DE69621950T2

DE69621950T2 - Verbessertes fahrzeugnavigationssystem und -verfahren mittels mehrachsigem beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE69621950T2
Application number: DE69621950T
Authority: DE
Inventors: R. Croyle; R. Sittaro; E. Spencer
Original assignee: Magellan DIS Inc
Current assignee: Mitac International Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: JP2000502801A; EP0870172A1; ATE219576T1; WO1997024582A1; DE69621950D1; EP0870172B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugnavigationssysteme, bei denen Beschleunigungsmesser verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes Fahrzeugnavigationssystem und ein Verfahren unter Verwendung mehrerer orthogonal zueinander angebrachter Beschleunigungsmesser oder eines Orthogonalachsen-Beschleunigungsmessers.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Vergangenheit wurden Beschleunigungsmesser bei luftgestützten Navigationssystemen verwendet, jedoch nur in Verbindung mit Kreiseln. US-A-5 166 882 offenbart ein Navigationssystem, bei dem drei in bezug zueinander angeordnete Beschleunigungsmesser bereitgestellt sind, um Beschleunigungskräfte in drei Richtungen zu bestimmen, und bei dem zwei Trägheitskreisel bereitgestellt sind, anhand derer Orientierungsinformationen erhalten werden. Die Beschleunigungswerte werden zu Geschwindigkeitswerten integriert, die zusammen mit den Kreiselorientierungsinformationen verwendet werden, um die Geschwindigkeit und die Position zu bestimmen. Die aktuellen Wegleit- und Navigationssysteme, die für Automobile existieren, verwenden heute das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, einen Wendekreisel und eine Rückwärtsgang-Schaltung, um die Fahrzeugposition anhand einer zuvor bekannten Position abzuleiten. Dieses Koppelnavigations- Ableitungsverfahren ist jedoch für Sensorfehler anfällig, und es sind dafür daher kostspieligere Sensoren erforderlich, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erzielen.
Den Systemen, bei denen Wegstreckenmesser, Kreisel und Rückwärtsgang- Schaltungen verwendet werden, mangelt es infolge der erforderlichen Verbindungen zu Wegstreckenmessern und der Zerbrechlichkeit von Kreiseln auch an Tragbarkeit. Weiterhin lassen sich diese Systeme infolge der abweichenden Wegstreckenmesser-Konfigurationen, die unterschiedliche Verbindungen und Impulszählwerte bei der Übertragung aufweisen können, schwer in verschiedenen Wagen installieren. Die Daten von Wegstreckenmessern variieren, auch mit der Temperatur, dem Zuladungsgewicht, dem Reifendruck und der Geschwindigkeit. Alternative Verbindungen zu Fahrsteuerungs- oder ABS-Sensoren führen zu Sicherheitsproblemen. Hierdurch werden die Flexibilität der Installation verringert, die Installationskosten erhöht und die Tragbarkeit des Fahrzeugnavigationssystems verringert. Es besteht dementsprechend ein Bedarf an einem Fahrzeugnavigationssystem, das mehr Freiheit bei der Installation aufweist und das tragbar ist und die Fahrzeugposition genau bestimmt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem ist kleiner, kostengünstiger, möglicherweise tragbar und ermöglicht mehr Freiheit bei der Installation. Bei bestimmten Ausführungsformen nutzt das Nullbewegungs-Erfassungssystem die seit kurzem gegebene Verfügbarkeit kostengünstiger, durch Mikromaterialbearbeitung hergestellter Beschleunigungsmesser aus.
Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem verwendet einen Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser, der aus zwei oder drei Beschleunigungsmessern besteht, die orthogonal zueinander angebracht sind. Das System kann die Beschleunigung in der Longitudinalachse (Nase bis hintere Stoßstange) und in der Lateralachse (linke bis rechte Seite) messen. Die Tangentialachsenbeschleunigung oder die Longitudinalachsenbeschleunigung wird einmal integriert, um die Longitudinalgeschwindigkeit zu erhalten, und sie wird erneut integriert, um eine Fahrzeugverschiebung zu erzeugen. Der Lateral-Beschleunigungsmesser mißt die Zentrifugalkraft, die auf das Fahrzeug wirkt und die verwendet wird, um eine Zentrifugal- oder Lateralbeschleunigung zu berechnen. Die Lateralbeschleunigung wird verwendet, um eine anhand der Lateral-Beschleunigungsinformationen und der Longitudinalgeschwindigkeit abgeleitete Richtungsänderung zu erhalten. Unter Verwendung der Richtungsänderung und der Longitudinalbeschleunigung verschiebt das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem eine frühere Position zu einer aktuellen Position. Dies wird erreicht, ohne daß es erforderlich wäre, den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und den Richtungssensor zu verbinden. Falls ein dritter Achsenbeschleunigungs-Meßsensor verwendet wird, kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem vollkommen unabhängig von Fahrzeugsensoren arbeiten, wodurch die Flexibilität bei der Montage weiter erhöht wird. Der dritte Beschleunigungsmesser liefert eine Neigung, um dabei zu helfen, das Kalibrieren der anderen Beschleunigungsmesser oder anderen Sensoren zu unterstützen und die Longitudinal- und/oder Lateral-Beschleunigungsinformationen, beispielsweise durch Erfassen einer ansteigenden Kurve, zu ändern.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung können beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnung verstanden werden, wobei:
- Fig. 1 ein verbessertes Fahrzeugnavigationssystem gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung zeigt,
- Fig. 2 ein Blockdiagramm bzw. Datenflußdiagramm des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems aus Fig. 1 zeigt,
- die Fig. 3a und 3b Flußdiagramme zum Sammeln von Beschleunigungsinformationen und zum Orientieren des Mehrachsen-Beschleunigungsmessers zeigen,
- Fig. 4a ein Blockdiagramm eines Nullbewegungs-Erfassungssystems gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung zeigt und Fig. 4b ein Flußdiagramm der Arbeitsweise des Nullbewegungs-Erfassungssystems aus Fig. 4a zeigt,
- die Fig. 5a und 5b ein allgemeines Flußdiagramm der Arbeitsweise des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems aus Fig. 1 zeigen und
- die Fig. 6a-6e allgemeine Diagramme zeigen, in denen dargestellt ist, wie das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem die Richtungsinformationen mit der Kartenrichtung zur Positionsverschiebung aktualisiert.
Wenngleich an der Erfindung verschiedene Modifikationen und Abänderungen vorgenommen werden können, sind in der Zeichnung spezifische Einzelheiten beispielhaft dargestellt und werden detailliert beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene spezielle Ausführungsform beschränkt sein soll. Die Erfindung soll vielmehr alle Modifikationen, gleichwertigen Ausgestaltungen und Alternativen abdecken, die innerhalb des Gedankens und des Schutzumfangs der Erfindung gemäß den anliegenden Ansprüchen liegen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Eine erläuternde Ausführungsform des verbesserten Positionsbestimmungssystems gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung und der Methodologie wird nachstehend in der Form beschrieben, in der sie unter Verwendung orthogonal montierter Beschleunigungsmesser zum Bestimmen der aktuellen Position anhand einer früheren Position verwirklicht werden könnte. Im Interesse der Klarheit werden in dieser Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung erklärt. Es sollte selbstverständlich sein, daß bei der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Implementierung (beispielsweise in einem Entwicklungsprojekt) zahlreiche für die Implementierung spezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele und Teilziele der Entwickler, wie das Erfüllen system- und geschäftsbezogener Randbedingungen, die sich von einer Implementierung zur anderen ändern, zu erreichen. Es wird weiterhin verständlich sein, daß diese Entwicklungsanstrengungen komplex und zeitaufwendig sein können, daß sie aber dennoch für Durchschnittsfachleute, die den Vorteil dieser Offenbarung haben, eine Routineangelegenheit der Vorrichtungskonstruktion sind.
Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kann in einer Vielzahl von Konfigurationen verwendet werden, wie Durchschnittsfachleuten verständlich sein wird. Ein solches Fahrzeugnavigationssystem ist in der anliegenden Patentanmeldung 08/580150 mit dem Titel "Improved Vehicle Navigation System And Method" offenbart, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde. Bestimmte Ausführungsformen des verbesserten Fahrzeugnavigationssystems verwenden GPS, beispielsweise ein Positionierungssystem unter Verwendung elektromagnetischer Wellen. Ein solches GPS-System ist das Navigation Satellite Timing and Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System. GPS umfaßt NAVSTAR GPS und seine Nachfolger, Differential GPS (DGPS) und andere Positionierungssysteme unter Verwendung elektromagnetischer Wellen. NAVSTAR-GPS-Empfänger stellen Benutzern kontinuierliche dreidimensionale Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten bereit.
In Fig. 1 ist in Form eines Blockdiagramms eine als Beispiel dienende Anordnung und Anwendung eines verbesserten Fahrzeugnavigationssystems 10 für ein Automobil 12 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform verwendet das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 eine GPS-Antenne 14 zum Empfangen der GPS-Signale. Die Antenne 14 weist vorzugsweise eine rechtshändige Zirkularpolarisation auf, sie hat ein Verstärkungsminimum von -3 dBiC über dem 5-Grad- Niveau, und sie hat ein Verstärkungsmaximum von +6 dBiC. Es können Patch- oder Helixantennen verwendet werden, die diese Spezifikationen erfüllen. Die GPS-Antenne 14 kann an einen Vorverstärker 16 angeschlossen werden, um das von der Antenne 14 empfangene GPS-Signal zu verstärken. Der Vorverstärker 16 ist optional, und die GPS-Antenne kann direkt an einen GPS-Empfänger 16 angeschlossen werden.
Der GPS-Empfänger 18 bestimmt fortlaufend die geographische Position durch Messen der Entfernungen (des Abstands zwischen einem Satelliten mit bekannten Koordinaten im Raum und der Antenne des Empfängers) mehrerer Satelliten und durch Berechnen der geometrischen Schnitte dieser Entfernungen. Zum Bestimmen einer Entfernung mißt der Empfänger 18 die Zeit, die das GPS-Signal benötigt, um vom Satelliten zur Antenne des Empfängers zu laufen. Der von jedem Satelliten erzeugte Zeitcode wird mit einem vom Empfänger 18 erzeugten identischen Code verglichen. Der Code des Empfängers wird verschoben, bis er mit dem Code des Satelliten übereinstimmt. Die sich ergebende zeitliche Verschiebung wird mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, um zur Messung der scheinbaren Entfernung zu gelangen.
Weil die sich ergebende Entfernungsmessung Laufzeitverzögerungen infolge atmosphärischer Effekte und Fehler der Uhren des Satelliten und des Empfängers enthält, wird sie als eine "Pseudoentfernung" bezeichnet. Es werden auch Änderungen jeder dieser Pseudoentfernungen über einen kurzen Zeitraum gemessen und vom Empfänger 18 verarbeitet. Diese als "Delta-Pseudoentfernungen" bezeichneten Messungen werden zum Berechnen der Geschwindigkeit verwendet. Die Geschwindigkeits- und Zeitdaten werden im allgemeinen einmal je Sekunde berechnet. Falls eine der Positionskomponenten, beispielsweise die Höhe, bekannt ist, benötigt der Empfänger 16 nur drei Satelliten-Pseudoentfernungsmessungen, um seine Geschwindigkeit und die Zeit zu bestimmen. In diesem Fall müssen nur drei Satelliten verfolgt werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, liefert der GPS-Empfänger 18 GPS-Messungen an eine Anwendungseinheit 22. Die Anwendungseinheit 22, welche von einer herkömmlichen Leistungsquelle 20 mit Energie versorgt wird, besteht aus einer Anwendungsverarbeitungsschaltung 24 in der Art eines Prozessors, eines Speichers, von Bussen, der Anwendungssoftware und damit in Verbindung stehenden Schaltungsanordnungen und Schnittstellenhardware 26. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Anwendungseinheit 22 in den GPS-Empfänger 18 aufgenommen sein. Die Schnittstellenhardware 26 integriert die verschiedenen Komponenten des Fahrzeugnavigationssystems 10 mit der Anwendungseinheit 22. Bei dieser Ausführungsform liefert ein Beschleunigungsmesser 28 mit 2 oder 3 orthogonalen Achsen der Anwendungseinheit 22 Beschleunigungssignale. Ein Wegstreckenmesser 29 liefert Informationen, die an Stelle der vom Beschleunigungsmesser abgeleiteten Informationen verwendet werden können, der Wegstreckenmesser 29 ist jedoch optional, weil er die Tragbarkeit des Systems verringert. Eine Kartendatenbank 30 speichert Karteninformationen in der Art eines Straßennetzwerks und liefert die Karteninformationen der Anwendungseinheit 22. Eine Benutzerschnittstelle 32, die eine Anzeige und eine Tastatur aufweist, ermöglicht eine Wechselwirkung zwischen dem Benutzer und dem verbesserten Fahrzeugnavigationssystem 10.
In Fig. 2 ist ein detaillierteres Block- und Datenflußdiagramm für das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 aus Fig. 1 dargestellt. Der GPS-Empfänger 18 liefert dem Sensorintegrator 40 Positionsinformationen, Geschwindigkeitsinformationen, Pseudoentfernungen und Delta-Pseudoentfernungen. Der Sensorintegrator 40 verwendet die Geschwindigkeitsinformationen zum Bestimmen einer aktuellen Position für das Fahrzeug. Falls bei dieser Ausführungsform GPS- Geschwindigkeitsinformationen nicht verfügbar sind, kann der Sensorintegrator 40 die GPS-Geschwindigkeit unter Verwendung der verfügbaren Delta- Entfernungsmessungen berechnen, um eine aktuelle Position zu bestimmen. GPS- Geschwindigkeitsinformationen werden anhand eines Satzes von Delta- Entfernungsmessungen abgeleitet, und wenn nur ein Teilsatz der Delta- Entfernungsmessungen erhältlich ist, kann das Fahrzeugnavigationssystem GPS- Geschwindigkeitsinformationen von dem Teilsatz von Delta-Entfernungsmessungen ableiten. Das Fahrzeugnavigationssystem verwendet die GPS- Positionsinformationen zu Beginn als eine aktuelle Position und während anderer Betriebszeiten zur Prüfung der gegenwärtigen Position. Falls für die aktuelle Position keine Prüfung vorgenommen werden kann, kann die GPS-Position die aktuelle Position ersetzen.
Wenn GPS-Geschwindigkeitsinformationen verfügbar und zuverlässig sind, verschiebt der Anwendungsprozessor 22 den Positionsvektor (t) folgendermaßen mit dem GPS-Geschwindigkeitsvektor
Falls die Differenz zwischen der GPS-Richtung und der Kartenrichtung innerhalb eines Schwellenwerts liegt, wird die Kartenrichtung als die Richtung verwendet. Falls die GPS-Geschwindigkeitsinformationen nicht verfügbar oder unzuverlässig sind (bei niedrigen Geschwindigkeiten unterhalb von 1,5 m/s), verschieben die Fahrzeugpositionsinformationen den Positionsvektor (t) unter Verwendung des verfügbaren Geschwindigkeitsvektors mit der höchsten Güte folgendermaßen:
Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kann gemäß der bestimmten Ausführungsform die Fahrzeugposition anhand der verfügbaren Informationen, wie der GPS-Delta-Entfernungsmessung(en), der GPS-Geschwindigkeit oder des Orthogonalachsen-Beschleunigungsmessers unter Verwendung der Lateral- und Longitudinal-Beschleunigungsinformationen verschieben. Der Anwendungsprozessor 22 kalibriert a anhand G, wenn dies möglich ist. Die GPS- Positionsinformationen werden zu einer Gesamtprüfung der aktuellen Position verwendet. Falls beispielsweise (t) - G(t) < (18,5·PDOP) gilt, wobei PDOP die "Positionsausdünnung der Genauigkeit", eine übliche Variable, die in der GPS-Maschine automatisch berechnet wird, ist, bleibt (t) unverändert, also (t) = (t). Ansonsten gilt (t) = G(t). Bei bestimmten Ausführungsformen könnten alle Roheingaben in eine Kalman-Filteranordnung eingegeben werden, die den Geschwindigkeitsvektor ausgibt.
Der Sensor 28 für die Ausführungsform aus Fig. 2, die ein Beschleunigungsmesser mit mehreren orthogonalen Achsen ist, liefert Beschleunigungsinformationen für mindestens zwei orthogonale Achsen (lateral, longitudinal und/oder vertikal). Die Beschleunigungsmesser 28 erzeugen einen Spannungsmeßwert. Wie in Fig. 3a dargestellt ist, werden beim Longitudinal- Beschleunigungsmesser, wenngleich ein ähnliches Flußdiagramm für jede orthogonale Achse gilt, die Beschleunigungsmeßdaten in Schritt 48 gelesen und der Null-Versatz (in der Fabrik festgelegt und vom nachstehend erwähnten Nullbewegungsdetektor ständig neu geprüft und zurückgesetzt) in Schritt 49 von diesem Meßwert subtrahiert, um eine Verschiebung um eine Anzahl von Volt gegenüber null zu erzeugen. Diese Verschiebung um eine Anzahl von Volt gegenüber null wird dann mit einem Skalierungsfaktor (in der Fabrik festgelegt und vom GPS ständig neu kalibriert) multipliziert, um in Schritt 50 eine G-Beschleunigungszahl zu erzeugen. Diese G-Beschleunigungszahl wird dann mit der Anzahl der Meter je Quadratsekunde je G multipliziert, um in Schritt 51 die Beschleunigung in Meter je Quadratsekunde zu erzeugen. Die Beschleunigung in Meter je Quadratsekunde wird dann mit der Delta-Zeit (einmal integriert) multipliziert, um in Schritt 52 eine Geschwindigkeit zu erzeugen. Diese Geschwindigkeit wird für die nächste Sekunde gespeichert. Diese Beschleunigungsinformationen können verwendet werden, um Entfernungsänderungsinformationen ΔDIST und Richtungsändeningsinformationen ΔΘ zu erzeugen.
Zunächst benötigt das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem Anfangsbedingungen für verschiedene Gegebenheiten wie Orientierungen, Null-Versätze und Skalierungsfaktoren des Beschleunigungsmessers. Es werden für jede dieser Gegebenheiten Fabriksollwerte verwendet, so daß keine Initialisierung erforderlich ist. Diese Gegebenheiten müssen auch aufrechterhalten werden, jedoch nicht unbedingt, wenn keine Leistung vorhanden ist (d. h. bei einem Batterieverlust oder einem Entfernen aus dem Fahrzeug). Es ist eine Option zum manuellen Initialisieren dieser Gegebenheiten verfügbar. Hierdurch wird die sofortige Verwendung des Systems ermöglicht, ohne daß auf das GPS zum Kalibrieren dieser Gegebenheiten zugegriffen wird.
Sobald auf das GPS zugegriffen wurde und bestimmt wurde, daß es verwendbar ist, kann das GPS zum Kalibrieren aller konfgurierbarer Gegebenheiten verwendet werden. Es bestimmt zuerst die Orientierungen des Beschleunigungsmessers, wie in Fig. 3c beschrieben ist. Beim Einschalten der Leistung erfolgt die Zuweisung der Beschleunigungsmesser zur lateralen, longitudinalen und abwärts verlaufenden Achse (falls ein Dreiachsen- Beschleunigungsmesser verwendet wird) in der gleichen Orientierung wie beim letzten Abschalten der Leistung, wobei diese im gleichen nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden. Falls drei Beschleunigungsmesser verwendet werden, mißt einer die Schwerkraft der Erde. Der Beschleunigungsmesser, der ein G (die Schwerkraft der Erde) mißt, wird der abwärts verlaufenden Achse zugewiesen. Für die anderen beiden Achsen findet die folgende Prozedur statt, wie in Fig. 3c dargestellt ist. In Schritt 53 werden die Beschleunigungsdaten erhalten, wie in Fig. 4b beschrieben ist. Die Beschleunigungsmessungen von jedem der zwei Beschleunigungsmesser werden in Schritt 54 verglichen, bis ihre Differenz einen vordefinierten Schwellenwert erreicht. Der Grund hierfür besteht darin, daß gewährleistet werden soll, daß die Beschleunigungen ungleich genug sind, damit ein gültiger Vergleich mit aktuellen Fahrzeugbedingungen eindeutig vorgenommen werden kann.
Wie in den Schritten 55-61 für diese spezielle Ausführungsform dargestellt ist, wird die Beschleunigung von jedem der Beschleunigungsmesser, sobald diese Situation auftritt und anhand der GPS-Daten Beschleunigungsdaten berechnet werden, mit den vom GPS und den Beschleunigungsmessern berechneten Lateral- und Longitudinalbeschleunigungen verglichen, wobei die nächstliegenden Beschleunigungswerte für jede dieser Achsen diesen Achsen zugewiesen werden.
Zusätzlich wird die anfängliche Fahrzeugorientierung bestimmt, weil die Fahrzeugrichtung bezüglich der wahren Nordrichtung anhand der GPS- Geschwindigkeiten berechnet werden kann.
Mit Bezug auf Fig. 2 kann der Sensorintegrator 40 die Longitudinal- und Lateral-Beschleunigungsinformationen, wie nachstehend beschrieben, verwenden, um eine aktuelle Position für das Fahrzeug zu bestimmen, falls GPS- Geschwindigkeitsinformationen nicht erhältlich sind. In jedem Fall, ob das GPS- System erhältlich ist oder nicht, führt der Sensorintegrator 40 die aktuelle Position und eine Geschwindigkeit (Geschwindigkeit und Richtung) einem Kartenvergleichsblock 42 zu. Der Kartenvergleichsblock 42 liefert Straßensegmentinformationen für das Straßensegment, von dem bestimmt wird, daß das Fahrzeug auf ihm fährt, wie die Richtung, und eine vorgeschlagene Position. Der Sensorintegrator 40 kann die Richtungskomponente der Geschwindigkeitsinformationen mit der vom Kartenvergleichsblock 42 bereitgestellten Richtung aktualisieren, um die aktuelle Position zu aktualisieren. Falls der Kartenvergleichsblock 42 eine gute Übereinstimmung angibt, kann die mit der Karte abgeglichene Position die aktuelle Position ersetzen. Falls dies nicht der Fall ist, verschiebt der Sensorintegrator 40 die frühere Position unter Verwendung der Geschwindigkeitsinformationen zur aktuellen Position. Dabei bestimmt der Sensorintegrator 40 die aktuelle Position und führt einer Benutzerschnittstelle und/oder einem Wegleitblock 46 die aktuelle Position zu.
Der Kartenvergleichsblock 42 liefert einem Sensorkalibrierungsblock 44 auch Korrekturdaten, wie einen Abstandsskalierungsfaktor und/oder einen Versatz und einen Kurvenfahrtraten-Skalierungsfaktor. Der Sensorintegrator 40 liefert dem Sensorkalibrierungsblock 44 auch Korrekturdaten. Die Korrekturdaten vom Sensorintegrator 40 beruhen jedoch auf den GPS-Informationen. Demgemäß sind genaue Korrekturdaten auf der Grundlage der GPS-Informationen zum Kalibrieren der Sensoren 28 (Beschleunigungsmesser mit 2 oder 3 Achsen) sowie abhängig von der jeweiligen Ausführungsform für andere Sensoren durchgehend verfügbar. Die Korrekturdaten vom Kartenvergleichsblock können vom Sensorkalibrierungsblock 44 ignoriert werden, bis zwischen den Karteninformationen und der aktuellen Position eine gute Übereinstimmung gefunden wird. Falls anhand des Kartenvergleichs 42 eine sehr genaue Übereinstimmung gefunden wird, was sehr wahrscheinlich nach einem erheblichen Manöver, wie einer Richtungsänderung, der Fall ist, wird die mit der Karte abgeglichene Position als ein Referenzpunkt oder eine Anfangsposition für eine Positionsverschiebung gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung verwendet.
Der Sensorkalibrierungsblock 44 enthält die Sensorkalibrierungsparameter, wie Skalierungsfaktoren und Nullfaktoren, für die Sensoren 28 und 29 und er führt die Kalibrierungsparameter dem Sensorintegrator 40 zu, um die Sensoren 28 und 29 zu kalibrieren. Bei einer Ausführungsform kann das System den Sensorintegrator 40 und die Sensorkalibrierungseinrichtung 44 unter Verwendung seines Prozessors zur GPS-Maschine 18 kombinieren. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Weganleitungs- und Benutzerschnittstelle, der Sensorintegrator 40 und die Sensorkalibrierung 44 auf einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) verwirklicht.
Falls bestimmt wird, daß die Genauigkeit der aktuellen Position hoch ist (beispielsweise eine mit der Karte abgeglichene Position in einer isolierten Kurve), kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 die aktuelle Position mit der bekannten Position aktualisieren. Nachdem sich das Fahrzeug um eine Strecke von der bekannten Position, die nun eine frühere Position ist, entfernt hat, muß das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem die Fahrzeugposition von der früheren Position genau zur aktuellen Position verschieben.
Die Berechnungen, die ausgeführt werden, um die Fahrzeugposition zu berechnen, finden in Dreikoordinatenrahmen statt. Die Fahrzeugposition wird in geodätischen Koordinaten (Breite, Länge, Höhe) mitgeteilt. Die Nicht-GPS-Daten werden in Körper- oder Plattformkoordinaten bereitgestellt. Die GPS- Geschwindigkeiten und die Gleichungen, die zur Geschwindigkeitsverschiebung der Position verwendet werden, treten im Nord-, Ost- und Abwärtsrahmen auf.
Der geodätische Rahmen ist eine Darstellung der erdzentrierten und fest auf die Erde bezogenen Koordinaten (ECEF), die auf der sphärischen Trigonometrie beruht. Dies ist der Koordinatenrahmen, den die Vergleichsdatenbank verwendet. Seine Einheiten sind Grade und Höhenmeterversätze über dem Geoid. Diese Koordinaten sind auf das WGS-84-Erdmodell bezogen, welches das vom globalen Positionierungssystem (GPS) verwendete Erdmodell ist. Dieses ist mit dem "North American Datum 1983 (NAD 83)"-System mathematisch gleichwertig, worauf die Vergleichsdatenbank bezogen ist. Der Nord-Ost-Abwärtsrahmen ist ein rechtshändiges orthonormales Koordinatensystem, das fest auf das Fahrzeug bezogen ist, wobei seine Achsen in die wahre Nordrichtung, die wahre Ostrichtung und die wahre Abwärtsrichtung (senkrecht zur Erde) weisen. Die Körperkoordinaten bilden ein rechtshändiges orthonormales Koordinatensystem, dessen Ursprung sich bei der Navigationseinheit befindet, dessen x-Achse zur Spitze des Fahrzeugs weist, dessen rechte Achse aus der rechten Tür des Fahrzeugs weist und dessen z-Achse senkrecht nach unten zur Erde weist.
Während des Normalbetriebs dieser bestimmten Ausführungsform werden die folgenden Gleichungen, wenn GPS verfügbar ist, zum Berechnen der Fahrzeugposition und der Kalibrierung der Beschleunigungsmesser und des Wegstreckenmessers verwendet.

Definitionen:

= Positionsvektor (Breite, Länge, Höhe)
= Geschwindigkeitsvektor (Nord, Ost, Abwärts)
= Beschleunigungsvektor (Nord, Ost, Abwärts)
C = Transformationsmatrix, die einen Vektor von Körperkoordinatenrahmen zum Nord-Ost-Abwärts-Koordinatenrahmen dreht.
Die folgenden hochgestellten Zeichen werden zum Bezeichnen des Ursprungs der Daten verwendet:
G = GPS
A = Beschleunigungsmesser
Die folgenden tiefgestellten Zeichen bezeichnen die Zeit, entweder die Gültigkeitszeit oder den Zeitraum der Integration:
t = aktuelle Zeit
t - 1 = Zeit des letzten Datensatzes vor dem aktuellen Datensatz
t - 2 = Zeit des Datensatzes vor t - 1
Es sei bemerkt, daß t - 1 und t - 2 nicht unbedingt eine Differenz von einer Sekunde aufweisen, was nur bei Datensammel- und/oder Datengültigungszeiten der Fall ist.
Die folgenden tiefgestellten Zeichen bezeichnen Koordinatenbezugsrahmen:
N = Nord, Ost, Abwärts
B = Körper (Nase, rechte Tür, Abwärts)
G = geodätisch (Breite, Länge, Höhe)
Zur Verwendung der Informationen von den Nicht-GPS-Sensoren müssen ihre Daten vom Körperrahmen zum Nord-Ost-Abwärts-Rahmen gedreht werden. Es handelt sich dabei um eine Drehung um die Gierachse, die in Grad von der wahren Nordachse zur Nasenachse des Fahrzeugs gemessen wird. Die Gleichungen hierfür sind:
Die Gleichgewichts-Positionsverschiebungsgleichung beruht auf der physikalischen Definition der Geschwindigkeit und der Beschleunigung. Die aktuelle Position gleicht der vorhergehenden Position zuzüglich des Integrals der Geschwindigkeit zuzüglich des Doppelintegrals der Beschleunigung.
Die folgenden Informationen werden zur Zeit t gesammelt:
: die GPS-Geschwindigkeit, die in der vorhergehenden Sekunde gültig war. Diese besteht aus:
e = Geschwindigkeit in der wahren Ostrichtung (Meter/Sekunde),
n = Geschwindigkeit in der wahren Nordrichtung (Meter/Sekunde),
u = Geschwindigkeit in der Aufwärtsrichtung (Meter/Sekunde),
: die anhand der GPS-Geschwindigkeiten berechnete Beschleunigung, die von der Zeit t - 2 bis zur Zeit t - 1 gültig war,
: die Roh-GPS-Position und
: die durch die Beschleunigungsmesser berechnete Beschleunigung, die von der Zeit t - 1 bis zur Zeit t auftrat.
Die folgenden anderen Informationen sind zur Verwendung zur Zeit t verfügbar, sie wurden jedoch zu einer früheren Zeit gesammelt:
: die Geschwindigkeit von GPS, die vor zwei Zeiteinheiten gültig war,
t-1: die zur früheren Zeit berechnete Position und
: die anhand der Beschleunigungsmesser von der Zeit t - 2 bis zur Zeit t - 1 berechnete Beschleunigung.
Wenn GPS verfügbar ist und eine gültige Positions- und Geschwindigkeitslösung erzeugt hat, wird die folgende Gleichung zum Verschieben der Fahrzeugposition verwendet:
Diese Gleichung besagt, daß die aktuelle Position gleich der früheren Position zuzüglich der GPS-Geschwindigkeit (Vektor) multipliziert mit der Deltazeit zuziiglich der GPS-Beschleunigung von vor zwei Zeiträumen minus der vom Beschleunigungsmesser bestimmten Beschleunigung von vor zwei Zeiträumen (ein Korrekturfaktor) zuzüglich der vom Beschleunigungsmesser bestimmten Beschleunigung von der aktuellen Sekunde ist.
In dieser Sekunde werden auch berechnet:
(1) die GPS-Richtung θ, die als der Arcustangens der Ost- und der Nord- Geschwindigkeit berechnet wird:
θ = atan ( /e/ n)
(2) der Abstand von der Zeit t - 1 bis zur Zeit t, der anhand der zur Zeit t - 1 gültigen GPS-Geschwindigkeit und der doppelten Integration der vom Longitudinal-Beschleunigungsmesser bestimmten Beschleunigung von der Zeit t - 1 bis zur Zeit t berechnet wird:
(3) der Abstand von der Zeit t - 2 bis zur Zeit t - 1, der anhand der GPS- Geschwindigkeit und der Beschleunigung von der Zeit t - 2 bis zur Zeit t - 1 berechnet wird. Dieser wird als ein Kalibrierungsfaktor für den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und den Longitudinal-Beschleunigungsmesser verwendet:
(4) die Richtungsänderung von der Zeit t - 2 bis zur Zeit t - 1 anhand der zu diesen Zeiten berechneten GPS-Richtung. Diese wird als ein Korrekturfaktor für den Lateral-Beschleunigungsmesser verwendet.
Δθ = θ - θ
An jedem Sensor müssen Kalibrierungen vorgenommen werden. Die Kalibrierungen werden unter Verwendung bekannter guter Daten vom GPS-Empfänger 18 vorgenommen. Der GPS-Empfänger 18 hat eine Geschwindigkeitsgenauigkeit innerhalb eines Meters je Sekunde. Die GPS-Geschwindigkeitsinformationen werden in Zuständen einer niedrigen Geschwindigkeit von weniger als 1,5 m/s weniger genau. Die GPS-Geschwindigkeitsinformationen sind mit Zeitmarken versehen, so daß sie mit einem bestimmten Satz von Beschleunigungsmesserdaten auf einer Sekundengrundlage übereinstimmen. Der Kartenvergleich liefert Korrekturfaktoren, sie beruhen jedoch auf langfristigen Trends und sind nicht direkt einem bestimmten Zeitintervall zugeordnet. Die Beschleunigungsmesserkalibrierung unter Verwendung der GPS-Geschwindigkeiten beinhaltet folgendes:
Lateral-Beschleunigungsmesser. Der Lateral-Beschleunigungsmesser mißt die Zentrifugalbeschleunigung. Sie wird verwendet, um den Kurvenwinkel anhand der folgenden Gleichung zu berechnen: Kurvenwinkel im Bogenmaß gleich dem Quotienten aus der Zentrifugalbeschleunigung und der Tangentialgeschwindigkeit. Der Lateral-Beschleunigungsmesser weist zwei zu kalibrierende Werte auf, nämlich den Null-Versatz und den Skalierungsfaktor. Der Null-Versatz ist die Messung, die der Beschleunigungsmesser ausgibt, wenn kein Beschleunigungszustand existiert. Der Skalierungsfaktor ist die Zahl, die mit der Differenz zwischen dem Lesewert des Beschleunigungsmessers und dem Null-Versatz des Beschleunigungsmessers multipliziert wird, um die G-Beschleunigungszahl zu berechnen. Das anhand der Fig. 5a und 5b erörterte Nullbewegungs- Erfassungssystem wird zum Berechnen des Null-Versatzwerts des Beschleunigungsmessers verwendet. Die erste Ahleitung der GPS-Geschwindiskeiten wird zum Berechnen der Skalierungsfaktorkalibrierung verwendet.
Längs-Beschleunigungsmesser. Der Längs-Beschleunigungsmesser mißt die Beschleunigung entlang der Nase/Heck-Achse des Fahrzeugs, wobei eine positive Beschleunigung in Richtung der Nase (des Vorderteils) und eine negative Beschleunigung in Richtung des Hinterteils des Fahrzeugs verläuft. Der Längs- Beschleunigungsmesser weist zwei zu kalibrierende Werte auf, nämlich den Null- Versatz und den Skalierungsfaktor. Der Null-Versatz ist der Meßwert, den der Beschleunigungsmesser ausgibt, wenn kein Beschleunigungszustand existiert. Der Skalierungsfaktor ist die Zahl, die mit der Differenz zwischen dem Lesewert des Beschleunigungsmessers und dem Null-Versatz des Beschleunigungsmessers multipliziert wird, um die G-Beschleunigungszahl zu berechnen. Die erste Ableitung der GPS-Geschwindigkeiten wird verwendet, um die Skalierungsfaktorkalibrierung zu berechnen. Das in den Fig. 4a und 4b dargestellte Nullbewegungs- Erfassungssystem wird verwendet, um den Null-Versatzwert des Beschleunigungsmessers zu berechnen.
In Fig. 4a ist das Nullbewegungs-Erfassungssystem mit einem Bewegungssensor 64 (bei dieser Ausführungsform ein Orthogonalachsen- Beschleunigungsmesser), der Bewegungssignale liefert, dargestellt. Ein Verstärker 65 verstärkt die Bewegungssignale, welche bei dieser speziellen Ausführungsform in einem Analog-Digital-Wandler 67 digitalisiert werden. Die Bewegungssignale werden einem Sensorfilterblock 69 zugeführt, der sich in der Anwendungseinheit 22 befindet (Fig. 1). Die Fahrzeugnavigation bestimmt einen Nullbewegungszustand durch Vergleichen von Abtastwerten der Bewegungssignale vom Bewegungssensor 64 in der Art eines Beschleunigungsmessers, eines Kreisels oder piezoelektrischer Sensoren mit einem Schwellenwert (der Schwellenwert ist durch Fahrzeugschwingungseigenschaften für den Fahrzeugtyp, in dem die Einheit angebracht ist, bestimmt, oder der Schwellenwert für den Bewegungssensor könnte unter Verwendung anderer Sensoren in der Art eines Wegstreckenmessers eines GPS-Svstems oder eines DGPS-Svstems festgelegt werden. welche eine Nullbewegung nahelegen). Das Fahrzeugnavigationssystem verwendet mindestens einen der Abtastwerte zum Bestimmen der Null-Versätze, falls der Nullbewegungszustand erfaßt wird. Mindestens zwei Abtastwerte sind bevorzugt, um über ein Zeitintervall zu vergleichen und diese Abtastwerte zu mitteln, um einen Null-Versatz für den Bewegungssensor 64 zu erhalten. Falls ein Nullbewegungszustand existiert, setzt das Fahrzeugnavigationssystem ein Nullbewegungs- Hinweiszeichen 71 und verwendet mindestens einen der Abtastwerte zum Bestimmen des Null-Versatzes für den Sensor, der die verarbeiteten Bewegungssignale bereitstellt.
Das System liefert auch Versatz-Datensignale 73, die den Null-Versatz für den die Bewegungssignale liefernden Sensor reflektieren, oder die zum Berechnen des Null-Versatzes verwendeten Rohdaten. Nach dem Erfassen eines Nullbewegungszustands kann das Fahrzeugnavigationssystem Mehrdeutigkeiten von Niedergeschwindigkeits-GPS-Messungen auflösen, weil die Geschwindigkeit null ist.
GPS-Geschwindigkeiten gehen nicht auf Null, so daß Mehrdeutigkeiten auftreten, wenn ein Niedergeschwindigkeitszustand von weniger als 1,5 m/s vorhanden ist. Wenn ein Nullbewegungs-Hinweiszeichen gesetzt ist, werden die Mehrdeutigkeiten gelöst, weil sich das System nicht bewegt. Dabei friert das System die Richtung ein und kann auch die Geschwindigkeit auf Null setzen.
Das folgende in einer hochentwickelten Sprache geschriebene Programm zeigt die Arbeitsweise dieser speziellen Ausführungsform des Nullbewegungs- Erfassungssystems.
NUMSAMPLES = 16 (im Filterfeld)
WORD DATA[NUMSAMPLES-1]
WORD NOISE
FOR (I = 0; I< NUMSAMPLES; I++)
NOISE = NOISE + DATA I - DATA I + 1
If (NOISE> THRESHOLD)
ZERO_MOTION_FLAG = 0
ELSE
ZERO_MOTION_FLAG = 1.
Fig. 4b zeigt ein Flußdiagramm einer Variation des Nullbewegungs- Erfassungssystems. In Schritt 75 initialisiert das System die Variablen I und NOISE auf Null, und in Schritt 77 wird der erste Wert des Felds gelesen. Der Zähler I wird in Schritt 79 inkrementiert, und das System liest den nächsten Abtastwert in Schritt 81. In Schritt 83 beginnt das System mit dem Summieren der Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten der Bewegungssignale. Das System durchläuft die Schritte 81-87 schleifenförmig, bis alle Abtastwerte gelesen worden sind und die Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten in der Variable NOISE summiert worden sind. Sobald alle Abtastwerte gelesen worden sind, vergleicht das System die Variable NOISE in Schritt 89 mit dem Schwellenwert. Falls die NOISE-Variable größer ist als der Schwellenwert, bestimmt das System in Schritt 91, daß eine Bewegung erfaßt worden ist. Falls die NOISE-Variable kleiner ist als der Schwellenwert, setzt das System das Nullbewegungs-Hinweiszeichen und bestimmt in Schritt 93, daß die Geschwindigkeit null ist. Das Setzen des Nullbewegungs-Hinweiszeichens kann Abstandsänderungen auf Null setzen und die Richtung und die aktuelle Position festlegen. Zusätzlich berechnet das System in Schritt 95 den Null-Versatz für den abgetasteten Sensor.
Mit Bezug auf Fig. 4b und das vorstehend erwähnte, in einer hochentwickelten Sprache geschriebene Programm wird das System als die Bewegungssignale von einem Sensor 64, beispielsweise von einer Achse des Orthogonalachsen-Beschleunigungsmessers, abtastend beschrieben. Bei dieser speziellen Ausführungsform werden die Bewegungssignale für jede der orthogonalen Achsen des Beschleunigungsmessers abgetastet und Null-Versätze für jede bestimmt. Weiterhin können Null-Versätze, die Sensorkalibrierung oder das Auflösen von Mehrdeutigkeiten für andere Sensoren unter Verwendung des Nullbewegungs-Erfassungssystems gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Ein Nullbewegungs-Erfassungssystem, das zusammen mit einem Fahrzeugnavigationssystem verwendet wird, ist in näheren Einzelheiten in der anhängigen US-Patentanmeldung 08/579903 mit dem Titel "Zero Motion Detection System For Improved Vehicle Navigation System" beschrieben, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde.
In den Fig. 5a und 5b ist ein allgemeines Flußdiagramm dargestellt, in dem gezeigt wird, wie das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem 10 die Fahrzeugpositionierung von einer früheren Position zu einer aktuellen Position bestimmt. In Schritt 150 bestimmt das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem, ob sich das Fahrzeug in einem Nullbewegungszustand befindet, wie vorstehend beschrieben wurde. Falls dies der Fall ist, legt das System in Schritt 152 die Entfernungsänderung auf Null, hält die Richtung und die aktuelle Position fest und kalibriert die Null-Versätze.
Falls das System bestimmt, daß sich das Fahrzeug bewegt, geht das System zu Schritt 154, um zu bestimmen, ob eine GPS-Lösung verfügbar ist. Falls das GPS verfügbar ist, verwendet das System die GPS-Geschwindigkeitsinformationen, um die aktuelle Position in Schritt 156 zu bestimmen. Die Verwendung von GPS- Geschwindigkeitsinformationen zum Verschieben der Fahrzeugposition von einer früheren Position zu einer aktuellen Position ist in der anliegenden US- Patentanmeldung 08/579902 mit dem Titel "Improved Vehicle Navigation System And Method Using GPS Velocities", die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde, in näheren Einzelheiten beschrieben.
Die Verwendung von GPS-Geschwindigkeiten zur Positionsverschiebung hat mehrere Vorteile. Beispielsweise benötigt der GPS-Empfänger keine Kalibrierung, weil keine natürliche Drift auftritt, und die GPS-Messungen können verwendet werden, um den Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser zu kalibrieren. Weiterhin kann ein kostengünstigerer Beschleunigungsmesser verwendet werden, weil es nicht erforderlich ist, die Sensoren sehr häufig zu verwenden und die Sensoren unter Verwendung der GPS-Messungen sehr häufig kalibriert werden können. Der GPS-Empfänger unterstützt eine Tragbarkeit, weil er vom Fahrzeug unabhängig ist und keine Verbindung mit dem Wegstreckenmesser und dem Rückwärtsgang des Fahrzeugs benötigt. In Schritt 156 kalibriert das System die Sensorgegebenheiten, wie die Beschleunigungsmesser-Skalierungsfaktoren, und das System kann die Sensoren gut kalibriert halten, weil das Kalibrieren einmal je Sekunde (Skalierungsfaktoren) auftreten kann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit größer als 1,5 m/s ist.
Falls in Schritt 154 keine volle GPS-Lösung verfügbar ist, prüft das System in Schritt 158, ob irgendwelche GPS-Messungen verfügbar sind. Falls dies der Fall ist, berechnet das System in Schritt 160 die Geschwindigkeitsinformationen anhand eines verfügbaren Teilsatzes von Deltaentfernungsmessungen. Falls in Schritt 162 die Geschwindigkeitsinformationen gut sind, berechnet das System in Schritt 164 die aktuelle Position, jedoch bei dieser Ausführungsform ohne die Beschleunigungsskalierungsfaktoren und die vom Wegstreckenmesser angegebene Entfernung zu kalibrieren. Falls in Schritt 162 bestimmt wird, daß die GPS- Geschwindigkeit nicht gut ist, prüft das System in Schritt 166 die Richtungskomponente der GPS-Geschwindigkeit. Falls bestimmt wird, daß die GPS- Richtungskomponente gültig ist, wird die Entfernungsänderung mit der auf dem Wegstreckenmesser angegebenen Entfernung festgelegt, und die Richtung wird mit der anhand der GPS-Deltaentfernungsmessungen berechneten GPS-Richtung festgelegt. Alternativ wird kein Wegstreckenmesser verwendet, und die Entfernung wird anhand der Längsbeschleunigungsinformationen abgeleitet. Mit dieser Richtung und dieser Entfernung berechnet das System in Schritt 170 eine Position (Breite, Länge) unter Verwendung der folgenden Gleichungen:
e-dist = ΔDist·sin(Richtung) (1)
n-dist = ΔDist·cos(Richtung) (2).
Nach dem Berechnen der Ost und der Nord-Entfernung bestimmt das System Fahrzeugposition unter Verwendung der Gleichungen:
Breite = Breite + (n-dist·Grad/Meter) (3)
Länge = Länge + (e-dist·Grad/Meter) (4),
wobei Grad/Meter einen Umwandlungsfaktor von Metern in Grad darstellt, wobei die sich verringernde Anzahl von Metern in einem Längengrad berücksichtigt wird, wenn der Abstand vom Äquator zunimmt. An diesem Punkt wird bei dieser Ausführungsform keine Kalibrierung vorgenommen.
Falls das System in Schritt 166 bestimmt, daß die GPS-Richtung nicht gültig ist (GPS-Blockierung oder niedrige Geschwindigkeit) oder falls es in Schritt 158 bestimmt, daß die GPS-Messungen unzureichend sind, greift es auf den Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser zurück. Die GPS-Geschwindigkeitsinformationen sind bei Geschwindigkeiten von weniger als 1,5 m/s fehleranfällig, es sei denn, es wird ein genaueres GPS-System verwendet. Beispielsweise ist die Schwellengeschwindigkeit bei einem Fahrzeugnavigationssystem, bei dem DGPS verwendet wird, wegen der höheren Genauigkeit des Systems geringer. Dabei geht das Fahrzeugnavigationssystem zu Schritt 172, um die Entfernungsänderung unter Verwendung von Lateral- und Longitudinal-Beschleunigungsinformationen vom Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser (von den Orthogonalachsen- Beschleunigungsmessern) zu bestimmen. In Schritt 174 vergleicht das System die longitudinale Entfernung vom Beschleunigungsmesser mit der vom Wegstreckenmesser angegebenen Entfernung, und falls die Differenz zwischen ihnen einen Schwellenwert übersteigt, wird die vom Wegstreckenmesser angegebene Entfernung in Schritt 176 verwendet. Falls die Differenz den Schwellenwert unterschreitet, kann die vom Beschleunigungsmesser angegebene Entfernung oder die vom Wegstreckenmesser angegebene Entfernung in Schritt 178 für die Entfernung verwendet werden. Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung könnte das System nur auf den Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser (die Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser) zurückgreifen. Wie im gestrichelt angegebenen Schritt 173 dargestellt ist, wird die Entfernung anhand der Longitudinal-Beschleunigungsinformationen abgeleitet, falls kein Wegstreckenmesser verwendet wird.
Sobald die Entfernungsänderung bestimmt worden ist, berechnet das System in Schritt 180 die Position unter Verwendung der folgenden Gleichungen, um folgendermaßen die Richtung zu bestimmen:
Geschwindigkeit = ΔDist/Δt (5)
Δθ = alat (Lateralbeschleunigung)/Longitudinalgeschwindigkeit (6)
Richtung = Richtung + Δθ (modulo 360º) (7).
Nach dem Bestimmen der Richtung verwendet das System die Gleichungen 1 und 2 zum Bestimmen der Ost- und Nord-Entfernung und die Gleichungen 3 und 4 zum Bestimmen der Position.
Nach dem Bestimmen der anfänglichen aktuellen Position in den Schritten 156, 164, 170 oder 180 geht das System zu Schritt 182, wo die aktuelle Position mit der GPS-Position verglichen wird. Falls die aktuelle Position innerhalb eines annehmbaren Abstands von der GPS-Position liegt, bestimmt das System in Schritt 184, daß die aktuelle Position gültig ist. Falls dies nicht der Fall ist, ersetzt das System die aktuelle Position in Schritt 186 durch die GPS-Position. An diesem Punkt sendet das System eine Position und eine Geschwindigkeit, die Geschwindigkeits- und Richtungskomponenten haben, zu einem Kartenvergleichsschritt 188.
Der Kartenvergleichsblock 188 sendet für alle eine aktuelle Position, eine Entfernung, eine Richtung und FOMs, die mit der Karte abgestimmt wurden, sowie Kalibrierungsdaten zurück. Bei dieser Ausführungsform fragt der Kartenvergleichsblock 188 die Kartendatenbank 30 (Fig. 1) ab, um eine Richtung des Kartenwegsegments zu erhalten, das das Fahrzeug durchfahren soll. Der Kartenvergleichsblock 188 aktualisiert die der aktuellen Position, die auf GPS- und/oder Sensorberechnunsen beruhte, zugeordnete Richtung, um eine aktualisierte aktuelle Position zu erhalten, falls die Differenz zwischen der aktuellen Richtung und der Kartenrichtung innerhalb eines Schwellenwerts liegt. Dabei verwendet der Kartenvergleichsblock 188 die Kartenrichtung zum Aktualisieren der Richtung auf der Grundlage der GPS-Geschwindigkeitsinformationen, der Richtung auf der Grundlage der GPS-Positionsinformationen aus Schritt 186, der Richtung anhand der Sensoren oder der Richtung auf der Grundlage einer durch eine Kombination von GPS- und Sensorinformationen bestimmten aktuellen Position, wie es bei einer Ausführungsform der Fall ist, bei der alle Roheingaben in ein Kalman-Filter eingegeben werden.
Wie in Fig. 6a dargestellt ist, verwendet diese spezielle Ausführungsform GPS-Geschwindigkeitsinformationen zum Verschieben einer früheren Position 191 zu einer aktuellen Position 192 (durch Addieren von Verschiebungen 194 und 196, die anhand der Geschwindigkeitsinformationen (integriert) erhalten wurden, zur früheren Position). Falls in Fig. 6b keine GPS-Informationen verfügbar sind, verwendet das Fahrzeugnavigationssystem Sensorinformationen zum Verschieben der früheren Position 191 zur aktuellen Position 192 unter Verwendung der Richtung und der Entfernung 198. Falls die Differenz zwischen der GPS-Richtung (oder der sich aus den Sensoren ergebenden aktuellen Richtung, falls das GPS- System nicht verwendet wird) und der Kartenrichtung innerhalb eines Schwellenwerts liegt, wird die Kartenrichtung als die Richtung zur Positionsverschiebung verwendet. Das Fahrzeugnavigationssystem 10 kann dies auf alternative Weisen erreichen. Wie in Fig. 6c dargestellt ist, dreht das Fahrzeugnavigationssystem 10 beispielsweise unter Verwendung der GPS-Geschwindigkeiten den GPS- Geschwindigkeitsvektor 200, so daß er mit der Kartenrichtung 202 ausgerichtet wird, wenn die GPS-Richtung und die Kartenrichtung innerhalb des Schwellenwerts liegen, und es integriert den gedrehten GPS-Geschwindigkeitsvektor 204, um die Verschiebungen zu erhalten. Wie dargestellt, wird die aktualisierte Position 206 durch Anwenden orthogonaler Verschiebungen 208 und 210 auf die frühere Position 191 erhalten.
Fehler treten gewöhnlich bei Richtungsbestimmungen infolge von Drififehlern in Kreiseln oder Kompassen auf. Die Verschiebung läßt sich leicht prüfen, und sie gehört zu den genauesten Komponenten bei den GPS-Messungen und auch in den Sensoren, so daß das System alle Verschiebungen anhand der GPS- Geschwindigkeitsinformationen oder der Koppelnavigationssensoren, wie der Beschleunigungsmesser, verwendet. Demgemäß kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kostengünstige Sensoren verwenden, die weniger empfindlich sind, weil die Richtung durch die Kartenrichtung korrigiert werden kann.
Wie in Fig. 6d dargestellt ist, kann die Kartenrichtung 202 als die Richtung zur Positionsverschiebung zur aktualisierten aktuellen Position 206 verwendet werden, wenn das Fahrzeugnavigationssystem Sensorinformationen verwendet, um die frühere Position 191 unter Verwendung der Richtung und der Entfernung 198 zur aktuellen Position 192 zu verschieben. Fig. 6e zeigt ein alternatives Verfahren zum Aktualisieren der GPS-Richtung und damit der aktuellen Position durch Projizieren des Geschwindigkeitsvektors 200, so daß er mit der Kartenrichtung 202 ausgerichtet wird, und durch Integrieren der projizierten Geschwindigkeit 212, um Verschiebungen 214 und 216 zu erhalten. Das System 10 erhält die aktualisierte aktuelle Position 192 durch Anwenden der Verschiebungen 214 und 216 auf die frühere Position 191. Die Verwendung der Kartenrichtung zum Aktualisieren der von den Nicht-GPS-Sensoren oder einer Kombination des GPS- Systems und der Sensoren erhaltenen Informationen kann in ähnlicher Weise erreicht werden, wie der Fachmann verstehen wird.
Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem verwendet die GPS- Informationen zur Positionierung und eine hohe Häufigkeit der Sensorkalibrierung, weil GPS-Informationen häufig verfügbar sind. Wenn die GPS- Informationen verfügbar sind, kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem den Kartenvergleichsblock 188 verwenden, um eine Gesamtprüfung der aktuellen Position vorzunehmen und Positions- und Richtungskorrekturdaten bereitzustellen, die verwendet werden, wenn der Kartenvergleichsblock 188 bestimmt, daß sie sehr zuverlässig sind. Bei dieser speziellen Ausführungsform wird die aktuelle Position (ohne Kartenvergleich) einmal je Sekunde bestimmt. Falls das Fahrzeug mehr als 15 Meter gefahren ist, seit der letzte Aufruf des Kartenvergleichsblocks 188 erfolgt ist, wird die aktuelle Position an den Kartenvergleichsblock 188 übergeben. Falls das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fährt, geht das System bei jeder Bestimmung der aktuellen Position bei der maximalen Rate von einmal je Sekunde zum Kartenvergleichsblock 188. Wenn das GPS-System nicht verfügbar oder unzuverlässig ist, weist das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem gut kalibrierte Beschleunigungsmesser auf, auf das es sich verlassen kann, und das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kann sich besser auf die Informationen vom Kartenvergleichsblock 188 zur Positionierung und zur Sensorkalibrierung verlassen.
Somit bietet das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem mehrere erhebliche Vorteile wie z. B. Flexibilität, Modularität und Genauigkeit bei geringeren Kosten, weil GPS-Informationen verwendet werden können, um die Beschleunigungsmesser häufiger zu kalibrieren und das Aktualisieren bei einem vollständigen Halt ausgeführt werden kann. Diese Vorteile treten auf, weil sich das System stark auf GPS-Geschwindigkeitsinformationen verläßt, um die Fahrzeugposition zu verschieben und den Beschleunigungsmesser kalibriert zu halten.
Die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, die anhand der vorstehenden Beispiele und der vorstehenden Erörterung dargelegt wurden, können unter Verwendung verschiedener Navigationssystemkonfigurationen und Sensoren verwirklicht werden. Das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem kann beispielsweise ohne Verwendung einer Wegstreckenmesser-Verbindung verwirklicht werden und Entfernungsinformationen von Beschleunigungsmessereingaben erhalten, wenn das GPS-System nicht verfügbar ist, um die Tragbarkeit und die Installationskosten zu verbessern. Weiterhin kann das verbesserte Fahrzeugnavigationssystem Koppelnavigationsinformationen von GPS-Signalen erhalten, wenn ein voller Satz von GPS-Messungen verfügbar ist, und seine Beschleunigungsmesser verwenden, wenn weniger als ein voller Satz von GPS-Signalen verfügbar ist. Fachleute werden leicht verstehen, daß diese und verschiedene andere Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne der hier erläuterten und beschriebenen als Beispiel dienenden Anwendung streng zu folgen und ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.

Claims

1. Fahrzeugnavigationssystem (10), umfassend:

einen Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser (20), der so ausgelegt ist, daß er Longitudinal-Beschleunigungsinformation und Lateral-Beschleunigungsinformation bereitstellt; und

wobei das Fahrzeugnavigationssystem (10) so ausgelegt ist, daß es aus der Longitudinal-Beschleunigungsinformation eine longitudinale Geschwindigkeit ableitet und aus der Lateral-Beschleunigungsinformation und der longitudinalen Geschwindigkeit eine Richtungsänderung ableitet, und so ausgelegt ist, daß es ausschließlich die Richtungsänderung und die Longitudinal-Beschleunigungsinformation verwendet, um aus einer vorhergehenden Position eine momentane Position abzuleiten.

2. System nach Anspruch 1, bei dem das Fahrzeugnavigationssystem (10) so ausgelegt ist, daß es eine Achse des Orthogonalachsen-Beschleunigungsmessers einer bestimmten Achse zuweist, indem es den Unterschied zwischen einer ersten Beschleunigungsinformation und einer zweiten Beschleunigungsinformation mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleicht und indem es die erste und zweite Beschleunigungsinformation mit Beschleunigungsmeßwerten vergleicht, die von wenigstens einem weiteren Sensor in der bestimmten Achse abgeleitet sind, und wobei das System so ausgelegt ist, daß es die bestimmte Achse derjenigen Achse des Beschleunigungsmessers zuweist, deren Beschleunigungsinformation der von dem wenigstens einen weiteren Sensor abgeleiteten Beschleunigungsinformation am nächsten kommt.

3. System nach Anspruch 1, bei dem das Fahrzeugnavigationssystem (10) so ausgelegt ist, daß es eine laterale und eine longitudinale Kalibrierbeschleunigung aus GPS-Geschwindigkeiten bestimmt, und das System so ausgelegt ist, daß es die Lateral- und Longitudinal-Beschleunigungsinformation mit der latitudinalen und longitudinalen Kalibrierbeschleunigung kalibriert.

4. System nach Anspruch 3, bei dem das System so ausgelegt ist, daß es unter Verwendung der latitudinalen und longitudinalen Kalibrierbeschleunigung Skalierungsfaktoren für die Lateral- und Longitudinal-Beschleunigungsinformation aktualisiert.

5. Fahrzeugnavigationssystem (10) nach Anspruch 2, bei dem das Fahrzeugnavigationssystem so ausgelegt ist, daß es den Unterschied zwischen der ersten Beschleunigungsinformation und der zweiten Beschleunigungsinformation mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleicht, um sicherzustellen, daß die Beschleunigungen für eine zulässige Achsenzuweisung unterschiedlich genug sind.

6. Fahrzeugnavigationssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem der Orthogonalachsen-Beschleunigungsmesser darüber hinaus so ausgelegt ist, daß er eine Vertikal-Beschleunigungsinformation bereitstellt und das Fahrzeugnavigationssystem so ausgelegt ist, daß es die Vertikal-Beschleunigungsinformation zur Kalibrierung der Longitudinal- und Lateral-Beschleunigungsinformation verwendet.

7. Verfahren zum Ableiten einer momentanen Position aus einer vorhergehenden Position in einem Fahrzeugnavigationssystem (10), wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Bereitstellen von Longitudinal-Beschleunigungsinformation;

Bereitstellen von Lateral-Beschleunigungsinformation;

Ableiten einer longitudinalen Geschwindigkeit aus der Longitudinal- Beschleunigungsinformation;

Ableiten einer Richtungsänderung aus der Lateral-Beschleunigungsinformation und der longitudinalen Geschwindigkeit; und

Verwenden der Richtungsänderung und der longitudinalen Beschleunigung, um aus einer vorhergehenden Position eine momentane Position abzuleiten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, darüber hinaus die Schritte umfassend:

Bereitstellen von Vertikal-Beschleunigungsinformation; und

Verwenden der Vertikal-Information, um die Longitudinal- und Lateral- Beschleunigungsinformation zu kalibrieren.

9. Verfahren nach Anspruch 7, darüber hinaus, um Beschleunigungsinformation auf eine bestimmte Achse zu richten, die Schritte umfassend:

Vergleichen des Unterschieds zwischen der ersten Beschleunigungsinformation und der zweiten Beschleunigungsinformation mit einem vorbestimmten Schwellenwert;

Vergleichen der ersten und der zweiten Beschleunigungsinformation mit Beschleunigungsmeßwerten, die von wenigstens einem weiteren Sensor in der bestimmten Achse abgeleitet sind; und

Zuweisen der bestimmten Achse auf der Grundlage des Vergleichsschrittes zu derjenigen Beschleunigungsinformation, die der von dem wenigstens einen weiteren Sensor abgeleiteten Beschleunigungsinformation am nächsten kommt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, darüber hinaus die Schritte umfassend:

Bestimmen einer latitudinalen und einer longitudinalen Kalibrierbeschleunigung aus GPS-Geschwindigkeiten; und

Kalibrieren der Lateral- und der Longitudinal-Beschleunigungsinformation mit der latitudinalen und der longitudinalen Kalibrierbeschleunigung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, darüber hinaus mit den Schritten: Aktualisieren von Skalierungsfaktoren für die Lateral- und die Longitudinal- Beschleunigungsinformation unter Verwendung der latitudinalen und der longitudinalen Kalibrierbeschleunigung.