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Die
Erfindung betrifft eine tragbare Vorrichtung für die Bestimmung horizontaler
und vertikaler Positionen, die einen Höhenmesser mit Drucksensor, der
auf eine vorgegebene Anfangshöhe
geeicht ist, einen GPS-Signalempfänger, der so beschaffen ist, dass
er Signale empfängt,
die von mehreren Satelliten ankommen, um Positionsdaten der Vorrichtung zu
berechnen, eine Verarbeitungseinheit, die die Positionsdaten vom
Empfänger
und einen Höhenwert des
Höhenmessers,
der auf Druckmessungen des Drucksensors in Bezug auf die vorgegebene
Höhe basiert,
empfängt,
und Anzeigemittel für
die horizontale und die vertikale Position der Vorrichtung, die von
der Verarbeitungseinheit verarbeitet und geliefert werden, umfasst.
Die Vorrichtung wird durch eine stromsparsame Batterie oder einen
stromsparsamen Akkumulator versorgt.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren für
die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen, um die Vorrichtung
zu betreiben.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Verwendung der Vorrichtung für die Bewertung meteorologischer
Bedingungen.
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Der
Höhenmesser
kann anhand von Daten, die von dem GPS-Empfänger geliefert werden, gemäß einem
geographischen Punkt, der beispielsweise in einem Speicher, der
ihm zugeordnet sein kann, aufgezeichnet ist, geeicht werden.
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Sobald
der Drucksensor geeicht ist, ist er in der Lage, Messungen von Druckänderungen
zu liefern, um die Höhe
während
einer vorgegebenen Zeitdauer, die beispielsweise dann, wenn die
Vorrichtung für
eine Tour verwendet wird, auch in Abhängigkeit von meteorologischen
Bedingungen bestimmt wird, genau angeben zu können.
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Gegenwärtig ist
für die
meisten Menschen die Kenntnis ihrer genauen geographischen Position im
gesamten Betätigungsbereich,
sei es beispielsweise auf beruflicher Ebene oder in der Freizeit,
ein Bedürfnis
geworden. Dieses Bedürfnis
wird vor allem seit der Entwicklung von Positionsvorrichtungen des Typs
GPS, die der Allgemeinheit zugänglich
gemacht worden sind, verspürt.
Diese allgemein erhältlichen Vorrichtungen
können
einem Benutzer im Voraus und mit einem Toleranzbereich, der ±150 min
der Höhe
und ±100
min der Horizontale betrug, obwohl bekannt ist, dass bei militärischen
Anwendungen eine weitaus höhere
Genauigkeit erzielt wird, Positionsdaten liefern. Jedoch ist dieser
Toleranzbereich durch Schmalbandstörungsunterdrückung heute
kleiner gemacht worden.
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Es
ist anzumerken, dass diese Ungenauigkeiten in X, Y und Z unter anderem
zum Teil durch das SA-Rauschen (SA, Selective Availability), d.
h. eine durch den Anbieter des GPS-Systems geschaffene absichtliche
Verschlechterung, und durch den Durchgang der von den Satelliten
gesendeten Funkwellen durch die Ionosphäre, der ein Flackern erzeugt,
bedingt ist. Dieser Durchgang durch die Ionosphäre ergibt einen Fehler in der
Höhe von ±50 m.
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Zu
Information sei darauf hingewiesen, dass jeder Satellit in einem
regelmäßigen Intervall
einen spezifischen Code (GOLD-Code) sendet, der seine genaue Position
definiert. Alle Satelliten schicken ihren eigenen Code, der jeweils
durch eine geeichte Atomuhr getaktet wird, gleichzeitig. Dennoch
kann zwischen den Uhren bzw. Taktgebern eine kleine Zeitabweichung
auftreten, da sie vor dem Schicken der einzelnen Satelliten in ihre
Umlaufbahn nicht gleichzeitig geeicht worden sind. Jedoch sind diese Zeitabweichungen
im Verhältnis
zu den Fehlern der von den der Allgemeinheit zugänglich gemachten GPS-Systemen
berechneten Positionen unbedeutend.
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Jede
GPS-Empfangsvorrichtung kann Signale empfangen, die von Satelliten
in ihrer Umlaufbahn ankommen, deren Abstand zum Boden zwischen 20.000
km, wenn sich diese Satelliten im Zenith befinden, und 26.000 km,
wenn sich diese Satelliten an einem Punkt der Tangente an die Erdoberfläche befinden,
betragen kann.
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Nähere Details über die
Bestimmung einer Position mit Hilfe von GPS-Signalen kann der Leser dem Artikel
von M. Pierre-Yves Gillieron, veröffentlich im Flash Informatique,
Nr. FI 5 vom 9. Juni 1998, (Bulletin SSC Nr. 28, 1998) entnehmen.
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Die
Kombination eines Höhenmessers
mit einem GPS-Empfänger
in einer solchen Vorrichtung bietet den Vorteil, Werte in der Höhe zu liefern,
die insofern genauer sind als jene, die lediglich durch den GPS-Empfänger in
Abhängigkeit
von den von ihm empfangenen Funkwellen berechnet werden, dass der
Höhenmesser
im Voraus auf eine bekannte Höhe geeicht
worden ist.
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Als
Beispiel und unter Verweis auf
1 beschreibt
das Dokument
US 5.210.540 eine
solche Vorrichtung für
die Bestimmung der horizontalen Position X, Y und der Höhe Z. Dazu
umfasst die Vorrichtung
1 einen GPS-Empfänger
3,
der über
eine Antenne
2 Funkwellen
2a empfängt, die
von mehreren Satelliten gesendet werden, einen Höhenmesser mit Drucksensor
4,
der einen Höhenwert
in Abhängigkeit von
einer Druckmessung berechnet, eine Verarbeitungseinheit
5,
die Positionsdaten vom GPS-Empfänger
3 und
vom Höhenmesser
4 empfängt, um
die empfangenen Daten zu verarbeiten und dadurch eine Position nach
X, Y und Z an Anzeigemitteln
9 anzeigen zu können, und
Speichermittel
6, die kartographische Daten enthalten.
In der Verarbeitungseinheit
5 ist ein Kalibrator
7 vorgesehen,
um die vom Höhenmesser
gelieferte Höhe
kalibrieren zu können und
dadurch diesen Referenzwert für
die anschließende
Positionsbestimmung verwenden zu können. In diesem Fall beschränkt sich
der GPS-Empfänger darauf,
nur die den Positionen X und Y entsprechenden Daten zu berechnen
und folglich von einer dreidimensionalen Form zu einer zweidimensionalen Form überzugehen.
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Ein
Nachteil dieser Vorrichtung, die zum Ausrüsten eines Fahrzeugs mit dem
Ziel, Navigationsinformationen zu geben, bestimmt ist, beruht im
Wesentlichen darauf, dass sie viel elektrische Energie verbraucht.
Dennoch kann diese Vorrichtung gänzlich
durch die Batterie des Fahrzeugs gespeist werden, ohne deshalb deren
Zulieferung von Energie an andere elektrische Teile des Fahrzeugs
zu schaden. Andererseits kann eine solche Vorrichtung nicht in einem
stromsparsamen Gerät
wie etwa einem tragbaren Telephon oder einer Armbanduhr verwendet
werden.
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Hinsichtlich
des Stromverbrauchs der Vorrichtung ist also keinerlei Vorsichtsmaßnahme getroffen,
was besagt, dass es üblich
ist, eine solche Vorrichtung beispielsweise mit 32-Bit-Mikroprozessoren zu
versehen, um die Rechenoperationen zu verbessern und die Rechenzeit
zu verkürzen.
Der GPS-Empfänger
muss nämlich
bei der Berechnung der Positionsdaten mehrere Iterationen, beispielsweise
10 bis 15 Iterationen, vornehmen. Jedoch ist kein Mittel vorgesehen,
um die Rechenoperationen der Mikroprozessoren zu erleichtern.
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Wie
bei dem oben zitierten Beispiel beschreibt das Dokument
US 5.646.857 , das dem Oberbegriff
des vorliegenden Anspruchs 1 entspricht, eine tragbare Vorrichtung,
die einen GPS-Empfänger umfasst,
der mit einem Höhenmesser,
insbesondere einem Höhenmesser
mit Drucksensor, kombiniert ist, der Höhendaten an den GPS-Empfänger liefern kann,
damit dieser Positionsdaten bezüglich
X, Y und Z berechnet. Das Liefern eines Wertes des geeichten Höhenmessers
an den Empfänger
ermöglicht
das Verbessern der Genauigkeit der Bestimmung der horizontalen und
der vertikalen Position unter Berücksichtigung von Qualitätsfaktoren,
die mit dem vom Höhenmesser
gelieferten Wert und mit den empfangenen Funkfrequenzsignalen verknüpft sind.
Dieses Liefern eines Wertes vom Höhenmesser an den Empfänger ist
grundsätzlich
in dem Fall sinnvoll, in dem die GPS-Signale verrauscht oder unbestimmt sind,
oder in dem Fall, in dem die Anzahl von empfangen Satellitensignalen
unzureichend ist. Diese Vorrichtung kann somit mit Hilfe des Höhenmessers
im dreidimensionalen Modus oder im zweidimensionalen Modus arbeiten.
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Jedoch
wird wie beim ersten Beispiel der hohe Verbrauch des Mikrocontrollers,
der im Prinzip von 32-Bit-Typ ist, bei den Rechenoperationen nicht berücksichtigt,
was in dem Fall, in dem die Vorrichtung durch eine stromsparsame
Batterie oder einen stromsparsamen Akkumulator gespeist wird, ein Nachteil
ist. Daher kann diese tragbare Vorrichtung kein Zeitmessgerät oder tragbares
Telephon ausrüsten.
Zudem ist bei dieser Vorrichtung gerade die Genauigkeit der Positionsdaten,
jedoch nicht die Tatsache, dass die Rechenzeit verkürzt ist
oder vermieden wird, im Fall eines Problems begrenzter Zyklen, mehrere
Iterationen vornehmen zu müssen,
wichtig.
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Ein
Ziel, das sich zum Lösen
der Aufgabe der Erfindung anbietet, besteht in einer Vorrichtung
für die
Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen, bei der ein Höhenmesser
mit Drucksensor, der auf eine vorgegebene Anfangshöhe geeicht
ist, für die
Messung der Höhe
verwendet wird, um die Rechenoperationen des GPS-Empfängers zu
erleichtern und dadurch die Nachteile der Vorrichtungen des Standes
der Technik zu beseitigen. Der geeichte Höhenmesser ermöglicht somit
das Liefern eines genauen Höhenwertes
an den GPS-Empfänger,
das Verkürzen
der Rechenzeit des Empfängers
und dadurch das Verringern des Verbrauchs der Vorrichtung.
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Ein
weiteres Ziel, das sich zum Lösen
der Aufgabe der Erfindung anbietet, besteht in einem Verfahren für die Bestimmung
horizontaler und vertikaler Positionen, um die Vorrichtung zu betreiben.
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Ein
weiteres Ziel, das sich zum Lösen
der Aufgabe der Erfindung anbietet, besteht in einer Verwendung
der Vorrichtung, um meteorologische Vorhersagen bewerten zu können.
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Diese
Ziele sowie weitere werden mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung
erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verarbeitungseinheit
an den GPS-Empfänger
ein Signal schickt, das dem Höhenwert
des geeichten Höhenmessers
entspricht, um die Rechenzeit eines stromsparsamen Mikrocontrollers
des Empfängers,
um anhand des Höhenwertes
die Positionsdaten der Vorrichtung zu bestimmen, verkürzen zu
können.
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Diese
Ziele sowie weitere werden auch mit Hilfe des Verfahrens für das Betreiben
der Vorrichtung erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es
die Schritte umfasst, in denen der Höhenmesser mit Drucksensor auf
eine vorgege bene Anfangshöhe mit
Hilfe von Daten, die von der Verarbeitungseinheit verarbeitet und
geliefert werden, geeicht wird, ein Höhenwert des geeichten Höhenmessers
an die Verarbeitungseinheit gesendet wird, ein Signal, das dem Höhenwert
des geeichten Höhenmessers
entspricht, von der Verarbeitungseinheit an den GPS-Empfänger geschickt
wird, um die Rechenzeit eines Mikrocontrollers des Empfängers, um
anhand des Höhenwertes
die Positionsdaten der Vorrichtung in Abhängigkeit von den von mehreren
Satelliten empfangenen Funkwellen zu bestimmen, verkürzen können, und
die durch den Empfänger
berechneten Positionsdaten an die Verarbeitungseinheit zu senden,
damit sie verarbeitet und in den Anzeigemitteln angezeigt werden.
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Schließlich werden
diese Ziele sowie weitere auch dank der Verwendung der Vorrichtung
für die Bewertung
meteorologischer Bedingungen erreicht, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Höhenmesser
mit Drucksensor, der auf eine vorgegebene Anfangshöhe geeicht
ist, so beschaffen ist, dass er auf einer Höhe, die zu einer in einer vorhergehenden Zeitdauer
gespeicherten Höhe äquivalent
ist, Druckänderungen,
die in übertragene
Höhenänderungen
umgewandelt sind, an die Verarbeitungseinheit liefert, damit sie
anzuzeigende meteorologische Bedingungen bestimmt.
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Ein
Vorteil der Vorrichtung für
die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen gemäß der Erfindung
beruht darauf, dass sie vor allem dank der Verkürzung der Rechenzeit im GPS-Empfänger bei
genauem Höhendatenwert,
der durch die Verarbeitungseinheit auf der Grundlage des vom geeichten
Höhenmesser
stammenden genauen Höhenwertes
in einer Rückführschleife
geliefert wird, und der Verwendung von stromsparsamen Mikroprozessoren wie
etwa von 8-Bit-Mikroprozessoren
wenig elektrische Energie verbraucht.
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Wenn
dem Empfänger über die
von der Verarbeitungseinheit ankommenden Rückführschleife ein genauer Höhenwert
geliefert wird, könnte
der Empfänger
somit bei den Rechenoperationen weniger Iterationen ausführen, um
schneller zu den an die Verarbeitungseinheit zu liefernden Positionsdaten
zu konvergieren.
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Unter
der Annahme der Verwendung solcher 8-Bit-Mikroprozessoren könnten die
mehreren Iterationen bei den Rechenoperationen bei ausbleibender Lieferung
des vom Höhenmesser
stammenden genauen Höhenwertes
zu einer ungenauen Bestimmung der horizontalen und der vertikalen
Position führen.
Diese Ungenauigkeit rührt
von dem Phänomen
der «begrenzten
Zyklen» her,
nach dem die Vorrichtung beispielsweise dann, wenn ein Taktimpuls verloren
gegangen ist, zu einem falschen Wert konvergiert. Dieses Phänomen ist
auf dem Gebiet der Elektronik wohlbekannt.
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Der
Rechenfehler liefert ein falsches Ergebnis, das über die den GPS-Empfangsvorrichtungen anhaftende
Ungenauigkeit hinausgehen kann, beispielsweise einen Fehler von
mehr als ±150
m für eine
vertikale Position. Indem die Rechenoperationen des Empfängers durch
Beschaffung des genauen Höhenwertes
erleichtert werden, ermöglicht
eine schnellere Konvergenz zur Lösung
hin das Umgehen dieses Phänomens
der begrenzten Zyklen.
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Durch
den geringen Verbrauch an elektrischer Energie kommt somit eine
Integration aller Elemente der Vorrichtung, die durch eine Batterie
oder einen Akkumulator für
schwache Ströme
gespeist werden, in ein Zeitmessgerät wie etwa eine Armbanduhr
oder sogar in ein Gerät
kleiner Größe wie beispielsweise
ein tragbares Telephon in Betracht.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht darauf,
dass sie dank des Höhenmessers
mit Drucksensor verwendet werden kann, um meteorologische Bedingungen
anzugeben. Wenn die Höhe
des Ausgangsortes, die durch Daten des Speichers oder durch aufgezeichnete
Höhenwerte,
die von dem zuvor geeichten Höhenmesser stammen,
geliefert wird, genau bekannt ist, dienen die Änderungen des Sensors des Höhenmessers
dazu, die meteorologischen Bedingungen für diesen Tag zu definieren.
Falls der Höhenmesser
beispielsweise +50 m angibt, bedeutet dies Tiefdruck; wenn er umgekehrt –50 m angibt,
bedeutet dies Hochdruck. Selbstverständlich muss der Sensor des
Höhenmessers,
nachdem diese Informationen an den Anzeigemitteln angezeigt worden
ist, erneut auf eine genaue vorgegebene Höhe geeicht werden, um wie zuvor
beschrieben worden ist, den Rechenoperationen des Empfängers zu
dienen.
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Die
Ziele, Vorteile und Merkmale der Vorrichtung und des Verfahrens
für die
Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen werden deutlicher
in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, die in der Zeichnung
gezeigt sind, worin:
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1 eine
Vorrichtung für
die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen gemäß dem Stand
der Technik zeigt, die oben beschrieben worden ist,
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2 schematisch
eine tragbare Vorrichtung für
die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen gemäß der Erfindung
zeigt,
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3 den
GPS-Empfänger
und den ihm zugeordneten Speicher der Vorrichtung von 2 ausführlicher
zeigt und
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4 die
Verarbeitungseinheit der Vorrichtung von 2 ausführlicher
zeigt.
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Die
folgende Beschreibung beschreibt alle elektronischen Komponenten
oder Blöcke,
die die verschiedenen Teile der Vorrichtung enthalten, jedoch dem
Fachmann auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind, nicht im Detail,
sondern erwähnt
hingegen schematisch diejenigen Komponenten, die zur Gestaltung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sowie des Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung
erforderlich sind.
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2 zeigt
schematisch die tragbare Vorrichtung 10 für die Bestimmung
von horizontalen und vertikalen Positionen, d. h. von Positionen
längs der X-,
Y- und Z-Achsen.
Die horizontalen Positionen sind im Allgemeinen durch die (geographische)
Länge und
die (geographische) Breite definiert, während die vertikale Position
durch die Höhe
in Bezug auf die Meereshöhe
definiert ist.
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Die
tragbare Vorrichtung kann sowohl in einer Armanduhr mit elektronischer
Zeitanzeige als auch in einem Telephon oder einem anderen elektronischen
Gerät,
das auf den Menschen zugeschnitten und leicht zu transportieren
ist, eingebaut sein. Bei dieser Integration wird die Vorrichtung
durch eine Batterie oder einen Akkumulator für schwache Ströme der Uhr,
des Telephons oder des Geräts
gespeist.
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Die
Vorrichtung umfasst einen GPS-Empfänger 12, der über eine
Antenne 11 Funkwellen, die von mehreren Satelliten 20 ankommen,
empfängt,
Speichermittel 13 für
kartographische Daten, die in diesem Fall von Figur dem GPS-Empfänger 12 zugeordnet
sind, einen Höhenmesser
mit Drucksensor 15, der dazu bestimmt ist, Druckänderungen
zu messen, die in einen Höhenwert
umgewandelt werden, eine Verarbeitungseinheit 14, die vom
Empfänger
und vom Höhenmesser
zu verarbeitenden Informationen empfängt, und Anzeigemittel 16,
um wenigstens die horizontale und die vertikale Position, die durch
die Verarbeitungseinheit bearbeitet worden sind, anzuzeigen.
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Falls
die Vorrichtung 10 in eine Armanduhr mit analoger oder
digitaler Anzeige eingebaut ist, sind alle oben angeführten Komponenten
im Prinzip an einem gemeinsamen Träger befestigt, der eine gedruckte
Schaltung ist, mit Metallbahnen, die jede Komponente verbinden,
auf einer oder auf beiden Seiten eines isolierenden Substrats verwirklicht
sind und die Batterie für
die Stromversorgung anschließen.
Der Träger,
der alle Komponenten trägt,
ist in einem Gehäuse
der Uhr angeordnet, das wenigstens eine Öffnung nach außen belässt, um
durch den Sensor des Höhenmessers
den Druck zu messen.
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Zum
genauen Bestimmen der horizontalen und der vertikalen Position der
Vorrichtung reichen drei Satelliten aus, sofern der Taktgeber des
Empfängers 12 mit
jener der Atomuhren der Satelliten synchronisiert wird. Andernfalls
ist es erforderlich, den Empfänger
mit wenigstens vier Satelliten zu verbinden, wobei der vierte das
Aktualisieren der Zeitbasis des Empfängers, d. h. die Synchronisation
seines internen Taktgebers, ermöglicht.
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Dies
führt beispielsweise
bei von vier Satelliten empfangenen Signalen zur Lösung von
vier Gleichungen mit vier Unbekannten (X, Y, Z; t).
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Die
Bestimmung der Position bezieht sich auf die Bestimmung von Zeitintervallen
zwischen den Funksignalen, die durch den Empfänger von jedem der vier betreffenden
Satelliten, die ihre spezifische Nachricht mit ihren Ephemeriden
(GOLD-Code) jeweils gleichzeitig gesendet haben, empfangen werden.
Die Empfangszeit jedes Funksignals bestimmt folglich den Abstand
zwischen dem Empfangspunkt und dem entsprechenden Satelliten, da
der von jedem der Satelliten empfangene Code die Informationen über seine
Position auf der Umlaufbahn enthält.
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Als
Hinweis, die durch das Signal vom Satelliten zum Empfänger verbrauchte
Zeit, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, ergibt den Abstand,
der den Empfänger
vom Satelliten trennt, womit mit Hilfe von vier Satelliten die Position
der Vorrichtung in Bezug auf die Satelliten hergeleitet werden kann.
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In
einer ersten Phase muss der Höhenmesser 15 der
Vorrichtung 10 genau auf eine vorgegebene Höhe h geeicht
werden, um sich vor allem bei Rechenoperationen des Empfänger anlässlich einer Verwendung
der Vorrichtung wie sie weiter unten mit Bezug auf 3 näher erläutert wird,
auf den durch den Höhenmesser
angegebenen Höhenwert
stützen zu
können.
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Der
im Höhenmesser 15 verwendete
Drucksensor kann ein piezoresistiver Sensor herkömmlichen Typs sein, der auf
einem Element aus mikrobearbeitetem Silicium mit einer Membran,
wovon eine Seite dem Umgebungsdruck ausgesetzt wird und die andere
Seite in einer Wheatstone-Brücke
angeordnete Widerstände
trägt,
verwirklicht ist. Jede Druckänderung
ruft ein Ungleichgewicht der Brücke hervor,
das eine Spannungsänderung
zwischen den Ausgangsanschlüssen
der Brücke
ergibt. Der Sensor kann vom Typ AM761 sein, der von der Firma Intersema
Sensoric in Bevaix in der Schweiz vertrieben wird.
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Zum
Zeitpunkt des Aufbruchs zu einer Tour wird demzufolge der Höhenmesser
mit Drucksensor auf eine vorgegebene Höhe, die gewöhnlich vom GPS-Empfänger 12 stammt,
in Verbindung mit genauen kartographischen Daten eines Anwendungsbereichs
der Vorrichtung, die beispielsweise in einem Speicher 13 aufgezeichnet
sind, geeicht. Die genaue bekannte Höhe des Aufbruchsortes, die
beispielsweise dem Speicher 13 entnommen wird, wird der
Verarbeitungseinheit 14 zugeführt, die diese für eine Eichoperation
zum Höhenmesser
mit Drucksensor 15 weiterleitet.
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Zwischen
den durch den GPS-Empfänger berechneten
Positionsdaten und den genauen Daten von mehreren Referenzpunkten
einer im Speicher aufgezeichneten geographischen Karte wird normalerweise
ein Vergleich durchgeführt.
Wenn die horizontale Position (X, Y) oder die horizontale und die vertikale
Position (X, Y, Z) einem aufgezeichneten genauen Datenwert entsprechen,
wird wenigstens der dem Speicher entnommene genaue Wert der Höhe an die
Einheit für
die Eichung des Höhenmessers
gesendet.
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Der
in Verbindung mit dem GPS-Empfänger 12 verwendete
Speicher 13 ist beispielsweise ein EEPROM-Speicher. Bei
diesem Speicher ist es möglich, auf
elektrischem Wege kartographische Daten eines bestimmten Bereiches
zu programmieren, um im Speicher genaue X-, Y-, und Z-Werte eines
Ausgangsortes oder, bei einem Abstecher, auch Höhenlinien zu haben. Gewöhnlich wird
der Verarbeitungseinheit 14 der Z-Datenwert eines genauen
Ortes durch den Empfänger 12 übermittelt.
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Es
kommt in Betracht, anstelle des Speichers, der an dem mit allen
anderen Komponenten der Vorrichtung gemeinsamen Träger befestigt
ist, einen Speicher in modularer Form vorzusehen, der einem spezifischen
Bereich eigens zugewiesen ist. Der Wechsel einer Region verlangt
folglich das Wechseln des Speichermoduls.
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Selbstverständlich kann
die Eichung des Höhenmessers
auf eine vorgegebene Höhe
auch in völlig
anderer Weise als jener, die oben beschrieben worden ist, vorgenommen
werden, indem beispielsweise der Höhenwert mit Hilfe einer Tastatur
oder durch direktes Fernladen in die Verarbeitungseinheit eingeführt wird.
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Der
Höhenmesser 15 ist,
sobald er geeicht ist, dazu bestimmt, im Anschluss an die Eichung
bei einer Tour in Abhängigkeit
von meteorologischen Bedingungen, d. h. während einer Zeitspanne von
beispielsweise 5 bis 6 Stunden, in denen sich die Bedingungen nicht
zu stark ändern,
Druckmessungen, die in Hö hendaten
relativ zur vorgegebenen Höhe
umgewandelt werden, zu messen. Als Hinweis, eine Druckänderung
von 10 Hektopascal entspricht einer Höhendifferenz von 100 m.
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Der
genaue Höhenwert
h des geeichten Höhenmessers 15 wird
an die Verarbeitungseinheit 14 gesendet, die ein diesem
genauen Höhenwert
entsprechendes Signal an den GPS-Empfänger 12 schickt, um
diesem die Operationen zur Berechnung der horizontalen und vertikalen
zu erleichtern, wie oben erläutert
worden ist. Dadurch dass der Höhe des
Höhenmessers 15 Rechnung
getragen wird, können
die Iterationen des Empfängers
bei der Berechnung der Positionswerte X, Y (Länge und Breite) und Z verringert
werden.
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Nach
der Eichung des Sensors des Höhenmessers 15 könnte die
Vorrichtung 10 über
die Daten, die vom Empfänger 12 an
die Verarbeitungseinheit 14 geliefert werden, den Wert
der Höhe
Z oder h des Höhenmessers
und der Position nach X, Y (Länge
und Breite) nach Bedarf, indem beispielsweise auf einen der Vorrichtung
eigens zugewiesenen Steuerknopf gedrückt wird, oder automatisch
in gleichmäßigen Intervallen
auf den Anzeigemitteln bereitstellen.
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Wie
in 2 zu erkennen ist, umfassen die an die Verarbeitungseinheit 14 übertragenen
Daten, die vom GPS-Empfänger 12 und
vom Höhenmesser 15 stammen,
auch Parameter oder Faktoren für
die Qualität
der übertragenen
Daten.
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Vom
Empfänger 12 aus
werden mit DOPG bezeichnete Qualitätsparameter, die eine allgemeine Genauigkeitsminderung
definieren, gleichzeitig mit den Positionsdaten (X, Y, Z) gesendet.
Diese Parameter werden ebenfalls den Signalen entnommen, die von
den Satelliten 20, wo sie beispielsweise in HDOP für die horizontale
Position und in VDOP für die
vertikale Position zerlegt sein können, empfangen werden. Diese
Parameter vermitteln der Verarbeitungseinheit die Kenntnis über die
Genauigkeit der durch den Empfänger
berechneten Positionsdaten. Falls dieser Faktor 20 beträgt, bedeutet
dies, dass die Genauigkeit schlecht ist; wenn sich dieser Faktor
andererseits 1 annähert,
bedeutet dies, dass die Genauigkeit gut ist. Die Verarbeitungseinheit
sendet diesen Zusatzdatenwert zur Anzeige an den Anzeigemitteln 16,
um dem Benutzer der Vorrichtung die Qualität der ausgeführten Messung
mitzuteilen.
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Vom
Höhenmesser 15 aus
wird der Qualitätsfaktor
QUAL gleichzeitig mit dem Höhenwert
h zur Verarbeitungseinheit gesendet. Dieser Faktor kann beispielsweise
die Genauigkeit der vom Höhenmesser
gelieferten Höhe
in Abhängigkeit
von der seit der vorhergehenden Eichung des Drucksensors des Höhenmes sers 15 verstrichenen
Zeit repräsentieren. Er
besitzt unmittelbar nach der Eichung den Wert 1 und nimmt in Abhängigkeit
von der Zeit, die während einer
Zeitspanne von 5 bis 6 Stunden verstreicht, wie oben angegeben worden
ist, in nahezu linearer Weise ab.
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In
der Verarbeitungseinheit wird ein Vergleich zwischen den Qualitätsparametern
DOPG und dem Faktor QUAL durchgeführt. Im Anschluss an diesen
Vergleich kann die Verarbeitungseinheit, falls der Faktor QUAL kleiner
als der Höhenparameter
der Parameter DOPG ist, die Notwendigkeit einer erneuten Eichung
des Sensors entscheiden, damit dieser in der Folge für alle nachfolgenden
Operationen zur Berechnung der Position eine auf einer neuen vorgegebenen
Höhe basierenden
Höhenwert
an den GPS-Empfänger
liefern kann.
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Es
ist noch anzumerken, dass die Genauigkeit in der Horizontalen auch
dann, wenn die Höhe sehr
genau ist, stets bei ±100
m bleibt. Dennoch wird dank der Rückführschleife für den Wert
der Höhe,
der vom Sensor ankommt, die Zeit für die Rechenoperationen des
Empfängers
stark verringert und daher auch der Verbrauch des Empfängers begrenzt.
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Bei
einer Tour können
die durch den GPS-Empfänger 12 berechneten
Positionen X, Y sowie der genaue Höhenwert jederzeit im Speicher 13 aufgezeichnet
werden, um die Anzahl der Referenzpunkte von registrierten geographischen
Orten zu erhöhen.
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Die
Vorrichtung 10 kann außerdem
dazu verwendet werden, meteorologische Vorhersagen zu bewerten.
Auf einer gleichen bekannten und aufgezeichneten Höhe kann
jede Druckänderung
des Drucksensors des Höhenmessers 15 in
Bezug auf einen Druckwert einer vorhergehenden Eichung barometrische
Tendenzen widerspiegeln. Die Verarbeitungseinheit nimmt in diesem
Fall den durch den Höhenmesser
gesendeten Höhenwert
und vergleicht ihn mit einem aufgezeichneten vorhergehenden Wert einer
gleichen Höhe.
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Falls
die Veränderung
des Höhenwertes
des Höhenmessers
positiv ist, bedeutet dies eine Tendenz zu Tiefdruck. Falls die
Veränderung
des Höhenwertes
des Höhenmessers
negativ ist, bedeutet dies eine Tendenz zu Hochdruck.
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Diese
durch die Verarbeitungseinheit verarbeiteten Informationen können durch
die Vorrichtung angezeigt werden, um ihrem Benutzer vor dem Aufbruch
zu einer Tour, und bevor der Höhenmesser
erneut auf eine genaue gespeicherte Höhe geeicht werden muss, eine
Angabe über
die meteorologischen Bedingungen zu liefern. Als Hinweis, es kann Bezug
auf die europäische
Patentanmeldung
EP 0 670 532 der
Anmelderin, die eine Uhr mit Wettervorhersage beschreibt, genommen
werden.
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Eine
klimatische Veränderung
bemisst sich auf 0,6 bis 1,6 mbar/h zwischen einer schwachen und einer
starken klimatischen Störung,
während
der Messwert einer Höhenänderung
in der Größenordnung
von 30 mbar/h für
eine Höhe
von 300 m liegt, was über
die klimatischen Veränderung
bei einer Tour weit hinaus geht. Sobald der Höhenmesser geeicht ist, kann
die von diesem während
einer langen Zeitspanne des Tages angegebene Höhe bei schwachem Einfluss der
klimatischen Veränderung
als genau angenommen werden. Andererseits können über einen Tag hinaus und vor
einer weiteren Tour die klimatischen Veränderungen durch die Einheit
für die Wettervorhersage
des kommenden Tages kontrolliert werden.
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3 zeigt
die elektronischen Blöcke
des GPS-Empfängers,
der mit Speichermitteln wie etwa einem EEPROM-Speicher 13,
der oben mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, verbunden
ist, ausführlicher.
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Der
Empfänger
umfasst eine Antenne 11, um die Funksignale mit einer Trägerfrequenz
von 1,57542 GHz, die von mehreren Satelliten 20 ankommen,
zu empfangen, eine erste Funkfrequenz-Umsetzschaltung 21,
die die Signale 31 von der Antenne 11 empfängt, um
eine Herabsetzung der Frequenz der Signale 31 vorzunehmen,
um Signale 32 mit einer Frequenz in der Größenordnung
von 180 MHz zu liefern, eine zweite Umsetzschaltung 22,
die die Signale 32 empfängt,
um eine Herabsetzung der Frequenz der Signale 32 vorzunehmen,
um Signale 33 mit einer Frequenz in der Größenordnung
von 4 MHz zu liefern, einen Korrelator 23, der die Signale 33 empfängt und
eine Reihe von Herabsetzungsstufen umfasst, um den über die
Antenne empfangenen Signalen die spezifischen Codes jedes Satelliten
zu entnehmen, einen 8-Bit-Mikrocontroller 24, der über die
Leitungen 34 mit dem Korrelator 23 in Verbindung steht,
um die Informationen vom Korrelator zu empfangen und ihm Befehle
zu geben.
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Die über die
Leitungen 34 des Korrelators 23 zum Mikrocontroller 24 übertragenen
Daten besitzen normalerweise eine Frequenz von 50 Hz, während der
Mikrocontroller mit einem Taktsignal in der Größenordnung von 8 MHz arbeitet
und außerdem
die Synchronisation des Korrelators 23 ermöglicht.
Wie oben beschrieben worden ist, muss diese Zeitbasis auf die Zeitbasis
der Satelliten synchronisiert werden.
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Da
die erste Funkfrequenz-Umsetzschaltung 21 mehr Energie
als die anderen Komponenten des Empfängers verbraucht, wird sie
nur beim Empfangen eines jeden Funksignals und beim Senden zur zweiten
Umsetzschaltung eingeschaltet.
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Jeder
spezifische Code der Satelliten, der auf die Trägerfrequenz von 1,57542 GHz
moduliert ist, wird als Gold-Code bezeichnet. Dieser Code ist ein
Code mit einer Frequenz von 1,023 MHz (1023 Bits), der sich alle
Millisekunden (1 ms) wiederholt.
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Beim
Empfang des GPS-Signals zuzüglich des
Nutzsignals übertrifft
ein Rauschen mit einer viel größeren Amplitude
(+20 dB) das Signal, das den GPS-Signalen
entnommen werden soll. Folglich muss beim Empfang die Form des Signals
bekannt sein, um im Korrelator 23 das empfangene Signal
mit einem bekannten Nutzsignal korrelieren zu können, wobei dann, wenn eine Äquivalenz
auftritt, erkannt wird, welches das eigentliche Signal des Satelliten ist,
wobei das Rauschen beseitigt oder herausgefiltert worden ist. Das
bekannte Signal ist im Mikrocontroller 24 gespeichert,
der es zum Finden dieser Äquivalenz
zum Korrelator 23 schickt.
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Der
Mikrocontroller 24 gibt außerdem dem Korrelator 23 Befehle,
um diesen zu veranlassen, sich auf den Kanal desjenigen unter den
Satelliten aufzuschalten, mit dem eine Kommunikation stattfinden
kann. Wenn ein Satellit auf Verlangen des Mikrocontrollers während einer
Zeitspanne nicht erreicht werden kann, gibt der Mikrocontroller 24 einen
weitern Befehl an den Korrelator 23 aus, damit dieser sich
mit einem anderen verfügbaren
der Satelliten verbinden kann. Je größer die Anzahl fraglicher Satelliten
ist, je höher
ist die Genauigkeit, jedoch sind wenigstens vier Satelliten unerlässlich.
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Der
Mikrocontroller 24 empfängt
den genauen Höhenwert
Z = h von der Verarbeitungseinheit, um die Rechenoperationen des
Empfängers
zu erleichtern, damit dieser schneller zur Lösung konvergieren kann. Nach
der Bestimmung der horizontalen und der vertikalen Position wird
ein Vergleich mit den im Speicher aufgezeichneten Daten durchgeführt, um
zu erfassen, ob die aufgezeichneten genauen Daten jenen entsprechen,
die durch den Empfänger
berechnet worden sind. Die Positionsdaten (X, Y, Z) sowie die Qualitätsparameter
DOPG werden zur Verarbeitungseinheit übertragen, um verarbeitet und
an den Anzeigemitteln angezeigt zu werden.
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Der
8-Bit-Mikrocontroller kann jener sein, der unter der Bezeichnung
Cool-RISC-816 von
EM Microelectronic-Marin SA in der Schweiz vertrieben wird.
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In 4 ist
die Verarbeitungseinheit für
das Management der vom Empfänger
und vom Höhenmesser
empfangenen Daten, die einen 8-Bit-Mikrocontroller enthält, näher gezeigt.
Sie umfasst einen Eingangs/Ausgangs-Block 41, der die Daten
vom Empfänger
und vom Höhenmesser
empfängt
und am Ausgang Daten, zum einen h = Z für den Höhenmesser und zum anderen Z
= h für
den Empfänger,
liefert, einen Mikroprozessor 42, der durch einen Oszillatorblock 43 mit
einem Quarz 44 mit einer Frequenz von 32 kHz getaktet wird
und über
die Leitungen 50 mit dem Block 41 verbunden ist,
einen ROM-Speicher 45, der über Leitungen 53 mit
dem Mikroprozessor 42 verbunden ist, einen RAM-Speicher 46 zur
Datenspeicherung, der über
Leitungen 52 mit dem Mikroprozessor 42 in Verbindung
steht, und eine Treiberschaltung 47 für die Anzeigemittel wie etwa
eine Flüssigkristallanzeige,
die über
die Leitungen 51 des Mikroprozessors 42 Informationen
empfängt.
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Der
Eingangs/Ausgangs-Block 41 empfängt die Positionsdaten (X,
Y, Z) vom GPS-Empfänger,
die Qualitätsparameter
DOPG der Positionsdaten, den Höhenwert
h vom Höhenmesser
und den Qualitätsfaktor
QUAL vom Höhenmesser.
In diesem durch den Mikroprozessor 42 durch Befehle gesteuerten
Block kann eine Schaltung für
einen Vergleich, insbesondere für
einen Vergleich zwischen den Qualitätsparametern DOPG mit dem Qualitätsfaktor
QUAL, wie oben beschrieben worden ist, vorgesehen sein.
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Im
RAM-Speicher 46 können
beispielsweise Höhenwerte,
die von dem geeichten Höhenmesser oder
vom Empfänger
empfangen werden, gespeichert werden, um ebenfalls für die anzuzeigenden meteorologischen
Vorhersagen dienen zu können.
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Der
Mikroprozessor ist vorzugsweise ein von EM Microelectronic-Marin
SA in der Schweiz vertriebener PUNCH-8-Bit-Mikroprozessor.
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Falls
die Vorrichtung in ein Zeitmessgerät eingebaut ist, dient der
Oszillatorblock 43 mit dem Quarz 44 auch als Zeitbasis
für die
Zeitgeberfunktionen.
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Anhand
der soeben ausgeführten
Beschreibung können
im Ermessen des Fachmanns mehrere Ausführungsvarianten konzipiert
werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kommt
in Betracht, den Speicher, der die kartographischen Daten enthält, anstatt
mit dem Empfänger
mit der Verarbeitungseinheit zu verbinden. Unter diesen Bedingungen
würde der
Vergleich mit den durch den Empfänger
berechneten Positionsdaten in der Verarbeitungseinheit und nicht
mehr im Empfänger
erfolgen.