DE102004032261A1

DE102004032261A1 - Verfahren zur Verbesserung der GPS-Integrität und Erkennung von Mehrwegestörung unter Verwendung von Trägheitsnavigationssensoren und eines Netzes von mobilen Empfängern

Info

Publication number: DE102004032261A1
Application number: DE102004032261A
Authority: DE
Inventors: Arne Mountain View Dietrich; Michael Moser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2004-07-03
Publication date: 2005-07-21
Also published as: JP2005031082A; US20060265129A1; US20050010364A1; US7110882B2; US7233864B2

Abstract

Verfahren zur Überprüfung der Integrität von GPS-Messungen für ein sich bewegendes Fahrzeug mit Bestimmen einer ersten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen einem ersten Fahrzeug und einem zweiten Fahrzeug auf Grundlage von an beiden Fahrzeugen erhaltenen GPS-Messungen, unabhängigem Bestimmen einer zweiten, unter Verwendung von INS-Sensoren an beiden Fahrzeugen erhaltenen Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung auf Grundlage der relativen Bewegung des ersten Fahrzeuges und des zweiten Fahrzeuges und Vergleichen der ersten und zweiten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung. Die Integrität der GPS-Messungen ist bestätigt, wenn die erste und zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung annähernd gleichwertig sind. Auch werden Verfahren zur Fehlererkennung und zur Abbildung von GPS-Mehrwegepegeln an jedem Punkt in einer Umgebung für einen gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen beschrieben.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
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.

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.

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.

Aufgrund der Veränderlichkeit dieser Zustände selbst über kurze Zeiten besteht gewöhnlich wenig Zusammenhang von Mehrwegefehlern für längere Grundlinien als einige Meter.

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.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

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.

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.

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.

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.

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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
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.
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.
4 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Fahrsituation, wo Mehrwegestörung GPS-Messung beeinflußt.
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.
6A bis 6D sind schematische Darstellungen der Verfolgung von Änderungen der Mehrwegeübertragung in einem Bereich neben einem Gebäude aufgrund von Änderungen der Satellitenpositionen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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.
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.
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.
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 (Δ_INS) 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 Δ_INS und der auf GPS basierenden Differenz Δ₂ berechnet. Über kurze Zeiträume sollten die Werte für Δ_INS und Δ₂ nahe beieinander liegen und der Wert von T (=Δ_INS – Δ₂) annähernd Null betragen.
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.
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.
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.
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.
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.
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 I_vy, und I_sat1, ... I_satn 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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Überprüfen der Integrität von GPS-Messungen für ein sich bewegendes Fahrzeug, mit folgenden Schritten: Bestimmen einer ersten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen dem sich bewegenden Fahrzeug und einem zweiten Fahrzeug auf Grundlage von an beiden Fahrzeugen erhaltenen GPS-Messungen; unabhängiges Bestimmen einer zweiten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung auf Grundlage der relativen Bewegung des sich bewegenden Fahrzeuges und des zweiten Fahrzeuges, die unter Verwendung von INS-Sensoren an beiden Fahrzeugen erhalten wird; Vergleichen der ersten und zweiten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernungen; und Bestätigen der Integrität der GPS-Messungen als Funktion davon, ob die ersten und zweiten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernungen im wesentlichen gleichwertig sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens einer Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung folgendes umfaßt: Erhalten einer ersten Menge von GPS-Messungen an dem sich bewegenden Fahrzeug; Erhalten einer zweiten Menge von GPS-Messungen am zweiten Fahrzeug; und gegenseitiges Übermitteln der ersten und zweiten Menge von GPS-Messungen zum zweiten Fahrzeug bzw. dem sich bewegenden Fahrzeug.
Verfahren zum Erkennen eines Fehlers an einem bestimmten Fahrzeug durch Übermitteln von GPS-Daten zwischen mehreren Fahrzeugen in einer gegebenen Umgebung, mit folgenden Schritten: Erzeugen von Daten. einer Prüfreihe an jedem Fahrzeug für jedes Paar von GPS-Signalen von einem Satelliten empfangenden Fahrzeugen, wobei die Daten von Prüfreihen für jedes Paar eine Differenz zwischen einer ersten, auf Grundlage von GPS-Daten berechneten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen dem Fahrzeugpaar und einer unabhängig auf Grundlage von INS-Sensoren in jedem des Fahrzeugpaars berechneten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung; Identifizieren, welche Daten von Prüfreihen größere Werte als ein Schwellwert aufweisen, wodurch ein Fehler angezeigt wird; und wenn ein Fehler angezeigt ist, bestimmen, in welchem der mehreren Fahrzeuge der Fehler auftritt, durch Vergleichen der an jedem Fahrzeug erzeugten Daten von Prüfreihen.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin mit folgenden Schritten: Erkennen eines Fehlers an einem bestimmten Fahrzeug, wenn ein bestimmtes Fahrzeug Fehler in alle von ihm bezüglich eines bestimmten Satelliten erzeugten Prüfreihen aufweist, und die anderen der mehreren Fahrzeuge einen Fehler nur in der das bestimmte Fahrzeug bezüglich des bestimmten Satelliten betreffenden Prüfreihe aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin mit folgenden Schritten: Warten eine geeignete Zeit lang; Bestimmen, ob der Fehler noch in dem bestimmten Fahrzeug besteht; und wenn nach Ablauf der geeigneten Zeit derselbe Fehler noch besteht, Identifizieren des Fehlers als Empfängerfehler.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin mit folgendem Schritt: wenn während der geeigneten Zeit sich der Fehler in Größe ändert oder nicht länger besteht, Identifizieren des Fehlers als GPS-Mehrwegefehler.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin mit folgenden Schritten: Identifizieren einer Größe des Fehlers als ein Pegel von GPS-Mehrwegestörung an einem Ort des bestimmten Fahrzeugs; Erlangen einer Satellitenkonstellation zu einer Zeit, wenn der Fehler erkannt wird; und Zuordnen des Pegels der GPS-Mehrwegestörung zu dem Ort und der Satellitenkonstellation.
Verfahren zum Abbilden von GPS-Mehrwegepegeln an jedem Punkt in einer Umgebung für eine gesamte Reihe von Satellitenkonstellationen, mit folgenden Schritten: a) Erkennen eines GPS-Mehrwegefehlers an einem bestimmten Punkt in der Umgebung für eine Satellitenkonstellation unter Verwendung von mehreren herumfahrenden GPS-Empfängern; b) Aufzeichnen des Mehrwegefehlers als GPS-Mehrwegepegel für den bestimmten Punkt und die Satellitenkonstellation; und c) Wiederholen von Schritten a) und b) für alle anderen Punkte in der Umgebung und zu anderen Zeiten, um den gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei jeder der mehreren herumfahrenden GPS-Empfänger Daten von Prüfreihen für jedes Paar herumfahrender Empfänger erzeugt, die Signale von einem gleichen GPS-Satelliten erhalten, wobei die Daten der Prüfreihen für jedes Paar eine Differenz zwischen einer ersten, auf Grundlage von GPS-Daten berechneten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung zwischen dem Paar und einer zweiten, unabhängig auf Grundlage von INS-Sensoren in jedem des Fahrzeugpaars berechneten Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung umfassen.
In einem Fahrzeug zum Überprüfen der Integrität von GPS-Messungen für ein sich bewegendes Fahrzeug vorgesehenes System mit folgendem: Mittel zum Empfangen von GPS-Signalen und zum Bestimmen eines GPS-Pseudobereichs des Fahrzeugs; Mittel zum Kommunizieren mit einem zweiten Fahrzeug in einer Umgebung des Fahrzeuges; einem 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 GSP-Messungen; und einem INS-System mit Trägheitssensoren, wobei das INS-System Informationen bereitstellt, die dem Prozessor ermöglichen, eine relative Bewegung des ersten Fahrzeuges zu bestimmen; wobei der Prozessor eine zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung auf Grundlage der relativen Bewegung des Fahrzeuges und einer, vom zweiten Fahrzeug übermittelten relativen Bewegung des zweiten Fahrzeuges bestimmt und die erste und zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung vergleicht, wobei die Integrität der GPS-Messungen als Funktion davon bestimmt wird, ob die erste und zweite Fahrzeug-Fahrzeug-Entfernung im wesentlichen gleichwertig sind.
System nach Anspruch 10, wobei das Mittel zum Kommunizieren mit einem zweiten Fahrzeug eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung umfaßt.
System nach Anspruch 11, wobei die Umgebung einen Bereich innerhalb eines Halbmessers von 10 Kilometern des Fahrzeuges umfaßt.
System zur Bereitstellung einer Abbildung von GPS-Mehrwegepegeln an jedem Punkt in einer Umgebung für einen gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen mit folgendem: einer zentralen Informationsablage; und mehreren herumfahrenden GPS-Empfängern mit Mitteln zum Erkennen eines GPS-Mehrwegefehlers an einem bestimmten Punkt in der Umgebung für eine bestimmte Satellitenkonstellation; wobei der Mehrwegefehler als ein GPS-Mehrwegepegel für den bestimmten Punkt und die bestimmte Satellitenkonstellation in der zentralen Informationsablage aufgezeichnet wird; und wobei die Erkennung von Mehrwegefehler für alle anderen Punkte in der Umgebung und zu unterschiedlichen Zeiten wiederholt wird, um den gesamten Bereich von Satellitenkonstellationen zu erfassen, wobei die Mehrwegefehler in der zentralen Informationsablage gespeichert werden.
System nach Anspruch 13, wobei die zentrale Informationsablage Mittel zum Empfangen von drahtlosen Datensignalen umfaßt und die mehreren herumfahrenden GPS-Empfänger mit Mitteln zum drahtlosen Übertragen von GPS-Mehrwegefehlern als Datensignal zu der zentralen Informationsablage ausgerüstet sind.