DE102004049689A1

DE102004049689A1 - Navigationssystem und Verfahren zur Bestimmung der Position eines Fahrzeugs innerhalb eines dreidimensionalen Straßennetzes

Info

Publication number: DE102004049689A1
Application number: DE102004049689A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-04-13
Also published as: WO2006040233A1

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeugnavigationssystem mit Mitteln zur Bestimmung einer Fahrzeugposition durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation, Landkartendaten eines Straßennetzes, Mitteln zur Zuordnung der Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes und Mitteln zur Ausgabe von Fahrhinweisen anhand einer aktuellen Fahrzeugposition und einer berechneten Route vorgeschlagen, bei dem das Kraftfahrzeugnavigationssystem weiterhin Mittel zur Bestimmung einer relativen Änderung der geographischen Höhe während einer Fahrt enthält und die Zuordnung der Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes unter Heranziehung der Änderung der relativen Höhe oder einer daraus abgeleiteten absoluten geographischen Höhe erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugnavigationssystem mit Mitteln zur Bestimmung einer Fahrzeugposition durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation, Landkartendaten eines Straßennetzes, Mitteln zur Zuordnung einer Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes und Mitteln zur Ausgabe von Fahrhinweisen anhand einer aktuellen Fahrzeugposition und der berechneten Route. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kraftfahrzeugs innerhalb eines dreidimensionalen Straßennetzes.

Navigationssysteme und Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kraftfahrzeugs sind bekannt und werden kommerziell eingesetzt. Entsprechende Navigationssysteme werden beispielsweise von einem Tochterunternehmen der Patentanmelderin unter der Bezeichnung "VDO DAYTON" vertrieben. Bei diesen Navigationssystemen gibt der Benutzer den gewünschten Zielort über eine Eingabeeinrichtung ein oder wählt den Zielort aus einer Liste aus. Der Startort wird von den Systemen in der Regel automatisch bestimmt und zwar anhand von Signalen eines Satellitenortungssystems. Anhand von digitalen Landkartendaten erfolgt die Berechnung einer Route zwischen dem Startort und dem Zielort nach bekannten Rechenalgorithmen. Zur Bestimmung der stets aktuellen Fahrzeugposition während der Fahrt kann die Satellitennavigation herangezogen werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Fahrzeugposition durch Koppelnavigation bestimmt werden. Bei letzterer werden in bekannter Weise die zurückgelegte Fahrstrecke und Richtungsänderungen des Fahr zeugs ausgewertet. Eine durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation ermittelte Fahrzeugposition ist jedoch mit gewissen Fehlern behaftet, so dass die so ermittelte Fahrzeugposition nicht zwangsläufig auf einer Straße eines Straßennetzes liegt. Durch ein so genanntes Map-Matching-Verfahren wird der durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation ermittelten Fahrzeugposition daher eine Position auf einer Straße des Straßennetzes zugeordnet. Die entsprechenden Algorithmen sind erprobt und haben sich in der Praxis bewährt.

Dennoch kann es in der Praxis bei bestimmten Straßenverläufen zu Fehlern bei der Zuordnung der Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes kommen. Eine derartige Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn Straßen in verschiedenen Ebenen übereinander verlaufen. Bei herkömmlichen Fahrzeugnavigationssytemen, die lediglich eine zweidimensionale Positionsbestimmung aufweisen, kann in solch komplexen Straßennetzen die Fahrzeugposition nicht exakt bestimmt werden. Zur Verbesserung der Positionsbestimmung ist daher eine Information über die aktuelle Höhenlage des Fahrzeugs erforderlich. Diese kann grundsätzlich durch die Satellitennavigation bestimmt werden. Nachteilig ist dabei jedoch die recht geringe Genauigkeit. Insbesondere in Großstädten, in denen die zuvor geschilderten komplexen Straßennetze vorwiegend auftreten, kann der Empfang der Satellitennavigationssignale durch Abschattung behindert oder unmöglich sein.

Als eine Alternative zur Bestimmung der Höhenlage bietet sich der Einsatz eines barometrischen Höhenmessers an. Derartige Geräte sind jedoch teuer und hinsichtlich der nur geringen Höhenunterschiede von in verschiedenen Ebenen verlaufenden Straßen auch zu ungenau.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kraftfahrzeugnavigationssystem und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kraftfahrzeugs derart weiterzubilden, dass die Position eines Kraftfahrzeugs auf einer Straße auch bei in verschiedenen Ebenen verlaufenden Straßen bestimmt wird und die hierdurch verursachten Zusatzkosten jedoch gering gehalten werden.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kraftfahrzeugnavigationssystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Kraftfahrzeugnavigationssystem weiterhin Mittel zur Bestimmung einer relativen Änderung der geographischen Höhe während einer Fahrt enthält und die Zuordnung der Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes unter Heranziehung der Änderung der relativen Höhe oder einer daraus abgeleiteten absoluten geographischen Höhe erfolgt. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kraftfahrzeugs innerhalb eines dreidimensionalen Straßennetzes erfolgt die Auswertung von durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation erhaltenen zweidimensionalen Positionsdaten sowie durch Auswertung von relativen Änderungen der geographischen Höhe des Fahrzeugs während einer Fahrt, wobei die Änderung der geographischen Höhe anhand eines Fahrzeugzustands bestimmt wird.

Von dem Erfinder wurde erkannt, dass für den Einsatz in Fahrzeugnavigationssystemen die Bestimmung relativer Höhenlagen völlig ausreichend ist. Die Bestimmung einer absoluten Höhenlage ist nicht zwingend erforderlich. So ist es völlig ausreichend, wenn beispielsweise bekannt ist, dass das Fahrzeug zum gegenwärtigen Zeitpunkt 10 m höher fährt als vor 1 000 m oder einer Minute. Diese relative Höheninformation wird im Rahmen des Map-Matching verwendet, um das aktuell befahrene Straßensegment zu ermitteln.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass an mindestens einer Fahrzeugposition die ermittelte Änderung der relativen Höhe unter Verwendung einer absoluten geographischen Höhe kalibriert wird. Nach einer solchen Kalibrierung kann unter Verwendung der Information über die relative Höhenänderung der Fahrzeugposition stets auch die absolute geographische Höhe ermittelt werden.

Die Kalibrierung kann unter Verwendung von empfangenen Satellitennavigationsdaten durchgeführt werden. Insbesondere ist dann vorgesehen, dass die Kalibrierung nur dann durchgeführt wird, wenn die Qualität der empfangenen Satellitennavigationsdaten einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Bei ausreichend gutem Empfang der Satellitennavigationssignale, wie er beispielsweise außerhalb geschlossener Ortschaften bei geringer Abschattung auftritt, kann die Genauigkeit der aus den Satellitennavigationssignalen abgeleiteten Höheninformation hierfür ausreichend sein.

Zusätzlich oder alternativ kann die Kalibrierung auch unter Verwendung von absoluten Höhenangaben der Landkartendaten erfolgen. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise dann durchgeführt werden, wenn das Fahrzeug einen charakteristischen Punkt, wie zum Beispiel eine Kreuzung oder einen Abbiegepunkt erreicht. An einem Abbiegepunkt ist die Position des Fahrzeugs mit hoher Genauigkeit bekannt. Über die Höhenangabe in den Landkartendaten kann dann mit hoher Genauigkeit eine Kalibrierung der Höheninformation erfolgen.

Zur Bestimmung der relativen Änderung der Höhe kann ein Neigungswinkelsensor eingesetzt werden. Neigungswinkelsensoren sind vergleichsweise preiswert und dennoch für den vorgesehenen Zweck völlig ausreichend. Der Neigungswinkelsensor kann zusätzlich im Fahrzeug eingebaut werden. Alternativ ist jedoch die Mitbenutzung der Daten eines bereits für andere Fahrzeugkomponenten vorhandenen Neigungswinkelsensors möglich. Zu erwähnen sind insbesondere der Neigungswinkelsensor für eine Scheinwerferniveauregulierung oder eine Alarmanlage. Bei Verwendung eines Neigungswinkelsensors wird zur Bestimmung einer Veränderung der Höhenlage über eine bestimmte gefahrene Strecke der Sinus des Neigungswinkels über die gefahrene Strecke integriert. Die Länge der gefahrenen Strecke wird aus dem bereits im Fahrzeugnavigationssystem verwendeten Tachometer- oder Odometersignal ermittelt.

Außer durch ein Befahren von Steigungs- und/oder Gefällstrecken kann sich die Neigung des Kraftfahrzeugs auch durch Änderung der Beladung verändern. Änderungen der Neigungen des Kraftfahrzeugs durch Änderung der Beladung erfolgen jedoch ausschließlich bei Stillstand des Fahrzeugs. Änderungen des Ausgangssignals des Neigungswinkelsensors bei stehendem Fahrzeug können daher zur Verbesserung der Genauigkeit kompensiert werden.

Zur Bestimmung der relativen Höhenlage können jedoch auch andere Sensoren oder Sensorkombinationen eingesetzt werden, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann außer in einem Navigationssystem auch in anderen Systemen eingesetzt werden, die eine genaue Positionsbestimmung erfordern, insbesondere in einem System zur Mauterfassung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Navigationssystems.
Zentraler Bestandteil des Navigationssystems ist die Recheneinheit (CPU) 1, die auch die erforderlichen Speicherelemente enthält. Mit der CPU 1 ist eine Bedieneinheit 2 verbunden, über die beispielsweise der Zielort eingegeben oder ausgewählt werden kann. Die Bedieneinheit 2 kann im gleichen Gehäuse wie die CPU 1 untergebracht sein, jedoch kann die Bedieneinheit 2 auch als Fernbedienung ausgebildet sein, die mit der CPU 1 beispielsweise über eine optische Schnittstelle oder eine Funkschnittstelle in Verbindung steht.
Mit der CPU 1 ist eine optische Ausgabeeinheit 3 verbunden, über die eine Kartendatendarstellung und Zielführungsinformationen sowie sonstige Informationen ausgegeben werden können. Die Zielführungsinformationen können weiterhin über einen Lautsprecher 4 akustisch ausgegeben werden.
Die CPU 1 ist ferner mit einer Datenbank 5 verbunden, die die Landkartendaten enthält. Diese Daten sind beispielsweise auf einer CD-ROM oder einer DVD abgespeichert. In diesem Fall enthält das Navigationssystem ein CD-ROM oder ein DVD-Laufwerk, das mit der CPU 1 verbunden ist. Andere bekannte Speichermittel, wie eine Festplatte oder eine Speicherkarte, können ebenfalls zum Einsatz kommen.
Anhand der Landkartendaten kann von der CPU 1 bei gegebenem Start- und Zielort in bekannter Weise eine Berechnung der optimalen Route durchgeführt werden, die dann über die optische Ausgabeeinheit 3 ausgegeben werden kann.
Zur Bestimmung der aktuellen Fahrzeugposition enthält das Navigationssystem ferner einen Empfänger 6 zum Empfang von Satellitennavigationssignalen. Um eine von Satelliten unabhängige Positionsbestimmung durchführen zu können, enthält das Navigationssystem ferner einen Richtungssensor 7 und einen Wegsensor 8, die ebenfalls mit der CPU 1 verbunden sind, so dass mit Hilfe eines geeigneten Computerprogramms mit diesem Signal eine Positionsbestimmung möglich ist.
Weiterhin kann die CPU 1 zusätzlich mit einem Rundfunkempfänger verbunden sein, der zum Empfang von RDS-TMC-Signalen ausgebildet ist. Somit können empfangene Verkehrsinformationen vom Rundfunkempfänger 9 an die CPU 1 weitergeleitet und zur Berücksichtigung bei der Routenberechnung herangezogen werden. Alternativ können Verkehrsinformationen auch über ein Mobilfunkgerät, insbesondere nach dem GSM-Standard, empfangen und an die Recheneinheit weitergeleitet werden.
Abweichend von dem gezeigten Navigationssystem können die Landkartendaten auch mittels einer Mobilfunkverbindung von einer zentralen Servicestelle in das Fahrzeug übertragen werden. In diesem Falle kann ein Lesegerät für ein Speichermedium mit den Landkartendaten im Fahrzeug entfallen. Auch die Routenberechnung kann außerhalb des Fahrzeugs erfolgen.
Mit der CPU 1 ist weiterhin ein Neigungswinkelsensor 9 verbunden. Aus den Signalen des Neigungswinkelsensors 9 wird in der CPU 1 eine relative Änderung der Höhenlage des Fahrzeugs berechnet. Zur Bestimmung einer Veränderung der Höhenlage über eine bestimmte gefahrene Strecke wird der Sinus des Neigungswinkels des Fahrzeugs über die gefahrene Strecke integriert. Die Information über die gefahrene Strecke wird dabei von dem Wegsensor 8 zur Verfügung gestellt.
Die Position des Fahrzeugs wird von der CPU 1 unter Verwendung des Signals des Empfängers 6 zum Empfang von Satellitennavigationssignalen mittels Satellitennavigation und unter Verwendung der Signale des Richtungssensors 7 und des Wegsensors 8 mittels Koppelnavigation ermittelt. Mittels der zudem ermittelten relativen Höheninformation und eines MAP-Matching-Verfahrens kann nun die Position des Fahrzeugs auf einer Straße auch dann genau ermittelt werden, wenn mehrere Straßen in verschiedenen Ebenen verlaufen.
Die Bestimmung der Position des Fahrzeugs innerhalb eines 3-dimensionalen Straßennetzes kann dann insbesondere durch folgende Verfahrensschritte erfolgen:

– Bestimmen einer ersten geographischen Position des Fahrzeugs durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation,
– Bestimmen einer ersten relativen geographischen Höheninformation des Kraftfahrzeugs an der ersten Position des Kraftfahrzeugs,
– Bestimmen einer zweiten geographischen Position des Fahrzeugs durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation,
– Bestimmen einer zweiten relativen geographischen Höheninformation des Kraftfahrzeugs an der zweiten Position des Kraftfahrzeugs,
– Bestimmen einer aktuellen Fahrzeugposition auf einer Straße durch Vergleich der durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation bestimmten geographischen Positionen des Fahrzeugs mit Höheninformationen enthaltenden Straßenkartendaten unter Berücksichtigung der relativen geographischen Höheninformationen.

Zur Ermittlung der relativen Höhenposition wird diese beispielsweise zu Beginn der Fahrt auf Null gesetzt und in der zuvor beschriebenen Weise unter Auswertung der Signale des Neigungswinkelsensors 9 und des Wegsensors 8 die relative Höhenlage fortlaufend ermittelt. Somit kann beispielsweise festgestellt werden, dass das Fahrzeug zum aktuellen Zeitpunkt sich 10 m höher befindet als vor 500 m. Diese Information wird beim Map-Matching verwendet. War die Zuordnung des Fahrzeugs zu einer Straße bei der um 500 m zurückliegenden Position des Fahrzeugs noch eindeutig, so kann zwischenzeitlich beispielsweise eine Straßenverzweigung derart vorhanden sein, dass eine Fahrspur der Straße auf gleicher Höhe weiter verläuft, während eine zweite Fahrspur einer ansteigenden Rampe zu einer höher liegenden Ebene folgt. Unter Auswertung der Höhenlage kann nun im Map-Matching-Verfahren genau unterschieden werden, auf welcher Ebene sich das Fahrzeug befindet. Mit dem erfindungsgemäßen Navigationssystem ist daher auch bei komplizierten Straßenführungen in verschiedenen Ebenen eine eindeutige Positionierung möglich.

Claims

Kraftfahrzeug-Navigationssystem mit – Mitteln zur Bestimmung einer Fahrzeugposition durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation, – Landkartendaten eines Straßennetzes – Mitteln zur Zuordnung der Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes, – Mitteln Ausgabe von Fahrhinweisen anhand einer aktuellen Fahrzeugposition und einer berechneten Route, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug-Navigationssystem weiterhin Mittel zur Bestimmung einer relativen Änderung der geografischen Höhe während einer Fahrt enthält und die Zuordnung der Fahrzeugposition zu einer Straße des Straßennetzes unter Heranziehung der Änderung der relativen Höhe oder einer daraus abgeleiteten absoluten geografischen Höhe erfolgt.
Navigationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Fahrzeugposition die ermittelte Änderung der relativen Höhe unter Verwendung einer absoluten geografischen Höhe kalibrierbar ist.
Navigationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung unter Verwendung von empfangenen Satellitennavigationsdaten durchführbar ist.
Navigationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung in Abhängigkeit von der Qualität der empfangenen Satellitennavigationsdaten durchführbar ist.
Navigationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung unter Verwendung von absoluten Höhenangaben der Landkartendaten durchführbar ist.
Navigationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung unter Verwendung der absoluten Höhenangaben der Landkartendaten an einem charakteristischen Punkt des Straßennetzes, wie insbesondere einer Straßenkreuzung oder einem Abbiegepunkt, durchführbar ist.
Navigationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der relativen Änderung der Höhe einen Neigungswinkelsensor (9) enthalten.
Navigationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen des Ausgangssignals des Neigungswinkelsensors (9) bei stehendem Fahrzeug kompensierbar sind.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kraftfahrzeugs innerhalb eines 3-dimensionalen Straßennetzes durch Auswertung von durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation erhaltenen 2-dimensionalen Positionsdaten sowie durch Auswertung von relativen Änderungen der geografischen Höhe des Fahrzeugs während einer Fahrt, wobei die Änderung der geographischen Höhe anhand eines Fahrzeugzustandes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeugzustand um einen Neigungswinkel handelt und die Änderung der geographischen Höhen aus den Signalen eines Neigungswinkelsensors (9) und einer Wegstreckeninformation gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Neigung des stehenden Fahrzeugs kompensiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Fahrzeugpositionen der Änderung der geographischen Höhe eine absolute geografische Höhe zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der absoluten geografischen Höhe unter Verwendung von empfangenen Satellitennavigationsdaten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung nur dann durchgeführt wird, wenn die Qualität der empfangenen Satellitennavigationsdaten einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu ordnung einer absoluten geografischen Höhe unter Verwendung der Höheninformationen von Landkartendaten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der absoluten geografischen Höhe unter Verwendung der Höheninformationen der Landkartendaten an einem charakteristischen Punkt des Straßennetzes, wie insbesondere einer Straßenkreuzung oder einem Abbiegepunkt, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bestimmen einer ersten geographischen Position des Fahrzeugs durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation, – Bestimmen einer ersten relativen geographischen Höheninformation des Kraftfahrzeugs an der ersten Position des Kraftfahrzeugs, – Bestimmen einer zweiten geographischen Position des Fahrzeugs durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation, – Bestimmen einer zweiten relativen geographischen Höheninformation des Kraftfahrzeugs an der zweiten Position des Kraftfahrzeugs, – Bestimmen einer aktuellen Fahrzeugposition auf einer Straße durch Vergleich der durch Satellitennavigation und/oder Koppelnavigation bestimmten geographischen Positionen des Fahrzeugs mit Höheninformationen enthaltenden Straßenkartendaten unter Berücksichtigung der relativen geographischen Höheninformationen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Positionsbestimmung in einem Navigationssystem oder einem System zur Mauterfassung angewendet wird.