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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeugnavigation unter Verwendung
des GPS-Systems (Global Positioning System) und betrifft insbesondere ein
Verfahren zur Überprüfung der
Integrität
von GPS-Signalen auf Fehler und zur Erkennung von GPS-Mehrwegestörung. Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Mehrwegemodellierung
und -korrektur auf Grundlage erkannter Pegel von Mehrwegestörung.
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Im
allgemeinen können
die meisten systematischen Fehlerquellen bei Differential-GPS (DGPS)
wie beispielsweise Taktfehler in großem Ausmaß unter Verwendung herkömmlicher
Verfahren ausgelöscht
oder korrigiert werden. Zwei Fehlerquellen, die gegenwärtig nicht
leicht ausgelöscht oder
korrigiert werden können,
sind jedoch Empfängerfehler
und durch Mehrwegestörung
verursachte Fehler. Empfängerfehler
entstehen typischerweise aus einer Fehlfunktion eines Bestandteils
eines auf einen bestimmten GPS-Satelliten abgestimmten Empfängers und
stehen wenig mit der Position des Empfängers im Zusammenhang. Demgegenüber ist Mehrwegestörung, d.h.
die durch die Ankunft eines Signals von einer einzigen Quelle an
einem Empfänger
zu etwas unterschiedlichen Zeiten aufgrund unterschiedlicher Wegelängen verursachte
Störung
direkt von der Geometrie reflektierender Oberflächen in der Nähe des in
Frage stehenden Empfängers
abhängig.
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Genauer
gesagt ist Mehrwegestörung
von den Positionen der Empfangsantenne, des (der) reflektierenden
Objekts (Objekte) und der Satellitengeometrie abhängig. Es
gibt daher drei verschiedene Weisen, auf die sich Mehrwegestörung mit
der Zeit ändert.
Satellitenbewegungen ändern
den Sichtlinienvektor (zwischen dem Empfänger und dem Satelliten) auf
langsame, ebenmäßige und
vorhersagbare Weise. Dies wird durch die sich ergebenden, mit diesen
Satellitenbewegungen im Zusammenhang stehenden Mehrwegeänderungen
widergespiegelt, indem sie niedriger Frequenz sind, sich langsam ändern und „ebenmäßig" sind. Reflektoren
lassen sich in zwei Klassen einteilen: bewegende (wie beispielsweise
Fahrzeuge in der Nähe)
und fest (wie beispielsweise der Boden und Gebäude in der Nähe). Mehrwegestörung von
sich bewegenden Objekten neigt dazu, hochfrequenter Beschaffenheit
und nur schwach mit der Antennenposition in Zusammenhang stehend
zu sein, während
durch feste Objekte verursachte Mehrwegestörung stark mit Antennen- (und Satelliten-)Position
in Zusammenhang steht. Wenn sich zusätzlich die Antenne auf einem
sich bewegenden Fahrzeug befindet, können sich ihre eigenen Bewegungen
geschwindigkeits- und richtungsmäßig in weitem
Umfang verändern.
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Aufgrund
der Veränderlichkeit
dieser Zustände
selbst über
kurze Zeiten besteht gewöhnlich
wenig Zusammenhang von Mehrwegefehlern für längere Grundlinien als einige
Meter.
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Durch
Mehrwegestörung
wird daher die erreichbare Genauigkeit von DGPS stark begrenzt.
In Stadtbereichen mit einer hohen Dichte von Gebäuden (möglichen Reflektoren) kann die
Genauigkeit von DGPS leicht von rund 1–2 m unter mehrwegefreien Zuständen auf
bis zu mehrere zehn Meter abnehmen. Dadurch wird DGPS für Anwendungen
ungeeignet, die hohe Genauigkeit und Integrität verlangen und insbesondere
die Verwendung von DGPS für
sicherheitsbezogene Anwendungen ausgeschlossen.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Überprüfung der
Integrität
von GPS- Messungen
für ein
sich bewegendes Fahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren umfaßt die Bestimmung
einer ersten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen einem ersten
Fahrzeug und einem zweiten Fahrzeug auf Grundlage von an beiden
Fahrzeugen erhaltenen GPS-Messungen,
die unabhängige
Bestimmung einer zweiten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung auf Grundlage
der relativen Bewegung des ersten Fahrzeugs und des zweiten Fahrzeugs,
die unter Verwendung von INS-Sensoren an beiden Fahrzeugen erhalten
wird, und Vergleichen der ersten und zweiten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernungen.
Die Integrität
der GPS-Messungen wird bestätigt,
wenn die erste und zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung annähernd gleichwertig
sind.
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Bei
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Erkennen eines Fehlers an einem bestimmten Fahrzeug durch Übermitteln
von GPS-Daten unter
mehreren Fahrzeugen in einer gegebenen Nähe bereit, wobei Daten einer Prüfreihe an
jedem Fahrzeug für
jedes Paar von Fahrzeugen erzeugt werden, die GPS-Signale von einem
gleichen Satelliten empfangen, wobei die Daten der Prüfreihe für jedes
Paar eine Differenz zwischen einer ersten, auf Grundlage von GPS-Daten berechneten
Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen dem Fahrzeugpaar und einer
zweiten, unabhängig
auf Grundlage von INS-Sensoren in jedem des Paars von Fahrzeugen
berechneten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung umfaßt. Prüfreihen mit größeren Werten
als ein Schwellwert werden identifiziert und zeigen einen Fehler
an. Wenn ein Fehler angezeigt ist, wird dann durch Vergleichen der
an jedem Fahrzeug erzeugten Daten der Prüfreihe bestimmt, in welchem
der mehreren Fahrzeuge der Fehler auftritt.
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Bei
einem weiteren Aspekt gibt es ein Verfahren zur Abbildung von GPS-Mehrwegepegeln
an jedem Punkt in einer Nähe
für einen
gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen. Ein GPS-Mehrwegefehler
wird an einem gegebenen Punkt in der Nähe für eine bestimmte Satellitenkonstellation
unter Verwendung mehrerer herumfahrender GPS-Empfänger erkannt.
Der Mehrwegefehler wird als GPS-Mehrwegepegel für den bestimmten Punkt und die
bestimmte Satellitenkonstellation aufgezeichnet. Dieser Vorgang
wiederholt sich dann für
alle anderen Punkte in der Nähe
und zu unterschiedlichen Zeiten, um den gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen
zu erfassen.
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Auch
stellt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeugsystem zur Überprüfung der
Integrität
von GPS-Messungen für
ein sich bewegendes Fahrzeug bereit. Das Fahrzeugsystem enthält Mittel
zum Empfangen von GPS-Signalen und zum Bestimmen eines GPS-Pseudobereichs
für das
Fahrzeug, Mittel zum Kommunizieren mit einem zweiten Fahrzeug in
einer Nähe
des Fahrzeuges, einen Prozessor zur Bestimmung einer ersten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen
dem Fahrzeug und dem zweiten Fahrzeug auf Grundlage des Pseudobereichs
des Fahrzeuges und von vom zweiten Fahrzeug übermittelten GPS-Messungen,
und ein INS-System mit Trägheitssensoren,
wobei das INS-System Informationen bereitstellt, die dem Prozessor
ermöglichen,
eine relative Bewegung des ersten Fahrzeuges zu bestimmen. Der Prozessor
bestimmt eine zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung auf Grundlage
der relativen Bewegung des ersten Fahrzeuges und einer vom zweiten Fahrzeug übermittelten
relativen Bewegung des zweiten Fahrzeuges und vergleicht die erste
und zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung, wobei die Integrität der GPS-Messungen überprüft ist,
wenn die erste und zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung annähernd gleichwertig
sind.
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Bei
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System
zur Bereitstellung einer Abbildung von GPS-Mehrwegepegeln an jedem Punkt
in einer Nähe
für einen
gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen bereit, das eine
zentrale Informationsablage und mehrere herumfahrende GPS-Empfänger umfaßt, die
Mittel zum Erkennen eines GPS-Mehrwegefehlers an einem gegebenen Punkt
in der Nähe
für eine
bestimmte Satellitenkonstellation enthalten. Der Mehrwegefehler
wird als GPS-Mehrwegepegel für
den bestimmten Punkt und die bestimmte Satellitenkonstellation in
der zentralen Informationsablage aufgezeichnet, und die Mehrwegefehlererkennung
wird für
alle anderen Punkte in der Nähe
und zu unterschiedlichen Zeiten wiederholt, um den gesamten Bereich
von Satellitenkonstellationen zu erfassen, die dann als Mehrwegepegel
in der zentralen Informationsablage gespeichert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Flußdiagramm
eines beispielhaften Verfahrens zur Erzeugung einer Prüfreihe von Daten
für ein
Paar von GPS-fähigen
Fahrzeugen in der gleichen Umgebung bezüglich eines einzigen GPS-Satelliten
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Identifizierung
eines Empfängerfehlers
in einem bestimmten Fahrzeug unter Verwendung von Daten einer Prüfreihe in
einem beispielhaften Szenario.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Identifizierung
eines INS-Fehlers in einem bestimmten Fahrzeug unter Verwendung von
Daten einer Prüfreihe
für dieselbe
Anordnung von Fahrzeugen und Satelliten wie bei 2.
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4 ist
ein Blockdiagramm einer beispielhaften Fahrsituation, wo Mehrwegestörung GPS-Messung
beeinflußt.
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5A und 5B zeigen
einen beispielhaften Unterschied bei durch Fahrzeug Zwei erhaltenen
Prüfreihen
zwischen einer Zeit, bevor es gerade in ein Mehrwegegebiet einfährt, und
einer Zeit, während
der es sich innerhalb des Mehrwegegebiets befindet.
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6A bis 6D sind
schematische Darstellungen der Verfolgung von Änderungen der Mehrwegeübertragung
in einem Bereich neben einem Gebäude
aufgrund von Änderungen
der Satellitenpositionen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Bordnavigationssysteme und Fahrzeug-Fahrzeug-Datenkommunikation
zur Korrektur von Empfängerfehlern
und zur Erkennung von Mehrwegestörung
benutzt. Für
jedes Paar von Fahrzeugen in derselben Umgebung wird eine Prüfreihe von
Vergleichsdaten erzeugt.
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1 ist
ein Flußdiagramm
eines beispielhaften Verfahrens zur Erzeugung einer Prüfreihe von Daten
für ein
Paar von GPS-fähigen
Fahrzeugen in derselben Umgebung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im allgemeinen werden Fahrzeuge innerhalb von ein oder zwei Kilometern
voneinander als in derselben Umgebung befindlich erachtet. In einem
Anfangsschritt 100 führt
jedes Fahrzeug eine Pseudobereichsmessung d1,
d2 von dem gleichen GPS-Satelliten durch. Im Schritt 110 werden
diese Messungen unter Verwendung von Zweiwegekommunikation oder
jedem anderen beliebigen geeigneten drahtlosen Kommunikationssystem
von jedem Fahrzeug zu dem anderen übermittelt. Im Schritt 115 berechnet
jedes Fahrzeug die Differenz Δ1 (= d1 – d2) zwischen den Messungen. Da die Entfernung
zwischen jedem Fahrzeug und dem GPS-Satelliten viel größer als die Entfernung zwischen
den Fahrzeugen (die „Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung") ist, ist die Grundliniendifferenz Δ1 zwischen
den gemessenen Ablesungen dem Entfernungsvektor zwischen den Fahrzeugen projiziert
auf den Sichtlinienvektor zum Satelliten gleichwertig. Die Differenz Δ dient daher
als Maß der Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung.
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Da
zusätzlich
die an den Empfängern
in dem jeweiligen Fahrzeug ankommenden GPS-Signale annähernd gleichwerti ge
atmosphärische
Bedingungen durchlaufen und Ephemeridenfehler dieselbe Auswirkung
auf beide Signalmessungen haben, sind die einzigen Fehlerquellen
in der Differenzmessung Δ1 Mehrwege-, Empfänger- und Taktfehler. Da Taktfehler
durch Verwendung des Verfahrens einziger Differenzen eliminiert
werden können,
sind Mehrwege- und Empfängerfehler
die einzigen, die Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernungsmessung verzerrenden Fehlerquellen,
die nicht leicht korrigiert werden können.
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Mit
der Bewegung jedes Fahrzeugs im Schritt 120 ändert sich
auch der Wert von Δ.
Jedes Fahrzeug kann mit einem Satz unabhängiger Bewegungssensoren in
einem Trägheitsnavigationssystem
(INS – inertial
navigation system) ausgerüstet sein.
Diese Sensoren können
Raddrehzahlsensoren und Trägheitssensoren
wie beispielsweise Kreisel und Beschleunigungsmesser sein (die zusammen hiernach
als INS-Sensoren bezeichnet werden), durch die die relative Bewegung
des Fahrzeuges zwischen Punkten bestimmt werden kann. Die Nutzung von
Trägheitssensoren
in einem INS zur Bestimmung relativer Bewegung wird ausführlicher
in der gemeinsam zugewiesenen und gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung
Seriennummer 10/308,730 mit dem Titel "INS-based User Orientation and Navigation" (INS-basierende
Benutzerorientierung und -navigation) beschrieben. Im Schritt 125 berechnet
jedes Fahrzeug die neue Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung (ΔINS)
unter Verwendung der INS-Sensoren und der ursprünglichen Grundliniendifferenz Δ1.
Gleichzeitig oder sofort danach wird im Schritt 130 eine
neue Menge von GPS-Ablesungen durchgeführt und eine neue Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung Δ2 berechnet. Im
Schritt 135 wird eine Differenz (T) zwischen der auf INS
basierenden Entfernung ΔINS und der auf GPS basierenden Differenz Δ2 berechnet. Über kurze Zeiträume sollten
die Werte für ΔINS und Δ2 nahe
beieinander liegen und der Wert von T (=ΔINS – Δ2)
annähernd
Null betragen.
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Die
Schritte 120 bis 135 werden mehrmals wiederholt,
so wie sich beide Fahrzeuge bewegen, und eine als „Prüfreihe" bezeichnete Reihe
von Vergleichsdatenpunkten wird erfaßt und über Zeit aufgetragen. Unter
fehlerfreien Bedingungen sollte die Prüfreihe als vorbelastungsfreies
Rauschen mit kleiner Standardabweichung von annähernd einem Meter erscheinen.
Wenn die Prüfreihe
im Schritt 140 eine größere systematische
Vorbelastung als einen angegebenen Schwellwert von ε Metern aufweist, dann
wird im Schritt 150 bestimmt, daß ein Fehler besteht. In diesem
Fall kann der Fehler aus drei Quellen stammen: Empfängerfehler
in einem der Fahrzeuge, Mehrwegefehler in einem oder beiden Fahrzeugen und
INS-Fehler in einem der Fahrzeuge (es wird angenommen, daß die Wahrscheinlichkeit
eines gleichzeitigen Empfänger-/Sensorfehlers
in beiden Fahrzeugen äußerst gering
ist). Ein Fehler in einem auf einen bestimmten Satelliten abgestimmten
Empfänger kann
durch Wiederholen des oben umrissenen Vorgangs für jeden sichtbaren GPS-Satelliten
von Mehrwege- und INS-Fehlern
unterschieden werden. Durch dieses Verfahren wird die bestimmte
fehlerhafte Satelliten-Empfängerstrecke
ausgesondert, d.h. es zeigt an, daß ein Empfänger in einem der Fahrzeuge
für den
Satelliten 1 fehlerhaft ist, während
die Empfänger
für den
Satelliten 2 ordnungsgemäß funktionieren,
zeigt aber nicht an, in welchem des Fahrzeugpaars der Fehler aufgetreten
ist. Richtige Identifizierung von sowohl Fehlerart als auch dem
Fahrzeug, in dem er auftritt, kann unter Verwendung von Hypotheseprüfung unter
Verwendung der bereits bereitgestellten GPS- und INS-Daten erreicht
werden. Als Alternative kann diese Identifizierung durch Teilen
der GPS-Daten unter mehreren Fahrzeugen in derselben Umgebung erreicht
werden, wobei sich „mehrere" auf eine größere Anzahl
von Fahrzeugen als zwei bezieht.
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2 zeigt
schematisch ein Verfahren zum Identifizieren eines Empfängerfehlers
an einem bestimmten Fahrzeug unter Verwendung von Daten einer Prüfreihe in
einem beispielhaften Szenario, in dem sich vier Fahrzeuge 1, 2, 3, 4 GPS-Kommunikationsdaten
bezüglich
drei verschiedener GPS-Satelliten S1, S2, S3 teilen. Nach der Darstellung
erlangt Fahrzeug 1 eine Prüfreihe in bezug auf jedes der
anderen kommunizierenden Fahrzeuge für jeden Satelliten. Für einen
ersten Satelliten S1 erhält
der Wagen 1 eine Prüfreihe
T1/2(S1) auf die oben besprochene Weise, wobei 1/2 anzeigt, daß die Prüfreihe Fahrzeug 1 und
Fahrzeug 2 vergleicht, und (S1) bezeichnet, daß die Prüfreihe bezüglich GPS-Messungen von
S1 durchgeführt
wird. Auf ähnliche
Weise erhält das
Fahrzeug 1 auch Prüfreihe
T1/3(S1) und T1/4(S1), die Vergleiche mit Fahrzeugen 3 bzw. 4 sind.
Die Prüfreihen
sind als entsprechend dem jeweiligen GPS-Satelliten gruppiert dargestellt.
Prüfreihen
werden auch bezüglich
Satelliten S2 und S3 erhalten. Von jedem der anderen Fahrzeuge werden entsprechende
Prüfreihen
erlangt. Beispielsweise erlangt das Fahrzeug 2 Prüfreihen
2/1, 2/3 und 2/4 für Satelliten
S1, S3 und S4, Fahrzeug 3 erlangt Prüfreihen 3/1, 3/2 und 3/4, und
Fahrzeug 4 erlangt Prüfreihen
4/1, 4/2 und 4/3 für
Satelliten S1, S2 und S3. Allgemein ist zu beachten, daß die Prüfreihe T „n"/„m"(S„r") für Fahrzeugnummer „n" der Prüfreihe T „m"/„n"(S„r") gleichwertig sein
sollte, wobei n, m und r ganze Zahlen sind.
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Zwecks
Darstellung des Verfahrens zur Bestimmung eines Empfängerfehlers
wird angenommen, daß der
auf den Satelliten S1 abgestimmte Empfänger im Fahrzeug 1 einen
systematischen Fehler aufweist. Dementsprechend zeigt die gesamte
Prüfreihe
für Fahrzeug 1 und
Satellit S1 eine den Schwellwertpegel überschreitende systematische Vorbelastung,
was einen Fehler anzeigt. Jede dieser Prüfreihen wird durch Kreuzschraffur
in der 2 angezeigt. Da mehr als zwei Fahrzeuge miteinander kommunizieren,
zeigt die Analyse der Prüfreihen, daß, während alle
Prüfreihen
für Fahrzeug 1 für Satellit
S1 fehlerhaft sind, keine der Prüfreihen,
an denen Fahrzeug 1 nicht beteiligt ist, d.h. T2/3(S1), T2/4(S1),
T3/4(S1) Fehler zeigen. Daraus läßt sich ableiten,
daß sich
die Fehlerquelle im Fahrzeug 1 befindet und keinem der
anderen Fahrzeuge. Es sind jedoch weitere Informationen erforderlich,
um zu unterscheiden, ob das Fahrzeug 1 in bezug auf den
Satelliten 1 an Mehrwegestörung leidet, gegenüber einem
allgemeineren Empfängerfehler.
Wenn sich der Wert der Prüfreihe
nach Bestimmung des Fehlers über
einen Zeitraum (wie beispielsweise mehrere Sekunden) plötzlich ändert, läßt sich
daraus ableiten, daß der
Fehler durch Mehrwegestörung
verursacht wird und das Fahrzeug 1 möglicherweise an Gebäuden oder
sonstigen reflektierenden Objekten vorbeifährt.
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3 zeigt
schematisch ein Verfahren zur Identifizierung eines INS-Fehlers
in einem bestimmten Fahrzeug unter Verwendung von Daten einer Prüfreihe für diesselbe
Anordnung von Fahrzeugen und Satelliten wie in 2.
Nach der Darstellung weist Fahrzeug 1 einen INS-Fehler
auf. Der INS-Fehler kann durch eine Fehlfunktion in einem oder mehreren
der die Bewegungsparameter des Fahrzeuges erfassenden Sensoren verursacht
werden. Durch diesen Fehler liegen alle Schätzungen der relativen Bewegung
des Fahrzeuges 1 abseits der Grundlinie und die Prüfreihe betreffs
des Fahrzeuges 1 weist daher einen (durch Kreuzschraffur
angezeigten) systematischen Fehler auf, wenn die relative Bewegung des
Fahrzeuges 1 nicht rechtwinkelig zum Sichtlinienvektor
vom Fahrzeug 1 zu einem bestimmten Satelliten liegt. Im
letzteren Fall wird ein Fehler in der Prüfreihe bezüglich dieses Satelliten nicht
erkannt. Im allgemeinen Fall, in dem die Bewegung des Fahrzeuges 1 nicht
vollständig
rechtwinkelig zum Sichtlinienvektor zu einem beliebigen Satelliten
liegt, unterscheidet sich diese Situation von dem einen Empfängerfehler
zeigenden, in 2 dargestellten Szenario, in
dem die Prüfreihen
für alle
drei Satelliten S1, S2 und S3 Fehler aufweisen und nicht nur die
betreffs des Satelliten S1. Auf diese Weise lassen sich INS-Fehler
leicht von Empfänger-
und Mehrwegefehler unterscheiden.
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Die
oben umrissenen Verfahren zur Fehlererkennung und -identifizierung
sind dann am zuverlässigsten,
wenn die Anzahl beteiligter Fahrzeuge groß ist und die Fehlerzahl klein
ist. Sobald die Anzahl fehlerhafter Messungen einen bedeutenden Bruchteil
der Anzahl tatsächlicher
Messungen ausmacht, funktionieren diese Verfahren unter Umständen nicht
so gut. Durch Erweitern der Grenze für die Grundlinie für Kommunikation
zwischen Fahrzeugen auf bis zu mehreren zehn Kilometern läßt sich
jedoch die Anzahl von Fahrzeugen, an denen Proben für Testreihen
durchgeführt
werden, steigern, wenn auch mit einer etwas geringeren Höhe an Genauigkeit.
In einem Gebiet dieser Größe ist es
normalerweise möglich,
eine Vergleichsgruppe von Fahrzeugen zu finden, die gute fehlerfreie
Bedingungen aufweisen. Diese Gruppe kann durch die anderen Fahrzeuge
im Gebiet als Bezugsgruppe benutzt werden. Die Bezugsgruppe kann
dynamisch geändert
werden, um optimale Leistung aufrechtzuerhalten, sowie einige Fahrzeuge
in der Vergleichsgruppe schlechtere Bedingungen wie beispielsweise
ein Gebiet umfangreicher Mehrwegestörung anpassen und andere Wagen in
bessere Bereiche einfahren.
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Die
oben besprochenen Fehleraussonderungsverfahren können auch in einem Verfahren
für Mehrwegekorrektur
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden. Mehrwegestörung kann als Funktion von
Empfängerantennenposition,
d.h. der Position des Empfangsfahrzeuges und der Satellitenposition
angesehen werden:
wobei Ivy, und Isat1, ... Isatn die
Position des Fahrzeuges bzw. die Position von Satelliten S1 bis
S(n) darstellen. 4 zeigt eine beispielhafte Fahrsituation,
wo Mehrwegestörung
GPS-Messung beinflußt.
Der gezeigte Bereich 10 beträgt annähernd 200 Meter mal 200 Meter
und enthält
Fahrzeuge 1, 2, 3, und 4 und das
Gebäude 20.
Wenn das Fahrzeug 1 rechts am Gebäude 20 vorbeifährt, fährt es in
ein Gebiet 30 neben dem Gebäude ein, in dem GPS-Signale
durch Reflexionen verwirrt werden und Mehrwegestörung angetroffen wird. Es befindet
sich jedoch nur der Satellit S1 auf einem solchen Richtungs- und
Höhenwinkel,
daß er
betroffen ist und der Empfang von den anderen Satelliten leidet
nicht an Mehrwegeverschlechterung. Da das Gebäude viereckig ist und eine
ebene Oberfläche
aufweist, ergibt sich ein erkennbarer Unterschied der Mehrwegestörung, sowie
das Fahrzeug 1 in das Gebiet 30 einfährt und
wieder aus ihm heraus fährt.
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5A und 5B zeigen
einen beispielhaften Unterschied in den vom Fahrzeug zwei erhaltenen
Prühreihen
zwischen einer Zeit kurz vor seinem Eintritt in das Gebiet 30 (5A)
und einer Zeit, während
der es sich im Gebiet befindet (5B) nach
der Darstellung in 4. In der 5A zeigt jede
der Prüfreihen,
an denen Fahrzeug 1 und der Satellit S1 beteiligt ist,
einen Pegel von annähernd null
Metern (bzw. Empfängerrauschen).
Nach der Darstellung in 5B springt
die Prüfreihe
für das Fahrzeug 1 und
den Satelliten S1 (beispielsweise) auf 10 Meter, wenn das Fahrzeug 1 in
das Gebiet 30 einfährt.
Nachdem das Fahrzeug das Gebiet 30 durchlaufen hat, kehrt
die Prüfreihe
wieder auf Null zurück
(nicht dargestellt). Da wie oben bemerkt, Mehrwegestörung eine
Funktion der Fahrzeugposition und Satellitenposition ist, stellt,
wenn die Koordinaten von S1 zu der Zeit, wenn das Fahrzeug 1 in
das Gebiet 30 einfährt,
bekannt sind und die geographischen Koordinaten des relativ kleinen
Gebiets 30 ebenfalls bekannt sind, die Prüfreihenanzeige
von 10 Metern bei Vorgabe dieser beiden Positionen den Mehrwegepegel
dar.
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Bedeutsamerweise
kann dieser erkannte Mehrwegepegel dann den anderen Fahrzeugen 2, 3, 4 in
der Umgebung übermittelt
werden. Die anderen Fahrzeuge können
dann diese Informationen zur Korrektur des Mehrwegepegels benutzen,
wenn sie diesselbe Position durchfahren, wenn die Position von S1
annähernd
dieselbe bleibt, d.h. wenn nach der anfänglichen Messung nur eine geringe
Zeit abgelaufen ist. Dies kann durch einfache Addition bzw. gegebenenfalls
Subtraktion von 10 Metern von den im Gebiet 30 getätigten GPS-Messungen
anstelle des Prüfreihensprungs
durchgeführt
werden. Um weitere Zuverlässigkeit
für die
Mehrwegeablesung zu bieten, können
Prüfreihen
von anderen das Gebiet 30 durchfahrenden Fahrzeugen zur
Bestätigung
der Anfangsmessung benutzt werden.
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Das
Mehrwegeerkennungs- und Korrekturverfahren läßt sich auf eine volle Modellierung
oder Abbildung der Mehrwegestörung
in einem gegebenen Bereich zu einer Reihe von Satellitenkonstellationen
erweitern. Eine beispielhafte Darstellung von Änderungen der Mehrwegestörung in
einem Bereich neben einem Gebäude
wird unter Bezugnahme auf 6A–6D dargestellt.
Nach der Darstellung in 6A bewirkt
die Konfiguration des Satelliten S1 und des Gebäudes B zur Zeit t1,
daß sich
ein Mehrwegebereich MS1a neben dem Gebäude bildet. Im Bereich MS1a
befindet sich ein festes Objekt 40 mit einem GPS-Empfänger und
kann den Mehrwegepegel zu dieser Zeit erkennen und aufzeichnen.
Zu einer in 6B gezeigten späteren Zeit
t2 hat sich die Sichtlinie zum Satelliten
S1 verschoben und der Mehrwegebereich hat sich von MS1a auf MS1b
geändert.
Da sich das Objekt 40 in MS1b befindet, erkennt es und
zeichnet einen Mehrwegepegel auf, der der gleiche wie der zur Zeit
t1 erkannte Pegel sein kann oder nicht.
Zu der in 6C gezeigten Zeit t3 verschiebt
sich wieder die Sichtlinie zum S1 und ein Satellit S2 bewegt sich
eine Position, wo seine Signale in dem infragekommenden Bereich
erkannt werden können.
In der neuen Position von S1 hat sich der Mehrwegebereich MS1c so
verlagert, daß das Objekt 40 nicht
länger
durch Mehrwegeempfang bezüglich
S1 beeinflußt
ist, aber das Objekt 40 befindet sich nunmehr im Mehrwegebereich
MS2a für
den Satelliten S2. Im Effekt wird durch den vom Objekt 40 erkannten
und aufgezeichneten Mehrwegepegel, der die Mehrwegestörung in
bezug auf S2 widerspiegelt, die gesamte Mehrwegestörung an
seiner Position für die
gesamte Konstellation von sichtbaren Satelliten S1, S2 zur Zeit
t3 aufgezeichnet. In der die sichtbare Konstellation
zur Zeit t4 zeigenden 6D hat
sich S1 aus dem sichtbaren Bereich herausbewegt und vom Objekt 40 im
Bereich MS2b wird der neue Mehrwegepegel bezüglich S2 erkannt und aufgezeichnet.
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Jeder
der aufgezeichneten Mehrwegepegel zu jedem Zeitpunkt wird für weitere
Verwendung aufgezeichnet und gespeichert. In Wirklichkeit sind die GPS-Empfänger sich
bewegende (herumfahrende) Fahrzeuge und die Position, an der sie
Mehrwegepegel aufzeichnen, liegt nicht fest, sondern ändert sich mit
der Zeit. Auf diese Weise werden Mehrwegepegel sowohl zu unterschiedlichen
Zeiten als auch an unterschiedlichen Bodenpositionen aufgezeichnet,
so daß über eine
geeignete Probennahmezeit Mehrwegeinformationen angesammelt werden
können,
die die Mehrwegepegel in einer bestimmten Umgebung des Gebäudes B für alle möglichen
Satellitenkonstellationen beschreiben. Auf ähnliche Weise läßt sich dieses
Verfahren geographisch über
die Umgebung eines einzigen Gebäudes
hinaus erweitern, um eine Mehrwege-„Karte" eines Gebiets anzusammeln. Dazu gehört das Speichern
einer großen
Datenmenge und eine zentrale Infrastruktur kann daher als Datenablage
benutzt werden. Die zentrale Infrastruktur kann zur drahtlosen Breitbandrundsendung
dieser Informationen ausgerüstet
sein, so daß jedes
Fahrzeug nach Bedarf einen Teil dieser Information erhalten kann,
um Mehrwegestörung
in dem Bereich zu korrigieren, in dem jedes fährt. Auf diese Weise kann die
Mehrwegestörung
in der Nähe
eines abgebildeten Bereichs für
alle Konstellationen korrigiert werden und wird daher für jedes
Fahrzeug praktisch mehrwegefrei gemacht. Da der Bereich um das Gebäude dann
als „guter" Bereich angesehen
werden kann, wo keine Mehrwegefehler auftreten, wird das gesamte
GPS-Navigationssystem robuster gegenüber anderen Fehlern und Fahrzeuge
in der Nähe
des Gebäudes
können
als Bezugsgruppe benutzt werden. Zusätzlich könnte jeder Wagen die Daten
für oft von
ihm benutzte Straßen
(z.B. auf dem Weg zur Arbeit) und Straßen in dieser Umgebung sichern
und wenn ein Fahrzeug in ein Gebiet einfährt, für das es diese Informationen
nicht aufweist, kann es mit anderen in diesem Bereich befindlichen
Fahrzeugen kommunizieren, um die örtliche Mehrwegekarte zu erhalten.
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In
der obigen Beschreibung sind das Verfahren und System der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf eine Anzahl von Beispielen beschrieben
worden, die nicht als begrenzend anzusehen sind. Statt dessen sollte
man verstehen und erwarten, daß von
einem Fachmann Abänderungen
an den Grundsätzen
des hier offenbarten Verfahrens und Geräts durchgeführt werden können und
solche Abänderungen, Änderungen
und/oder Ergänzungen
im Rahmen der in den beiliegenden Ansprüchen aufgeführten vorliegenden Erfindung
enthalten sein sollen.