DE19645209A1

DE19645209A1 - Ortungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Satellitenempfänger

Info

Publication number: DE19645209A1
Application number: DE19645209A
Authority: DE
Inventors: Peter Kreft
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-11-02
Filing date: 1996-11-02
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2016-11-03
Also published as: JP2001503519A; CZ152699A3; EP0935760A1; DE19645209B4; DE59709284D1; EP0935760B1; WO1998020359A1; KR20000053026A; JP3877011B2; US6240368B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ortungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Satellitenempfänger nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der EP 0 496 538 A2 ist schon bekannt, mit Hilfe des Satellitenempfängers nicht nur die Position des Fahrzeugs zu berechnen, sondern auch dessen Fahrtrichtung. Dabei wird die Fahrtrichtung dadurch ermittelt, daß aus jeweils zwei Positionsbestimmungen die Differenzen errechnet werden. Dieses Verfahren funktioniert nur dann zufriedenstellend, wenn über große Distanzen die GPS-Positionen gemessen werden, da jede einzelne Position stark fehlerbehaftet ist (bei ziviler Nutzung: ca. 100 m).

Eine Fahrrichtungsermittlung in Echtzeit ist daher mit diesem Verfahren nicht möglich. Zudem geht dieses Verfahren von keinem oder nur sehr geringen Koppelsensorfehlern während der GPS-Messung aus, in der Praxis ist dies jedoch nur selten der Fall.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Bestimmung der Fahrtrichtung mit Hilfe des Satellitenempfängers nicht durch die Ortungsgenauigkeit beeinträchtigt wird und die Fahrtrichtungsermittlung nahezu in Echtzeit erfolgt. Besonders vorteilhaft ist, daß zunächst für die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs ein Fahrtrichtungsfächer angenommen wird, der die Fahrtrichtung mit einem vorgegebenen Toleranzfeld enthält. Mit Hilfe des Fahrtrichtungsfächers und einer Priorisierung eines Hauptpfades wird vorteilhaft recht genau die tatsächliche Fahrtrichtung und der Standort des Kraftfahrzeugs ermittelt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ortungssystems möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs während der Fahrt nach dem Dopplerverfahren aus den empfangenen Satellitenfrequenzen (Trägerwelle) bestimmt wird. Bei handelsüblichen GPS-Empfängern kann mit Hilfe des Doppler-Effektes ein Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs in Fahrtrichtung mit 0,1 m/s bis 0,2 m/s bestimmt werden. Jedoch sinkt die Genauigkeit durch die künstliche Verschlechterung der Satelliten-Signale durch den GPS-Betreiber. Je größer die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, umso genauer ist die Ermittlung des Geschwindigkeitsvektors möglich. Um nun die Richtung des Geschwindigkeitsvektors mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten, muß die Fahrzeuggeschwindigkeit deutlich über diesem Betrag liegen. Denn bei höherer Geschwindigkeit können auch die durch den GPS-Betreiber (Department of Defence, USA) durchgeführten Manipulationen der Trägerfrequenz (selective Availability) vernachlässigt werden. Versuche haben gezeigt, daß ein GPS-Empfänger bereits ab ca. 15 km/h brauchbare Ergebnisse liefert.

Da die Richtungsbestimmung mit Hilfe des GPS-Empfängers als Absolutfahrtrichtungsmessung zu betrachten ist, kann vorteilhaft ein Richtungssensor, beispielsweise ein Drehratensensor oder Gyrosensor kalibriert werden. Bei einer Empfangsunterbrechung kann dann der kalibrierte Richtungssensor vorteilhaft die absolute Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs erfassen.

Vorteilhaft ist weiter, daß der Rechner des Ortungssystems zur Positionsbestimmung mit Hilfe des Richtungsfächers einen Haupt- und gegebenenfalls Nebenpfade bestimmt. Durch eine Wichtung des Hauptpfades und der Nebenpfade ergibt sich ein neuer Hauptpfad, dessen Richtung am Ort der vermuteten Position mit der des Richtungsfächers am besten übereinstimmt. Durch die Wichtung der einzelnen Pfade ist die Bestimmung der Fahrtrichtung und der Fahrzeug-Position sehr zuverlässig, da das Fahrzeug lediglich auf einer der erfaßten Pfade (Straßen) fahren kann.

Vorteilhaft ist weiter, daß bei unklaren Bestimmungen, insbesondere einem engen Straßennetz mit parallel verlaufendem Pfaden der bisherige Hauptpfad beibehalten wird. Dadurch wird vermieden, daß durch mehrfachen Wechsel zwischen einem Haupt- und einem Nebenpfad der Fahrer des Kraftfahrzeugs über die tatsächliche Fahrtrichtung verunsichert wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Ortungssystems und die Fig. 2 und 3 zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Koppelortung.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ortungssystem 1, das per se bekannt ist und daher im Detail nicht näher beschrieben werden muß. Es enthält einen Rechner 5 zur Berechnung der Fahrtrichtungen und der Positionen der Pfade. An das Ortungssystem ist desweiteren ein Satellitenempfänger 2 angeschlossen, der Satellitensignale über eine Antenne 3 empfängt und auswertet. Ein Ausgang des Satellitenempfängers 2 ist mit einer Fehlerschätzvorrichtung 4 verbunden, mit der ein Fahrtrichtungsfächer bestimmbar ist. Der Satellitenempfänger 2 ist vorzugsweise ein GPS-Empfänger zum Empfang GPS-Satellitensignalen und/oder ein entsprechender Empfänger für GLONASS-Satelliten. Die Fehlerschätzvorrichtung 4 ist ausgangsseitig mit dem Rechner 5 verbunden. An das Ortungssystem 1 sind weitere Sensoren zur Bestimmung der Fahrzeugposition, des Fahrweges und/oder der Fahrtrichtung anschließbar. Als weitere Sensoren 7 können beispielsweise für die Fahrtrichtungsbestimmung ein Sensor, vorzugsweise ein Gyrosensor oder ein elektronischer Kompaß vorgesehen sein. An den Rechner 5 ist weiterhin ein Speicher 6 für eine digitale Straßenkarte anschließbar. An einem Ausgang 8 des Ortungssystems 1 ist eine Größe für die momentane Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs abgreifbar und am Ausgang 9 die wahrscheinlichste Position des Fahrzeugs (Hauptpfad).

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird angenommen, daß der Satellitenempfänger 2 ein GPS-Empfänger (Global Positioning System) ist. Aus den mittels der Antenne 3 empfangenen Satellitensignalen des GPS-Systems wird einerseits die momentane Fahrzeugposition berechnet. Andererseits ermittelt der GPS-Empfänger 2 die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit aus der Frequenzverschiebung nach dem Doppler-Verfahren. Da der GPS-Empfänger 2 die Trägerfrequenzen von mehreren Satelliten empfängt, ergibt sich zu jedem Satelliten ein Geschwindigkeitsvektor. Durch Projektion der Geschwindig keitsvektoren auf die Fahrebene erhält man einen Richtungs vektor für die aktuelle Fahrtrichtung des Fahrzeugs, der allerdings systembedingt fehlerbehaftet ist.

Als Maß für die Genauigkeit der gemessenen Fahrzeug-Fahrt richtung kann neben dem Geschwindigkeitsbetrag auch der sogenannte GDOP-Wert (Geometric Deliution Of Precicion) berücksichtigt werden, der die Zeitfehler und die Satellitengeometrie berücksichtigt.

Wegen der genannten Systemfehler der GPS-Satelliten berechnet die Fehlerschätzvorrichtung 4 in Fahrtrichtung des Fahrzeuges einen toleranzbehafteten Vektor für die mögliche Fahrtrichtung. Durch diese toleranzbehaftete Fahrtrichtung, im folgenden Fahrtrichtungsfächer 20 genannt, ist die tatsächliche Fahrtrichtung des Fahrzeugs nicht genau bestimmbar. Anhand der Fig. 2 und 3 wird nun erläutert, wie erfindungsgemäß dennoch aus diesen Berechnungen und Fehlerschätzungen auf die tatsächliche Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs geschlossen werden kann.

Voraussetzung für das Ortungssystem 1 ist, daß dieses neben dem GPS-Empfänger 2 auch einen Speicher 6 für eine digitale Straßenkarte aufweist. Aus den Einzelsignalen des GPS-Empfängers 2, der weiteren Sensoren 7 und der digitalen Straßenkarte des Speichers 6 berechnet nun der Rechner 5 durch "map matching" eine mögliche Fahrzeugposition. Fig. 2 zeigt nun einen Ausschnitt aus einem digitalen Straßenplan mit einer Straße 24, von der im Punkt P zwei Straßen 21 und 22 abzweigen. Bewegt sich zunächst das Kraftfahrzeug auf der Straße 24, dann kann die Fahrzeugposition beispielsweise mit den weiteren Sensoren 7 mitgekoppelt werden. Da diese Sensoren ebenfalls fehlerbehaftete Signale für die Fahrzeugposition liefern, zeigt Fig. 2 eine Kurve 25 für die mitgekoppelten Positionen, die neben der Straße 24, 21, 22 verlauten. Es wird nun angenommen, daß sich das Fahrzeug über den Punkt P hinaus in die Straße 21 abbiegt. Die weiteren Sensoren 7 zur Richtungsbestimmung, beispielsweise ein Gyrosensor oder ein Kompaß würden zwar ebenfalls eine Richtungsänderung feststellen, erkennen jedoch nicht eindeutig, daß sich das Fahrzeug auf der Straße 21 befindet, wie der Verlauf der Kurve 25 zeigt. Denn der mitgekoppelte Verlauf der Koppelortung 25 (Kurve) verläuft zwischen den Straßen 21 und 22. Wird dieser Verlauf zusammen mit den Straßen 24, 21, 22 auf einem Bildschirm angezeigt, dann ist nicht erkennbar, auf welcher Straße sich der Fahrer tatsächlich befindet. Allenfalls stellt er fest, daß er sich mit seinem Fahrzeug nicht zwischen, sondern auf einer der Straßen 21, 22 befindet.

Erfindungsgemäß wird nun das Geschwindigkeitssignal des GPS-Empfängers 2 ausgewertet. Aufgrund der bekannten Toleranzen berechnet die Fehlerschätzvorrichtung 4 beispielsweise im Punkt P für das Fahrzeug einen Fahrtrichtungsfächer 20, der in Fig. 2 dunkel abgebildet ist. Aufgrund des Geschwindig keitssignals, das mittels der Frequenzverschiebung nach dem Doppler-Verfahren berechnet wurde, ergibt sich ein Richtungsvektor 23 für die momentane Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Der Richtungsvektor 23 (punktierte Linie) liegt mittig innerhalb des Fahrtrichtungsfächers 20 und verläuft nahezu parallel zur Straße 21. Durch Vergleich der einzelnen Straßenwinkel stellt der Rechner 5 nun fest, daß nur die Straße 21 innerhalb des Fahrtrichtungsfächers 20 liegt, während die Straße 22 außerhalb des Fahrtrichtungsfächers 20 liegt. Da auch der Richtungsvektor 23 in etwa parallel zur Straße 21 verläuft, erhält die Straße 21 die höchste Priorität für die momentane Fahrzeugposition und -richtung, während die Straße 22 als Nebenpfad eine niedrigere Priorität erhält. Der Rechner 5 wählt die Straße 21 als Hauptpfad aus und gibt deren Richtung als Fahrtrichtung für das Fahrzeug an. Dieses Signal ist am Ausgang 8 des Ortungsgeräts 1 abgreifbar und beispielsweise auf einem Display ausgebbar. Die Straße 22 wird als Nebenpfad nicht weiter verfolgt, da sie außerhalb des Richtungsfächers liegt. Der Rechner 5 verfolgt den Hauptpfad 21 und möglicherweise einen oder mehrere Nebenpfade 22 weiter und prüft, ob ein Nebenpfad als neuer Hauptpfad auswählbar ist. Im Ausnahmefall kann es vorkommen, daß zwei parallel verlaufende Straßen so dicht nebeneinander liegen, daß beide Straßen als Hauptpfad in Frage kommen könnten. In diesem Fall bleibt der bisherige Hauptpfad so lange erhalten, bis eine eindeutige Hauptpfad-Entscheidung möglich ist. Dadurch wird vermieden, daß durch ein Hin- und Herspringen von einem Pfad auf einen anderen Pfad der Fahrer des Fahrzeuges verunsichert wird (Bewertungshysterese).

Fig. 3 zeigt den gleichen Straßenplanausschnitt mit den Straßen 24, 21, 22, wie er in Fig. 2 dargestellt wurde. Es wird jedoch angenommen, daß im Punkt P der Fahrtrichtungsfächer 20 so ausgelegt ist, daß er beide Straßen 21, 22 erfaßt. Es wird weiter angenommen, daß der Richtungsvektor 23 gemäß des gepunktet dargestellten Pfeiles etwa zwischen den beiden Straßen 21, 22 verläuft. Die von den weiteren Sensoren 7, beispielsweise den Gyrosensor vorgegebene Fahrtrichtung 25 verläuft etwa parallel zum Richtungsvektor 23 des Fahrtrichtungsfächers 20. Sowohl die beispielsweise integrierte Richtung 25 eines differentiellen Gyrosensors 7 als auch der Richtungsvektor 23 des Fahrtrichtungsfächers 20 liegen somit zwischen den beiden Richtungsverläufen der Straßen 21 und 22. Die Winkeldifferenz zum Verlauf der Straße 21 ist jedoch geringer als zum Verlauf der Straße 22. Somit wird die Straße 21 als neuer Hauptpfad ausgewählt. Der Richtungsvektor 23 des Hauptpfades bzw. die vom Gyrosensor 7 bestimmte Fahrtrichtung 25 wird auf den Richtungsverlauf der Straße 21 adaptiert. Mit diesem Verfahren kann somit ein absoluter Fahrtwinkel eines integrierenden Richtungssensors 7 durch Adaption auf den in Frage kommenden Straßenverlauf korrigiert und der Richtungssensor 7 kalibriert werden.

Da jedoch auch der Nebenpfad 22 weiter plausibel ist, wird solange dieser plausibel bleibt, die Fahrtrichtung für ihn nun auf den Richtungsverlauf der Straße 22 adaptiert. Somit erhalten der Hauptpfad und alle Nebenpfade eine eigenständige Fahrtrichtungsberechnung.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann vorteilhaft mit Hilfe der Satellitennavigation ein Winkelsensor oder ein Drehraten-Sensor derart kalibriert und bezüglich der absoluten Fahrtrichtung initialisiert werden, daß sich eine absolute Fahrtrichtung für das Kraftfahrzeug ergibt. Insbesondere das GPS-System stellt daher eine vorteilhafte Ergänzung zu einem Ortungssystem mit einem differenziellen Winkelsensor dar. Besonders vorteilhaft ist, daß die GPS-Messungen eine gute Langzeitstabilität aufweisen, während ein differenzieller Winkelsensor dagegen nur eine Kurzzeitstabilität hat. Andererseits kann der differenzielle Winkelsensor mit hinreichender Genauigkeit für die Fahrtrichtungsermittlung herangezogen werden, wenn beispielsweise aufgrund zu geringer Fahrzeuggeschwindigkeit die Ausnutzung des Doppler-Effektes zu gering ist oder der Satellitenempfang gestört ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, anstelle des differenziellen Winkelsensors 7 einen elektronischen Kompaß zu verwenden. Da der elektronische Kompaß, beispielsweise ein Zweiachs-Magnetometer durch magnetische Störfelder eine falsche Nordrichtung vorgeben kann, erfolgt die Kalibrierung ebenfalls mit Hilfe der GPS-Satelliten, wie es zuvor beschrieben wurde.

Die Auswertung der verschiedenen Fahrtrichtungsinformationen erfolgt beispielsweise mit einem Kalman-Filter oder nach dem Prinzip der Koppelortung. Bei Verwendung eines differenziellen Richtungssensors 7 ist vorgesehen, daß der Fehler, der über die Zeit integriert kontinuierlich anwächst, mit Hilfe der nach dem Doppler-Verfahren berechneten Fahrtrichtung bestimmt wird. Auch in diesem Fall ist der Richtungsfächer priorisiert gegenüber der durch weitere Sensoren 7 bestimmten Fahrtrichtung.

Claims

1. Ortungssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem Satellitenempfänger, vorzugsweise für den Empfang von Signalen der GPS- und/oder GLONASS-Satteliten, wobei der Satellitenempfänger ausgebildet ist, für eine vermutete Position des Kraftfahrzeugs aus den empfangenen Signalen toleranzbehaftete Fahrtrichtungen (Fahrtrichtungsfächer) zu berechnen, mit einem Wegsensor, mit einer digitalen Straßenkarte und mit einem Rechner zur Bestimmung der tatsächlichen Fahrtrichtung an der vermuteten Position des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner (5) ausgebildet ist, für die Straßen (21, 22, 24) eines Teilgebietes der digitalen Straßenkarte einen Hauptpfad (21) und gegebenenfalls Nebenpfade (22) zu bestimmen, auf denen die augenblickliche Position des Kraftfahrzeugs vermutet wird,
daß die Richtungen des Hauptpfades und gegebenenfalls der Nebenpfade (22) mit dem Fahrtrichtungsfächer (20) des Satellitenempfängers (2) verglichen werden, und
daß der Richtungsfächer (20) derart priorisiert wird, daß nur der Hauptpfad (21) und gegebenenfalls die Nebenpfade (22) weiterverfolgt werden, deren Richtungen an der vermuteten Position des Kraftfahrzeugs innerhalb des Richtungsfächers (20) verlaufen.

2. Ortungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Satellitenempfänger (2) die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges aus der Frequenzänderung der während der Fahrt des Kraftfahrzeuges empfangenen Satellitenfrequenzen nach dem Doppler-Verfahren ermittelt.

3. Ortungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungssystem einen Richtungssensor oder Drehratensensor (7) aufweist und daß das ermittelte Richtungsergebnis dieses Sensors (7) auf den Richtungswert des momentanen vom Satellitenempfänger (2) vorgegebenen Richtungsvektor aufsetzbar oder korrigierbar ist.

4. Ortungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungssensor (7) ein Gyrosensor ist.

5. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Richtungsfächers (20) durch die Systemfehler des Satellitenempfängers (2) und/oder des Ortungssystems (1) vorgebbar ist.

6. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) am Ort der vermuteten Position zu jedem Pfad (24, 21, 22) einen Richtungsvektor (25) bestimmt.

7. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) den Hauptpfad (21) und die Nebenpfade (22) wichtet und den Pfad als neuen Hauptpfad (21) bestimmt, dessen Richtung am Ort der vermuteten Positionen mit der des Richtungsfächers (23) am besten übereinstimmt.

8. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) am Ort der vermuteten Positionen die einzelnen Fahrtrichtungen mit den Straßenverläufen im Teilgebiet der gespeicherten Straßenkarte vergleicht und den Pfad als neuen Hauptpfad bestimmt, der die größte Übereinstimmung aufweist.

9. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallel verlaufenden Pfaden der bisherige Hauptpfad erhalten bleibt.