DE4332945A1

DE4332945A1 - Ortungs- und Navigationsgerät mit Satellitenstützung

Info

Publication number: DE4332945A1
Application number: DE4332945A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Kreft
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1995-03-30
Also published as: EP0721570A1; HU9600771D0; JP3793227B2; ES2118427T3; US5995023A; HU220492B1; DE59406424D1; EP0721570B1; WO1995009348A1; HUT73906A; JPH09504103A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ortungs- und Navigationsgerät für ein Kraftfahrzeug nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon verschiedene Ortungs- und Navigationsgeräte bekannt, bei denen eine aktuelle Fahrzeugposition auf einer Straßenkarte eines Anzeigegerä tes dargestellt wird und die Position laufend mitgekoppelt wird. Ein derartiges Gerät ist beispielsweise aus Bosch Technische Berichte, Band 8, 1986, Heft 1/2, "EVA - ein autarkes Ortungs- und Naviga tionssystem für Landfahrzeuge", Seite 7-14, bekannt. Ferner ist ein Satelliten-Navigationssystem unter dem Namen GPS-System (Global Position System) bekannt, das aufgrund von empfangenen Positions daten von wenigstens drei oder vier Satelliten am Himmel eine ter restrische Position errechnet. Die Positionsbestimmung mit dem GPS-System hat für die freigegebenen allgemeinen Anwendungen nur ei ne Ortungsgenauigkeit von ca. 100 m. Des weiteren hängt die Genauig keit auch von der Höhenposition und der Anzahl der empfangenen Sa telliten ab. In Stadtgebieten, bei denen ein einwandfreier Satelli tenempfang nicht immer gewährleistet ist, ist daher eine Positions bestimmung nicht immer möglich. Andererseits kann es beim "Travel pilot" vorkommen, daß durch Magnetisierungseinflüsse des Fahrzeugs oder starke magnetische Störfelder die Magnetfeldsonde gestört wird. Beim Befahren von nicht digitalisierten Gebieten oder beim Transport des Fahrzeuges auf einer Fähre oder der Eisenbahn geht die Ortung verloren. Das Navigationsgerät muß wieder neu aufgesetzt werden. Dieses ist zwar mit wenigen Tastenbedienungen durchführbar, erfolgt aber nicht automatisch. Dadurch ist der Benutzungskomfort einge schränkt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ortungs- und Navigationsgerät mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor teil, daß bei Ortungsverlust oder Fehlortung, die auf der Straßen karte der Anzeige sofort erkennbar ist, mit Hilfe des Satelliten-Na vigationsgerätes eine automatische Korrektur der Position durchführ bar ist. Besonders vorteilhaft ist, daß auch das Aufsetzen des Navi gationsgerätes, d. h. die Initialisierung der augenblicklichen Po sition durch das Satelliten-Navigationsgerät automatisch und ohne Dazutun des Fahrers erfolgt. Dadurch wird der Fahrer weniger vom Verkehrsgeschehen abgelenkt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ortungs- und Navigationsgerätes möglich.

Durch die Bestimmung des Streubereiches für die Satellitenortung ist vorteilhaft der Fehler abgrenzbar, der bei der genauen Positions bestimmung des Fahrzeuges erfaßbar ist. Da die Genauigkeit der Sa tellitenortung u. a. wesentlich von der Anzahl und der Konstellation der gleichzeitig empfangenen Satelliten abhängt, kann ein relativ zuverlässiger Bereich für die Fahrzeugposition ermittelt werden. Die Verfeinerung/Optimierung der Fahrzeugposition erfolgt durch Ver gleich (Map Matching) nach einer Plausibilitätsprüfung auf der dar gestellten Straßenkarte. Befindet sich in dem Streubereich der Sa tellitenortung die laut Koppelortung und Map Matching momentan be fahrene Straße, dann kann vorteilhaft davon ausgegangen werden, daß die Fahrzeugposition, die vom System (Ortungs- und Navigations system) verwaltet wird, korrekt ist.

Für Überprüfungszwecke ist es auch günstig, wenn die Satellitenor tung auf der Anzeige ausgegeben wird. Dadurch kann sich auch der Fahrer ein Bild machen von der gemessenen Position in Relation zu der dargestellten Straßenkarte. Auch durch einfaches manuelles Kor rigieren mittels entsprechender Cursortasten kann dann die Position des Fahrzeuges auf der dargestellten Straßenkarte korrigiert werden.

Günstig ist vor allem ein automatisches Aufsetzen des Ortungs- und Navigationssystem mit Hilfe der Satellitenortung. Der Fahrer des Fahrzeugs muß das Aufsetzen nicht mehr von Hand durchführen und wird damit auch nicht vom Verkehrsgeschehen abgelenkt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild, Fig. 2 ein Flußdiagramm für den Funktionsablauf, und Fig. 3-6 zeigen Beispiele von verschie denen Korrekturmaßnahmen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das Blockschaltbild der Fig. 1 zeigt eine Steuerung 20, die mit ei ner Anzeige 26 und Bedienelementen 27 verbunden ist. Eingangsseitig ist die Steuerung 20 mit verschiedenen Sensoren 3 verbunden, wie ei nem Wegsensor 22, einem Winkelsensor 23, einem Kompaß 24 sowie einer Satelliten-Navigationseinrichtung 25. Des weiteren ist die Steuerung 20 mit einem Kartenspeicher 21 verbunden, auf dem die Straßenkarten vornehmlich digital gespeichert sind. Die Steuerung 20 enthält einen Mikrorechner sowie interne Speicher, ein derartiges Gerät ist bei spielsweise durch den "Travelpilot" bekannt und muß daher im einzel nen nicht näher beschrieben werden. Als Kartenspeicher 21 wird dabei ein Compact-Disk-Speicher verwendet, auf dem u. a. die Straßenkartendaten von Deutschland gespeichert sind. Mittels der Bedienelemente 27 werden Straßenkartenausschnitte ausgewählt und in einem gewünschten Maßstab auf der Anzeige 26 dar gestellt. Die Fahrzeugposition auf der Straßenkarte wird mittels eines blinkenden Pfeils angezeigt, unter dem sich die Straßenkarte weiterbewegt, wenn das Fahrzeug vorwärts fährt. Die Berechnung der momentanen Position erfolgt dabei mittels zweier Radsensoren auf ei ner Achse, aus deren digitalen Impulse Wegstrecken und Winkelbewe gungen des Fahrzeuges berechnet werden. Zusätzlich ist ein Zweiachs magnetometer im Fahrzeug angeordnet, das die Fahrtrichtung bezüglich der Nordrichtung aus dem Erdmagnetfeld ermittelt. Durch Map Matching wird die geographische Kompaßposition mit der mitgekoppelten Po sition auf der Karte verglichen und durch eine Plausibilitätsprüfung die aktuelle Fahrzeugposition auf der Straße festgelegt.

Eine Satelliten-Navigationseinrichtung 25 ist als GPS-Empfänger (Global Position System) bekannt. Der GPS-Empfänger 25 empfängt je nach seiner Position auf der Erdoberfläche von wenigstens drei Sa telliten des GPS-Systems deren Signale und berechnet aufgrund von Signallaufzeiten seine Position auf der Erdoberfläche aus. Diese Po sitionsangabe wird in die Steuerung 20 eingegeben.

Im folgenden wird anhand eines Flußdiagramms für den Funktionsablauf entsprechend Fig. 2 die Funktionsweise beschrieben. Zunächst wird mit Hilfe der Koppelortungssensoren 3 bei dem bekannten kartenge stützten Ortungs- und Navigationsgerät in Position 4 eine Koppel ortung für das Fahrzeug durchgeführt. Dabei erhält die Koppelortung aus einem Kartenspeicher 21 auf einer Compact-Disk (CD) gespeicherte Straßendaten, die von einer Kartenaufbereitungseinheit 13 für die Steuerung 20 aufbereitet wurden. Diese aufbereiteten Straßendaten werden auf der Anzeige 26 als Straßenkarte angezeigt. Die Koppelor tung 4 überprüft in einer Korrekturstufe 11 die Plausibilität der ermittelten Fahrzeugposition und gibt die Fahrzeugposition an die Kartenaufbereitungseinheit 13. Auf der Anzeige 26 erscheint dann beispielsweise für die Fahrzeugposition ein blinkender Pfeil auf der gerade befahrenen Straße.

Parallel zu diesem per se bekannten Mitkopplungsverfahren empfängt nun der Satellitenempfänger 25 über die Antenne 1 die Satelliten signale und bestimmt daraus zunächst unabhängig von der Koppelortung eine Position für das Fahrzeug. In Position 6 wird die Satelliten ortung mit der Koppelortung synchronisiert. Dieses ist erforderlich, da sich während der Berechnungszeit das Fahrzeug weiterbewegt und zwischenzeitlich eine andere Position eingenommen hat. Nach einer Transformation der Werte in das Koordinatensystem der Koppelortung (Position 7) wird in Position 8 nunmehr aus diesen Werten ein Dif ferenzvektor V berechnet, der die Differenz zwischen der Koppelor tung und der Satellitenortung angibt.

Das verfügbare Satellitensystem GPS ist mit Einschränkung allen frei zugänglich. Die Einschränkung besteht darin, daß die Genauigkeit der durch die Satelliten bestimmte Position einen Streubereich aufweist. Der Streubereich ist abhängig von der Anzahl der gleichzeitig emp fangenen Satelliten und kann einen Kreis mit 100 m Radius oder er heblich mehr haben. Diese für die Positionsbestimmung eines Fahr zeuges zu große Toleranz kann nun mit Hilfe eines Tiefpaßfilters (Position 9) verbessert werden. Dabei wird die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters so gewählt, daß Störsignale des GPS-Systems einer seits zum Teil unterdrückt werden, andererseits ein Ortungsverlust durch die Bewegung des Fahrzeuges möglichst schnell erkannt wird. Zwischen diesen beiden Extremwerten muß ein Kompromiß gebildet wer den, der vorteilhaft empirisch ermittelt wird. In Position 10 wird nun der durch den Tiefpaß gefilterte Wert verwendet, um eine opti mierte Satelliten-Ortungsposition zu berechnen. Da aufgrund von empirisch ermittelten Werten bei min destens vier (in Ausnahmefällen auch 3) gleichzeitig empfangenen Sa telliten der Streubereich relativ genau abgeschätzt werden kann, er gibt sich somit ein Gütefaktor für die durch die Satelliten ermit telte Position. Aufgrund von empirisch ermittelten Werten kann nun ein Streubereich dieser Position ermittelt werden. Die Ermittlung des Streubereiches wird in Position 5 durchgeführt. Die in Position 10 ermittelten Werte werden auf die Kartenaufbereitungseinheit 13 gegeben. Auf der Anzeige 26 kann nun die Fahrzeugposition und/oder zusätzlich die durch den Satelliten ermittelte Position dargestellt werden.

Ein erstes Beispiel für die Positionskorrektur wird in Fig. 3 dar gestellt. Prinzipiell gilt, daß keine Satelliten-Navigation durchge führt wird, wenn sich das Fahrzeug tatsächlich auf einer vorgesehe nen Straße befindet. Fig. 3 zeigt eine Straße 32, ein neben der Straße befindliches Fahrzeug mit einer Koppelortung 30 sowie eine Satellitenortung 31. Um die Satellitenortung 31 ist ein Streubereich 34 als Kreis dargestellt, der den Unsicherheitsbereich für die Sa tellitenortung 31 darstellen soll und mit Hilfe des Gütefaktors be stimmt wurde. Zwischen der Koppelortung 30 und der Satellitenortung 31 ist ein Vektor V gezeichnet, der die Abweichung zwischen den bei den Ortungsverfahren darstellt. Da die Koppelortungsposition außer halb des Streubereichs der Satellitenortung liegt, wird nun davon ausgegangen, daß die Koppelortung 30 falsch ist. Dieses kann bei spielsweise dadurch entstehen, daß durch Magnetisierungseinflüsse der Fahrzeugkompaß 24 eine Mißweisung ermittelt hat. Es kann aber auch sein, daß das Fahrzeug mit einer Fähre oder der Bahn transpor tiert wurde und damit seine Koppelortung verloren hat. Es erfolgt nun eine Übernahme der GPS-Position als neue Koppelortungsposition (Stützung) mit nachfolgender Kartenstützung (Map Matching), wie nachfolgend zu Fig. 3 beschrieben.

Es wird in Fig. 3 angenommen, daß das Fahrzeug seine Koppelortung neu aufsetzen muß. Die Position für die Koppelortung 30 wird nun durch die Satellitenortung entsprechend der Fig. 4 korrigiert. Fig. 4 zeigt nun, daß die neue Fahrzeugposition durch die Satel litenortung 31 bestimmt wird. Um die Satellitenortung 31 ist wieder der Streubereich 34 eingezeichnet. Innerhalb des Streubereiches 34 verläuft nun die Straße 32, auf der sich das Fahrzeug nach ent sprechender Plausibilitätsprüfung tatsächlich befindet. Nun setzt innerhalb des Streubereiches 34 durch Map Matching eine Korrektur ein, so daß das Fahrzeug auf der Straßenkarte von der Satelliten ortung 31 auf die aktuelle Position 33 parallel verschoben wird. Diese so gefundene aktuelle Position 33 wird für die weitere Koppel ortung weitergeführt. Solange innerhalb gewisser Grenzen sich das Fahrzeug nun innerhalb des Streubereiches 34 und auf einer Straße befindet, erfolgt keine GPS-Korrektur, da in diesem Bereich das Fahrzeug nur durch die gespeicherten Kartendaten in Verbindung mit den Fahrzeugsensoren und dem Kompaß geführt wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwar ein Ortungs verlust der Koppelortung eingetreten ist, das Fahrzeug befindet sich jedoch noch innerhalb des Satellitenstreubereiches. Das Koppel-Or tungssystem findet aber wegen des Verlustes der Korrektur-Position nicht mehr auf die Straße 32 zurück. Mit Hilfe des Satellitenemp fängers 25 wird wieder eine Ortungsposition 52 und deren Streubereich für das Fahrzeug (Fig. 5, Fig. 6) berechnet. Entsprechend Fig. 6 wird nun durch Map Matching die Satellitenposition 52 als aktuelle Fahrzeugposition angenommen und das Fahrzeug parallel hierzu in Position 53 auf die Straße 32 gesetzt. In diesem Bereich wird nun ähnlich wie nach Fig. 4 die weitere Mitkopplung durch das Ortungs- und Navigationsgerät des Fahrzeuges fortgeführt. Vorzugsweise wird laufend die GPS-Position und deren Streubereich berechnet, um damit die Koppelortung zu kontrollieren.

Diese an sich vollautomatisch arbeitende Ortungs- und Navigations einrichtung benötigt kein manuelles Aufsetzen des Fahrzeugs mehr. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, Cursor tasten zur Steuerung der Fahrzeugposition durchzuführen, um bei spielsweise eine Feinjustierung durchzuführen.

Claims

1. Ortungs- und Navigationsgerät für ein Fahrzeug mit einem Magnet feldkompaß, einem Wegsensor und/oder Winkelsensor, einem Speicher für Straßenkartendaten, einer Anzeige für eine Straßenkarte und mit einer Steuerung zur Mitkopplung und Darstellung der aktuellen Fahr zeug-Position auf der Straßenkarte der Anzeige, dadurch gekennzeich net, daß die Steuerung mit einem Satellitenempfänger (GPS-Empfänger) (25) verbunden ist, daß die Steuerung (20) ausgebildet ist, aus der Koppelortung (30) des Ortungs- und Navigationsgerätes und der Satel litenortung (31) einen Differenzvektor (V) zu bilden, daß bei Über schreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den Differenzvektor (V) die Fahrzeugposition der Satellitenortung (31) um den Differenz vektor (V) korrigiert und die aktuelle Fahrzeugposition (33) auf der Straße (32) der dargestellten Straßenkarte anzeigt, die in einem von dem vorgegebenen Grenzwert gebildeten Toleranzbereich der Satelli tenortung (31) liegt und in Fahrtrichtung verläuft.

2. Ortungs- und Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerung (20) Mittel aufweist, mit denen ein Streubereich (34) der Satellitenortung bestimmbar ist.

3. Ortungs- und Navigationsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel einen Tiefpaß aufweisen, dessen Zeitkon stante unter Berücksichtigung der Genauigkeit der Satellitenortung und der Fahrzeuggeschwindigkeit wählbar ist.

4. Ortungs- und Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (29) die durch die Satellitenortung korrigierte Fahrzeugposition (31) mit benach barten Straßenkartendaten (Map Matching) vergleicht und das Fahrzeug auf die aktuelle Position (33) der benachbarten Straße aufsetzt.

5. Ortungs- und Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Satellitenortung auf der Anzeige (26) ausgebbar ist.

6. Ortungs- und Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (20) bei Ortungs verlust die neue Fahrzeugposition (31) durch die Satellitenortung initialisiert.

7. Ortungs- und Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (20) die neue Fahrzeugposition (31) zyklisch neu bestimmt.

8. Ortungs- und Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Position (33) des Fahrzeugs in der dargestellten Karte manuell durch Cursortasten ver schiebbar ist oder durch Tastendruck um den Vektor V in Richtung der GPS-Position auf der dargestellten Karte verschiebbar ist.

9. Ortungs- und Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerung (20) Mittel aufweist, mit denen eine Synchronisation der Signale des GPS-Empfängers (25) und der Signale der Koppelortungssensoren durchführbar ist.

10. Ortungs- und Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerung (20) ausgebildet ist, die GPS-Koordina ten des GPS-Empfängers in das geographische Koordinatenbezugssystem der Koppelortung zu transformieren.