DE69032415T2

DE69032415T2 - Integriertes Fahrzeugpositionier- und -Navigationssystem, dessen Vorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE69032415T2
Application number: DE69032415T
Authority: DE
Inventors: Dana A Christensen; Douglas W Friedrich; Adam J Gudat; Christos T Kyrtsos; James W Sennott; Darrell E Stafford
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2010-12-11
Also published as: EP0604404B1; EP0679973A2; DE69033907T2; EP0679904B1; EP0604404A3; DE69033831D1; EP0936516B1; DE69033973T2; DE69033753T2; JP2000029518A; EP0936516A2; EP0679976A2; EP0507845A1; AU5083290A; EP0679975A3; EP0936521A3; EP0679904A2; JP2000028699A; WO1991009375A1; JP3442687B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Positioniersystem und insbesondere auf Positioniersysteme sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Erdposition eines autonomen Fahrzeugs auf oder nahe der Erdoberfläche.
Verschiedene Regierungen einschließlich der Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika entwickeln derzeit terrestrische Positionsbestimmungssysteme, die allgemein als globale Positioniersysteme (GPS) bezeichnet werden. In einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten in einer Umlaufbahn um die Erde herum angeordnet. Die GPS-Satelliten sind derart konstruiert, daß sie elektromagnetische Signale übertragen. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (die Position bezüglich des Erdmittelpunktes) von jedem Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche schließlich bestimmt werden. Die US-Regierung hat ihr GPS als "NAVSTAR" bezeichnet. Im Jahr 1993 wurde das NAVSTAR GPS als Betriebsbereit erklärt. Darüber hinaus entwickelt die Sowjetunion ein GPS- System, das als "GLONASS" bekannt ist und dem NAVSTAR GPS im wesentlichen ähnelt.
Bei dem NAVSTAR GPS wird ins Auge gefaßt, daß vier umlaufende GPS Satelliten vorhanden seien, und zwar in jeweils sechs gesonderten Umlaufbahnen. Insgesamt werden 24 GPS- Satelliten in jedem Zeitpunkt im Umlauf sein, wobei 21 Satelliten betriebsbereit sind und drei GPS-Satelliten als Ersatzsatelliten dienen. Die drei GPS-Satellitenumlaufbahnen besitzen gegenseitig senkrechte oder orthogonale Ebenen bezüglich der Erde. Die GPS-Satellitenumlauf bahnen sind weder polare Umlaufbahnen noch äquatoriale Umlaufbahnen. Darüber hinaus werden die GPS-Satelliten die Erde einmal alle 12 Stunden umlaufen.
Unter Verwendung des NAVSTAR GPS kann die relative Position der umlaufenden GPS-Satelliten bezüglich jedes Erdempfängers aus elektromagnetischen Signalen bestimmt werden. Die relative Position wird üblicherweise als ein "Pseudo range" (Pseudobereich) bezeichnet. Darüber hinaus kann die relative Position durch zwei Verfahren berechnet werden.
Ein Verfahren besteht darin, daß man die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen der Sendung und dem Empfang von austretenden elektromagnetischen Signalen bestimmt oder mißt. In dem NAVSTAR GPS werden die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit zu der die Signale von den GPS Zeitwerten übertragen werden kodiert. Es braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, daß man die Empfangszeit feststellen kann und die kodierte Übertragungszeit abziehen kann um so die Zeitverzögerungen zu ermitteln. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und aus der Kenntnis der Geschwindigkeit mit der die elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre laufen, können die Pseudobereich oder "pseudo ranges" genau abgeleitet werden. Die mit dem eben genannten verfahren berechneten Pseudobereiche werden im Zusammenhang mit diesem Dokument als "aktuelle" oder "tatsächliche" Pseudobereiche oder "pseudo range" bezeichnet.
Ein weiteres Verfahren verwendet Satellitenpositionsdaten, die in den elektromagnetischen Signalen kodiert sind, die von den umlaufenden Satelliten ausgesendet werden. Allmanach-Daten, die sich auf die Satellitenposition des NAVSTAR GPS beziehen sind öffentlich erhältlich. Die Bezugnahme auf diese Allmanach-Daten bezüglich Daten kodiert in den elektromagnetischen Signalen, gestattet eine genaue Ableitung der Pseudobereiche. Pseudobereiche berechnet unter Verwendung des eben genannten Verfahrens werden in diesem vorliegenden Dokument als "geschätzte" Pseudobereiche oder "pseudo ranges" bezeichnet.
Bezüglich des zuvor genannten Verfahrens der Ableitung von geschätzten Pseudobereichen sei jedoch bemerkt, daß die Satellitenpositionsdaten an dem GPS-Satelliten nur einmal pro Stunde zur vollen Stunde auf den neuesten Stand gebracht werden. Infolgedessen nimmt die Genauigkeit eines geschätzten Pseudobereiches über die Zeit hinweg nach jeder vollen Stunde bis zur nächsten vollen Stunde ab, wenn ein neuer geschätzter Bereich unter Verwendung der auf den neuesten Stand gebrachten Satellitenpositionsdaten berechnet wird. Ferner kann bei Kenntnis der relativen Position von mindestens drei der umlaufenden GPS-Satelliten die absolute terrestrische Position (d. h. Länge, Breite und Höhe bezüglich der Erdmitte) irgendeines Erdempfängers durch einfache geometrische Theorie berechnet werden basierend auf Triangolationsverfahren. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung hängt teilweise von der Zahl der getasteten umlaufenden GPS-Satelliten ab. Wenn mehr GPS-Satelliten bei der Berechnung verwendet werden, so kann die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung erhöht werden.
Üblicherweise werden vier GPS-Satelliten getastet oder verwendet, um jede terrestrische Positionsabschätzung zu bestimmen, da Fehler infolge von Schaltungsclock- oder taktdifferenzen beim Erdempfänger und verschiedenen GPS- Satelliten auftreten. Takt- oder Clockdifferenzen können mehrere Millisekunden betragen. Wenn der Takt des Erdempfängers mit dem der GPS-Satelliten synchronisiert wäre, dann würden nur drei GPS-Satelliten erforderlich sein die getastet werden müssen, um die Stelle des Erdempfängers zu bestimmen.
Bei dem NASTAR GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten mit einer einzigen Trägerfrequenz übertragen. Jeder der GPS-Satelliten besitzt jedoch ein unterschiedliches Modulationsschema, wodurch die Signale unterschieden bzw. differenziert werden können. Bei dem NAVSTAR GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudozufalls (pseudo random) Signals moduliert, welches für jeden GPS-Satelliten einzigartig oder kennzeichnend ist. Infolgedessen können die umlaufenden GPS-Satelliten in dem NAVSTAR GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Ferner sieht das NAVSTAR GPS zwei Modulationsarten der Trägerwelle vor, und zwar unter Verwendung von Pseudorandom- oder Pseudozufallszahlensignalen (pseudo -random number) (PRN-Signalen). Bei einer als "Groberfassungs"- Betriebsart (course-aquisition"C/A")-Betriebsart ist das PRN-Signal eine Goldcodesequenz mit einer Chiprate von 1,023 MH. Die Goldcodesequenz ist eine bekannte konventionelle Pseudo random oder Pseudozufallssequenz des Standes der Technik. Ein Chip ist ein individueller oder einzelner Impuls des Pseudorandumcodes. Die Chiprate einer Pseudoransomcodesequenz ist die Rate, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiederholsrate dividiert durch die Anzahl der Glieder im Code. Demgemäß existieren bezüglich der Grob/Aquisitionsbetriebsart des NAVSTAR GPS 1023 Chips in jeder Goldcodesequenz und die Sequenz wir einmal alle Millisekunden wiederholt. Die Verwendung der 1,023 Megaherz Goldcodesequenz von 4 umlaufenden GPS- Satelliten ermöglicht die Bestimmung der terrestrischen Position eines Erdempfängers mit einer angenäherten Genauigkeit innerhalb 60 bis 300 Meter.
Die zweite Modulationsbetriebsart in dem NAVSTAR GPS wird im allgemeinen als die "präzise" oder "geschützte" (P) Betriebsart ("precise" oder "protected" (P)-Betriebsart) bezeichnet. In der P-Betriebsart hat der Pseudorandomcode eine Chiprate von 10,23 Megaherz. Darüber hinaus sind die P-Mode oder P-Betriebsartsequenzen extrem lang, so daß sich die Sequenzen nicht mehr als einmal alle 276 Tage wiederholen. Infolge dessen kann die terrestrische Position irgendeines Erdempfängers mit einer annähernden Genauigkeit von 16 bis 30 Metern bestimmt werden. Die P- Modesequenzen sind jedoch geheim und werden von der Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika nicht öffentlich verfügbar gemacht. Anders ausgedrückt, ist die P- Betriebsart nur für Erdempfänger, soweit sie durch die US-Regierung autorisiert sind, bestimmt.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von den unterschiedlichen umlaufenden GPS-Satelliten unterscheiden oder dazwischen differenzieren können, verwenden die Erdempfänger normalerweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Goldcodequellen für die örtliche Erzeugung der Goldcodesequenzen. Jede örtlich abgeleitete Goldcodesequenz entspricht jeder einzigen Goldcodesequenz von jedem der GPS-Satelliten.
Die örtlich abgeleiteten Goldcodesequenzen und die übertragenen Goldcodesequenzen sind kreuzkorreliert miteinander über Goldcodesequenzintervalle von 1 Millisekunde. Die Phase der örtlich abgeleiteten Goldcodesequenzen ändert sich auf einer Chip-für-Chip Basis und sodann innerhalb eines Chips, bis die maximale Kreuzkorrelationsfunktion erhalten ist. Da die Kreuzkorrelation für zwei Goldcodesequenzen eine Länge von 1.023 Bits besitzt und annähernd 16 Mal größer ist als die Kreuzkorrelationsfunktion irgendeiner der anderen Kombinationen von Goldcodesequenzen, ist es relativ leicht die örtlich abgeleitete Goldcodesequenz auf die gleiche Goldcodesequenz zu "verriegeln" die durch einen der GPS-Satelliten übertragen wurde.
Die Goldcodesequenzen von mindesten vier der GPS- Satelliten im Gesichtsfeld eines Erdempfängers werden auf diese Weise unter Verwendung eines einzigen Kanals getrennt, der sequentiell auf jede der örtlich abgeleiteten Goldcodesequenzen abspricht oder alternativ durch Verwendung von parallelen Kanälen, die gleichzeitig auf unterschiedliche Goldcodesequenzen ansprechen. Nachdem vier örtlich abgeleitete Goldcodesequenzen in Phase in mit den Goldcodesequenzen empfangen von vier GPS-Satelliten im Gesichtsfeld des Erdempfängers "verriegelt" wurden, kann die relative Position des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von ungefähr 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die eben angegebene angenäherte Genauigkeit des NAVSTAR GPS wird durch folgendes beeinflußt: (1) die Anzahl der Signale übertragenden GPS-Satelliten auf die der Erdempfänger effektiv anspricht (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale und (3) die Größe der Kreuzkorrelationsspitzen zwischen empfangenen Signalen von den unterschiedlichen GPS-Satelliten.
Da mehrfach PRN-Signale gleichzeitig am Erdempfänger empfangen werden, existiert eine gemeinsames Zeitintervall wo einige Codes in Konflikt stehen können. Anders ausgedrückt, bewirken die Codes ein Verschlechterung bei den Messungen der Ankunftszeit jedes empfangenen PRN, und zwar wegen der Kreuzkorrelationen zwischen in Konflikt stehenden empfangenen Signalen.
Die Ankunftszeitmessung für jedes PRN-Signal wird durchgeführt durch Bestimmung der Zeit einer Spitzenamplitude der Kreuzkorrelation zwischen der Goldcodesequenz des empfangenen PRN-Signals und dem örtlich abgeleiteten PRN- Signal. Wenn ein örtlich abgeleitetes PRN-Signal einem empfangenen PRN-Signal überlagert wird wodurch die Durch schnittszeit ihrer Kreuzkorrelation erhöht wird, nimmt der durchschnittliche Rauschbeitrag ab. Da jedoch die Kreuzkorrelationsfeder zwischen empfangenen PRN-Signalen periodisch sind hat die Vergrößerung der Durchschnittszeit auch einen Anstieg sowohl des Fehlersignals als auch des Kreuzkorrelationswertes zwischen empfangenen PRN's gleichfalls zur Folge. Demzufolge werden Fehler die sich auf die Ankunftszeit der PRN-Signale beziehen durch die Kreuzkorrelation nicht reduziert.
Darüber hinaus beschreibt PROCEEDINGS OF THE IEEE, Band 77, Nr. 11, November 1989, NW YORK US, Seiten 1709 - 1727, "Applicability of an Augmented GPS for Navigation in the National Airspace System", L. SHUHMANN ET AL, den sogenannten Differential-GPS (DGPS).
Ferner ist zusätzlich zum GPS bekannt Trägheitssysteme in Navigationssystemen zu verwenden, um Positionsabschätzungen von Fahrzeugen zu erhalten. Eine derartige Trägheitsbezugseinheit (inertial reference unit = IRU) erhält spezielle Kraftmessungen aus Beschleunigungsmessern in einem Bezugskoordinatenrahmen, der durch Gyroskope, d. h. Kreisel oder Gyros stabilisiert ist. Eine IRU kann unterschiedliche Typen besitzen, beispielsweise der Laserbauart, der mechanischen Bauart oder der faseroptischen Bauart. bei einem nichtunterstützten Navigationssystem unter Verwendung einer IRU wird die bestimmte Kraft (korrigiert hinsichtlich der Effekte der Schwerkraft der Erde) wie sie durch einen Beschleunigungsmesser gemessen wird, und zwar in einer mathematischen Navigationsgleichung um die Position und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu ergeben.
Die Instrumentenmessungen der IRU können in einem unterschiedlichen rechtwinkligen Koordinatenrahmen oder System spezifiziert werden als die im Bezugsnavigationsrahmen, und zwar abhängig von der Plattformimplementierung. Der üblichste Bezugsnavigationsrahmen für nahe der Erde erfolgende Navigation ist der örtliche Pegelrahmen (locallevel frame)(Ost-Nord-vertikal). Es gibt mehrere Kreiselplattform-Implementationen zusammen mit dem erwähnten Bezugsnavigationsrahmen.
In einer kardanisch aufgehängten örtlichen den Nordpegel suchenden IRU sind die Kreisel- und Beschleunigungsmesser auf einer Plattform angebracht, die einem Drehmoment ausgesetzt ist, um den Plattformpegel und Azimuth nach Norden weisend zu halten. Die Plattform ist die Bezugsebene. Im Gegensatz dazu wird in einem kardanisch aufgehängten Lokalpegelazimuthwander-IRU die Plattform auf Niveau gehalten, aber nicht um die Vertikalachse verdreht.
Ferner sind bei einem vereinfachten IRU die Kreisel- und Beschleunigungsmesser direkt am Fahrzeugkörper angebracht. Diese messen die lineare und Winkelbewegung des Fahrzeugs relativ zum Trägheitsraum. Die Bewegung wird in Fahrzeugkoordinaten ausgedrückt. Bei einem vereinfachten IRU ist es daher notwendig erstens die Höhe des Fahrzeugs bezüglich des Referenznavigationsrahmens zu berechnen. Sodann wird die berechnete Höhe dazu verwendet, um die Beschleunigungsmessungen in den Bezugsraum zu transfor mieren. Nachdem die Beschleunigungsmesserdaten eines vereinfachten IRU in den Bezugsrahmen extrapoliert sind, ist die Lösung der Navigationsgleichungen, die oben erwähnt wurden, identisch in sowohl der kardanisch aufgehängten IRU und der vereinfachten IRU.
In der vereinfachten IRU werden die Höhenberechnungen, die zur Auflösung der Beschleunigungsmessungen erforderlich sind normalerweise mit einer hohen Geschwindigkeit oder Rate ausgeführt. Die Berechnungen leiden an numerischen Fehlern, wegen der begrenzten Computerbytegröße und dem verfügbaren Durchsatz. Diese Berechnungsfehler hängen von dem Frequenzansprechen der Sensorschleife, der Datenrate und der Auflösung und Größe des Sensorausgangs oder der Sensorausgangsgröße zur Tast- oder Samplingzeit ab.
Beträchtliche Vorteile ergeben sich jedoch durch die Verwendung des vereinfachten IRU's anstelle des kardanisch aufgehängten IRU's. Die vereinfachten IRU's sind weniger kostspielig. Darüber hinaus sind die vereinfachten IRU's körperlich kleiner. Somit macht das Potential der Realisierung von Größen- und Kosteneinsparungen bei den IRU's die vereinfachten IRU's attraktiv, sowohl für militärische als auch kommerzielle Anwendungsfälle.
Die Leistungsfähigkeit von Navigationssystemen unter Verwendung von IRU'S ist in erster Linie durch Fehler begrenzt, die durch die verschiedenen vorhandenen Sensoren innerhalb der IRU's beigetragen werden. Kreisel haben eine Drift. Beschleunigungsmesser haben inhärente Vorspannungen. Ferner gibt es Fehlerbeiträge von unrichtigen Skalen oder Maßstabsfaktoren und unrichtigen IRU- Ausrichtungswinkeln. Typischerweise bewirken die vorstehenden Fehler Ungenauigkeiten bei den Abschätzungen der Fahrzeugposition, der Geschwindigkeit und der Höhe, was sich über die Zeit hinweg beim Fortschreiten der Mission akkumuliert. In einem gewissen Umfang hängen die Fehler von der Benutzerdynamik ab.
Wenn für ein Fahrzeug ein sehr genaues Navigationssystem erforderlich ist, so können zur Erfüllung dieses Bedürfnisses hochpräzise Kreisel und Beschleunigungsmesser eingesetzt werden. Derartige hochpräzise Ausrüstungen erhöhen jedoch die Komplexität und die Kosten des Fahrzeugs.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugpositioniersystem, welches sowohl eine Vorrichtung als auch Verfahren und eine Kombination aus sowohl Vorrichtung und Verfahren vorsieht. Die Erfindung überwindet viele Einschränkungen der konventionellen Technik auf dem Gebiet der Fahrzeugpositionsbestimmung.
Die Erfindung kann dazu verwendet werden um bei irgendwelchen Navigationssystem für autonome Fahrzeuge eingesetzt zu werden. Die autonomen Fahrzeuge können stationär sein oder sich bewegen. Darüber hinaus können die autonomen Fahrzeuge an oder nahe der Erdoberfläche sich befinden. Mit anderen Worten, sieht die vorliegende Erfindung eine hochgenaue schnelle Verfolgung von irgendwelchen terrestrischen Fahrzeugen vor.
Die Erfindung sieht die Kombination und die starke Verbesserungen konventioneller Fähigkeiten einer IRU und eines GPS vor, und zwar in einer kosteneffektiven Art und Weise, um extrem genaue Positionsabschätzungen für terrestrische Fahrzeuge vorzusehen. Die Erfindung verwendet dabei viele neue und erfinderische Systeme einschließlich von Vorrichtungen und Verfahren, die eine überlegene Positionsfähigkeit vorsehen und daraus folgend eine flexible Navigationsfähigkeit.
Die Erfindung sieht ferner eine neue und verbesserte Kombination von drei unabhängigen Subsystemen vor, um Positionsabschätzungen von Fahrzeugen an oder nahe der Erdoberfläche zu bestimmen. Ein Subsystem ist ein erstes Positioniersystem unter Verwendung eines GPS beispielsweise des NAVSTAR GPS. Das erste Positionssystem berechnet eine erste Positionsabschätzung eines Fahrzeugs. Ein weiteres Subsystem ist ein zweites Positionierungssystem unter Verwendung einer IRU und eines Fahrzeugodometers d. h. eines Kilometerzählers oder Kurztachometers. Das zweite Positions- oder Positionierungssystem berechnet eine zweite Positionsabschätzung. Das fertige oder schließliche Subsystem ist ein Verarbeitungssystem für die Berechnung der genaueren dritten Positionsabschätzung des Fahrzeugs basierend auf den ersten und zweiten Positionsabschätzungen aus den vorhergehenden zwei Subsystemen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Konstellationseffektverfahren vor. Das Konstellationseffektverfahren sieht die Auswahl der optimalen Satellitenkonstellation vor, und zwar aus einer größeren Gruppe von GPS-Satelliten aus der Sicht eines Fahrzeugs, um dadurch die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen abgeleitet aus einem GPS zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung vergrößert die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsabschätzungen dadurch, daß differentiale oder Differential-Korrekturverfahren vorgesehen sind, die hinsichtlich Rauschen und Fehlern in den Positionsdaten erhalten von einem GPS und/oder IRU kompensieren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel dient eine Basisstation als ein Referenzpunkt und kann unterschiedliche Korrektionsverfahren ausführen und dann die erhaltenen Daten zu einem Fahrzeug übertragen. Das Fahrzeug kann die von der Basisstation empfangenen Daten dazu verwenden, um die Genauigkeit der Positionsabschätzung des Fahrzeugs zu verbessern.
Die Erfindung sieht ein parabolisches Vorspannverfahren vor, um die Genauigkeit der GPS-Daten empfangen von den GPS-Satelliten zu vergrößern. Eine parabolische Vorspannung wird aus jedem GPS-Satelliten abgeleitet, um die tatsächlichen oder aktuellen Pseudobereiche oder Pseudoranges für diesen GPS-Satelliten zu erhöhen. Bei der parabolischen Vorspanntechnik werden parabolische Modelle für die aktuellen oder tatsächlichen Pseudobereiche konstruiert und die parabolischen Vorspannungen werden aus den parabolischen Modellen extrapoliert.
Die Erfindung sieht eine Basis Residual-Vorspanntechnik vor, um die Genauigkeit der von den GPS-Satelliten empfangenen Signale zu vergrößern. Eine Basisreste- oder Ba sisresidualvorspannung wird abgeleitet, um die ersten Positionsabschätzungen von dem VPS auf dem Fahrzeug zu modifizieren. Eine Basisreste- oder Basisresidualvorspannung ist eine räumliche Vorspannung, die die effektive Differenz der bekannten Position der Basisstation und ihrer geschätzten Position ist.
Die Erfindung umfaßt ein neues Satellitenpositionsvorhersageverfahren. Dieses Verfahren gestattet der Erfindung die zukünftigen Positionen der GPS-Satelliten vorauszusagen. Infolgedessen wird die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit des Positionierungssystems weiter verbessert.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein gewichtetes Weg- oder Pfad "Vorgeschichte"-Verfahren zur Vergrößerung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen die schließlich aus einem GPS abgeleitet werden. Das gewichtete KBahn- oder Pfadgeschichte- oder Pfadvorgeschichteverfahren verwendet frühere erste Positiosabschätzungen, um ein Fahrzeugpfadmodell abzuleiten, und zwar zum Testen der Gültigkeit von zukünftigen ersten Positionsabschätzungen. Die Verwendung eines gewichteten Pfadgeschichteverfahrens resultiert in einer Verminderung des Wanderns der ersten Positionsabschätzungen und in erhöhten Immunitäten gegenüber falschen oder "spurious" (spurenhaften) Positionsberechnungen.
Die Erfindung sieht ferner die antiselektive Verfügbarkeit von Daten empfangen von GPS-Satelliten in irgendeinem GPS-System vor. Das antiselektive Verfügbarkeitsverfahren detektiert und korrigiert falsche Positionsdaten empfangen von irgendeinem GPS. Falsche Daten könnten von dem NAVSTAR GPS empfangen werden, und zwar (1) aus Gründen beabsichtigter Verfälschungen durch die entsprechenden Regierungen der USA oder der Sowjetunion und (2) wegen technischer Fehlfunktionen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Erläuterung der Zeichnungen. Jedwede zusätzlichen Merkmale und Vorteile sind dabei mitumschlossen.
Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen definiert wird kann unter Bezugnahme auf den Text und auf die folgenden Zeichnungen besser verstanden werden:
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 1A zeigt ein Blockdiagramm 100A der betriebsmäßigen GPS-Satelliten in dem NAVSTAR GPS;
Fig. 2 veranschaulicht vier gleichzeitige Navigationsgleichungen bezüglich vier GPS-Satelliten des NAVSTAR GPS;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines typischen autonomen Arbeitsplatzes;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Beziehungen zwischen einem Navigator, einer Fahrzeug VPS Architektur und den Fahrzeugsteuerungen gemäß der Erfindung.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm welches Elemente in einem autonomen Steuersystem veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Betriebs eines GPS;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines GPS- Verarbeitungssystems des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des GPS- Verarbeitungssystems der Fig. 7;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines MPS einschließlich eines Geschwindigkeitsmessers 902 unter einer Trägheitsreferenzeinheit (inertial reference unit = IRU) 904;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm des VPS;
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm der VPS-Architektur der Fig. 10;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm eines VPS-Haupt (I/O)- Prozessors der Fig. 10;
Fig. 12A ist ein Blockdiagramm eines Super-Kalmanfilters des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm des Konstellationseffektverfahrens;
Fig. 14 ist eine Polardarstellung auf einem Koordinationssystem 1402 welches einen Satz von berechneten geschätzten Pseudobereichen veranschaulicht;
Fig. 15 ist ein Flußdiagramm eines original Vorspannungsverfahrens;
Fig. 16 ist ein Flußdiagramm eines parabolischen Vorspannverfahrens;
Fig. 17 ist ein Flußdiagramm eines Basisreste- Vorspannverfahrens;
Fig. 17A ist ein Flußdiagramm eines Basiskorrelations- Vorspannverfahrens;
Fig. 18 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Vorhersagen von zukünftigen Satellitenpositionen;
Fig. 19 ist ein Flußdiagramm eines Historie- oder Vergangenheitsverfahren mit gewichtetem Pfad;
Fig. 20 ist eine graphische Darstellung 2000 der ersten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 unter Verwendung des Historie- oder Vergangenheitsverfahrens der Fig. 19 mit gewichtetem Pfad;
Fig. 20A veranschaulicht ein Flußdiagramm des gewichteter Pfad-Vergangenheitsverfahrens der Fig. 19 und 20;
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm eines antislektiven Verfügbarkeitsverfahrens.

1. Definitionen

(1) In Zusammenhang mit diesem Dokument bezieht sich der Ausdruck "absolute Position" ("absolute position") auf eine Position relativ zum Erdmittelpunkt. Im allgemeinen steht der Ausdruck absolute Position im Bezug auf ein Fahrzeug oder die Basisstation sowohl auf oder nahe der Erdoberfläche. Erste, zweite und dritte Positionsabschätzungen sind alle absolute Positionen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
(2) Der Ausdruck "aktueller Pseudobereich" ("actual pseudorange") bedeutet eine Annäherung des Abstands zwischen (1) einem Bezugs- oder Referenzpunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In diesem Dokument beziehen sich aktuelle oder tatsächliche Pseudobereiche normalerweise auf eine Annäherung des Abstandes zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS- Satelliten und/oder Pseudosatelliten. Aktuelle Pseudobereiche werden dadurch angenähert, daß man zuerst die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Sendung und Empfang der von den GPS-Satelliten und/oder Pseudosatelliten kommenden elektromagnetischen Signale mißt. Die aktuellen oder tatsächlichen Pseudobereiche können ohne weiteres dadurch berechnet werden, daß man die berechneten Zeitverzögerungen mit der Lichtgeschwindigkeit oder 2,9979245898 · 10&sup8; m/s multipliziert.
(3) Der Ausdruck "antiselektive Verfügbarkeit" ("antiselective availability") bezieht sich auf ein Verfahren, eine Technik oder einen Prozeß zum Detektieren und Kompensieren korrumpierte GPS-Daten in der Grob/Erfassungs (coarse/acquisition = C/A) Modulationsbetriebsart.
(4) "Basiskorrelatorvorspannung" ("base correlator bias") bedeutet eine entsprechend dem Strömungsdiagramm 1700A der Fig. 17A abgeleitete räumliche Vorspannung.
(5) "Basiskorrelatorvorspannungstechnik" ("base correlator bias technique") bedeutet ein Verfahren/Prozeß zum Berechnen der Basiskorrelatorvorspannungen.
(6) "Basis geschätzte Position" ("base estimated position = BEP") bezieht sich auf die relative Position der Basisstation bezüglich eines Fahrzeugs. Die BEP wird in der Basiskorrelatorvorrspanntechnik des Teils II.F.2.d. dieses Dokumentes verwendet.
(7) "Basis bekannte Position" ("base known position" = BKP) ist die absolute Position der Basisstation (verwendet als ein Bezugspunkt) die bekannt ist. Die BKP kann selbst eine Schätzung sein, und zwar abgeleitet von irgendeinem genauen Positioniersystem. Die BKP wird als eine genauere Schätzung der absoluten Position der Basisstation als irgendeine andere Positionsschätzung angenommen.
(8) "Basispositionsabschätzung" ("base position estimate") bedeutet die absolute Positionsschätzung der Basisstation abgeleitet aus dem GPS-Verarbeitungssystem innerhalb des Host-Verarbeitungssystems. Die Basispositionsabschätzung ist im wesentlichen ähnlich oder gleich der ersten Positionsabschätzung abgeleitet durch das GPS- Verarbeitungssystem am Fahrzeug. Die Basispositionsabschätzung wird in der Basisrestevorspanntechnik im Teil II.2.F.2.c. dieses Dokumentes berechnet.
(9) Der Ausdruck "Basisreste- oder Basisresiduenvorspannung" ("base residuals bias") bedeutet eine räumliche Vorspannung, die die effektive Differenz ist der basisbekannten Position (BKP) der Basisstation und der Positionsabschätzung der Basisstation die durch das Host- Verarbeitungssystem berechnet ist.
(10) "Basisreste- oder Basisresiduenvorspanntechnik oder -verfahren" ("base residuals bias technique") bezieht sich auf ein Verfahren zum Ableiten der Basisrestevorspannungen (base residuals biases).
(11) Das Wort "Vorspannung" ("bias") bezieht sich auf eine Differenz zwischen zwei Messungen normalerweise Positionsabschätzungen (räumliche Vorspannung) und Takt- oder Clockraten (Takt- oder Clockvorspannung). Da es normalerweise bekannt ist, daß eine Messung genauer ist als eine andere wird die Vorspannung oftmals als ein "Fehler" ("error") bezeichnet.
(12) "Takt- oder Clockvorspannung" ("clock bias") bedeutet die Differenz der Takt- oder Clockzeiten zwischen (1) der Übertragungsschaltung der GPS-Satelliten und/oder Pseudosatelliten und (2) der Empfangsschaltung des Erdempfängers. Wenn eine Taktvorspannung in der Berechnung einer räumlichen Vorspannung verwendet wird, so wird die Taktvorspannung mit der Lichtgeschwindigkeit oder 2,998 · 10&sup8; Metern pro Sekunde multipliziert. Infolgedessen wird die Takt- oder Clockvorspannung in Einheiten der Länge transformiert.
(13) "Konstellation" ("constellation") bezieht sich auf eine Gruppe, die GPS-Satelliten und/oder Pseudosatelliten aufweist, deren Signale dazu verwendet werden, um eine absolute Positionsabschätzung eines Punktes auf oder nahe der Erdoberfläche abzuleiten. Vgl. dazu "optimale Konstellation" weiter unten.
(14) Der Ausdruck "Konstellationseffekteverfahren" ("constellation effects method") bedeutet eine Technik oder ein Verfahren bzw. einen Prozeß bei dem eine optimale Konstellation von GPS-Satelliten aus einer größeren Gruppe von GPS-Satelliten in der Sicht eines Fahrzeugs ausgewählt wird.
(15) Der Ausdruck "Erdempfänger" ("earth receiver") bezieht sich auf irgendeine Vorrichtung oder eine Einrichtung oder einen Teil davon, der Signale von einem GPS- und/oder Pseudosatelliten empfängt und verarbeitet. Die Erdempfänger können nahe der Erdoberfläche angeordnet sein. Darüber hinaus können die Erdempfänger beispielsweise die Form eines Fahrzeugs oder einer Basisstation besitzen.
(16) Der Ausdruck "geschätzter Pseudobereich oder Pseudorange" ("estimated pseudorange") bezieht sich auf eine Annäherung des Abstandes zwischen (1) einem Referenz- oder Bezugspunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In diesem Dokument nimmt der Ausdruck tatsächliche oder aktuelle Pseudobereiche normalerweise auf eine Annäherung des Abstandes zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS-Satelliten und/oder Pseudosatelliten bezug. Die abgeschätzten Pseudobereiche werden aus GPS-Daten berechnet, und zwar kodiert auf den elektromagnetischen Signalen, die von den GPS-Satelliten und/oder den Pseudosatelliten übertragen oder ausgesendet werden. Allmanach-Gleichungen zur Berechnung der abgeschätzten oder geschätzten Pseudobereiche aus GPS-Daten des NAVSTAR GPS sind öffentlich erhältlich.
(17) Die Bezeichnung "erste Positionsabschätzung" ("first position estimate") oder "FPE" oder "FPE(i)" bezieht sich auf eine abgeschätzte Absolutposition irgendeines Fahrzeugs die in irgendeiner Form von dem GPS ausgegeben wird. Die erste Positionsabschätzung und eine zweite Po sitionsabschätzung werden unabhängig gemäß der Erfindung abgeleitet. Darauffolgend werden diese Schätzungen kombiniert und gefilterte, um eine dritte Positionsabschätzung abzuleiten. Infolgedessen beeinflußt die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung die Genauigkeit der dritten Positionsabschätzung.
(18) "Globales Positioniersystem" ("global positioning system") oder "GPS" ist eine Bauart eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten im Umlauf um den Planeten Erde angeordnet. Die GPS-Satelliten sind derart ausgelegt, daß die elektromagnetische Signale aussenden oder übertragen. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (Position bezüglich der Erdmitte) irgendeines Empfängers an oder nahe der Erdoberfläche schließlich bestimmt werden. Die US-Regierung hat ihr GPS als "NAVSTAR" bezeichnet. Die Regierung der UdSSR hat ihr GPS als "GLONASS" bezeichnet.
(19) Der Ausdruck "GPS-Daten" ("GPS data") umfaßt alle Daten kodiert auf von GPS-Satelliten eines GPS übertragenen Signalen. Die GPS-Daten umfassen beispielsweise Ephemerisdaten und Zeitdaten.
(20) "GPS-Verarbeitungssystem" ("GPS processing system") bezieht sich auf das System der Erfindung zum Empfang von Signalen von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem und zum Ableiten erster Positionsabschätzungen von Fahrzeugen aus den empfangenen Signalen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel empfängt das GPS- Verarbeitungssystem elektromagnetische Signale von GPS- Satelliten eines GPS und/oder von Pseudosatelliten.
(21) "Host-Verarbeitungssystem" ("host processing system") bezieht sich auf ein Computersystem welches an der Basisstation arbeitet, um Verfahren und Technik an auszuführen, die die Genauigkeit der Positionsabschätzungen der Fahrzeuge vergrößern. Aus diesen Verfahren und durch diese Techniken abgeleitete Daten werden zu den Fahrzeugen übertragen oder ausgesendet, so daß die Fahrzeuge diese Daten dann verwenden können wenn sie erste, zweite und dritte Positionsabschätzungen berechnen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Architektur/Hardware des Host-Verarbeitungs- oder processingsystems im wesentlichen ähnlich oder gleich der Architektur/Hardware des VPS.
(22) "Inertial- oder Trägheitsbezugseinheit" ("inertial reference unit = IRU") oder IRU bezieht sich auf ein normalerweise an Bord eines Fahrzeug befindliches System, zur Unterstützung der Ableitung einer zweiten Positionsabschätzung des Fahrzeugs. Eine IRU erhält bestimmte Kraftmessungen von Beschleunigungsmessern in einem Bezugskoordinatenrahmen, der durch Gyroskope oder Kreisel Gyros stabilisiert ist. Eine IRU kann von der Laserbauart oder von mechanischer Bauart sein. In einem nichtunterstützten Navigationssystem unter Verwendung einer IRU wird die spezifische oder spezielle Kraft, wie sie durch einen Beschleunigungsmesser gemessen wird (korrigiert hinsichtlich der Effekte der Erdschwere) in eine mathematische Navigationsgleichung integriert, um die Po sition und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu herzustellen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die IRU Teil des MPS.
(23) Der Ausdruck "Kalmanfilter" wird in seinem üblichen Sinne verwendet. Dieser Ausdruck bezieht sich auf ein Softwareprogramm zum Herausfiltern von Rauschen und Fehlern in den Daten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein GPS-Kalmanfilter verwendet, um Rauschen oder Fehler in dem GPS-Verarbeitungssystem herauszufiltern, um so die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu verbessern. Ferner wird ein VPS-Kalmanfilter dazu verwendet, um das Rauschen in dem VPS herauszufiltern, um so die Genauigkeit der zweiten Positionsabschätzungen zu verbessern.
(24) "Bewegungspositioniersystem" ("motion positioning system") oder "MPS" bezeichnet ein System " welches mindestens ein IRU und einen Fahrzeugtachometer umfaßt. IM bevorzugten Ausführungsbeispiel leitet das MPS die zweite Positionsabschätzung irgendeines Fahrzeugs auf oder nahe der Erdoberfläche ab. Darüber hinaus muß ein MPS nicht an der Basisstation vorhanden sein, und zwar infolge von dessen stationärer Natur.
(25) "Optimale Konstellation" ("optimal constellation") bedeutet eine Satellitenkonstruktion bei der die relativen Positionen der GPS-Satelliten im Raum überlegene Triangulationsfähigkeiten ermöglichen, um so die genaueste Schätzung eines Punktes nahe oder auf der Erdoberfläche abzuleiten.
(26) "Original-Vorspannung" ("original bias") bedeutet eine räumliche Vorspannung oder Bias berechnet durch subtrahieren sowohl der Pseudobereiche als auch der Clock- oder Taktvorspannungen (in Einheiten der Länge) von den tatsächlichen Pseudobereichen. Clockvorspannungen werden in Längeneinheiten transformiert, und zwar dadurch, daß man sie mit der Lichtgeschwindigkeit oder 2,9979245898 108 Metern pro Sekunde multipliziert.
(27) "Original-Vorspannverfahren" ("original bias technique") ist ein Verfahren oder eine Technik zum Berechnen der ursprünglichen oder originalen Vorspannungen.
(28) "Parabolische Vorspannung" ("parabolic bias") ist eine räumliche Vorspannung berechnet durch die Konstruktion parabolischer Modelle für die tatsächlichen oder aktuellen Pseudobereiche jedes beobachteten GPS-Satelliten und zur Extrapolation von Werten aus den parabolischen Modellen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die parabolischen Vorspannungen die tatsächlichen Pseudobereiche minus den Wert extrapoliert aus den konstruierten parabolischen Modellen und minus der Taktvorspannungen (in Längeneinheiten durch Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit).
(29) "Parabolische Vorspannstechnik oder -verfahren" ("parabolic bias technique") ist ein Verfahren zum Berechnen der parabolischen Vorspannungen für jeden der verwendeten GPS-Satelliten.
(30) "Pseudosatellit" oder "Pseudolit" ("pseudolit") bezieht sich auf ein Strahlungssystem an oder nahe der Erdoberfläche zur Verwirklichung eines GPS-Satelliten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden elektromagnetische Signale ähnlich denen von den GPS Satelliten von auf dem Land basierenden Pseudosatelliten ausgesendet oder übertragen. Einer oder mehrere Pseudosatelliten können dazu verwendet werden, um GPS-Satelliten zu imitieren, um so die Berechnung der ersten Positionsabschätzungen zu verbessern.
(31) "Pseudolitdaten" oder "Pseudosatellitendaten" (pseudolite data") bedeutet alle auf von Pseudosatelliten empfangenen Signalen kodierten Daten. Pseudosatellitendaten ähneln den GPS-Daten in vielen Hinsichten und weisen ähnlich e oder gleiche Information auf.
(32) Der Begriff "Pseudobereiche" oder "Pseudorange" ("pseudorange") bedeutet den Abstand zwischen einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems und einem Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Quellen GPS-Satelliten und/oder Pseudosatelliten sein. Das terrestrische Positionsbestimmungssystem kann ein GPS sein, und zwar verwendet, wenn überhaupt, wenn überhaupt mit Pseudosatelliten. Ferner kann der Punkt auf oder nahe der Erdoberfläche die Basisstation und/oder Fahrzeuge sein.
(33) "Satellitenpositionsvorhersage" (satelite position predictor") ist ein Verfahren zur Bestimmung zukünftiger Positionen der GPS-Satelliten. Das Verfahren gestattet die vorherige Auswahl von optimalen Konstellationen.
(34) "Zweite Positionsabschätzung" (second position estimate") oder "SPE" bezieht sich auf eine geschätzte Absolutposition irgendeines Fahrzeugs, die in irgendeiner Form von dem MPS Ausgegeben wird. Zweite Positionsabschätzungen umfassen zumindest Positionsinformation von einer IRU. Die zweite Positionsabschätzung könnte Positionsinformation von einem Fahrzeugtachometer angeordnet auf einem Fahrzeug umfassen.
(35) "Räumliche Vorspannung" ("spatial bias") bezieht sich auf eine Vorspannung oder Bias die in Beziehung steht mit Annäherungen der Positionen im zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum. Räumliche Vorspannungen werden dazu verwendet, um eine Positionsabschätzung auszugleichen, um die Genauigkeit der Positionsabschätzung zu erhöhen. Räumliche Vorspannungen können durch eine Anzahl von unterschiedlichen Verfahren gemäß der Erfindung berechnet werden. Zu diesen Verfahren gehören beispielsweise die folgenden: Originalvorspannungsverfahren 1500 (Teil II.F.2.a.), ein parabolisches Vorspannverfahren 1600 (Teil II.F.2.b.), ein Basisrestvorspannungsverfahren 1700 (Teil II.F.2.c.) und Basiskorrelatorvorspannverfahren 1700A (Teil II.F.2.d.).
(36) Der Ausdruck "Positionsbestimmungssystem" ("position determining system") bedeutet irgendein System mit Quellen, die Signale abgeben oder annähern, die durch einen Empfänger der Signale verwendet werden, um den relativen Abstand zwischen den Quellen und dem Empfänger abzuschätzen. Die Signale können in der Form von beispielsweise elektromagnetischen Wellen, Druckwellen und/oder Schallwellen vorliegen.
(37) "Terrestrisches Positionsbestimmungssystem" ("terrestrial position determining system") bedeutet irgendein Positionsbestimmungssystem, welches dazu verwendet werden kann, um schließlich die terrestrische Position eines Erdempfängers abzuschätzen. Die Signale können in der Form von beispielsweise elektromagnetischen Wellen, Druckwellen und/oder Schallwellen vorliegen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das terrestrische Positionsbestimmungssystem das NAVSTAR GPS.
(38) "Dritte Positionsabschätzung" ("third position estimate") oder "TPE" bezieht sich auf eine geschätzte Absolutposition irgendeines Fahrzeugs in irgendeiner Form vom VPS ausgegeben oder abgegeben wird. Dritte Positionsabschätzungen sind genauere Positionsabschätzungen der Fahrzeugposition als die ersten und zweiten Positionsabschätzungen. Die dritte Position oder Positionsabschätzung wird abgeleitet durch das VPS-Verarbeitungssystem aus den ersten und den zweiten Positionsabschätzungen.
(39) "Fahrzeugspositioniersystem" ("vehicle position system") oder "VPS" bezieht sich auf das erfindungsgemäße System zur Ableitung von Positionsabschätzungen irgendeines Fahrzeugs. Die Positionsabschätzungen von dem VPS sind extrem genau und können in einem Navigationssystem auf irgendeinem Fahrzeug zur genauen Führung und Leitung des Fahrzeugs verwendet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Positionsabschätzungen vom VPS als dritte Positionsabschätzungen bezeichnet.
(40) "VPS-Verarbeitungssystem" ("VPS processing system") bedeutet das Verarbeitungs- oder Prozessorsystem des VPS. Das VPS-Verarbeitungssystem leitet dritte Positionsabschätzungen aus den ersten und zweiten Positionsabschätzungen her. Die Architektur ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt.
(41) "Gewichteter Kombinierer" oder "Kombiniermittel" ("weighted combiner") bezieht sich auf ein bestimmtes Softwareprogramm, welches die Daten verarbeitet. Eingegebenen Daten wird ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zugewiesen, und zwar basierend auf der geschätzten Genauigkeit der Daten und des Verfahrens verwendet zum Sammeln der Daten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise die erste Positionsabschätzung des GPS- Signals 716 schwerer gewichtet als die zweite Positionsabschätzung des IRU-Signals 910, da das erstere von Natur genauer ist. Ferner kann die durch die IRU gemessene Geschwindigkeit höher oder schwerer gewichtet werden, als die durch das GPS-Verarbeitungssystem gemessene Geschwindigkeit, da die erstere genauer ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die durch das GPS- Verarbeitungssystem gemessene Geschwindigkeit überhaupt nicht verwendet, könnte aber in anderen Ausbildungen verwendet werden.
(42) Das "Gewichtete Pfadvergangenheitsverfahren" ("weighted path history technique") ist ein Verfahren oder ein Prozeß zur Erhöhung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen ausgegeben vom GPS- Verarbeitungssystem. Das Verfahren oder die Technik verwendet vorhergehende erste Positionsabschätzungen um ein Fahrzeugpfad- oder -bahnmodell abzuleiten zum Testen der Gültigkeit von zukünftigen ersten Positionsabschätzungen. Die Verwendung des gewichteten Pfadvergangenheitsverfahrens oder dieser Technik hat eine Reduktion des Wanderns der ersten Positionsabschätzungen zur Folge und erhöhte Immunitäten gegenüber ungenauen spurenartigen Positionsberechnungen.

1. Allgemeiner Überblick

Fig. 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm 100 auf hohem Niveau des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Um die genaue autonome Arbeitsweise eines Fahrzeugs 102 auf oder nahe der Erdoberfläche sicherzustellen, sieht die Erfindung sowohl ein Fahrzeugpositioniersystem VPS 1000 als auch ein Navigationssystem 1022 vor. Diese beiden Systeme weisen Vorrichtungen, Verfahren und Techniken auf, die wenn sie zusammen integriert sind, eine hochgenaue Steuerung von nicht-bemannten Fahrzeugen gestattet.

A Fahrzeugpositioniersystem (VPS)

Die Aufgabe ein autonomes Fahrzeug 102 entlang einer vorgeschrieben Bahn oder eines vorgeschriebenen Pfades zu leiten hängt von unter anderem einer genauen Abschätzung der laufenden Fahrzeugposition relativ zu irgendeinem Referenzpunkt ab.
Sobald die laufende position bekannt ist, kann dem Fahrzeug 102 befohlen werden zu seiner nächsten Bestimmung fortzuschreiten.
Durch Verwendung des VPS 100 der vorliegenden Erfindung können Positionsabschätzungen des Fahrzeuges 102 mit extremer Präzision bestimmt werden. Das VPS 1000 empfängt GPS-Daten von GPS-Satelliten 104 eines GPS, wie beispielsweise des NAVSTAR GPS oder des GLOSSNAR GPS.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das NAVSTAR GPS verwendet. Fig. 1A veranschaulicht das NAVSTAR GPS: GPS-Satelliten 130 bis 168 laufen um die Erde 172 in sechs Umlaufbahnen 174 bis 184.
Zurückkommend auf Fig. 1 sei bemerkt, daß das VPS 1000 auch Pseudosatellitendaten von einem Pseudosatelliten bzw. mehreren Pseudosatelliten 105 empfangen kann. Der Ausdruck "Pseudolite" oder "Pseudosatellit" im Zusammenhang mit diesem Dokument bezieht sich auf eine Strahlungsvorrichtung auf oder nahe der Erdoberfläche zur Simulierung eines GPS-Satelliten.
Aus den GPS-Daten und/oder den Pseudosatellitendaten leitet das VPS 1000 genaue Positionsabschätzungen des Fahrzeugs 102 ab. Die GPS-Daten und/oder die Pseudosolitendaten werden in signifikanter Weise verbessert, und zwar durch zahlreiche erfinderische Techniken und Verfahren, wie sie die vorliegende Erfindung vorsieht um so die Genauigkeit der Fahreugspositionabschätzungen zu vergrößern.
Insbesondere ist das VPS 1000 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ein Positioniersystem basierend auf der Inkorporation von GPS-Daten von dem NAVSTAR GPS 104 und von einem Bewegungspositioniersystem 900. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Bewegungspositioniersystem 900 eine Inertial- oder Trägheitsbezugseinheit (IRU) 904 und/oder einen Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser bzw. Tachometer 902. Die IRU 904 weist eine Lasergyroskop oder mehrere Lasergyroskope auf, und zwar sind diese mit 106 bezeichnet und ferner ein Beschleunigungsmesser bzw. Beschleunigungsmesser 108 die dazu verwendet werden können, um Positions-, Geschwindigkeits-, Roll-, Nick-, und Gierdaten zu erzeugen. Das Fahrzeugtachometer bzw. Odometer ode Kilometerzähler 902 erzeugt Daten hinsichtlich der vom Fahrzeugs 102 durchlaufenen Strecke. Die erste Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 wird durch das GPS- Verarbeitungssystem 700 aus GPS-Daten empfangen von dem oder den Pseudosatellit(en) 105 abgeleitet. Um die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung zu erhöhen implementiert die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Verfahren die im einzelnen unten diskutiert werden. Zusätzlich wird eine zweite Positionsabschätzung durch den MPS- Zwischenverbindungsprozessor 906 abgeleitet, und zwar aus dem Bewegungspositioniersystem 900, welches die IRU 904 und/oder das Fahrzeugtachometer 902 umfaßt.
Wie durch die entsprechenden Pfeile 112 und 114 dargestellt, werden die ersten und zweiten Positionsabschätzungen durch ein VPS-Verarbeitungssystem 116 kombiniert und gefiltert. Das Ergebnis ist durch einen Ausgangspfeil 118 gezeigt und es ist genauer als die dritte Positionsabschätzung.

B Navigationssystem

Das Navigationssystem 1022 empfängt die dritte Positionsabschätzung vom VPS 1000. Das Navigationssystem 1022 verwendet die genaue dritte Positionsabschätzung um das Fahrzeug 102 genau zu navigieren. Ein erster Zweck des Navigationssystems 1022 ist die Führung des Fahrzeugs zwischen Punkten entlang zuvor festgelegter oder dynamisch erzeugter Wege oder Pfade.
Im dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Navigationssystem 1022 auf dem Fahrzeug 102 selbst angeordnet. Anders ausgedrückt handelt es sich hier im wesentlichen um ein "on-board"-System. Darüber hinaus kann das Navigationssystem 1022 derart ausgelegt sein, daß es in das Fahrzeug 102 (nachträglich) eingebaut werden kann.
Verschiedene Modelle oder Konzeptionsdarstellungen werden vorgesehen und benutzt, so daß das Navigationssystem 1022 das Fahrzeug 102 führen kann, so daß es einem zuvor festgelegten oder dynamisch erzeugten Pfad bzw. Pfaden folgt. Beispielsweise können Linien dazu verwendet werden um Fahrzeugbahnen oder Fahrzeugpfade zwischen objektiven Punkten vorzusehen. Mathematische B-splines oder Clo thoid-Kurven können dazu verwendet werden, um den tatsächlichen Weg oder die tatsächliche Bahn wo das Fahrzeug 102 navigieren soll zu modellieren. Diese mathematischen Kurven werden weiter unten im einzelnen diskutiert.
Unter Verwendung der oben genannten Modellier- und Repräsentationsverfahren ergibt sich eine verbesserte Datenkommunikation, die die Speicherung und die Handhabung des Fahrzeugs 102 wird verbessert. Diese Techniken gestatten ferner eine Vereinfachung der Überwachungsaufgaben, dadurch daß eine Hierarchie aus Steuerung und Kommunikation vorgesehen wird. Je höher ein Kontroll- oder Steuerpegel in dem hierarchischen Steuerschema existiert um so einfacher ist die Aufgabe und um so kompakter sind die Befehle.
Das Navigationssystem 1022 sieht ferner zur Steuerung der mechanischen Systeme des Fahrzeugs, wie beispielsweise der Bremsen der Lenkung des Motors und des Getriebes das Nötige vor, um die notwendigen körperlichen oder physikalischen Wirkungen hervorzurufen, um das Fahrzeug 102 zu bewegen, zu stoppen und zu lenken.
Das Navigationssystem 1022 prüft auch die tatsächliche oder aktuelle (IST-) Position des Fahrzeugs 102 gegenüber der gewünschten Position oder der Sollposition, um die Fahrzeugsteuerung entsprechend der Sollposition zu korrigieren. Das Navigationssystem 1022 kann Multizustandsmodelle durchlaufen, um diese Check- oder Prüffähigkeit zu verbessern. Das Navigationssystem 1022 prüft auch hinsichtlich Fehlern oder Ausfällen im System selbst und bei den Fahrzeugkomponenten. Wenn Fehler oder Ausfälle detektiert werden, so kann das Navigationssystem 1022 ein ausfallsicheres Ausschalten dadurch vorsehen, daß das Fahrzeug 102 zu einem kompletten Stopp gebracht wird.
Das Navigationssystem 1022 sieht ferner unterschiedliche Betriebsarten zur Steuerung des Fahrzeugs 102 vor. Diese umfassen folgendes: (1) eine vollständig autonome Betriebsart, wo die Navigation des Fahrzeuges automatisch durch das Navigationssystem gehandhabt wird (2) eine Tele- oder Fernsteuerungsbetriebsart, wo ein entfernter (nicht gezeigter) menschlicher Bediener die Richtung und Bewegung usw. Steuern kann, und zwar des Fahrzeugs 102; und (3) eine manuelle Betriebsart, wo ein menschlicher Betätiger auf dem Fahrzeug 102 sitzt und die Steuerung des Fahrzeugs 102 übernimmt und dieses manuell betreibt.
Bei der autonomen Betriebsart ist die Hindernisdetektion kritisch, da dann, wenn das Fahrzeug 102 nicht unter Steuerung ist, es großen Schaden an Eigentum und große Verletzungen hervorrufen könnte. Das Navigationssystem 1022 kann in effizienter Weise Hindernisse detektieren. Steine, Tiere, Menschen, Bäume oder andere Behinderungen können unerwartet in der Bahn des Fahrzeugs 102 auftreten. Das Navigationssystem 102 ist in der Lage diese Hindernisse zu detektieren, entweder zu stoppen oder um das Hindernis herumzufahren oder das Fahrzeug 102 kann auf der ursprünglichen Route zurückfahren, wenn diese als sicher anerkannt wird.
Das genaue Verfolgen der gewüschten Route oder der Sollroute ist eine weitere Funktion des Navigationssystems 1022. Die Funktion und die Architektur des Navigationssystems 1022 ist für die Realzeitverfolgung der Fahrzeugbahnen oder Fahrzeugpfade ausgelegt, und zwar bei Geschwindigkeiten bis zu annähernd 30 Meilen pro Stunde (mph).

C. Basisstation

Die Erfindung kann an der Basisstation 188 ein Host- Verarbeitungssystem 186 aufweisen. Das Host- Verarbeitungssystem 186 führt Funktionen für sowohl das VPS 1000 und das Navigationssystem 1022 aus.
Bezüglich des VPS 1000 empfängt das Host- Verarbeitungssystem 186 GPS-Daten und/oder Pseudosatellitendaten wie dies durch die entsprechenden Pfeile 119 und 192 gezeigt ist. In der Tat kann das Host- Verarbeitungssystem 186 und auch das Basissystem 188 als ein bekannter Bezugspunkt arbeiten, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsabschätzungen zu verbessern, was weiter unten im einzelnen erläutert wird.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert eine Anzahl von Verfahren zur Verbesserung oder Erhöhung der Genauigkeit der Fahrzeugpositionsabschätzungen. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 (Teil II.G.) was oben erwähnt wurde wird auch durch das Host- Verarbeitungssystem implementiert. Das Host- Verarbeitungssystem 186 erkennt die gleiche Satellitenkonstellation die durch das Fahrzeug 102 beobachtet wird.
Berechnungen werden an den GPS-Daten und den Pseudosatellitendaten zur Ableitung von Vorspannungen ausgeführt. Der Ausdruck "Vorspannung" im Kontext dieses Dokuments bezieht sich auf eine Differenz bzw. auf eine Differential zwischen zwei Messungen normalerweise Positionsabschätzung (räumliche Vorspannung) oder Takt- oder Clockraten (Clock- oder Taktvorspannung). Da eine Messung normalerweise als mehr genau bekannt ist als die andere wird auf die Vorspannung oftmals als ein "Fehler" ("error") Bezug genommen.
Um die räumlichen Vorspannungen zu berechnen implementiert die das Host-Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren. Eingeschlossen sind beispielsweise die folgenden Verfahren: ein Original-Vorspannungsverfahren 1500 (Teil II.F.2.a) ein parabolisches Vorspannverfahren 1600 (Teil II.F.2.b) ein Basisrestvorspannungsverfahren 1700 (Teil II.F.2.c.) und ein Basiskorrelatorvorspannverfahren 1700A (Teil II.F.2.d).
Die vorstehenden Differenzkorrekturverfahren kompensieren Datenfehler. Anders ausgedrückt sind die am Host- Verarbeitungssystem 186 berechneten Vorspannungen eine Anzeige für Datenfehler. Wie durch einen Pfeil 94 gezeigt werden die Vorspannungen zu dem GPS-Verarbeiungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS- Verarbeitungssystem 700 verwendet diese Vorspannungen zur Eliminierung von Fehlern in den Fahrzeugpositionsabschätzungen.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 sieht ferner Funktionen vor, die sich auf das Navigationssystem 1022 der Erfindung beziehen. Das Host-Verarbeitungssystem 186 dient als der höchste Steuerpegel des Navigationssystems 1022 wie dies durch einen Pfeil 196 angedeutet ist. Es handhabt die Planung und das Absenden des Fahrzeugs 102 mit im wesentlichen gleichen Ergebnissen wie dies ein menschlicher "Dispatcher", d. h. Verteiler oder Versender erreichen würde. Das Host-Verarbeitungssystem 86 kann dadurch als Konsequenz den Arbeitszyklus des Fahrzeugs 102 bestimmen.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 befiehlt dem Fahrzeug 102 von einer derzeitigen oder laufenden Position fortzuschreiten, und zwar über eine spezifizierte Route, so daß das Fahrzeug 102 seine Arbeitsziele erreichen kann. Das Host-Verarbeitungssystem 186 kann die Fahrzeugrouten durch einen Namen spezifizieren und es braucht nicht jeden Punkt entlang der Route zu listen, wie dies normalerweise der Fall ist. Demgemäß sieht das "on-board" auf dem Fahrzeug befindliche Navigationssystem 1022 die benannte Fahrzeugroute nach und übersetzt die benannte Fahrzeugroute in Sätze von Knoten und Segmenten entlang der benannten Fahrzeugroute.

II Fahrzeugpositionssystem

A. Überblick

Die folgende Diskussion bezieht sich auf das VPS 1000, und zwar unter spezieller Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 21. Die Fig. 10 und 11 zeigen die Architektur/Hardware des VPS 1000. Das VPS 1000 ist hochgenaues Positionsbestimmungssystem für ein sich bewegendes ohne ein stationäres Fahrzeug 102 auf oder nahe der Erdoberfläche.
Es sei in Erinnerung gerufen, daß das VPS 1000 das GPS- Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 aufweist, die in den Fig. 7 bzw. 9 dargestellt sind. Es sei ferner erinnert, daß das MPS 900 die IRU 904 und den Fahrzeugtachometer 902 umfaßt, die beide in Fig. 9 dargestellt sind. In der Tat, wurden diese Systeme verbessert und erfindungsgemäß integriert um ein hocheffizientes Positionsbestimmungssystem zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 erkennt man, daß das GPS Verarbeitungssystem 700 eine mit einem GPS-Empfänger 706 verbundene Antenne 702 aufweist. Wenn die GPS-Satelliten 104 im Gesichtsfeld der Antennen 702 die Mehrfach-GPS- Satelliten 200 bis 206, wie in den Fig. 2 bis 3 gezeigt, aufweisen, so liest der GPS-Empfänger 706 jede von deren GPS-Daten zusammen mit irgendwelchen Pseudosatellitendaten von irgendeinem Pseudosatellit(en) 105 in Sicht der Antenne 702. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Empfänger 706 für die Berechnung der ersten Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 aus den GPS-Daten und/den Pseudosatellitendaten verantwortlich.
Um die Genauigkeit des ersten Positionsverfahrens zu erhöhen wird ein Satellitenpositionsvoraussagemethode 1800 (Teil II.G.) durch einen GPS-Prozessor 710 in dem GPS- Verarbeitungssystem 700 implementiert. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 sagt die Position irgendeines GPS-Satelliten zur laufenden Zeit und irgendeiner zukünftigen Zeit voraus.
Unter Verwendung der Satellitenpositionsinformation kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 die optimale GPS- Satellitenkonstellation bestimmen, und zwar zur Erkennung durch Verwendung eines Konstellationseffektverfahrens 1300 (Teil II.11.) Das Konstellationseffekteverfahren 1300 wird auch durch den GPS-Prozessor 710 im bevorzugten Ausführungsbeispiel implementiert. Infolge des Konstellationseffekteverffahrens 1300 wird eine beste Konstellation aus den Datenquellen ausgewählt die die GPS-Satelliten 200 bis 206 und die bzw. den Pseudosatelliten(en) 105 umfassen.
Der GPS-Prozessor 706 berechnet eine erste Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 basierend auf den besten Konstellations- und Geometrie/Triangulationsverfahren. Die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung ist teilweise von der Anzahl der GPS-Satelliten erforderlich, die bei der Berechnung verwendet werden. Jeder zusätzliche verwendete GPS-Satellit kann die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung erhöhen. Nach der Berechnung wird die erste Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 zu einem VPS-Hauptprozessor 1002 der Fig. 10 übertragen.
Es sei nunmehr auf Fig. 9 Bezug genommen, wo dargestellt ist, daß die IRU 904 Lasergyroskope und Beschleunigungsmesser verwendet, die folgendes liefern: Positions-, Geschwindigkeits-, Roll-, Nick- und Gierdaten. Die IRU 904 kombiniert diese Information in eine zweite Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102. Ein Tachometer 902 kann dazu verwendet werden um den durch das Fahrzeug 102 zurückgelegten Weg zu messen. Die Daten von der IRU 904 und dem Tachometer 902 werden auch über den MPS-Zwischenverbindungsprozessor 906 zu dem VPS-Hauptprozessor 1002, wie in Fig. 10 gezeigt, übertragen.
Der VPS-Hauptprozessor 1002 kombiniert die zweite Positionsabschätzung von der von dem MPS 900 (die IRU 904 und möglicherweise der Tachometer 902) mit der ersten Positionsabschätzung von dem GPS-Verarbeitungssystem 700 um eine genauere dritte Positionsabschätzung zu erzeugen.
Das VPS 1000 implementiert ferner ein Verfahren zur Eliminierung von eratischen und spurenartigen dritten Positionsabschätzungen, die ein "Wandern" des Fahrzeugs verursachen können. Dieses Verfahren wird das gewichtete Pfadvergangenheitsverfahren (Teil II. H.) genannt. Im wesentlichen wird die Bahnvergangenheit des Fahrzeugs 102 dazu verwendet, um statistisch die Genauigkeit von Zukunftsschätzungen der Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 sei bemerkt, daß die Basisstation 188 einen geographischen Näherungsbezugspunkt für das VPS 1000 vorsieht. Die Basisstation 188 weist ein Host-Verarbeitungssystem 186 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Host- Verarbeitungssystem 186 eine ähnliche Architektur und arbeitet bzw. führt aus die gleichen Funktionen wie das GPS-Verarbeitungssystem 700. Das Host-Verarbeitungssystem 700 führt jedoch zusätzliche Funktionen aus, um die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu erhöhen.
Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 (Teil II.G.) wir durch das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert, und zwar zusätzliche zu dem GPS- Verarbeitungssystem 700 wie die oben diskutiert wurde. Demgemäß erkennt das Host-Verarbeitungssystem 186 die gleiche GPS-Satellitenkonstellation, die durch das Fahrzeug 102 beobachtet wird oder umfaßt den gleichen GPS- Satelliten in einer größeren Konstellation.
Die Berechnungen werden an den GPS-Daten und/oder Pseudosatellitendaten ausgeführt um Vorspannungen zu ermitteln bzw. abzuleiten, und zwar einschließlich der räumlichen Vorspannungen und der Taktvorspannungen. Um die räumlichen Vorspannungen zu berechnen, implementiert das Host- Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren. Fig. 15 zeigt ein ursprüngliches Vorspannungsverfahren 1500 (Teil II.F.2.a.). Fig. 16 veranschaulicht ein parabolisches Vorspannverfahren 1600 (Teil II.F.2.b.). Fig. 17 zeigt ein Basisrestvorspannungsverfahren 1700 (Teil II.F.2.c.). Fig. 17A offenbart ein Basiskorrelatorvorspannverfahren 1700A (Teil II.F.2.d).
Wie durch einen Pfeil 194 gezeigt, werden die räumlichen Taktvorspannungen zu dem GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet diese Vorspannungen zur Eliminierung von Fehlern in den Fahrzeugpositionsabschätzungen.

B. GPS-Verarbeitungssystem

Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet Fahrzeugspositionsdaten aus einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem um die erste Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 abzuleiten. In den bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das terrestrische Positionsbestimmungssystem das NAVSTAR GPS auf, welches derzeit durch die US-Regierung entwickelt wird und/oder Erd-basierende Pseudosatelliten.

1. NAVSTAR GPS

Wie in Fig. 1A gezeigt werden für das NAVSTAR GPS 24 elektronische GPS-Satelliten 132 bis 170 in sechs Umlaufbahnen 174 bis 184 angeordnet. Sie sind für ihren Einsatz für 1993 geplant. Wie derzeit geplant ist, werden die GPS-Satelliten 312 bis 170 die Erde 172 in einer Höhe von annähernd 14.000 Meilen umkreisen und den Globus zweimal pro Tag umlaufen. Unter Verwendung des C-Modus oder der C-Betriebsart des NAVSTAR GPS wird es, wie unten diskutiert möglich, terrestrische Positionen der Genauigkeit von 15 Metern bei jedem Wetter zu jeder Zeit und für die meisten Gebiete der Erde 172 zu bestimmen.
Während der Zeit wo dieses Dokument eingereicht wird, ist bekannt, daß es sechs experimentelle und sieben betriebsfähige GPS-Satelliten im Umlauf um die Erde 172 geben wird. Ferner ist es bekannt, daß mehrere Hersteller GPS- Empfänger konstruieren und bauen, wie beispielsweise den GPS-Empfänger 706 der Fig. 7. Wenn mehr und mehr GPS- Satelliten eingesetzt werden und betriebsfähig sind, so können die Zeitperioden ansteigen an drei oder mehr der experimentellen GPS-Satelliten jeden Tag zur Positionsverfolgung verfügbar sind.
Darüber hinaus ist die Lage der experimentellen GPS- Satelliten (und all der anderen sobald sie eingesetzt sind) sehr genau vorhersagbar. Die relative Position oder der "Pseudobereich" dieser GPS-Satelliten bezüglich des GPS-Empfängers 706 am Fahrzeug 102 kann aus elektromagnetischen Signalen durch zwei Verfahren bestimmt werden.
Ein Verfahren besteht darin, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Sendung und Empfang der ausgesandetn elektromagnetischen Signale zu messen. in dem NAVSTAR sind die elektromagnetischen Signale kontinuierliche mit der Zeit zu der die Signale von den GPS-Satelliten gesendet werden kodiert. Es braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, daß man die Empfangszeit ermitteln kann und davon die kodierte Übertragungs- oder Sendezeit abziehen kann, um so die Zeitverzögerung zu erhalten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und aus der bekannten Geschwindigkeit mit der die elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre laufen, können die Pseudobereiche genau abgeleitet werden. Die unter Verwendung der vorste henden Methode berechneten Pseudobereiche werden in dem Kontext dieses Dokuments Als "aktuelle" oder "tatsächliche" Pseudobereiche bezeichnet.
Ein anderes Verfahren umfaßt Satellitenpositionsdaten, die in elektromagnetischen Signalen kodiert sind, welche von den umlaufenden GPS-Satelliten übertragen werden. Allmanach-Daten die sich auf die GPS-Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR GPS beziehen sind öffentlich erhältlich. Die Bezugnahme auf diese Allmanachdaten bezüglich der in den elektromagnetischen Signalen kodierten Daten gestattet eine genaue Ableitung der Pseudobereiche, wenn die Empfängerlage bekannt ist. Unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens berechnete Pseudobereiche werden in dem Kontext dieses Dokuments als "geschätzte" Pseudobereiche bezeichnet.
Bezüglich des vorigen Verfahrens zur Ableitung von geschätzten Pseudobereichen so jedoch bemerkt, daß die Satellitenpositionsdaten an den GPS-Satelliten nur einmal pro Stunde zur vollen Stunde auf den neusten Stand gebracht werden. Infolgedessen verringert sich ein geschätzter Pseudobereich hinsichtlich seiner Genauigkeit über die Zeit hinweg nach jeder Stunde bis zur nächsten Stunde, wenn ein neuer geschätzter Pseudobereich unter Verwendung der auf den neuesten Stand gebrachten Satellitenpositionsdaten berechnet wird.
Es sei nunmehr wiederum auf Fig. 1A der Zeichnungen Bezug genommen, wo die Konfiguration des vollständig in Betrieb befindlichen NAVSTAR GPS schematisch dargestellt ist. Jeder der 24 GPS-Satelliten 132 bis 170 überträgt elektromagnetische Signale, die dazu verwendet werden können, um die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen (d. h. dessen Länge, Breit und Höhe bezüglich der Mitte der Erde 172).
Speziell, bei Bekannt sein der relativen Position von mindestens drei der umlaufenden GPS-Satelliten 132 bis 170, kann die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 über einfache geometrische Theorie unter Verwendung von Triangulationsverfahren berechnet werden. Die Genauigkeit der terrestrischen Position hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS-Satelliten 132 bis 170 ab, die durch das Fahrzeug 102 getastet werden. Die Tastung von mehr GPS-Satelliten 132 bis 170 bei der Berechnung vergrößert die Genauigkeit der terrestrischen Positionsabschätzung. Konventionellerweise werden vier GPS- Satelliten anstelle von drei getastet um jede terrestrische Postionsabschätzung zu bestimmen, und zwar wegen der Fehler beigetragen durch die Schaltungstakt- oder Clockdifferenzen in der Schaltung des Fahrzeugs 102 und der verschiedenen GPS-Satelliten 312 bis 170.
In dem NAVSTAR GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten 312 bis 170 mit einer einzigen Trägerfrequenz übertragen. Jedoch hat jeder der GPS-Satelliten 132 bis 170 einen unterschiedliches Modulationsschema wodurch eine Differenzierung oder Unterscheidung der elektromagnetischen Signale möglich ist. In dem NAVSTAR GPS wird die Trägerfrequenz moduliert, und zwar unter Verwendung eines Pseudorandom oder Pseudozu fallsbinärcodesignals (Datenbitstrom) der für jeden GPS- Satelliten einzigartig ist. Das Pseudorandombinärcodesignal wird dazu verwendet, um die Trägerfrequenz zwei- oder biphasig zu modulieren. Infolgedessen können die im NAVSTAR GPS umlaufenden GPS-Satelliten identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Ferner sieht das NAVSTAR GPS zwei Moden oder Betriebsarten für die Modulierung der Trägerwelle vor, und zwar unter Verwendung von Pseudorandomanzahl (pseudorandom number) (PRN)-Signalen. In einem Modus oder in einer Betriebsart die als "grob/Erfassungs"-(C/A)-Betriebsart bezeichnet wird, ist das PRN-Signal eine Goldcodesequenz mit einer Chiprate von 1,023 MHz. Die Goldcodesequenz ist eine hohe bekannte konventionelle Pseudorandom- oder Pseudozufallssequenz. Ein Chip ist ein individueller Impuls des Pseudorandomcodes. Die Chiprate der Pseudorandomcodesequenz ist die Rate mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Infolgedessen ist die Chiprate gleich der Codewiederholrate dividiert durch die Anzahl der Glieder im Code. Demgemäß existieren bezüglich der grob/Erfassungsbetriebsart des NAVSTAR GPS 1.023 Chips in jeder Goldcodesequenz und die Sequenz wird einmal alle Millisekunden wiederholt. Die Verwendung der 1,023 MHz Goldcodesequenz von vier umlaufenden GPS-Satelliten ermöglicht daß die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 mit einer angenäherten Genauigkeit innerhalb 60 bis 300 Meter bestimmt wird.
Die zweite Betriebsart der Modulation in dem NAVSTAR GPS wird üblicherweise als die "präzise" oder "geschützte" (protected) (P)-Betriebsart bezeichnet. In der P- Betriebsart hat der Pseudorandomcode einen Chiprate von 10,23 MHz. Darüber hinaus sind die P-Modesequenzen extrem lang, so daß sich die Sequenzen nicht mehr als einmal pro 276 Tage wiederholen. Infolgedessen kann die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 mit einer Genauigkeit von innerhalb 60 bis 30 Metern bestimmt werden.
Die P-Modesequenzen sind jedoch klassifiziert, d. h., nicht frei verfügbar und sie werden von der Regierung der Vereinigten Staaten nicht veröffentlicht. Anders ausgedrückt ist die P-Mode oder P-Betriebsart nur für solche Erdempfänger vorgesehen, die durch die Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von unterschiedlichen umlaufenden GPS-Satelliten unterscheiden können, weisen die Erdempfänger üblicherweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Goldcodesources oder - quellen auf zur örtlichen Erzeugung von Goldcodesequenzen. Jede örtlich erzeugte Goldcodesequenz entspricht einer jeden der einzigartigen Goldcodesequenzen für jeden der GPS-Satelliten.
Die örtlich abgeleiteten Goldcodesequenzen und die übertragenen Goldcodesequenzen sind kreuzkorreliert miteinander über die Goldcodesequenzintervalle von einer Millisekunde. Die Phase der örtliche abgeleiteten Goldcodesequenzen verändert sich auf einer Chip-zu-Chip-Basis und sodann innerhalb eines Chips bis die maximale Kreukorrelationsfunktion erhalten ist. Weil die Kreuzkorrelation für zwei Goldcodesequenzen eine Länge von 1.023 Bits besitzt und annähernd 16 Mal größer ist als die Kreuzkorrelationsfunktion irgendeiner der anderen Kombinationen der Goldcodeseguenzen ist es relativ leicht die örtlich abgeleitete Goldcodesequenz auf die gleiche Goldcodesequenz die durch einen der GPS-Satelliten übertragen wurde zu verriegeln oder zu setzen.
Die Goldcodesequenzen von mindestens vier der GPS- Satelliten im Gesichtsfeld des Erdempfängers werden auf diese Weise gesondert oder separiert, und zwar unter Verwendung eines einzigen Kanals, der sequentiell anspricht auf jede der örtliche abgeleiteten Goldcodesequenzen, oder aber alternativ durch Verwendung von parallelen Kanälen, die gleichzeitig auf die unterschiedlichen Goldcodesequenzen ansprechen. Nachdem vier örtlich abgeleitete Goldcodesequenzen in Phase mit den Goldcodesequenzen empfangen von vier GPS-Satelliten im Gesichtsfeld des Erdempfängers verriegelt wurden, kann die relative Position des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von annähernd 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die vorstehende annähernde Genauigkeit des NAVSTA GPS wird durch folgendes beeinflußt: (1) die Anzahl der GPS- Satelliten die Signale übertragen auf die der Erdempfänger in effektiver Weise anspricht, (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale und (3) die Größe der Kreuzkorrelationsspitzen zischen den empfangen Signalen von den unterschiedlichen GPS-Satelliten.
Es sei nunmehr auf Fig. 7 hingewiesen, wo gezeigt ist, daß das GPS-Verarbeitungssystem 700 die GPS-Daten von den GPS-Satelliten 312 bis 170 und die Pseudosatelllitendaten von jedwedem Pseudosatellit(en) 105 verarbeitet. Ferner dekodiert der GPS-Empfänger 706 die C/A-Signale von verschiedenen GPS-Satelliten 132 bis 170.
Fig. 2 zeigt Navigationsgleichungen 212 bezüglich der vier GPS-Satelliten 200 bis 206 des NAVSTAR GPS. Die vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 besitzen entsprechende Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 und weisen die laufende Konstellation der GPS-Satelliten 132 bis 170 auf, wie sie durch das Fahrzeug 102 erkannt wird.
Die Navigationsgleichungen 212 weisen die Taktvorspannung Cb zwischen den GPS-Satelliten 200 bis 206 und dem Fahrzeug 102 auf. Die Navigationsgleichungen 212 werden dazu verwendet, um die Länge und Breite des Fahrzeugs 102 unter Verwendung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu berechnen.
Wie in dem Beschreibungsblock 208 gezeigt, überträgt jeder GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 GPS-Daten die Zeitsteuerdaten (GPS-Zeit) und Ephermerisdatendaten umfassen. Unter Verwendung der Navigationsgleichungen 212, die im Stand der Technik bekannt sind und der vorstehend genannten Zeitsteuerdaten, können die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 abgeschätzt werden (genannt tatsächliche oder aktuelle Pseudobereiche), und zwar durch das GPS- Verarbeitungssystem 700. Ferner können unter Verwendung der oben genannten Ephemerisdaten und Allmanachdaten auf der Erde 172 die Pseudobereich R0, R2, R4 und R6 abgeschätzt werden (genannt geschätzte Pseudobereiche) und zwar durch das GPS-Verarbeitungssystem.

2. Betrieb

Fig. 6 zeigt eine repräsentative GPS-Konstellation in Betrieb. Vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 übertragen GPS-Daten. Sowohl das Fahrzeug 102 als auch die Basisstation 188 empfangen diese Signale von jedem dieser GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 mit ihren entsprechenden GPS-Antennen 312 und 316. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sowohl der C/A-Code und die Trägerfrequenz an den GPS-Antennen 312 und 316 zur Verarbeitung empfangen.
Zusätzlich zu den vier GPS-Satelliten in Fig. 6 ist der Pseudosatellit 105 dargestellt. Der Pseudosatellit bzw. die Pseudosatelliten 105 können strategisch um Umkreis irgendeiner offenen Bergwerksgrube angeordnet sein und können GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 wie in Fig. 6 gezeigt ergänzen oder simulieren. Diese Anordnung kann extrem brauchbar in Fällen einer offenen Bergwerksanlage sein oder im Falle eines Hohlraums oder dergleichen, wo die Bergwerksfahrzeuge außer Sicht von einem oder mehreren der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 sein könnten, und zwar wegen topographischer Merkmale, wie zum Beispiel hoher Wände bei der Grube. Die auf der Erde basierten Pseudosatelliten bzw. ein einziger solcher Satellit 105 liefert zusätzliche Bereichssignale und kann so mit die Verfügbarkeit und die Genauigkeit der Positionierungsfähigkeit der Erfindung verbessern.
Der bzw. die Pseudosatellit(en) 105 sind mit den GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206 synchronisiert und besitzen eine Signalstruktur, die obwohl unterschiedlich, mit der der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 kompatibel ist. Darüber hinaus ist der Abstand (Bereich) zwischen dem Fahrzeug 102 und dem bzw. den Pseusosatellit(en) 105 ähnlich berechnet wie der Abstand zwischen dem Fahrzeug 102 und einem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Mit dem Pseudosatellit(en) 105 enthält der Bereichsfehler nicht die selektive Verfügbarkeit und auch nicht ionospherische Fehler. Jedoch müssen andere Fehler berücksichtigt werden wie beispielsweise tropospherische Fehler und Pseudosatellittaktfehler und Mehrweg- oder Mehrpfadfehler.
Bei einem an der Oberfläche geschehenden Abbau mit tiefer Grube kann die Himmelssicht von einem Fahrzeug 102 in der Grube durch die Wände der Grube begrenzt sein. Infolgedessen kann eine angemessene Anzahl von GPS-Satelliten nicht im Gesichtsfeld für das GPS-Verarbeitungssystem 700 sein und eine erste Positionsabschätzung kann nicht richtig vorgenommen werden. In einem solchen Falle kann einer oder mehrere der Pseudosatelliten 105 als sekundäre Quellen dienen. Der bzw. die Pseudosatellit(en) können am Rand der Miene oder anderswo angeordnet sein. Der Pseudosatellit(en) 105 kann durch das Fahrzeug 102 in Verbindung mit irgendeinem sichtbaren GPS-Satelliten dazu ver wenden werden um genaue erste Positionsabschätzungen zu erhalten.
Es wird auch ins Auge gefaßt, daß andere Formen von sekundären Quellen implementiert werden können, um die GPS- Satelliten zu unterstützen oder um die Notwendigkeit des Empfangs von GPS-Daten von GPS-Satelliten vollständig zu eliminieren. Darüber hinaus kann ein Laserabtastverfahren verwendet werden, um örtliche Bereichsdaten für das Fahrzeug 102 aus einer sekundären Bezugsquelle zur Verfügung zu stellen.
Der Übertragungskanal 618 repräsentiert die Nachrichtenverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Nachrichtenkanal 618 eine elektromagnetische Verbindung auf, und zwar hergestellt durch die Datenradios 620 und 622 die Transceiver sind. Der Nachrichtenkanal 618 wird dazu verwendet, um Daten zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 zu übertragen. Es ist ins Auge gefaßt, daß andere Formen von Nachrichtenmedien verwendet werden können. Beispielsweise kann ein Laserabtastverfahren verwendet um Information von der Basisstation 108 zum Fahrzeug 102 zu übertragen.
Die Datenradios 620 und 622 sind an der Basisstation 188 bzw. dem Fahrzeug 102 angeordnet. Die Radios 620 und 622 sind für den Austausch der Daten zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 verantwortlich. Die Art der ausgetauschten Daten wird weiter unten erläutert.
Ein Radiotransceiver, der in geeigneter Weise im bevorzugten Ausführungsbeispiel als die Datenradios 620 und 622 arbeitet, ist von der folgenden Firma erhältlich: Dataradio Ltd. in Montreal, Kanada, Modell Nr. DR-4800BZ.
Es sei nunmehr auf die Fig. 7 Bezug genommen, wo das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines GPS-Verarbeitungssystems 700 gezeigt ist. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 am Fahrzeug 102 weist eine GPS-Antenne 702 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die GPS-Antenne 702 das Radiospektrum der elektromagnetischen Strahlung auf. Gemäß der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß jedes Signal durch das die GPS-Satelliten 132 bis 170 kodierte Daten übertragen könnten aufgenommen wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die GPS-Antenne 702 die im Handel verfügbare Antenne mit der Modell Nr. CA3224 von Chew Associates Inc. in Littleton Messachussets USA.
Die GPS-Antenne 702 ist mit einem Vorverstärker 704 gekoppelt, so daß die an der GPS-Antenne 702 empfangenen Signale zu dem Vorverstärker 704 übertragen werden können. Der Ausdruck "Koppeln" in Zusammenhang dieses Dokuments bedeutet irgendein System oder Verfahren zur Herstellung einer Verbindung. Kopplungssysteme und -verfahren können beispielsweise die folgenden umfassen: elektronische, optische und/oder Tonverfahren und auch andere, die hier nicht beschrieben sind.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Kopplung üblicherweise elektronisch durchgeführt, und zwar gemäß ir gendeinem der zahlreichen Industriestandards für elektronische Interfaces.
Der Vorverstärker 704 verstärkt und überträgt die von der GPS-Antenne 702 empfangenen GPS-Daten herunter, so daß die GPS-Daten bearbeitet oder dekodiert werden können. Die vorliegende Erfindung sieht irgendein Verfahren vor, durch welches die empfangenen Signale verstärkt werden können. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Vorverstärker 704 der im Handel verfügbare Vorverstärker Modell Nr. 5300 Serie GPS RF/IF von der Firma Stanford Telecommunications Inc. in Santa Clara, Kalifornien, USA. Der Vorverstärker 704 ist mit einem GPS-Empfänger 706 gekoppelt. Der GPS-Empfänger 706 verarbeitet die von den GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 ausgesandten Daten. Der GPS-Empfänger 706 berechnet die aktuellen Pseudobereiche für jeden der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Die aktuellen Pseudobereiche sind in diesem Dokument als eine Schätzung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 definiert, und zwar abgeleitet aus der Zeitverzögerung zwischen der Übertragung der elektromagnetischen Signale von den GPS-Satelliten und dem Empfang der elektromagnetischen Signale durch das GPS-Verarbeitungssystem 700. Darüber hinaus kann im bevorzugten Ausführungsbeispiel der GPS-Empfänger 706 parallel alle aktuellen Pseudobereiche für die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 verarbeiten.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt der GPS-Empfänger 706 diese Daten dann, wenn vier oder mehr GPS-Satelliten sichtbar sind. Unter Verwendung der Differenzial- oder Differenzkorrektur-Verfahren, wie sie im Teil II.F.2 dieses Dokumentes beschrieben sind, kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 (am GPS-Prozessor 710) die erste Positionsabschätzung berechnen und zwar mit einer Genauigkeit von annähernd 25 Metern dann, wenn eine optimale Konstellation der vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 in Sicht ist. Wenn eine optimale Konstellation der fünf GPS-Satelliten (nicht gezeigt) in Sicht ist, dann kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 des bevorzugten Ausführungsbeispiels eine erste Positionsabschätzung berechnen, und zwar mit einer Genauigkeit von annähernd 15 Metern. Eine "optimale" Konstellation ist eine solche, bei die relativen Positionen der GPS-Satelliten im Raum eine überlegene Triangulationsmöglichkeit geben, wobei die Triangulationstechnologie im Stand der Technik ist.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt der GPS- Empfänger 706 die aktuellen Pseudbereiche aus und die Zahl der derzeit getasteten Satelliten 132 bis 170. In Fällen, wo die Anzahl der GPS-Satelliten 132 bis 170, die für eine Serie von ersten Positionsabschätzungen gesehen werden, kleiner als vier ist, kann der VPS-gewichtete Kombinierer 1204 (vergleiche Fig. 12 und die Diskussion) im bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht die ersten Positionsabschätzungen empfangen von dem GPS-Verarbeitungssystem 700 (speziell dem GPS-Prozessor 710) bei der Berechnung der dritten Positionsabschätzung verwenden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet der GPS- Empfänger 706 einen Empfänger der Modell-Nr. 5305-NSI, der im Handel von der Firma Stanford Telecommunications Inc. verfügbar ist. Es kann jedoch auch irgendein Empfänger zum Vorsehen der aktuellen Pseudobereiche verwendet werden und die Anzahl der getasteten GPS-Satelliten kann benutzt werden.
Wegen der Art des verwendeten Empfängers beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Empfänger 706 mit dem GPS-Inter-Verbindungsprozessor 708 gekoppelt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Interkommunikationsprozessor 708 der von der Firma Motorola Schaumburg, Illinois, USA erhältliche Mikroprozessor 6800. Irgendein anderer Prozessor allein oder in Kombination mit dem GPS- Empfänger 706 könnte zur Erreichung desgleichen Zwecks, wie er unten beschrieben ist, verwendet werden.
Der GPS-Interkommunikationsprozessor 708 ist ferner mit einem GPS-Prozessor 710 und einer GPS-Konsole 1 712 gekoppelt. Der GPS-Interkommunikationsprozessor 708 koordiniert den Datenaustausch zwischen diesen drei Vorrichtungen. Speziell empfängt der GPS-Interkommunikationsprozessor 708 Pseudobereichsdaten von dem GPS-Empfänger 706, die er zum GPS-Prozessor 710 weiterleitet. Die Pseudobereichsdaten umfassen beispielsweise die tatsächlichen Pseudobereiche berechnet durch den GPS-Empfänger 706, die Anzahl der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, die derzeit vom GPS-Empfänger 706 gesehen werden, und andere GPS-Daten, die benötigt werden vom GPS-Prozessor 710, um die geschätzten Pseudobereiche für jeden der GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206 zu berechnen. Der GPS- Interkommunikationsprozessor 708 liefert oder leitet weiter Statusinformation bezüglich des GPS-Empfängers 706 und des GPS-Prozessors 710 und zwar an die GPS-Konsole 1 712.
Der GPS-Interkommunikationsprozessor 708 überträgt die obige Information an den GPS-Prozessor 710. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der GPS-Prozessor 710 den 68020 Mikroprozessor auf, der im Handel von der Firma Motorola Inc verfügbar ist. Fig. 8 ist ein Strömungsdiagramm 800 auf niedrigem Niveau, welches das Funktionieren der Software in dem GPS-Prozessor 710 veranschaulicht.
Der GPS-Prozessor 710 verwendet eine Anzahl von Algorithmen und Verfahren zur Verarbeitung der Daten, die er empfängt, und zwar einschließlich beispielsweise eines GPS- Kalman-Filters 802, der in Fig. 8 gezeigt ist. Der Kalman-Filter 802 ist im Stand der Technik bekannt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Kalman-Filter 802 ein Modul in der Software des GPS-Prozessors 710.
Die Funktion des Kalman-Filters 802 ist zum Teil das mit den Pseudobereichsdaten assoziierte Rauschen herauszufiltern. Das Rauschen kann beispielsweise ionospherisches Rauschen, Takt- oder Klockrauschen und/oder Empfängerrauschen umfassen. Der GPS-Kalman-Filter 802 des Hostverarbeitungssystems 186 an der Basisstation 188 berechnet die räumlichen und Taktvorspannungen, die beide zum Fahrzeug 102 übertragen werden, um die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu vergrößern (wie dies im Teil II.F.2 dieses Dokumentes diskutiert ist). Im Gegensatz dazu berücksichtigt der GPS-Kalman-Filter 802 im Fahrzeug 102 die räumlichen und Taktvorspannungen, die von der Basisstation 188 empfangen werden.
Der GPS-Kalman-Filter 802 arbeitet in einer halbadaptiven Art und Weise. Anders ausgedrückt modifiziert der GPS-Kalman-Filter 802 automatisch seine Schwelle akzeptabler Datenstörungen abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Der Ausdruck "Störungen" oder "Perturbation" bezieht sich im Kontext dieses Dokuments auf eine Abweichung von einem regulären Kurs. Das halb-adaptive Funktionieren des GPS-Kalman-Filters 802 optimiert das Ansprechen und die Genauigkeit der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen dann, wenn das Fahrzeug 102 seine Geschwindigkeit um eine bestimmte Größe vergrößert, erhöht das GPS-Kalman-Filter 802 seine akzeptable Rauschschwelle. In ähnlicher Weise dann, wenn das Fahrzeug 102 seine Geschwindigkeit um eine bestimmte Größe verringert, wird das GPS-Kalman-Filter 802 seine akzeptable Rauschschwelle absenken. Dieses automatische Optimierungsverfahren der Erfindung sieht ein hohes Ausmaß an Genauigkeit vor, und zwar sowohl bei Bewegungsbedingungen als auch bei stationären Bedingungen.
Bei der besten Ausbildungsart der vorliegenden Erfindung ändert sich die Schwelle des GPS-Kalman-Filters 802 nicht kontinuierlich oder in sehr winzigen diskreten Intervallen. Vielmehr sind die Intervalle größere diskrete Intervalle und daher weniger genau als ein kontinuierlich sich verändernder Filter. Der Kalman-Filter 802 der vorliegenden Erfindung ist jedoch leichter auszubilden, ist weniger kostspielig und benötigt weniger Rechenzeit als dies bei einem kontinuierlich sich verändernden Filter der Fall ist. Es sei bemerkt, daß die Verwendung eines sich kontinuierlich verändernden Filters möglich ist und auch hier umschlossen ist.
Für den Betrieb muß dem GPS-Kalman-Filter 802 ein Anfangswert beim Systemstart gegeben werden. Aus dem Anfangswert und den durch den GPS-Empfänger 706 gesammelten GPS-Daten extrapoliert der GPS-Kalman-Filter 802 einen laufenden Zustand (der die erste Positionsabschätzung umfaßt und die Fahrzeuggeschwindigkeit für das Norden, das Osten und die Höhe). Der GPS-Kalman-Filter 802 arbeitet in einer zyklischen Art und Weise. Anders ausgedrückt wird angenommen, daß der extrapolierte Stromzustand der Anfangswert für die nächste Iteration ist. Er wird kombiniert, gefiltert mit neuen GPS-Daten (einem auf den neusten Stand bringen) um einen neuen laufenden Zustand abzuleiten.
Die Art und Weise, wie die GPS-Daten verwendet werden, hängt von einer a priori, d. h. von vorne her bewahrten Akte (file) ab, die als eine Kontrollakte (control file) 820 bezeichnet wird. Die Kontrollakte 820 bestimmt folgendes: (1) die Rauschschwelle, (2) die Ansprechgeschwindigkeit, (3) die Anfangszustände der Fahrzeugposition und Geschwindigkeit, (4) das Ausmaß der Abweichung bevor eine Rücksetzung des GPS-Kalman-Filters 802 auftritt, (5) die Anzahl von zulässigen schlechten Messungen, und/oder (6) die zwischen Messungen vorgesehene Zeit.
Der GPS-Prozessor 710 berechnet dann die abgeschätzten Pseudobereiche, die erste Positionsabschätzung und die Fahrzeuggeschwindigkeit (aus der Doppler-Verschiebung) und zwar unter Verwendung des oben erwähnten laufenden Zustands und jedweder Vorspannungen einschließlich der Taktvorspannungen und der räumlichen Vorspannungen. Der GPS-Prozessor 710 läßt jedoch die berechneten Geschwindigkeitsdaten weg, wenn der C/A-Code anstelle der Trägerfrequenz durch den GPS-Empfänger 706 verwendet wird, um die Fahrzeuggeschwindigkeit abzuleiten. Der Hintergrund dafür ist der, daß zum Weglassen der Fahrzeuggeschwindigkeit Experimente gezeigt haben, daß diese nicht angemessen genau ist, wenn sie aus dem C/A-Code abgeleitet wird.
Aus der Trägerfrequenz (Doppler-Verschiebung) abgeleitete Fahrzeuggeschwindigkeiten sind viel genauer als die aus dem C/A-Code abgeleiteten Geschwindigkeiten. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die erste geschätzte Position (und die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn von der Trägerfrequenz abgeleitet) auf dem GPS-Signal 716 kodiert und zu dem VPS-Hauptprozessor 1002 gemäß Fig. 10 geschickt.
Wie zuvor erläutert, analysiert der GPS-Prozessor 710 sowohl die Trägerfrequenz als auch den C/A-Code. Anders als Daten demoduliert von dem C/A-Code, können Daten aus der Trägerfrequenz des GPS-Empfängers 706 bei annähernd 50 Hz hergeleitet werden (nicht annähernd 2 Hz, wie dies der Fall bei der Demodulation des C/A-Codes ist). Diese erhöhte Geschwindigkeit gestattet der Erfindung, mehr prä zise Positions- und Geschwindigkeits-Bestimmungen mit weniger Fehler vorzunehmen.
Fig. 8 zeigt weitere Funktionen des GPS-Prozessors 700 im bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die Erfindung sieht jedoch irgendein Verfahren vor, durch das GPS-Daten verarbeitet werden können, um Pseudobereiche zu bestimmen. Wie in dem Flußdiagramm 816 gezeigt, steuert eine Konsolenfunktion den Betrieb der GPS-Konsole. Die Konsolenfunktion reguliert den Betrieb des GPS-Kalman-Filers 802 durch Vorsehen eines Benutzerinterfaces in den Filter.
Die VPS-Übertragungs- oder -Nachrichtenfunktion 818 steuert die Ausgänge des GPS-Kalman-Filters 802, die zu dem VPS 1000 gerichtet sind. An dem Strömungsdiagrammblock 806 ist gezeigt, daß der GPS-Kalman-Filter 802 Daten vom GPS-Empfänger 706 anfordert und dekodiert, wobei diese Daten durch eine IPROTO-Funktion 804 gezeigt in dem Strömungsdiagrammblock 804 geleitet werden.
Wie gezeigt, befindet sich die IPROTO-Funktion 804 in dem GPS-Interkommunikationsprozessor 708 und führt Aufgaben assoziiert mit dem GPS-Interkommunikationsprozessor 708 aus. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die IPROTO- Funktion 804 das Modell Nr. XVME-081, welches im Handel von der Firma Xycom Inc. verfügbar ist.
Wie bei dem Flußdiagrammblock 810 gezeigt, treten die über den Kommunikationskanal 816 übertragenen Daten in die IPROTO-Funktion 804 ein. Viele dieser Daten sind schließlich für das GPs-Kalman-Filter 802 bestimmt. Die Nachrichten- oder Kommunikationsmanagerfunktion, gezeigt am Block 808, koordiniert die ankommenden Daten von der IPROTO-Funktion. Die Kommunikationsmanagerfunktion 808 koordiniert auch die Daten empfangen von einer ICC- Funktion, die in einem Block 812 gezeigt ist. Die ICC- Funktion 812 tauscht Daten aus mit dem Daten-Radio 714 (über GPS-Interkommunikationsprozessoren 720) und der GPS-Datensammelvorrichtung 718, wie gezeigt.
Die GPS-Konsole 712 ist im Stand der Technik bekannt. Viele Arten von Vorrichtungen sind im Handel verfügbar, die die gewünschte Funktion liefern. Eine solche Vorrichtung ist im Handel verfügbar von der Firma Digital Equipment Corporation in Maynard, Massachusetts, und zwar unter der Modell-Nr. VT220. Die GPS-Konsole 712 zeigt die Prozessoraktivitätsdaten an und zwar bezüglich des GPS- Interkommunikationsprozessors 708 und des GPS-Prozessors 710.
Der GPS-Prozessor 710 ist mit einer GPS-Konsole 722 gekoppelt und mit einem GPS-Kommunikationsinterfaceprozessor 720. Die GPS-Konsole 722 ist im Stand der Technik bekannt. Viele Arten von Vorrichtungen sind im Handel verfügbar, die die gewünschte Konsolenfunktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel verfügbar von der Firma Digital Equipment Corporation in Maynard, Massachusetts und zwar unter der Modell-Nr. VT220. Die GPS- Konsole 722 liefert die Benutzerinterface, von der aus der GPS-Prozessor 710 aktiviert und überwacht werden kann.
Der GPS-Kommunikationsinterfaceprozessor 720 ist im wesentlichen I/O-Tafel, d. h. eine in Eingabe- /Ausgabe- Vorrichtung. Diese Tafel ist gekoppelt mit dem Datenradio 714 und einer GPS-Datensammelvorrichtung 718. Der GPS- Kommunikationsinterfaceprozessor 720 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem GPS-Prozessor 710 und sowohl dem Datenradio 714 als auch der GPS-Datensammelvorrichtung 718. Der Kommunikationsinterfaceprozessor 720 im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Modell Nr. MVME331, von der Firma Motorola Inc., USA.
Das Daten-Radio 714 etabliert eine Nachrichtenverbindung zwischen dem GPS-Prozessor 710 (über den GPS- Kommunikationsinterfaceprozessor 720) am Fahrzeug 102 zu einem ähnlichen Daten-Radio 714 angeordnet an der Basisstation 188 (vergleiche Fig. 6). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet das Datenradio 714 synchron bei 9600 Baud unter Verwendung von Hochfrequenzen. Das Daten- Radio 714 an der Basisstation 188 liefert periodische "Updates", d. h. es bringt periodisch auf den neuesten Stand und zwar hinsichtlich der Größe der räumlichen Vorspannung und der Taktvorspannung für jeden Satelliten zum Daten-Radio 714 am Fahrzeug 102 und mit einer Rate von 2 Hz (zweimal pro Sekunde). Die durch die Basisstation 188 erzeugten räumlichen und Taktvorspannungen werden weiter unten diskutiert.
Die GPS-Datensammelvorrichtung 718 kann irgendeine von vielen elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, wie beispielsweise ein PC. Jeder PC der Fir ma International Business Machines of Boca Raton, Florida, USA, kann verwendet werden.

C. Bewegungspositioniersystem (motion positoning system = MPS)

Das MPS 900 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 9 gezeigt. Das MPS 900 leitet eine zweite Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 ab. Normalerweise wird diese zweite Positionsabschätzung kombiniert und gefiltert, und zwar mit der ersten Positionsabschätzung, um dadurch eine genauere dritte Postionsabschätzung zu erhalten. Es ist jedoch ins Auge gefaßt, daß in einigen Fällen die zweite Positionsabschätzung ausschließlich als die dritte Positionsabschätzung dann verwendet werden kann, wenn die erste Positionsabschätzung als drastisch ungenau angesehen wird.
Für das MPS 900 sieht das bevorzugte Ausführungsbeispiel die Kombination des Tarometers 902 und der IRU 904 vor. Die IRU 904 könnte jedoch auch ohne den Tarometer 902 verwendet werden. Der Tarometer und die IRU 904 werden mit einem MPS-Interkommunikationsprozessor 906 gekoppelt, um dadurch das MPS 900 zu bilden. Die IRUs und die Tarometer sind im Stand der Technik bekannt und von der Firma Honeywell Inc. in Minneapolis, Minnesota unter der Nr. HG1050-SR01 bzw. von Caterpillar Inc in Peroria, Illinois Teil-Nr. 7T6337 erhältlich.
Die IRU 904 weist Ringlaser-Gyroskope auf und Beschleunigungsmesser bekannter Konstruktion. Die IRU 904, verwen det im bevorzugten Ausführungsbeispiel, ist eine Replik des System verwendet in Boeing 767 Flugzeugen zur Bestimmung der Position des Flugzeuges mit der Ausnahme, daß die IRU 904 modifiziert wurde, um die geringeren dynamischen Kräfte (beispielsweise Geschwindigkeit) zu berücksichtigen, die in einem Fahrzeug 102 relativ zu dem in einem 767-Flugzeug auftreten.
Die IRU 904 kann die Fahrzeugposition mit 5 Hz ausgeben, die Geschwindigkeit mit 10 Hz, die Rollbewegung mit 50 Hz und die Nick- und Gierbewegungen jeweils mit 50 Hz. Ferner kann im bevorzugten Ausführungsbeispiel das Fahrzeugtarometer 902 den durchlaufenen Abstand des Fahrzeugs 102 mit 20 Hz ausgeben.
Die Lasergyroskope oder Kreisel der IRU 904 müssen, um richtig zu funktionieren, zuerst eine Abschätzung der Länge, Breite und Höhe des Fahrzeugs 102 angeben. Unter Verwendung dieser Daten als eine Grundlinien- Positionsabschätzung verwenden die Gyroskope dann eine vorbestimmte Eichung in Verbindung mit Kräften assoziiert mit der Drehung der Erde 172, um eine Schätzung der derzeitigen Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Diese Information wird sodann mit der IRU 904 kombiniert, und zwar mit Daten akquiriert durch die IRU 904- Beschleunigungsmesser, um eine genauere zweite Positionsabschätzung der derzeitigen Fahrzeugposition zu liefern. Die zweite Positionsabschätzung von der IRU 904 und die Daten von dem Fahrzeugtarometer 902 werden zu dem MPS- Interkommunikationsprozessoren 906 übertragen, der durch die Pfeile 910 und 908 der Fig. 9 repräsentiert ist. Pfeil 114 der Fig. 1 weist Pfeile 908 und 910 auf.
Nach Versuchen wurde bestimmt, daß die IRU 904 fälschliche zweite Positionsabschätzungen des Fahrzeugs 102 liefern kann, und zwar infolge von nicht genauen Bestandteilen. Insbesondere wurde beim bevorzugten Ausführungsbeispiel beobachtet, daß die Richtungsausgangsgröße der IRU 904 entgegen dem Uhrzeigersinn von der Richtung Nord während des Betriebs weggetriftet ist. Die Trift hängt von der Richtung ab, in der das Fahrzeug 102 läuft und demzufolge die IRU 904.
Darüber hinaus kann die Trift durch eine IRU-Triftgleichung definiert werden. Die IRU-Triftgleichung kann in einer Weise ähnlich der Konstruktion der Weggleichungen abgeleitet werden, wie dies in Beziehung auf das gewichtete Wegvergangenheitsverfahren (Teil II.H) beschrieben wurde oder vergleiche dazu auch die Konstruktion parabolischer Gleichungen beschrieben hinsichtlich des parabolischen Vorspannverfahrens (Teil II.F.2.b). Nach der Ableitung kann die IRU-Triftgleichung dazu verwendet werden, um die zweiten Positionsabschätzungen genauer zu extrapolieren.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Interkommunikationsprozessor 1002 einen solchen von Motorola Inc. unter der Nr. 68000 auf. Der Interkommunikationsprozessor 1002 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem MPS 900 und dem VPS 1000. Irgendein Prozessor mit ähnlichen Funk tionen wie diese beschrieben wurden, kann verwendet werden.

D. Fahrzeugpositionierungssystem (vehicle positioning system = VPS)

In Fig. 10 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Architektur des VPS 1000 gezeigt. Fig. 11 zeigt im einzelnen ein Diagramm des VPS 1000 verbunden mit dem GPS- Verarbeitungssystem 700 und dem MPS 900.
Das GPS-Verarbeitungssystem und das MPS 900 sind unabhängig mit dem VPS-Hauptprozessor 1002 gekoppelt. Die unabhängige Kopplung ist eine wichtige neue Maßnahme der vorliegenden Erfindung. Da sie unabhängig sind, bewirkt ein Ausfall eines des Systeme nicht den Ausfall des anderen. Wenn somit das GPS-Verarbeitungssystem 700 nicht in Betrieb ist, können noch immer Daten durch das MPS 900 gesammelt und verarbeitet werden, und infolgedessen auch durch das VPS 1000. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 übertragen Signale 716, 908, 910 an den VPS- Hauptprozessor 1002, wie gezeigt. Diese Signale enthalten Daten hinsichtlich Position, Geschwindigkeit, Zeit, Nikken, Rollen und Gieren sowie hinsichtlich des Abstandes (vergleiche die Fig. 7 und 9 sowie die zugehörige Diskussion).
Der VPS-Hauptprozessor 1002 ist mit dem VPS-I/O-Prozessor 1004 gekoppelt. Der VPS-Hauptprozessor 1002 überträgt ein Signal 1008 an einen VPS-I/O-Prozessor 1004 wie gezeigt. Das Signal 1008 umfaßt die dritte Positionsabschätzung.
Die dritte Positionsabschätzung wird von dem GPS, dem IRU und den Tachometer- bzw. Kilometerzähler- bzw. Odometer- Daten abgeleitet, wie oben bemerkt, und insbesondere gilt dies für die ersten und zweiten Positionsabschätzungen des Fahrzeugs 102.
Die vorliegende Erfindung umfaßt jedes System und Verfahren, durch welches die durch Pfeile 716, 908 und 910 angedeuteten Signale durch den VPS-Hauptprozessor 1002 von dem GPS-Verarbeitungssystem 700 und dem MPS 900 empfangen werden können und zu dem VPS-Hauptprozessor 1002 transportiert werden. Der VPS-Hauptprozessor 1002 ist der 68020 Mikroprozessor der Firma Motorola.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm 1200 auf einem Zwischenniveau von einem VPS-Hauptprozessor 1002 der Fig. 10, wobei ein VPS-Kalman-Filter 1202 und ein gewichteter Kombinierer oder gewichtete Kombiniermittel 1200 gezeigt sind. Wie gezeigt, werden das GPS-Signal 716 und das Tarometer- Signal 908 direkt zu einem gewichteten Kombinierer 1204 übertragen. Das IRU-Signal 910 wird in ein VPS-Kalman- Filter 1202 übertragen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das GPS-Signal 716 mit einer Rate von 2 Hz übertragen. Das Tarometersignal 908 wird mit einer Rate von 20 Hz übertragen. Darüber hinaus wird das IRU-Signal 910, welches die zweite Positionsabschätzung umfaßt, mit einer Rate von SO Hz übertragen.
Der VPS-Kalman-Filter 1202 verarbeitet das IRU-Signal 910, filtert externes Rauschen aus den Daten heraus und gibt die verarbeiteten Daten an den gewichteten Kombinie rer 1204. Ferner empfängt das VPS-Kalman-Filter 1202 ein Signal von der gewichteten Kombiniervorrichung 1204, wie dies durch einen Pfeil 1208 gezeigt ist, wobei dieses Signal dazu verwendet wird, um den VPS-Kalman-Filter 1202 mit neuer Positionsinformation rückzusetzen.
Der gewichtete Kombinierer 1204 verarbeitet die Signale und liefert einen Gewichtungsfaktor an jede Daten basierend auf der geschätzten Genauigkeit der Datensammlungstechnik, die verwendet wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist somit die erste Positionsschätzung des GPS- Signals 716 schwerer gewichtete als die zweite Positionsabschätzung des IRU-Signals 910. Der Grund für dieses Gewichtungsschema besteht darin, daß die erste Positionsabschätzung von Natur aus genauer ist als die zweite Positionsabschätzung vom IRU 904.
Die Geschwindigkeit kann jedoch genauer durch die IRU bestimmt. Daher kann die Geschwindigkeitskomponente des IRU-Signals 910 schwerer gewichtet werden als die Geschwindigkeitskomponente des GPS-Signals 716. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Geschwindigkeitskomponente des IRU-Signals 910 ausschließlich der Geschwindigkeitskomponente des GPS-Signals 716 verwendet.
Die gewichtete Kombiniervorrichtung 1204 erzeugt eine Ausgangsgröße 1206 mit 20 Hz. Die Ausgangsgröße 1206 enthält alle berechneten Daten und wird an zwei Stellen gesandt: den VPS-Kalman-Filter 1202, wie durch einen Pfeil 1208 gezeigt, und an den VPS I/O-Prozessor 1004, wie durch einen Pfeil 1008 gezeigt. Die Ausgangsgröße 1206 enthält Zeitinformationen bezüglich der GPS-Satelliten. Die Ausgangsgröße 1206 enthält ferner Information relativ zur Fahrzeugposition, Geschwindigkeit, der Gierbewegung, der Nickbewegung und der Rollbewegung. Schließlich sei bemerkt, daß die VPS-Ausgangsgröße 1206 die dritte Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 umfaßt oder bildet.
Eine andere Ausgangsgröße gezeigt am Pfeil 1018 vom gewichteten Kombinierer 1204 enthält nur Geschwindigkeitsdaten, die sich auf das Fahrzeug 102 beziehen. Die Geschwindigkeitsdaten werden zu dem GPS-Verarbeitungssystem 700 gesandt, und zwar von dem VPS-Hauptprozessor 1002. Die Geschwindigkeitsdaten werden dazu verwendet, um die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu vergrößern, wie dies im folgenden diskutiert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht irgendein System und irgendein Verfahren vor, durch welches die Signale 716, 908 und 910 an dem VPS-Hauptprozessor 1002 gemäß der oben genannten Verarbeitungsschritte verarbeitet werden können. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der VPS- Hauptprozessor 1002 der 68020 Mikroprozessor der Firma Motorola.
Fig. 12A veranschaulicht eine Super-Kalman-Filter 1200A der Erfindung. Das Super-Kalman-Filter 1200A ist ein System und ein Verfahren zur Verarbeitung von Daten zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102. Speziell vergrößert das Super-Kalman-Filter direkt die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung.
Demgemäß wird die Genauigkeit der dritten Positionsabschätzung indirekt vergrößert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Super-Kalman-Filter 1200A Software auf, und zwar innerhalb der Architekturen des GPS- Verarbeitungssystems 700 gemäß Fig. 7 und des VPS 1000 gemäß Fig. 10. Es wird ins Auge gefaßt, daß der Super- Kalman-Filter 1200A in Hardware aufgebaut sein könnte, beispielsweise als eine integrierte Schaltung, oder aber in der Form eines optischen Filters oder dergleichen.
Wie durch den Pfeil 1210 gezeigt, empfängt das GPS- Kalman-Filter 802 erste Daten von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem, welches beispielsweise GPS- Daten und/oder Pseudosatellit-Daten umfassen könnte. Das GPS-Kalman-Filter 802 verarbeitet die Daten und gibt eine erste Positionsabschätzung (first position estimate = FPE) ab, wie dies durch den Pfeil 716 angedeutet ist.
Wie durch den Pfeil 910 gezeigt, empfängt das VPS-Kalman- Filter 1202 MPS-Daten von dem MPS 900. Das VPS-Kalman- Filter arbeitet oder verarbeitet die MPS-Daten und gibt die zweite Positionsabschätzung (second position estimate = SPE) ab.
Der gewichtete Kombinierer 1204 empfängt die FPE und die SPE, wie durch die Pfeile 716 bzw. 1210 angedeutet. Der gewichtete Kombinierer 1204 gibt die Geschwindigkeit 1018 des Fahrzeugs 102 aus an das GPS-Kalman-Filter 802. Das GPS-Kalman-Filter 802 adaptiert infolge der Fahrzeuggeschwindigkeit 1018 des Fahrzeugs eine Vergrößerung der Genauigkeit der FPE am Pfeil 716.
Das GPS-Kalman-Filter 802 kann derart konstruiert sein, daß es zu diskreten Zeitintervallen adaptiert oder daß es kontinuierlich adaptiert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel adaptiert das GPS-Kalman-Filter 802 in diskreten Zeitintervallen infolge eines Gleichgewichtes zwischen Kosten- und Leistungsfähigkeit.
Es wird ins Auge gefaßt, daß nur ein Kalman-Filter (nicht gezeigt) implementiert werden könnte, um ein genaues terrestrisches Positionbestimmungssystem vorzusehen. Insbesondere ist es möglich, daß GPS-Verarbeitungssystem 700 um das MPS 900 (mit einem Tarometer 902 und/oder einer IRU 904) mit nur einem Kalman-Filter zu verbinden, welches die dritte Positionsabschätzung ableitet. Eine solche Konfiguration würde jedoch nicht alle günstigen Attribute wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel besitzen.
Das Super-Kalman-Filter der Fig. 12 und 12A besitzt die vorteilhaften Eigenschaften von sowohl einem einzigen Kalman-Filter und von gesonderten Kalman-Filtern. Wie dies konfiguriert ist, können GPS-Kalman-Filter 710 und VPS-Kalman-Filter 1202 kontinuierlich Daten austauschen, um dadurch die Genauigkeit der ersten und zweiten Positionsabschätzungen zu vergrößern. Infolgedessen werden die dritten Positionsabschätzungen verbessert. Insofern befindet sich ein einziges Kalman-Filtersystem zwischen der schließlichen Ausgabe der dritten Positionsabschätzung und der Positionsdaten, die eingegeben werden.
In einem unterschiedlichen Sinn arbeiten das GPS-Kalman- Filter 710 und das VPS-Kalman-Filter 1202 völlig als gesonderte unabhängige Filter. Wenn beispielsweise entweder die GPS-Daten oder die MPS-Daten "gefärbt" oder beeinflußt sind, dann können die beeinflußten Daten vollständig oder partiell außer Acht gelassen werden, und zwar über die gewichtete Kombiniervorrichtung 1204, ohne die Genauigkeit der nicht-beeinflußten Daten zu beeinflussen. In einem System, welches einen einzigen Kalman-Filter verwendet, wird die schließliche Ausgangsgröße oder dritte Positonsabschätzung im wesentlichen ungenau, wenn entweder die GPS-Daten oder die MPS-Daten im wesentlichen "gefärbt" sind.
Zurückkommend auf Fig. 10 sei bemerkt, daß der VPS-I/O- Prozessor 1004 mit einem VPS-Kommunikationsinterfaceprozessor 1020 gekoppelt ist. Der Kommunikationsinterfaceprozessor 1020 ist der MVME331 Prozessor, der von der Firma Motorola verfügbar ist. Jeder den gleichen Zweck, wie er unten beschrieben ist, erfüllende Prozessor kann verwendet werden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der VPS- Kommunikationsinterfaceprozessor 1020 mit drei unterschiedlichen Vorrichtungen gekoppelt: (1) einer VPS- Konsole 1012, (2) einer Datensammelvorrichtung 1014 und (3) dem Navigationssystem 1022. Der VPS- Kommunikationsinterfaceprozessor 1020 leitet die Daten einschließlich des dritten Positionsabschätzwerts enthalten in der Ausgangsgröße 1016 zu den obigen drei Vorrichtungen mit einer Rate von 20 Hz.
Die VPS-Konsole 1012 ist im Stand der Technik bekannt und im Handel von der Firma Digital Equipment Corporation unter der Modell-Nr. VT220 erhältlich. Diese VPS-Konsole 1012 wird dazu verwendet, um den derzeitigen oder laufenden Status des VPS-I/O-Prozessors 1004 anzuzeigen.
Die VPS-Datensammelvorrichtung 1014 kann irgendeine von dem im Handel verfügbaren elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, beispielsweise ein PC. Jeder McIntosh-PC von Apple Computer kann erfolgreich verwendet werden.
Das Navigationssystem 1022 weist die Merkmale auf, die mit der Navigation des Fahrzeugs 102 in Verbindung stehen. Das VPS 1000 überträgt die dritte Positionsabschätzung an das Navigationssystem 1022, so daß das Navigationssystem genau und sicher das autonome Fahrzeug 102 führen kann.

E. Basisstation

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 sei bemerkt, daß das Hostprocessing oder Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 das GPS-Processing oder Verarbeitungssystem 700 der Fig. 7 aufweist. Die Gründe für das Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 sind die folgenden: (1) die Überwachung des Betriebs des Fahrzeugs 102, (2) das Vorsehen eines bekannten terrestrischen Bezugspunktes, aus dem die räumlichen Vorspannungen (vergleiche die Differentialvorspannverfahren Teil II.F.2) herge stellt werden können und (3) das Vorsehen jedweder anderer Information für das Fahrzeug 102, wenn dies notwendig ist über einen Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungskanal 618.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisstation 188 nahe am Fahrzeug 102 angeordnet sein, vorzugsweise innerhalb von 20 Meilen. Die enge geographische Beziehung sieht eine effektive Radioverbindung vor zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 über den Nachrichtenkanal 618. Sie sieht auch einen genauen Bezugspunkt für den Vergleich der Satellitenübertragungen empfangen durch das Fahrzeug 102 mit denen empfangen von der Basisstation 188 vor.
Ein geographisch naher Bezugspunkt wird genötigt, um die genauen räumlichen Vorspannungen zu berechnen. Die räumlichen und Taktvorspannungen sind in der Tat das übliche Betriebsartrauschen, das dem NAVSTAR-GPS und dem GPS- Verarbeitungssystem 700 inhärent ist. Sobald die Berechnung an der Basisstation 188 vorgenommen ist, werden die räumlichen und Taktvorspannungen zum Fahrzeug 102 unter Verwendung des Datenradios 714 gesandt, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Die räumlichen Vorspannungen werden unter Verwendung verschiedener Verfahren berechnet, die weiter unten beschrieben werden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung koordiniert das Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 die autonomen Aktivitäten des Fahrzeugs 102 weiter und stellt das Interface des VPS 1000 mit den menschlichen Überwachern her.

F. Auf Satelliten basierende Genauigkeitsverbesserungen

Die vorliegende Erfindung verbessert die Genauigkeit der Positionsabschätzungen des Fahrzeugs 102 über eine Anzahl von Differenz- oder Differentialkorrekturverfahren. Diese Differenzvorspannungsverfahren werden dazu verwendet, um die ersten, zweiten und dritten Positionsabschätzungen zu verbessern.
Mehrere dieser Differenzkorrekturverfahren sind dafür vorgesehen, direkt Fehler (Rauschen oder Interferenz) in der Berechnung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 (beides aktuelle und geschätzte Pseudobereiche) zu entfernen. Die Entfernung dieser Fehler gibt eine genauere erste Positionsabschätzung, die durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 an das VPS 1000 ausgegeben wird, und schließlich wird eine präzisere dritte Positionsabschätzung durch das VPS 1000 an das Navigationssystem 1022 ausgegeben.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 verantwortlich für die Ausführung dieser Differential- oder Differenztechniken und zum Weiterleiten der Ergebnisse an das Fahrzeug 102. Es sei daran erinnert, daß das Hostverarbeitungssystem 186 das GPS-Verarbeitungssystem 700 und ebenso wie das Fahrzeug 102 aufweist. Der Ausdruck "Differential" oder "Differenz" wird verwendet, weil die Ba sisstation 188 und das Fahrzeug 102 unabhängig aber praktisch ein identisches GPS-Verarbeitungssystem 700 verwenden. Da ferner die Basisstation 188 stationär ist und ihre absolute Position bekannt ist, dient sie als ein Bezugspunkt, von dem aus elektronische Fehler (Rauschen oder Interferenz) und andere Fehler verursachende Phänomene gemessen werden.

1. Konstellationseffekte

Fig. 13 ist ein Strömungsdiagramm 1300 des Konstellations-Effekte-Verfahrens zur Verbesserung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren kann in dem GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 implementiert werden. Alternativ kann das Verfahren in dem Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 implementiert werden. Im zuletzt genannten Fall würde die durch das Verfahren bestimmte Information darauffolgend zum Fahrzeug 102 übertragen werden, und zwar für eine entsprechende Verbesserung der ersten Positionsabschätzungen.
Das Strömungsdiagramm 1300 zeigt ein Verfahren zum Auswählen der besten Satellitenkonstellation in Sicht der GPS-Antenne 702. Für das Fahrzeug 102 können viele der GPS-Satelliten 132-170 in Sicht der GPS-Antenne 702 liegen. Nur ein Untersatz oder Subsatz dieser Satelliten wird ausgewählt, um eine bestimmte Konstellation aus irgendeiner Anzahl von Satelliten (mindestens vier im bevorzugten Ausführungsbeispiel) zu bilden.
Die "beste" oder "optimale" Konstellation wird im wesentlichen basierend auf geometrischen Betrachtungen ausgewählt. Die Lage im Raum der GPS-Satelliten 132-170 im Blick der GPS-Antenne und der beabsichtigte Pfad oder die beabsichtigte Bahn bzw. Weg des Fahrzeugs 102 werden berücksichtigt, was noch im einzelnen unten erläutert wird.
Das Flußdiagramm 1300 beginnt an dem Flußdiagrammblock 1302. Am Flußdiagramm 1304 werdend die geschätzten Pseudobereiche jedes GPS-Satelliten in Sicht und bezüglich der GPS-Antenne 702 berechnet. Die geschätzten Pseudobereiche werden im Zusammenhang dieses Dokumentes als geschätztes Pseudobereiche abgeleitet aus Almanach-Daten und der Ephemeres von den GPS-Satelliten definiert. Die Almanach-Daten beziehen sich auf die zuvor gespeicherten Daten, welche die Lage der GPS-Satelliten 132-170 im Raum an bestimmten Zeiten während des Tages angeben.
Für das NAVSTAR-GPS liegen die Almanachdaten in Form von Gleichungen mit Variablen vor. Diese Almanach-Gleichungen sind von der US-Regierung öffentlich erhältlich. Einige der Variablen identifizieren die GPS-Satelliten 132-170. Weitere erforderliche Eingangsgrößen sind die Zeit, zu der ein geschätzter Pseudobereich bestimmt wird, und die bekannte Lage des relevanten Punktes auf der Erde.
Um die geschätzten Pseudobereiche, die sich auf jeden GPS-Satelliten beziehen, zu bestimmen, wird die folgende Information in diese Almanach-Gleichungen eingesetzt: (1) die GPS-Satelliten identifizierenden Parameter, die in den GPS-Daten von den GPS-Satelliten kodiert sind, (2) die laufende Zeit, und (3) die bekannte Lage der Basisstation 188.
Als nächstes werden am Flußdiagrammblock 1306 die geschätzten Pseudobereiche unter Verwendung von Polarkoordinaten aufgetragen. Fig. 14 ist eine Polardarstellung 1400 auf einem Koordinatensystem 1402, wobei ein Satz von geschätzten Pseudobereichkreisen 1404, 1406, 1408 und 1410 dargestellt ist, die sich auf eine GPS- Satellitenkonstellation von vier GPS-Satelliten (nicht gezeigt) beziehen. Die geschätzten Pseudobereichskreise 1404, 1406, 1408 und 1410 sind derart gezeichnet, daß ein Schnitt an der Mitte 1412 der Polarkarte 1400 existiert. Das Koordinatensystem 1402 gibt den Azimuth von der Richtung Nord, wie dargestellt, an.
Die relativen Abstände zwischen den GPS-Satelliten und der GPS-Antenne sind auch in der Polardarstellung 1400 angegeben und zwar durch die Größe der geschätzten Pseudobereichskreise 1404, 1406, 1408 und 1410. Speziell ist beispielsweise der durch den geschätzten Pseudobereichskreis 1406 repräsentierte GPS-Satellit weiter weg als der durch den geschätzten Pseudobereichskreis 1408 repräsentierte Satellit.
Unter Bezugnahme auf Fig. 14 sei bemerkt, daß eine schattierte Ellipsoid-Zone oder -Region 1412 die mögliche Position des Fahrzeugs 102 zeigt, wenn die (nicht gezeigten) GPS-Satelliten die Betrachtung der geschätzten Pseudobereichskreise 1406 und 1408 nahelegen. Ein wichtiger Parameter in der Ellipsoid-Darstellung ist das Verhältnis zwischen dem Halb- oder Semi-Haupt- und Halb- oder Minor- Zugriff des Ellipsoids, was als geometrisches Verhältnis des Zugriffsfaktors (geometric ratio of access factor = GRAF) bezeichnet wird. Es wird in Betracht gezogen, daß der GRAF am nächsten Flußdiagrammblock 1308 berechnet werden kann.
Unter Bezugnahme auf den Fließdiagrammblock 1308 sei bemerkt, daß der GRAF zusammen mit dem Winkel des Hauptzugriffs verwendet wird, um ein Gewichtungsfaktor zu berechnen, der schließlich das GPS-Verarbeitungssystem 700 unterstützt, um eine genauere erste Positionsabschätzung, wie unten beschrieben, zu berechnen. Wie in dem Flußdiagrammblock 1312 gezeigt, wird das GPS-Kalman-Filter 802 in dem GPS-Verarbeitungssystem 700 am Fahrzeug 102 modifiziert, um die Form des geschätzten Ellipsoids für die berechnete Nordung-Ostung-Koordinaten des Fahrzeugs zu akkomodieren, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist. Darüber hinaus, wie durch einen Pfeil 1314 angezeigt, wird das vorstehende Verfahren kontinuierlich wiederholt und so kontinuierlich die geschätzte Position der Mitte 1412 zu verbessern. An einem Flußdiagrammblock 1316 wird die optimale Satellitenkonstellation für die gewünschte Fahrzeugbahn bestimmt. Die optimale Konstellation ist eine, die den geringsten Fehler senkrecht zur gewünschten Fahrzeugbahn oder dem Soll-Fahrzeugweg gibt.
Wie im Flußdiagrammblock 1318 gezeigt, wird die optimale Satellitenkonstellation vom Fahrzeug 102 über das Datenradio 714 übertragen. Das Fahrzeug 102 verwendet die op timale Satellitenkostellation, um die ersten Positionsabschätzungen zu berechnen.

2. Differential- oder Differenzkorrekturverfahren

a. Die ursprüngliche oder Originalvorspanntechnik

Fig. 15 zeigt ein Flußdiagramm 1500, welches die Originalvorspanntechnik veranschaulicht, die im Stand der Technik bekannt ist. Die Originalvorspanntechnik ist ein Verfahren zur Berechnung von räumlichen Vorspannungen zur Erhöhung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen, die schließlich bei der Definition der dritten Positionsabschätzungen teilnehmen. Das Originalvorspannverfahren, welches im einzelnen unten beschrieben wird, verwendet eine bekannte Position der Basisstation 188 als einen Referenz- oder Bezugspunkt zur Bestimmung der räumlichen Vorspannungen (ursprüngliche oder originale Vorspannungen).
Das Originalvorspannungsverfahren kann in dem GPS- Verarbeitungssystem 700 am Fahrzeug 102 implementiert werden.
Ferner kann das Originalvorspannverfahren in dem Hostverarbeitungsystem 186 an der Basisstation 188 implementiert werden. Beim letztgenanten Vorgehen würde die durch das Verfahren bestimmte Information darauffolgend zum Fahrzeug 102 übertragen werden für eine entsprechende Verbeserung der ersten Positionsabschätzungen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet das letztgenannte Verfahren und implementiert das Oiginalvorspannverfahren in dem Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188.
Die Originalvorspanntechnik oder das Originalvorspannverahren gemäß Fig. 15 beginnt am Flußdiagrammblock 1502. Wie gezeigt, werden am Flußdiagrammblock 1504 der tatsächliche Pseudobereich (Basisaktuellerpseudoabereich) = und der geschätzte Pseudobereich (Basisschätzungspseudobereich) für jeden GPS Satelliten in Sicht der GPS- Antenne 702 in dem Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 berechnet. Der aktuelle Basispseudobereich wird unabhängig von dem geschätzten Basispseudobereich berechnet. Der aktuelle oder tatsächliche Basispseudobereich wird durch den GPS-Empfänger 706 in dem Hostverarbeitungssystem 186 berechnet. Darüber hinaus wird der geschätzte Basispseudoberech durch den GPS Prozessor 710 berechnet.
Die Basis- Aktuell-Pseudoberreiche (IST-Basispseudobereiche) werden dadurch berechnet, daß man die Forpflanzungszeit vergangen zwischen Übertragung der elektromagnetischen Signale von einem GPS-Satellien (oder Pseudo satelliten und dem Empfang der Signale an dem Hostvesrarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 mißt. Die elektromagnetischen Signale codieren die Übertragungszeit. Ferner zeichnet der GPS-Empfänger 706 die Empfangszeit auf. Durch die Annahme, daß diese elektromagnetischen Signale mit der Lichtgeschwindigkeit oder 2,9979245898 · 10&sup8; Meter pro Sekunde laufen, kann der tatsächliche oder aktuelle Pseudobereich für jeden Satelliten dadurch bestimmt werden, daß man die vergangene Fortpflanzungszeit mit der Lichtgeschwindigkeit (in entsprechenden Einheiten) multipliziert.
Die geschätzten Basispseudobereiche werden berechnet aus: 1) Almanachdaten (im NAVSTAR GPS eine Almanachgleichung), (2) der Übertragungszeit der elektromagnetischen Signale von den GPS-Satelliten und (3) der bekannten Position (bekannte Basisposition) der Basisstation 188. Die Übertragungszeit und die bekannte Basisposition (base known posiion = BKP) wird in die Almanachgleichung eingesetzt, um einen geschätzten Pseudobreich für einen Satelliten zu ermitteln.
Die Clock- oder Vorspannungen (Basistaktvorspannung) zwischen den Schaltungstakten oder Clocks des Hostverarbeitungssystems 186 und der erkannten GPS- Satelliten werden auch berechnet, wie durch den Flußdiagrammblock 1604 angedeutet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird für alle Satelliten eine Basisclockvorspannung berechnet. Die Basisclockvorspannung wird dadurch berechnet, daß man die Clock- oder Taktimpulse eines Satelliten und des Hostsverarbeitungsysstems 188 über eine vorgewählte Zeit periode hinweg zählt. Die Impulse werden dann verglichen, um eine Differenz abzuleiten. Die Differenz wird sodann mit der Lichtgeschwindigkeit oder 2,998 · 10&sup8; Meter pro Sekunde multipliziert, um so die Takt- oder Clockvorspannung um eine Längeneinheit umzuwandeln. Es sei jedoch bemerkt, daß jedes Verfahren zum Berechnen und zum Ausdrükken einer Basisclockvorspannung für die Erfindung angewendet werden kann.
Wie in dem Flußdiagrammblock 1508 gezeigt, wird eine räumliche oder spatiale Vorspannung (Originalvorspannung) dadurch berechnet, daß man sowohl den geschätzten Basispseudobereich und die Basisclockvorspannung (in einer Länge) von dem tatsächlichen Basispseudobereich abzieht. Die Originalvorspannung wird durch viele unterschiedliche Effekte bewirkt, wie beispielsweise atmosphärische Bedingungen, Empfängerfehler usw. Es sei bemerkt, daß die Berechnung der Originalvorspannung nicht durch Verwendung des Fahrzeugs 102 als ein Bezugspunkt ausgeführt werden kann, da die tatsächliche oder aktuelle d. h. die Ist- Position des Fahrzeugs 102 nicht bekannt ist. Die Berechnung der Originalvorspannung könnte jedoch am Fahrzeug 102 vorgenommen werden.
Wie am Flußdiagrammblock 1510 gezeigt, wird das GPS- Kalman-Filter 802 und das Hostverarbeitungssystem 188 mit der Originalvorspannung auf den neuesten Stand gebracht. Wie ferner durch einen Pfeil 1512 gezeigt, wird der Prozeß der Berechnung der Originalvorspannungen kontinuierlich ausgeführt und die abgeleiteten Originalvor spannungen werden dazu verwendet, um den GPS-Kalman- Filter 802 iterativ auf den neuesten Stand zu bringen.
Da sich das Fahrzeug 102 in enger Nachbarschaft zu der Basisstation 188 befindet, wird der Fehler bei den Pseudobereichsberechnungen als identisch angenommen. Daher wird die Originalvorspannung, die, wie in dem Flußdiagrammblock 1508 gezeigt, bestimmt wurde, auch dazu verwendet, um die tatsächlichen Pseudobereiche produziert durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 zu modifizieren. Demgemäß werden, wie an der an dem Flußdiagrammblock 1514 gezeigten Originalvorspannungen von der Basisstation 188 zum Fahrzeug 102 unter Verwendung der Datenradius 620 und 622 übertragen.
Die Originalvorspannungen werden dazu verwendet, um den GPS-Kalman-Filter 802 im Fahrzeug 102 auf den neuesten Stand zu bringen. Das auf den neuesten Standbringen des GPS-Kalman-Filters 802 hat genaue erste Positionsabschätzungen zur Folge.

b. Parabolische Vorspanntechnik

Wenn die GPS-Satelliten 132-170 am Himmel steigen und fallen, folgt der durch jeden GPS-Satelliten 122-170 gebildete Weg einer Parabel bezüglich des Verfahrens von Pseudobereichen auf oder nahe der Erdoberfläche. Daher kann eine parabolische Funktion abgeleitet werden, die den Pfad und die Hahn jedes GPS-Satelliten im Himmel angibt. Das Vorstehende erläutert das Wichtigste des parabolischen Vorspannverfahrens das in dem Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ausgeführt wird. Es sei bemerkt, daß das parabolische Vorspannverfahren am Fahrzeug 102 ausgeführt werden kann.
Es sei nunmehr auf Fig. 16 Bezug genommen, wo eine Strömungs- oder Flußdarstellung 1600 die parabolische Vorspanntechnik veranschaulicht. Ein parabolisches Funktions (Modell) wird für jeden GPS-Satelliten in sichtiger GPS- Antenne 702 an der Basisstation 188 berechnet
Das Flußdiagramm 1600 beginnt am Flußdiagrammblock 1602. Wie gezeigt, werden an einem Flußdiagrammblock 1604 zur Zeit t(n) tatsächliche oder Ist-Pseudobereiche für jeden GPS-Satelliten in Sicht der GPS-Antenne 702 an der Basisstation 188 bestimmt, und zwar unter Verwendung des GPS-Empfängers 706, wie oben beschrieben. Wie am Flußdiagrammblock 1606 gezeigt, sind die tatsächlichen Pseudobereiche (für jeden GPS-Satelliten) in parabolische am besten passende Modelle für jeden GPS-Satelliten in- korporiert oder eingebaut. Somit wird an dem Flußdiagrammblock 1606 ein Punkt des parabolischen Modells für jeden GPS-Satelliten hinzugefügt.
Wie an einem Flußdiagrammblock 1608 gezeigt, wird ein Test durchgeführt, ob genug Punkte auf den parabolischen Modellen bestimmt werden, um eine parabolische Funktion für jeden GPS-Satelliten abzuschätzen. Die Anzahl der Punkte, die gesammelt wurden, bestimmt einen bestimmten statistischen R²-Wert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der R²-Wert wie folgt berechnet:
Die obige statistische Standardgleichung ist bekannt. Für
eine weitere Diskussion dieser Gleichung sei auf Draper, Applied Regression Analysis 1966, hingewiesen. Durch Definition von N als der Zahl der berechneten Pseudobereiche, sowohl geschätzt als auch aktuell, und durch mathematisches Erweitern der Gleichung kann die brauch- bare Form der Gleichung leicht abgeleitet werden:
Wie am Flußdiagrammblock 1608 gezeigt, wird dann, wenn dieser Quadratwert größer als 0,98 im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, das parabolische Modell als genau genug angesehen, um die zukünftige Bahn bzw. den zukünftigen Weg des GPS-Satelliten abzuschätzen. Wenn der Wert R2 kleiner als oder gleich 0,98 ist, dann müssen mehr Punkte auf dem parabolischen Modell berechnet werden. Diese Punkte werden dadurch berechnet. daß man die Pseudobereichsdaten, die durch den GPS-Empfänger 706 kon tinuierlich berechnet werden, inkorporiert oder eingebaut.
Wie an dem Flußdiagrammblock 1610 gezeigt, inkrementiert der N-Wert, um zu zeigen, daß die Zeit, mit der der Pseudobereich berechnet wird, vergrößert wird, wie dies im Flußdiagrammblock 1604 gezeigt ist. Da der GPS-Empfänger 706 tatsächliche Pseudobereiche für jeden GPS- Satelliten mit 2 Hz (zweimal pro Sekunde) ausgibt, wird jede N- Inkrementierung annähernd eine halbe Sekunde repräsentieren.
Wenn genug Datenpunkte derart gesammelt sind, daß der Wert R² größer ist als 0,98, dann werden wie am Flußdiagrammblock 6612 gezeigt, die parabolischen Modelle als genau genug angesehen, um die Umlaufbahn jedes Satelliten zu repräsentieren. Wie in dem Flußdiagrammblock 1612 gezeigt, repräsentieren die parabolischen Modelle Punkte auf vergangenen und auf zukünftigen Satellitenbahnen. Da nunmehr die Parabolmodelle vollständig sind, können zukünftige Punkte auf den Modellen extrapoliert werden. wie dies an dem Flußdiagrammblock 1614 gezeigt ist.
Wie im Flußdiagrammblock 1614 gezeigt ist, wird für die Zeit T(n+1) der Lokuspunkt auf jedem der parabolischen Modelle berechnet. Die Lokuspunkte sind die erwarteten tatsächlichen oder aktuellen Pseudobereiche der GPS-Satelliten zur Zeit T(n+1). Sobald dieser Lokuspunkt berechnet ist, wird der Bereich für den Lokuspunkt (Abstand zwischen der GPS-Antenne 702 und dem GPS-Satelliten) berechnet, wie dies am Block 1616 gezeigt ist.
Am Block 1618 werden die aktuellen oder tatsächlichen Pseudobereiche für die Zeit T(n+1) berechnet, was die laufende Zeit im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist. Die tatsächlichen Pseudobereiche werden durch den GPS-Empfänger 706, wie oben beschrieben, berechnet. Diese aktuellen Pseudobereiche zur Zeit T(n+1) werden in die parabolischen "bestpassenden" Modelle während der nächsten Iteration des Flußdiagramms 1600 eingebaut. Am Block 1620 wird der tatsächliche zur Zeit T(n+1) berechnete Pseudobereich und die Basistaktvorspannung (in Einheitslänge) für jeden Satelliten vom Lokuspunktbereich abgezogen, um die parabolische Vorspannung für jeden Satelliten zu erzeugen.
Die parabolischen Vorspannungen werden sodann, wie im Block 1624 angedeutet, zu den GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 über das Datenradio 714 übertragen. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 am Fahrzeug 102 verwendet die parabolischen Vorspanungen, um die Genaugkeit seiner tatsächlichen Pseudobereichberechnungen (tatsächliche Pseudobereiche des Fahrzeugs) zu verbessern und so die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen zu erhöhen.

c. Basisrestevorspanntechnik

Fig. 17 zeigt ein Flußdiagram 1700 für das Implementieren des Basisrestevorspannungsverfahrens oder dieser Technik. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisrestevorspanntechnik in dem Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 ausgeführt. Nachdem die Basisreste vorspannung an der Basisstation 188 berechnet ist. wird diese zu dem GPS-Verarbeitsungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen.
Das GPS-Verarbeitungssystem 700 am Fahrzeug 102 verwendet die Basisrestvorspannung zur Verbesserung der Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen.
Eine Basisrestvorspannung im Zusammenhang dieses Dokumentes bedeutet eine Differenz der bekannten Basisposition der Basisstation 188 und der Positionsabschätzung (erste Positionsabschätzung), wenn durch das Fahrzeug 102 berechnet), der Basisstation, die durch das Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 berechnet wird. Um zu veranschaulichen, wie dies funktioniert, sei angenommen, daß die Basisstation 188 sich an der Ecke von Elm- und Maple-Straße befindet. Es sei ferner angenommen, daß das GPS-Verarbeitungssystem 700 an der Basisstation 188 die Position der Basisstation 188 als vier Meilen nördlich der bekannten Basisposition (der Ecke Elm- und Maple-Straße) einschätzt. Es ist offensichtlich, daß die Basisrestvorspannung einen Abstand gleich vier Meilen in südlicher Richtung ist.
Da das GPS-Verarbeitungssystem 700 auf dem Fahrzeug 102 identisch zu dem GPS-Verarbeitungssystem 700 an der Basisstation 188 ist, kann der vier Meilen-Fehler bei der Berechnung als im Fahrzeug 102 als auch der Basisstation 188 auftretend angesehen werden. Das Fahrzeug 102 kann dann diese Information in seinem GPS-Prozessor 710 verwenden. In der Tat wird der GPS-Prozessor auf dem Fahr zeug 102 seine ersten Positionsabschätzungen modifizieren, um den Vier-Meilen-Südfehler in den Daten zu berücksichtigen.
Die Methologie der Basisrestvorspannungstechnik wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 17 diskutiert. An einem Flußdiagrammblock 1704 werden die exakten Polarkoordinaten xO, yO, zO der Basisstation 188 aus der bekannten Basisstation erhalten.
Am Flußdigrammblock 1706 werden durch das Hostverarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 die Basisstation- Ist-Pseudobereiche, die basisgeschätzten Pseudobereiche und die Basistaktvorspannungen berechnet. Wenn der GPS- Empfänger 706 am Fahrzeug 102 derart konfiguriert ist, daß er Daten von einer bestimmten Konstellation der GPS- Satelliten (nicht gezeigt) liest, sodann wird der GPS- Empfänger 706 an der Basisstation 188 die gleiche Satellitenkonstellation verwenden. Wie im Block 1708 angedeutet, wird eine Positionabschätzung (Basispositionabschätzung) der Basisstatiion 188 berechnet. Im bevorzugten Ausführungsbeipsiel wird die Basispositionabschätzung in der gleichen Weise berechnet wie die erste Positionsabschätzung am Fahrzeug 102.
Als nächstes wird am Block 1710 die Basispositionsabschätzung mit der bekannten Basisposition verglichen. Die Differenz (wie beispielsweise die vier Meilen im obigen Beispiel, wenn eine Differenz vorliegt, zwischen der Basispositionabschätzung und der bekannten Basisposition wird in diesem Dokument als die Basisrestevorspannung bezeichnet.
Die Basisrestevorspannung wird zu dem Fahrzeug 102 über das Datenradio 714, wie im Block 1712 angedeutest, übertragen. Die Basisrestevorspannung wird am GPS-Prozessor 710 des Fahrzeugs 102 verarbeitet, um die Genauigkeit der ersten Positionabschätzung zu erhöhen.

d. Basiskorrelatorvorspanntechnik

Fig. 17A veranschaulicht ein Flußdigramm 1700A auf einem hohen Niveau, und zwar von der Basiskorrelatotechnik verwendet gemäß der Erfindung zur Verbesserung der Genauigkeit der ersten Poisitionabschätzung des Fahrzeugs 102. Im allgemeinen umfaßt die Technik die Verwendung der bekannten Position eines Bezugspunktes als eine Möglichkeit der Erhöhung der Genauigkeit. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Basisstation 188 als der Referenzpunkt. Die Methodologie des Flußdiagramms 1700A wird im einzelnen unten unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert.
Bei der Basiskorrellationstechnik werden die räumlichen Vorspannungen (basisräumliche Vorspannungen) und Taktvorspannungen (Basisclock- oder Taktvorspannung) anfangs durch das Hostverarbeitungssytem 186 an der Basisstation 188 der Fig. 6 berechnet, wie dies durch den Block 1705 angedeutet ist. Die räumlichen Vorspannungen der Basis (basisräumliche Vorspannungen) können irgendeine räumliche Fehlerberechnung sein einschließlich, aber nicht dar auf beschränkt, der ursprünglichen und parabolischen Vorspannungen, die oben diskutiert wurden.
Es sei insbesondere in Erinnerung gebracht, daß die Originalvorspannung so berechnet wird, daß man sowohl die geschätzten Pseudobereiche (basisgeschätzte Pseudobereiche) als auch die Basisclock- oder Taktvorspannungen von den tatsächlichen Pseudobereichen (Ist-Basispseudobereichen) subtrahiert. Die geschätzten Basispseudobereiche werden aus Folgendem bestimmt: (1) den Almanachdaten, (2) der Übertragungszeit der Satellitensignale und (3) der bekannten Position (basisbekannte Position) der Basistation 188. Die Basistaktvorspannungen sind die Differenzen der Taktzeiten zwischen der Übertragungsschaltung der GPSSatelliten und/oder Pseudoliten und der Empfangschaltung der Basisstation 188. Die Basistaktvorspannungen werden in Längeneinheiten ausgedrückt, und zwar durch Multiplizieren derselben mit der Lichtgeschwindigkeit. Die tatsächlichen Basispseudobereiche (basistatsächliche Pseudobereiche oder Ist-Basisbereiche) werden aus den Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Sendung und Empfang der elektromagnetischen Signale ermittelt, die von den GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten zu der Basisstation 188 übertragen werden.
Darüber hinaus wird diese parabolische Vorspannung durch Konstruktion parabolischer Modelle für die aktuellen Basispseudobereiche jedes beobachteten GPS-Satelliten berechnet und durch Extrapolieren der Werte von den parabolischen Modellen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die parabolischen Vorspannungen die tatsächlichen Basispseudobereiche minus dem Wert extrapoliert aus den konstruierten parabolischen Modellen minus die Basistaktvorspannungen (in Längeneinheiten).
Wie im Block 1709 gezeigt, sendet die Basisstation 188 zum Fahrzeug 102 entlang des Kommunikations- oder Nachrichtenkanals 618 seine tatsächlichen oder Ist-Basispseudobereiche, geschätzte Basispseudobereiche, räumliche Basisvorspannungen, Basistaktvorspannungen und die "basisbekannte Position" der Basisstation 188. Die bekannte Basisposition, die selbst eine sehr genaue Schätzung sein soll, kann durch irgendein geeignetes Mittel bestimmt werden, und zwar einschließlich neuer Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung oder anderer konventioneller Systeme und Verfahren, wobei aber eine Beschränkung darauf nicht erfolgen soll. Nachdem das Fahrzeug 102 die vorstehende Information von der Basistation 188 empfängt, verwendet der GPS-Prozessor 710 des Fahrzeugs 102 diese Information bei der Berechnung seiner eigenen räumlichen Vorspannungen (fahrzeugräumliche Vorspannungen).
Bevor das Fahrzeug 102 Berechnungen ausführt, um die räumlichen Fahrzeugvorspannungen am Block 1713 abzuleiten, berechnet sein GPS-Empfänger 706 seine eigenen tatsächlichen Pseudobereiche (aktuelle Fahrzeugpseudobereiche), seine eigenen geschätzten Pseudobereiche (geschätzte Fahrzeugpseudobereiche und seine eigenen Taktvorspannungen (Fahrzeugtaktvorspannungen). Von den tatsächlichen Fahrzeugpseudobereichen subtrahiert sein GPS- Prozessor 710 die geschätzten Fahrzeugpseudobereiche, die Fahrzeugtaktvorspannungen und die räumlichen Basisvorspannungen, die von der Basisstation 177 im Block 1709 gesandt wurden. Das Ergebnis ist eine genaue Berechnung der räumlichen Vorspannungen des Fahrzeugs am Fahrzeug 102.
Die räumliche Fahrzeugvorspannung wird sodann dazu verwendet, um die erste Positionabschätzung (FPE) des Fahrzeugs 102, wie im Block 1717 gezeigt, zu Modifizieren. Es sei bemerkt, daß die FPE eine Abschätzung der absoluten Position des Fahrzeugs 102 ist (bezüglich der Mittel der Erde 172).
Beginnend mit einem Block 1721 wird ein iteratives Verfahren eingesetzt, um die FPE des Fshrzeugs 102 zu verbessern. Das Verfahren sieht die Verwendung der Basisstation 314 als eine Art Korrelator vor. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren durch das GPS-Kalman-Filter 802 implementiert.
Am Block 1721 wird eine geschätzte Relativposition (HBE) der Basisstation 188 bezüglich des Fahrzeugs 102 bestimmt. Der Anfangszustand der FPE wird als der laufende Wert von FPE(i) angenommen, wobei i ein positiver ganzer Wert ist entspreched der Iteration. Wenn das Verfahren von dem Block 1717 zum Block 1721 fortschreitet, dann wird der laufende Wert von FPE(i) FPE(O) sein.
Am Block 1721 berechnet das Fahrzeug 102 als nächstes eine geschätzte Position (geschätzte Basisposition = base estimated position = BEP) der Basisstation 188 unter Verwendung der tatsächlichen Basispseudobereiche, der geschätzten Basispseudobereiche, der räumlichen Basisvorspannungen und der Basistaktvorspannungen, die alle zum Fahrzeug 102 von der Basisstation 188 übertragen wurden. Es sei bemerkt, daß die BEP eine absolute Position ist (relativ zur Oberfläche der Erde 172).
Durch Subtrahieren der BEP von der FPE wird eine geschätzte relative Position (HBE) der Basisstation 188 bezüglich des Fahrzeugs 102 bestimmt.
Wie am Block 1725 gezeigt, wird ein HBA bestimmt. HBA ist eine weitere geschätzte relative Position der Basisstation 188 bezüglich des Fahrzeugs 102. Anders als die HBE wird jedoch die HBA dadurch berechnet, daß man die bekannte Basisposition (base known position BKP) von der FPE abzieht. Somit unterscheiden sich HBE und HBA insoferne, daß erstere unter Verwendung von GPS-Daten und/oder Pseudolitdaten berechnet wird, wohingegen die letztere unter Verwendung der bekannten Daten berechnet wird.
Als nächstes wird am Block 1729 eine Versetzung ("Offset") dadurch berechnet, daß man HBE und HBA subtrahiert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Versetzung ein Vektor in einem zweidimensionalen orthogonalen Korrodinatensystem. Es wird auch ins Auge gefaßt, daß ein drei-dimensisonaler Vektor implementiert werden kann, um höhenmäßige Unterschiede zwischen dem Fahrzeug 102 und der Basisstation 188 in Betracht zu ziehen.
Am Block 1733 wird eine neue FPE(i) durch Subtrahieren der Versetzung von der alten FPE berechnet. Anders ausgedrückt, wird die Versetzung als eine Vorspannung verwendet und von der FPE(i) abgezogen, um die Genauigkeit der FPE(i)'s zu erhöhen.
Am Block 1737 wird die Versetzung mit einer vorgewählten Schwelle verglichen. Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel hat jede Vektorkomponente ein entsprechende Schwelle. Wenn alle Vektorkomponenten nicht kleiner sind als ihre entsprechenden vorgewählten Schwellen, dann startet das Flußdiagramm 1700A wiederum am Flußdiagrammblock 1721, wie dies durch einen Rückkopplungspfeil 1739 gezeigt ist. In diesem Fall wird die positive ganze Zahl i um eins erhöht, um eine weitere Iteration und eine unterschiedliche FPE(i) anzuzeigen. Die vorliegende Erfindung arbeitet in einer zyklischen oder schleifenartigen Art und Weise, bis die vorgewählte Schwelle erreicht oder übertroffen ist.
Wenn die Versetzung schließlich die vorgewählte Schwelle erreicht, dann wird angenommen, daß die FPE der laufende Zustand von FPE(i) ist, wie im Block 1743 gezeigt. Somit sieht die Basiskorrilatorvorspanntechnik eine größere Genauigkeit für die FPE vor.

G. Satellitenpositionsvorhersage

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren, durch das zukünftige Positionen der GPS-Satelliten 132-170 bezüglich einer bekannten absoluten Position der Basisstation 188 und/oder des Fahrzeugs 102 vorhergesagt werden können. Die zukünftigen Positionen basieren auf geschätzten Pseudobereichen, berechnet durch den GPS-Prozessor 710 an dem Hostverarbeitungssystem 188 und/oder dem VPS 1000. Darüber hinaus können die Berechungen an der Basisstation 186 und/oder dem Fahrzeug 102 ausgeführt werden und wenn notwendig, irgendwohin übertragen werden.
Durch die Voraussage von zukünftigen Positionen der GPS- Satelliten 132-170 können die optimalen Satellitenkonstellationen für das Fahrzeug 102 im voraus bestimmt werden. Auf diese Weise kann die vorliegende Erfindung eine Vorhersage treffen für die Satellitenverfügbarkeit oder die Nicht-Verfügbarkeit in einer systematischen Art und Weise. Ferner wird die Zukunftsplanung getattet, und zwar bezüglich des Betriebs, des Service und der Wartung des Fahrzeugs 102.
In Fig. 18 veranschaulicht das Flußdiagramm 1800 des Satellitenpositionsvorhersageverfahrens der Erfindung. Ein Block 1804 für einen bestimmten GPS-Satelliten, ein zukünftiges Datum und Zeit wird erhalten oder ausgewählt aus irgendwelchen Gründen, die oben erläutert sind.
Nachdem ein zukünftiges Datum und eine Zeit erfaßt sind, wird die Position der Basisstation 188 und/oder des Fahrzeugs 102, wie im Block 1806 gezeigt, bestimmt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisstation 188 als der Bezugspunkt verwendet. Die Position der Basisstation 188 könnte die bekannte Basisposition oder die Basispositionschätzung sein (beides diskutiert in Bezug auf das Basisresteverfahren). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die bekannte Basisposition verwendet und es wird darauf im folgenden Bezug genommen.
Wie am Block 1808 gezeigt, werden sodann die Almanachdaten befragt. Wie oben diskutiert, sind die Almanachdaten für das NAVSTAR-GPS in der Form von Alamanachgleichungen vorliegend. Durch Eingabe der Identität des Satelliten in die Almanachgleichungen kann das zukünftige Datum und die Zeit und die bekannte Basisposition die zukünftige Position irgendeines der Satelliten bestimmt werden.
Wenn die zukünftige Position eines Satelliten relativ zur Basisstation 188 unter Verwendung der Almanachgleichungen bestimmt wird, so ist die zukünftige Position in orthogonalen XYZ-Koordinaten, wie am Block 1808 gezeigt. Schließlich werden im bevorzugten Ausführungsbeispiel am Block 1810 aus den XYZ-Koordinaten und der Position der Basisstation 188 die Breite, Länge und Höhe und der Azimuth des Satelliten berechnet.
Aus der Berechnung der zukünftigen Positionen der Satelliten können optimale Satellitenkonstellationen bestimmt werden. Optimale Satellitenkonstellationen werden unter Verwendung der Basisstation 188 als Bezugspunkt verwendet und können in das Fahrzeug 102, wenn es sich nahe der Basisstation 188 befindet, eingegeben werden.

H. Gewichtete Wegvergangenheit

Das erfindungsgemäße Verfahren der gewichteten Wegvergangenheit verbessert die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzungen des Fahrzeugs 102, die von dem GPS- Verarbeitungssystem 700 abgeleitet werden. Es sei bemerkt, daß das Verfahren der gewichteten Vergangenheit in identischer Weise implementiert werden kann, wie dies unten beschrieben wird, um die Genauigkeit der dritten Positionsabschätzungen abgeleitet vom VPS 1000 zu verbessern. Das gewichtete Wegvergangenheitsverfahren ist in den Fig. 18 und 20 dargestellt.
Im wesentlichen verwendet das Verfahren der gewichteten Wegvergangenheit vorhergehende erste Positionsabschätzungen, um ein Fahrzeugwegmodell abzuleiten zum Testen der Gültigkeit von zukünftigen ersten Positionsabschätzungen. Die Verwendung der gewichteten Wegvergangenheitstechnik ergibt eine Verminderung des Wanderns der ersten Positionabschätzungen und erhöhte Immunitäten gegenüber unsicheren Positionsberechnungen. Der Ausdruck "Wandern" bedeutet im Zusammenhang dieses Dokuments die Tendenz des GPS Verarbeitungssystems 700 fehlerhafte Fahrzeugpositionen abzuschätzen, die von dem tatsächlichen Weg des Fahrzeugs 102 abweichen.
Das gewichtete Wegvergangenheitsflußdiagramm beginnt in Fig. 19 am Flußdiagrammblock 1902. Eine erste Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102 wird berechnet und durch das GPS-Verarbeitsungssystem 700 aufgezeichnet, wie dies am Block 1904 gezeigt ist. Die ersten Positionabschätzungen werden über die Zeit hinweg aufgezeichnet. Wie in Fig. 20 gezeigt, werden die ersten Positionsabschätzungen 2002, 2004, 2006, 2008, 2010 und 2012 des Fahrzeug 102 auf ein Diagramm 2000 aufgezeichnet, um schließlich die Fahrzeugbahn 2022 abzuleiten.
An einem Block 1906 wird die erste Positionabschätzung dazu verwendet, um eine Weggleichung zu manipulieren/abzuleiten, die am besten auf den Weg des Fahrzeugs 102 paßt. Anders ausgedrückt werden die erste Positionsabschätzungen über die Zeit hinweg gesammelt, um eine genaue "Weggleichung" abzuleiten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Weggleichung eine Gleichung zweiten Grades (parabolisch). Es sei bemerkt, daß eine Gleichung dritten Grades (mit einer mathematischen "Inflektion") ins Auge gefaßt wird, für sich windende Fahrzeugwege und Fahrzeugkehren. Ferner kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung Kombinationen irgendwelcher Arten von Gleichungen verwenden, um eine unendliche Anzahl von unterschiedlichen Fahrzeugwegen aufzutragen.
Am Block 1908 wird der statistische R²-Wert in Bezug auf die Weggleichung und die erste Positionsabschätzung berechnet und mit einem numerischen Schwellenwert verglichen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die Schwelle auf 0,98 eingestellt. Der statistische R²-Wert wurde oben im einzelnen diskutiert. Im Zusammenhang mit der gewichteten Wegvergangenheitstechnik der Fig. 19 reflektiert der R²-Wert die Zahl erster Positionabschätzungesn, die soweit vorgenommen wurden, und reflektiert daher die statistische Genauigkeit einer zukünftigen Vorhersage der Weggleichung.
Wenn der Wert R² nicht größer ist als oder gleich 0,98, dann wird ein Test am Block 1910 ausgeführt, um zu bestimmen, ob eine neue Weggleichung abgeleitet werden soll. Anders ausgedrückt, wird eine Bestimmung dahingehend vorgenommen, ob die derzeit gesammelten ersten Positionsabschätzungen wie auch die Weggleichung nicht genau sind und daher auf diese nicht verrtraut werden sollte.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Anzahl der ersten Positionsabschätzungen gezählt und mit einer Schwelle von 20 verglichen. Irgendeine Schwellenzahl könnte vorausgewählt werden. Wenn mehr als 20 erste Positionsabschätzungen berechnet sind, dann geht das Flußdiagramm zum Block 1914. Der Block 1914 zeigt an, daß eine neue Weggleichung während der nächsten Iteration des Flußdiagramms 1900 am Block 1906 gestartet wird.
Wenn weniger als oder gleich 20 erste Positionsabschätzungen berechnet und gesammelt wurden, dann wird die vorliegende Weggleichung des Blocks 1906 noch immer verwendet und wird wiederum während der nächsten Iteration des Flußdiagramms 1900 in Betracht gezogen. Darüber hinaus wird die erste Positionsabschätzung von dem GPS- Verarbeitungssystem 700 ausgegeben, wie am Block 1912 gezeigt.
Fig. 20 veranschaulicht graphisch das Szenario, das in Rede steht. Die erste Positionsabschätzung 2010 des Fahrzeugs 102 ist radikal unterschiedich von der best passenden Vorhersage 2006 der Weggleichung. Daher wird die erste Positionabschätzung 2010 durch die bestpassende Vorhersage 2006 ersetzt, so lange der Wert R² der Weggleichung größer ist oder gleich der vorgewählten Schwelle und so lange wie der Positionsabchätzungen getastet oder vorgenommen wurden.
Die Linien 2014 und 2016 veranschaulichen den Bereich der Akzeptabilität bezüglich der ersten Positionsabschätzungen. Diese Linien 2014 und 2016 repräsentieren die körperliche Manifestation des R²-Wertes. Somit wird die bestpassende Vorhersage 2006 von dem GPS-Verarbeitungssystem 700 zum Navigationsystem 1022 ausgegeben anstelle der ersten Posiionsabschätzung 2010, die außerhalb der Spanne der Linie 2016 liegt.
Fig. 20A zeigt ein Flußdiagramm 2000A auf hohem Niveau eines Verfahrens zum Implementieren des gewichteten Wegvergangenheitsverfahrens, wie dies in den Fig. 19 und 20 gezeigt ist. Das Verfahren berücksichtigt, wie gezeigt, die Tatsache, daß der Fahrzeugfahrweg scharfe Ecken, Kreuzungen und/oder irgend einen drastischen nichtlinearen Weg umfaßt. Das Verfahren vergrößert die Genauigkeit der ersten Positionsabschätzung (FPE) des Fahrzeugs 102 ausgehend durch das GPS-Verarbeitungssystems 700.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel implementiert die neue Methodologie der Fig. 20A über Software. Die Software kann in dem GPS-Prozessor 710 des GPS-Verarbeitungs systems 700 am Fahrzeug 102 und/oder an der Basisstation 188 sein.
Das Flußdiagramm 2000A beginnt an dem Flußdiagrammblock 2001 und endet am Flußdiagrammblock 2019. Wie in dem Block 2005 gezeigt, berechnet das GPS-Verarbeitungssystem 700 gemäß den Fig. 7 und 8 die erste Positionsabschätzung unter Verwendung irgendeiner der zuvor in diesem Dokument beschriebenen Vorspannverfahren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Vorspannverfahren des Verfahrens der Fig. 20A beispielsweise das Originalvorspannverfahren der Fig. 15 und das parabolische Vorspannverfahren der Fig. 16.
Am Block 2009 wird eine Entscheidung dahingehend getroffen, ob das Fahrzeug 102 sich nähert oder in einer scharfen Kurve sich befindet oder auf einer Kreuzung ist oder irgendeinen unregelmäßigen Weg durchfährt. Die zum Beantworten dieser Frage erforderliche Information kann an den GPS-Prozessor 710 vom Navigator 406 der Fig. 4 geliefert werden. Wenn die Antwort auf diese Frage negativ ist, dann schreitet das Flußdiagramm 2000A weiter, wie dies durch einen Pfeil 2013 angedeutet ist. Alternativ, d. h. dann, wenn die Antwort auf diese Frage zustimmend ist, dann schreitet das Flußdiagramm 2000A fort, wie dies durch den Pfeil 2021 angedeutet ist. Diese beiden alternativen Wege werden im einzelnen unten diskutiert.
Wenn das Fahrzeug 102 sich nicht nähert oder nicht in der Mitte eines drastischen nicht-linearen Weges ist, dann beginnt die Flußdiagrammdarstellung 2000A mit dem Fluß diagrammblock 2015. Am Block 2015 gibt der GPS-Prozessor 710 die erste Positionabschätzung an das VPS 1000, wobei die erste Positionabschätzung unter Verwendung einer oder mehrerer Vorspannverfahren abgeleitet wurde. Es sei erinnert, daß das VPS 1000, das in den Fig. 10 und 11 offenbart ist, die dritte Positionsabchätzung des Fahrzeugs 102 berechnet, und zwar unter Verwendung von teilweise der ersten Positionsabschätzung, die vom GPS- Verarbeitungssystem 700 dorthin gesandt wurde.
Wenn das Fahrzeug 102 sich einem drastisch nicht-linearen Weg nähert, dann beginnt das Flußdiagramm 2000A am Block 2023. Am Block 2023 sind die Vorspannverfahren zeitweise zurückgestellt, bis sich schließlich ein mehr-linearer Weg ergibt. Der GPS-Prozessor 710 berechnet die erste Positionsabschätzung des Fahrzeugs 102, ohne auf Vorspanntechniken Bezug zu nehmen, wie dies im Block 2027 angedeutet ist.
Das Flußdiagramm schreitet zum Block 2031 fort. Es wird eine Bestimmung dahingehend vorgenommen, ob das Fahrzeug 102 sich nähert oder in der Mite eines relativ linearen Weges sich befindet. Wenn dies der Fall ist, dann geht das Flußdiagramm 2000A zum Block 2005 zurück, wie dies durch den Rückkopplungspfeil 2033 gezeigt ist. Am Block 2005 werden irgendwelche zuvor beendeten Vorspanntechniken wieder eingesetzt.
Im Falle der parabolischen Vorspanntechnik der Fig. 16 werden bestpassende parabolische Modelle für jeden der beobachteten GPS-Satelliten konstruiert. Es sei daran er innert, daß die tatsächlichen Pseudobereiche für jeden der beobachteten GPS-Satelliten bestimmt werden, und zwar über eine Zeitperiode hinweg, um ein parabolisches Modell für jeden GPS-Satelliten zu konstruieren. Die parabolischen Modelle werden nicht benutzt, bis die Genauigkeit der Modelle größer ist als eine gewisse Schwelle. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die parabolischen Modelle nicht benutzt, bis ein statistischer R²-Wert von größer als 0,99 erreicht wird.
Alternativ wenn das Fahrzeug 102 sich nicht nähert und sich auch nicht in der Mitte eines relativ linearen Weges befindet, dann bewegt sich das Flußdiagramm 2000A zum Flußdiagrammblock 2015, wie zuvor diskutiert. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß die erste Positionsabschätzung übertragen zu dem VPS 1000 an diesem Punkt ohne Bezug auf irgendeine Vorspanntechnik abgeleitet wurde.

I. Anti-selektive Verfügbarkeit

Es wird angenommen, daß die US-Regierung (der Betreiber des NAVSTAR GPS) zu bestimmten Zeiten Fehler in die GPS- Daten einführen wird, die von den GPS-Satelliten 132-170 übertragen werden, und zwar durch Änderung der Takt- und/oder Ephemerisparameter. Anders ausgedrückt, kann die US-Regierung selektiv die Verfügbarkeit von GPS-Daten modifizieren. Beispielsweise könnte eine solche Aktion irgendeines Nationalnotfalls vorgenommen werden. Die US- Regierung wäre dabei in der Lage, das NAVSTART GPS zu verwenden, da die US-Regierung die andere unterschiedliche Pseudorandomcodesmodulation benutzt, die als P- Betriebsart bekannt ist. Somit könnte die US-Regierung die C/A-Betriebsart ausschließen. Ein solches Ausschliessen könnte bewirken, daß der GPS-Empfänger 706 nicht richtige tatsächliche und geschätzte Pseudobereiche berechnet und somit inkorrrekte erste Positionsbschätzungen. Das anti-selektive Verfügbarkeitsverfahren der vorliegenden Erfindung ist eine Möglichkeit, irgendwelche fehlleitende GPS-Daten zu detektieren und dafür eine Kompensation vorzusehen
Es sei nunmehr auf die Fig. 21 Bezug genommen, wo ein Flußdiagramm 2100 des anti-selektiven Verfügbarkeitsverfahrens dargestellt ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das anti-selektive Verfürbarkeitsverfahren im GPS-Prozessor 710 des Hostverarbeitungssystems 186 ausgeführt. Die Technik könnte jedoch auch in dem GPS- Prozessor 710 am Fahrzeug 102 ausgeführt werden. Das Flußdiagramm 2100 beginnt am Block 2102 und endet am Block 2118.
Am Block 2104 werden unter Verwendung alter Almanachdaten geschätzte Pseudobereiche (vorhergesagte geschätzte Pseudobereiche; "Oij") der GPS-Satelliten im Sichtfeld der GPS-Antenne 702 vorhergesagt. Die alten Almanachdaten sind GPS-Daten oder irgendein Teil davon, die zuvor durch den GPS-Empfänger 706 aufgenommen wurden und die es ermöglichen, daß der GPS-Prozessdr 710 vorhergesagte geschätzte Pseudobereiche berechnet, ohne auf die derzeit empfangenen GPS-Daten Bezug zu nehmen. Es werden also alte Almanachdaten dazu verwendet, um die Integrität der derzeit empfangenen GPS-Daten zu prüfen. In dem bevorzug ten Ausführungsbeispiel sind die alten Almanachdaten vorherige Ephemerisdaten, die durch den GPS-Empfänger 7006 empfangen wurden.
Unter weiterer Bezugnahme auf den Flußdiagrammblock 2104 werden die laufenden geschätzten Pseudobereiche ("Nij") der GPS-Satelliten in der üblichen Weise unter Verwendung laufender Ephemerisdaten (Subsatz von GPS-Daten), wie sie durch die GPS-Satelliten übertragen werden und der bekannten Basisposition der Basisstation 188 berechnet.
Am Block 2106 werden die vorhergesagten geschätzten Pseudobereiche (unter Verwendung des Almanach) und die laufenden geschätzten Pseudobereiche (unter Verwendung der letzten Ephemerisdaten) verglichen. Wie am Block 2106 gezeigt, wird die euklid'sche Norm der vorhergesagten geschätzten Pseudobereiche und die laufende geschätzten Pseudobereiche berechnet und gegenüber einer vorgewählten Schwelle getestet.
Wenn die euklid'sche Norm größer ist als die vorgewählte Schwelle, dann werden die Ephemerisdaten als korrupt also unbrauchbar angesehen, wie dies am Block 2108 gezeigt ist. Infolgedessen werden die letzten gültigen Almanach daten verwendet anstelle Positionsschätzungen der Basisstation 188, wie am Block 2108 gezeigt, zu berechnen. Das Flußdiagramm 2100 geht dann zum Flußdiagrammblock 2110.
Wenn die euklid'sche Norm kleiner ist als oder gleich der vorgewählten Schwelle, dann werden die Ephemerisdaten als richtig angesehen und das Flußdiagramm 2100 geht mit Flußdiagrammblock 2110 weiter.
Als nächstes wird am Block 2110 die Positionsschätzung der Basisstation 188 berechnet, und zwar unter Verwendung der laufenden oder derzeitigen Zeit und entweder gleichzeitig empfangene GPS-Daten oder der alten Almanachdaten (was in dem Block 2106 entschieden wurde).
Am Block 2112 wird die Basispositionsschätzung gegenüber den erwarteten Werten getestet. Anders ausgedrückt, da die Lager (bekannte Position) der Basisstation 188 bekannt ist, kan die Genauigkeit der Basispositionsschätzung unter Verwendung der anti-selektiven Verfügbarkeitstechnik ohne weiteres gegenüber einer vorgewählten Schwelle getestet werden.
Wenn die Genauigkeit innerhalb der vorgewählten Schwelle liegt, dann wird eine Anzeige zum Fahrzeug 102 gesendet, daß die GPS-Daten ordnungsgemäß sind, wie dies im Block 2116 gezeigt ist. Infolgedessen schickt die Basisstation 188 irgendwelche vom Fahrzeug 102 erforderliche Information, um die ersten Positionsabschätzungen zu berechnen. Die gesamte Information könnte folgendes beispielsweise umfassen: Basistaktvorspannungen, räumliche Vorspannungen (Originalvorspannung, parabolische Vorspannung, Basisrestvorspannung), geschätzte Basispseudobereiche und/oder tatsächliche Basispseudobereiche.
Wenn die berechnete Basisstation 188 nicht innerhalb der vorgewählten Schwelle liegt, dann werden die Basistakt bereiche und/oder Basis räumlichen Bereiche derart manipuliert, daß die geschätzte Basisposition innerhalb der vorgewählten Schwelle liegt, wie dies am Block 2114 gezeigt ist. Die Basisclockvorspanungen, die erforderlich sind, um die geschätzte Basisposition innerhalb der Akzeptabilitätschwelle zu bringen, werden dann zum Fahrzeug 102 gesandt, wie dies durch den Block 2116 gezeigt ist.

J. Überwachung

Zusätzlich zu der Bestimmung der Positionsabschätzungen und der Navigation des Fahrzeugs 102 kann die Erfindung in einem gesonderten Ausführungsbeispiel verwendet werden, um die Oberfläche der Erde 172 in Realzeit zu überwachen. Die Position irgendeines Punktes auf der Erde 172 kann somit unter Verwendung der erfindungsgemäßen Techniken und Verfahren berechnet wrerden.

K. Graphische Darstellungen

Die Erfindung sieht die Herstellung von graphischen Bildern auf dem (nicht gezeigt) user interface des Hostverarbeitungssystems 188 vor. Dies graphischen Bilder gestatten menschlichen Benutzern an der Basisstation 188 die Bahnen des Fahrzeugs 102 und auch andere Fahrzeuge, die mit der Erfindung navigiert werden, zu verfolgen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die graphischen Bilder auf kommerziell verfügbaren Videoanzeigen dargestellt und, wenn gewünscht, können die Schirme durch konventionelle Drucker gedruckt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit terrestrischer Positionsschätzungen einer Benutzerantenne (312) angeordnet auf einem Fahrzeug, und zwar basierend auf von Satelliten (132-170, 200-206) eines globalen Positionssystems abgeleiteten Pseudobereichen wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht:

Erhalt einer bekannten Position einer Bezugsantenne (316); Empfang von elektromagnetischen Signalen an der Bezugsantenne von einer Konstellation von Satelliten und darauf ansprechendes Bestimmen von entsprechenden Bezugsantennen Pseudobereichen (R&sub0;, R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;);

Bestimmung einer geschätzten Position der Bezugsantenne unter Verwendung der Bezugsantennenpseudobereiche;

Vergleichen der geschätzten Position der Bezugsantenne mit der bekannten Position der Bezugsantenne, um eine räumliche Vorspannung abzuleiten;

Übertragen oder Senden der Bezugsantennenpseudobereiche und der räumlichen Vorspannung zu dem Fahrzeug;

Empfang elektromagnetischer Signale an der Benutzerantenne am Fahrzeug, Empfang der Bezugsantennenpseudobereiche und der räumlichen Vorspannung am Fahrzeug und darauf ansprechende Bestimmung einer Positionsschätzung des Fahrzeugs als einer Funktion der räumlichen Vorspannung und der elektromagnetischen Signale;

Bestimmung, am Fahrzeug, einer weiteren Schätzung der Position der Bezugsantenne als Funktion der Bezugsantennenpseudobereiche;

Bestimmung einer Versetzung (offset) als einer Funktion der weiteren Schätzung der Position der Bezugsantenne und der bekannten Position der Bezugsantenne; und

auf den neuesten Stand bringen (updating) der Positionsschätzung des Fahrzeugs als einer Funktion der Versetzung; und

Wiederholung des zweiten Fahrzeugpositionsschätzungsbestimmungsschrittes und des Versetzungsbestimmungsschrittes bis die Versetzung kleiner ist als eine vorbestimmte Schwelle.

2. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von terrestrischen Positionsschätzungen einer Benutzerantenne (312) angeordnet an einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Erhalt einer bekannten Position einer Bezugsantenne (316);

Empfang elektromagnetischer Signale an der Bezugsantenne von einer Konstellation von Satelliten (132-170, 200-206) und darauf ansprechende Bestimmung der entsprechenden Bezugsantennenpseudobereiche;

Berechnen einer Schätzposition der Bezugsantenne unter Verwendung der Bezugsantennenpseudobereiche (R&sub0;, R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;);

Vergleichen der geschätzten Position der Bezugsantenne mit der bekannten Position der Bezugsantenne zur Ableitung einer Basisrestevorspannung;

Senden oder Übertragen der Basisrestevorspannung und der Bezugsantennenpseudobereiche zu dem Fahrzeug;

Empfang von elektromagnetischen Signalen an der Benutzerantenne, Empfang der Basisrestevorspannung und der Be zugsantennenpseudobereiche am Fahrzeug, und Berechnen von zukünftigen Benutzerpseudobereichen als einer Funktion der Basisrestevorspannung;

Bestimmen einer Positionsschätzung des Fahrzeugs als Funktion der zukünftigen Benutzerpseudobereiche;

Bestimmung, am Fahrzeug, einer weiteren Schätzung, der Position der Bezugsantenne als Funktion der Bezugsantennenpseudobereiche;

Bestimmung einer Versetzung (offset) als eine Funktion der anderen Schätzung der Position der Bezugsantenne und der bekannten Position der Bezugsantenne;

auf den neuesten Stand bringen der Positionschätzung des Fahrzeugs als einer Funktion der Versetzung; und

wiederholen des zweiten Fahrzeugpositionsschätzbestimmungsschrittes und Versetzungsbestimmungsschrittes bis die Versetzung kleiner ist als eine vorbestimmte Schwelle.