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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der zurückgelegten Weglänge eines Kraftfahrzeuges.
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Üblicherweise wird die zurückgelegte Weglänge bzw. Wegstrecke eines Kraftfahrzeuges durch einen Wegestreckenzähler bestimmt, der beispielsweise die Signale eines Raddrehzahlsensors auswertet. Je nach verwendeter Sensorik bzw. Ermittlungsverfahren sind die ermittelten Wegstrecken mit Messfehlern behaftet, wobei die erlaubte Abweichung von Kilometerzählern bei +/- 4 % liegt.
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Es sind jedoch Anwendungen bekannt, wo die zurückgelegte Weglänge ohne Daten der Fahrzeugsensorik ermittelt werden muss oder soll, beispielsweise aus Gründen der Manipulationssicherheit.
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Aus der
DE 10 2005 010 251 A1 ist ein Verfahren zur personenbezogenen Erfassung von Fahrtkosten bekannt, umfassend die Schritte
- - Erfassung des Beförderungsbeginns jeder beförderten Person durch Registrierung eines Merkmals zur persönlichen Identifizierung der Person sowie des aktuellen Datums und der Uhrzeit,
- - Erfassung jeder gefahrenen Teilstrecke,
- - Erfassung des Beförderungsendes jeder Person durch Registrierung des aktuellen Datums und der Uhrzeit und
- - Verarbeitung der erfassten Daten und Ausgabe am Zielort der Beförderungsfahrt, wobei in einer einfachen Ausgestaltung des Verfahrens gefahrene Teilstrecken durch Registrierung von durch satellitengestützte Positionierungssysteme bereitgestellten Daten am Beförderungsbeginn und Beförderungsende jeder Person erfasst werden. Die Verwendung von Daten satellitengestützter Positionierungssysteme ist besonders vorteilhaft, weil sie über die bloße Entfernungsbestimmung hinaus sowohl die exakte Bestimmung jedes einzelnen Start- und Zielortes einer beförderten Person als auch hochgenaue Zeiterfassung gestattet.
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Aus der
DE 100 43 311 A1 ist ein Verfahren zur fälschungssicheren Mauterhebung auf gebührenpflichtigen Straßen bekannt, das ebenfalls mittels GPS-Daten eine Ermittlung der Weglänge erfolgt.
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Aus der
US 5 557 524 A ist ein Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Weglänge eines Kraftfahrzeugs bekannt, mittels mindestens eines GPS-Empfängers und einer Auswerteeinheit, wobei der GPS-Empfänger mit einer Messfrequenz Standortdaten ermittelt und an die Auswerteeinheit liefert, wobei aus dem Abstand zwischen zwei Standortdaten eine zurückgelegte Weglänge in der Auswerteeinheit berechnet und aufintegriert wird.
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Aus der
US 5 400 254 A ist es bekannt, dass bei einem Empfang von vier Satelliten die Standortdaten dreidimensional und bei einer Empfangslage mit nur drei Satelliten zweidimensional ermittelt werden können.
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Aus der
DE 196 31 587 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungsdaten eines Fahrzeugs bekannt, welche von einem Satellitennavigationssystem die notwendigen Daten zur Ermittlung der zurückgelegten Wegstrecke und der jeweiligen Start- und Zielkoordinaten eine Fahrstrecke erhält. Die Länge der gefahrenen Strecke wird dadurch ermittelt, dass vom Satellitenempfänger in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitintervallen die aktuelle Position des Empfängers ausgegeben wird. Mit diesen Daten kann die Entfernung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Positionen ermittelt werden. Diese Entfernung kann als Streckenteilstück bezeichnet werden. Die Gesamtstrecke wird durch Addition der Streckenteilstücke ermittelt. Wenn die Zeitintervalle, in denen die Positionen ausgegeben werden, genügend kurz gewählt werden, kann die zurückgelegte Wegstrecke exakt bestimmt werden.
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Aus der
DE 101 09 911 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines elektronischen Nachweises über die Fahrten eines Fahrzeugs mit Hilfe eines fahrzeugseitigen Endgeräts bekannt. Das fahrzeugseitige Endgerät erfasst wiederholt Fahrzeugdaten wie die Position (z.B. per GPS) und gefahrene Streckenlängen. Diese werden z.B. per Mobilfunk, z.B. SMS, an eine Dienstzentrale übermittelt, dort gesammelt und gespeichert. Aus der Dienstzentrale können die gespeicherten Fahrzeugdaten von einem Terminal ausgelesen werden.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der zurückgelegten Weglänge eines Kraftfahrzeuges hinsichtlich der Genauigkeit der ermittelten Weglänge zu verbessern.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen der zurückgelegten Weglänge eines Kraftfahrzeuges mindestens einen GPS-Empfänger und eine Auswerteeinheit, wobei der GPS-Empfänger mit einer Messfrequenz f Standortdaten ermittelt und an die Auswerteeinheit liefert, wobei aus dem geometrischen Abstand zwischen zwei Standorten eine zurückgelegte Weglänge in der Auswerteeinheit berechnet und aufintegriert wird, wobei die Auswerteeinheit auswertet, wie viele Satelliten-Signale erfasst werden, wobei bei einer Empfangslage mit mehr als n Satelliten, mit n ≥ 4, die Standortdaten dreidimensional ausgewertet werden und bei einer Empfangslage mit weniger als n Satelliten zweidimensional ausgewertet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass bei den herkömmlichen Verfahren nur zweidimensional gerechnet wird, was dazu führt, dass Steigungen und Gefälle nicht berücksichtigt werden, was je nach Terrain zu erheblichen Abweichungen führen kann. Durch die Berücksichtigung der Höheninformation kann dieser Fehler nahezu eliminiert werden. Da n = 4 die Mindestanzahl ist, treten dort noch Messfehler ins Gewicht, so dass vorzugsweise n ≥ 5 oder n ≥ 6 gewählt wird. Dabei sei angemerkt, dass der Begriff GPS hier generisch als satellitengestütztes Positionsbestimmungssystem verstanden werden soll.
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Weiter umfasst die Vorrichtung ein GSM-Modul, wobei mittels empfangener Daten des GSM-Moduls eine Startpositionsermittlung mittels des GPS-Empfängers unterstützt wird. Die Unterstützung zur Startpositionsermittlung beruht in einer Auswertung der Daten zur Empfangslage der GSM-Daten. Beispielsweise ist aus diesen Daten eine Länderkennung entnehmbar, anhand derer der Suchvorgang für den GPS-Empfänger beschleunigt werden kann, beispielsweise weil zuvor das Kraftfahrzeug mittels eines Autozuges von Deutschland nach Italien transportiert wurde. Die Beschleunigung der Ermittlung der Startposition wiederum reduziert den Fehler bei der Ermittlung der Weglänge.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Messfrequenz des GPS-Empfängers in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder einer erfassten Kurvenfahrt verändert. Dadurch kann die Abweichung noch weiter reduziert werden. Dabei gilt, dass bei niedrigeren Geschwindigkeiten die Messfrequenz verringert wird. Hierdurch fallen Abweichungen bei den Einzelmessungen, die nicht vorhandene Bewegungen suggerieren, weniger ins Gewicht. Bei Kurvenfahrten hingegen sollte die Messfrequenz erhöht werden, so dass die Kurve besser ausgemessen wird. Die Ermittlung, dass eine Kurvenfahrt vorliegt, kann beispielsweise direkt aus den Richtungsdaten der GPS-Signale erfolgen. Alternativ oder unterstützend können auch die Daten einer digitalen Straßenkarte herangezogen werden. Ebenso kann die Geschwindigkeit direkt aus den GPS- Daten abgeleitet werden. Die Anpassung der Messfrequenz kann dabei diskret, beispielsweise in vier Stufen, oder aber kontinuierlich erfolgen. Der Vorteil der diskreten Anpassung ist, dass der Rechenaufwand für die Auswerteeinheit gering ist, wobei die Abweichung gegenüber der kontinuierlichen Anpassung vernachlässigbar klein ist. Die Anpassung der Messfrequenz ist auch alleine erfinderisch und kann auch bei Systemen zur Anwendung kommen, die ausschließlich zweidimensional messen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird mittels des GSM-Moduls die ermittelte Weglänge an eine Zentrale übermittelt. Die Übermittlung der Weglänge bzw. zusätzlich weiterer Daten erfolgt vorzugsweise über SMS und/oder GPRS.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Auswerteeinheit mindestens ein Betriebssignal des Kraftfahrzeuges übermittelt, wobei in Abhängigkeit des Betriebssignals eine Weglängenermittlung durchgeführt wird oder nicht durchgeführt wird. Vorzugsweise ist das Betriebssignal „Zündung ein“ KL15, so dass nur eine Weglängenberechnung erfolgt, wenn die Zündung eingeschaltet ist. Hierdurch wird wirkungsvoll eine Weglängenberechnung unterdrückt, wenn beispielsweise das Kraftfahrzeug abgeschleppt wird oder mittels Sattelschlepper, Zug oder Schiff transportiert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Masse- und einen Betriebsspannungsanschluss auf, so dass die Vorrichtung auch mit den Klemmen KL30 und KL31 des Kraftfahrzeuges verbunden werden kann. Weiter kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung über eine eigene Spannungsversorgung, beispielsweise in Form einer Pufferbatterie, verfügt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Eingabeeinheit auf, über die eine Veranlassung einer durchgeführten Fahrt eingebbar ist, beispielsweise „Privatfahrt“, „Dienstfahrt“ oder „Fahrt Wohnung/Arbeit“. Dabei kann die Eingabe beispielsweise per Sprachbefehl erfolgen oder aber über jeweils zugeordnete Taster. Vorzugsweise erfolgt die Eingabe aber über einen Wahlschalter, beispielsweise mit den unterschiedliche Stellungen je nach Veranlassung, wobei weiter vorzugsweise der Wahlschalter bei Fahrtantritt in einer Default-Stellung ist, vorzugsweise die Stellung „Privatfahrt“.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Speichereinrichtung, in der die ermittelten Daten in Form eines elektronischen Fahrtenbuches abgespeichert werden, wobei dort neben der Weglänge auch Uhrzeit und/oder Startpunkt und/oder Veranlassung der Fahrt etc. mit abgespeichert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der zurückgelegten Weglänge,
- 2 eine schematische Darstellung einer Fahrtroute mit Steigung,
- 3 eine Darstellung des Messfehlers über der Steigung in % bei einer zweidimensionalen Messung,
- 4 eine schematische Darstellung einer Kurvenfahrt im Bereich des Wendekreises eines Kraftfahrzeuges,
- 5 eine Darstellung des Messfehlers über der Messfrequenz bei einer Kurvenfahrt und
- 6 eine schematische Darstellung einer Messwerteverteilung bei vorhandenem Fahrzeug.
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In der 1 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen der zurückgelegten Weglänge eines Kraftfahrzeuges dargestellt, umfassend eine Auswerteeinheit 2, einen GPS-Empfänger 3, ein GSM-Modul 4, einen Wahlschalter 5, eine kombinierte GPS/GSM-Antenne 6 und einen internen Bus 7. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 Anschlüsse für ein Betriebssignal KL15, eine Spannungsversorgung KL30 und Masse KL31. Über den GPS-Empfänger 3 empfängt die Vorrichtung 1 Positions- und Zeitsignale verschiedener Satelliten, die über den internen Bus 7 an die Auswerteeinheit 2 übermittelt werden, wobei die Auswerteeinheit 2 auswertet, wie viele Satelliten-Signale erfasst werden, wobei bei einer Empfangslage mit mehr als n Satelliten, mit n ≥ 4, die Standortdaten dreidimensional ausgewertet werden und bei einer Empfangslage mit weniger als n Satelliten zweidimensional ausgewertet werden. Dabei liefert der GPS-Empfänger 3 Standortdaten mit einer Messfrequenz f, wobei aus dem Abstand zwischen zwei Standortdaten eine zurückgelegte Weglänge in der Auswerteeinheit 2 berechnet und aufintegriert wird. Durch die dreidimensionale Auswertung der Standortdaten werden dabei Fehler aufgrund von Steigungen und Gefällen vermieden, was anhand der 2 und 3 noch näher erläutert wird. Über das GSM-Modul 4 können einerseits Daten beispielsweise an eine nicht dargestellte Zentrale per SMS oder GPRS übermittelt werden. Des Weiteren kann mittels empfangener Daten eines GSM-Moduls 4 eine Startpositionsermittlung mittels des GPS-Empfängers 3 unterstützt werden, indem beispielsweise Länderkürzel der empfangbaren Provider ausgewertet werden. Über den Wahlschalter 5 kann die Veranlassung einer Fahrt eingestellt werden, beispielsweise ob es sich um eine Privatfahrt, eine Dienstfahrt oder eine Fahrt Wohnung/Büro handelt. Diese Fahrtveranlassung kann dann mit der ermittelten Weglänge und anderen Daten wie beispielsweise Uhrzeit, Startpunkt, Endpunkt in einem nicht dargestellten Speicher in Form eines elektronischen Fahrtenbuches abgespeichert werden. Die Arbeitsweise des dargestellten Wahlschalters 5 ist dabei derart, dass dieser drei Stellungen aufweist, wobei die ausgewählte Stellung auf Masse KL31 gezogen wird und von der Auswerteeinheit 2 erkannt wird. Über das Betriebssignal KL15 kann die Auswerteeinheit 2 eine Plausibilitätskontrolle durchführen, ob eine Ermittlung einer zurückgelegten Weglänge sinnvoll ist oder nicht. So wird beispielsweise keine zurückgelegte Weglänge berechnet, wenn die Zündung aus ist, da dann die Bewegung des Kraftfahrzeuges auf ein Abschleppen oder einen anderweitigen Transport hindeutet. Des Weiteren passt die Auswerteeinheit 2 die Messfrequenz des GPS-Empfängers 3 in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder einer erfassten Kurvenfahrt an, wobei sowohl die Fahrzeuggeschwindigkeit als auch das Durchfahren einer Kurve aus den GPS-Daten abgeleitet wird.
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Nachfolgend werden einige mathematische Grundlagen des Verfahrens erläutert sowie die systembedingten Messfehler und gegebenenfalls deren Reduzierung beschrieben.
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Die Berechnung der Entfernung zwischen zwei Punkten, die durch zweidimensionale WGS84 Koordinaten beschrieben sind, erfolgt mittels der Formel
mit
- ϕ
- Geographische Breite
- λ
- Geographische Länge
- A (ϕa, λa)
- Anfangspunkt
- B (ϕb, λb)
- Endpunkt
- u
- mittlerer Erdradius (angenommener Wert: 6371 km)
- ξ
- Strecke AB in km
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Die Koordinaten (Winkel) sind dabei vorzugsweise als Dezimalwert mit 5 Nachkommastellen einzugeben (z.B. geographische Breite der Stadt Mainz: 50,00000).
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Wenn die Berechnung eines ARCCOS (wie in den meisten Betriebssystemen obligatorisch) über die Umwandlung in Taylorreihen erfolgt und die CPU-Last dadurch zu groß wird, kann auch die folgende Näherungsformel benutzt werden.
mit
- ϕ
- Geographische Breite
- λ
- Geographische Länge
- A
- (ϕa, λa) Anfangspunkt
- B (ϕb, λb)
- Endpunkt
- ξ
- Strecke AB in km (bei Faktor u = 6371 km für mittleren Erdradius)
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Steht dann noch die Höheninformation zur Verfügung, kann die Weglänge einfach durch den Satz von Pythagoras berechnet werden.
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Die Systembedingten Messfehler bei Weglängenbestimmungen mittels GPS-Daten sind:
- 1.) Messfehler durch Fahrten auf Steigungen/Gefälle
- 2.) Messfehler durch Kurvenfahrten
- 3.) Messfehler durch verspätetes Booten des GPS-Teils der prodim.Box
- 4.) Messfehler durch Tunnelfahrten
- 5.) Messfehler durch Ausfall der GPS-Signale/GPS-Satelliten
- 6.) Messfehler durch schwankende GPS-Genauigkeit
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In der
2 ist die Situation bei einer Steigung schematisch dargestellt, wobei a) die gefahrene Strecke, c) die gemessene Strecke und b) den Höhenunterschied zwischen den beiden Standortdaten ist, wobei Δc den Messfehler darstellt. Wird hingegen wie bei der Erfindung dreidimensional gerechnet, so tritt dieser Fehler nicht auf und a lässt sich mit
berechnen, wobei c) zunächst aus der zweidimensionalen Berechnung ermittelt wird.
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Die 3 zeigt den Zusammenhang zwischen befahrener Steigung (bzw. befahrenem Gefälle) und dem systembedingten Messfehler bei zweidimensionaler Berechnung. Im Beispiel ist eine Fahrt mit 10 % Steigung markiert. Dabei beträgt der Messfehler ca. 5 Promille, da insbesondere bei Gebirgsstrecken Steigungen bis über 14 % vorkommen können. Die dreidimensionale Standortermittlung erfordert eine gute GPS-Qualität. Es sollten vorzugsweise mindestens fünf Satelliten empfangbar sein. Für den Fall einer Empfangslage mit weniger als fünf, aber mehr als zwei Satelliten wird die zweidimensionale Berechnung durchgeführt. Der Messfehler wird für diese Ausnahmefälle in Kauf genommen, sollte aber über die gesamte Fahrleistung eines Tages verschwindend gering sein.
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Der Messfehler bei Kurvenfahrten und Rangieren im Bereich des Fahrzeugwendekreises gemäß 4 lässt sich wie folgt abschätzen, wenn vorausgesetzt wird, dass die nächste Folgemessung nach ca. 90° Kurvenfahrt erfolgt:
- gemessene Strecke c mit
- gefahrene Strecke a mit
- was einen Messfehler von 11,07 % entspricht.
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Um die Messfehler beim Rangieren oder beim Kurven-/Serpentinen-Fahren zu minimieren, wird die Messfrequenz in der Standardeinstellung vorzugsweise auf 2 s. gesetzt. Das bedeutet, alle zwei Sekunden werden die WGS84 Koordinaten ermittelt, der Abstand zur letzten ermittelten Koordinate berechnet und das Ergebnis zur Fahrleistung addiert.
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5 zeigt den Messfehler in % über der Messfrequenz [in Messungen je Minute] bei Kurvenfahrten. Dabei steigt der Messfehler in Bereichen weniger Messungen stark an. Im Bereich größerer Messfrequenzen sinkt der Messfehler. Allerdings sinkt der Messfehler nicht beliebig, da ein anderer gegenläufiger Effekt zum Tragen kommt, der anschaulich anhand 6 erläutert werden soll. Dabei sei angenommen, dass sich das Kraftfahrzeug an der Position 1 befindet und sich nicht bewegt. Werden dann Messungen durch den GPS-Empfänger durchgeführt, so schwanken die ermittelten Standortdaten um ca. +/- 5 m und suggerieren eine Bewegung. Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten führt eine hohe Messfrequenz also zu Messfehlern. Daher wird die Messfrequenz bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise kleiner 20 km/h, reduziert. Entsprechend wird die Messfrequenz bei hohen Geschwindigkeiten und Kurvenfahrten erhöht, wobei bei Kurvenfahrten aufgrund der üblicherweise geringeren Geschwindigkeit ein Optimum gesucht werden muss, das vorzugsweise bei ½ Hz liegt.
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Messfehler aufgrund von Tunnelfahrten, wo kein GPS-Empfang vorliegt, oder temporärer Ausfall der GPS-Signale/GPS-Satelliten sind hinzunehmen und haben sich empirisch als vernachlässigbar dargestellt.
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Messfehler durch verspätetes Booten des GPS-Empfängers werden durch folgende Maßnahmen reduziert:
- - Mittels der empfangenen Länderkennung durch das GSM-Modul und die dadurch mögliche Eingrenzung der möglichen Position wird die Ermittlung der Startpositionsdaten beschleunigt.
- - Die Bootsequenzen sind für beschleunigtes Einbuchen optimiert.