicht ganz so genau sein wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 22 berechnet aus dem ersten Satellitennavigationssignal ein erstes Phasensignal und aus diesem wiederum einen ersten Phasenkorrekturwert . Aus dem zweiten Satellitennavigationssignal berechnet sie ein zweites Phasensignal und aus diesem wiederum einen zweiten Phasen- korrekturwert. Die Phasenkorrekturwerte geben wie bereits weiter oben bei der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels erwähnt an, wie sich das Phasensignal aufgrund Positionsver¬ änderung und/oder Rotation verändert hat.
Bei der Verwendung von zwei Antennen 32, 34 ist es jedoch nicht mehr nötig, die Position besonders genau zu kennen. Vielmehr kann aufgrund eines Vergleichs zwischen den beiden Phasenkorrek- turwerten, insbesondere zwischen deren Symmetrieverhalten, eine Positionsveränderung von einer Rotation unterschieden werden. Dies wird nachfolgend erläutert.
In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf des ersten Phasenkorrekturwerts PI und des zweiten Phasenkorrekturwerts P2 dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist dabei die Zeit (t) angetragen. Auf der vertikalen Achse sind dimensionslos die Phasenkorrekturwerte PI, P2 angetragen. Gleiches gilt für die weiter unten beschriebene Fig. 5. Fig. 4 zeigt den Verlauf der Phasenkorrekturwerte PI, P2 im Fall eines Antennenmoduls 30, welches seine Position nicht verändert und nicht rotiert. Die beiden Phasenkorrekturwerte PI, P2 sind derart abgeglichen, dass sie eine gleiche Amplitude haben. Sie beschreiben gegenläufige, aber zueinander symmetrische Säge- zahnkurven aufgrund der bereits weiter oben beschriebenen Drehung der Antennen 32, 34 mittels der Elektromotoren 33, 35. Ihre Summe ergibt immer einen konstanten Wert. Die Sägezahnkurven weisen nach jeweils einer Umdrehung Sprungstellen auf, welche deutlich zu erkennen sind. Da die beiden Antennen 32, 34 ge- genläufig, aber mit gleicher Winkelgeschwindigkeit gedreht werden, treten die Sprungstellen jeweils zur gleichen Zeit auf.
Das Auftreten der Sprungstellen zur gleichen Zeit, allgemeiner gesagt die in Fig. 4 zu erkennende Symmetrie, ist charakte¬ ristisch dafür, dass sich das Antennenmodul 30 nicht bewegt und dass es nicht rotiert. Die Gierrate hat in diesem Fall also den Wert 0. In Fig. 5 ist ein Fall dargestellt, in welchem das Antennenmodul 30 rotiert, beispielsweise weil ein Fahrzeug, an dem es befestigt ist, eine Kurve fährt. Wie gezeigt verkürzen sich die Abstände zwischen den Sprungstellen im ersten Phasenkorrekturwert PI, während sich die Abstände zwischen den Sprungstellen im zweiten Phasenkorrekturwert P2 verlängern.
Wie aus den Gleichungen, mit welchen die als „Carrier Phase Windup" bezeichnete Phasenkorrektur berechnet werden kann und welche in den beiden weiter oben genannten Literaturstellen beschreiben sind, leicht abgeleitet werden kann, ist die Änderung der Sprungstellen und der damit verbundenen Steigungen der Phasenkorrekturwerte PI, P2 bei einem bestimmten Azimut eines Satelliten, welcher nicht im Zenit steht, charakteristisch für eine bestimmte Kombination von Positionsveränderung und Gierrate. Dies erlaubt eine Bestimmung der Gierrate, insbe¬ sondere durch entsprechende Rückrechnung .
Grundsätzlich könnte ein Gierratensensor auch mit zwei Antennen betrieben werden, wobei nur eine der Antennen gedreht wird. In diesem Fall kann eine Verschiebung der Sprungstellen relativ zu Sprungstellen bei Stillstand ausgewertet werden, welche ein zumindest annähernd zur Gierrate proportionales Signal liefert. Dabei kann insbesondere ein Signal der sich drehenden Antenne relativ zur sich nicht drehenden Antenne ausgewertet werden. Die Verwendung zweier gegenläufiger Antennen hat jedoch den Vorteil, dass störende Effekte wie beispielsweise Tempera¬ turdrift, Drift der elektronischen Steuerungsvorrichtung 22 oder Drift der empfangenen Signale beide Antennenpfade betreffen und somit automatisch kompensiert werden. Die Kompensation ist besonders gut, wenn die Komponenten des Gierratensensors beieinanderliegend, also unmittelbar benachbart oder nur mit kurzem Abstand (beispielsweise mit Abständen wie weiter oben für den Abstand zweier Antennen angegeben) angeordnet sind, da in diesem Fall beispielsweise alle Komponenten eine identische oder zumindest ähnliche Temperatur haben. Störende Effekte der Satellitensignale lassen sich durch eine eng nebeneinander liegende Anordnung der Antennen 32, 34 vermeiden. Es ist nicht zwingend nötig, dass bei zwei sich drehenden Antennen die Sprungstellen gleichzeitig stattfinden, da man nur die Verschiebung der Sprungstellen auswertet und die relative Lage bei Stillstand als Konstante abziehen kann. Im Einzelfall kann die Verwendung oszillierender Antennen, welche in einem bestimmten Winkelbereich hin- und herschwingen, einfacher zu realisieren sein als kontinuierlich drehbare Antennen. Idealerweise werden die oszillierenden Bewegungen mehrerer Antennen dabei so synchronisiert, dass sie mit gleicher Frequenz und konstantem Phasenversatz schwingen, bei zwei Antennen idealerweise in gegenläufiger Richtung.
Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen .
Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden. Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Be- deutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.

Claims

Antennenmodul (30) für einen Gierratensensor (10), auf¬ weisend
eine erste Antenne (32) und eine zweite Antenne (34), wobei die erste Antenne (32) und die zweite Antenne (34) als gleichsinnig zirkulär polarisierte Satellitennavigati¬ onsantennen ausgebildet sind, und
wobei das Antennenmodul (30) dazu ausgebildet ist, zu¬ mindest die erste Antenne (32) um eine erste, vorzugsweise vertikale Achse zu drehen.
Antennenmodul (30) nach Anspruch 1,
welches dazu ausgebildet ist, die erste Antenne (32) kontinuierlich in einer Drehrichtung zu drehen,
oder
welches dazu ausgebildet ist, die erste Antenne (32) alternierend in beiden Drehrichtungen zu drehen;
wobei das Antennenmodul (30) bevorzugt ferner dazu aus¬ gebildet ist, die erste Antenne (32) mindestens um einen Winkel von 360° zu drehen.
Antennenmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches dazu ausgebildet ist, die zweite Antenne (34) um eine zweite, zur ersten Achse parallele Achse zu drehen, und zwar bevorzugt gegenläufig zur ersten Antenne (32) .
Antennenmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches Antriebsmittel (33, 35) zum mechanischen Drehen der ersten Antenne (32) und/oder der zweiten Antenne (34) aufweist ;
oder
wobei die erste Antenne (32) und/oder die zweite Antenne (34) als Patchantenne ausgebildet ist/sind, welche jeweils dadurch gedreht wird, dass ihre Charakteristik durch elektrische Beschaltung verändert wird.
Verfahren zum Bestimmen einer Gierrate, welches folgende Schritte aufweist:
Empfangen zumindest eines ersten Satellitennavigations¬ signals,
Ermitteln und Verfolgen eines ersten Phasensignals aus dem ersten Satellitennavigationssignal, und
Ermitteln der Gierrate basierend zumindest auf dem ersten Phasensignal .
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Ermitteins der Gierrate folgende Schritte aufweist:
Ermitteln und Verfolgen eines ersten Phasenkorrekturwerts (PI) basierend auf dem ersten Phasensignal, wobei der erste Phasenkorrekturwert eine Rotation und eine Positionsän¬ derung einer das erste Satellitennavigationssignal emp¬ fangenden Antenne (32) ausgleicht, und
Ermitteln der Gierrate basierend auf dem ersten Phasen- korrekturwert (PI) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, welches ferner folgenden Schritt aufweist:
Ermitteln und Verfolgen einer Position der das erste Satellitennavigationssignal empfangenden Antenne (32), wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate auch basierend auf der Position ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, welches ferner folgende Schritte aufweist:
Empfangen eines zweiten Satellitennavigationssignals, welches auf Emissionen (60) des gleichen Satelliten (50) basiert wie das erste Satellitennavigationssignal, wobei das erste Satellitennavigationssignal und das zweite Satellitennavigationssignal gleichsinnig zirkulär pola¬ risiert sind, und
Ermitteln und Verfolgen eines zweiten Phasensignals aus dem zweiten Satellitennavigationssignal,
wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate basierend auf einem Vergleich des ersten Phasensignals mit dem zweiten Phasensignal ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Ermitteins der Gierrate ferner folgenden Schritt aufweist:
Ermitteln und Verfolgen eines zweiten Phasenkorrekturwerts (P2) basierend auf dem zweiten Phasensignal, wobei der zweite Phasenkorrekturwert eine Rotation und eine Posi¬ tionsänderung einer das zweite Satellitennavigationssignal empfangenden Antenne (34) ausgleicht,
wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate auch basierend auf dem zweiten Phasenkorrekturwert (P2) ermittelt wird, wobei bei dem Vergleich bevorzugt der erste Phasenkorrekturwert (PI) und der zweite Phasenkorrek¬ turwert (P2) verglichen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 6, nach einem von Anspruch 6 abhängigen Anspruch oder nach Anspruch 9,
- wobei die Gierrate basierend auf einem um Positionsän¬ derung, oder Positionsänderung und Antennenrotation, korrigierten Phasenkorrekturwert (PI, P2) ermittelt wird, wobei eine Abweichung des Phasenkorrekturwerts (PI, P2) von einem konstanten Wert, vorzugsweise 0, eine nichtver- schwindende Gierrate anzeigt;
oder
wobei die Gierrate basierend auf jeweiligem Symmetrie¬ verhalten des ersten Phasenkorrekturwerts (PI) und des zweiten Phasenkorrekturwerts (P2) ermittelt wird, wobei eine unterschiedliche Symmetrie der Phasenkorrekturwerte (PI, P2) im zeitlichen Verlauf gesehen eine nichtver- schwindende Gierrate anzeigt. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
wobei das erste Satellitennavigationssignal mittels einer ersten Antenne (32) empfangen wird,
wobei das zweite Satellitennavigationssignal mittels einer zweiten Antenne (34) empfangen wird,
wobei das erste Satellitennavigationssignal und das zweite Satellitennavigationssignal auf der gleichen Emission (60) des gleichen Satelliten (50) basiert; und
wobei die erste Antenne (32) während des Empfangens um eine vorzugsweise vertikale Achse gedreht wird,
oder
wobei die erste Antenne (32) und die zweite Antenne (34) während des jeweiligen Empfangens um eine vorzugsweise vertikale Achse gegenläufig gedreht werden. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
welches zweifach oder mehrfach parallel unter Verwendung von Emissionen (60) zweier oder mehrerer Satelliten (50) ausgeführt wird,
wobei beim Schritt des Ermitteins der Gierrate die Gierrate bevorzugt basierend darauf ermittelt wird, dass sich eine nichtverschwindende Gierrate auf Phasensignale und/oder Phasenkorrekturwerte (PI, P2) bei unterschiedlichen Sa¬ telliten (50) gleich auswirkt, während sich eine Posi¬ tionsänderung auf Phasensignale und/oder Phasenkorrek- turwerte abhängig vom Elevationswinkel des jeweiligen
Satelliten (50) auswirkt. Gierratensensor (10), aufweisend
zumindest eine erste Antenne (32), welche als zirkulär polarisierte Satellitennavigationsantenne ausgebildet ist, und
Mittel zum Ermitteln einer Gierrate basierend auf einem mittels der ersten Antenne (32) empfangenen Satellitennavigationssignal .
Gierratensensor (10) nach Anspruch 13,
wobei die erste Antenne (32) Bestandteil eines Anten¬ nenmoduls (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist;
und/oder
wobei die Mittel zum Ermitteln einer Gierrate eine elektronische Steuerungsvorrichtung (22) aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12 auszuführen;
und/oder
welcher dazu ausgebildet ist, ein jeweiliges Phasensignal einer von der ersten und/oder der zweite Antenne (34) empfangenen Carrierphase eines Satellitennavigations¬ signals zu bestimmen,
wobei der Gierratensensor (10) hierfür vorzugsweise eine Phasenregelschleife aufweist.
Verwendung eines Satellitennavigationssignals, insbe¬ sondere eines Carrierphase-Signals , für eine Bestimmung einer Gierrate, insbesondere mittels Ermittlung und Auswertung eines auf dem Satellitennavigationssignal basierenden Phasensignals.
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