DE69625172T2

DE69625172T2 - Ortungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69625172T2
Application number: DE69625172T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Miyasaka; Michiyasu Tano
Original assignee: Data Tec Co Ltd
Current assignee: Data Tec Co Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: KR970707429A; EP0789223A4; CN1090314C; KR100227288B1; EP0789223A1; DE69625172D1; CN1164891A; US5828987A; WO1997008514A1; EP0789223B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Navigationstechnik zum Empfang von Wellensignal von GPS (Globales Positioniersystem)-Satelliten, um eine Position und eine Bewegungsrichtung eines bewegten Objektes, wie eines Fahrzeugs oder einer Person zu erfassen und betrifft insbesondere eine Bewegungserfassungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine autonome Navigation mit hoher Genauigkeit durchzuführen auch an einem Ort wie etwa einem Tunnel, zwischen hohen Gebäuden oder unter einer hochgelegten Bahnstrecke, wo der Empfang von Wellensignalen von GPS-Satelliten schwierig ist.

Technischer Hintergrund

Eine Bewegungserfassungsvorrichtung ist bekannt, die in Echtzeit die momentane Position und die Geschwindigkeit eines bewegten Objektes durch Kombination eines Bewegungsgrößesensors zur Erfassung eines Bewegungsmaßes des bewegten Objektes mit von GPS-Satelliten empfangenen GPS-Signalen erfaßt und diese anzeigt. Die Bewegungserfassungsvorrichtung dieses Typs wie in US-A-5438517 beschrieben wird beispielsweise als Sensoreinheit für Positionsdaten oder dergleichen in einem Kraftfahrzeugsnavigationssystem verwendet. Die in dem Kraftfahrzeugsnavigationssystem verwendete herkömmliche Bewegungserfassungsvorrichtung enthält beispielsweise eine GPS-Antenne und einen GPS-Empfänger zum Empfang von GPS-Signalen von den GPS-Satelliten, einen Rotationsdetektor eines Reifens als ein Beispiel für einen Bewegungsgrößensensor und eine Arithmetikeinheit zur Berechnung der Absolutposition, der Absolutgeschwindigkeit und des Absolut-Azimuths eines Fahrzeugs basierend auf den von dem GPS-Empfänger gesendeten Signalen wie auch der Relativgeschwindigkeit und der gefahrenen Entfernung des Fahrzeugs basierend auf der durch den Rotationsdetektor gemessenen Umdrehungsgeschwindigkeit des Reifens und zur Korrektur der Absolutposition oder dergleichen basierend auf den Berechnungsergebnissen. Das Fahrzeugnavigationssystem speichert im Vorraus Kartendaten und zeigt die Daten des Berechnungsergebnisses der Arithmetikeinheit auf der Karte überlagert an.
Da bei der so strukturierten Bewegungserfassungsvorrichtung die Absolutposition usw. des Fahrzeuges basierend auf dem GPS-Signal abgeleitet werden kann und ferner die Geschwindigkeit und die gefahrene Entfernung des Fahrzeuges aus der durch den Rotationsdetektor gemessenen Umdrehungsgeschwindigkeit des Reifens abgeleitet werden kann, ist es vorteilhaft, daß die Bewegungsdaten des Fahrzeuges genauer erfaßt werden können als in dem Fall, wenn nur das GPS oder der Rotationsdetektor verwendet wird.
Da jedoch bei der herkömmlichen Bewegungserfassungsvorrichtung nur der Bewegungsgrößensensor an einem Ort arbeiten kann, wo die GPS-Signale nicht empfangen werden können, wie zwischen Gebäuden, in einem Tunnel oder in einem Wald, ist die Genauigkeit der Bewegungsdaten verringert. Ferner unterscheiden sich bei dem Fahrzeugnavigationssystem in dem Fall, wenn der Reifen während der Fahrt des Fahrzeuges durchdreht oder der Bewegungsgrößensensor an einem Kontaktabschnitt mit dem Reifen leerläuft, die Meßergebnisse des Bewegungsgrößensensors von den tatsächlichen Bewegungsdaten. Ferner ist es möglich, daß ein Benutzer das Auftreten einer solchen Situation nicht erkennt. So treten Situationen auf, in denen die Verläßlichkeit des Betriebes der Bewegungserfassungsvorrichtung verringert ist.
Ferner wird bei der Verwendung der Bewegungserfassungsvorrichtung im Fahrzeugnavigationssystem der Standard der in dem Rotationsdetektor als Bewegungsgrößensensor erfaßten Signale nicht als Standard für alle Fahrzeuge angeboten. Wenn beispielsweise die Größen oder Formen des Reifens oder die Befestigungsabschnitte unterschiedlich sind, resultiert ein Unterschied der Meßresultate. Daher besteht das Problem, daß es bei der Installation des Systems wesentlich ist, das Fahrzeug zu verändern, um den Signalstandard des Rotationsdetektors abzugleichen oder den Rotationsdetektor für das Fahrzeug zu kalibrieren, wodurch die Kosten der Systeminstallation nicht reduziert werden können.

Offenbarung der Erfindung

Um das genannte Problem zu lösen liefert die vorliegende Erfindung eine Bewegungserfassungsvorrichtung aufweisend eine GPS-Arithmetikeinrichtung zur Erzeugung von ersten Bewegungsdaten basierend auf GPS-Signalen, wobei die ersten Bewegungsdatenabweichungskomponenten einer Absolutposition, einer Absolutgeschwindigkeit und eines Absolut-Azimuths eines beweglichen Objekts enthalten; einen Trägheitssensor zur Erfassung einer in einer Bewegungsrichtung des beweglichen Objekts erzeugten Beschleunigung und einer um eine Achse, die eine feste Neigung relativ zur Bewegungsrichtung aufweist, erzeugten Winkelgeschwindigkeit; eine Einrichtung zur Erzeugung von zweiten Bewegungsdaten aus der durch den Trägheitssensor gemessenen Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit, wobei die zweiten Bewegungsdaten Abweichungskomponenten einer Relativposition, einer Relativgeschwindigkeit und eines Relativ-Azimuths des beweglichen Objektes enthalten sind; und eine Arithmetik-Steuereinrichtung zur Korrektur der ersten und zweiten Bewegungsdaten basierend auf den gemeinsamen Daten und zur Erzeugung tatsächlicher Bewegungsdaten umfassend eine tatsächliche Position, eine tatsächliche Geschwindigkeit und einen tatsächlichen Azimuth des beweglichen Objekts durch Berechnung.
Die Arithmetik-Steuereinrichtung hält beispielsweise Berechnungsdaten fest, die erzeugt werden, wenn die GPS-Signale normal empfangen werden, und leitet die tatsächlichen Berechnungsdaten des beweglichen Objektes unter Verwendung der festgehaltenen Berechnungsergebnisdaten dann ab, wenn der Empfang des GPS- Signals nicht möglich ist. Die Arithmetik-Steuereinrichtung weist eine Zentrifugalkraft-Korrektureinrichtung zur Korrektur eines Einflusses einer Zentrifugalkraft relativ zur tatsächlichen Geschwindigkeit basierend auf den Daten der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Winkelgeschwindigkeit und eine Korrektureinrichtung zur Ableitung von Fehlern aufgrund einer Drift des Trägheitssensors aus einer Differenz zwischen der Absolutgeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit bzw. einer Differenz zwischen dem Absolut-Azimuth und dem Relativ-Azimuth und zur Korrektur der Relativgeschwindigkeit und des Relativ-Azimuths basierend auf den jeweils abgeleiteten Fehlern auf.
Insbesondere weist die Arithmetik-Steuereinrichtung einen Geschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt, einen Azimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt und einen Positions-Arithmetikverarbeitungsabschnitt auf.
(1) Der Geschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt weist die folgenden Elemente auf:
(1-1) eine Einrichtung zur Ableitung einer ersten Bewegungsbeschleunigung aus einer Abweichung einer kombinierten Geschwindigkeit, die erhalten ist durch eine Filterkombination der Absolutgeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit;
(1-2) eine Einrichtung zur Ableitung einer ersten Gravitationsbeschleunigung durch Subtrahieren der ersten Bewegungsbeschleunigung von den Beschleunigungsdaten;
(1-3) eine Einrichtung zur Umsetzung von Winkeldaten, die erhalten sind durch Integration der Winkelgeschwindigkeitsdaten, in eine zweite Gravitationsbeschleunigung;
(1-4) eine Einrichtung zur Ableitung einer dritten Gravitationsbeschleunigung, die erhalten ist durch eine Filterkombination der ersten und zweiten Gravitationsbeschleunigung, in eine vierte Gravitationsbeschleunigung basierend auf einer Referenzneigung;
(1-5) eine Einrichtung zur Ableitung eines Fehlers zwischen der ersten Gravitationsbeschleunigung und der vierten Gravitationsbeschleunigung; und
(1-6) eine Einrichtung zur Korrektur der zweiten Gravitationsbeschleunigung durch den Fehler, Ableitung einer zweiten Bewegungsbeschleunigung durch Subtraktion einer Gravitationsbeschleunigung nach der Korrektur von den Bescheunigungsdaten und Ableitung einer tatsächlichen Geschwindigkeit durch Integration der zweiten Bewegungsbeschleunigung.
Die Filterkombination der Absolutgeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit und die Filterkombination der ersten und zweiten Gravitationsbeschleunigung weisen jeweils die Form einer Wertekombination auf, nachdem sie zwei Arten von Filtern mit verschiedenen Frequenzbändern durchlaufen haben.
(2) Der Azimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt weist die folgenden Elemente auf:
(2-9) eine Einrichtung zur Ableitung eines kombinierten relativen Azimuths durch eine Filterkombination einer Abweichung des Absolut-Azimuths pro Zeiteinheit mit dem Relativ-Azimuth; und
(2-2) eine Einrichtung zum selektiven Ausgeben eines ersten tatsächlichen Azimuths, der erhalten wird durch Summieren des kombinierten Relativ-Azimuths abgeleitet basierend auf dem aufeinanderfolgend aktualisierten Absolut-Azimuth und Relativ-Azimuths und dem Absolut-Azimuth oder eines zweiten tatsächlichen Azimuths, der erhalten ist durch Summieren des Relativ-Azimuths und des ersten tatsächlichen Azimuths.
Die Filterkombination der Abweichung pro Zeiteinheit des Absolut-Azimuths und des Relativ-Azimuths weist die Form einer Kombination der Werte nach Durchlaufen zweier Arten von Filtern mit verschiedenen Frequenzbändern auf.
(3) Der Positions-Arithmetikverarbeitungsabschnitt weist folgende Elemente auf:
(3-1) eine Einrichtung zur Ableitung einer zurückgelegten Entfernung durch Integration der tatsächlichen Geschwindigkeit und Ableitung eines Breitenabweichungswertes und eines Längenabweichungswertes basierend auf der zurückgelegten Entfernung und dem tatsächlichen Azimuth; und
(3-2) eine Einrichtung zur Erzeugung der tatsächlichen Position durch Korrektur der aufeinanderfolgend aktualisierten Absolutposition während des nicht aktualisierten Zeitraums unter Verwendung des Breitenabweichungswerts und des Längenabweichungswerts.
Durch Anordnung der Arithmetiksteuereinheit wie oben beschrieben können die Daten der Position, der Geschwindigkeit, des Azimuths etc. des bewegten Objektes korrekt erfaßt werden unabhängig von der Art des beweglichen Objektes oder einer Bewegungsbedingung, beispielsweise ob das bewegte Objekt an einem Ort befindlich ist, wo GPS-Signale nicht empfangen werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Strukturbeispiel einer erfindungsgemäßen Bewegungserfassungsvorrichtung zeigt.
Fig. 2 ist ein funktionales Blockdiagramm des Geschwindkeits-Arithmetik- Verarbeitungsabschnitts.
Fig. 3 ist ein funktionales Blockdiagramm des Azimuth-Arithmetik- Verarbeitungsabschnitts.
Fig. 4 ist ein funktionales Blockdiagramm des Positions-Arithmetik- Verarbeitungsabschnitts.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Richtungen der drei zueinander orthogonalen Achsen und einer Bewegungsrichtung eines bewegten Objektes zeigt.
Fig. 6a) und b) sind erläuternde Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer Bewegungsbeschleunigung und einer Gravitationsbeschleunigung zeigen, die in Beschleunigungsdaten enthalten sind.
Fig. 7 ist ein erläuterndes Diagramm des Verfahrens zur Erzeugung einer korrekten Bewegungsbeschleunigung, wenn man einen Einfluß von GPS- Signalen berücksichtigt.
Fig. 8 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verfahrens zur Kombination zweier Arten von Gravitationsbeschleunigungen zeigt.
Fig. 9 ist ein erläuterndes Diagramm, das den Berechnungsprozeß eines Fehlers in Richtung einer Referenzachse zeigt.
Fig. 10 ist ein erläuterndes Diagramm einer Prozedur zur Berechnung der tatsächlichen Geschwindigkeit, wenn die GPS-Signale nicht erhalten werden.
Fig. 11 ist ein Benutzungszustandsdiagramm einer Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Fig. 12 ist ein Strukturdiagramm der Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
Fig. 13 ist eine innere Perspektivansicht, die ein strukturelles Beispiel eines Trägheitssensors gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 14 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Arithmetiksteuerabschnits dieses Ausführungsbeispiels.
Fig. 15 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Berechnungsprozesses der Absolutposition in diesem Ausführungsbeispiel.
Fig. 16 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Berechnungsprozesses des Absolut-Azimuths in diesem Ausführungsbeispiel.
Fig. 17 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Korrekturprozesses in diesem Ausführungsbeispiel.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Fig. 1 ist ein Strukturdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bewegungserfassungsvorrichtung zeigt.
Die Bewegungserfassungsvorrichtung enthält einen GPS-Empfänger 2 zur Umsetzung eines an einer GPS-Antenne 1 empfangenen GPS-Signals in serielle Digitaldaten wie Positionsdaten in Form von Länge und Breite und Daten, welche die Absolutgeschwindigkeit und den Absolut-Azimuth repräsentieren, die für die autonome Navigation verwendet werden können, und um diese Daten auszugeben, einen Aritmethik-Steuerabschnitt 3, einen Trägheitssensor 5, einen Sicherungsspeicher 6 zur Speicherung einer Sicherungskopie durch kontinuierliche Zuführung und einen Datenausgabeabschnitt 7.
Der Aritmethik-Steuerabschnitt 3 enthält einen Digitalempfangsabschnitt 31 zum Empfangen der seriellen Daten von dem GPS-Empfänger 2, um diese in parallele Daten umzusetzen, einen Analog-Empfangsabschnitt 32 zum Empfang von Analogdaten von dem Trägheitssensor 5, einen Analog-/Digital-Wandlerabschnitt (A/D- Wandlerabschnitt) 33 zum Umsetzen der Analogdaten in Digitaldaten, einen Rauschunterdrückungsabschnitt 34 zur Entfernung von Rauschkomponenten in den Digitaldaten und einen Arithmetikverarbeitungsabschnitt 4 zur Berechnung der tatsächlichen Geschwindigkeit, des tatsächlichen Azimuths und der tatsächlichen Position eines bewegten Objektes. Der Digitalempfangsabschnitt 31 enthält einen GPS-Überwachungsabschnitt 31a zur Bestimmung, ob das GPS-Signal normal empfangen wird oder nicht durch Bewertung der Anwesenheit oder Abwesenheit eines in dem GPS-Signal enthaltenen Statussignals und der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Aktualisierung des GPS-Signals. Die Überwachungsresultate des GPS-Überwachungsabschnitts 31a werden dem Arithmetikverarbeitungsabschnitt 4 zugeführt.
Der Trägheitssensor 5 mißt Beschleunigungsgen und Winkelgeschwindigkeiten, die bezüglich der dreidimensionalen Achsen (X-, Y- und Z-Achsen), die relativ zu dem bewegten Objekt festgelegt werden. Beispielsweise enthält der Trägheitssensor 5 drei Beschleunigungssensoren 51a bis 51c, drei Winkelgeschwindigkeitssensoren 52a bis 52c und einen Verstärker 53 zur Verstärkung der Meßresultate dieser, Es ist vorteilhaft, wenn diese Instrumente auf den drei Achsen angeordnet sind, die exakt orthogonal zueinander sind. Wenn jedoch diese drei Achsen nicht exakt orthogonal zueinander sind oder wenn diese drei Achsen, die schräg zueinander sind, relativ zu dem bewegten Objekt festgelegt werden, können die gemessenen Werte unter Verwendung korrekter Parameter korrigiert werden. Da es andererseits ausreichend ist, die in einer Bewegungsrichtung des bewegten Objektes erzeugte Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeiten um die Achsen zu messen, die jeweils eine feste Neigung relativ zu der Bewegungsrichtung haben, werden wenigstens ein Beschleunigungssensor und wenigstens zwei Winkelgeschwindigkeitssensoren benötigt.
Die durch den Verstärker 53 verstärkten Meßresultate werden dem A/D- Wandlerabschnitt 33 über den Analog-Empfangsabschnitt 32 zugeführt, um in Digitalsignale umgesetzt zu werden, die zur Arithmetikverarbeitung in dem Arithmetikverarbeitungsabschnitt 4 angepaßt sind. Dann werden deren Rauschkomponenten durch den Rauschunterdrückungsabschnitt 34 entfernt und die resultierenden Digitalsignale werden im Sicherungsspeicher 6 zur aufeinanderfolgenden Aktualisierung gespeichert.
Der Arithmetikverarbeitungsabschnitt 4 in dem Aritmethiksteuerabschnitt 3 ist in der Form eines programmierten Digitalprozessors zum Auslesen der in dem Sicherungsspeicher 6 gespeicherten Daten zu gewissen Zeiten ausgebildet, um so Daten über die tatsächliche Geschwindigkeit, den tatsächlichen Azimuth und die tatsächliche Position des beweglichen Objektes zu berechnen und ferner die Arithmetikverarbeitungsresultate in dem Sicherungsspeicher 6 korrekt abzuspeichern.
Der Einfachheit halber wird die Berechnung der Geschwindigkeit durch einen Geschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 41 ausgeführt, der eine wie in Fig. 2 gezeigte Struktur hat, die Berechnung des Azimuths wird durch einen Azimuth- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 42 mit der in Fig. 3 gezeigten Struktur und die Berechnung der Position wird durch einen Positions-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 43 mit der in Fig. 4 gezeigten Struktur ausgeführt. Der Datenausgabeabschnitt 18 gibt die Ausgangsdaten des Aritmethiksteuerabschnitts 3 an eine Anzeigeeinheit oder einen folgenden Bearbeitungsabschnitt aus.
Nun wird die Funktionsweise der Abschnitte der Bewegungserfassungsvorrichtung im Detail beschrieben, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit, der tatsächliche Azimuth und die tatsächliche Position des beweglichen Objektes abgeleitet wird unter der Annahme, daß, wie in Fig. 5 gezeigt ist, die Bewegungsrichtung des beweglichen Objektes als X-Achse festgelegt wird, eine Richtung orthogonal zur Bewegungsrichtung des beweglichen Objektes auf der Ebene enthaltend die Bewegungsrichtung des beweglichen Objektes als Y-Achse und eine Richtung senkrecht zu der durch die X- und Y-Achsen definierten Ebene als Z-Achse festgelegt wird.

(1) Tatsächliche Geschwindigkeit des beweglichen Objekts

Wenn sich das bewegliche Objekt in eine bestimmte Richtung bewegt, umfassen die durch die Beschleunigungssensoren 51a bis 51c gemessenen Beschleunigungsdaten, wie in den Fig. 6a) und b) gezeigt eine Gravitationsbeschleunigung g (= A/sinθ) hervorgerufen durch einen Lagewinkel (Neigung relativ zur Referenzachse) des beweglichen Objektes und eine Bewegungsbeschleunigung EX (= V/sinθ) hervorgerufen durch die tatsächliche Geschwindigkeit des beweglichen Objektes in Bewegungsrichtung. Daher enthalten die Beschleunigungsdaten einen kombinierten Wert der Beschleunigungsdaten A (= g·sinθ) entsprechend Fig. 6a) und den Beschleunigungsdaten B (= EX·cosθ) gemäß Fig. 6b). In diesem Fall kann die Geschwindigkeit des beweglichen Objektes entlang der X-Achse abgeleitet werden durch Extraktion nur der Bewegungsbeschleunigung EX aus den Beschleunigungsdaten (A + B) als die Ausgangsdaten der Beschleunigungssensoren 51a bis 51c. Die Winkelgeschwindigkeitsdaten als die Ausgangsdaten des Winkelgeschwindigkeitssensors werden hauptsächlich zur Ableitung einer Neigung (θ) zum Ausschluß der Gravitationsbeschleunigung verwendet.
Die Funktionsweise des Geschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitts 41 gemäß diesem Prinzip wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Der Einfachheit halber wird die Erläuterung nur bezüglich der X-Achse gegeben, die jedoch ähnlich auf die Y- oder Z-Achse anwendbar ist.
Zunächst wird ein Fehler &epsi; abgeleitet, wenn der normale Empfang des GPS-Signals möglich ist.
Es wird angenommen, daß die Absolutgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung (X- Achsen-Richtung), die auf Basis der GPS-Signale abgeleitet wird, als VGX gesetzt wird, die durch den Beschleunigungssensor 51a gemessenen Beschleunigungsdaten in X-Richtung als AX und die durch den Winkelgeschwindigkeitssensor 52b gemessenen Winkelgeschwindigkeitsdaten um die Y-Achse als q gesetzt werden und die Neigung der X-Achse relativ zur Horizontalebene als θ gesetzt wird.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist liest der Geschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 41 zuerst die in dem Sicherungsspeicher 6 gespeicherten Beschleunigungsdaten AX nach Ablauf einer gewissen Verzögerungszeit bestimmt zum Abgleich einer Phase mit den GPS-Signalen (S101) aus und leitet eine Neigung (Inklination) θ der X-Achse relativ zu der Horizontalrichtung ab (S102). Ferner wird eine Gravitationsbeschleunigung β hoher Frequenzen (kurzer Perioden) abgeleitet. Die Neigung θ kann abgeleitet werden durch eine definite Integration der Winkelgeschwindigkeiten q um die Y-Achse pro Periode Δt in der Integrationsschaltung 41a. Die Gravitationsbeschleunigung β kann abgeleitet werden durch Berechnung der Neigung θ in einer Sinus-Schaltung 41b (es wird festgelegt, daß die Gravitationsbeschleunigung g der Erde 1 ist). Anschließend wird eine Bewegungsbeschleunigung EX in der X- Achsen-Richtung aus den Beschleunigungsdaten AX und der vorangehenden Neigung θ abgeleitet (S103). Die Bewegungsbeschleunigung EX kann abgeleitet werden durch Berechnung der folgenden Gleichung (1) wie aus Fig. 6a) und b) hervorgeht:
EX = (AX - sinθ)·1/cosθ (1)
Der Geschwindigkeits-Verarbeitungsabschnitt 41 kombiniert durch einen Mischfilter 41d eine durch eine definite Integration der Bewegungsbeschleunigungen EX pro Periode Δt in einer Integrationsschaltung 41c abgeleitete relative Geschwindigkeit VX und eine basierend auf den GPS-Signalen abgeleitete absolute Geschwindigkeit VGX (S104 und S105). Insbesondere wird die von den GPS-Signalen abgeleitete Absolutgeschwindigkeit VGX pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde aktualisiert und so durch die relative Geschwindigkeit VX bis zur nächsten Aktualisierung ergänzt. Die Absolutgeschwindigkeit VGX und die Relativgeschwindigkeit laufen durch ein Tiefpaßfilter bzw. ein Hochpaßfilter und werden kombiniert zur Erzeugung der kombinierten Geschwindigkeit, so daß die Absolutgeschwindigkeit VGX verwendet wird zur Geschwindigkeitsänderung der niederfrequenten (langperiodigen) Komponenten und die Relativgeschwindigkeit VX für die Geschwindigkeitsänderung der hochfrequenten (kurzperiodigen) Komponenten. Dann wird die so erzeugte kombinierte Geschwindigkeit durch die vorhergehende Periode Δt differenziert, um eine korrekte Bewegungsbeschleunigung EGX unter Berücksichtigung des GPS abzuleiten (S106).
Anschließend wird, wie in Fig. 108 gezeigt ist, eine Gravitationsbeschleunigung α niederer Frequenzen (langer Perioden) abgeleitet durch Subtrahieren der Bewegungsbeschleunigung EGX von den Beschleunigungsdaten AX am Subtrahierer 41f (S201) und die vorangehende Gravitationsbeschleunigung β hoher Frequenzen (kurzer Perioden) wird erhalten (S202). Dann werden die jeweiligen Gravitationsbeschleunigungen α und β durch ein Mischfilter 41g kombiniert, um eine kombinierte Gravitationsbeschleunigung ax bezüglich der X-Achse abzuleiten (S203). Die Umsetzung der kombinierten Gravitationsbeschleunigung ax beispielsweise in das Eulersche Koordinatensystem wird mit einem Lagewinkel-Umwandlungsabschnitt 41h ausgeführt, um einen Lagewinkel, d. h. eine Neigung (hier durch θx gegeben) der X-Achse relativ zur Referenzachse abzuleiten.
Ferner wird, wie in Fig. 9 gezeigt ist, die vorangehende Neigung θx einer Sinus- Schaltung 41i zugeführt, um eine Gravitationsbeschleunigung βx abzuleiten (S301) und diese Gravitationsbeschleunigung βx und die vorangehende Gravitationsbeschleunigung α werden einem Subtrahierer 41j zugeführt, um eine Differenz zwischen diesen zu ermitteln. Dann wird diese Differenz in dem Sicherungsspeicher 6 als ein Fehler &epsi;(= α - βx) gespeichert (S302). Die vorangehende Fehlerableitung kann auch in Y- oder Z-Richtung auf dieselbe Art und Weise ausgeführt werden.
Nun wird eine Prozedur zur Berechnung der tatsächlichen Geschwindigkeit unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben, wenn die GPS-Signale nicht erhalten werden können. Obwohl die Erläuterung in Bezug auf eine Prozedur zur Berechnung der tatsächlichen Geschwindigkeit in X-Richtung beschrieben wird, kann sie ähnlich für die tatsächliche Geschwindigkeit in Y- oder Z-Richtung angewendet werden.
Der Geschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 41 liest die Winkelgeschwindigkeitsdaten q um die Y-Achse, die mit dem Trägheitssensor 5 gemessen werden, aus dem Sicherungsspeicher 6 zum vorangehenden Zeitpunkt aus (S401) und leitet eine Inklination θ der X-Achse relativ zur Horizontalrichtung durch Integration der Winkelgeschwindigkeitsdaten q in einer Integrationsschaltung 41k ab (S402). Dann wird die Inklination θ einer Sinus-Schaltung 411 zur Umwandlung in eine Gravitationsbeschleunigung β = sinθ zugeführt (S403). Anschließend wird durch Subtraktion der Gravitationsbeschleunigung β und dem obigen Fehler &epsi; von Beschleunigungsdaten AX in X-Richtung durch einen Addierer 41m und einen Subtrahierer 41n eine Bewegungsbeschleunigung EXoff in X-Achsen-Richtung abgeleitet (S404) und ferner wird durch Integration der Bewegungsbeschleunigung EXoff durch eine Integrationsschaltung 41o eine tatsächliche Geschwindigkeit Vm abgeleitet (S405).
Andererseits kann, wenn die GPS-Signale normal empfangen werden, eine Anordnung getroffen werden, die an dem GPS-Empfänger 2 abgeleitete Absolutgeschwindigkeit VGX als die tatsächliche Geschwindigkeit Vm wie sie ist abzuleiten oder die tatsächliche Geschwindigkeit Vm durch Integration der obigen korrekten Bewegungsbeschleunigungen EGX. In Fig. 2 wird ersteres verwendet.
Wenn der normale Empfang der GPS-Signale unterbrochen wird, werden die Ausgangsdaten zur Integrationsschaltung 41o geschaltet. Diese Umschaltung wird ausgeführt basierend auf den Überwachungsresultaten des GPS- Überwachungsabschnitts 31a in dem Digitalempfangsabschnitt 31.

(2) Azimuth des beweglichen Objekts

Nun wird die Funktionsweise des Azimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitts 42 unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.
Wenn die GPS-Signale normal empfangen werden, erfaßt der Azimuth- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 42 mit einem Abweichungserfassungsabschnitt 42a eine Abweichungskomponente des Absolut-Azimuths ψG (Winkel relativ zur Erdachse) pro Zeiteinheit basierend auf den GPS-Signalen. Der Absolut-Azimuth ψG wird pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde aktualisiert, während der Empfang der GPS-Signale möglich ist. Andererseits wird ein Azimuth ψI als Abweichung von dem letzten Zyklus basierend auf den Beschleunigungsdaten und den Winkelgeschwindigkeitsdaten, die mit dem Trägheitssensor b gemessen werden, abgeleitet. Es wird angenommen, daß bezüglich des Absolut-Azimuths ψG der n-te abgeleitete momentane Absolut-Azimuth gegeben ist durch ψG(n), der vorhergende Absolut-Azimuth durch ψG(n - 1) und eine Differenz zwischen diesen durch ΔψG = ψG(n) - ψG(n - 1)·ΔψG und ψI werden durch ein Mischfilter 42b kombiniert, so daß niedrige Frequenzen (lange Perioden) ΔψG repräsentieren und hohe Frequenzen (kurze Perioden) ψI repräsentieren, um einen Relativ-Azimuth ψ abzuleiten. Der Relativ-Azimuth ψ wird zu dem momentanen Absolut-Azimuth ψG mit einem Addierer 41c addiert, so daß der durch die folgende Gleichung (2) gegebene tatsächliche Azimuth ψm ausgegeben wird:
ψm = ψGn + ψ (2)
Wenn andererseits der Empfang des GPS-Signals nicht möglich ist, gibt der Azimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 42 einen tatsächlichen Azimuth ψm aus, der durch die folgende Formel (3) gegeben ist:
ψm = ψm + ψI (3)
Insbesondere wird der momentane tatsächliche Azimuth ψm abgeleitet durch Addieren des aufeinanderfolgend aktualisierten relativen Azimuths ψI zu dem letzten tatsächlichen Azimuth ψm.

(3) Position des beweglichen Objekts

Nun wird die Funktionsweise des Positions-Arithmetikverarbeitungsabschnitts 43 unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert.
Wenn die GPS-Signale normal empfangen werden, leitet der Positions- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 43 eine zurückgelegte Entfernung D durch Integrieren der vorherigen tatsächlichen Geschwindigkeiten Vm mittels einer Integrationsschaltung 43a pro Periode Δt ab und gibt die zurückgelegte Entfernung D und den vorigen Azimuth ψm einer Sinus-Schaltung 43b und einer Cosinus-Schaltung 43c ein. Andererseits werden Positionsdaten, umfassend die Breite LOG und die Länge LAT pro Zeiteinheit (eine Sekunde) aktualisiert, einem Breiten- Korrekturabschnitt 43d bzw. einem Längen-Korrekturabschnitt 43e von den GPS- Signalen eingegeben. Bis zur nächsten Aktualisierung führt der Breiten- Korrekturabschnitt 43d und der Längen-Korrekturabschnitt 43e die Korrektur basierend auf den Azimuths ψm und den zurückgelegten Entfernungen D aus. Insbesondere werden, wenn angenommen sei, daß ein Radius der Erde R ist, die momentane Breite LOG(n) und die momentane Länge LAT(n) durch die folgenden Gleichungen (4) unter Verwendung der vorangehenden Breite LOG(n - 1) und der vorangehenden Länge LAT(n - 2) abgeleitet:
LOG(n) = LOG(n - 1) + (D·cosψm)·1/{2πR·cos(LOG(n - 1))}
LAT(n) = LAT(n - 1) + (D·sinψm)·1/{2πR·cos(LOG(n - 1))} (4)
Da andererseits die zurückgelegte Entfernung D und der Azimuth ψm auf die obige Art und Weise abgeleitet werden, wenn der normale Empfang der GPS-Signale nicht möglich ist, kann die momentane Breite LOG(n) und Länge LAT(n) aus der letzten Breite und der letzten Länge abgeleitet werden. Die abgeleiteten Breiten und Längen werden nacheinander im Sicherungsspeicher 6 abgespeichert.
Wie oben beschrieben können gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Daten über die Geschwindigkeit Vm, den Ort LOGn, LATn und den Azimuth ψm des beweglichen Objektes zu jeder Zeit aus dem Sicherungsspeicher 6 erhalten werden. Ferner können entsprechend dem jeweiligen Zweck beliebige Daten selektiv aus diesen Daten extrahiert werden. Ferner kann, auch wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist, der Sicherungsspeicher 6 ausgelesen werden und die letzten Daten verwenden.
Zur noch detaillierteren Erläuterung der erfindungsgemäßen Bewegungserfassungsvorrichtung wird ein Beispiel gezeigt, bei dem die Bewegungserfassungsvorrichtung wie bei der herkömmlichen Vorrichtung in einem Fahrzeugnavigationssystem verwendet wird, welches Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten und Azimuth-Daten ableitet und die Bewegungsdaten des entsprechenden Fahrzeuges visualisiert.
Fig. 11 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Einbauzustand der Bewegungserfassungsvorrichtung in dem Fahrzeug zeigt. Die Bewegungserfassungsvorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel umfaßt eine GPS-Antenne 1, einen GPS- Empfänger 2, einen Arithmetiksteuerabschnitt 30 und einen Trägheitssensorabschnitt 50. Die in dem Arithmetiksteuerabschnitt 30 abgeleiteten Geschwindigkeits daten und Azimuth-Daten werden dem beispielsweise am Fahrersitz installierten Fahrzeugnavigationssystem 60 ausgegeben.
Die GPS-Antenne 1 empfängt GPS-Signale, die Konstant-Orbit-Signale und Signalübertragungszeit-Signale enthält, die von (nicht dargestellten) GPS-Satelliten gesendet werden. Das empfangene GPS-Signal wird dem GPS-Empfänger 2 über ein Antennenkabel zugeführt. Der GPS-Empfänger 2 enthält einen Empfangsabschnitt 21, einen Positionsberechnungsabschnitt 22 und eine Digitalschnittstelle 23. Der GPS-Empfänger 2 tastet die durch die GPS-Antenne 1 empfangenen GPS- Signale einmal je Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde ab und leitet die Absolutdaten einschließlich der Absolutgeschwindigkeit und des Absolut-Azimuths des Fahrzeugs aus einer Änderung der Position pro Zeiteinheit ab und gibt die Absolutdaten über die Digitalschnittstelle 23 an den Arithmetiksteuerabschnitt 30 aus. Die Digitalschnittstelle 23 ist beispielsweise eine RS232C-Schnittstelle.
Im Allgemeinen ist die Positionsmeßgenauigkeit (Positionsgenauigkeit) des GPS im CA-Modus, der der Allgemeinheit zugänglich ist, gering und enthält einen Fehler von ungefähr 100 m. Andererseits ist der GPS-Empfänger 2 in der Lage, die Genauigkeit der Absolutgeschwindigkeit und des Absolut-Azimuths durch Ableitung einer Position aus der relativen Genauigkeit pro Zeiteinheit zu erhöhen.
Wie in Fig. 13 gezeigt ist, umfaßt der Trägheitssensor 50 einen Beschleunigungssensor 51 und zwei Winkelgeschwindigkeitssensoren 52a und 52b. Der Beschleunigungssensor 51 ist beispielsweise durch Halbleiterprozesse gebildet und an einer Konsole 53 befestigt, die horizontal in einem Gehäuse des Trägheitssensors 50 angeordnet ist und auf einer Horizontalachse (X-Achse) positioniert ist, die sich in Bewegungsrichtungen des Fahrzeugs erstreckt, um Beschleunigungen in Bewegungsrichtungen des Fahrzeugs (Vorwärtsrichtung, Rückwärtsrichtung) zu erfassen. Die Winkelgeschwindigkeitssensoren 52a, 52b sind beispielsweise in Form von Vibriationsgyroskopen ausgebildet. Der erste Winkelgeschwindigkeitssensor (Nickwinkelgyrometer) 52a ist an der Konsole 53 befestigt, um eine Winkelgeschwindigkeit um eine horizontale Achse (Y-Achse) orthogonal zur Horizontalachse (X-Achse) des Beschleunigungssensors 51 zu messen. Der zweite Winkelgeschwindigkeitssensor (Azimuthgyrometer 52b) ist an der Konsole 53 befestigt, um eine Winkelgeschwindigkeit um eine Vertikalachse (Z-Achse) orthogonal zur X- Achse zu erfassen. Die erfaßten Beschleunigungsdaten und Winkelgeschwindigkeitsdaten werden im Arithmetiksteuerabschnitt 30 über ein Kabel ausgegeben.
Der Arithmetiksteuerabschnitt 30 umfaßt eine Digitalschnittstelle 35, eine Analogschnittstelle 36, eine externe Schnittstelle 37, eine CPU 38 und einen Speicher 39. Die Digitalschnittstelle 35 empfängt die Digitaldaten von dem GPS-Empfänger 2. Die Analogschnittstelle 36 verarbeitet die von dem Trägheitssensor 50 ausgegebenen Analogdaten (Beschleunigungsdaten, Winkelgeschwindigkeitsdaten) mit hoher Geschwindigkeit und umfaßt einen Verstärker und einen A/D-Wandler zur Digitalisierung eines verstärkten Signals.
Die CPU 38 ist ein Digitalprozessor und verarbeitet arithmetisch die Winkelgeschwindigkeitsdaten und Beschleunigungsdaten, die durch die vorangehende Analogschnitstelle 36 (A/D-Wandler) in Digitalsignale umgewandelt wurden gemäß in dem Speicher 39 gespeicherten vorgegebenen Programmen, um so die Funktionen des obigen Geschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitts 41, des Azimuth- Arithmetikverarbeitungsabschnitts 42 und des Positions-Arithmetikverarbeitungsabschnitts 43 auszuführen. Während der GPS-Empfänger 2 normalerweise die GPS-Signale empfängt, werden die durch die Digitalschnittstelle 35 eingegebene Absolutgeschwindigkeit und der Absolut-Azimuth und die Relativgeschwindigkeit und der Relativ-Azimuth abgeleitet und basierend auf den durch den Trägheitssensor 50 erhaltenen Beschleunigungsdaten und Winkelgeschwindigkeitsdaten mit den gegenseitigen Daten korrigiert, um so die tatsächliche Geschwindigkeit und den tatsächlichen Azimuth mit hoher Genauigkeit abzuleiten. Die Absolutgeschwindigkeit kann als die tatsächliche Geschwindigkeit wie sie ist verwendet werden.
Wenn andererseits der GPS-Empfänger 2 die GPS-Signale nicht normal empfängt, d. h. während das Fahrzeug in einem Tunnel ist, so daß die Wellen von den GPS- Satelliten nicht empfangen werden können, werden die relative Geschwindigkeit und der relative Azimuth, berechnet und korrigiert während des normalen Empfangs der GPS-Signale, als die tatsächliche Geschwindigkeit und der tatsächliche Azimuth abgeleitet.
Die externe Schnittstelle 37 ist zur Ausgabe verschiedener durch Berechnung mit der vorangehenden CPU 38 erhaltener Daten derart vorgesehen, das verbundene Navigationssystem 60 abzugleichen.
Nun wird ein konkreter Betrieb der Positionserfassungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 14 erläutert.
Die durch den Beschleunigungssensor 51 des Trägheitssensors 50 gemessenen Beschleunigungsdaten und die von dem ersten Winkelgeschwindigkeitssensor 52a gemessenen Winkelgeschwindigkeitsdaten werden einem Rauschunterdrückungsabschnitt 38a der CPU 38 eingegeben, wo Rauschkomponenten wie Temperaturdrift beseitigt werden und dann einem Relativgeschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38b eingegeben. Der Relativgeschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38b leitet relative Geschwindigkeiten (VX, VY, VZ) ab und sendet diese einem Referenz-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c. Dem Referenz-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c werden auch Geschwindigkeitsdaten von dem GPS-Empfänger 2, d. h. die Absolutgeschwindigkeiten (VGX, VGY, VGZ) zugeführt.
Obwohl die pro Zeiteinheit (eine Sekunde) abgeleitete Absolutposition einen Fehler ΔP enthält, kann, wie in Fig. 15 gezeigt ist, die Genauigkeit erhöht werden, da der Fehler ΔP der Absolutposition (P1, P2, P3, ...), gemessen pro Zeiteinheit als P1 + ΔP, P2 + ΔP, P3 + ΔP, ... kompensiert wird. Die folgende Gleichung (5) zeigt dies:
VGX(VGY, VGZ) = (P2 + ΔP) - (P1 + ΔP) = P2 - P1 (5)
Andererseits werden die Winkelgeschwindigkeitsdaten um die Z-Achse von dem zweiten Azimuth-Winkelgeschwindigkeitssensor 52b einem Rauschunterdrückungsabschnitt 38g eingegeben, wo das Rauschen entfernt wird. Dann wird in dem RelativAzimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38h ein Relativ-Azimuth ψI abgeleitet und einem Referenzazimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38i zugeführt. Ein so abgeleiteter Relativ-Azimuth ψI repräsentiert einen Drehwinkel des Fahrzeugs um die Z-Achse. Dem Referenzazimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38i werden auch Azimuth-Berechnungsdaten von dem GPS-Empfänger 2 eingegeben, d. h. der Absolut-Azimuth ψG. Da wie in Fig. 16 gezeigt ist, die pro Zeiteinheit (eine Sekunde) abgeleitete Absolutposition P einen Fehler ΔP enthält, ist der basierend auf den Absolutpositionen P abgeleitete pro Zeiteinheit gemessene Absolut- Azimuth ψG entsprechend P1 + ΔP, P2 + ΔP, P3 + ΔP, ... gegeben durch die folgend Gleichung (6):
ψG = arctan(((P2 + ΔP)y - (P1 + ΔP)y)·1/((P2 + ΔP)x - (P1 + ΔP)x) = arctan((P2y - P1y)·1/(P2x - P1x)) (6)
Da wie oben erwähnt der Fehler ΔP herausfällt kann ein sehr genauer Absolut- Azimuth ψG abgeleitet werden. (P2 + ΔP)y repräsentiert eine Y-Komponente von P2 + ΔP und (P2 + ΔP)x eine X-Komponente von P2 + ΔP. Diese entsprechen der Breite bzw. Länge auf der Karte.
Der Referenzgeschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c korrigiert die auf die beschriebene Art und Weise erhaltenen Relativgeschwindigkeiten und Absolutgeschwindigkeiten und gibt das Resultat dem Fahrzeugnavigationssystem 60 über einen Fahrzeuggeschwindigkeits-Ausgabeabschnitt 38d als die tatsächliche Geschwindigkeit Vm aus. Andererseits korrigiert der Referenzazimuth- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38i den Relativ-Azimuth und den Absolut-Azimuth und gibt das Resultat dem Fahrzeugnavigationssystem 60 über einen Azimuth- Ausgabeabschnitt 38j als tatsächlichen Azimuth ψm aus.
Die durch den Referenzgeschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c und den Referenzazimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 381 ausgeführten Korrekturen sind wie oben beschrieben.
Insbesondere wenn der normale Empfang der GPS-Signale möglich ist, wird die durch den GPS-Empfänger 2 basierend auf den GPS-Signalen abgeleitete Absolutgeschwindigkeit als die Niedrigfrequenzkomponente und die durch den Relativgeschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38b basierend auf den Daten von dem Trägheitssensor 5 abgeleitete Relativgeschwindigkeit als die Hochfrequenzkomponente durch das Filter kombiniert. Wie Gyroskope im allgemeinen haben der erste und der zweite Winkelgeschwindigkeitssensor 52a und 52b ein besonderes Problem, daß die Winkelgeschwindigkeits-Meßdaten einer Drift unterliegen. Angesichts dessen führt ein Fehlerrückkopplungs-Verarbeitungsabschnit 38e eine Genauigkeitskorrektur der an dem Referenzgeschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c erzeugten Relativgeschwindigkeiten derart aus, um einen Einfluß der Drift zu unterbinden.
Wenn beispielsweise, wie in Fig. 17 gezeigt ist, der normale Empfang der GPS- Signale möglich ist, vergleicht der Fehlerrückkopplungs-Verarbeitungsabschnitt 38e eine in dem Zeitmittlungsabschnitt 38q zeitgemittelte Relativgeschwindigkeit und eine im Zeitmittlungsabschnitt 38p zeitgemittelte Absolutgeschwindigkeit und nimmt an, daß die Differenz zwischen diesen durch eine Drift des ersten Winkelgeschwindigkeitssensors (Nickwinkelgyroskop) 52a hervorgerufen wurde. Eine Drift des Versatzes des ersten Winkelgeschwindigkeitssensors 52a wird in einem Versatzabschätzabschnitt 38r abgeschätzt und die genannte Drift wird durch den abgeschätzten Versatz beseitigt, um eine Genauigkeitskorrektur der Relativgeschwindigkeit auszuführen.
Eitle ähnliche Korrektur wird bezüglich des Azimuth ausgeführt. Insbesondere wenn der normale Empfang der GPS-Signale möglich ist, wird der basierend auf den GPS-Signalen abgeleitete Absolut-Azimuth als die Niedrigfrequenzkomponenten und der durch den Relativazimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38h basierend auf den Winkelgeschwindigkeitsdaten abgeleitete Relativ-Azimuth als Hochfrequenzkomponenten durch das Filter kombiniert, um den sehr genauen tatsächlichen Azimuth ψm zu erzeugen.
Wenn ferner der Empfang der GPS-Signale möglich ist, vergleicht ein Driftkorrekturverarbeitungsabschnitt 38k einen zeitgemittelten Relativ-Azimuth und einen zeitgemittelten Absolut-Azimuth und nimmt an, daß eine Differenz zwischen diesen durch eine Drift des zweiten Winkelgeschwindigkeitssensors (Azimuth-Gyroskop) 52b hervorgerufen wurde. Eine Drift des Versatzes wird abgeschätzt und die Drift wird durch den abgschätzten Versatz beseitigt, um so eine Genauigkeitskorrektur des Relativ-Azimuths auszuführen.
Wenn sich die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ändert, neigt sich das Fahrzeug aufgrund einer erzeugten Zentrifugalkraft nach außen, so daß sich der Trägheitssensor 50 ähnlich neigt. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit niedrig ist, ist die Neigung klein, so daß der Einfluß auf den Trägheitssensor 50 aufgrund der Zentrifugalkraft relativ klein ist. Wenn andererseits die Fahrzeuggeschwindigkeit hoch ist, erhöht sich die Neigung (Inklination), so daß ein Einfluß der Zentrifugalkraft auf den Trägheitssensor 50 nicht mehr ignoriert werden kann. Angesichts dessen ist es bevorzugt, einen Zentrifugalkraft-Korrekturverarbeitungsabschnitt 38f zwischen dem Relativgeschwindigkeits-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38b und dem Relativ- Azimuth-Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38h vorzusehen. Der Zentrifugalkraft- Korrekturverarbeitungsabschnitt 38a verifiziert einen Einfluß der Zentrifugalkraft aus einer Beziehung zwischen der an den Referenzgeschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c gelieferten tatsächlichen Geschwindigkeit und den durch den zweiten Winkelgeschwindigkeitssensor 52b gemessenen Winkelgeschwindigkeitsdaten und beseitigt den Einfluß der Zentrifugalkraft von den durch den ersten Winkelgeschwindigkeitssensor 52a gemessenen Winkelgeschwindigkeitsdaten und den durch den Beschleunigungssensor 51 gemessenen Beschleunigungsdaten. Mit dieser Anordnung werden die Relativgeschwindigkeiten frei von einem Einfluß der Zentrifugalkraft dem Referenzgeschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt 38c zugeführt, so daß die Genauigkeit der tatsächlichen Geschwindigkeit weiter erhöht ist. Andererseits kann durch Ableitung des Einflusses der Zentrifugalkraft zwischen den tatsächlichen Geschwindigkeiten und den durch den zweiten Winkelgeschwindigkeitssensor gemessenen Winkelgeschwindigkeiten durch Experimente im Voraus, um eine Tabelle vorzubereiten und durch Verweis auf die Tabelle zur Ausführung einer Zentrifugalkraftkorrektur eine Vereinfachung und Beschleunigung der Verarbeitung erreicht werden.
Wie oben beschrieben kann durch Verwendung der Absolutgeschwindigkeit und des Absolut-Azimuths als die Niederfrequenzkomponenten im Falle einer langsamen Veränderung des Fahrzeugs und durch Verwendung der Relativgeschwindigkeit und des Relativ-Azimuths als die Hochfrequenzkomponenten im Falle einer schnellen Änderung des Fahrzeugs eine sehr genaue tatsächliche Geschwindigkeit und tatsächlicher Azimuth ausgegeben werden.
Da ferner die Korrekturdaten zur Ableitung der korrekten Geschwindigkeit und des korrekten Azimuths während des normalen Empfangs der GPS-Signale erzeugt werden können und so kann auch wenn der Empfang der GPS-Signale nicht möglich ist, eine sehr genaue tatsächliche Geschwindigkeit und ein tatsächlicher Azimuth abgeleitet werden.
Da es ferner nicht notwendig ist, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs wie beim Stand der Technik am Rad bzw. Reifen zu erfassen, ist es nicht notwendig, eine bestimmte Struktur bei Installation des Fahrzeugnavigationssystems für das Fahrzeug vorzusehen. So kann die Beschränkung bei Handhabung des Fahrzeugnavigationssystems beseitigt werden, was zu einer großen Ausweitung der Fahrzeugnavigation führt. Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf Fahrzeuge sondern ebenfalls auf andere bewegliche Objekte anwendbar.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie oben beschrieben werden bei der vorliegenden Erfindung die Differentialdaten zwichen den absoluten Bewegungsdaten des beweglichen Objektes und den relativen Bewegungsdaten des beweglichen Objektes aus den gemessenen Werten des Trägheitssensors erzeugt, während die GPS-Signale empfangen werden. Wenn der Empfang der GPS-Signale unterbrochen ist, werden die relativen Positionsdaten unter Verwendung der Differentialdaten korrigiert, um so die tatsächlichen Bewegungsdaten zu erzeugen. So können unabhängig von den Empfangsbedingungen der GPS-Signale die tatsächliche Geschwindigkeit und der tatsächliche Azimuth exakt abgeleitet werden.
Da ferner der Trägheitssensor die Beschleunigungsdaten und die Winkelgeschwindigkeitsdaten nur durch Einbau in das bewegliche Objekt ohne Erfordernis von Daten von dem beweglichen Objekt, wie ein Fahrzeuggeschwinditkeits-Pulssignal erfassen kann, ist es nicht notwendig, bestimmte Veränderungen am beweglichen Objekt vorzunehmen.
Da ferner der durch die Zentrifugalkraft erzeugte Einfluß auf das bewegliche Objekt oder die Drift des Trägheitssensors beseitigt werden können, ist eine noch genauere Messung möglich, so daß die Bewegungsdaten des beweglichen Objekts noch genauer erzeugt werden können.

Claims

1. Bewegungserfassungsvorrichtung, aufweisend:

eine GPS-Arithmetikeinrichtung (4) zur Erzeugung von ersten Bewegungsdaten basierend auf GPS-Signalen, wobei die ersten Bewegungsdaten Abweichungskomponenten einer Absolutposition, einer Absolutgeschwindigkeit und eines Absolut-Azimuths eines beweglichen Objektes enthalten;

einen Trägheitssensor (5) zur Erfassung einer in einer Bewegungsrichtung des beweglichen Objektes erzeugten Beschleunigung und einer um eine Achse, die eine feste Neigung relativ zu der Bewegungsrichtung aufweist, erzeugten Winkelgeschwindigkeit;

eine Einrichtung (4) zur Erzeugung von zweiten Bewegungsdaten aus der durch den Trägheitssensor gemessenen Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit, wobei die zweiten Bewegungsdaten Abweichungskomponenten einer Relativposition, einer Relativgeschwindigkeit und eines Relativ-Azimuths des beweglichen Objektes enthalten; und

eine Arithmetik-Steuereinrichtung (3) zur Korrektur der ersten und zweiten Bewegungsdaten basierend auf den gemeinsamen Daten und zur Erzeugung tatsächlicher Bewegungsdaten umfassend eine tatsächliche Position, eine tatsächliche Geschwindigkeit und einen tatsächlichen Azimuth des beweglichen Objektes durch Berechnung.

2. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetik-Steuereinrichtung (3) Berechnungsergebnisdaten festhält, die erzeugt werden, wenn die GPS-Signale normal empfangen werden, und die tatsächlichen Bewegungsdaten des beweglichen Objektes unter Verwendung der festgehaltenen Berechnungsergebnisdaten dann ableitet, wenn der Empfang des GPS-Signals nicht möglich ist.

3. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetik-Steuereinrichtung (3) eine Zentrifugalkraft- Korrektureinrichtung (38f) zur Korrektur eines Einflusses einer Zentrifugalkraft relativ zur tatsächlichen Geschwindigkeit basierend auf den Daten der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Winkelgeschwindigkeit aufweist.

4. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetik-Steuereinrichtung (3) eine Korrektureinrichtung (38k) zur Ableitung von Fehlern aufgrund einer Drift des Trägheitssensors aus einer Differenz zwischen der Absolutgeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit bzw. einer Differenz zwischen dem Absolut-Azimuth und dem Relativ-Azimuth und zur Korrektur der Relativgeschwindigkeit und des Relativ-Azimuths basierend auf den jeweils abgeleiteten Fehlern aufweist.

5. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetik-Steuereinrichtung (3) einen Geschwindigkeits- Arithmetikverarbeitungsabschnitt (41) aufweist, der umfaßt:

(1) eine Einrichtung zur Ableitung einer ersten Bewegungsbeschleunigung (EGX) aus einer Abweichung einer kombinierten Geschwindigkeit, die erhalten ist durch eine Filterkombination der Absolutgeschwindigkeit (VGX) und der Relativgeschwindigkeit (VX), und eine Einrichtung zur Ableitung einer ersten Gravitationsbeschleunigung (α) durch Subtrahieren der ersten Bewegungsbeschleunigung (EGX) von den Beschleunigungsdaten (AX);

(2) eine Einrichtung zur Umsetzung von Winkeldaten (θ), die erhalten sind durch Integration der Winkelgeschwindigkeitsdaten (q), in eine zweite Gravitationsbeschleunigung (β);

(3) eine Einrichtung zur Umsetzung einer dritten Gravitationsbeschleunigung (ax), die erhalten ist durch eine Filterkombination der ersten und zweiten Gravitationsbeschleunigung (α, β) in eine vierte Gravitationsbeschleunigung (βx) basierend auf einer Referenzneigung;

(4) eine Einrichtung zur Ableitung eines Fehlers (&epsi;) zwischen der ersten Gravitationsbeschleunigung (α) und der vierten Gravitationsbeschleunigung (βx); und

(5) eine Einrichtung zur Korrektur der zweiten Gravitationsbeschleunigung (β) durch den Fehler (&epsi;), Ableitung einer zweiten Bewegungsbeschleunigung (EXoff) durch Subtraktion einer Gravitationsbeschleunigung nach der Korrektur von den Beschleunigungsdaten (AX) und Ableitung einer tatsächlichen Geschwindigkeit (V) durch Integration der zweiten Bewegungsbeschleunigung (EXoff).

6. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkombination der Absolutgeschwindigkeit (VGX) und der Relativgeschwindigkeit (VX) und die Filterkombination der ersten und zweiten Gravitationsbeschleunigung (α, β) jeweils die Form einer Wertekombination aufweisen, nachdem sie zwei Arten von Filtern mit verschiedenen Frequenzbändern durchlaufen haben.

7. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetiksteuervorrichtung (3) einen Azimuth- Arithmetikverarbeitungsabschnitt (42) aufweist, der umfaßt:

(1) eine Einrichtung zur Ableitung eines kombinierten relativen Azimuths (ψ) durch eine Filterkombination einer Abweichung des Absolut-Azimuths (ψG) pro Zeiteinheit mit dem Relativ-Azimuth (ψI); und

(2) eine Einrichtung zum selektiven Ausgeben eines ersten tatsächlichen Azimuths, der erhalten wird durch Summieren des kombinierten Relativ- Azimuths (ψ) abgeleitet basierend auf dem aufeinanderfolgend aktualisierten Absolut-Azimuth (ψG) und Relativ-Azimuth (ψI) und dem Absolut- Azimuth (ψG) oder eines zweiten tatsächlichen Azimuths, der erhalten ist durch Summieren des Relativ-Azimuths (ψI) und des ersten tatsächlichen Azimuths.

8. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkombination der Abweichung pro Zeiteinheit des Absolut-Azimuths (ψG) und des Relativ-Azimuths (ψI) die Form einer Kombination der Werte nach Durchlaufen zweier Arten von Filtern mit verschiedenen Frequenzbändern aufweist.

9. Bewegungserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetik-Steuereinrichtung (3) einen Positions- Arithmetikverarbeitungsabschnitt (43) aufweist, der umfaßt:

(1) eine Einrichtung zur Ableitung einer zurückgelegten Entfernung (D) durch Integration der tatsächlichen Geschwindigkeit (Vm) und Ableitung eines Breitenabweichungswertes und eines Längenabweichungswertes basierend auf der zurückgelegten Entfernung (D) und des tatsächlichen Azimuths (ψm); und

(2) eine Einrichtung zur Erzeugung der tatsächlichen Position (LOGn, LATn) durch Korrektur der aufeinanderfolgend aktualisierten Absolutposition (LOG, LAT) während des nicht aktualisierten Zeitraums unter Verwendung des Breitenabweichungswerts und des Längenabweichungswertes.