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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs.
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Verfahren, bei denen die geographische Position eines Fahrzeugs anhand der Signale von Navigationssatelliten, insbesondere der GPS-Satelliten, ermittelt wird, sind allgemein bekannt und bilden die Grundlage moderner Fahrzeugnavigationssysteme. Die mit diesen Signalen herkömmlicherweise erreichbaren Lokalisierungsgenauigkeiten in der Größenordnung von wenigen Metern sind zwar ausreichend, um eine Straße, auf der sich ein das Navigationssystem verwendendes Fahrzeug befindet, in den allermeisten Fällen korrekt identifizieren und auf dieser Grundlage dem Fahrer des Fahrzeugs Navigationshinweise geben zu können, für weitergehende Automatisierungsanwendungen, insbesondere für ein vollautomatisches Fahren, ist die Genauigkeit der verbreiteten Verfahren noch nicht ausreichend.
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Ein Grund für Ungenauigkeiten bei der GPS-Lokalisierung sind fluktuierende Signallaufzeiten zwischen den sendenden Satelliten und dem empfangenden Fahrzeug aufgrund von atmosphärischen Störungen. Eine weitere Ursache für Messungenauigkeiten kann eine ungünstige Stellung eines Satelliten sein, in der die Laufzeit seines Signals zum Fahrzeug nicht ausreichend mit dessen geographischer Position variiert, oder Laufzeitverfälschungen, die insbesondere in dicht bebauten Städten auftreten können, wenn die direkte Sichtverbindung zwischen Satellit und Fahrzeug durch ein Gebäude blockiert ist und das Signal des Satelliten das Fahrzeug nicht auf direktem Wege, sondern erst nach einer Reflexion erreichen kann.
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Um die Genauigkeit der Lokalisierung zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, stationäre Empfängereinheiten an den Straßen aufzustellen, die ihrerseits die Satellitensignale empfangen, eine Abschätzung ihrer eigenen Position anhand der Satellitensignale vornehmen und die Abweichung zwischen dieser abgeschätzten und einer bekannten, wahren Position berechnen und an vorbeifahrende Fahrzeuge übermitteln. Wenn die Fehlerursachen, denen die ortsfeste Station und das vorbeifahrende Fahrzeug ausgesetzt sind, gleich sind, dann sollte auch der Fehler zwischen abgeschätzter und wahrer Position für Fahrzeug und ortsfeste Station derselbe sein, und eine wahre Position des Fahrzeugs kann ermittelt werden, indem zu der abgeschätzten Position des Fahrzeugs die von der ortsfesten Station ermittelte Abweichung vektoriell hinzuaddiert wird. Das Problem bei diesem Ansatz liegt jedoch darin, dass die Fehlerursachen ihrerseits ortsabhängig sind und folglich die Abweichung zwischen der anhand der Satellitensignale abgeschätzten Position und der wahren Position am Ort der stationären Empfängereinheit nicht dieselbe sein muss wie am Ort des Fahrzeugs. Je größer die Entfernung zwischen beiden ist, umso weniger ist die von der stationären Einheit gemessene Abweichung geeignet, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Fahrzeugs zu verbessern, bzw. umso zahlreicher müssen die ortsfesten Stationen entlang einer Straße angeordnet sein, um überall eine präzise Positionsermittlung der Fahrzeuge zu ermöglichen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das für eine präzise Lokalisierung eines Fahrzeugs ohne ein dichtes Netz von ortsfesten Stationen auskommt. Dieses Fahrzeug wird im Folgenden zur Unterscheidung mit anderen Fahrzeugen, mit denen es kommuniziert, auch als Ego-Fahrzeug bezeichnet.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zu Folge gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:
- a) Ableiten einer geschätzten Position des Ego-Fahrzeugs anhand eines von dem Ego-Fahrzeug empfangenen Satellitensignals;
- b) Empfangen eines Korrektursignals von einem zweiten Fahrzeug; und
- c) Korrigieren der geschätzten Position anhand des Korrektursignals.
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Auf diese Weise kann das Ego-Fahrzeug eventuell schlechte eigene Empfangsbedingungen, die nur eine mangelhafte Positionsbestimmung erlauben, ausgleichen, indem es auf Daten anderer Fahrzeuge zurückgreift, die gegebenenfalls bessere Empfangsbedingungen haben oder aus anderen Gründen über genauere Lokalisierungsinformationen verfügen.
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Gegebenenfalls kann auch auf Korrektursignale mehrerer Fahrzeuge zurückgegriffen werden, um zufällige Fehler der Positionsabschätzung durch Mittelung über viele voneinander unabhängige Messungen auszugleichen. Eine Korrektur anhand der Lokalisierungsinformationen mehrerer Fahrzeuge kann sich automatisch dadurch ergeben, dass auch das zweite Fahrzeug, von dem das Ego-Fahrzeug das Korrektursignal bezieht, zuvor seine Lokalisierung anhand des Korrektursignals eines dritten Fahrzeugs korrigiert hat; das Ego-Fahrzeug kann in Schritt b) aber auch neben dem Korrektursignal des zweiten Fahrzeugs weitere Korrektursignale beziehen und die Korrektur anhand sämtlicher empfangener Korrektursignale vornehmen.
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Der Informationsgehalt des Korrektursignals kann je nach Ausgestaltung des Verfahrens unterschiedlich sein. Einer ersten Ausgestaltung zu Folge kann das Korrektursignal Ausmaß und Richtung einer Abweichung zwischen einer anhand eines von dem zweiten Fahrzeug empfangenen Satellitensignals – eventuell fehlerhaft – geschätzten Position und einer als wahr angesehenen Position des zweiten Fahrzeugs beinhalten, so dass die Korrektur im Schritt c) erfolgen kann, indem die (eventuell gewichtete) Abweichung zu der in Schritt a) abgeleiteten geschätzten Position vektoriell hinzuaddiert wird.
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Wenn in dem Korrektursignal ferner ein Maß für die Zuverlässigkeit der Abweichung codiert ist, kann dieses auf Seiten des Ego-Fahrzeugs extrahiert und beim Korrigieren der geschätzten Position berücksichtigt werden. Insbesondere kann aus dem Maß für die Zuverlässigkeit ein Gewichtungsfaktor abgeleitet werden, mit dem die übertragene Abweichung multipliziert wird, bevor sie zu der geschätzten Position vektoriell hinzuaddiert wird.
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Je länger der Empfang eines Korrektursignals zurückliegt, umso geringer ist dessen Aussagekraft. Wenn daher nach Empfangen eines Korrektursignals die Schritte a) und c) mehrmals wiederholt werden, sollte der Einfluss des Korrektursignals auf die korrigierte geschätzte Position von einer Wiederholung zur anderen abnehmen. Die Geschwindigkeit dieser Abnahme kann an die Geschwindigkeit des Fahrzeugs gekoppelt sein; das heißt je schneller sich das Fahrzeug bewegt, umso schneller nimmt auch die Aussagekraft des Korrektursignals für die Position des Fahrzeugs ab.
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Die als wahr angenommene Position des zweiten Fahrzeugs kann auf zum oben beschriebenen Verfahren analogen Wege erhalten werden, indem eine geschätzte Position des zweiten Fahrzeuges anhand eines von diesem zweiten Fahrzeug empfangenen Satellitensignals abgeleitet wird, ein Korrektursignal von einem dritten Fahrzeug empfangen wird und die geschätzte Position des zweiten Fahrzeugs anhand des Korrektursignals korrigiert wird. Alternativ kann das Korrektursignal aber auch von einer ortsfesten Referenzstation empfangen werden. Auf diese Weise kann das zweite Fahrzeug, wenn es nahe genug an einer Referenzstation vorbeikommt und dabei das Korrektursignal von der Referenzstation empfängt, seine eigene Position mit hoher Genauigkeit ermitteln. Durch Messen des zurückgelegten Weges nach Passieren der Referenzstation kann das zweite Fahrzeug auch für eine längere Zeit nach Passieren der Referenzstation und in eventuell größerer Entfernung von dieser eine genaue Kenntnis seiner wahren Position bewahren und ein Korrektursignal liefern, das ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit aufweist.
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Einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens zu Folge kann das Korrektursignal anstelle oder ergänzend zur Abweichung auch die absolute geographische Position des zweiten Fahrzeugs beinhalten. Um diese Position für eine Korrektur der geschätzten Position des Ego-Fahrzeugs nutzen zu können, sollte der Abstandsvektor zwischen Ego-Fahrzeug und zweitem Fahrzeug gemessen werden. Zweckmäßigerweise sollte diese Messung vom Ego-Fahrzeug vorgenommen werden; vorstellbar ist aber auch, dass der Abstandsvektor durch das zweite Fahrzeug gemessen und dem Ego-Fahrzeug in dem Korrektursignal zur Verfügung gestellt wird.
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Auch hier sollte das Korrektursignal ferner ein Maß für die Zuverlässigkeit der Position des zweiten Fahrzeugs beinhalten.
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Der Abstandsvektor kann insbesondere auf optischem Weg, etwa durch Analyse eines von einer Kamera des ersten Fahrzeugs aufgenommenen Bildes oder durch Triangulation, oder anhand eines vom zweiten Fahrzeug reflektierten Echos, zum Beispiel mit Hilfe eines Radar- oder Ultraschall-Abstandsmessgerätes, ermittelt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die einen Computer, insbesondere des ersten Fahrzeugs, befähigen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen, bzw. ein computerlesbarer Datenträger, auf dem Programmanweisungen aufgezeichnet sind, die den Computer befähigen, das Verfahren auszuführen.
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Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist eine Vorrichtung zum Einbau in einem ersten Fahrzeug, mit
- – Mitteln zum Ableiten einer geschätzten Position des ersten Fahrzeugs anhand eines von dem Fahrzeug empfangenen Satellitensignals;
- – Mitteln zum Empfangen eines Korrektursignals von einem zweiten Fahrzeug; und
- – Mitteln zum Korrigieren der geschätzten Position anhand des Korrektursignals.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1, 2 und 3 jeweils Verkehrssituationen mit mehreren das erfindungsgemäße Verfahren anwendenden Fahrzeugen.
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In 1 befinden sich Fahrzeuge 1, 2 auf einer ersten Straße 4 und ein Fahrzeug 3 in einer quer in die Straße 4 einmündenden Straße 5. Die Straßen 4, 5 sind zum Teil von hohen Gebäuden 6 flankiert, die den Empfang von Satellitennavigationssignalen durch die Fahrzeuge 1, 3 beeinträchtigen. Die Fahrzeuge 1, 2, 3 sind jeweils mit einem an sich bekannten Satellitennavigationssystem ausgestattet, das in der Lage ist, basierend auf empfangenen Satellitennavigationssignalen die Position P1, P2 bzw. P3 des betreffenden Fahrzeugs zu schätzen. Die Zuverlässigkeit dieser Schätzung ist unterschiedlich, je nach Stärke der empfangenen Signale, Zahl der empfangbaren Satelliten und deren Stellung am Himmel und ist in 1 durch die geschätzten Positionen P1, P2 P3 umgebende Ellipsen S1, S2, S3 dargestellt. Jede dieser Ellipsen Si, i – 1, 2, 3, umgibt diejenigen Punkte, für die die anhand des Satellitensignals abgeschätzte Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Fahrzeugs i an diesem Punkt einen Grenzwert übersteigt, wobei der Grenzwert für jede Ellipse so festgelegt ist, dass die über die gesamte Ellipse Si integrierte Aufenthaltswahrscheinlichkeit einen für alle Ellipsen gleichen Wert knapp unter 1 erreicht. Die Abmessungen der Ellipsen S1, S2, S3 sind somit umgekehrt proportional zur Qualität der Positionsschätzung.
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Im Falle des Fahrzeugs 1 überlappt die Ellipse S1 nicht mit dem Fahrzeug 1. Die geschätzte Position P1 ist also deutlich fehlerhaft, was auf Reflexion des Satellitensignals an einer Wand des Gebäudes 6 zurückzuführen sein kann.
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Benachbart zum Fahrzeug 1 befindet sich eine Referenzstation 7 am Straßenrand, die wie das Navigationssystem des Fahrzeugs 1 die Satellitensignale empfängt und auswertet und als Ergebnis eine Position P7 sowie als Maß für deren Zuverlässigkeit eine Ellipse S7 erhält. Die Ellipse S7 wird im Allgemeinen kleiner sein als die Ellipse S1, da die Referenzstation 7 unbewegt ist und daher durch lange Messzeiten bzw. Mitteln über wiederholte Messungen eine zuverlässigere Schätzung erreichen kann als das Navigationssystem des Fahrzeugs 1.
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Die Referenzstation 7 kennt ihre genaue geographische Position und kann diese mit der anhand des Satellitensignals abgeschätzten Position P7 vergleichen. Der Versatz zwischen geschätzter und wahrer Position der Referenzstation 7 ist ein Vektor D7.
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Die Referenzstation 7 strahlt ein Korrektursignal aus, in welchem der Vektor D7, die Qualität seiner Schätzung sowie die wahre geographische Position P7 der Referenzstation 7 codiert sind. Auf Seiten des Fahrzeugs 1 wird die Schätzung der eigenen Position auf Pc1 korrigiert, indem sie entsprechend dem Versatz D7 verschoben wird. Der auf Reflexion an der Gebäudefront zurückzuführende systematische Fehler ist nun behoben, und wie zu erwarten, überlappt die korrigierte Ellipse C1 mit dem Fahrzeug 1. Da zufällige Messfehler des Fahrzeugnavigationssystems und der Referenzstation 7 sich bei der korrigierten Positionsschätzung überlagern, kann die Genauigkeit der korrigierten Positionsschätzung Pc1 nicht besser sein als die der zugrundeliegenden Schätzungen von Fahrzeug 1 und Referenzstation 7; deswegen ist die Ellipse C1 etwas größer gezeichnet als S1.
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Im Falle des Fahrzeugs 2 ist die Qualität des Satellitensignals schlecht, zum Beispiel aufgrund ungünstiger Stellung oder geringer Zahl der empfangenen Satelliten, so dass die Ellipse S2 um P2, innerhalb derer sich das Fahrzeug 2 mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit befindet, groß ist. Auch hier befindet sich am Straßenrand eine Referenzstation 8, die ebenfalls eine Positionsabschätzung durchführt und dabei als Ergebnis die Position P8 mit der für die Messungenauigkeit repräsentativen Ellipse S8 bzw. einen Versatz D8 zwischen der geschätzten Position P8 und der wahren Position erhält.
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Wenn das Fahrzeug 2 das Korrektursignal der Referenzstation 8 empfängt und seine eigene geschätzte Position P2 um den Versatz D8 korrigiert, liegt das Ergebnis Pc2 immer noch innerhalb der Ellipse S2. Anders als im Fall des Fahrzeugs 1 gibt es also keinen Grund, einen systematischen Fehler der Positionsschätzung anzunehmen. Die korrigierte Schätzung kann zwar nicht zuverlässiger sein als die der Referenzstation 8, ist aber auf jeden Fall zuverlässiger als die ursprüngliche Abschätzung, deswegen ist die Ellipse C2 um Pc2, von der nun angenommen wird, dass die Position des Fahrzeugs mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit in ihr liegt, mindestens so groß wie S8, aber kleiner als S2.
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Das Fahrzeug 3 hat auf der beidseitig von Gebäuden 6 flankierten Straße 5 besonders schlechte Empfangsbedingungen mit schwachen Signalen, deswegen ist hier die Positionsschätzung mit besonderer Unsicherheit behaftet, und dementsprechend ist die Ellipse S3 um die geschätzte Position P3 herum besonders groß.
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Das Fahrzeug 1 ist mit einer Kamera oder einer Radareinrichtung ausgestattet, die es ihm ermöglicht, Objekte seiner Umgebung wie etwa die Referenzstation 7 zu erkennen und den Abstand zu ihnen vektoriell zu messen. Das Ergebnis einer solchen Messung ist der in 2 eingezeichnete, das Fahrzeug 1 und die Referenzstation 7 verbindende Vektor V1. Basierend auf diesem Vektor V1 und der im Korrektursignal der Referenzstation 7 codierten wahren Position der Referenzstation 7 ist das Navigationssystem des Fahrzeugs 1 in der Lage, seine Position mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu bestimmen, so dass das Ergebnis als wahrer Ort des Fahrzeugs 1 angenommen werden kann. Wenn sich das Fahrzeug 1 auf der Straße 4 weiterbewegt, benutzt es odometrische Informationen von Streckenzähler und Lenkung, um seinen wahren Ort kontinuierlich zu aktualisieren. Zwangsläufige Messungenauigkeiten der Odometrie führen dazu, dass die Zuverlässigkeit der Positionsinformation in dem Maße abnimmt, in dem sich das Fahrzeug 1 von der Referenzstation 7 entfernt, wie in 2 durch entlang des Weges des Fahrzeugs 1 über Positionen 1', 1'' allmählich größer werdende Ellipsen C1', C1'' veranschaulicht.
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Von Zeit zu Zeit, im hier betrachteten Fall am Ort 1'' kurz nach Einbiegen in die Straße 5, nimmt das Fahrzeug 1 erneut eine Positionsabschätzung anhand des Satellitensignals vor. Das Ergebnis der Abschätzung ist die Ellipse S1'', ihr Mittelpunkt ist gegenüber dem wahren Ort des Fahrzeugs im Zentrum der Ellipse C1'' durch den Vektor D1'' versetzt. Es kann daher angenommen werden, dass die Messungen am Ort 1'' eine systematische Abweichung D1'' aufweisen. Das Fahrzeug 1 emittiert daher in gleicher Weise wie die Referenzstationen 7, 8 ein Korrektursignal, das die als wahr angenommene Position des Fahrzeugs 1 im Zentrum von C1'', den Versatzvektor D1'' sowie die Abmessungen der Ellipse S1'' enthält.
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Basierend auf dem Empfang dieses Korrektursignals korrigiert das Fahrzeug 3 seine eigene Positionsschätzung, hier um D1'', und kann ihr dabei ein gegenüber S3 erheblich verbessertes Maß an Zuverlässigkeit zuordnen, wie in 2 durch die Ellipse C3 symbolisiert, deren Abmessungen zwischen denen der Ellipsen S3 und C1'' liegen. Mit anderen Worten profitiert das Fahrzeug 3 von der hochgenauen Lokalisierung, die das Fahrzeug 1 an der Referenzstation 7 hat vornehmen können, ohne dass es selber dafür in Kommunikation mit der Referenzstation 7 treten oder in deren Nähe gelangen müsste.
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Alternativ könnte das Fahrzeug 3 seine eigene Positionsschätzung auch um einen Vektor cD1'' korrigieren, wobei c eine skalare Größe zwischen 0 und 1 ist. Der genaue Zahlenwert von c hängt ab von der Verlässlichkeit der Positionen der Fahrzeuge 2 und 3, d. h. je kleiner die Ellipsen S1'', C1'' sind, und um so zuverlässiger folglich der Versatzvektor D1'' ist, und je größer S3 ist, um so näher an 1 ist c.
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Wenn das Fahrzeug 3, wie oben für das Fahrzeug 1 beschrieben, mit einer Kamera oder Radareinrichtung ausgestattet ist, die in der Lage ist, das vorbeifahrende Fahrzeug 1 zu identifizieren, dann kann mit Hilfe dieser Kamera oder Radareinrichtung auch ein Abstandsvektor V3 zwischen den Fahrzeugen 1 und 3 ermittelt werden, und das Fahrzeug 3 ist in der Lage, die im Korrektursignal enthaltene wahre Position des Fahrzeugs 1 zu nutzen, in dem es seine eigene Position durch Hinzuaddieren des Vektors V3 zur Position des Fahrzeugs 1 berechnet.
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Wenn später das Fahrzeug 3 auf die Straße 4 einbiegt, kommt es alsbald dem Fahrzeug 2 entgegen, wie in 3 gezeigt. Beide Fahrzeuge haben seit dem Informationsaustausch mit dem Fahrzeug 1 bzw. mit der Referenzstation 8 ihre eigene wahre Position, jeweils im Zentrum der Ellipsen C2', C3', anhand odometrischer Daten fortgeschrieben und sind somit in der Lage, einen aktuellen Versatz D3' bzw. D2' zwischen der fortgeschriebenen wahren Position und der anhand der Satellitensignale abgeschätzten Position, jeweils im Zentrum der Ellipsen S2', S3', zu bestimmen und im Rahmen eines Korrektursignals an das jeweils andere Fahrzeug zu übermitteln. Da die Versatzvektoren D2', D3' auf unterschiedlichen Wegen zustande gekommen sind, ist im Falle einer Übereinstimmung die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sie richtig sind. Im Fall der 3 besteht eine brauchbare Übereinstimmung sowohl im Betrag als auch in der Richtung der Vektoren D2', D3', so dass beide Fahrzeuge ihren wahren Positionen ein höheres Maß an Zuverlässigkeit zuordnen können, in 3 veranschaulicht durch eine Verkleinerung der Ellipsen C2', C3' zu C'2' bzw. C'3'.
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In der in 4 dargestellten Variante bilden die beiden Fahrzeuge jeweils einen gewichteten Mittelwert D der beiden Versatzvektoren D2', D3'. Das Gewicht, mit dem jeder Versatzvektor D2', D3' in die Mittelwertbildung eingeht, ist proportional zu dessen Verlässlichkeit, z. B. umgekehrt proportional zur Fläche der Ellipsen S2' und C2' bzw. S3' und C3'. Als wahre Positionen der Fahrzeuge 2, 3 werden nun diejenigen Positionen angenommen, die sich durch vektorielles Addieren des Versatzvektors D zu den anhand der Satellitensignale abgeschätzten Positionen im Zentrum der Ellipsen S2', S3' ergeben.
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Indem in dichtem Verkehr viele Fahrzeug untereinander in der beschriebenen Weise Korrektursignale austauschen, ist ein hohes Maß an Konsens über den Versatz zwischen anhand des Satellitensignals geschätzter und wahrer Position auf einem gegebenen Straßenstück erreichbar, was vorteilhafterweise gerade bei hoher Verkehrsdichte den Fahrzeugen ermöglicht, mit hoher Genauigkeit relativ zueinander automatisch zu navigieren.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Fahrzeug
- 4
- Straße
- 5
- Straße
- 6
- Gebäude
- 7
- Referenzstation
- 8
- Referenzstation
- Pi
- geschätzte Position
- Pci
- korrigierte Position
- Si
- geschätzte Ellipse
- Ci
- korrigierte Ellipse
- Di
- Versatz
