DE112010001235T5

DE112010001235T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern einer GPS-Empfängergenauigkeit unter Verwendung einer eingebetteten Kartendatenbank

Info

Publication number: DE112010001235T5
Application number: DE112010001235T
Authority: DE
Inventors: Srdjan Miocinovic; Mahesh Chowdhary
Original assignee: CSR Technology Holdings Inc
Current assignee: CSR Technology Holdings Inc
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2012-07-05
Also published as: GB2479851A; GB201114873D0; WO2010111118A1; US20110241935A1; GB2479851B

Abstract

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Ortspositionsbestimmungssysteme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erreichen von Genauigkeitsverbesserungen von Navigationslösungen eines GPS-Empfängers. Gemäß einem ersten Aspekt sind Kartografieinformationen von einer Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, in den Positionsberechnungen, die durch den GPS-Empfänger durchgeführt werden, integriert. Gemäß einem anderen Aspekt ist die Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, für den Zweck eines Verbesserns der Genauigkeit der Positionsberechnungen des GPS-Empfängers optimiert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 12/409,315, eingereicht am 23. März 2009, mit dem Titel „Method and Apparatus für Improving GPS Receiver Accuracy Using an Embedded Map Database”, wobei die Gesamtheit der Anmeldung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ortspositionsbestimmungssysteme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern von Navigationslösungen durch Empfänger bei Satellitenpositionsbestimmungssystemen, wie z. B. GPS-Systemen, durch Verwenden einer eingebetteten Kartendatenbank.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Durch die Entwicklung von Funk- und Weltraumtechnologien wurden bereits mehrere auf Satelliten basierende Navigationssysteme (z. B. ein Satellitenpositionsbestimmungssystem oder „SPS”) gebaut, und in der nahen Zukunft werden mehr davon in Verwendung sein. SPS-Empfänger, wie z. B. Empfänger, die das globale Positionsbestimmungssystem („GPS”; GPS = Global Positioning System) verwenden, das ferner als NAVSTAR bekannt ist, sind alltäglich geworden. Andere Beispiele von SPS-Systemen umfassen das United States („US”) Navy Navigation Satellite System („NNSS”) (das ferner als TRANSIT bekannt ist), LORAN, Shoran, Decca, TACAN, NAVSTAR, das russische Gegenstück zu NAVSTAR, das als das globale Navigationssatellitensystem („GLONASS”; GLONASS = Global Navagiation Satellite System) bekannt ist, und jedes zukünftige westeuropäische SPS, wie z. B. das vorgeschlagene „Galileo-”Programm, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Als ein Beispiel ist das US-NAVSTAR-GPS-System in GPS Theory and Practice, fünfte Ausgabe, durch Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger und Collins überarbeitete Auflage, Springer-Verlag Wien New York, 2001, beschrieben, das hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
Das US-GPS-System wurde durch das Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (engl. United States Department of Defense) gebaut und wird von diesem betrieben. Das System verwendet vierundzwanzig oder mehr Satelliten, die die Erde in einer Höhe von etwa 17.703 km (= 11.000 Meilen) mit einer Periode von etwa zwölf Stunden umkreisen. Diese Satelliten sind auf sechs unterschiedlichen Umlaufbahnen platziert, derart, dass zu jeder Zeit ein Minimum von sechs Satelliten an jedem Ort auf der Oberfläche der Erde, außer in der Polarregion, sichtbar ist. Jeder Satellit sendet ein Zeit- und Positionssignal, das auf eine Atomuhr bezogen ist. Ein typischer GPS-Empfänger verriegelt sich mit diesem Signal und extrahiert die Daten, die in demselben enthalten sind. Unter Verwendung von Signalen von einer ausreichenden Zahl von Satelliten kann ein GPS-Empfänger seine Position, Geschwindigkeit, Höhe und Zeit berechnen.
In Umgebungen, in denen Satellitensignale jedoch verschlechtert bzw. beeinträchtigt werden, stößt ein GPS-Empfänger häufig auf Probleme beim Verriegeln mit den Signalen, die für die Berechnung der Position, Geschwindigkeit, Höhe, und Zeit benötigt werden. In einer verschlechterten Signalumgebung (z. B. einer Signalumgebung, in der die Signalstärke unterhalb von 28 dBHz ist) können Satellitensignale schwach sein, oder es kann für GPS-Empfänger anders schwierig sein, sich mit denselben zu verriegeln. Ein Beispiel einer verschlechterten Signalumgebung ist ein Tunnel, durch den ein Wagen, der mit einem GPS-Empfänger ausgestattet ist, fährt. Während der GPS-Empfänger in dem Tunnel ist, werden die Satellitensignale vollständig versperrt und es kann keine Verriegelung erlangt werden. Als ein Resultat kann der GPS-Empfänger seine Position und andere Navigationsdaten (wie z. B. eine Geschwindigkeit, Höhe und Zeit) nicht genau kalkulieren, während der Wagen in dem Tunnel ist. Da zusätzlich GPS-Empfänger typischerweise Positionsbestimmungsalgorithmen nutzen, die Navigationsfilter verwenden, die die letzten bekannten Positionen der GPS-Empfänger berücksichtigen, kann die Positionsberechnung des GPS-Empfängers ebenfalls weniger genau sein, wenn der Wagen aus dem Tunnel herauskommt, da genaue Positionsberechnungen während der Zeit, während der der Wagen in dem Tunnel war, nicht durchgeführt wurden.
Auf verschlechterte Signalumgebungen stößt man oftmals in Stadtbereichen, wie z. B. Städten mit vielen hohen Gebäuden. Eine Stadt mit vielen hohen Gebäuden enthält „Stadtschluchten”, die Umgebungen sind, in denen Straßen durch dichte Blöcke von Strukturen, wie z. B. Wolkenkratzern, schneiden. In Stadtschluchten sind Satellitensignale häufig nicht sichtbar oder aufgrund der Signale, die teilweise oder vollständig durch beispielsweise Gebäude blockiert werden, verschlechtert bzw. beeinträchtigt. Das Problem von ungenauen Positionsberechnungen durch GPS-Empfänger in verschlechterten Signalumgebungen ist folglich in Stadtbereichen besonders akut.
Eine Weise, um die Genauigkeit einer kalkulierten GPS-Position zu verbessern, besteht darin, Genauigkeitsverbesserungen mit der Unterstützung einer Kartendatenbank vorzunehmen. Persönliche Navigationsvorrichtungen (PND; PND = personal navigation device), wie z. B. dieselben, die von Garmin und anderen Herstellern verfügbar sind, weisen typischerweise umfassende Kartendatenbanken auf, die ganze Länder oder Region abdecken, um unter anderem Echtzeitpositionsanzeigen und Abbiegungs-zu-Abbiegungs-Anweisungen zu liefern. Einige Versuche wurden unternommen, um in Echtzeit Informationen aus dieser Kartenbank zurück zu dem GPS-Empfänger zu liefern, um die Navigationslösung des Empfängers zu unterstützen. Dies war jedoch aufgrund der Verzögerungen, die mit den Kommunikationsvorgängen zwischen dem Empfänger und anderen PND-Komponenten einhergehen, schwierig zu implementieren. Dafür, dass beispielsweise Informationen von der Kartendatenbank die Positionskalkulationen unterstützen, muss eine Rückkopplung von der Kartendatenbank innerhalb der Zeitschwelle für den nächsten Zyklus einer Berechnung (üblicherweiser innerhalb 250 ms oder weniger für eine GPS-Positionsaktualisierungsrate von einer Aktualisierung pro Sekunde) verfügbar sein. Ein anderes Problem dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass die Genauigkeitsverbesserungen begrenzt sind, da die Genauigkeitsverbesserungen lediglich durchgeführt werden, nachdem die GPS-Position bereits kalkuliert wurde. Eine allgemeine Anwendungsprogrammierungsschnittstelle (API; API = Application Programming Interface) zum Liefern einer Kartendatenbankrückkopplung zu Positionsberechnungsalgorithmen muss durch die verschiedenen Hersteller von Navigationssystemen und durch Kartendatenbankverkäufer zusätzlich unterstützt werden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erreichen besserer Genauigkeitsverbesserungen bei Positionsberechnungen eines GPS-Empfängers in verschlechterten Signalumgebungen bleiben dementsprechend wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ortspositionsbestimmungssysteme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erreichen von Genauigkeitsverbesserungen bei Navigationsberechnungen eines GPS-Empfängers. Gemäß einem ersten Aspekt sind Kartografieinformationen von einer Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, in den Navigationskalkulationen, die durch den GPS-Emfpänger durchgeführt werden, integriert. Bei diesem ersten Aspekt werden Kartografieinformationen von der eingebetteten Kartendatenbank verwendet, um einen Parameter oder Parameter eines Navigationsfilters bei einem Positionsbestimmungsalgorithmus, der durch den GPS-Empfänger verwendet ist, anzupassen. Gemäß einem anderen Aspekt ist die Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, auf eine Größe, die kleiner als dieselbe einer typischen Kartendatenbank bei einer persönlichen Navigationsvorrichtung (PND; PND = Personal Navigation Device) ist, auf eine Art und Weise reduziert, die für den Zweck eines Verbesserns der Genauigkeit der Navigationskalkulationen des GPS-Empfängers optimiert ist.
Zur Förderung dieser und anderer Aspekte weist ein exemplarisches Verfahren zum Reduzieren der Größe einer Kartendatenbank zum Einbetten in einem GPS-Empfänger ein Reduzieren oder Ausschließen von Kartografieinformationen aus der Kartendatenbank für geografische Regionen auf, die als nicht verschlechterte Signalumgebungen enthaltend bestimmt wurden. Andere Verfahren zum Reduzieren der Größe einer Kartendatenbank weisen ein Reduzieren oder Ausschließen von Kartografieinformationen für geografische Regionen, die keine Stadtbereiche sind, und ein Reduzieren oder Ausschließen von Kartendatenbankelementen und/oder Kartendatenbankattributen, die die Bestimmung der Position des GPS-Empfängers nicht erleichtern, auf.
Zur zusätzlichen Förderung der vorhergehenden und anderer Aspekte weist ein exemplarisches Verfahren zum Verwenden von Kartografieinformationen von der eingebetteten Kartendatenbank in einem GPS-Empfänger, um ein Navigationsfilter anzupassen, ein Erhalten von Ortsdaten, die aus Satellitensignalen, die durch den GPS-Empfänger empfangen werden, abgeleitet werden, ein Verwenden der eingebetteten Kartendatenbank, um ein übereinstimmendes Straßensegment für die Ortsdaten zu finden, und dann ein Verwenden von Informationen über das übereinstimmende Straßensegment, um das Navigationsfilter anzupassen, auf. Ein exemplarisches Verfahren zum Verwenden der eingebetteten Kartendatenbank, um ein übereinstimmendes Straßensegment für einen Ort, der aus Satellitensignalen abgeleitet wird, zu finden, weist ein Bestimmen einer Konfidenzregion basierend auf den Ortsdaten, ein Extrahieren von Straßensegmenten in der Konfidenzregion und ein Bewerten der extrahierten Straßensegmente auf, um ein übereinstimmendes Straßensegment, das das Straßensegment ist, das die beste Übereinstimmung für die Ortsdaten hat, auszuwählen. Ein exemplarisches Verfahren zum Verwenden von Informationen über das übereinstimmende Straßensegment, um ein Navigationsfilter anzupassen, besteht darin, den Kurs des übereinstimmenden Straßensegments zu verwenden, um das Navigationsfilter zu aktualisieren. Ein anderes Verfahren besteht darin, eine übereinstimmende Position in dem übereinstimmenden Straßensegment abzuleiten und das Navigationsfilter basierend auf der übereinstimmenden Position zu aktualisieren. Ein noch anderes Verfahren weist ein Erfassen, dass der GPS-Empfänger an einer Kreuzung ist, und ein Aktualisieren des Navigationsfilters durch den Ort der Kreuzung auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind Fachleuten nach einer Durchsicht der folgenden Beschreibung von spezifischen Ausführungsbeispielen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer Beispielimplementation von Prinzipien der Erfindung;
2 ein Flussdiagramm, das ein Beispielverfahren zum in Übereinstimmung Bringen eines Orts mit einem Straßensegment, das gemäß Aspekten der Erfindung durchgeführt werden kann, darstellt; und
3A und 3B ein Flussdiagramm, das ein Beispielverfahren zum Auswählen eines übereinstimmenden Straßensegments, das gemäß Aspekten der Erfindung durchgeführt werden kann, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Erfindung ist nun im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die als darstellende Beispiele der Erfindung geliefert sind, um Fachleute zu befähigen, die Erfindung zu praktizieren. Es sei bemerkt, dass die folgenden Fig. und Beispiele nicht gedacht sind, um den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung auf ein einzelnes Ausführungsbeispiel zu begrenzen, sondern andere Ausführungsbeispiele mittels eines Austauschs von einigen oder allen der beschriebenen oder dargestellten Elemente möglich sind. Dort, wo bestimmte Elemente der vorliegenden Erfindung teilweise oder vollständig unter Verwendung von bekannten Komponenten implementiert werden können, sind außerdem lediglich jene Abschnitte von solchen bekannten Komponenten beschrieben, die für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig sind, und detaillierte Beschreibungen von anderen Abschnitten von solchen bekannten Komponenten sind weggelassen, um die Erfindung nicht unklar zu machen. Ausführungsbeispiele, die als in Software implementiert beschrieben sind, sollen nicht darauf begrenzt sein, können jedoch Ausführungsbeispiele, die in Hardware implementiert sind, oder Kombinationen von Software und Hardware und umgekehrt aufweisen, wie es für Fachleute offensichtlich ist, es sei denn, dass es hierin anders spezifiziert ist. In der vorliegenden Beschreibung sollte ein Ausführungsbeispiel, das eine einzelne Komponente zeigt, nicht als begrenzend aufgefasst werden; die Erfindung soll vielmehr andere Ausführungsbeispiele, die eine Mehrzahl der gleichen Komponente und umgekehrt aufweisen, umfassen, es sei denn, dass es hierin ausdrücklich anders erwähnt ist. Außerdem beabsichtigen es die Anmelder nicht, dass einem Ausdruck in der Beschreibung oder den Ansprüchen eine nicht übliche oder spezielle Bedeutung zugeschrieben ist, es sei denn, dass es als solches ausdrücklich dargelegt ist. Die vorliegende Erfindung umfasst gegenwärtige und zukünftige bekannte Äquivalente der bekannten Komponenten, auf die hierin mittels einer Darstellung Bezug genommen ist.
1 stellt eine Beispielimplementation von Ausführungsbeispielen der Erfindung dar. Wie in 1 gezeigt ist, übertragen GPS-Satelliten (das heißt SV) 114, 116, 118 und 120 Signale 106, 108, 110 bzw. 112, die durch einen Empfänger 122 in einem Handgerät 102, dass ich bei einer Benutzerposition irgendwo relativ nahe der Oberfläche 104 der Erde befindet, empfangen werden.
Das Handgerät 102 kann eine persönliche Navigationsvorrichtung (PND (= personal navigation device), z. B. von Garmin, TomTom etc.) sein oder kann ein Mobilfunktelefon oder ein Telefon eines anderen Typs mit einer eingebauten GPS-Funktionalität oder eine GPS-Vorrichtung, die in Nachverfolgungsanwendungen (z. B. einer Kraftfahrzeugnachverfolgung von Trimble, einer Paket- oder Flottenverwaltungsnachverfolgung von FedEx, Kindlokalisierer-Nachverfolgungsanwendungen) eingebettet ist, sein.
Der Empfänger 122 kann unter Verwendung einer Kombination von Hardware und/oder Software, einschließlich GPS-Chipsätzen, wie z. B. SiRFstarIII GSD3tw oder SiRFstar GSC3e von SiRF Technology und BCM4750 der Broadcom Corp., angepasst und/oder ergänzt mit einer Funktionalität gemäß der vorliegenden Erfindung und hierin im stärkeren Detail beschrieben, implementiert sein. Fachleute werden genauer gesagt fähig sein, zu verstehen, wie die vorliegende Erfindung durch Anpassen und/oder Ergänzen solcher Chipsätze und/oder Software mit den Navigationslösungsverbesserungsverfahren der vorliegenden Erfindung zu implementieren ist, nachdem diese durch die vorliegende Beschreibung belehrt wurden.
Im Gegensatz zu Lösungsansätzen, bei denen Genauigkeitsverbesserungen erreicht werden, nachdem die GPS-Position bereits berechnet wurde, erkennen die vorliegenden Erfinder, dass bessere Genauigkeitsverbesserungen erreicht werden können, wenn Kartografieinformationen von einer Kartendatenbank ohne Weiteres für die Positionsberechnungsfunktion innerhalb des GPS-Empfängers verfügbar sind. Kartografieinformationen von der Kartendatenbank können genauer gesagt mit dem Navigationsfilter in dem Positionsbestimmungsalgorithmus, der durch den GPS-Empfänger verwendet ist, um seine Position zu berechnen, integriert sein. Typische Kartendatenbanken befinden sich jedoch außerhalb der GPS-Empfänger, und es ist derzeit nicht machbar, dass ein GPS-Empfänger auf eine externe Kartendatenbank mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zugreift, um die Kartografieinformationen der externen Kartendatenbank zu nutzen, um Genauigkeitsverbesserungen auf eine Art und Weise zu erreichen, die mit dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers integriert ist.
Um bessere Genauigkeitsverbesserungen durch Integrieren von Kartografieinformationen von einer Kartendatenbank in einem Positionsbestimmungsalgorithmus eines GPS-Empfängers zu erzielen, ist die Kartendatenbank innerhalb des GPS-Empfängers selbst eingebettet. Auf eine eingebettete Kartendatenbank kann schnell und effizient durch den GPS-Empfänger zugegriffen werden, sodass Kartografieinformationen bei Echtzeitpositionsberechnungen, die durch den GPS-Empfänger durchgeführt werden, verwendet werden können. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die eingebettete Kartendatenbank in einem nicht flüchtigen (z. B. Flash-)Speicher, auf den durch den GPS-Empfänger ohne Weiteres zugegriffen werden kann, gespeichert. Bei einem andren Ausführungsbeispiel ist die eingebettete Kartendatenbank in einem Speicher im Chip in dem gleichen Chip wie der GPS-Empfänger gespeichert. Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung auf einem Host-Prozessor eingerichtet, die einen Zugriff auf die Kartendatenbank hat, um einen kleinen Abschnitt der Kartendatenbank periodisch zu dem Empfänger zu senden. Die Abschnitte der Kartendatenbank, die zu dem Empfänger gesendet werden, enthalten relevante Kartografieinformationen für Straßensegmente in der Nachbarschaft der derzeitigen Position des Empfängers und sind durch den Empfänger auf eine ähnliche Art und Weise verwendet, wie Informationen von anderen eingebetteten Kartendatenbanken verwendet sind, die im Detail im Folgenden beschrieben sind.
Auf Kartografieinformationen aus der eingebetteten Kartendatenbank wird zugegriffen und dieselben werden bei einem Positionsbestimmungsalgorithmus eine UPS-Empfängers bei der Kalkulation der Position und der Geschwindigkeit des GPS-Emfpängers verwendet. Kartografieinformationen aus der eingebetteten Kartendatenbank sind genauer gesagt mit dem Navigationsfilter in dem Positionsbestimmungsalgorithmus integriert. Ein Parameter oder mehrere Parameter des Navigationsfilters werden basierend auf Kartografieinformationen von der eingebetteten Kartendatenbank angepasst. Die Position des GPS-Empfängers wird dann unter Verwendung des Navigationsfilters mit den angepassten Parametern berechnet. Die Genauigkeit der Positionsberechnung des GPS-Empfängers wird durch Anpassungen, die an dem Navigationsfilter vorgenommen werden, verbessert, da die vorgenommenen Anpassungen auf Kartografieinformationen basieren, die zusätzlich zu den Informationen des GPS-Empfängers sind, die aus empfangenen Satellitensignalen extrahiert werden. Auf diese Art und Weise kann selbst in verschlechterten Signalumgebungen, in denen Satellitensignale schwach sind oder sonst Informationen daraus schwer zu extrahieren sind, die Position eines GPS-Empfängers genauer bestimmt werden.
Weitere Details hinsichtlich eines Integrierens von Kartografieinformationen von einer eingebetteten Kartendatenbank in einem Navigationsfilter bei einem Positionsbestimmungsalgorithmus eines GPS-Empfängers sind im stärkeren Detail im Folgenden beschrieben.
Die eingebettete Kartendatenbank enthält Kartografieinformationen, die Informationen aufweisen, die Straßennetze und zugeordnete Attribute definieren. Solche Kartografieinformationen sind ferner typischerweise in Kartendatenbanken in persönlichen Navigationsvorrichtungen (PND) enthalten, bei denen die Kartendatenbanken außerhalb der GPS-Empfänger in den PND sind. Kartendatenbanken bei PND enthalten jedoch allgemein detaillierte Kartografieinformationen für Regionen, die ein Land oder einen Kontinent überspannen, und sind folglich hinsichtlich der Größe sehr groß (mindestens mehrere Gigabyte). Es kann unpraktisch und ineffizient sein, solche großen Kartendatenbanken massenhaft in einem GPS-Empfänger für den Zweck eines Verbesserns der Genauigkeit der Positionskalkulationen des GPS-Empfängers einzubetten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist daher die Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, auf eine kleinere Größe als dieselbe einer typischen Kartendatenbank bei einer PND auf eine Art und Weise reduziert, die für den Zweck eines Verbesserns der Genauigkeit der Positionsberechnungen des GPS-Empfängers optimiert ist.
Bei Ausführungsbeispielen enthält eine Kartendatenbank, die in einem GPS-Empfänger eingebettet ist, Kartografieinformationen für geografische Regionen, die wahrscheinlich verschlechterte Signalumgebungen enthalten. In einer verschlechterten Signalumgebung sind Satellitensignale schwach oder es ist sonst schwierig, für eine Verwendung durch GPS-Empfänger Informationen daraus zu extrahieren. Für welche geografischen Regionen es wahrscheinlich ist, dass dieselben verschlechterte Signalumgebungen enthalten, kann im Voraus bestimmt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die eingebettete Kartendatenbank wenig oder keine Kartografieinformationen über andere geografische Regionen als die geografischen Regionen enthalten, die als wahrscheinlich bestimmt wurden, verschlechterte Signalumgebungen zu enthalten, wodurch die Größe der eingebetteten Kartendatenbank reduziert ist. Da Stadtbereiche aufgrund eng gelegener und oftmals hoher Gebäuden in Stadtbereichen wahrscheinlich eine verschlechterte Signalumgebung enthalten, kann die eingebettete Kartendatenbank lediglich für Stadtbereiche Kartografieinformationen enthalten. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die eingebettete Kartendatenbank Kartografieinformationen von lediglich einer bestimmten Zahl von Stadtbereichen. Die eingebettete Kartendatenbank kann beispielsweise lediglich Kartografieinformationen für die obersten fünfzig Großstadtbereiche in den Vereinigten Staaten enthalten.
Bei Ausführungsbeispielen enthält eine Kartendatenbank, die in einem GPS-Empfänger eingebettet ist, Kartografieinformationen, die die Bestimmung der Position des GPS-Empfängers erleichtern. Eine Kartendatenbank enthält Kartografieinformationen, die Informationen aufweisen, die Straßennetze und zugeordnete Attribute definieren. Eine Kartendatenbank kann beispielsweise Elemente, wie z. B. einen Knoten (Kreuzungspunkt oder Endpunkt eines Straßensegments), ein Segment (ein Stück eines Straßensegments zwischen zwei Knoten, das verwendet ist, um Fragmente einer Fahrbahn darzustellen), einen Formpunkt (eine geordnete Sammlung von Punkten, die einen gekrümmten Abschnitt eines Straßensegments kartiert bzw. abbildet, wobei die Punkte durch aufeinanderfolgende Segmente von geraden Linien verbunden sind) und eine dreidimensionale Struktur (eine Struktur, die ein von Menschen geschaffenes Objekt, wie z. B. ein Gebäude oder eine Brücke darstellt), enthalten. Ein Kartendatenbankelement kann ferner einem Attribut(en) in einem Datensatz zugeordnet sein. Ein typischer Datensatz für ein Knotenelement enthält beispielsweise Attribute Knoten-ID, geografische Breite, geografische Länge und Verbindungsmöglichkeit. Ein Datensatz für einen Segmentdatensatz kann die Attribute Segment-ID, linker Knoten, rechter Knoten, Länge, Formpunkte, Richtungsabhängigkeit, Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung, Befahrbarkeit und Stadtname enthalten.
Je größer die Zahl von Elementen ist, die in der eingebetteten Datenbank enthalten ist, desto größer ist die Größe der Kartendatenbank. Je größer ähnlicherweise die Zahl von Attributen ist, die Elementen zugeordnet sind, die in der eingebetteten Kartendatenbank enthalten sind, desto größer ist die Größe der Kartendatenbank. Daher kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die eingebettete Kartendatenbank weniger oder keine anderen Elemente als die Elemente enthalten, die verwendet werden können, um die Bestimmung der Position des GPS-Empfängers zu erleichtern, wodurch die Größe der eingebetteten Kartendatenbank reduziert ist. Ein Kartendatenbankelement, das ein Gebäude darstellt, kann beispielsweise zum Bestimmen einer Position eines GPS-Empfängers nicht nützlich sein. Dreidimensionale Strukturelemente für Gebäude können dementsprechend von einem Einschluss in einer eingebetteten Kartendatenbank ausgeschlossen sein. Bei einem ähnlichen Lösungsansatz kann die eingebettete Kartendatenbank für die Elemente in der eingebetteten Kartendatenbank wenige oder keine anderen Attribute als dieselben enthalten, die verwendet werden können, um die Bestimmung der Position des GPS-Empfängers zu erleichtern. Ein Fahrgeschwindigkeitsbegrenzungsattribut für ein Segmentelement kann beispielsweise für Positionsbestimmungen nicht nützlich sein und kann daher vor einem Einschluss in der eingebetteten Kartendatenbank ausgeschlossen sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind Kartografieinformationen von einer eingebetteten Kartendatenbank eines GPS-Empfängers mit dem Navigationsfilter, das bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers verwendet wird, durch einen Schritt eines in Übereinstimmung Bringens von Ortsdaten, die aus Satellitensignalen, die durch den GPS-Empfänger empfangen werden, abgeleitet werden, mit einem übereinstimmenden Straßensegment in der eingebetteten Kartendatenbank integriert. Bei diesem Schritt erhält der GPS-Empfänger zuerst Ortsdaten, die aus empfangenen Satellitensignalen abgeleitet werden, und bringt dann durch Verwenden der Kartografieinformationen, die in der eingebetteten Kartendatenbank enthalten sind, die Ortsdaten mit einem „übereinstimmenden” Straßensegment in Übereinstimmung. Dieses Verfahren eines Kartierens bzw. Abbildens von Ortsdaten auf ein Straßensegment ist ferner als ein „in Übereinstimmung Bringen einer Karte” bekannt, und die detaillierten Schritte eines Beispiels eines Verfahrens eines in Übereinstimmung Bringens einer Karte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einem Flussdiagramm 200 in 2 dargestellt und im Folgenden beschrieben.
Sobald ein in Übereinstimmung Bringen einer Karte durchgeführt wurde und ein übereinstimmendes Straßensegment identifiziert wurde, kann das übereinstimmende Straßensegment bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers verwendet werden. Informationen über das übereinstimmende Straßensegment können genauer gesagt verwendet werden, um einen Parameter oder Parameter eines Navigationsfilters, das bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus verwendet ist, anzupassen. Die Details hinsichtlich dessen, wie das übereinstimmende Straßensegment verwendet werden kann, um die Parameter eines Navigationsfilters anzupassen, sind nach den Beschreibungen eines Verfahrens eines in Übereinstimmung Bringens einer Karte im Folgenden vollständiger dargelegt.
Die folgende Erörterung beschreibt im stärkeren Detail jeden der Schritte des in Übereinstimmung Bringens einer Karte, die in dem Flussdiagramm 200 dargestellt sind. Es sei bemerkt, dass andere Lösungsansätze zum Durchführen einer Funktion eines in Übereinstimmung Bringens einer Karte neben dem Lösungsansatz, der in dem Flussdiagramm 200 gezeigt ist, Fachleuten offensichtlich werden, nachdem diese durch die vorliegende Offenbarung belehrt wurden. Diese können ebenfalls genutzt sein, und die Erfindung ist nicht auf ein spezifisches Verfahren eines in Übereinstimmung Bringens einer Karte begrenzt.
Wie in 2 gezeigt ist, erhält bei einem Schritt 202 der GPS-Empfänger Ortsdaten, die aus empfangenen Satellitensignalen abgeleitet werden. Die Ableitung von Ortsdaten kann unter Verwendung des Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers, ohne auf Kartografieinformationen, die in der eingebetteten Kartendatenbank enthalten sind, zuzugreifen, oder irgendwelcher anderer Lösungsansätze zum Ableiten von Ortsdaten aus empfangenen Satellitensignalen, wie z. B. Algorithmen, die das Kalman-Filter und/oder das Verfahren der kleinsten Quadrate nutzen (das Verfahren der kleinsten Quadrate kann ferner verwendet sein, um ein Kalman-Filter zu initialisieren), durchgeführt werden. Für eine Erleichterung der Bezugnahme ist auf den Ort, der durch die Ortsdaten, die aus empfangenen Satellitensignalen abgeleitet werden, angegeben ist, im Folgenden ferner als „der nicht korrigierte Anfangsort” Bezug genommen. Der GPS-Empfänger kann optional bestimmen, oh der nicht korrigierte Anfangsort innerhalb einer geografischen Region liegt, für die die eingebettete Datenbank Kartografieinformationen enthält, und die verbleibenden Schritte des Verfahrens eines in Übereinstimmung Bringens einer Karte, das in 2 gezeigt ist, (d. h. Schritte 204 und folgende) lediglich durchführen, wenn bestimmt wird, dass der nicht korrigierte Anfangsort tatsächlich innerhalb einer geografischen Region liegt, für die die eingebettete Datenbank Kartografieinformationen enthält.
Sobald der nicht korrigierte Anfangsort erhalten wurde, kann eine Konfidenzregion berechnet werden (Schritt 204). Bei Ausführungsbeispielen ist eine Konfidenzregion eine Region, innerhalb der die tatsächliche Position des GPS-Empfängers liegt. Ein Konfidenzregion ist ferner einem Konfidenzniveau zugeordnet, das das Niveau einer Sicherheit der Konfidenzregion angibt. Ein Konfidenzniveau von 98% gibt beispielsweise an, dass es eine Wahrscheinlichkeit von 89% gibt, dass die tatsächliche Position des GPS-Empfängers in der zugeordneten Konfidenzregion liegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Konfidenzregion für den nicht korrigierten Anfangsort basierend auf den Parametern eines Kalman-Filters, das bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers verwendet ist, berechnet. Das Kalman-Filter erzeugt eine PVT-(Position, Geschwindigkeit und Zeit (= Position, Velocity and Time)Lösung und zugeordnete Fehlerausdrücke. Verschiedene Implementationen eines Kalman-Filters für GPS-Empfänger können in M. Grewal et al., „Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration", (2001), gefunden werden, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist. Die Messungsgleichung für dieses Kalman-Filter kann wie folgt geschrieben werden. Y = H·X, wobei Y der bekannte Vektor von Messungen ist, und X ein Zustandsvektor ist. Die Adjunktenmatrix P, wobei P = (H^TH)^–1, kann wie folgt geschrieben werden.
Wobei σ² _x, σ² _y, σ² _z die Varianzen sind, die den X-, Y-, Z-Positionen entsprechen, und σ_xy, σ_yz, σ_xz, etc. die Kovarianzen sind. Diese Varianz- und Kovarianzausdrücke werden durch das Kalman-Filter für jede PVT-Lösung mit einer Rate von 1 Hz erzeugt und können verwendet werden, um eine Fehlerellipse zu berechnen, die die Konfidenzregion zeichnet.
Die Fehlerellipse in einer zweidimensionalen horizontalen Ebene kann aus
abgeleitet werden, wobei a und b die Längen der großen bzw. der kleinen Halbachse der Fehlerellipse sind, ϕ der Winkel zwischen der großen Halbachse hinsichtlich Norden ist, und w der Gewichtungsfaktor ist, der sich auf das Konfidenzniveau der Konfidenzregion, die durch die Fehlerellipse umzeichnet ist, bezieht. Wenn eine Normalverteilung für Messungsfehler angenommen wird, dann entspricht eine Fehlerellipse mit einem Gewichtungsfaktor w = 1 einem Konfidenzniveau von 39%, und w = 3,03 würde einem Konfidenzniveau von 99% entsprechen. Sowie das Gewicht der Konfidenzregion w variiert, variiert entsprechend die Zahl von Straßensegmenten, die für die Suche eines in Übereinstimmung Bringens der Karte betrachtet würden. Ein größeres w gibt an, dass der Ort mit einer wesentlich höheren Konfidenz bekannt ist, gibt jedoch ferner an, dass die Konfidenzregion hinsichtlich der Größe größer ist und daher eine größere Zahl von Straßensegmenten aufweisen würde, die bei der Suche eines in Übereinstimmung Bringens der Karte bewertet werden müssten.
Sobald die Fehlerellipse berechnet ist, kann dieselbe den Kartografieinformationen, die in der eingebetteten Kartendatenbank gespeichert sind, „überlagert” werden, um die Konfidenzregion abzuleiten. Da diese Konfidenzregion durch eine Ellipse umzeichnet ist, ist die Konfidenzregion ebenfalls elliptisch. Mit elliptischen Konfidenzregionen kann es schwierig sein, zu arbeiten, sodass gemäß einem anderen Lösungsansatz rechtwinklige Konfidenzregionen berechnet werden. 4 zeigt eine elliptische Fehlerellipse 402 mit einer großen Halbachse 404 und einer kleinen Halbachse 406. Wie in 4 gezeigt ist, ist a die Länge der großen Halbachse 404, und b ist Länge der kleinen Halbachse 406. Ein Winkel ϕ ist die Ausrichtung der großen Halbachse 404 hinsichtlich der Nordachse 408. Bei einem Lösungsansatz wird die rechtwinklige Konfidenzregion 410 (mit einer Länge 2a und einer Breite 2b) bestimmt, um der elliptischen Konfidenzregion 402 zu entsprechen. Andere Verfahren können verwendet sein, um die Eckpunkte einer entsprechenden rechtwinkligen Region zu berechnen.
Nachdem die Konfidenzregion berechnet wurde, werden Straßensegmente in der Konfidenzregion extrahiert (Schritt 206). Straßensegmente sind Segmentelemente, die in der eingebetteten Kartendatenbank gespeichert sind, die Fragmente einer Fahrbahn darstellen, und können verschiedenen Attributen, wie z. B. einer Länge und einem Kurs, zugeordnet sein. Verschiedene Algorithmen können genutzt sein, um die Extraktion von Straßensegmenten in einer speziellen Region durchzuführen, wie z. B. der Cyrus-Beck-Algorithmus oder der Cohen-Sutherland-Algorithmus, die in M. Agoston, „Computer Graphics and Geometric Modeling: Implementation and Algorithms", (2005) beschrieben sind, dessen Inhalt, der sich auf diese Algorithmen bezieht, hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Auf die extrahierten Straßensegmente aus der berechneten Konfidenzregion ist im Folgenden ferner als „die Kandidatenstraßensegmente” Bezug genommen.
Bei einem Schritt 208 werden verschiedenen Tests an den Kandidatenstraßensegmenten durchgeführt, um zu bestimmen, welches Kandidatenstraßensegment das übereinstimmende Straßensegment ist. Das Verfahren zum Bestimmen, welches Kandidatenstraßensegment das übereinstimmende Straßensegment ist, ist im stärkeren Detail im Folgenden und im Zusammenhang mit 3A und 3B beschrieben. Ein übereinstimmendes Straßensegment ist ein Straßensegment, das basierend auf den Resultaten von verschiedenen Tests als das wahrscheinlichste Straßensegment bestimmt wird, auf dem sich der GPS-Empfänger befindet. Ein übereinstimmendes Straßensegment wird freigegeben, um in dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers verwendet zu werden (Schritte 210 und 212). Es kann jedoch sein, dass keines der Kandidatenstraßensegmente als ein übereinstimmendes Straßensegment bestimmt wird, da keines der Kandidatenstraßensegmente befriedigend alle Tests bestanden hat. In einem solchem Fall werden keine Straßensegmente als das übereinstimmende Straßensegment freigegeben, und die Schritte 202, 204, 206 und 208 werden basierend auf einem neuen Satz von empfangenen Satellitensignalen durchgeführt (Schritt 210).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Bestimmung eines übereinstimmenden Straßensegments, wenn überhaupt, aus einem Satz von mindestens einem Kandidatenstraßensegment gemäß den Schritten, die in dem Flussdiagramm 300 in 3A und 3B dargestellt sind, durchgeführt. Die Schritte in dem Flussdiagramm 300 können einem Schritt 208 in dem Flussdiagramm 200 (2) entsprechen und stellen einen Beispiellösungsansatz zum Bestimmen eines übereinstimmenden Straßensegments dar. Es sei bemerkt, dass andere Lösungsansätze zum Bestimmen eines übereinstimmenden Straßensegments neben dem Lösungsansatz, der in dem Flussdiagramm 300 gezeigt ist, Fachleuten offensichtlich sind, nachdem diesen die vorliegende Offenbarung gelehrt wurde. Diese können ebenfalls genutzt sein, und die Erfindung ist nicht auf ein spezifisches Verfahren zum Auswählen eines übereinstimmenden Straßensegments begrenzt.
Bei einem Schritt 302 des Flussdiagramms 300 wird ein Kandidatenstraßensegment aus der Liste der Kandidatenstraßensegmente, die bei dem Schritt 206 des Flussdiagramms 200 extrahiert werden, ausgewählt. Das ausgewählte Kandidatenstraßensegment wird bei einem Schritt 304 einem ersten Test unterworfen, der bestimmt, ob das ausgewählte Kandidatenstraßensegment zu einem Kurs, der durch die Ortsdaten, die aus empfangenen Satellitensignalen abgeleitet werden, angegeben ist, innerhalb einer vorbestimmten Schwelle parallel ist. Die Ortsdaten, die aus den empfangenen Satellitensignalen abgeleitet werden, können beispielsweise einen Kurs von 75 Grad angeben, und der Kurs, der dem Kandidatenstraßensegment zugeordnet ist, beträgt 79 Grad. Bei diesem Beispiel wird, wenn die vorbestimmte Schwelle 4 Grad oder mehr ist, dann bestimmt, dass das ausgewählte Kandidatenstraßensegment den ersten Test bestanden hat. Wenn das ausgewählte Kandidatenstraßensegment bei dem Schritt 304 den ersten Test besteht, wird dasselbe bei einem Schritt 306 einem zweiten Test unterworfen. Wenn das ausgewählte Kandidatenstraßensegment bei dem Schritt 304 den ersten Test nicht besteht, wird der Schritt 302 durchgeführt und ein neues Kandidatenstraßensegment wird zum Testen ausgewählt.
Bei dem Schritt 306 wird bestimmt, ob das ausgewählte Kandidatenstraßensegment eine Kontur einer gleichen Wahrscheinlichkeit (CEP; CEP = contour of equal probablity) schneidet. Eine CEP ist die Region, in der die GPS-Position für den derzeitigen Zyklus einer Berechnung mit dem speziellen Konfidenzniveau (z. B. 39%, 65%, 99% etc.) bekannt ist. Details hinsichtlich CEP-Regionen können in Parkinson, B. W., Spilker, J, J., „Global Positioning System: Theory and Applications": Band 1, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996, gefunden werden. Eine Suche kann in der CEP-Region ausgeführt werden, um Straßensegmente in der Kartendatenbank zu finden, die die CEP-Region schneiden. Wenn das ausgewählte Kandidatenstraßensegment bei dem Schritt 306 den Test besteht (d. h. das ausgewählte Kandidatenstraßensegment die CEP schneidet), wird dasselbe zu einer Liste von wahrscheinlichen Straßensegmenten hinzugefügt (Schritt 308). Wenn das ausgewählte Kandidatenstraßensegment bei dem Schritt 306 den Test nicht besteht, dann wird jedoch der Schritt 302 durchgeführt, und ein neues Kandidatenstraßensegment wird zum Testen ausgewählt.
Die Kandidatenstraßensegmente in der Liste von extrahierten Kandidatenstraßensegmenten werden den Tests des Schritts 304 und 306 solange unterworfen, bis alle Kandidatenstraßensegmente in der Liste von extrahierten Kandidatensegmenten erschöpft sind (Schritt 310). An diesem Punkt enthält die Liste von wahrscheinlichen Straßensegmenten alle Kandidatenstraßensegmente, die sowohl den Test bei dem Schritt 304 (für eine Parallelität) als auch den Test bei dem Schritt 306 (für einen CEP-Schnitt) bestanden haben.
Als Nächstes werden alle Kandidatenstraßensegmente in der Liste von wahrscheinlichen Straßensegmenten einem Verbindungsmöglichkeitstest und einem Nähetest (Schritt 312) unterworfen. Der Verbindungsmöglichkeitstest bestimmt, ob ein spezielles Kandidatenstraßensegment mit einem Straßensegment, das vorher als mit dem Straßensegment übereinstimmend bestimmt wurde („vorher übereinstimmendes Straßensegment”), verbunden ist. Wenn keine Kandidatenstraßensegmente in der Liste von wahrscheinlichen Straßensegmenten mit dem Straßensegment, das das vorher übereinstimmende Straßensegment war, verbunden sind, dann wird bestimmt, dass kein Kandidatenstraßensegment vorgefunden wurde, das das übereinstimmende Straßensegment ist (Schritt 320). Wenn mehr als ein Kandidatenstraßensegment als mit dem vorher übereinstimmenden Straßensegment verbunden vorgefunden wird, wird ein Nähetest ausgeführt. Der Nähetest basiert auf einem Vergleichen des kürzesten Abstands von einem speziellen „verbundenen” Kandidatenstraßensegment zu dem vorhergehenden übereinstimmenden Straßensegment. Es ist nicht erlaubt, dass mehr als zwei Kandidatenstraßensegmente bei dem Test bei dem Schritt 312 übrig bleiben. Wenn es mit anderen Worten drei oder mehr „verbundene” Kandidatenstraßensegmente gibt, wird dann davon ausgegangen, dass die zwei nächsten „verbundenen” Kandidatenstraßensegmente übrig geblieben sind.
Bei einem Schritt 314 wird bestimmt, ob null, eines oder zwei Kandidatenstraßensegmente bei dem Verbindungsmöglichkeits- und dein Nähetest von Schritt 312 übrig geblieben sind. Wenn lediglich ein Kandidatenstraßensegment übrig geblieben ist, dann wird das eine Kandidatenstraßensegment bei einem Schritt 316 einem Korrelationstest unterworfen. Bei einem Korrelationstest kalkuliert ein Algorithmus die Korrelationsfunktion zwischen der Empfängerbewegungsbahn und bestimmten Segmenten, die das wahrscheinlichste Segment und Segmente, die mit dem wahrscheinlichsten Segment verbunden sind, aufweisen, wobei das wahrscheinlichste Segment den höchsten Wert einer zugeordneten Sicherheit, die durch das Verfahren eines in Übereinstimmung Bringen bestimmt wird, hat. Wenn das eine Kandidatenstraßensegment den Korrelationstest besteht, dann wird dieses eine Kandidatenstraßensegment als das übereinstimmende Straßensegment (Schritt 318) ausgegeben und freigegeben, um bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers (Schritt 212) verwendet zu werden. Wenn das eine Kandidatenstraßensegment den Korrelationstest nicht besteht, dann wird bestimmt, dass kein Kandidatenstraßensegment als das übereinstimmende Straßensegment vorgefunden wurde (Schritt 320). Wie im Vorhergehenden erörtert ist, werden, wenn kein Kandidatenstraßensegment als ein übereinstimmendes Straßensegment vorgefunden wird (Schritt 210), dann die Schritte 202, 204, 206 und 208 des Flussdiagramms 200 basierend auf einem neuen Satz von empfangenen Satellitensignalen wieder durchgeführt.
Wenn zwei Kandidatenstraßensegmente bei dem Test bei dem Schritt 312 übrig bleiben, dann werden die zwei Kandidatenstraßensegmente weiteren Tests unterworfen, um zu bestimmen, welches der zwei Kandidatenstraßensegmente eine bessere Übereinstimmung darstellt (Schritt 322). Eine weiterer Test, der an den zwei Kandidatenstraßensegmenten ausgeführt werden kann, ist ein Test eines in Übereinstimmung Bringens einer Bewegungsbahn. Bei einem Test eines in Übereinstimmung Bringens einer Bewegungsbahn werden Bewegungsbahndaten, die einen kurzen Verlauf der zurückgelegten Strecken und Kurse während 1-Hz-Aktualisierungen aufweisen, mit den Strecken und Kursen der zwei Kandidatenstraßensegmente während der gleichen Periode verglichen, und das Kandidatenstraßensegment, dessen Strecke und Kurs enger mit den Strecken und den Kursen in dem kurzen Verlauf übereinstimmt, wird wie bei dem Schritt 322 ausgewählt. Nachdem nach 322 lediglich ein Kandidatenstraßensegment verbleibt, wird das eine Kandidatenstraßensegment dem gleichen Korrelationstest, der im Vorhergehenden erörtert ist, beim Bestimmen unterworfen, ob das eine Kandidatenstraßensegment ein übereinstimmendes Straßensegment ist.
Nachdem ein in Übereinstimmung Bringen einer Karte durchgeführt wurde und ein übereinstimmendes Straßensegment identifiziert wurde, kann das übereinstimmende Straßensegment bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus des GPS-Empfängers verwendet werden, um die Genauigkeit des nicht korrigierten Anfangsorts zu verbessern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden Informationen über das übereinstimmende Straßensegment verwendet, um einen Parameter oder Parameter eines Navigationsfilters, das bei dem Positionsbestimmungsalgorithmus verwendet ist, der dann durch den GPS-Empfänger verwendet wird, um eine genauere Position zu kalkulieren, anzupassen.
Bei einem möglichen Lösungsansatz ist das Navigationsfilter ein Kalman-Filter, und mindestens eine Messung des Kalman-Filters wird basierend auf einem Kurs des übereinstimmenden Straßensegments aktualisiert. Nachdem das Kalman-Filter aktualisiert ist, verwendet der GPS-Empfänger das aktualisierte Kalman-Filter, um eine genauere Position des GPS-Empfängers zu bestimmen.
Bei diesem Lösungsansatz wird der Kurs des übereinstimmenden Straßensegments als eine Messung für eine Kalman-Filter-(KALMAN FILTER)Messungsaktualisierung verwendet. Die Sicherheit, die dem übereinstimmenden Straßensegment zugeordnet ist, ist das Konfidenzniveau der Konfidenzregion und kann als ein Gewicht für die Messungsaktualisierung verwendet sein. Die Beziehung zwischen der Kursmessung und dem Zustandsvektor des KALMAN-FILTERS ist wie folgt charakterisiert:
wobei θ die Kursmessung ist, V_N die Nordgeschwindigkeitskomponente ist, V_E die Ostgeschwindigkeitskomponente ist, und H = {0,0,0,θ'_N,θ'_E,0,0,0}' ist, wobei
Die Kursmessungsaktualisierung aus dem übereinstimmenden Straßensegment kann ferner lediglich angewendet werden, wenn die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers höher als eine spezielle Geschwindigkeitsschwelle, wie z. B. 3 m/s, ist. zusätzlich oder alternativ kann die Kursmessungsaktualisierung aus dem übereinstimmenden Straßensegment lediglich angewendet werden, wenn die Sicherheit, die dem übereinstimmenden Straßensegment zugeordnet ist, oberhalb einer speziellen Sicherheitsschwelle, wie z. B. 90%, ist. Sowohl die Geschwindigkeitsschwelle als auch die Sicherheitsschwelle können ebenfalls anpassbar sein.
Bei einem anderen möglichen Lösungsansatz ist das Navigationsfilter ein Kalman-Filter, und ein Zustandsvektor des Kalman-Filters wird basierend auf einer übereinstimmenden Position auf dem übereinstimmenden Straßensegment aktualisiert, wobei die übereinstimmende Position basierend auf der Bewegungsbahn des GPS-Empfängers bestimmt wird.
Bei diesem Lösungsansatz wird ein kurzer Verlauf von Strecken, die durch den GPS-Empfänger mit entsprechenden Kursen (d. h. einer Empfängerbewegungsbahn) während 1-Hz-Aktualisierungsperioden zurückgelegt werden, vorübergehend in dem lokalen Speicher des GPS-Empfängers gespeichert. Ein Korrelationsfunktionsberechnungsalgorithmus wird dann verwendet, um die Funktion zwischen der Empfängerbewegungsbahn und Straßensegmenten in der Nachbarschaft des nicht korrigierten Anfangsorts einschließlich des übereinstimmenden Straßensegments und der Segmente, die mit dem übereinstimmenden Straßensegment verbunden sind, zu berechnen. Wenn das Resultat der Korrelationsfunktion bestimmte Entwurfsschwellen passiert, können das übereinstimmende Straßensegment und der entsprechende Punkt auf dem übereinstimmenden Straßensegment (das heißt die übereinstimmende Position) verwendet werden, um eine genauere Position des GPS-Empfängers zu bestimmen. Das Resultat aus dem Korrelationstest kann beispielsweise auf einen Wert zwischen 0 und 100 normiert sein, und ein Schwelle kann auf 66 eingestellt sein. Diese Schwelle ist abstimmbar und kann an andere Zahlen angepasst sein.
Um die übereinstimmende Position auf dem übereinstimmenden Straßensegment zu berechnen, wird die Gesamtstrecke, die zwischen der letzten Positionsaktualisierung und der aktuellen GPS-Positionsaktualisierung zurückgelegt wird, berechnet. Wenn das übereinstimmende Straßensegment das gleiche Straßensegment wie das vorausgehende übereinstimmende Straßensegment ist, dann wird die übereinstimmende Position als die vorhergehende übereinstimmende Position bestimmt, die in der Kursrichtung auf dem übereinstimmenden Straßensegment vorgerückt ist. Wenn sich das übereinstimmende Straßensegment von dem vorausgehenden übereinstimmenden Straßensegment unterscheidet, dann wird die zurückgelegte Strecke auf dem vorausgehenden Straßensegment von der zurückgelegten Gesamtstrecke subtrahiert, und der Unterschied wir als die auf dem übereinstimmenden Straßensegment zurückgelegte Strecke bestimmt. Die übereinstimmende Position wird dann als die Position auf dem übereinstimmenden Straßensegment bestimmt, die der auf dem übereinstimmenden Straßensegment zurückgelegten Strecke entspricht. Bei diesem Lösungsansatz wird die übereinstimmende Position als eine Messungsaktualisierung für die horizontalen Positionselemente des Zustandsvektors des KALMAN-FILTERS geliefert. Der Vektor, der als die Messungsaktualisierung verwendet ist, enthält Einheitsausdrücke, die den horizontalen Positionskomponenten entsprechen, und Nullen für den Rest der Elemente in dem Zustandsvektor.
Ausdrücke, die einer Unsicherheit der horizontalen Positionselemente in der Matrix R (Messungsrauschmatrix) des Kalman-Filters entsprechen, können ferner ebenfalls mit der Unsicherheit der übereinstimmenden Position aktualisiert werden. Die Unsicherheit der übereinstimmenden Position basiert ihrerseits auf Faktoren, wie z. B. darauf, wie oft die übereinstimmenden Positionen und Kurse in vorausgehenden Aktualisierungen mit berechneten GPS-Positionen und Kursen eng korreliert sind, und ob die berechneten Orte und Aktualisierungen mit Straßensegmentinformationen in der Kartendatenbank übereinstimmen, wenn sich der Empfänger dreht. Eine Unsicherheit wird für jede Möglichkeit einer mit einer Karte in Übereinstimmung gebrachten Position mit den neuen GPS-Filterdaten berechnet. Ein Aktualisieren der Matrix R stellt sicher, dass die Kalman-Filter-Kovarianzaktualisierung ebenfalls die erhöhte Genauigkeit der übereinstimmenden Position berücksichtigt.
Bei noch einem anderen Lösungsansatz ist das Navigationsfilter ein Kalman-Filter, und ein Zustandsvektor des Kalman-Filters wird basierend auf einer Kreuzungsposition aktualisiert. In Stadtschluchtumgebungen ist die Sicht des Himmels durch Gebäude derart begrenzt, dass die Liste von sichtbaren Satelliten für einen GPS-Empfänger üblicherweise lediglich Satelliten enthält, die direkt oberhalb und entlang der Längsrichtung eines Zurücklegens des GPS-Empfängers sind. Wenn sich ein GPS-Empfänger auf einer Kreuzung befindet, werden in der lateralen Richtung jedoch zusätzliche Satelliten sichtbar. Dieses Ereignis eines Erfassens von mehr sichtbaren Satelliten in der lateralen Richtung kann mit der Position der Kreuzung in der eingebetteten Kartendatenbank korreliert werden. Ein Kartendatenbankattribut kann für diese Korrelation gespeichert werden.
Die Kreuzungsposition kann als eine Messungsaktualisierung für die horizontalen Positionselemente des Zustandsvektors des KALMAN-FILTERS geliefert werden. Der Vektor, der als die Messungsaktualisierung verwendet ist, enthält Einheitsausdrücke, die den horizontalen Positionskomponenten entsprechen, und Nullen für den Rest der Elemente in dem Zustandsvektor. Ausdrücke, die der Unsicherheit der horizontalen Positionselemente in der Matrix R (Messungsrauschmatrix) des Kalman-Filters entsprechen, können ferner ebenfalls mit der Unsicherheit der Kreuzungsposition aktualisiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele derselben speziell beschrieben ist, ist es für Fachleute offensichtlich, dass Änderungen und Modifikationen in der Form und an Details vorgenommen sein können, ohne von dem Geist und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche solche Änderungen und Modifikationen umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

US-NAVSTAR-GPS-System in GPS Theory and Practice, fünfte Ausgabe, durch Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger und Collins überarbeitete Auflage, Springer-Verlag Wien New York, 2001 [0003]
M. Grewal et al., „Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration”, (2001) [0033]
M. Agoston, „Computer Graphics and Geometric Modeling: Implementation and Algorithms”, (2005) [0037]
B. W., Spilker, J, J., „Global Positioning System: Theory and Applications”: Band 1, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996 [0041]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Position eines GPS-Empfängers, mit folgenden Schritten: in dem GPS-Empfänger: Anpassen von mindestens einem Parameter eines Filters, das bei einem Positionsbestimmungsalgorithmus verwendet ist, basierend auf Kartografieinformationen, die in einer Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, gespeichert sind; und Bestimmen der Position des GPS-Empfängers durch Verwenden des Positionsbestimmungsalgorithmus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kartendatenbank Kartografieinformationen für geografische Regionen aufweist, die als Regionen bestimmt wurden, in denen mindestens ein Satellitensignal, das durch den GPS-Empfänger empfangen wird, verschlechtert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kartendatenbank lediglich für eine vorbestimmte Zahl von geografischen Großstadtregionen Kartografieinformationen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kartendatenbank mindestens ein Kartendatenbankelement enthält; das mindestens eine Kartendatenbankelement mindestens einem Attribut zugeordnet ist; und das mindestens eine Attribut, das dem mindestens einen Kartendatenbankelement zugeordnet ist, die Bestimmung der Position des GPS-Empfängers erleichtert.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das mindestens eine Kartendatenbankelement ein Knoten ist; und das mindestens eine Attribut entweder eine geografische Breite, eine geografische Länge oder eine Verbindungsmöglichkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das mindestens eine Kartendatenbankelement ein Straßensegment ist; und das mindestens eine Attribut entweder ein linker Knoten, ein rechter Knoten oder eine Länge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt eines Anpassens des mindestens einen Parameters des Filters folgende Schritte aufweist: in Übereinstimmung Bringen von Ortsdaten, die aus Satellitensignalen, die durch den GPS-Empfänger empfangen werden, abgeleitet werden, mit einem übereinstimmenden Straßensegment in der Kartendatenbank; und Anpassen des mindestens einen Parameters des Filters basierend auf Informationen, die dem übereinstimmenden Straßensegment in der Kartendatenbank zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt eines in Übereinstimmung Bringens ferner folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer geografischen Region, die einen Ort, der durch die Ortsdaten angegeben ist, aufweist; und Bestimmen, ob die Kartendatenbank Kartografieinformationen für die geografische Region enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt eines in Übereinstimmung Bringens folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer Konfidenzregion basierend auf den Ortsdaten, die aus Satellitensignalen, die durch den GPS-Empfänger empfangen werden, abgeleitet werden; Extrahieren eines Satzes von Straßensegmenten, die sich in der Konfidenzregion befinden, basierend auf Kartografieinformationen, die in der Kartendatenbank enthalten sind; und Auswählen des übereinstimmenden Straßensegments aus dem Satz von Straßensegmenten.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Konfidenzregion elliptisch ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Konfidenzregion rechtwinklig ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt eines Auswählens des übereinstimmenden Straßensegments aus dem Satz von Straßensegmenten folgende Schritte aufweist: für jedes Straßensegment in dem Satz von Straßensegmenten Durchführen der folgenden Schritte: Bestimmen, ob das eine jede Straßensegment innerhalb eines vorbestimmten parallelen Bereichs parallel zu einem Kurs, der durch die Ortsdaten angegeben ist, ist; ansprechend auf das Bestimmen, dass das ein jede Straßensegment innerhalb des vorbestimmten Bereichs parallel zu dem Kurs, der durch die Ortsdaten angegeben ist, ist, Bestimmen, ob das eine jede Straßensegment eine Kontur einer Fehlerregion einer gleichen Wahrscheinlichkeit, die einen Ort, der durch die Ortsdaten angegeben ist, enthält, schneidet; ansprechend auf das Bestimmen, dass das eine jede Straßensegment die Kontur einer Fehlerregion einer gleichen Wahrscheinlichkeit, die den Ort, der durch die Ortsdaten angegeben ist, enthält, schneidet, Bestimmen, ob das eine jede Straßensegment mit einem anderen Straßensegment, das ein vorausgehend bestimmendes übereinstimmendes Straßensegment ist, verbunden ist; ansprechend auf das Bestimmen, dass das eine jede Straßensegment mit dem anderen Straßensegment, das ein vorausgehend bestimmtes übereinstimmendes Straßensegment ist, verbunden ist, Bestimmen, ob das eine jede Straßensegment innerhalb eines vorbestimmten Nähebereichs nahe dem anderen Straßensegment ist; ansprechend auf das Bestimmen, dass das eine jede Straßensegment innerhalb des vorbestimmten Nähebereichs nahe dem anderen Straßensegment ist, Bestimmen, dass das eine jede Straßensegment einen ersten Test erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 12, mit ferner folgenden Schritten: Bestimmen, ob mehr als ein Straßensegment in dem Satz von Straßensegmenten den ersten Test erfüllt; ansprechend auf das Bestimmen, das nicht mehr als ein Straßensegment in dem Satz von Straßensegmenten den ersten Test erfüllt, Bestimmen, ob das Straßensegment, das den ersten Test erfüllt, einen Korrelationstest besteht, ansprechend auf das Bestimmen, dass das Straßensegment, das den ersten Test erfüllt, den Korrelationstest besteht, Bestimmen, dass das Straßensegment das übereinstimmende Straßensegment ist.
Verfahren nach Anspruch 13 mit ferner folgenden Schritten: ansprechend auf das Bestimmen, dass mehr als ein Straßensegment in dem Satz von Straßensegmenten den ersten Test erfüllt, Bestimmen, ob mehr als ein Straßensegment in dem Satz von Straßensegmenten mindestens einen anderen Test erfüllt; ansprechend auf das Bestimmen, dass nicht mehr als ein Straßensegment in dem Satz von Straßensegmenten den mindestens einen anderen Test erfüllt, Bestimmen, ob das Straßensegment, das den mindestens einen anderen Test erfüllt, einen Korrelationstest besteht; ansprechend auf das Bestimmen, dass das Straßensegment, das den mindestens einen anderen Test erfüllt, den Korrelationstest besteht, Bestimmen, dass das Straßensegment das übereinstimmende Straßensegment ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der mindestens eine andere Test einen Bewegungsbahnübereinstimmungstest aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7 bei dem das Filter ein Kalman-Filter ist; der Schritt eines Anpassens des mindestens einen Parameters des Filters basierend auf Informationen, die dem übereinstimmenden Straßensegment in der Kartendatenbank zugeordnet sind, folgende Schritte aufweist: Aktualisieren mindestens einer Messung des Kalman-Filters basierend auf einem Kurs des übereinstimmenden Straßensegments; Bestimmen der Position des GPS-Empfängers basierend auf der mindestens einen Messung des Kalman-Filters.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt eines Aktualisierens lediglich durchgeführt wird, wenn eine Sicherheit, die dem übereinstimmenden Straßensegment zugeordnet ist, eine vorbestimmte Sicherheitsschwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt eines Aktualisierens lediglich durchgeführt wird, wenn eine Geschwindigkeit des GPS-Empfängers eine vorbestimmte Geschwindigkeitsschwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Filter ein Kalman-Filter ist; und der Schritt eines Anpassens des mindestens einen Parameters des Filters basierend auf Informationen, die dem übereinstimmenden Straßensegment in der Kartendatenbank zugeordnet sind, folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer übereinstimmenden Position auf dem übereinstimmenden Straßensegment basierend auf einer Empfängerbewegungsbahn; Aktualisieren eines Zustandsvektors des Kalman-Filters basierend auf der übereinstimmenden Position; und Bestimmen der Position des GPS-Empfängers basierend auf dem Zustandsvektor des Kalman-Filters.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Empfängerbewegungsbahn aus Daten, die mindestens eine vorausgehend zurückgelegte Strecke und einen zugeordneten Kurs angeben, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schritt eines Aktualisierens des Zustandsvektors des Kalman-Filters lediglich durchgeführt wird, wenn eine Korrelation zwischen der Empfängerbewegungsbahn und dem übereinstimmenden Straßensegment eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schritt eines Bestimmens der Position des GPS-Empfängers basierend auf Informationen, die dem übereinstimmenden Straßensegment in der Kartendatenbank zugeordnet sind, ferner folgenden Schritt aufweist: Aktualisieren einer Messungsrauschmatrix des Kalman-Filters basierend auf einer Sicherheit, die der übereinstimmenden Position zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filter ein Kalman-Filter ist; und der Schritt eines Anpassens des mindestens einen Parameters des Filters basierend auf Informationen, die dem übereinstimmenden Straßensegment in der Kartendatenbank zugeordnet sind, folgende Schritte aufweist: Erfassen, dass sich der GPS-Empfänger an einer speziellen Kreuzung befindet, basierend darauf, welche Satelliten sichtbar sind; Bestimmen einer Kreuzungsposition, die der speziellen Kreuzung zugeordnet ist, basierend auf Kartografieinformationen, die in der Kartendatenbank gespeichert sind; und Aktualisieren eines Zustandsvektors des Kalman-Filters basierend auf der Kreuzungsposition.
Verfahren zum Bestimmen einer Position eines GPS-Empfängers, mit folgenden Schritten: Identifizieren von Kartografieinformationen, die die Bestimmung einer Position eines GPS-Empfängers erleichtern; und Speichern der Kartografieinformationen in einer Kartendatenbank, die in dem GPS-Emfpänger eingebettet ist; wobei der GPS-Empfänger die Position des GPS-Empfängers durch Verwenden der Kartografieinformationen, die in der Kartendatenbank, die in dem GPS-Empfänger eingebettet ist, gespeichert sind, bestimmt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 1 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 3 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 7 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 9 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 16 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 19 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 23 durchführt.
Vorrichtung, die das Verfahren nach Anspruch 24 durchführt.