DE60113581T2

DE60113581T2 - GPS-Empfänger fähig zur genauen 2DRMS Berechnung

Info

Publication number: DE60113581T2
Application number: DE60113581T
Authority: DE
Inventors: Mutsumi Bunkyo-ku Ito; Kenichi Bunkyo-ku Shoji
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: EP1136838A2; EP1136838B1; US20010024172A1; DE60113581D1; EP1136838A3; US6407701B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen GPS-Empfänger (Global Positioning System = Globales Positionsbestimmungssystem), das Auswertungswerte zum Auswerten der Genauigkeit von durch eine GPS-Messung gewonnenen Daten liefert, und die Erfindung bezieht sich auch auf ein Navigationssystem, in dem so ein GPS-Empfänger implementiert ist.
Im allgemeinen liefert ein GPS-Empfänger durch Durchführen der GPS-Messung in Echtzeit Daten, die eine Position (eine GPS-Position) und eine Geschwindigkeit (eine GPS-Geschwindigkeit) anzeigen. Die Daten (die GPS-Position und/oder die GPS-Geschwindigkeit), die durch die GPS-Messung gewonnen werden, werden auch als GPS-Lösung bezeichnet. Bei der GPS-Messung wird die GPS-Position berechnet unter Verwendung einer Entfernung bzw. eines Abstands zwischen dem GPS-Empfänger und dem GPS-Satelliten, der unter Verwendung eines Satellitensignals gemessen wird.
Es ist wohl bekannt, dass die unter Verwendung des Satellitensignals gemessene Entfernung einen Fehler aufweist, beispielsweise aufgrund einer Satellitentaktstabilität, eines Ephemeridenvorhersagefehlers, einer ionospherischen Verzögerung, einer troposphärischen Verzögerung und anderer Fehlerquellen. Daher wird die unter Verwendung des Satellitensignals gemessene Entfernung als Pseudoentfernung bezeichnet.
Weiter berechnet der GPS-Empfänger einen Auswertungswert zum Auswerten der Genauigkeit der GPS-Position in Echtzeit. Im allgemeinen wird 2DRMS (2 × Distance Root Mean Square = 2 × effektiver Abstand), d.h. ein 2σ-Wert (2 × Standardabweichung) des Horizontalfehlers in der GPS-Position als Auswertungswert verwendet. Typischerweise ist 2DRMS ein Radius eines Kreises, der 95% aller möglichen GPS-Positionen enthält.
Herkömmlicherweise ist 2DRMS definiert durch die Gleichung (1): 2DRMS = 2·HDOP·σUERE (1),wobei HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung ist und σ_UERE (user equivalent range error = benutzeräquivalenter Entfernungsfehler) ein quadratischer Mittelwert jedes 1σ-Fehlers ist, der in der oben beschriebenen gemessenen Pseudoentfernung enthalten ist. Typischerweise ist σ_UERE eine Konstante, beispielsweise 8,0 m.
Die DOP (Dilution Of Precision = Genauigkeitsabschwächung) ist ein Faktor, um einen Fehler in der Pseudoentfernung auf einen Fehler in der GPS-Position zu beziehen. DOP ändert sich entsprechend der Satellitengeometrie.
Im allgemeinen wird in dem GPS-Empfänger oder dem Navigationssystem ein Kalman-Filter verwendet, das in der Technik wohlbekannt ist. Eine Veröffentlichung "Understanding GPS: principles and applications", ED. Kaplan ed., Artech House, 1996, beschreibt die Verwendung des Kalman-Filters in dem GPS-Empfänger und die Berechnung des HDOP und des herkömmlichen 2DRMS, und seine Lehren sind hier durch Bezugnahme eingeschlossen.
Unter Behandlung der GPS-Lösung als dynamisches System berechnet das Kalman-Filter eine Abschätzung der GPS-Lösung und eine Fehlerkovarianzmatrix der Abschätzung. In dem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters wird auf die Abschätzung und die Fehlerkovarianzmatrix der Abschätzung, die in der früheren Abschätzung gewonnen wurden, in der darauffolgenden Abschätzung Bezug genommen.
Die mathematischen Verfahren des Kalman-Filters enthalten das provisorische Abschätzen eines Systemzustands auf der Grundlage einer Zustandsgleichung zum Gewinnen einer provisorischen Abschätzung und das Aktualisieren des abgeschätzten Systemzustands (der Abschätzung) unter Verwendung einer Differenz zwischen einem Messwert (einer GPS-Lösung) und der provisorischen Abschätzung.
Der Aktualisierungsvorgang für ein einfaches Modell ist durch die Gleichung (2) angegeben: X(t) = x(t) + K(t)[Y(t) – x(t)] (2),wobei X(t) die Abschätzung ist, x(t) die provisorische Abschätzung ist, Y(t) der Messwert ist und K(t) eine Kalman-Verstärkung ist.
Das Folgende ist ein Beispiel für einen Rechenvorgang in dem GPS-Empfänger. Der GPS-Empfänger führt zunächst die GPS-Messung unter Verwendung des Kalman-Filters durch. Als nächstes wird HDOP berechnet auf der Grundlage einer Geometrie der in der GPS-Messung verwendeten GPS-Satelliten, und 2DRMS wird entsprechend der Gleichung (1) berechnet. Dann werden die GPS-Lösung und 2DRMS von dem GPS-Empfänger als Teil einer GPS-Nachricht ausgegeben. Diese GPS-Nachricht wird von dem Naviga tionssystem, das als Host für den GPS-Empfänger wirkt, empfangen und verwendet. In dem Navigationssystem führt eine CPU (Central Processing Unit = zentrale Verarbeitungseinheit), die ein Navigationsanwendungsprogramm ausführt, eine Abschätzung eines Orts eines Fahrzeugs durch unter Verwendung sowohl der GPS-Lösung als auch eines Ergebnisses einer Koppelnavigation (einer DR-Lösung, DR = dead reckoning), die auf Grundlage von Signalen berechnet wird, die von Koppelnavigationssensoren ausgegeben werden. Diese Signale von den Koppelnavigationssensoren umfassen beispielsweise ein Kreiselausgangssignal, ein Geschwindigkeitspulssignal und ein Rückwärtssignal.
Das folgende ist ein Beispiel für einen Ablauf des Navigationsanwendungsprogramms. Anfänglich werden die GPS-Lösung und 2DRMS von dem GPS-Empfänger zu der CPU in dem Navigationssystem übertragen. Dann werden die von den Koppelnavigationssensoren ausgegebenen Signale empfangen, und die DR-Lösung wird von der CPU berechnet. Es wird auch ein Auswertungswert berechnet, der einen in der DR-Lösung enthaltenen Fehler angibt.
Durch Durchführen eines Vergleichs zwischen dem Auswertungswert der DR-Lösung und 2DRMS wählt die CPU die GPS-Lösung oder die DR-Lösung als Ort des Fahrzeugs. Schließlich wird der gemäß dem oben beschriebenen Ablauf ausgewählten Ort unter Verwendung einer Kartenanpassung (map-matching) kompensiert.
Somit spielt 2DRMS eine wichtige Rolle beim Vermeiden eines unerwünschten Effekts von dem in der DR-Lösung und/oder der GPS-Lösung enthaltenen Fehlers und beim Gewinnen des Orts des Fahrzeugs mit hoher Genauigkeit.
Es kann jedoch ein Fall auftreten, in dem 2DRMS auf der Grundlage der herkömmlichen Definition, die in Gleichung (1) ausge drückt ist, diskrete Datenwerte annimmt, weil das zur Berechnung von 2DRMS verwendete HDOP abhängig von einer augenblicklichen GPS-Satellitengeometrie schwankt. Da sich insbesondere bei dem Empfangen des GPS-Signals an einer Mobilstation (d.h. einem Fahrzeug) die Geometrie der verfügbaren Satelliten, von denen GPS-Signale empfangen werden können, von Augenblick zu Augenblick ändert, wird eine Korrelation von 2DRMS, das auf der Grundlage der herkömmlichen Definition berechnet wird, mit Hinblick auf die Zeit schwach.
Eine Komplikation ergibt sich aus einer solchen Natur von 2DRMS wie folgt: 1 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen 2DRMS auf der Grundlage der herkömmlichen Definition und einem wirklichen in der GPS-Lösung enthaltenen Fehler 61 zeigt.
In 1 stellt eine relativ lange Zeitspanne bis zu t0 einen Zustand dar, in dem der GPS-Empfänger keine GPS-Signale empfangen kann, beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass das Fahrzeug, das mit dem GPS-Empfänger ausgerüstet ist, durch einen Tunnel fährt. Im folgenden wird dieser Zustand als "Nicht-GPS-Messzustand" bezeichnet.
Zum Zeitpunkt t0 wird es möglich, eine Mehrzahl von GPS-Signalen zu empfangen (d.h. eine Mehrzahl von GPS-Satelliten zu benutzen), die zum Durchführen der GPS-Messung erforderlich sind, und der GPS-Empfänger erhält Navigationsdaten wie z.B. Ephemeriden. Der GPS-Empfänger beginnt bei t0, die GPS-Messung durchzuführen. Im folgenden wird dieser Zustand, in dem die GPS-Signale empfangen werden können, als "GPS-Messzustand" bezeichnet.
1 zeigt also den Verlauf von 2DRMS und des wirklichen Fehlers 61 der GPS-Lösung über der Zeit, nachdem der GPS-Empfänger aus dem Nicht-GPS-Messzustand in den GPS-Messzustand übergeht.
Da das Kalman-Filter zum Zeitpunkt t0 keine historischen Daten (vergangene GPS-Lösungen) hat, wird der in der von dem GPS-Empfänger ausgegebenen GPS-Lösung enthaltene wirkliche Fehler (d.h. die Abschätzung des Kalman-Filters) wie in 1 dargestellt relativ groß. Dann konvergiert das Kalman-Filter die Abschätzung mit Fortschreiten der Zeit auf einen wirklichen Ort des Fahrzeugs. Wenn die Abschätzung konvergiert, steigt die Genauigkeit der Abschätzung. Dementsprechend sinkt der in der Abschätzung enthaltene wirkliche Fehler 61.
2DRMS kann zum Zeitpunkt t0 zu Beginn des GPS-Messzustands einen geringen Wert annehmen, weil 2DRMS eine Variable ist, die nur von einer augenblicklichen GPS-Satellitengeometrie abhängt. Der wirkliche Fehler 61 fällt zu einem Zeitpunkt t1 unter 2DRMS.
Wenn man berücksichtigt, dass das Navigationssystem während einer Zeitspanne t0–t1, in der 2DRMS kleiner ist als der wirkliche Fehler 61 (d.h. 2DRMS gibt nicht den wirklichen Fehler 61 während der Zeitspanne t0–t1 wieder), die oben beschriebene Auswahl führt, (d.h. das Navigationssystem wählt die GPS-Lösung oder die DR-Lösung durch Vergleichen des Auswertungswertes der DR-Lösung mit 2DRMS), kann in diesem Fall die GPS-Lösung als Ort des Fahrzeugs verwendet werden, auch wenn die wirkliche Genauigkeit der DR-Lösung größer ist als die wirkliche Genauigkeit der GPS-Lösung, weil 2DRMS kleiner als der Auswertungswert der DR-Lösung ist.
Eine solche falsche Auswahl bewirkt ein zufälliges Springen eines Ortes eines Fahrzeugs, der auf einer Karte dargestellt wird, die auf einem Beobachtungsschirm des Navigationssystems angezeigt wird.
Die EP-A-0 629 877 beschreibt ein Fahrzeugnachverfolgungssystem zum Bestimmen der Position eines Fahrzeugs, das einen Koppelnavigationsmechanismus (DR) mit einem Kurssensor und einem Abstandssensor sowie einen globalen Positionsbestimmungssystemmechanismus (GPS) enthält. Das System enthält weiter einen Einstellmechanismus, der mit dem DR-Mechanismus und dem GPS-Mittel verbunden ist, wobei die Einstellung unter Verwendung des GPS-Mechanismus arbeitet, um die Genauigkeit der von dem DR-Mechanismus berechneten Position zu verbessern. Der GPS-Mechanismus gibt periodisch eine Positionsangabe sowie eine Genauigkeitsabschwächungsangabe aus. Die durch DR bestimmte Position wird von der durch GPS bestimmten subtrahiert, und das Ergebnis wird zusammen mit der Genauigkeitsabschwächungsanzeige einem Kalman-Filter zugeführt.
Ein GPS-Empfänger oder ein Navigationssystem, das in der Lage ist, einen genauen Auswertungswert bereitzustellen, der unter allen Bedingungen einen in der GPS-Lösung enthaltenen wirklichen Fehler wiedergibt, ist gefordert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen GPS-Empfänger bzw. ein Navigationssystem bereitzustellen, die in der Lage sind, einen genauen Auswertungswert zu berechnen, der einen in der GPS-Lösung enthaltenen wirklichen Fehler genau widerspiegelt. Eine weitere Ausgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Berechnungsverfahren zum Gewinnen des genauen Auswertungswerts bereitzustellen, der einen in der GPS-Lösung enthaltenen wirklichen Fehler genau widerspiegelt.
Zu dem obigen Ziel ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein GPS-Empfänger bereitgestellt, der versehen ist mit: einem GPS-Messsystem, das zum Gewinnen einer GPS-Lösung eine GPS-Messung durchführt; einem Rechensystem, das Auswertungswerte zum Auswerten von Fehlern liefert, die in der durch die GPS-Messung gewonnenen GPS-Lösung enthalten sind, wobei das Rechensystem den Auswertungswert so berechnet, dass eine Konvergenzbedingung des Kalman-Filters sich in dem Auswertungswert widerspiegelt.
Vorzugsweise berechnet das Rechensystem 2DRMS als Auswertungswert gemäß einer Gleichung:
wobei σH_Kalman eine Horizontalkomponente eines Abschätzfehlers darstellt, die aus einer Diagonalen in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen wird, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird, HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung darstellt und σ_UERE einen benutzerabhängigen Entfernungsfehler darstellt. Da 2DRMS ein Quadratsummenwurzelwert von σH_Kalman und HDOP × σ_UERE ist, kann ein Wert von σH_Kalman in 2DRMS wiedergegeben werden. Da weiter σH_Kalman einen vergangenen Systemzustand der GPS-Lösung widerspiegelt, kann der vergangene Systemzustand in 2DRMS widergespiegelt werden. Dementsprechend kann ein in der GPS-Lösung enthaltener wirklicher Fehler unter allen Bedingungen in 2DRMS widergespiegelt werden.
Vorzugsweise ist das GPS-Messsystem als integrierendes System ausgebildet, das eine integrierte Positionsbestimmung durch führt, die eine integrierte Prozedur aus einer GPS-Messung und einer Koppenavigationspositionsbestimmung ist, um unter Verwendung des Kalman-Filters eine integrierte Lösung als GPS-Lösung zu gewinnen, und ein Rechensystem, das 2DRMS, das ein Auswertungswert zum Auswerten eines Fehlers ist, der in der durch die integrierte Positionsbestimmung gewonnenen integrierten Lösung enthalten ist, gemäß einer ersten Gleichung berechnet:
wobei σH_Kalman eine Horizontalkomponente eines Abschätzfehlers darstellt, die aus einer Diagonalen in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen wird, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird, HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung darstellt und σ_UERE einen benutzerabhängigen Entfernungsfehler darstellt. Da 2DRMS ein Quadratsummenwurzelwert von σH_Kalman und HDOP × σ_UERE ist, kann ein Wert von σ_UERE sich in 2DRMS widerspiegeln. Da weiterhin σH_Kalman einen vergangenen Zustand der integrierten Lösung widerspiegelt, kann sich der vergangene Systemzustand in 2DRMS widerspiegeln. Dementsprechend kann sich ein in der integrierten Lösung enthaltener wirklicher Fehler unter allen Bedingungen in 2DRMS widerspiegeln.
Vorzugsweise kann das Rechensystem 2DRMS, wenn der GPS-Empfänger sich in einem Zustand befindet, in dem GPS-Signale nicht empfangen werden können, 2DRMS berechnen entsprechend einer zweiten Gleichung:
wobei LastHDOP das HDOP anzeigt, das zu einer Zeit berechnet wurde, bevor der GPS-Empfänger sich in dem Zustand befand.
Vorzugsweise berechnet das integrierende System die integrierten Lösungen nur auf der Grundlage der Koppelnavigation, wenn der GPS-Empfänger sich in dem Zustand befindet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Navigationssystem bereitgestellt, das mit einem GPS-Messsystem versehen ist. Das Navigationssystem ist weiter mit einem Positionsabschätzungssystem versehen, das Positionen auf der Grundlage von 2DRMS und der von der GPS-Messung gewonnenen GPS-Lösung abschätzt. Da σH_Kalman einen vergangenen Systemzustand der GPS-Lösung widerspiegelt, kann sich der vergangene Systemzustand in 2DRMS widerspiegeln. Dementsprechend kann sich ein in der GPS-Lösung enthaltender wirklicher Fehler unter allen Bedingungen in 2DRMS widerspiegeln. Die Genauigkeit der von dem Abschätzungssystem abgeschätzten Positionen kann verbessert werden, weil das Positionsabschätzungssystem die Positionen unter Verwendung von 2DRMS und der GPS-Lösung abschätzt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Berechnen von 2DRMS in einem GPS-Empfänger bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Berechnen von 2DRMS entsprechend einer ersten Gleichung:
wobei σH_Kalman eine Horizontalkomponente eines Abschätzfehlers darstellt, die aus einer Diagonalen in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen wird, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird, HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung darstellt und σ_UERE einen benutzerab hängigen Entfernungsfehler darstellt. Da 2DRMS ein Quadratsummenwurzelwert aus σH_Kalman und HDOP × σ_UERE ist, kann sich ein Wert von σH_Kalman in 2DRMS widerspiegeln. Da σH_Kalman weiter einen vergangenen Systemzustand der von der GPS-Messung in dem GPS-Empfänger gewonnenen GPS-Lösung widerspiegelt, kann sich der vergangene Systemzustand in 2DRMS widerspiegeln. Demzufolge kann sich ein in der GPS-Lösung enthaltener wirklicher Fehler unter allen Bedingungen in 2DRMS widerspiegeln.
Vorzugsweise enthält der Berechnungsschritt das Berechnen von 2DRMS, wenn der GPS-Empfänger sich in einem Zustand befindet, in dem GPS-Signale nicht empfangen werden können, gemäß einer zweiten Gleichung:
wobei LastHDOP das HDOP darstellt, das zu einer Zeit berechnet wurde, bevor der GPS-Empfänger in den Zustand eintritt.
Die Erfindung wird klarer verstanden werden aus der folgenden Beschreibung, die nur als Beispiel gegeben wird, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen 2DRMS auf der Grundlage einer herkömmlichen Definition und einem in GPS-Lösungen enthaltenen wirklichen Fehler zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines Fahrzeugnavigationssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Flussdiagramm eines Rechenvorgangs in einem GPS-Empfänger gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Flussdiagramm eines Navigationsanwendungsprogramms zeigt, das von einer CPU in einem Navigationssystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
5 den Verlauf von 2DRMS und einem wirklichen Fehler über der Zeit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Blockdiagramm eines Fahrzeugnavigationssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7A den Verlauf von σH_Kalman zeigt, das von einem GPS-Empfänger gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung berechnet wird;
7B den Verlauf von HDOP zeigt, das zum Berechnen von 2DRMS gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
7C den Verlauf von 2DRMS zeigt, das von dem GPS-Empfänger gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung berechnet wird;
8 ein Graph ist, der konzeptuell eine Beziehung zwischen 2DRMS und einem wirklichen Fehler in integrierten Lösungen gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
9 ein Flussdiagramm eines Rechenvorgangs zeigt, der in einer Recheneinheit in dem GPS-Empfänger gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Fahrzeugnavigationssystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sei angemerkt, in 2 dass zur Vereinfachung nur die Elemente unter allen Elementen des Fahrzeugnavigationssystems 10 dargestellt sind, die sich auf die GPS-Messung und die Koppelnavigation beziehen.
Wie in 2 dargestellt ist das Navigationssystem 10 mit einem GPS-Empfänger 11 versehen. Der GPS-Empfänger 11 ist versehen mit einer HF-Einheit 12 (Hochfrequenz), die ein von einer Antenne 8 aufgenommenes GPS-Signal durch Mischen eines Signals von einem Lokaloszillator 13 mit dem GPS-Signal auf eine niedrigere Zwischenfrequenz abwärts wandelt. Die HF-Einheit 12 ist mit einer Recheneinheit 14 verbunden, die die GPS-Messung unter Verwendung des Kalman-Filters durchführt. Der GPS-Empfänger 15 ist mit einer NAVI_CPU 1 verbunden, die eine CPU (Central Processing Unit = zentrale Verarbeitungseinheit) ist, auf der ein Navigationsanwendungsprogramm ausgeführt wird.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Berechnungsvorgangs in dem GPS-Empfänger 11. Berechnungsvorgang in 3 wird beispielsweise in einem Zyklus von einer Sekunde wiederholt.
Anfänglich führt die Recheneinheit 14 die GPS-Messung unter Verwendung des Kalman-Filters durch (S201). Als nächstes berechnet die Recheneinheit 14 σH_Kalman (S202).
Einem Fachmann ist bekannt, dass σH_Kalman, eine Horizontalkomponente (eine Breiten-Längen-Richtung) eines Fehlers in der Abschätzung des Kalman-Filters, aus einer Diagonale in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen werden kann, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird.
In Schritt S203 wird HDOP berechnet auf der Grundlage einer Geometrie der in der GPS-Messung in Schritt S201 verwendeten GPS-Satelliten.
In Schritt S204 wird unter Verwendung des in Schritt S202 berechneten σH_Kalman, des in S203 berechneten HDOP und σ_UERE 2DRMS berechnet mit der Gleichung (3).
wobei σ_UERE eine vorbestimmte Konstante ist. 2DRMS ist ein RSS-Wert (root sum square = Quadratsummenwurzel) aus σH_Kalman und HDOP × σ_UERE.
Aufgrund einer Natur des mathematischen Verfahrens des Kalman-Filters spiegelt σH_Kalman einen vergangenen Systemzustand der GPS-Lösung wider, die als dynamisches System behandelt wird. Dementsprechend kann 2DRMS gemäß der Gleichung (3) einen vergangenen Systemzustand der GPS-Lösung widerspiegeln durch Widerspiegeln eines Parameters HDOP × σ_UERE.
In Schritt S205 werden die in Schritt S201 gewonnene GPS-Lösung und das in Schritt S204 gewonnene genaue 2DRMS von dem GPS-Empfänger an die NAVI_CPU 1 übertragen.
Ein Kreisel 3 gibt eine Gleichspannung aus, die einer Winkelgeschwindigkeit in einer Drehrichtung eines Fahrzeugs entspricht, in dem das Fahrzeugnavigationssystem 10 eingebaut ist. Ein Filter/AD-Wandler 4 entfernt Rauschen von dem von dem Kreisel 3 eingegebenen Signal, und dann wandelt der Filter/AD-Wandler 4 das Signal von dem Kreisel 3 in ein digitales Signal um. Das von dem Filter/AD-Wandler 4 ausgegebene digitale Signal wird in die NAVI_CPU 1 gegeben.
Ein Geschwindigkeitspulssignal 5, das von einem (nicht gezeigten) Geschwindigkeitssensor übertragen wird, weist eine Frequenz entsprechend einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf. Ein Filter/Zähler 6 entfernt Rauschen von dem Geschwindigkeitspulssignal 5, und dann zählt der Filter/Zähler 6 die Anzahl von Pulsen des Geschwindigkeitspulssignals 5. Die von dem Filter/Zähler 6 gewonnene gezählte Anzahl wird der NAVI_CPU 1 eingegeben.
Ein Rückwärtssignal 7 zeigt an, ob sich das Fahrzeug nach vorne oder nach hinten bewegt. Das Rückwärtssignal 7 wird ebenfalls der NAVI_CPU 1 eingegeben.
4 zeigt ein Flussdiagramm des Navigationsanwendungsprogramms, das von der NAVI_CPU 1 ausgeführt wird. Der in 4 gezeigte Vorgang wird beispielsweise in einem Zyklus von einer Sekunde wiederholt.
Wie in 4 dargestellt, werden anfänglich die GPS-Lösung und 2DRMS von dem GPS-Empfänger 11 zu der NAVI_CPU 1 übertra gen (S301). Dann werden Koppelnavigationssensorsignale (ein Signal von dem Kreisel 3, das Geschwindigkeitspulssignal und das Rückwärtssignal) empfangen (S302), und die DR-Lösung wird berechnet (S303). Als nächstes wird ein Auswertungswert bestimmt, der einen in der DR-Lösung enthaltenen Fehler angibt (S304).
In Schritt S305 vergleicht die NAVI_CPU 1 den Auswertungswert der DR-Lösung mit 2DRMS. Wenn 2DRMS kleiner ist als der Auswertungswert der DR-Lösung, d.h. die GPS-Lösung genauer ist als die DR-Lösung (S305:Ja), wird die GPS-Lösung als Ort des Fahrzeugs ausgewählt (S306). Wenn der Auswertungswert der DR-Lösung kleiner oder gleich 2DRMS ist, d.h. die DR-Lösung genauer ist als die GPS-Lösung (S305:Nein), wird die DR-Lösung als Ort des Fahrzeugs ausgewählt (S307).
In Schritt S308 wird der in Schritt S306 oder in Schritt S307 ausgewählte Ort unter Verwendung einer Kartenanpassung kompensiert. Bei der Kartenanpassung werden Kartendaten verwendet, die aus einer (nicht dargestellten) Kartendatenbank gelesen werden.
Somit wird der Ort des Fahrzeugs (ein Endergebnis des Verfahrens des Navigationsanwendungsprogramms) gewonnen (S309).
Es sei angemerkt, dass Funktionen, beispielsweise eine Routensuche, die von einem allgemeinen Fahrzeugnavigationssystem benötigt werden, ebenfalls durch die NAVI_CPU 1 ausgeführt werden.
Die NAVI_CPU 1 kann 2DRMS entsprechend der Gleichung (3) in Schritt S305 verwenden. Dementsprechend verwendet die NAVI_CPU 1 einen gegenüber dem herkömmlichen Auswertungswert (d.h. 2DRMS entsprechend der Gleichung (1)) besser geeigneten Auswertungswert, der exakt einen wirklichen Fehler widerspiegelt, der in der von dem GPS-Empfänger 11 eingegebenen GPS-Lösung enthalten ist.
In diesem Fall wird der Vergleich im Schritt S305 geeignet durchgeführt. Daher ist die Genauigkeit des in Schritt S309 gewonnenen Endergebnisses erhöht.
5 zeigt den Verlauf von 2DRMS gemäß der Gleichung (3) und eines wirklichen Fehlers in der GPS-Lösung über der Zeit. Wie im Fall von 1 stellt eine relativ lange Zeitspanne bis zu t0 einen Zustand dar, in dem der GPS-Empfänger 11 keine GPS-Signale empfangen kann, und es wird möglich, eine Mehrzahl von GPS-Signalen zu empfangen (d.h. eine Mehrzahl von GPS-Satelliten zu benutzen), die zum Durchführen der GPS-Messung erforderlich sind. Der GPS-Empfänger 11 erhält die Navigationsdaten wie z.B. die Ephemeriden und beginnt zum Zeitpunkt t0, die GPS-Messung durchzuführen.
Wie in 5 dargestellt kann 2DRMS zu dem Zeitpunkt t0, wenn die GPS-Messung beginnt, einen hohen Wert annehmen. Das ist auf die Tatsache gegründet, dass eine Konvergenzbedingung der Abschätzung des Kalman-Filters unter Umständen verschlechtert ist, in denen der Nicht-GPS-Messzustand für eine relativ lange Zeitspanne bis zu t0 angedauert hat, und dass die verschlechterte Konvergenzbedingung durch σH_Kalman in 2DRMS sich widerspiegelt.
Während 2DRMS bei t0 einen hohen Wert annimmt, der den wirklichen Fehler in der GPS-Lösung widerspiegelt, konvergiert 2DRMS dementsprechend unmittelbar mit Ablauf der Zeit auf einen niedrigen Wert in Verbindung mit dem Konvergieren der Abschät zung des Kalman-Filters. 2DRMS nimmt keine niedrigeren Werte an als der wirkliche Fehler 61, und somit tritt die Situation, in der das herkömmliche 2DRMS während der in 1 gezeigten Zeitspanne t0–t1 einen niedrigeren Wert annimmt als der wirkliche Fehler 61, nicht auf. Dementsprechend wird verhindert, dass die NAVI_CPU 1 die GPS-Lösung wählt, obwohl die Genauigkeit der DR-Lösung genauer ist als die GPS-Lösung.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Fahrzeugnavigationssystems 20. In 6 haben Elemente mit denselben Funktionen wie die in 2 gezeigten Elemente dieselben Bezugszeichen wie die Elemente in 2. Es sei angemerkt, dass die Ausgabe des Kreisels 3, das Geschwindigkeitspulssignal 5 und das Rückwärtssignal 7 einem GPS-Empfänger 21 eingegeben werden.
In dem GPS-Empfänger 21 führt die Recheneinheit 22 eine integrierte Positionsbestimmung durch, die eine integrierte Prozedur aus der GPS-Messung und der DR-Positionsbestimmung ist. Die Veröffentlichung "Understanding GPS: principles and applications" beschreibt die integrierte Positionsbestimmung, und ihre Lehren sind hier durch Bezugnahme eingeschlossen. In einem Beispiel der integrierten Positionsbestimmung werden eine Geschwindigkeit und eine Winkelgeschwindigkeit, die von der DR-Positionsbestimmung gewonnen werden, dem Kalman-Filter eingegeben, und eine integrierte Lösung wird berechnet.
Die integrierte Lösung wird von der Recheneinheit 22 zu einer NAVI_CPU 25 übertragen, die eine CPU ist, auf der ein Navigationsanwendungsprogramm ausgeführt wird.
Die Recheneinheit 22 berechnet die integrierte Lösung durch Durchführen der integrierten Positionsbestimmung, wenn die GPS-Messung durchgeführt werden kann, während die Recheneinheit 22 die Lösung durch Durchführen der DR-Positionsbestimmung berechnet, wenn die GPS-Messung nicht durchgeführt werden kann, beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass das Fahrzeug, das mit dem Fahrzeugnavigationssystem 20 ausgerüstet ist, durch einen Tunnel fährt oder in die unmittelbare Fläche eines Gehäuses fährt.
Im folgenden werden ein Zustand, in dem sowohl die GPS-Messung als auch die DR-Positionsbestimmung durchgeführt werden kann, als "DR+GPS-Zustand" bezeichnet und ein Zustand, in dem nur die DR-Positionsbestimmung durchgeführt werden kann, wird als "Nur-DR-Zustand" bezeichnet.
In dem Positionsbestimmungszustand des DR+GPS-Zustands berechnet die Recheneinheit 22 σH_Kalman und HDOP und gibt die integrierte Lösung und 2DRMS aus. Es sei angemerkt, dass das von der Recheneinheit 22 berechnete σH_Kalman einen Horizontalfehler angibt, der in der integrierten Lösung enthalten ist, die sowohl die GPS-Lösung als auch die DR-Lösung widerspiegelt.
In dem Nur-DR-Zustand kann der GPS-Empfänger 21 das GPS-Signal nicht empfangen, wodurch die Recheneinheit 22 HDOP nicht berechnen kann. In diesem Fall berechnet die Recheneinheit 22 unter der Verwendung von "Last HDOP", was das letzte HDOP war, bevor der GPS-Empfänger in den Nur-DR-Zustand übergeht, 2DRMS entsprechend der Gleichung (4).
7A–C zeigt Verläufe von σH_Kalman (7A), HDOP (7B), und dem durch die Gleichung (4) definierten 2DRMS (7C) in einem Fall, in dem der GPS-Empfänger 21 bei T1 von dem DR+GPS-Zustand in den Nur-DR-Zustand übergeht und bei T2 wieder in den DR+GPS-Zustand übergeht.
Wie in 7A dargestellt, sinkt σH_Kalman mit dem Ablauf der Zeit während der Zeitspanne bis T1. 2DRMS sinkt ebenfalls mit dem Ablauf der Zeit während der Zeitspanne bis zu T1, in der σH_Kalman sinkt (7C).
In dem Nur-DR-Zustand während der Zeitspanne T1–T2 wird ein in der DR-Lösung enthaltener Fehler (d.h. ein Fehler in dem Ausgangssignal des Koppelnavigationssensors) in der Abschätzung des Kalman-Filters angesammelt, weil die GPS-Lösung nicht gewonnen werden kann und die DR-Lösung daher nicht kalibriert werden kann. Demzufolge steigt 2DRMS allmählich wie in 7C dargestellt. In dem Nur-DR-Zustand wird das HDOP zum Zeitpunkt T1 (d.h. LastHDOP) wie in 7B dargestellt verwendet, um das oben beschriebene 2DRMS zu berechnen.
Der GPS-Empfänger 21 geht zum Zeitpunkt T2 in den DR+GPS-Zustand über. Nachdem der GPS-Empfänger 21 zum Zeitpunkt T2 in den DR+GPS-Zustand übergegangen ist, sinkt σH_Kalman allmählich, weil die GPS-Messung wieder beginnt (7A). Auch 2DRMS sinkt allmählich, wenn σH_Kalman sinkt (7C).
8 ist ein Graph, der konzeptuell eine Beziehung zwischen 2DRMS und einem wirklichen Fehler in der integrierten Lösung zeigt. Wie im Fall von 7A–C arbeitet der GPS-Empfänger 21 innerhalb einer Zeitspanne bis zu T1 in dem DR+GPS-Zustand, innerhalb einer Zeitspanne T1–T2 arbeitet der GPS-Empfänger 21 in dem Nur-DR-Zustand, und innerhalb einer Zeitspanne von T2 an arbeitet der GPS-Empfänger 21 in dem DR+GPS-Zustand.
Wie in 8 dargestellt spiegelt 2DRMS den wirklichen Fehler in der integrierten Lösung sowohl in dem DR+GPS-Zustand als auch in dem Nur-DR-Zustand wider.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Berechnungsvorgangs, der von der Recheneinheit 22 in dem GPS-Empfänger 21 durchgeführt wird. Der in 9 gezeigte Berechnungsvorgang wird beispielsweise in einem Zyklus von einer Sekunde wiederholt.
Anfänglich berechnet die Recheneinheit 22 die integrierte Lösung unter Verwendung des Kalman-Filters (S801). In Schritt S802 berechnet die Recheneinheit 22 σH_Kalman aus einer Diagonalen in der Fehlerkovarianzmatrix, die in dem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird. HDOP wird ebenfalls bestimmt auf der Grundlage einer Geometrie der GPS-Satelliten, die für die GPS-Messung in Schritt S801 verwendet wurden.
In Schritt S803 stellt die Recheneinheit 22 fest, ob der GPS-Empfänger 21 sich in dem DR+GPS-Zustand oder in dem Nur-DR-Zustand befindet durch Ermitteln, ob das GPS-Signal empfangen werden kann oder nicht. Wenn sich der GPS-Empfänger 21 in dem Nur-DR-Zustand befindet (S803:Ja), wird 2DRMS in Schritt S805 entsprechend der Gleichung (4) berechnet.
Wenn festgestellt wird, dass sich der GPS-Empfänger 21 in dem DR+GPS-Zustand befindet (S803:Nein), geht der Vorgang zu Schritt S804 vor. In Schritt S804 ordnet die Recheneinheit 22 LastHDOP einen Wert von HDOP zu, der in Schritt S802 berechnet wurde. In Schritt S805 wird 2DRMS entsprechend der Gleichung (4) berechnet.
In Schritt S806 werden das in Schritt S805 berechnete 2DRMS und die in Schritt S801 berechnete integrierte Lösung von der Recheneinheit 22 ausgegeben. 2DRMS und die integrierte Lösung von der Recheneinheit 22 werden der NAVI_CPU 25 eingegeben.
In dem Fahrzeugnavigationssystem 20 wird ein Navigationsanwendungsprogramm, das einen Ort eines mit dem Fahrzeugnavigationssystem 20 ausgerüsteten Fahrzeugs abschätzt, von der NAVI_CPU 25 ausgeführt. Funktionen, beispielsweise eine Routensuche, die von einem allgemeinen Fahrzeugnavigationssystem benötigt werden, werden ebenfalls von der NAVI_CPU 25 durchgeführt.
Das Navigationsanwendungsprogramm schätzt einen Ort des Fahrzeugs unter Verwendung der integrierten Lösungen, des 2DRMS und eines Ergebnisses der Kartenanpassung ab. Durch Kompensieren der integrierten Lösung unter Verwendung von Kartendaten, die aus einer (in 6 nicht dargestellten) Kartendatenbank gelesen werden, wird das Ergebnis der Kartenanpassung gewonnen.
Als nächstes wird ein Beispiel zum Abschätzen eines Orts des Fahrzeugs beschrieben, das von dem Navigationsanwendungsprogramm in dem Navigationssystem 20 durchgeführt wird.
Es sei angenommen, dass das mit dem Fahrzeugnavigationssystem 20 ausgerüstete Fahrzeug sich einer Gabelung nähert, die sich in einen Weg A und einen Weg B aufteilt, und dass das Fahrzeug entlang des Wegs A fährt. Weiterhin sei angenommen, dass ein Ergebnis der Kartenanpassung anzeigt, dass das Fahrzeug sich auf dem Weg B befindet. Da die integrierte Lösung eine Position nahe dem Weg A anzeigt, bewegt sich die von der integrierten Lösung angezeigte Position im Lauf der Zeit weg von dem Weg B.
In diesem Fall verwendet die Recheneinheit 22 2DRMS als einen Auswertungswert zum Bestimmen, ob die Recheneinheit 22 die integrierte Lösung oder das Ergebnis der Kartenanpassung wählen sollte. Die Recheneinheit 22 wählt das Ergebnis der Kartenanpassung, wenn ein Unterschied zwischen der integrierten Lösung und dem Ergebnis der Kartenanpassung kleiner als 2DRMS ist. Die Recheneinheit 22 wählt die integrierte Lösung, wenn ein Unterschied zwischen der integrierten Lösung und dem Ergebnis der Kartenanpassung größer als 2DRMS ist.
Es sollte verstanden werden, dass 2DRMS, das durch die Gleichung (3) und die Gleichung (4) definiert ist, annähernd den in der integrierten Lösung enthaltenen wirklichen Fehler widerspiegelt, weil 2DRMS ein RSS-Wert aus σH_Kalman und HDOP × σ_UERE ist. Auch wenn sich beispielsweise HDOP aufgrund der Geometrie der GPS-Satelliten wesentlich verschlechtert, ist eine Auswirkung des verschlechterten HDOP auf 2DRMS relativ klein. Daher wird das falsche Ergebnis der Kartenanpassung (d.h. die Position auf dem Weg B nicht ausgewählt). Das bedeutet, dass ein Fehler der Kartenanpassung durch Verwenden von 2DRMS unmittelbar und zuverlässig korrigiert wird. Demzufolge ist die Genauigkeit des Endergebnisses des Verfahrens des Navigationsanwendungsprogramms erhöht.

Claims

Ein GPS-Empfänger mit einem GPS-Messsystem (11; 21), das eine GPS-Messung durchführt, zum Gewinnen einer GPS-Lösung unter Verwendung eines Kalman-Filters, und einem Rechensystem (14; 22), das Auswertungswerte zum Auswerten von Fehlern liefert, die in der durch die GPS-Messung gewonnenen GPS-Lösung enthalten sind, wobei das Rechensystem den Auswertungswert so berechnet, dass eine Konvergenzbedingung des Kalman-Filters sich in dem Auswertungswert widerspiegelt.
Ein GPS-Empfänger gemäß Anspruch 1, bei dem das Rechensystem (14; 22) 2DRMS als Auswertungswert berechnet gemäß einer Gleichung:
σ_{H_Kalman} eine Horizontalkomponente eines Abschätzfehlers darstellt, die aus einer Diagonalen in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen wird, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird, HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung darstellt und σ_UERE einen benutzerabhängigen Entfernungsfehler darstellt.
Ein GPS-Empfänger gemäß Anspruch 1, bei dem das GPS-Messsystem (21) als integrierendes System (21) ausgebildet ist, das eine integrierte Positionsbestimmung durchführt, die eine integrierte Prozedur aus einer GPS-Messung und einer Koppelnavigationspositionsbestimmung ist, zum Gewinnen einer integrierten Lösung als GPS-Lösung unter Verwendung des Kalman-Filters; und das Rechensystem (14; 22) 2DRMS als den Auswertungswert zum Auswerten eines Fehlers liefert, der in der durch die integrierte Positionsbestimmung gewonnenen integrierten Lösung enthalten ist, gemäß einer ersten Gleichung:
σ_{H_Kalman} eine Horizontalkomponente eines Abschätzfehlers darstellt, die aus einer Diagonalen in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen wird, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird, HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung darstellt und σ_UERE einen benutzerabhängigen Entfernungsfehler darstellt.
Der GPS-Empfänger gemäß Anspruch 3, bei dem das Rechensystem (14; 22), wenn der GPS-Empfänger sich in einem Zustand befindet, in dem GPS-Signale nicht empfangen werden können, 2DRMS berechnet gemäß einer zweiten Gleichung:
LastHDOP das HDOP darstellt, das zu einer Zeit berechnet wurde, bevor der GPS-Empfänger sich in dem besagten Zustand befand.
Der GPS-Empfänger gemäß Anspruch 4, bei dem das integrierende System die integrierten Lösungen lediglich auf der Grundlage der Koppelnavigation berechnet, wenn der GPS-Empfänger sich in dem besagten Zustand befindet
Ein Navigationssystem mit einem GPS-Empfänger (11; 21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem Positionsabschätzungssystem, das Positionen auf der Grundlage des Auswertungswerts und der GPS-Lösung abschätzt.
Ein Verfahren zum Berechnen von 2DRMS in einem GPS-Empfänger, wobei der GPS-Empfänger einen Kalman-Filter verwendet, mit dem Berechnen von 2DRMS gemäß einer ersten Gleichung:
δ_{H_Kalman} eine Horizontalkomponente eines Abschätzfehlers darstellt, die aus einer Diagonalen in einer Fehlerkovarianzmatrix gewonnen wird, die in einem mathematischen Verfahren des Kalman-Filters berechnet wird, HDOP eine horizontale Genauigkeitsabschwächung darstellt und σ_UERE einen benutzerabhängigen Entfernungsfehler darstellt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Berechnungsschritt das Berechnen von 2DRMS enthält, wenn der GPS-Empfänger sich in einem Zustand befindet, in dem GPS-Signale nicht empfangen werden können, gemäß einer zweiten Gleichung:
LastHDOP das HDOP darstellt, das zu einer Zeit berechnet wurde, bevor der GPS-Empfänger in den besagten Zustand überging.