DE69001376T2 - Navigationshilfsvorrichtung und terrestrisches navigationssystem. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von an Bord eines Fahrzeugs befindlichen, terrestrischen Navigationsvorrichtungen.
• Wie in der beigefügten Figur 1 dargestellt, beinhalten die bis jetzt vorgeschlagenen terrestrischen Navigationsvorrichtungen allgemein Mittel (10) (Wegstreckenmesser), die die von einem bekannten Ausgangspunkt aus zurückgelegte Wegstrecke messen, ein erdmagnetfeldempfindliches Magnetometer (12), das eine den Kurs repräsentierende Information liefert, und Auswertemittel (14), die fähig sind, auf der Grundlage von von den Mitteln (10) und (12) abgegebenen Informationen eine geschätzte Position des Fahrzeugs zu berechnen.
• Die Druckschrift GB-A-2042181 beschreibt ein Ausführungsbeispiel eines Schätzungs- Navigationssystems.
• Die Druckschrift EP-A-0166547 beschreibt ein weiteres, weiterentwickelteres Schätzungs-Navigationssystem, das auf der Basis von kartographischen, numerischen Straßendaten richtiggestellt ist.
• Diese Druckschrift EP-A-0166547 beschreibt ein Verfahren zur Navigationshilfe für ein zur Fortbewegung entlang eines Weges in beliebigem Gelände fähiges Fahrzeug mit den Schritten:
• - Messen der von dem Fahrzeug von einem Ausgangspunkt aus zurückgelegten Wegstrecke,
• - Detektieren des Fahrzeugkurses mit Hilfe eines Magnetometers,
• - Festlegen einer geschätzten Position des Fahrzeuges auf der Basis der so erhaltenen Informationen über Wegstrecke und Kurs,
• - Bestimmen der der geschätzten Position am nächsten liegenden Position auf einer bekannten, von dem Fahrzeug verfolgten Trajektorie, wenn sich das Fahrzeug entlang dieser bekannten Trajektorie fortbewegt, durch Auswertung einer Basis kartographischer Daten und
• - Richtigstellen der geschätzten Position in die auf diese Weise bestimmte Position.
• Die Druckschrift EP-A-0041892 beschreibt ein Verfahren zur Kompensation magnetischer Störungen, die die Messungen einer Vorrichtung zur magnetischen Kursbestimmung beeinflussen, welche auf einem terrestrischen Fahrzeug oder einem Luftfahrzeug angebracht ist, mit einem Magnetometer, das zu den Komponenten des bezüglich seiner Referenzachsen gestörten, terrestrischen Magnetfeldes proportionale analoge Spannungen liefert. Gemäß dieser Druckschrift wird die Annahme gemacht, daß der Ort der Spitze des für das Feld repräsentativen Vektors für ein terrestrisches Fahrzeug eine Ellipse und für ein Luftfahrzeug ein Ellipsoid ist, deren Erkennung auf der Grundlage der analogen Spannungen und deren Transformation in einen Kreis oder in eine zum Ursprung der Magnetometerachsen zentrierte Kugel die Berechnung von Korrekturkoeffizienten erlauben, die in den Speicher einer mit dem Magnetometer verbundenen Recheneinheit eingegeben werden, um zu jedem Zeitpunkt einen Vektor zu definieren, der mit einer Referenzachse des Magnetometers einen dem wirklichen magnetischen Kurs des Fahrzeugs oder des Luftfahrzeugs entsprechenden Winkel bildet.
• Die Erfahrung zeigt, daß die bekannten terrestrischen Navigationsvorrichtungen eine gute Leistungsfähigkeit aufweisen, solange sie sich auf identifizierten Routen oder Straßen fortbewegen, dagegen erhebliche Positionsfehler erzeugen, wenn sie die Route auf einem Weg in beliebigem Gelände verlassen.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Genauigkeit bei der Bestimmung der Position eines zur Fortbewegung entlang eines Weges in beliebigem Gelände fähigen Fahrzeugs zu verbessern.
• Dieses Ziel wird gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht dank eines Verfahrens zur Navigationshilfe mit den bekannten Schritten:
• - Messen der von einem Ausgangspunkt aus zurückgelegten Wegstrecke,
• - Detektieren des Fahrzeugkurses mit Hilfe eines Magnetometers,
• - Festlegen einer geschätzten Position des Fahrzeuges auf der Basis der so erhaltenen Informationen über Wegstrecke und Kurs,
• - Bestimmen der der geschätzten Position am nächsten liegenden Position auf einer bekannten, von dem Fahrzeug verfolgten Trajektorie, wenn sich das Fahrzeug entlang dieser bekannten Trajektorie fortbewegt, durch Auswertung einer Basis kartographischer Daten und
• - Richtigstellen der geschätzten Position in die auf diese Weise bestimmte Position, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren folgende Schritte aufweist:
• - Erzeugen von Korrekturparametern für die von wenigstens einem der Mittel zur Wegstreckenmessung und des Magnetometers erhaltenen Informationen als Funktion der Amplitude und der Richtung der detektierten Abweichung zwischen der geschätzten Position und der richtiggestellten Position, so daß die derart erzeugten Korrekturparameter für eine permanente automatische Berichtigung von auf wenigstens eines der Mittel zur Wegstreckenmessung und des Magnetometers einwirkenden Störungen geeignet sind, und
• - andauerndes Korrigieren der von wenigstens einem der Mittel zur Wegstreckenmessung und des Magnetometers erhaltenen Informationen mit Hilfe der Korrekturparameter vor Auswertung dieser Informationen für die Bestimmung der geschätzten Position.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich, um das vorerwähnte Ziel zu erreichen, in gleicher Weise auf eine an Bord eines Fahrzeugs befindliche, terrestrische Navigationsvorrichtung mit Mitteln zur Messung der zurückgelegten Wegstrecke, einem Maguetometer, Auswertemitteln, die von den vorerwähnten Mitteln gelieferte Informationen erfassen und die eine geschätzte Position festlegen, einer Basis kartographisdier Daten und Mitteln, die, wenn sich das Fahrzeug entlang einer bekannten, in der gegebenen Basis enthaltenen Fahrstrecke fortbewegt, eine Bestimmung der der geschätzten Position am nächsten liegenden Position auf der bekannten, von dem Fahrzeug verfolgten Fahrstrecke erlauben und die ein Richtigstellen der geschätzten Position in die auf diese Weise bestimmte Position erlauben, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren aufweist:
• - Mittel, die zur Gewinnung von Korrekturparametern fähig sind, die als Funktion der Amplitude und der Richtung der detektierten Abweichung zwischen der geschätzten Position und der richtiggestellten Position festgelegt und für eine an dauernde automatische Berichtigung von auf wenigstens eines der Mittel zur Wegstreckenmessung und des Magnetometers einwirkenden Störungen geeignet sind, und
• - Mittel, die zum andauernden Korrigieren der von wenigstens einem der Mittel zur Wegstreckenmessung und des Magnetometers erhaltenen Informationen mit Hilfe der Korrekturparameter vor Auswertung dieser Informationen für die Bestimmung der geschätzten Position fähig sind.
• Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich bei der Lektüre der detaillierten nachfolgenden Beschreibung und bei der Betrachtung der beigefügten Zeichnungen zeigen, bei denen, wobei die den Stand der Technik erläuternde Figur 1 schon beschrieben wurde,
• Figur 2 eine schematische Ansicht eines terrestrischen Navigators gemäß der vorliegenden Erfindung in Form von Funktionsblöcken darstellt,
• Figur 3 schematisch einen Schritt zur Richtigstellung der Position mit Hilfe einer Basis kartographischer Daten erläutert und
• Figur 4 schematisch den Logikplan des Verfahrens zur Navigationshilfe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Wie in der beigefügten Figur 2 dargestellt, beinhaltet der terrestrische Navigator (100) gemäß der vorliegenden Erfindung Mittel (114), die dazu imstande sind, die geschätzte Position des Fahrzeugs auf der Basis einer Information, die die von einem bekannten Ausgangspunkt aus zurückgelegte Wegstrecke darstellt, und einer den Fahrzeugkurs repräsentierenden Information zu bestimmen.
• Indessen wird, wie in Figur 2 dargestellt, gemäß der vorliegenden Erfindung die vom Magnetometer (112) erhaltene Kursinformation vorzugsweise nicht direkt den Auswertemitteln (114) zugeführt.
• Ebenso ist es gegebenenfalls möglich, daß die vom Wegstreckenmesser (110) gelieferte Wegstreckeninformation nicht direkt an die Auswertemittel (114) geliefert wird.
• Tatsächlich sind diese Informationen gemäß der vorliegenden Erfindung zuvor Gegenstand von Korrekturen.
• Zuallererst bildet die vom Magnetometer (112) erhaltene Information den Gegenstand einer ersten Korrektur in den Mitteln (116). Die in diesen Mitteln (116) durchgeführte Korrektur kann auf zwei Parameterreihen beruhen. Eine erste, dem magnetischen Zustand des Fahrzeugs entsprechende Parameterreihe wird durch die Mittel (118) erzeugt. Diese Mittel (118) sind zur Kontrolle der Verlagerung, der Wegnahme oder Hinzufügung von magnetischer Masse am Fahrzeug vorgesehen. Denn jede Verlagerung von magnetisdier Masse am Fahrzeug ist dazu imstande, die vom Magnetometer (112) erhaltene Messung zu beeinflussen. Diese magnetischen Massen können zum Beispiel von Beladungen oder von rotierenden Aufbauten gebildet sein.
• Die von den Mitteln (116) zur Berechnung herangezogene zweite Parameterreihe wird durch Mittel (120) auf der Basis der Trajektorie und der Position des Fahrzeugs erzeugt. Diese zweite Parameterreihe wird durch das Nachfolgende verdeutlicht werden. Das von den Mitteln (116) abgegebene Signal wird dann an zweite Korrekturmittel (122) angelegt. Diese Mittel (122) stellen eine mit "Vertikalität" bezeichnete Kompensation her; das heißt, daß die Mittel (122) eine Kompensation auf der Basis einer die Lage des Fahrzeugs repräsentierenden, von denMitteln (124) erhaltenen Information herstellen. In anderen Worten, die Mittel (122) beseitigen den Fehler aufgrund der Kombination der Nicht-Horizontalität des auf das Magnetfeld ansprechenden Elements des Magnetometers (112) und der vertikalen Komponente des Erdmagnetfelds. Die durch die Mittel (122) hergestellte Kompensation ist besonders wichtig, wenn sich das Fahrzeug in beliebigem Gelände fortbewegt.
• Das von den Kompensationsmitteln (122) erhaltene Signal wird dann an Mittel (126) angelegt, die zur Bestimmung des Fahrzeugkurses vorgesehen sind. Hierfür empfangen die Mittel (126) Informationen eines Moduls (128), das das geomagnetische Feld repräsentierende Komponenten auf der Grundlage eines Modells erzeugt.
• Die von den Mitteln (126) erhaltene Kursinformation wird den Auswertemitteln (114) zugeführt.
• Außerdem wird, wie in Figur 2 dargestellt, die vom Wegstreckenmesser (110) erhaltene Wegstreckeninformation nach Durchlaufen von Mitteln (130) zur Wegstreckenkorrektur den Auswertemitteln (114) zugeführt.
• Das Ziel der in den Mitteln (130) ausgeführten Korrektur wird im folgenden deutlich werden.
• Die Information über die in den Auswertemitteln (114) erhaltene geschätzte Position wird dann Mitteln (132) zugeführt, die, wenn sich das Fahrzeug auf einer bekannten Fahrstrecke, zum Beispiel einer Straße fortbewegt, die der geschätzten Position am nächsten liegende Position auf der bekannten Fahrstrecke suchen.
• Hierfür verwenden die Mittel (132) die von einer Basis kartographischer Daten (134), welche die Koordinaten bekannter Fahrstrecken, besonders von Straßen, auf denen das Fahrzeug in der Lage ist, sich fortzubewegen, enthalten, erhaltenen Informationen.
• Wenn die Mittel (132) auf diese Weise die der geschätzten Position am nächsten liegende Position in Übereinstimmung mit der bekannten, vom Fahrzeug verfolgten Fatirstrecke lokalisiert haben, führen die Mittel (132) eine Richtigstellung der Position durch, indem sie die tatsächliche Position des Fahrzeugs als die auf der bekannten, vom Fahrzeug verfolgten Fahrstrecke am nächsten liegend bestimmte Position identifizieren, dann steuern die Mittel (132) die Anzeige dieser Position, die als die tatsächliche Position des Fahrzeugs betrachtet wird, auf den Anzeigemitteln (136).
• Parallel dazu können die Mittel (132) den vorerwähnten Mitteln (120) (die die zweite Korrekturparameterreihe für die Mittel (116) bereitstellen) eine Information zuführen, die die Abweichung zwischen der durch die Mittel (114) bestimmten, geschätzten Position und der auf der verfolgten bekannten Fahrstrecke am nächsten liegend lokalisierten Position darstellt. Auf diese Weise erlauben die Mittel (132) und (120) eine permanente automatische Berichtigung der auf das Magnetometer (112) und den Wegstreckenmesser (110) einwirkenden Störungen, wenn sich das Fahrzeug auf einer bekannten Fahrstrecke, besonders einer Straße, fortbewegt, um ihm eine erhöhte Genauigkeit zu verleihen, wenn es eine bekannte Fahrstrecke verläßt, zum Beispiel um sich in beliebigem Gelände fortzubewegen.
• Mit anderen Worten, die Analyse der Abweichung zwischen der geschätzten Position und der tatsächlichen Position auf der bekannten Fahrstrecke als Funktion der Trajektorie erlaubt ständig die Berechnung von Korrekturen, die an den vom Magnetometer (112) erhaltenen, magnetischen Messungen und an den vom Wegstreckenmesser (110) erhaltenen Wegstreckenmessungen auszuführen sind. Diese ständige Fortführung der Korrekturen, wenn das Fahrzeug auf einer bekannten Fahrstrecke verkehrt, erlaubt es, einen exakten Korrekturparametersatz zu erhalten, der verwendbar ist, sobald sich das Fahrzeug außerhalb einer bekannten Fahrstrecke fortbewegt.
• Diese Korrektur wurde für die magnetischen Messungen in der beigefügten Figur 3 schematisch dargestellt.
• In Figur 3 wurde mit dem Bezugszeichen (150) schematisch eine bekannte Fahrstrecke, zum Beispiel eine Straße, dargestellt. Der bekannte Ausgangspunkt ist mit (152) bezeichnet. Die tatsächliche Trajektorie des Fahrzeugs ist mit (154) bezeichnet. Die tatsächliche Position des Fahrzeugs ist mit (156) bezeichnet. Die durch die Mittel (114) geschätzte Position ist mit (158) bezeichnet. Die auf diese Weise durch den Navigator (100) geschätzte Trajektorie ist mit (160) bezeichnet. Die Abweichung zwischen der geschätzten Position (158) und der tatsächlichen Position (156) des Fahrzeugs ist mit (162) bezeichnet.
• Die durch die Mittel (120) gewonnenen und hernach in den Mitteln (116) auf die magnetischen Messungen angewandten Korrekturparameter werden auf der Basis der Amplitude und der Richtung der Abweichung (162) erzeugt. Ähnliche, auf die vom Wegstreckenmesser (110) erhaltene Wegstreckenmessung in den Korrekturmitteln (130) anzuwendende Korrekturparameter können durch die Mittel (120) gewonnen werden, indem die Amplitude und die Richtung einer detektierten Abweichung zwischen einer geschätzten Position (158) und einer tatsächlichen Position (156) auf einer bekannten Fahrstrecke zur Berechnung herangezogen werden.
• Nun wird das in Figur 4 schematisch dargestellte Verfahren zur Navigationshilfe gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
• Im Schritt (212) wird das geomagnetische Feld mit Hilfe eines an Bord des Fahrzeugs befindlichen Magnetometers (112) gemessen. Im Schritt (218) bestimmt man den magnetischen Zustand des Fahrzeugs, das heißt jede etwaige Verlagerung, Wegnahme oder Hinzufügung von magnetischer Masse, die imstande ist, das Magnetometer (112) in Bezug auf einen Referenzzustand zu beeinflussen.
• Im Schritt (216) führt der Navigator (100) auf der Basis des bestimmten magnetischen Zustands und vorzugsweise außerdem auf der Basis von in einem Schritt (220) durch die vorerwähnten Mittel (120) zuvor erhaltenen Parameter eine Korrektur der vom Magnetometer (112) erhaltenen Information aus.
• Im Schritt (224) mißt der Navigator (100) die Lage des Fahrzeugs. Dieser Schritt (224) wird von einem Schritt (238) zur Prüfung der Neigung des Fahrzeugs gefolgt. Wenn das Fahrzeug geneigt ist, wird der Schnitt (238) von einem Schritt (222) zur Korrektur der Vertikalität auf der Basis der im Schritt (224) detektierten Information über die Lage gefolgt.
• Der Schritt (222) wird von einem Schritt (228) zur Erzeugung von das geomagnetische Feld (128) repräsentierenden Komponenten auf der Grundlage eines Modells gefolgt.
• Dagegen wird der Schritt (238), wenn das Fahrzeug nicht geneigt ist, sofort vom Schritt (228) gefolgt.
• Der Fahrzeugkurs wird im Schritt (226) auf der Grundlage der im Schritt (228) erzeugten Komponenten des geomagnetischen Felds und des durch das Magnetometer (112) im Schritt (212) detektierten magnetischen Felds nach einer etwaigen Korrektur in den Schritten (216) und (222) bestimmt.
• Wenn der Fahrzeugkurs auf diese Weise bestimmt ist, wird die zurückgelegte Wegstrecke ini Schritt (210) durch den Wegstreckenmesser (110) gemessen.
• Gegebenenfalls wird, wie zuvor verdeutlicht, die auf diese Weise erhaltene Information über die Wegstrecke im Schritt (230) korrigiert.
• Der Navigator (100) fährt dann im Schritt (214) mit der Bestimmung der geschätzten Position des Fahrzeugs mit Hilfe der vorerwähnten Informationen über Wegstrecke und Kurs fort.
• Der Schritt (214) wird von einem Schritt (240) zur Prüfung der Fortbewegung des Fahrzeugs auf einer bekannten Strecke gefolgt.
• Unter "bekannter Strecke oder Trajektorie" wird in der vorliegenden Patentanmeldung nicht etwa eine Strecke oder Trajektorie verstanden, für die geprüft wird, daß sich das Fahrzeug auf ihr fortbewegt, sondern ein Streckennetz, das geeignet ist, vom Fahrzeug benutzt zu werden und dessen Koordinaten in einer Basis kartographischer Daten gespeichert sind.
• Wenn sich das Fahrzeug nicht auf einer bekannten Strecke fortbewegt, wird die im Schritt (214) geschätzte Position als die tatsächliche Position angesehen und im Schritt (242) auf den Mitteln (136) angezeigt.
• Dagegen fährt der Navigator (100), wenn sich das Fahrzeug auf einer bekannten Strecke fortbewegt, im Schritt (244) nacheinander mit einem Abruf einer Basis kartographischer Daten (134), die die Koordinaten der bekannten Strecke enthält, auf der sich das Fahrzeug fortbewegt, mit einer Richtigstellung der Position durch Bestimmen der der im Schritt (214) geschätzten Position am nächsten liegenden Position auf der vom Fahrzeug verfolgten, bekannten Strecke, und dann mit einer Anzeige der auf diese Weise richtiggestellten Position auf den Mitteln (136) fort.
• Im Schritt (220) fährt der Navigator (100) dann mit einer Bestimmung von Korrekturparametern, die für den Wegstreckenmesser (110) und das Magnetometer (112) erforderlich sind und die geeignet sind, von den Mitteln (130) bzw. (116) verwendet zu werden, auf der Basis der Amplitude und der Richtung der detektierten Abweichung zwischen der geschätzten Position (158) und der tatsächlichen Position (156) des Fahrzeugs fort.
• Der Fachmann wird leicht verstehen, daß das Verfahren zur Navigationshilfe und der terrestrische Navigator, die beschrieben sind, eine selbständige Navigation jedes auf diese Weise ausgerüsteten terrestrischen Fahrzeugs in beliebigem Gelände erlauben.
• Die vorausgegangene Beschreibung und die beigefügten Figuren sind selbstverständlich nicht beschränkend.
• Nun wird ein von den Mitteln (128) durchgeführtes Beispiel einer Modellierung des Erdmagnetfelds beschrieben.
• Das Erdmagnetfeld variiert als Funktion der geographischen Ortskoordinaten und als Funktion der Zeit. Das Erdmagnetfeld wird durch seine drei Komponenten im lokalen, geographischen Dreibein dargestellt. Die Modellierung beruht darauf, jede dieser Komponenten durch eine Polynomfunktion der Breite und der Länge zu approximieren:
• C = a&sub0; + a&sub1;λ + a&sub2;φ + a&sub3;λ²+ a&sub4; λφ + a&sub6;φ² + a&sub7;λ²φ + a&sub8;λφ² + a&sub9;φ³ + K h ,
• mit:
• C: Modellkomponente
• a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;, a&sub5;, a&sub6;, a&sub7;, a&sub8;, a&sub9;: Modellkoeffizienten
• λ: Länge
• φ: Breite
• K: Koeffizient für die Höhenkorrektur
• h: örtliche Höhe bezogen auf Meereshöhe.
• Diese Koeffizienten ai und K sind auf Bereiche mit reduzierten Abmessungen (1000 km x 1000 km) festgelegt auf diese Weise verfügt jeder Bereich über einen Satz von Koeffizienten.
• Außerdem ist Jeder der Koeffizienten ai, um der säkularen Veränderung Rechnung zu tragen selbst eine Funktion der Zeit:
• ai(t) = ai(t&sub0;) + åi(t - t&sub0;).
• Auf diese Weise ist es auf der Grundlage der Kenntnis des Zeitpunkts und der Position des Fahrzeugs möglich, jede der Komponenten des Erdmagnetfelds zu rekonstruieren.
• Nun wird ein bevorzugtes Beispiel zur automatischen Abschätzung eines Modells einer magnetischen Störung des Fahrzeugs beschrieben.
• Der dank des Erdmagnetfeldmodells durch die Mittel (128) bestimmte Vektor "theoretisches Magnetfeld" und der vom Magnetometer (112) erhaltene Vektor "gemessenes Magnetfeld", eventuell in Abhängigkeit von der Lage des Fahrzeugs korrigiert, werden verglichen. Die Betragsdifferenz zwischen diesen zwei Vektoren wird beeinflußt durch:
• - die Verzerrung des Erdinagnetfelds durch die metallischen Massen des Fahrzeugs,
• - den Fehler des theoretischen Magnetfeldes in Bezug auf das tatsächliche Magnetfeld. Dieser Fehler ist einerseits mit der Genauigkeit des Modells und andererseits mit den von dem Modell nicht zur Berechnung herangezogenen lokalen Anomalien verknüpft.
• Die mit den festen, metallischen Massen des Fahrzeugs verknüpfte Verzerrung wird während eines Kalibrierverfahrens beim Einbau des Magnetometers in das Fahrzeug gemessen. Andererseits induzieren die beträchtlichen Veränderungen in der Positionierung der metallischen Massen seit der Kalibrierung eine Verzerrung, die automatisch während des Fahrens des Fahrzeugs abgeschätzt wird. Diese mit dem Fahrzeug verknüpfte Verzerrung folgt den Bewegungen des Fahrzeugs.
• Der Fehler der Feldmodellierung ist in Bezug auf die geographischen Achsen festgelegt und unabhängig vom Fahrzeug.
• Der Vorgang der automatischen Abschätzung strebt danach, ständig die folgenden Parameter abzuschätzen:
• Bx =
• By = Komponenten des magnetischen Vektors bezüglich
• Bz = der Achsen des Fahrzeugs
• b: Fehler zwischen dem Betrag des tatsächlichen Erdmagnetfeldes und dem Betrag des von Modell rekonstruierten Erdmagnetfeldes.
• Diese vier Parameter werden ständig mittels eines Filters vom Kalmantyp, dessen Vektor der Zustandsvariablen von diesen vier Parametern gebildet wird und dessen Meßvektor durch die Betragsdifferenz zwischen dem gemessenen Magnetfeldvektor und dem vom Modell rekonstruierten Magnetfeldvektor gebildet wird, bestimmt.
• Nun wird ein bevorzugtes Beispiel der automatischen Abschätzung des Fehlermodells des Wegstreckenmessers beschrieben.
• Die geschätzte Position wird durch die Mittel (114) (siehe Figur 2) bestimmt.
• Die Verwendung der Basis kartographischer Daten (134) erlaubt, wenn das Fahrzeug einer auf der Karte registrierten Straßenroute folgt, die Bestimmung der wahrscheirilichsten Position des Fahrzeugs. Die Differenz zwischen diesen zwei Abschätzungen der Position wird dazu verwendet, automatisch das Fehlermodell des Wegstreckenmessers durch eine Verarbeitung in einem Filter vom Kalmantyp zu bestimmen.
• Der Meßvektor des Filters wird gebildet durch:
• dx: Differenz der Koordinaten X zweier Positionsschätzungen,
• dy: Differenz der Koordinaten Y zweier Positionsschätzungen.
• Der mit diesem Filter verknüpfte Zustandsvektor ist:
• εx: Einflußkorrektur auf die Koordinatenposition X
• εy: Einflußkorrektur auf die Koordinatenposition Y
• εψ: Einflußkorrektur des Kurses
• εk: Fehler beim Maßstabsfaktor des Wegstreckenmessers.
• Auf der Grundlage des Meßvektors und der durch die Gesetze der Kinematik sowie den gemessenen Bewegungen des Fahrzeugs bestimmten Bewegungsmatrix des Zustandsvektors wird ständig der Zustandsvektor und insbesondere der Fehler beim Maßstabsfaktor des Wegstreckenmessers bestimint.
• Es ist zu erwähnen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Kombination der Gesamtheit der vorerwähnten Korrekturen beschränkt ist: als Funktion des magnetischen Zustands des Fahrzeugs, der Lage des Fahrzeugs, als Funktion eines Modells des Erdmagnetfeldes, durch Vergleich mit einer Basis kartographischer Daten und durch Auswertung von Korrekturparametern für das Magnetometer (112) und den Wegstreckenmesser (110) auf der Basis der detektierten Abweichung zwischen einer geschätzten Position und einer tatsächlichen Position auf einer bekannten Trajektorie. Die vorliegende Erfindung ist in dem beigefügten Satz von Patentansprüchen definiert. Die Korrekturmittel (130) für den Wegstreckenmesser (110) können weggelassen werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Navigationshilfe für ein zur Fortbewegung entlang eines Weges in beliebigem Gelände fähiges Fahrzeug mit den bekannten Schritten:

Messen (210) der von dem Fahrzeug von einem Ausgangspunkt aus zurückgelegten Wegstrecke,

- Detektieren (212) des Fahrzeugkurses mit Hilfe eines Magnetometers (112),

- Festlegen (214) einer geschätzten Position des Fahrzeuges auf der Basis der so erhaltenen Informationen über die Wegstrecke und den Kurs,

- Bestimmen der der geschätzten Position am nächsten liegenden Position auf einer bekannten, von dem Fahrzeug verfolgten Trajektorie, wenn sich das Fahrzeug entlang der bekannten Trajektorie fortbewegt, unter Auswertung einer Basis kartographischer Daten (134) und

Richtigstellen der geschätzten Position in die auf diese Weise bestimmte Position, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren folgende Schritte aufweist:

- Erzeugen von Korrekturparametern für die von wenigstens einem der Mittel zur Wegstreckenmessung (110) und des Magnetometers (112) erhaltenen Informationen als Funktion der Amplitude und der Richtung der detektierten Abweichung zwischen der geschätzten Position und der richtiggestellten Position, so daß die derart erzeugten Korrekturparameter für eine permanente automatische Berichtigung von auf wenigstens eines der Mittel zur Wegstreckenmessung (110) und des Magnetometers (112) einwirkenden Störungen geeignet sind, und

- andauerndes Korrigieren der von wenigstens einem der Mittel zur Wegstreckenmessung (110) und des Magnetometers (112) erhaltenen Informationen mit Hilfe der Korrekturparameter vor Auswertung (214) dieser Informationen für die Bestimmung der geschätzten Position.

2. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren einen Korrekturschritt enthält, der die Messung (224) der Fahrzeuglage und eine Vertikalkorrektur (222) der vom Magnetometer (112) erhaltenen Information als Funktion der Fahrzeuglage beinhaltet.

3. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren einen Korrekturschritt enthält, der die Erzeugung (228) von das Magnetfeld repräsentierenden Komponenten auf der Basis eines Modells und die Bestimmung (226) des Fahrzeugkurses auf dieser Basis beinhaltet.

4. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell des Magnetfeldes mittels Approximation jeder der drei Komponenten des Feldes im lokalen geographischen Dreibein durch eine Polynomfunktion der Breite und der Länge festgelegt ist.

5. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polynom die Höhe des Fahrzeugs berücksichtigt.

6. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Polynom von folgender Form ist:

C = a&sub0; + a&sub1;λ + a&sub2;φ + a&sub3;λ²+ a&sub4; λφ + a&sub6;φ² + a&sub7;λ²φ + a&sub8;λφ² + a&sub9;φ³ + K h ,

mit:

C: Modellkomponente

a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;, a&sub5;, a&sub6;, a&sub7;, a&sub8;, a&sub9;: Modellkoeffizienten

λ: Länge

φ: Breite

K: Koeffizient für die Höhenkorrektur

h: örtliche Höhe bezogen auf Meereshöhe.

7. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Koeffizient a&sub0; bis a&sub9; selbst eine Funktion der Zeit ist.

8. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Koeffizient a&sub0; bis a&sub9; von folgender Form ist:

ai(t) = ai(t&sub0;) + åi(t - t&sub0;)

9. Verfahren zur Navigationshilfe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturparameter auf der Basis des Fehlers zwischen dem Betrag des gemessenen Magnetfeldes und dem Betrag des durch ein Modell rekonstruierten Magnetfeldes festgelegt werden.

10. Verfahren zur Navigationshilfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturparameter in einem Filter vom Kalmantyp festgelegt werden, in dem die Zustandsvariablen von folgenden Parametern gebildet werden:

Bx =

By = Komponenten des magnetischen Vektors bezüglich

Bz = der Achsen des Fahrzeugs

b: Fehler zwischen dem Betrag des tatsächlichen Erdmagnetfeldes und dem Betrag des vom Modell rekonstruierten Erdmagnetfeldes, wobei der Meßvektor durch die Betragsdifferenz zwischen dem gemessenen Magnetfeldvektor und dem vom Modell rekonstruieften Magentfeldvektor gebildet ist.

11. Verfahren zur Navigationshilfe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturparameter in einem Filter vom Kalmantyp festgelegt werden, in dem der Meßvektor besteht aus:

dx: Differenz der Koordinaten X zweier Positionsschätzungen,

dy: Differenz der Koordinaten Z zweier Positionsschätzungen,

und in dem der mit diesem Filter verbundene Zustandsvektor der folgende ist:

εx: Einflußkorrektur auf die Koordinate X

εy: Einflußkorrektur auf die Koordinate Y

εψ: Einflußkorrektur des Kurses

εk: Fehler beim Maßstabsfaktor des Wegstreckenmessers.

12. Verfahren zur Navigationshilfe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren einen Korrekturschritt aufweist, der die Bestimmung des magnetischen Zustands des Fahrzeugs (218) und die Korrektur des vom Magnetometer (112) erhaltenen Signals auf dieser Basis beinhaltet.

13. Terrestrische Navigationsvorrichtung, die sich auf einem Fahrzeug befindet, das zur Fortbewegung entlang eines Weges in beliebigem Gelände fähig ist, mit Mitteln zur Messung der zurückgelegten Wegstrecke (110), einem Magnetometer (112), Auswertemitteln (114), die von den vorerwähnten Mitteln abgegebene Informationen erfassen und eine geschätzte Fahrzeugposition festlegen, einer Basis kartographischer Daten (134) und Mitteln (132), die es, wenn sich das Fahrzeug entlang eines bekannten, in der Datenbasis (134) enthaltenen Weges fortbewegt, erlauben, die der geschätzten Position nächstgelegene Position auf dem von dem Fahrzeug verfolgten, bekannten Weg zu bestimmen und es gestatten, die geschätzte Position in die so bestimmte Position richtigzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren enthält:

- Mittel (120), die zur Verarbeitung von Korrekturparametern fähig sind, die als Funktion der Amplitude und der Richtung der detektierten Abweichung zwischen der geschätzten Position und der richtiggestellten Position festgelegt und für eine andauernde automatische Berichtigung von auf wenigstens eines der Mittel zur Wegstreckenmessung (110) und des Magnetometers (112) einwirkenden Störungen geeignet sind, und

- Mittel (116, 122, 126, 132), die zum andauernden Korrigieren der von wenigstens einem der Mittel zur Wegstreckenmessung (110) und des Magnetometers (112) erhaltenen Informationen mit Hilfe der Korrekturparameter vor Auswertung dieser Informationen für die Bestimmung der geschätzten Position fähig sind.

14. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (124) zur Höhenmessung für das Fahrzeug und Mittel (122) zur Vertikalkompensation der vom Magnetometer (112) erhaltenen Informationen enthält.

15. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (128), die Komponenten erzeugen, welche das Erdmagnetfeld auf der Basis eines Modells repräsentieren, sowie Mittel (126) enthält, die dazu fähig sind, den Fahrzeugkurs auf der Basis der vom Magnetometer (112) und vom Modell des Erdmagnetfeldes erhaltenen Informationen zu bestimmen.

16. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Modellmagnetfeld durch Approximation Jeder der drei Feldkomponenten im lokalen geographischen Dreibein durch eine Polynomfunktion der Breite und der Länge festgelegt ist.

17. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Polynom die Höhe des Fahrzeugs berücksichtigt.

18. Navigatiousvorridftung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Polynom von folgender Form ist:

C = a&sub0; + a&sub1;λ + a&sub2;φ + a&sub3;λ²+ a&sub4; λφ + a&sub6;φ² + a&sub7;λ²φ + a&sub8;λφ² + a&sub9;φ³ + K h ,

mit:

C: Modellkomponente

a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;, a&sub5;, a&sub6;, a&sub7;, a&sub8;, a&sub9;: Modellkoeffizienten

λ: Länge

φ: Breite

K: Koeffizient für die Höhenkorrektur

h: örtliche Höhe bezogen auf Meereshöhe.

19. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Koeffizient a&sub0; bis a&sub9; selbst eine Funktion der Zeit ist.

20. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Koeffizient a&sub0; bis a&sub9; von folgender Form ist:

ai(t) = ai(t&sub0;) + åi(t - t&sub0;).

21. Navigationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20 in Verbindung mit Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturparameter auf der Basis des Fehlers zwischen dem Betrag des gemessenen Magentfeldes und dem Betrag des durch ein Modell rekonstruierten Magnetfeldes festgelegt werden.

22. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die die Korrekturparameter verarbeitenden Mittel einen Filter vom Kalmantyp enthalten, in dem die Zustandsvariablen von folgenden Parametern gebildet werden:

Bx =

By = Komponenten des magnetischen Vektors bezüglich

Bz = der Achsen des Fahrzeugs

b: Fehler zwischen dem Betrag des tatsächlichen Erdmagnetfeldes und dem Betrag des vom Modell rekonstruierten Erdmagnetfeldes, wobei der Meßvektor durch die Betragsdifferenz zwischen dem gemessenen Magentfeldvektor und dem vom Modell rekonstruierten Magnetfeldvektor gebildet ist.

23. Navigationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die die Korrekturparameter verarbeitenden Mittel ein Filter vom Kalmantyp enthalten, in dem der Meßvektor besteht aus:

dx: Differenz der Koordinaten X zweier Positionsschätzungen,

dy: Differenz der Koordinaten Y zweier Positionsschätzungen,

und in dem der mit diesem Filter verbundene Zustandsvektor der folgende ist:

εx: Einflußkorrektur auf die Koordinate X

εy: Einflußkorrektur auf die Koordinate Y

εψ: Einflußkorrektur des Kurses

εk: Fehler beim Maßstabsfaktor des Wegstreckenmessers.

24. Navigationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (116) enthält, die dazu fähig sind, die vom Magnetometer (112) erhaltene Information auf der Basis von dein magnetischen Zustand des Fahrzeugs entsprechenden Informationen zu korrigieren.