DE60111206T2

DE60111206T2 - Tragbarer gps-empfänger, welcher einen barometrischen höhenmesser verwendet

Info

Publication number: DE60111206T2
Application number: DE60111206T
Authority: DE
Inventors: Pierre-Andre Farine; Jean-Daniel Etienne
Original assignee: Asulab AG
Current assignee: Asulab AG
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-02-21
Also published as: EP1136788A1; JP2004500573A; CN1426528A; HK1056391A1; DE60111206D1; WO2001071281A1; EP1269116B1; EP1269116A1; ATE297008T1; CN1325876C; US6882308B2; US20040054470A1

Description

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.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren für die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen, um die Vorrichtung zu betreiben.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung der Vorrichtung für die Bewertung meteorologischer Bedingungen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein weiteres Ziel, das sich zum Lösen der Aufgabe der Erfindung anbietet, besteht in einer Verwendung der Vorrichtung, um meteorologische Vorhersagen bewerten zu können.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
1 eine Vorrichtung für die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen gemäß dem Stand der Technik zeigt, die oben beschrieben worden ist,
2 schematisch eine tragbare Vorrichtung für die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen gemäß der Erfindung zeigt,
3 den GPS-Empfänger und den ihm zugeordneten Speicher der Vorrichtung von 2 ausführlicher zeigt und
4 die Verarbeitungseinheit der Vorrichtung von 2 ausführlicher zeigt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Dies führt beispielsweise bei von vier Satelliten empfangenen Signalen zur Lösung von vier Gleichungen mit vier Unbekannten (X, Y, Z; t).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der 8-Bit-Mikrocontroller kann jener sein, der unter der Bezeichnung Cool-RISC-816 von EM Microelectronic-Marin SA in der Schweiz vertrieben wird.
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.
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.
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.
Der Mikroprozessor ist vorzugsweise ein von EM Microelectronic-Marin SA in der Schweiz vertriebener PUNCH-8-Bit-Mikroprozessor.
Falls die Vorrichtung in ein Zeitmessgerät eingebaut ist, dient der Oszillatorblock 43 mit dem Quarz 44 auch als Zeitbasis für die Zeitgeberfunktionen.
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.

Claims

Tragbare Vorrichtung für die Bestimmung horizontaler und vertikaler Positionen, wobei die Vorrichtung einen Höhenmesser (15) mit Drucksensor, der auf eine vorgegebene Anfangshöhe geeicht ist, einen GPS-Signalempfänger (12), der so beschaffen ist, dass er Signale empfängt, die von mehreren Satelliten (20) ankommen, um Positionsdaten der Vorrichtung (10) zu berechnen, eine Verarbeitungseinheit (14), die die Positionsdaten vom Empfänger (12) und einen Höhenwert des Höhenmessers (15), der auf Druckmessungen des Drucksensors in Bezug auf die vorgegebene Höhe basiert, empfängt, und Anzeigemittel (16) für die horizontale und vertikale Position der Vorrichtung, die von der Verarbeitungseinheit verarbeitet und geliefert werden, wobei die Vorrichtung durch eine Batterie oder einen Akkumulator versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (14) an einen Mikrocontroller (24) des GPS-Empfängers (12) ein Signal (Z = h) schickt, das dem Höhenwert des geeichten Höhenmessers (15) entspricht, um die Rechenzeit des Mikrocontrollers (24) des Empfängers (12) zu verringern, indem die Anzahl von Iterationen der Rechenoperationen der Positionsdaten der Vorrichtung verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem GPS-Empfänger (12) Speichermittel (13), die kartographische Daten eines Gebietes enthalten, zugeordnet sind, um ihm zu ermöglichen, an die Verarbeitungseinheit (14) in dem Fall, in dem die durch den Empfänger berechnete Position einem in dem Speichermitteln aufgezeichneten geographischen Punkt entspricht, präzise Positionsdaten zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel (13) ein nichtflüchtiger Speicher des EEPROM-Typs sind, in den die kartographischen Daten elektrisch eingegeben und aus dem sie elektrisch gelöscht werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermittel (13), die kartographische Daten eines Gebietes enthalten, in ein Modul eingebaut sind, das von der Vorrichtung abnehmbar ist, um das Modul in Abhängigkeit von einem bestimmten geographischen Gebiet, in dem die Vorrichtung verwendet wird, wechseln zu können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (12) und die Verarbeitungseinheit (14) jeweils einen Mikrocontroller (24, 42) mit geringem Verbrauch, insbesondere einen 8-Bit-Mikrocontroller, enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Operationen in dem Empfänger mit Taktfrequenzen oberhalb von MHz getaktet werden, während die Operationen in der Verarbeitungseinheit mit Taktfrequenzen unterhalb von 100 kHz getaktet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (12), der Höhenmesser (15), die Verarbeitungseinheit (14) und die Speichermittel (13) auf demselben Träger befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in ein Zeitmessgerät, insbesondere eine Armbanduhr, oder in ein tragbares Telephon eingebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (12) so beschaffen ist, dass er an die Verarbeitungseinheit (14) zusätzlich zu den Positionsdaten (X, Y, Z) Qualitätsparameter (DOPG), die aus Funkwellen gewonnen werden, die von Satelliten (20) gesendet werden, schickt, damit die Verarbeitungseinheit (14) die Genauigkeit der vom Empfänger empfangenen Positionsdaten bestimmen kann.
Verfahren für die Bestimmung horizontaler und der vertikaler Positionen, um die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Eichen des Höhenmessers (15) mit Drucksensor auf eine vorgegebene Anfangshöhe mit Hilfe von Daten, die von der Verarbeitungseinheit (14) verarbeitet und geliefert werden, – Senden eines Höhenwertes des geeichten Höhenmessers (15) an die Verarbeitungseinheit (14), – Schicken eines Signals (Z = h), das dem Höhenwert des geeichten Höhenmessers (15) der Verarbeitungseinheit (14) entspricht, an einen Mikrocontroller (24) des GPS-Empfängers (12), um eine Verringerung der Rechenzeit des Mikrocontrollers (24) des Empfängers zu ermöglichen, indem die Anzahl der Iterationen der Rechenoperationen für die Positionsdaten in Abhängigkeit von den empfangenen Funkwellen mehrerer Satelliten (20) verringert wird, und – Senden der berechneten Positionsdaten durch den Empfänger (12) zu der Verarbeitungseinheit (14), damit sie verarbeitet und in den Anzeigemitteln (16) angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten für die Eichung des Höhenmessers (15) auf eine vorgegebene präzise Höhe aus Speichermitteln (13) erhalten werden, die kartographische Daten eines Gebietes enthalten und dem GPS-Empfänger (12) zugeordnet sind, um sie an die Verarbeitungseinheit (14) zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (12) zusätzlich zu den Positionsdaten Qualitätsparameter (DOPG) sendet, die aus von Satelliten (20) empfangenen Funkwellen entnommen werden, damit die Verarbeitungseinheit (14) die Genauigkeit der vom Empfänger empfangenen Positionsdaten bestimmen kann.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenmesser (15) zusätzlich zu dem Höhenwert an die Verarbeitungseinheit (14) einen Qualitätsfaktor (QUAL) des Höhenwertes sendet und dass in der Einheit ein Vergleich zwischen den Qualitätsparametern (DOPG) des Empfängers und dem Qualitätsfaktor (QUAL) des Höhenmessers ausgeführt wird, um die anzuzeigenden präzisen horizontalen und vertikalen Positionen zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenmesser erneut auf eine vorgegebene Höhe geeicht wird, falls das Ergebnis des Vergleichs zeigt, dass die vom Empfänger stammenden Qualitätsparameter (DOPG) besser als der vom Höhenmesser stammende Qualitätsfaktor (QUAL) sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am selben Ort mit gespeicherter Höhe die in Höhenänderungen umgewandelten Druckänderungen des Sensors des Höhenmessers (15) dazu dienen, in der Verarbeitungseinheit (14) anzuzeigende meteorologische Bedingungen zu bestimmen, wobei der Höhenmesser anschließend auf die gespeicherte Höhe geeicht wird.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 für die Bewertung meteorologischer Bedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenmesser (15) 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 (14) liefert, damit sie anzuzeigende meteorologische Bedingungen bestimmt.