DE69026274T2

DE69026274T2 - Integriertes fahrzeugpositionier- und -navigationssystem dessen vorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE69026274T2
Application number: DE69026274T
Authority: DE
Inventors: Walter J Bradbury; Dana A Christensen; Richard G Clow; Lonnie J Devier; Douglas W Friedrich; Adam J Gudat; Carl A Kemner; Karl W Kleimenhagen; Craig L Koehrsen; Christos T Kyrtsos; Norman K Lay; Joel L Peterson; Prithvi N Rao; Larry E Schmidt; James W Sennot; Gary K Shaffer; Wenfan Shi; Dong Hun Shin; Sanjiv Singh; Darrell E Stafford
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2010-12-11
Also published as: JP3321115B2; DE69034068D1; DE69033929T2; EP0996047A1; WO1991009275A3; DE69033973D1; DE69026274D1; JP3336005B2; EP0936517B1; DE69033973T2; EP0936520A3; DE69033597T2; JP2003208221A; EP0936516B1; EP0936518B1; DE69033831D1; EP0679973A2; AU5083290A; DE69033898T2; EP0936516A3

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssysteme und insbesondere auf ein Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem und ein Verfahren zum Bestimmen der terrestrischen Position eines autonomen Fahrzeugs auf oder nahe der Erdoberfläche.

2. Verwandte Technik

Mehrere nationale Regierungen, einschließlich der Vereinigten Staaten von Amerika (USA) entwickeln zur Zeit ein terrestrisches Positionsbestimmungssystem, auf das im allgemeinen als global positioning system (GPS) bzw. globales Positlonsbestimungssystem Bezug genommen wird. Bei einem GPS wird eine Anzahl von Satelliten in der Umlaufbahn um den Planeten Erde herum angeordnet. Die GPS- Satelliten sind ausgelegt bzw. konstruiert, um elektromagnetische Signale zu übertragen. Aus diesen elektromagnetischen Signalen kann die absolute terrestrische Position (Position mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche letztendlich bestimmt werden.
Die US-Regierung hat ihr GPS "NAVSTAR" genannt. Das NAVSTAR-GPS wird 1993 als betriebsfertig deklariert. Darüberhinaus entwickelt die Regierung der Union der Sovietsozialistischen Republiken (U.S.S.R.) gegenwärtig ein GPS, welches als "GLONASS" bekannt wird, welches im wesentlichen ähnlich dem NAVSTAR-GPS ist.
Beim NAVSTAR-GPS ist vorausgesehen, daß vier umlaufende GPS-Satelliten in jedem von sechs getrennten Orbitalen bzw. Umlaufbahnen existieren werden. Eine Gesamtzahl von 24 GPS-Satelliten wird zu jeder gegebenen Zeit im Umlauf sein, wobei 21 GPS-Satelliten im Betrieb sind und wobei drei GPS-Satelliten als Ersatz dienen. Die 3 GPS- Satellitenumlaufbahnen werden gegenseitig eine orthogonale bzw. senkrechte Ebene relativ zur Erde besitzen. Die GPS-Satellitenorbitale bzw. -umlaufbahnen werden weder polare Umlaufbahnen noch äquatoriale Umlaufbahnen sein. Darüberhinaus werden die GPS-Satelliten die Erde einmal alle 12 Stunden umlaufen.
Unter Verwendung des NAVSTAR-GPS kann die Relativposition der umlaufenden GPS-Satelliten mit Bezug auf irgendeinen Erdempfänger aus den elektromagnetischen Signalen bestimmt werden. Auf die Relativposition wird im allgemeinen als "Pseudoorange" bzw. "Pseudobereich" (Pseudo- Entfernung) Bezug genommen. Darüberhinaus kann die Relativposition durch zwei Verfahren berechnet werden.
Ein Verfahren ist es, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der herausgehenden elektromagnetischen Signale zu messen. Beim NAVSTAR-GPS sind die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit codiert, zu der die Signale von dem GPS-Satelliten übertragen werden. Es ist unnötig zu sagen, daß man eine Aufzeichnung der Empfangszeit machen kann und die codierte Übertragungszeit abziehen kann, um die Zeitverzögerungen abzuleiten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und daraus, daß man die Geschwindigkeit kennt, mit der die elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre laufen, können Pseudobereiche genau abgeleitet werden. Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet wurden, werden im Zusammenhang mit diesem Dokument als "tatsächliche" Pseudobereiche bezeichnet.
Ein weiteres Verfahren weist Satellitenpositionsdaten auf, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, die von den umlaufenden Satelliten übertragen werden. Almanach- bzw. Verzeichnisdaten, die sich auf die Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR-GPS beziehen, sind öffentlich verfügbar. Ein Bezug auf diese Verzeichnisdaten mit Bezug auf Daten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, gestattet eine genaue Ableitung von Pseudobereichen. Pseudoberelche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet werden, werden im Zusammenhang mit diesem Dokument als "geschätzte" Pseudobereiche bezeichnet.
Jedoch sollte mit Bezug auf das vorangegangene Verfahren zum Ableiten von geschätzten Pseudobereichen bemerkt werden, daß die Satellitenpositionsdaten beim GPS-Satelliten nur einmal in der Stunde zur vollen Stunde aktualisiert werden. Folglich nimmt ein geschätzter Pseudobereich über die Zeit an Genauigkeit ab, und zwar nach jeder vollen Stunde bis zur nächsten vollen Stunde, wenn ein neuer geschätzter Pseudobereich berechnet wird, und zwar unter Verwendung der aktualisierten Satellitenpositionsdaten.
Darüberhinaus kann durch ein Bekanntsein der Relativposition von zumindest drei der umlaufenden GPS-Satelliten die absolute terrestrische Position (d.h. Länge, Breite und Höhe mit Bezug auf den Erdmittelpunkt) von irgendeinem Erdempfänger berechnet werden, und zwar über eine einfache geometrische Theorie, die Triangulationsverfahren umfaßt. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS-Satelliten ab, die empfangen bzw. gesampelt werden. Die Verwendung von mehr GPS-Satelliten bei der Berechnung kann die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung vergrößern.
Gewöhnlicherweise werden vier GPS-Satelliten gesampelt bzw. empfangen, um jede terrestrische Positionsschätzung zu bestimmen, und zwar aufgrund von Fehlern, die durch Schaltungstaktdifferenzen zwischen dem Erdempfänger und den verschiedenen GPS-Satelliten beigetragen werden. Clock- bzw. Taktdifferenzen können mehrere Millisekunden sein. Wenn die Clock bzw. der Takt des Erdempfängers mit denen der GPS-Satelliten synchronisiert wird, dann müssen nur drei GPS-Satelliten empfangen werden, um die Lage des Erdempfängers festzulegen.
Beim NAVSTAR-GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten auf einer einzelnen Carrier- bzw. Trägerfrequenz übertragen. Jedoch besitzt jeder der GPS-Satelliten ein unterschiedliches Modulationsschema, wodurch eine Unterscheidung der Signale gestattet wird. Beim NAVSTAR-GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudo-Zufallsignals moduliert, welches für jeden GPS-Satelliteri einzigartig ist. Folglich können die umlaufenden GPS-Satelliten beim NAVSTAR- GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Weiter sieht das NAVSTAR-GPS zwei Modi bzw. Betriebszustände vor, um die Trägerwelle zu modulieren, und zwar unter Verwendung von Pseudo-Zufallszahl-Signalen (PRN = pseudorandom number). In einem Modus, auf den als "coarse/acquisition" (C/A) bzw. "Grob/Aufnahme"-Modus Bezug genommen wird, ist das PRN-Signal eine Gold- Codesequenz mit einer Chiprate von 1,023 MHz Die Gold- Codesequenz ist eine wohlbekannte herkömmliche Pseudo- Zufallssequenz in der Technik. Ein Chip ist ein individueller bzw. einzelner Impuls des Pseudo-Zufallcodes. Die Chiprate einer Pseudo-Zufallscodesequenz ist die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiederholungsrate geteilt durch die Anzahl der Mitglieder bzw. Glieder im Code. Dementsprechend existieren mit Bezug auf den Grob/Aufnahme- bzw. coarse/aquisition Modus des NAVSTAR-GPS 1023 Chips in jeder Gold- Codesequenz und die Sequenz wird einmal jede Millisekunde wiederholt. Die Verwendung der 1,023 MHz Gold-Codesequenz von vier umlaufenden GPS-Satelliten ermäglicht es, daß die terrestrische Position eines Erdempfängers mit einer angenäherten Genauigkeit von zwischen 60 bis 300 Metern bestimmt wird.
Auf dem zweiten Modulationsmodus bzw. -betriebszustand beim NAVSTAR-GPS wird im allgemeinen als der "präzise" oder "geschützte" bzw. "protected" (P)-Modus Bezug genommen. Im P-Modus besitzt der Pseudo-Zufallscode eine Chiprate von 10,23 MHz. Darüberhinaus sind die P- Modussequenzen extrem lang, so daß die Sequenzen sich nicht öfter als einmal alle 267 Tage wiederholen. Als eine Folge kann die terrestrische Position eines Erdempfängers bestimmt werden, und zwar bis zu innerhalb einer angenäherten Genauigkeit von 16 bis 30 Metern.
Jedoch werden die P-Modussequenzen klassifiziert und werden nicht von der Regierung der Vereinigten Staaten öffentlich verfügbar gemacht. In anderen Worten ist der P- Modus nur zur Verwendung von Erdempfängern vorgesehen, die von der Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von den verschiedenen GPS-Satelllten unterscheiden, weisen die Erdempfänger gewöhnlicherweise eine Vielzahl von Gold-Codequellen auf, um lokal Gold-Codesequenzen zu erzeugen. Jede lokal abgeleitete Gold-Codesequenz entspricht jeder einzigartigen Gold-Codesequenz von jedem der GPS-Satelliten.
Die lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen und die übertragenen Gold-Codesequenzen werden miteinander quer korreliert, und zwar über Gold-Codesequenzintervalle von einer Millisekunde. Die Phase der lokal abgeleiteten Gold- Codesequenzen variieren auf einer Basis von Chip zu Chip und dann innerhalb eines Chips, bis die maximale Querkorrelationsfunktion erhalten wird. Weil die Kreuz- bzw. Querkorrelation für zwei Gold-Codesequenzen eine Länge von 1023 Bits besitzt, und sie ungefähr 16 mal so groß ist wie die Querkorrelationsfunktion von irgendeiner der anderen Kombinationen von Gold-Codesequenzen, ist es relativ einfach, die lokal abgeleitete Gold-Codesequenz auf die gleiche Gold-Codesequenz zu verriegeln bzw. einzuhängen, die von einem der GPS-Satelliten übertragen wurde.
Die Gold-Codesequenzen von zumindest vier der GPS- Satelliten im Blickfeld eines Erdempfängers werden in dieser Weise getrennt, und zwar unter Verwendung eines einzelnen Kanals, der sequentiell auf jede der lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen anspricht, oder alternativ unter Verwendung von parallelen Kanälen, die gleichzeitig auf die verschiedenen Gold-Codesequenzen ansprechen. Nachdem vier lokal abgeleitete Gold-Codesequenzen in Phase mit den Gold-Codesequenzen verriegelt bzw. eingehängt sind, die von vier GPS-Satelliten im Blickfeld des Erdempfängers empfangen werden, kann die Relatlvposition des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von ungefähr 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die vorangegangene ungefähre Genauigkeit des NAVSTAR-GPS wird durch folgende Dinge beeinträchtigt: (1) die Anzahl der GPS-Satelliten, die Signale übertragen, auf die der Erdempfänger effektiv anspricht, (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale, und (3) die Größe der Querkorrelatlonsspitzen bzw. -peaks zwischen den empfangenen Signalen von den unterschiedlichen GPS-Satelliten. Da mehrfache PRN-Signale gleichzeitig beim Erdempfänger empfangen werden, besteht ein gemeinsames Zeitinvervall, in dem die Codes in Konflikt geraten können. In anderen Worten verursachen die Codes eine Degradierung bei den Messungen der Ankunftszeit eines jeden empfangenen PRN, und zwar wegen den Kreuz- bzw. Querkorrelationen zwischen den in Konflikt geratenden bzw. sich beeinflussenden empfangenen Signalen.
Die Messung der Ankunftszeit für jedes PRN-Signal wird durch das Bestimmen der Zeit bzw. des Zeitpunkts einer Peak- bzw. Spitzenamplitude einer Querkorrelation gemacht, und zwar zwischen der Gold-Codesequenz des empfangenen PRN-Signals und dem lokal abgeleiteten PRN-Signal. Wenn ein lokal abgeleitetes PRN-Signal über ein empfangenes PRN-Signal überlagert wird, wodurch die Durchschnittszeit ihrer Querkorrelation vergrößert wird, nimmt der durschnittliche Rauschbeitrag bzw. Rauschanteil ab. Da jedoch die Querkorrelationsfehler zwischen den empfangenen PRN-Signalen periodisch sind, hat ein Vergrößern der Durchschnittszeit auch eine Vergrößerung von sowohl dem Fehlersignal als auch dem Querkorrelationswert zwischen dem empfangenen PRNs zur Folge. Folglich werden Fehler, die sich auf die Ankunftszeit der PRN-Signale beziehen, nicht durch Querkorrelation verringert.
Zusätzlich zum GPS ist es in der herkömmlichen Technik bekannt, Trägheitssysteme in Navigationssystemen zu verwenden, um Positionsschätzungen von Fahrzeugen zu erhalten. Eine solche Trägheitsreferenzeinhelt (IRU = inertial reference unit) erhält spezifische Kraftmessungen aus Beschleunigungsmessern in einem Referenzkoordinatenrahmen, der durch Gyroskope oder Gyros bzw. Kreisel stabilisiert wird. Eine IRU kann von mehreren Bauarten sein, beispielsweise laser(-betrieben), mechanisch oder faseroptisch. Bei einem nicht unterstützten Navigationssystem, welches eine IRU verwendet, wird die spezifische Kraft (für den Effekt der Erdanziehungskraft korrigiert), wie von einem Beschleunigungsmesser gemessen, in eine mathematische Navigationsgleichung integriert, um die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit zu erzeugen.
Die Instrumentenmessungen der IRU können in einem unterschiedlich rechtwinkligen Koordinatenrahmen bzw. Koordinatensystem als der Referenznavigationsrahmen bzw. das Referenznavigationssystem festgelegt sein,und zwar abhän gig von der Plattformimplementierung bzw. -einrichtung. Der am meisten verwendete Referenznavigationsrahmen für die erdnahe Navigation ist der Lokal-Pegelrahmen (Ost- Nord-Vertikale). Mehrere Kardanplattformimplementationen bzw. -einrichtungen existieren mit den vorangegangenen Referenznavigationsrahmen.
In einer kardanisch aufgehängten den örtlichen Pegel haltenden Norden suchenden IRU werden Gyroskope und Beschleunigungsmesser auf einer Plattform montiert, die gedreht wird, um den Plattformpegel und den Azimuth zu halten, der nach Norden zeigt. Die Plattform ist die Referenzebene. Dagegen wird in einer kardanisch aufgehängten den örtlichen Pegel haltenden im Azlmuth wandernden IRU, die Plattform auf einem Pegel bzw. einer Höhe gehalten, wird jedoch nicht um die Vertikalachse gedreht.
Darüberhinaus werden in einer Strap-Down- bzw. festgelegten IRU die Gyroskope und die Beschleunigungsmesser direkt auf dem Fahrzeugkörper montiert. Sie messen die Linear- und Winkelbewegung des Fahrzeugs, relativ zum unbewegten Raum bzw. Inertialraum. Die Bewegung wird in Fahrzeugkoordinaten ausgedrückt. Daher ist es bei einer Strap-Down- bzw. festgelegten IRU nötig, zuerst die Höhe des Fahrzeugs zum Referenznavigationsrahmen zu berechnen. Dann wird die berechnete Höhe verwendet, um die Beschleunigungsmessermessungen in den Referenzrahmen umzuformen. Nachdem die Beschleunigungsmesserdaten einer Strap-Down- IRU in den Referenzrahmen extra poliert worden sind, ist die Lösung der zuvor erwähnten Navigationsgleichungen sowohl bei der kardanisch aufgehängten IRU als auch der festgelegten bzw. Strap-Down-IRU identisch.
Bei der Strap-Down- bzw. festgelegten IRU werden die Höhenberechnungen, die erforderlich sind, um Beschleunigungsmessermessungen zu lösen, gewöhnlicherweise mit hoher Rate bzw. Geschwindigkeit ausgeführt. Die Berechnungen leiden unter nummerischen Fehlern, und zwar wegen der begrenzten Computerbitgröße und Durchsatzverfügbarkeit bzw. -kapazität. Dieser Berechnungsfehler hängt von der Frequenzantwort der Sensorschleife, der Datenrate und der Auflösung und Größe der Sensorausgangsgröße bei der Sampling- bzw. Aufnahme- bzw. Empfangszeit ab.
Jedoch treten bei der Verwendung der Strap-Down-IRU bemerkenswerte Vorteile auf, und zwar eher als bei der kardanisch aufgehängten IRU. Die Strap-Down-IRUs sind preiswerter. Darüberhinaus sind die Strap-Down-IRUs im allgemeinen an körperlicher Größe kleiner. Somit kann das Potential, um die Größen- und Kosteneinsparungen bei IRUs zu verwirklichen, die Strap-Down-IRUs für sowohl militärische als auch kommerzielle Anwendungen attraktiv machen.
Die Leistung von Navigationssystemen, die IRUs verwenden, ist in erster Linie durch Fehler begrenzt, die durch die verschiedenen sie bildenden Sensoren innerhalb der IRUs beigetragen werden. Gyroskope driften bzw. weichen ab. Beschleunigungsmesser besitzen inherente bzw. innere Vorspannungen. Weiter werden Fehler durch ungenaue bzw. nicht ordnungsgemäße Skalierungs- bzw. Skalafaktoren und ungenaue IRU-Ausrlchtungswinkel zugeführt bzw. beigetragen.
Typischerweise erzeugen die vorangegangenen Fehler Ungenauigkeiten bei den Schätzungen der Fahrzeugpositionen, der Geschwindigkeit und der Höhe, die sich über die Zeit akkumulieren bzw. aufaddieren, wenn die Fahrzeugfahrt bzw. der Fahrzeugauftrag voranschreitet. Zu einem gewissen Ausmaß hängen die Fehler von der Dynamik des Anwenders ab.
Wenn ein sehr genaues Navigationssystem für ein Fahrzeug erforderlich ist, können Hoch-Präzisions-Gyroskope und Beschleunigungsmesser verwendet werden, um diese Notwendigkeit zu erfüllen. Jedoch vergrößert eine solche Hoch- Präzisions-Ausrüstung die Komplexität und die Kosten des Fahrzeugs.
EP-A-0181012 offenbart ein Fahrzeugpositionsschätzungssystem, welches GPS- und Trägheitsnavigationssysteme kombiniert. IEEE Position Location and Navigation Symposium, 4.-7. November 1986 offenbart ein Trägheitsnavigationssystem mit einem GPS-Vergleich.
DE-A-3310111 offenbart ein Navigationssystem mit Driftbzw. Abweichungskompensation. US-A-3630079 offenbart ein Navigationssystem, welches Mehrfachsensoren und eine Fehlerkorrektur verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System vorgesehen, um die Genauigkeit von Positionsschätzungen, basierend auf Pseudobereichen zu verbessern, die aus einem Fahrzeugposltionierungs- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem abgeleitet werden, und zwar durch Betrachten bzw. Einbeziehen von früheren Positionsschätzungen, wobei das System folgendes aufweist:
Erste Mittel zum Empfangen von Signalen von einer Vielzahl von Satelliten, darauf ansprechend Bestimmen der jeweiligen Pseudobereiche von den Satelliten zum Fahrzeug und Ableiten einer ersten Positionsschätzung der Fahrzeugposltion als eine Funktion der Pseudobereiche; und
gekennzeichnet durch:
Zweite Mittel, die auf die ersten Mittel ansprechen, und zwar zum Empfangen der ersten bzw. vorherigen Positionsschätzungen und darauf ansprechend Bestimmen eines Fahrzeugpfadmodells unter Verwendung eines am besten passenden Algorithmuses;
dritte Mittel, die auf die zweiten Mittel ansprechen, wobei die dritten Mittel zum Extrapolieren einer zweiten Positionsschätzung vom Fahrzeugpfad bzw. Fahrzeugwegmodell vorgesehen sind; und
vierte Mittel, die auf die dritten Mittel ansprechen, wobei die vierten Mittel die erste Positionsschätzung gleich der zweiten Positionsschätzung setzen, wenn die statistische Genauigkeit der zweiten Positionsschätzung größer als eine vorbestimmte Schwelle ist, wobei die statistische Genauigkeit R durch die folgende Formel bestimmt wird:
R² = Σ (abgeschätzte Pseudoentfernung Ri - Mittel der i zuvor abgeschätzten Pseudoentfernungen Ri)²/Σ (tatsächliche oder Ist-Pseudoentfernung Ri - i Mittel der vorherigen tatsächlichen oder Ist-Pseudoentfernungen Ri)²
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit von Positionsschätzungen eines Fahrzeugs vorgesehen, und zwar basierend auf einem Fahrzeugpositionsbestimmungssystem durch Betrachten bzw. Einbeziehen der ersten Positionsschätzungen über einen Algorithmus zur besten Anpassung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Empfangen von Signalen von einer Vielzahl von Satelliten, darauf ansprechend Bestimmen der jeweiligen Pseudobereiche von den Satelliten zum Fahrzeug und Berechnen einer ersten Positionsschätzung unter Verwendung des Fahrzeugpositionsbestimmungssystems als eine Funktion der Pseudobereiche; und gekennzeichnet durch:
Bestimmen eines Fahrzeugpfad- bzw. Fahrzeugwegmodells unter Verwendung eines am besten eingepaßten Algorithmuses als eine Funktion der vorherigen Positionsschätzungen;
Extrapolieren einer zweiten Positionsschätzung vom Fahrzeugpfadmodell; und
Gleichsetzen der ersten Positionsschätzung mit der zweiten Positionsschätzung, wenn die statistische Genauigkeit der zweiten Positionsschätzung größer ist als eine vorbestimmte Schwelle, wobei die statische Genauigkeit R durch die folgende Formel bestimmt wird:
R² = Σ (abgeschätzte Pseudoentfernung Ri - Mittel der i zuvor abgeschätzten Pseudoentfernungen Ri)²/Σ (tatsächliche oder Ist-Pseudoentfernung Ri - i Mittel der vorherigen tatsächlichen oder Ist-Pseudoentfernungen Ri)²
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um irgendeinem Navigationssystem für autonome bzw. eigenständige Fahrzeuge zu helfen. Die autonomen Fahrzeuge kännen stationär oder in Bewegung sein. Darüberhinaus können die autonomen Fahrzeuge auf oder nahe der Erdoberfläche sein. In anderen Worten liefert die vorliegende Erfindung eine hochgenaue und schnelle Verfolgung irgendeines Erdoberflächen- bzw. Landfahrzeugs.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann nach der Untersuchung der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung offensichtlich werden.
In den Zeichnungen kann die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, besser mit Bezug auf den Text und die folgenden Zeichnungen verstanden werden.
Figur 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1A ist ein Blockdiagramm 100A der in Betrieb befindlichen GPS-Satelliten beim NAVSTAR-GPS;
Fig. 2 veranschaulicht vier gleichzeitige Navigationsgleichungen, die vier GPS-Satelliten des NAV- STAR-GPS betrachten bzw. behandeln;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer typischen autonomen Arbeitsstelle bzw. Baustelle;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Beziehungen zwischen einem Navigator, einer VPS- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem-Architektur und Fahrzeugsteuerungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches die Elemente in einem autonomen Steuersystem veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Betriebs eines GPS;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines GPS-Verarbeitungssystems des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des GPS-Verarbeitungssystems der Figur 7;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines MPS, und zwar einschließlich eines Odometers bzw. Wegmessers 902 und einer Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) 904;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm des VPS (Fahrzeugpositionsbestimmungssystems)
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm der VPS-Architektur der Figur 10;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm des VPS-Haupt- (I/O)- Prozessors der Figur 10;
Fig. 12A ist ein Blockdiagramm eines Super-Kalman- Filters des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 13 ist ein Flußdiagramm des Konstellationseffektverfahrens;
Fig. 14 ist eine Polar-Darstellung eines Koordinatensystems 1402, welches einen Satz von berechneten geschätzten Pseudobereichen veranschaulicht;
Fig. 15 ist ein Flußdiagramm einer Originalableitungstechnik;
Fig. 16 ist ein Flußdiagramm einer parabolischen Ableitungstechnik;
Fig. 17 ist ein Flußdiagramm einer Basisresiduen- Ableitungstechnik;
Fig. 17A ist ein Flußdiagramm einer Basis-Korrelator Ableitungstechnik;
Fig. 18 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Vorhersage von zukünftigen Satellitenpositionen;
Fig. 19 ist ein Flußdiagramm einer Technik für eine gewichtete Pfad- bzw. Weghistorie;
Fig. 20 ist eine graphische Darstellung 2000 von ersten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 unter Verwendung des Verfahrens zu gewichteten Pfadhistorie der Figur 19;
Fig. 20A veranschaulicht ein Flußdiagramm der Technik mit gewichteter Pfadhistorie der Figuren 19 und 20; und
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm einer anti-selektiven Verfügbarkeitstechnik.

I. Definitionen

(1) "Absolute Position" im Zusammenhang mit diesem Dokument bezieht sich auf eine Position relativ zum Erdmittelpunkt. Allgemein wird eine absolute Position mit Bezug auf ein Fahrzeug oder eine Basisstation bestehen, und zwar sowohl auf als auch nahe der Erdoberfläche. Erste, zweite und dritte Positionsschätzungen sind alle absolute Positionen im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
(2) "Tatsächlicher Pseudobereich" bedeutet eine Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Referenzpunkt und (2) einer Quelle eines terrestrischen Positionsbestimmungssystems. In diesem Dokument bezieht sich tatsächlicher Pseudobereich gewöhnlicherweise auf eine Annäherung der Distanz zwischen (1) einem Erdempfänger und (2) GPS- Satelliten und/oder Pseudoliten. Tatsächliche Pseudobereiche werden angenähert, und zwar zuerst durch Nässen der Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der elektromagnetischen Signale, die von den GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten ausgesandt werden. Tatsächliche Pseudobereiche können leicht berechnet werden, und zwar durch Multiplizieren der berechneten Zeitverzögerungen mit der Lichtgeschwindigkeit oder 2,9979245898 * 10&sup8; m/s.

II. Allgemeiner Überblick

Figur 1 veranschaulicht ein High-Level-Blockdiagramm 100 des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Um den genauen autonomen Betrieb eines Fahrzeugs 102 auf oder nahe der Erdoberfläche vorzusehen, weist die vorliegende Erfindung sowohl ein Fahrzeugpositionierungs system (VPS = vehide positioning system) 1000 als auch ein Navigationssystem 1022 auf. Diese beiden Systeme weisen eine Vorrichtung, Verfahren und Techniken auf, die, wenn sie zusammen integriert sind, eine hochgenaue Steuerung von unbemannten Fahrzeugen vorsehen.

A. Fahrzeugpositionierungssystem (VPS)

Die Aufgabe, das autonome Fahrzeug 102 entlang eines vorbeschriebenen Pfades zu führen, erfordert u.a. eine genaue Schätzung der augenblicklichen bzw. laufenden bzw. Ist-Fahrzeugposition, relativ zu einem Referenzpunkt. Sobald die laufende bzw. Ist-Position bekannt ist, kann das Fahrzeug 102 angewiesen werden, zu seiner nächsten Bestimmung voranzugehen bzw. zu fahren.
Unter Verwendung der VPS 1000 der vorliegenden Erfindung können Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 mit extremer Genauigkeit bestimmt werden. Das VPS 1000 empfängt GPS-Daten von GPS-Satelliten 104 von einem GPS, wie beispielsweise dem NAVSTAR-GPS oder dem GLONASS GPS.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das NAVSTAR-GPS verwendet. Figur 1A veranschaulicht das NAVSTAR-GPS. GPS- Satelliten 130-168 laufen um die Erde 172 in sechs Orbitalen bzw. Umlaufbahnen 174-184.
Mit Bezug auf Figur 1 kann das VPS 1000 auch Pseudolitdaten von Pseudolit(en) 105 empfangen. Der Ausdruck "Pseudolit" im Zusammenhang mit diesem Dokument bedeutet eine strahlungsaussendende bzw. strahlende Vorrichtung auf oder nahe der Erdoberfläche, um einen GPS-Satelliten zu emulieren bzw. nachzubilden.
Aus den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten leitet das VPS 1000 genaue Schätzungen der Position des Fahrzeugs 102 ab. Die GPS-Daten und/oder die Pseudolit-Daten werden signifikant über zahlreiche erfindungsgemäße Techniken und Verfahren der vorliegenden Erfindung verbessert bzw. verstärkt, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzung zu verbessern.
Insbesondere ist das VPS 1000 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ein Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem, basierend auf der Verwendung bzw. dem Einschluß von GPS-Daten vom NAVSTAR-GPS 104 und von einem Bewegungspositionierungs- bzw. Bewegungspositionsbestimmungssystem 900. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Bewegungspositionierungssystem 900 eine Trägheitsreferenzeinheit (IRU = inertial reference unit) 904 und/oder ein Fahrzeugodometer bzw. -wegmesser 902 auf. Die IRU 904 weist ein oder mehrere Lasergyroskope 106 und einen oder mehrere Beschleunigungsmesser 108 auf, die verwendet werden können, um die Position, die Geschwindigkeit, die Querneigung bzw. Rollneigung, die Höhe und die Gierungs- bzw. Neigungsdaten zu zu erzeugen. Der Fahrzeugswegmesser 902 erzeugt Daten über die vom Fahrzeug 102 gelaufene Distanz.
Eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 wird durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 von den GPS-Daten abgeleitet, die von den GPS-Satelliten 104 und von den Pseudolit-Daten empfangen werden, die von dem (den) Pseu dolit(en) 105 empfangen werden. Um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung zu vergrößern, implementiert bzw. verwendet die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Verfahren, die unten im Detail besprochen werden. Zusätzlich wird eine zweite Positionsschätzung durch den MPS Kommunikationsprozessor 906 des Bewegungspositionssystems 900 abgeleitet, welches die IRU 904 und/oder den Fahrzeugswegmesser 902 aufweist.
Wie durch die jeweiligen Pfeile 112 und 114 gezeigt, werden die erste Positionsschätzung und die zweite Positionsschätzung dann durch ein VPS-Verarbeitungssystem 116 kombiniert und gefiltert. Das Ergebnis, wie durch einen Ausgabepfeil 118 gezeigt, ist eine genauere dritte Positionsschätzung.
TEXT FEHLT

B. Navigationssystem

Das Navigationssystem 1022 empfängt die dritte Positionsschätzung vom VPS 1000. Das Navigationssystem 1022 ver wendet die präzise dritte Positionsschätzung, um das Fahrzeug 102 genau zu navigieren. Ein primärer Zweck des Navigationssystems 1022 ist es, das Fahrzeug 102 zwischen Punkten entlang eines vorbestimmten oder dynamisch erzeugten Pfades zu führen.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Navigationssystem 1022 im Fahrzeug 102 selbst gelegen. In anderen Worten ist es im wesentlichen ein "On-Board"- bzw. an Bord befindliches System. Darüberhinaus kann das Navigationssystem 1022 ausgelegt bzw. konstruiert sein, um in das Fahrzeug 102 wieder eingepaßt zu werden.
So daß das Navigationssystem 1022 das Fahrzeug 102 führen kann, um voreingestellten oder dynamisch erzeugten Pfaden zu folgen, werden verschiedene Modelle oder konzeptionelle Darstellungen erzeugt und verwendet. Beispielsweise können Linien und Kurven bzw. Bögen verwendet werden, um Fahrzeugpfade zwischen Objektpunkten einzurichten. Mathematische B-Splines oder Clothoidkurven können verwendet werden, um den tatsächlichen Pfad bzw. Weg zu modellieren, wo das Fahrzeug 102 navigieren muß. Diese mathematischen Kurven werden im Detail später in diesem Dokument besprochen werden.
Die Verwendung der obigen Modelierungs- oder Darstellungstechniken sieht verbesserte Datenkommunikationen, - speicherung und -behandlung des Fahrzeugs 102 vor. Die Techniken gestatten weiter eine Vereinfachung der Überwachungsaufgaben durch das Vorsehen einer Hierarchie von Steuerung und Kommunikation. Je höher ein Steuerpegel im hierarchischen Steuerschema existiert, desto einfacher ist die Aufgabe und desto kompakter sind die Befehle.
Das Navigatlonssystem 1022 sieht weiterhin die Steuerung der mechanischen Systeme des Fahrzeugs vor, wie beispielsweise Bremsen, Lenkung und Motor und Getriebe, um die notwendigen physikalischen Vorgänge bzw. Handlungen vorzunehmen, die erforderlich sind, um das Fahrzeug 102 zu bewegen, zu stoppen und zu lenken.
Das Navigationssystem 1022 überprüft auch die tatsächliche bzw. Ist-Position des Fahrzeugs 102 gegen die gewünschte bzw. Soll-Position, um die Fahrzeugsteuerung gemäß der gewünschten Position zu korrigieren. Das Navigationssystem 1022 kann Mehrfach-Status-Modelle bzw. Mehrzustandsmodelle laufen lassen, um diese Überprüfungsfähigkeit zu verbessern. Das Navigationssystem 1022 überprüft auch Fehler oder Versagen im System selbst und in Fahrzeugkomponenten. Wenn Fehler oder Versagen detektiert bzw. ermittelt werden, kann das Navigationssystem 1022 für einen versagenssicheren Shutdown bzw. Systemabschluß sorgen, und zwar dadurch, daß es das Fahrzeug 102 zu einem vollständigen Stop bring.
Das Navigationssystem 1022 sieht weiter verschiedene Betriebszustände zum Steuern des Fahrzeugs 102 vor. Diese weisen folgende auf: (1) Einen vollständig autonomen bzw. automatischen Modus, wo die Navigation des Fahrzeugs 102 automatisch durch das Navigationssystem 1022 behandelt wird; (2) einen Tele- oder Remote-Steuermodus, wo ein entfernter menschlicher (nicht gezeigter) Bediener die Richtung und Bewegung usw. des Fahrzeugs 102 steuern kann; und (3) einen manuellen Modus, bei dem ein menschlicher Bediener, der im Fahrzeug 102 sitzt, die Steuerung des Fahrzeugs 102 übernehmen kann und es manuell fahren kann.
Im autonomen Modus ist die Hindernisdetektion kritisch, da, wenn das Fahrzeug 102 nicht unter Kontrolle bzw. Steuerung ist, es großen Sachschaden und starke Verletzungen von Lebewesen erzeugen kännte. Das Navigationssystem 1022 kann effizient bzw. wirkungsvoll Hindernisse detektieren. Steine, Tiere, Menschen, Bäume oder andere Hindernisse können unerwartet in den Pfad bzw. Weg des Fahrzeugs 102 eintreten. Das Navigationssystem 1022 ist fähig, diese Hindernisse zu detektieren, und zwar entweder durch Stoppen oder durch das Ziehen bzw. Entwerfen eines Pfades um das Hindernis herum und durch Zurückbringen des Fahrzeugs 102 auf seinen Originalweg, wenn der Weg als sicher angesehen wird
Eine genaue Verfolgung des gewünschten bzw. Soll-Wegs bzw. der Soll-Route ist eine weitere Funktion des Navigationssystems 1022. Das Funktionieren und die Architektur des Navigationssystems 1022 ist für eine Echtzeitverfolgung der Fahrzeugpfade ausgelegt bzw. konstruiert worden, und zwar bei Geschwindigkeit bis zu ungefähr 30 Meilen pro Stunde (mph).

C. Basisstation

Die vorliegende Erfindung kann ein Host- bzw. Hauptverarbeitungssystem 186 in einer Basisstation 188 aufweisen. Das Host-Verarbeitungssystem 186 führt Funktionen für sowohl das VPS 100 als auch für das Navigationssystem 1022 aus.
Mit Bezug auf das VPS 1000 empfängt das Host- Verarbeitungssystem 186 GPS-Daten und/oder Pseudolit- Daten, wie durch die jeweiligen Pfeile 190 und 192 gezeigt. Im Endeffekt kann das Host-Verarbeitungssystem 186 genauso wie die Basisstation 188 als ein bekannter Referenzpunkt funktionieren, um die Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzungen zu verbessern, wie unten im Detail besprochen.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert eine Anzahl von Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit der Fahrzeugpositionsschätzungen. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 (Teil II.G.), welches oben besprochen wurde, wird auch durch das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert bzw. eingerichtet. Das Host- Verarbeitungssystem 186 wird die gleiche Satellitenkonstellation erkennen, die vom Fahrzeug 102 beobachtet wird.
Berechnungen werden an den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten ausgeführt, um Auslenkungen bzw. Ableitungen (biases) abzuleiten. Der Ausdruck "Ableitung" ("bias") im Zusammenhang mit diesem Dokument bezieht sich auf eine Differenz bzw. einen Unterschied zwischen zwei Messungen, gewöhnlicherweise Positionsschätzungen (räumliche Ableitung) oder Clock- bzw. Taktraten (Taktableitung). Weil eine Messung gewöhnlicherweise als genauer bekannt ist als die andere, wird auf die Ableitung bzw. den Bias oft als ein "Fehler" ("error") Bezug genommen.
Um räumliche Ableitungen zu berechnen, implementiert das Host-Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren. Unter diesen Verfahren sind beispielsweise folgende vorgesehen: Eine originale Ableitungstechnik 1500 (Teil II.F.2.a.), eine parabolische Ableitungstechnik 1600 (Teil II.F.2.b.), eine Basisresiduen-Ableitungstechnik 1700 (Teil II.F.2.c.), und eine Basiskorrelations- Ableitungstechnik 1700A (Teil II.F.2.d.).
Die vorangegangenen Differential- bzw. Differenzkorrekturtechniken kompensieren Datenfehler. In anderen Worten zeigen die Ableitungen bzw. Biases, die im Host- Verarbeitungssystem 186 berechnet werden, Datenfehler an. Wie durch einen Pfeil 194 gezeigt, werden die Ableitungen zum GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet diese Biases bzw. Ableitungen, um Fehler in den Fahrzeugpositionsschätzungen zu eliminieren.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 sieht weiter Funktionen vor, die sich auf das Navigationssystem 1022 der vorliegenden Erfindung beziehen. Das Host-Verarbeitungssystem 186 dient als das höchste Steuerniveau des Navigationssystems 1022, wie durch einen Pfeil 196 angezeigt. Es behandelt die Zeitplanung und -einteilung des Fahrzeugs 102 mit genau den gleichen Ergebnissen wie ein menschlicher Fahrdienstleiter bzw. Einteiler erreichen würde. Folglich kann das Host-Verarbeitungssystem 186 dadurch den Arbeitszyklus des Fahrzeugs 102 bestimmen.
Das Host-Verarbeitungssystem 186 befiehlt dem Fahrzeug 102, aus einer laufenden bzw. Ist-Position in eine zukünftige bzw. Soll-Position voranzuschreiten bzw. zu fahren, und zwar über eine festgelegte Route, so daß das Fahrzeug 102 seine Arbeitsziele durchführen kann. Das Host-Verarbeitungssystem 186 kann die Fahrzeugrouten durch den Namen festlegen, anstelle durch Auflisten eines jeden Punktes entlang der Route, wie es in herkömmlicher Weise der Fall ist. Dementsprechend schaut das an Bord gelegene Navigationssystem 1022 des Fahrzeugs die benannte Fahrzeugroute nach und überträgt die benannte Fahrzeugroute in Sätze von Knoten und Segmenten entlang der genannten Fahrzeugroute.

II. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem

A. Überblick

Die folgende Besprechung mit Bezug auf das VPS 1000 wird insbesondere Bezug auf die Figuren 7 bis 21 nehmen. Die Figuren 10 und 11 zeigen die Architektur/Hardware des VPS 1000. Das VPS 1000 ist ein hochgenaues Positionsbestimmungssystem, für ein sich bewegendes oder stationäres Fahrzeug 102 auf oder nahe der Erdoberfläche.
Es sei daran erinnert, daß das VPS 1000 das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 aufweist, die in den jeweiligen Figuren 7 und 9 gezeigt sind. Weiter sei daran erinnert, daß das MPS 900 die IRU 904 und den Fahrzeugwegmesser 902 aufweist, die beide in Figur 9 gezeigt sind. Im Endeffekt sind diese Systeme durch die vorliegende Erfindung verbessert und integriert worden, um ein hocheffektives Positionsbestimmungssystem zu erzeugen.
Mit Bezug auf Figur 7 weist das GPS-Verarbeitungssystem 700 eine Antenne 702 auf, die mit einem GPS-Empfänger 706 verbunden ist. Wenn die GPS-Satelliten 104 im Blickfeld der Antenne 702 mehrfache GPS-Satelliten 200-206 aufweisen, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, liest der GPS- Empfänger 706 alle ihre GPS-Daten zusammen mit irgendwelchen Pseudolit-Daten von Irgendeinem (Irgendwelchen) Pseudolit(en) 105 im Blickfeld der Antenne 702. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Empfänger 706 für die Berechnung der ersten Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 aus den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten verantwortlich.
Um die Genauigkeit des ersten Positions- bzw. Positionsbestimmungsverfahrens zu vergrößern, wird das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 (Teil II.G.) durch einen GPS-Prozessor 710 des GPS-Verarbeitungssystem 700 implementiert bzw. eingerichtet. Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 sagt die Position von irgendeinem GPS-Satelliten zur laufenden bzw. augenblicklichen Zeit oder für irgendeine zukünftige Zeit voraus.
Unter Verwendung der Satellitenpositionsinformation kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 die optimale GPS- Satellitenkonstellation zum Erkennen bestimmen, und zwar unter Verwendung eines Konstellationseffekt-Verfahrens 1300 (Teil II.F.). Das Konstellationseffekt-Verfahren 1300 wird auch vom GPS-Prozessor 710 im bevorzugten Ausführungsbeispiel implementiert bzw. eingerichtet. Gemäß des Konstellationseffekt-Verfahrens 1300 wird eine beste Konstellation aus den Datenquellen ausgewählt, die die GPS-Satelliten 200-206 und Pseudolit(e) 105 aufweisen.
Der GPS-Prozessor 706 berechnet eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 basierend auf der besten Konstellation und auf Geometrle/Triangulations-Verfahren. Die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung ist teilweise abhängig von der bei der Berechnung verwendeten Anzahl von GPS-Satelliten. Jeder zusätzliche verwendete GPS-Satellit kann die Genauigkeit der ersten Positlonsschätzung vergrößern. Nach der Berechnung wird die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 an einen VPS- Hauptprozessor 1002 der Figur 10 übertragen.
Mit Bezug auf Figur 9 weist die IRU 904 Lasergyroskope und Beschleunigungsmesser auf, die Positions-, Geschwindigkeits-, Roll- bzw. Längsneigungs-, Höhen- und Neigungsdaten erzeugen. Die IRU 904 kombiniert diese Information in eine zweite Positionsschätzung des Fahrzeugs 102. Der Wegmesser 902 kann implementiert werden, um die vom Fahrzeug 102 gelaufene bzw. gefahrene Distanz zu messen. Die Daten von der IRU 904 und vom Wegmesser 902 werden auch über den MPS-Kommunikationsprozessor 906 an den VPS-Hauptprozessor 1002 übertragen, und zwar wie in Figur 10 gezeigt.
Der VPS-Hauptprozessor 1002 kombiniert die zweite Positionsschätzung vom MPS 900 (die IRU 904 und vielleicht der Wegmesser 902) mit der ersten Positionsschätzung vom GPS- Verarbeitungssystem 700, um eine genauere dritte Positionsschätzung zu erzeugen.
Das VPS 1000 implementiert weiter ein Verfahren zum Eliminieren von irrtümlichen oder falschen dritten Positionsschätzungen, die ein "Fahrzeugabwandern" bzw. ein "Fahrzeugabweichen" bewirken können. Dieses Verfahren wird Verfahren mit gewichteter Pfadhistorie genannt (Teil II.H.). Im wesentlichen wird die Pfadhistorie bzw. Pfadgeschichte des Fahrzeugs 102 verwendet, um statistisch die Genauigkeit von zukünftigen Schätzungen der Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Mit Bezug auf die Figuren 1 und 3 sieht eine Basisstation 188 einen geographischen nahen Referenzpunkt für das VPS 1000 vor. Die Basisstation 188 weist ein Host- Verarbeitungssystem 186 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Host-Verarbeitungssystem 186 eine ähnliche Architektur auf, und führt die gleichen Funktionen wie das GPS-Verarbeitungssystem 700 aus. Jedoch führt das Host-Verarbeitungssystem 700 zusätzliche Funktionen zum Vergrößern der Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen aus.
Das Satellitenpositionsvorhersageverfahren 1800 (Teil II.G.) wird durch das Host-Verarbeitungssystem 186 implementiert bzw. eingerichtet, und zwar zusätzlich zu dem oben besprochenen GPS-Verarbeitungssystem 700. Dementsprechend wird das Host-Verarbeitungssystem 186 die gleiche GPS-Satellitenkonstellation erkennen, die vom Fahrzeug 102 beobachtet wird, oder wird den gleichen GPS- Satelliten in einer größeren Konstellation aufweisen.
Berechnungen werden dann an den GPS-Daten und/oder den Pseudolit-Daten ausgeführt, um Ableitungen (Biases) abzu leiten, und zwar einschließlich räumlicher Ableitungen und Taktableitungen. Um räumliche Ableitungen zu berechnen, implementiert das Host-Verarbeitungssystem 186 eine Anzahl von Verfahren. Figur 15 offenbart eine originale Ableitungstechnik 1500 (Teil II.F.2.a.). Figur 16 offenbart eine parabolische Ableitungstechnik 1600 (Teil II.F.2.b.). Figur 17 offenbart eine Basisresiduen- Ableitungstechnik 1700 (Teil II.F.2.c.) Figur 17A offenbart eine Basiskorrelations-Ableitungstechnik 1700A (Teil II.F.2.d.).
Wie von einem Pfeil 194 gezeigt, werden die räumlichen Ableitungen und Taktableitungen an das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS- Verarbeitungssystem 700 verwendet diese Ableitungen, um Fehler bei den Fahrzeugpositionsschätzungen zu eliminieren.

B. GPS-Verarbeitungssystem

Das GPS-Verarbeitungssystem 700 verwendet die Fahrzeugpositionsdaten von einem terrestrischen Positionsbestimmungssystem, um die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 abzuleiten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das terrestrische Positionsbestimmungssystem das NAVSTAR-GPS auf, welches gegenwärtig von der US-Regierung entwickelt wird, und/oder erdbasierte Pseudoliten.

1. NAVSTAR-GPS

Wie in Figur 1A gezeigt, sind 24 von Menschenhand hergestellte elektronische GPS-Satelliten 132-170 in sechs Orbitalen bzw. Umlaufbahnen 174-184 gegenwärtig für das NAVSTAR-GPS vorgesehen. Sie werden zum Einsatz im Jahre 1993 geplant. Wie gegenwärtig vorgesehen, werden die GPS- Satelliten 132-170 die Erde 172 in einer Höhe von ungefähr 14.000 Meilen umlaufen und den Globus zweimal am Tag umlaufen&sub0; Unter Verwendung des C-Modus bzw. C-Betriebszustands des NAVSTAR-GPS, wie unten besprochen werden wird, wird es möglich sein, terrestrische Positionen innerhalb 15 Meter zu bestimmen, und zwar bei jedem Wetter, zu jeder Zeit und in den meisten Gebieten der Erde 172.
Zum Zeitpunkt der Einreichung dieses Dokuments sind sechs experimentale und sieben einsatzbereite GPS-Satelliten im Umlauf um die Erde 172 bekannt. Weiter ist es bekannt, daß mehrere Hersteller gerade GPS-Empfänger konstruieren und herstellen, wie beispielsweise den GPS-Empfänger 706 der Figur 7. Da mehr und mehr GPS-Satelliten gestartet bzw. eingesetzt und betriebsbereit sind, nehmen die Zeitperioden zu, in denen drei oder mehr der experimentellen GPS-Satelliten jeden Tag zur Positionsverfolgung verfügbar sind.
Darüberhinaus ist die Lage der experimentellen GPS- Satelliten (und alle anderen, sobald sie im Einsatz sind) sehr vorhersagbar. Die Relativposition oder der "Pseudobereich" bzw. "pseudorange" dieser GPS-Satelliten mit Bezug auf den GPS-Empfänger 706 am Fahrzeug 102 kann durch zwei Verfahren aus den elektromagnetischen Signalen bestimmt werden.
Ein Verfahren ist, die Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der herauslaufenden elektromagnetischen Signale zu messen. Beim NAVSTAR-GPS sind die elektromagnetischen Signale kontinuierlich mit der Zeit codiert, zu der die Signale von den GPS- Satelliten übertragen werden. Es ist nicht nötig, zu erwähnen, daß man eine Aufzeichnung der Empfangszeit machen kann und die codierte Übertragungszeit abziehen kann, um die Zeitverzögerungen abzuleiten. Aus den berechneten Zeitverzögerungen und daraus, daß man die Geschwindigkeit kennt, mit der die elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre laufen, können Pseudobereiche bzw. -entfernungen genau abgeleitet werden. Auf Pseudobereiche, die unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnet werden, wird im Zusammenhang mit diesem Dokument als "tatsächliche" Pseudobereiche Bezug genommen.
Ein anderes Verfahren umfaßt Satellitenpositionsdaten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, die von den umlaufenden GPS-Satelliten übertragen werden. Almanach- bzw. Verzeichnisdaten, die sich auf die GPS- Satellitenpositionsdaten des NAVSTAR-GPS beziehen, sind öffentlich verfügbar. Eine Referenz dieser Verzeichnisdaten mit Bezug auf Daten, die in den elektromagnetischen Signalen codiert sind, gestattet eine genaue Ableitung von Pseudobereichen bzw. Pseudoentfernungen, wenn die Lage des Empfängers bekannt ist. Auf unter Verwendung des vorangegangenen Verfahrens berechnete Pseudobereiche wird im Zusammenhang mit diesem Dokument als "geschätzte" Pseudobereiche Bezug genommen.
Jedoch sei bemerkt, daß mit Bezug auf das vorangegangene Verfahren zum Ableiten von geschätzten Pseudobereichen die Satellitenpositionsdaten mit dem GPS-Satelliten nur einmal in der Stunde zur vollen Stunde aktualisiert werden. Folglich nimmt ein geschätzter Pseudobereich an Genauigkeit über die Zeit ab, und zwar nach jeder Stunde bis zur nächsten vollen Stunde, wo ein neuer geschätzter Pseudobereich berechnet wird, und zwar unter Verwendung der aktualisierten Satellitenpositionsdaten.
Es sei wieder Bezug auf die Figur 1A der Zeichnungen genommen, wo die Konfiguration des voll betriebsfähigen NAVSTAR-GPS schematisch veranschaulicht ist. Jeder der 24 GPS-Satelliten 132-170 überträgt elektromagnetische Signale, die verwendet werden können, um die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen (d.h. Länge, Breite und Höhe mit Bezug auf den Mittelpunkt der Erde 172).
Insbesondere kann durch das Bekanntsein der relativen Position von zumindest drei der umlaufenden GPS-Satelliten 132-170 die absolute terrestrische Position des Fahrzeugs 102 berechnet werden, und zwar über eine einfache geometrische Theorie, die Triangulationsverfahren umfaßt. Die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung hängt teilweise von der Anzahl der umlaufenden GPS-Satelliten 132-170 ab, die vom Fahrzeug 102 gesampelt bzw. empfangen werden. Das Sampeln bzw. Empfangen von mehr GPS- Satelliten 132-170 in der Berechnung vergrößert die Genauigkeit der terrestrischen Positionsschätzung. Herkömmlicherweise werden vier GPS-Satelliten anstelle von dreien gesampelt bzw. empfangen bzw. aufgenommen, um jede terrestrische Positionsschätzung zu bestimmen, und zwar wegen Fehlern, die durch Schaltungs-Clock- bzw. Schaltungs-Takt-Differenzen zwischen der Schaltung des Fahrzeugs 102 und der verschiedenen GPS-Satelliten 132-170 beigetragen werden.
Beim NAVSTAR-GPS werden elektromagnetische Signale kontinuierlich von allen GPS-Satelliten 132-170 übertragen, und zwar auf einer einzelnen Carrier- bzw. Trägerfrequenz. Jedoch besitzt jeder der GPS-Satelliten 132-170 ein unterschiedliches Modulationsschema, wodurch eine Differenzierung bzw. Unterscheidung der elektromagnetischen Signale gestattet wird. Beim NAVSTAR-GPS wird die Trägerfrequenz unter Verwendung eines Pseudo-Zufalls- Binärcodesignals moduliert (Datenbitstrom), welches für jeden GPS-Satellit einzigartig ist. Das Pseudo-Zufalls Binärcodesignal wird verwendet, um zweiphasig die Trägerfrequenz zu modulieren bzw. eine Zweiphasenmodulation auszuführen. Folglich können die umlaufenden GPS- Satelliten im NAVSTAR-GPS identifiziert werden, wenn die Trägerfrequenzen demoduliert werden.
Darüberhinaus sieht das NAVSTAR-GPS zwei Modulationsmodi bzw. -betriebszustände der Trägerwelle vor, und zwar unter Verwendung eines Pseudo-Zufalls-Zahlsignals (PRN = pseudorandom number). In einem Modus bzw. Betriebszustand, auf den als "coarse/acquisition"-(C/A) bzw. "Grob/Aufnahme"-Modus Bezug genommen wird, ist das PRN- Signal eine Gold-Codesequenz mit einer Chiprate von 1,023 MHz. Die Gold-Codesequenz ist eine wohlbekannte herkömm liche Pseudo-Zufallssequenz in der Technik. Ein Chip ist ein individueller bzw. einzelner Impuls des Pseudo- Zufallcodes. Die Chiprate einer Pseudo-Zufallcodesequenz ist die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der die Chips in der Sequenz erzeugt werden. Folglich ist die Chiprate gleich der Codewiderholungsrate geteilt durch die Anzahl der Glieder im Code. Dementsprechend gibt es mit Bezug auf den coarse/acquisition bzw. Grob/Aufnahme-Modus des NAVSTAR-GPS 1023 Chips in jeder Gold-Codesequenz und die Sequenz wird einmal jede Millisekunde wiederholt. Die Verwendung der 1023 MHz-Gold-Codesequenz von vier umlaufenden GPS-Satelliten ermöglicht, daß die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 mit einer angenäherten Genauigkeit von innerhalb 60 bis 300 Metern bestimmt werden kann.
Der zweite Modulationsmodus bzw. -betriebszustand beim NAVSTAR-GPS wird im allgemeinen als der "präzise" oder "geschützte" bzw. "protected" (P)-Modus genannt. Im P- Modus besitzt der Pseudo-Zufallscode eine Chiprate von 10,23 MHz. Darüberhinaus sind die P-Modussequenzen extrem lang, so daß die Sequenzen sich nicht öfter als einmal alle 267 Tage wiederholen. Als eine Folge kann die terrestrische Position des Fahrzeugs 102 auch innerhalb einer angenäherten Genauigkeit von 16 bis 30 Metern bestimmt werden.
Jedoch sind die P-Modussequenzen klassifiziert und werden nicht von der Regierung der Vereinigten Staaten öffentlich verfügbar gemacht. In anderen Worten ist der P-Modus nur zur Verwendung von Erdempfängern vorgesehen, die von der Regierung der Vereinigten Staaten autorisiert sind.
Damit die Erdempfänger die verschiedenen C/A-Signale von den verschiedenen umlaufenden GPS-Satelliten unterscheiden, weisen die Erdempfänger gewöhnlicherweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Gold-Codequellen auf, um lokal Gold-Codesequenzen zu erzeugen. Jede lokal abgeleitete Gold-Codesequenz entspricht jeder einzigartigen Gold- Codesequenz von jedem der GPS-Satelliten.
Die lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen und die übertragenen Gold-Codesequenzen werden miteinander kreuzbzw. querkorreliert, und zwar über Gold-Codesequenzintervalle von einer Millisekunde. Die Phase der lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen variiert auf einer Basis von Chip zu Chip und dann innerhalb eines Chips, bis die maximale Querkorrelationsfunktion erhalten wird. Da die Kreuz- bzw. Querkorrelation für zwei Gold-Codesequenzen mit eine Länge von 1023 Bits ungefähr 16 mal so groß ist wie die Querkorrelationsfunktion von irgendeiner der anderen Kombinationen von Gold-Codesequenzen, ist es relativ einfach, die lokal abgeleitete Gold-Codesequenz in die gleiche Gold-Codesequenz zu verriegeln bzw. einzuhängen, die von einem der GPS-Satelliten übertragen wurde.
Die Gold-Codesequenzen von zumindest vier der GPS- Satelliten im Blickfeld eines Erdempfängers werden in dieser Weise getrennt, und zwar unter Verwendung eines einzelnen Kanals, der sequentiell bzw. aufeinanderfolgend auf jede der lokal abgeleiteten Gold-Codesequenzen anspricht, oder alternativ unter Verwendung von parallelen Kanälen, die simultan bzw. gleichzeitig auf die verschiedenen Gold-Codesequenzen ansprechen. Nachdem vier lokal abgeleitete Gold-Codesequenzen in Phase mit den Gold- Codesequenzen verriegelt bzw. eingehängt sind, die von vier GPS-Satelliten im Blickfeld des Erdempfängers empfangen werden, kann die Relativposition des Erdempfängers mit einer Genauigkeit von ungefähr 60 bis 300 Metern bestimmt werden.
Die vorangegangene angenäherte Genauigkeit des NAVSTAR- GPS wird durch folgendes beeinträchtigt: (1) Die Anzahl der GPS-Satelliten, die Signale übertragen, auf die der Erdempfänger effektiv anspricht, (2) die variablen Amplituden der empfangenen Signale, und (3) die Größe der Querkorrelationsspitzen bzw. -peaks zwischen den empfangenen Signalen von den unterschiedlichen GPS-Satelliten.
Mit Bezug auf Figur 7 verarbeitet das GPS- Verarbeitungssystem 700 die GPS-Daten von den GPS- Satelliten 132-170 und den Pseudolit-Daten von irgendeinem (irgendwelchen) Pseudolit(en) 105. Darüberhinaus de codiert der GPS-Empfänger 706 die C/A-Signale von den verschiedenen GPS-Satelliten 132-170.
Figur 2 veranschaulicht Navigationsgleichungen 212, die vier GPS-Satelliten 200-206 des NAVSTAR-GPS in Betracht ziehen. Die vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 besitzen jeweilige Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 und weisen die laufende bzw. Ist-Konstellation der GPS- Satelliten 132-170 auf, die vom Fahrzeug 102 erkannt wird.
Die Navigationsgleichungen 212 weisen die Clock- bzw. Taktableitung (Clock-Bias) Cb zwischen den GPS-Satelliten 200-206 und dem Fahrzeug 102 auf. Die Navigationsgleichungen 212 werden verwendet, um die Länge und Breite des Fahrzeugs 102 unter Verwendung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu berechnen.
Wie im Beschreibungsblock 208 gezeigt, überträgt jeder der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 GPS-Daten, die Zeitsteuerungsdaten (GPS-Zeit) und Ephemeriden- bzw. Himmelsstellungsdaten aufweisen. Unter Verwendung der Navigationsgleichungen 212, die in der herkömmlichen Technik wohlbekannt sind, und der vorangegangenen Zeitsteuerdaten können die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 bestimmt werden (tatsächliche Pseudobereiche genannt), und zwar durch das GPS-Verarbeitungssystem 700. Darüberhinaus können die vorangegangenen Ephemeriden- bzw. Himmelsstellungsdaten und Almanach- bzw. Verzeichnisdaten auf der Erde 172 die Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 geschätzt werden (geschätzte Pseudobereiche genannt), und zwar durch das GPS-Verarbeitungssystem.

2. Betrieb

Mit Bezug auf Figur 6 ist eine repräsentative GPS- Konstellation im Betrieb gezeigt. Vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 übertragen GPS-Daten. Sowohl das Fahrzeug 102 als auch die Basisstation 188 empfangen diese Signale von jedem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 auf ihren jeweiligen GPS-Antennen 312 und 316. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden sowohl der C/A-Code und die Trägerfrequenz an den GPS-Antennen 312 und 316 zur Verarbeitung empfangen.
Zusätzlich zu den in der Figur 6 gezeigten vier GPS- Satelliten gibt es den Pseudoliten 105. Der (die) Pseudolit(e) 105 kann (können) strategisch um den Umkreis bzw. Umfang von irgendeiner Minengrube angeordnet werden, und können die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, wie in Figur 6 gzeigt, emulieren bzw. nachbilden. Diese Anordnung kann außerordentlich nützlich in Situationen, wie beispielsweise einer Minengrube, einem Hohlraum oder ähnlichem sein, bei denen Minen- bzw. Bergbaufahrzeuge aus dem Blickfeld von einem oder mehreren der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 sind, und zwar wegen topographischen Merkmalen, wie beispielsweise hohe Minengrubenwände. Der (die) bodenbasiert(e) Pseudolit(e) 105 sieht (sehen) zusätzliche Bereichssignale vor und können somit die Verfügbarkeit und Genauigkeit der Positionsfähigkeit bzw. Positionsbestimmungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung verbessern.
Der (die) Pseudolit(e) 105 ist (sind) mit den GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206 synchronisiert und besitzt (besitzen) eine Signalstruktur, die, obwohl sie unterschiedlich ist, mit den GPS-Satelliten 200, 202, 204, und 206 kompatibel ist. Darüberhinaus wird der Abstand (Bereich) zwischen dem Fahrzeug 102 und dem (den) Pseudolit(e) 105 berechnet, und zwar ähnlich wie der Abstand zwischen dem Fahrzeug 102 und einem der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Mit Pseudolit(en) 105 weist der Bereichsfehler keine ionosphärischen Fehler oder Fehler aufgrund selektiver Verfügbarkeit auf. Jedoch müssen andere Fehler für einen solchen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise troposphärische, Pseudolit-Takt-Fehler und Multipath- bzw. Mehrfachpfadfehler.
Beim Minenbetrieb in einer tiefen Grubenoberfläche kann das Blickfeld bzw. die Sicht des Himmels vom Fahrzeug 102 in der Mine durch die Minenwände begrenzt sein. Folglich kann eine adequate Anzahl von GPS-Satelliten nicht innerhalb des GPS-Verarbeitungssystems 700 sein, um ordnungsgemäß eine erste Positionsschätzung abzuleiten. In einem solchen Fall kann in der vorliegenden Erfindung einer oder mehrere Pseudoliten 105 als Sekundärquellen dienen. Der (die) Pseudolit(e) können am Rand der Mine oder irgendwo sonst angeordnet werden. Der (die) Pseudolit(e) 105 kann (können) vom Fahrzeug 102 in Verbindung mit irgendwelchen sichtbaren GPS-Satelliten verwendet werden, um genaue erste Positionsschätzungen zu erhalten.
Es ist auch vorgesehen, daß andere Formen von Sekundärquellen implementiert bzw. eingerichtet werden, um den GPS-Satelliten zu helfen, oder um vollständig die Notwendigkeit GPS-Daten von den GPS-Satelliten zu empfangen, zu eliminieren. Darüberhinaus kann eine Laser-Abtast- bzw. Laser-Scanning-Technik verwendet werden, um lokalisierte bzw. örtliche Bereichsdaten an das Fahrzeug 102 von einer zweiten Referenzquelle zu geben.
Der Kommunikationskanal 618 stellt die Kommunikationsverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 dar. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Kommunikationskanal 618 eine elektromagnetische Verbindung auf, die von Daten-Radios bzw. -sendern 620 und 622 aufgestellt wird, die Überträger bzw. Transceiver sind. Der Kommunikationskanal 618 wird verwendet, um Daten zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 zu übertragen. Es ist vorgesehen, daß andere Formen von Kommunikationsmedien verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Laser-Abtasttechnik verwendet werden, um Informationen von der Basisstation 188 zum Fahrzeug 102 zu liefern.
Die Daten-Radios bzw. -sender 620 und 622 sind in der Basisstation 188 bzw. im Fahrzeug 102 gelegen. Die Radios 620 und 622 sind zum Datenaustausch zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 verantwortlich. Die ausgetauschte Datenart wird unten weiter besprochen werden.
Ein Radiotransceiver bzw. Radioüberträger, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel geeignet als die Datenradios 620 und 622 funktioniert, ist im Handel von Dataradio Ltd., Montreal, Kanada, unter der Modelnummer DR-48008Z erhältlich.
Mit Bezug auf Figur 7 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines GPS-Verarbeitungssystems 700 gezeigt. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 weist eine GPS-Antenne 702 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die GPS-Antenne 702 das Radiospektrum von elektromagnetischer Strahlung auf. Jedoch bezieht die vorliegende Erfindung auch den Empfang von irgendeinem Signal in Erwägung, durch welches GPS-Satelliten 132-170 Daten codieren könnten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die GPS-Antenne 702 die im Handel erhältiche Antenne mit der Modell-Nummer CA3224 von Chu Associates Inc., Littleton, Massachusetts.
Die GPS-Antenne 702 ist mit einem Vorverstärker 704 gekoppelt, so daß die Signale, die an der GPS-Antenne 702 empfangen werden, zum Vorverstärker 704 übertragen werden können. Der Ausdruck "Koppeln" bzw. "Kupplung" im Zusammenhang mit diesem Dokument bedeutet irgendein System und Verfahren zum Einrichten einer Kommunikation. Das Koppeln von Systemen und Verfahren kann beispielsweise elektronische, optische und/oder Geräusch- bzw. Tontechniken aufweisen, genauso wie andere hier nicht ausdrücklich beschriebene. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Kupplung im allgemeinen elektronisch und entspricht irgendeinem von zahlreichen elektronischen Industriestandard-Interfaces bzw. -Schnittstellen.
Der Vorverstärker 704 verstärkt und konvertiert die GPS Daten herunter, die von der GPS-Antenne 702 empfangen werden, so daß die GPS-Daten verarbeitet oder decodiert werden können. Die vorliegende Erfindung zieht irgendein Verfahren in Erwägung, durch welches die empfangenen Signale verstärkt werden können. Im bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel ist der Vorverstärker 704 der kommerziell bzw. im Handel erhältliche Vorverstärker mit der Modell- Nummer 5300, Serie GPS Rf/IF von Stanford Telecommunications Inc. (Stel), Santa Clara, Kalifornien. Der Vorverstärker 704 ist mit einem GPS-Empfänger 706 gekoppelt. Der GPS-Empfänger 706 verarbeitet die GPS-Daten, die von den GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 im Blickfeld der GPS-Antenne 702 gesendet worden sind. Der GPS-Empfänger 706 berechnet die tatsächlichen Pseudobereiche für jeden der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206. Tatsächliche Pseudobereiche werden in diesem Dokument als eine Schätzung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 definiert, was von der Zeitverzögerung zwischen der Übertragung der elektromagnetischen Signale von dem GPS-Satelliten und dem Empfang der elektromagnetischen Signale durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 abgeleitet wird. Darüberhinaus kann im bevorzugten Ausführungsbeispiel der GPS- Empfänger 706 parallel alle der tatsächlichen Pseudobereiche für die GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 verarbeiten.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt der GPS-Empfänger 706 diese Daten, wenn vier oder mehr GPS-Satelliten sichtbar sind. Unter Verwendung der Differentialkorrekturtechniken, die im Teil II.F.2. dieses Dokumentes beschrieben sind, kann das GPS- Verarbeitungssystem 700 (im GPS-Prozessor 710) die erste Positionsschätzung berechnen, und zwar mit einer Genauigkeit von ungefähr 25 Metern, wenn eine optimale Konstel lation von vier GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206 im Blickfeld ist. Wenn eine optimale Konstellation von fünf GPS-Satelliten (nicht gezeigt) im Sichtfeld ist, kann das GPS-Verarbeitungssystem 700 des bevorzugten Ausführungsbeispiels die erste Positionsschätzung mit einer Genauig keit von ungefähr 15 Metern berechnen. Eine "optimale" Konstellation ist eine, wobei die Relativpositionen der GPS-Satelliten im Raum eine höhere bzw. bessere Triangulationsfähigkeit erfordern, wobei die Triangulationstechnologie in der Technik wohlbekannt ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt der GPS-Empfänger 706 tatsächliche Pseudobereiche aus und die Anzahl der GPS-Satelliten 132-170, die augenblicklich gesampelt bzw. aufgenommen oder empfangen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der gesehenen bzw. empfangenen GPS-Satelliten 132-170 für eine Serie von ersten Positionsschätzungen geringer als vier ist, verwendet die VPS-Gewichtungskombinationsvorrichtung 1204 (siehe Figur 12 und Besprechung) im bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht die ersten Positionsschätzungen, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 empfangen werden (insbesondere vom GPS- Prozessor 710), bei der Berechnung der dritten Positionsschätzung.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der GPS- Empfänger 706 einen Empfänger mit der Modell-Nummer 5305- NSI auf, der im Handel von Stanford Telecommunications Inc. erhältlich ist. Jedoch kann irgendein Empfänger verwendet werden, der fähig ist, tatsächliche Pseudobereiche und die Anzahl der gesampelten bzw. empfangenen GPS- Satelliten zu liefern.
Wegen der verwendeten Empfängerbauart im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Empfänger 706 mit einem GPS- Kommunikationsprozessor 708 gekoppelt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kommunikations- bzw. Interkommunikationsprozessor 708 der kommerziell erhältliche 68000 Mikroprozessor von Motorola Inc., Schaumburg, Illinois, USA. Irgendein Prozessor alleine oder in Kombination mit dem GPS-Empfänger 706 zum Durchführen desselben Zweckes, wie unten bschrieben, kann verwendet werden.
Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 ist weiter mit einem GPS-Prozessor 710 und einer GPS-Konsole 1 712 verbunden. Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 koordiniert den Datenaustausch zwischen diesen drei Vorrichtungen. Insbesondere empfängt der GPS-Kommunikationsprozessor 708 Pseudobereich-Daten vom GPS-Empfänger 706, der sie zum GPS-Prozessor 710 weitergibt. Die Pseudobereichsdaten weisen beispielsweise die tatsächlichen Pseudobereiche auf, die vom GPS-Empfänger 706 berechnet wurden, die Zahl der GPS-Satelliten 200, 202, 204 und 206, die laufend bzw. gegenwärtig vom GPS-Empfänger 706 gesehen werden und andere GPS-Daten, die vom GPS-Prozessor 710 benötigt werden, um die geschätzten Pseudobereiche für jeden der GPS- Satelliten 200, 202, 204 und 206 zu berechnen. Der GPS- Interkommunikations- bzw. GPS-Kommunikationsprozessor 708 überträgt auch Statusinformation, die den GPS-Empfänger 706 und den GPS-Prozessor 710 betreffen, auf die GPS- Konsole 1 712.
Der GPS-Kommunikationsprozessor 708 überträgt die obige Information zum GPS-Prozessor 710. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der GPS-Prozessor 710 den 68020 Mikroprozessor auf, der im Handel von Motorola Inc. erhältlich ist. Figur 8 ist ein Low-Level-Flußdiagramm 800, welches die Funktion der Software im GPS-Prozessor 710 veranschaulicht.
Der GPS-Prozessor 710 verwendet eine Anzahl von Algorithmen und Verfahren, um die Daten zu verarbeiten, die er empfängt, einschließlich beispielsweise eines GPS-Kalman- Filters 802, der in Figur 8 gezeigt ist. Der Kalman- Filter 802 ist in der herkömmlichen Technik wohlbekannt, Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der GPS-Kalman- Filter 802 ein Modul in der Software des GPS-Prozessors 710.
Teilweise ist es die Funktion des Kalman-Filters 802, Rauschen bzw. Störungen auszufiltern, die mit den Pseudobereichsdaten assoziiert sind. Das Rauschen kann beispielsweise ionosphärisches, Takt- bzw. Clock- und/oder Empfängerrauschen aufweisen. Der GPS-Kalman-Filter 802 des Host-Verarbeitungssystems 186 in der Basisstation 188 berechnet räumliche und Clock- bzw. Takt-Ableitungen, die beide an das Fahrzeug 102 übertragen werden, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen zu vergrößern (wie im Teil II.F.2. dieses Dokumentes besprochen). Im Gegensatz dazu zieht der GPS-Kalman-Filter 802 im Fahrzeug 102 die räumlichen und Takt-Ableitungen in Betracht, die von der Basisstation 188 empfangen werden.
Der GPS-Kalman-Filter 802 funktioniert in einer semi- adaptiven bzw. halb-adaptiven Weise. In anderen Worten, der GPS-Kalman-Filter 802 modifiziert automatisch seine Schwelle der annehmbaren Datenstörungen, und zwar abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 102. Der Ausdruck "Störung" im Zusammenhang mit diesem Dokument bezieht sich auf eine Abweichung von einem ordnungsgemäßen bzw. regelmäßigen Kurs. Das semi- bzw. halb-adaptive Funktionieren des GPS-Kalman-Filters 802 optimiert das Ansprechen und die Genauigkeit der vorliegenden Erfindung.
Im allgemeinen, wenn das Fahrzeug 102 seine Geschwindigkeit um ein spezielles Ausmaß erhöht, wird der GPS- Kalman-Filter 802 seine Rauschakzeptanzschwelle anheben. Genauso, wenn das Fahrzeug 102 seine Geschwindigkeit um ein festgelegtes Ausmaß verringert, wird der GPS-Kalman- Filter 802 seine Rauschakzeptanzschwelle senken. Diese automatische Optimierungstechnik der vorliegenden Erfindung liefert den höchsten Genauigkeitsgrad unter sowohl Bewegungs- als auch Stationärzuständen.
Für den besten Weg der vorliegenden Erfindung variiert die Schwelle des GPS-Kalman-Filter 802 nicht kontinuier lich oder in sehr kleinen getrennten Intervallen. Vielmehr sind die Intervalle größere getrennte bzw. diskrete Intervalle und daher weniger genau als ein kontinuierlich varuerender Filter. Jedoch ist der GPS-Kalman-Filter 802 der vorliegenden Erfindung leicht zu implementieren bzw. vorzusehen, kostengünstiger und erfordert weniger Berechnungszeit als mit einem kontinuierlich variierenden Filter. Jedoch sei bemerkt, daß die Verwendung eines kontinuierlich variierenden Filters möglich ist und daß es beabsichtigt ist, sie hierin einzuschließen.
Zum Betrieb muß dem GPS-Kalman-Filter 802 ein Anfangswert beim Systemstart gegeben werden. Vom Anfangswert und von den GPS-Daten, die vom GPS-Empfänger 706 gesammelt werden, extrapoliert der GPS-Kalman-Filter 802 einen laufenden bzw. Ist-Zustand (der die erste Positionsschätzung und die Fahrzeuggeschwindigkeit für Nordrichtung, Ostrichtung und Höhe aufweist). Der GPS-Kalman-Filter 802 arbeitet in einer zyklischen Weise. In anderen Worten, es wird angenommen, daß der extrapolierte laufende bzw. Ist- Zustand der Anfangswert für die nächste Iteration ist. Er wird kombiniert/gefiltert mit neuen GPS-Daten (einer Aktualisierung), um einen neuen laufenden bzw. Ist-Zustand abzuleiten.
Die Weise, in der die GPS-Daten verwendet werden, hängt von einer zuvor gespeicherten Datei ab, die Steuerdatei 820 genannt wird. Die Steuerdatei 820 wird folgendes bestimmen: (1) Die Rauschschwelle, (2) die Ansprechgeschwindigkeit, (3) die Anfangszustände von Fahrzeugposition und -geschwindigkeit, (4) das Ausmaß der Abweichung, bevor ein Reset bzw. Rücksetzen des GPS-Kalman-Filters 802 auftritt, (5) die Anzahl der gestatteten schlechten Messungen und/oder (6) die Zeit, die zwischen Messungen verteilt wird.
Der GPS-Prozessor 710 berechnet dann die geschätzten Pseudobereiche, die erste Positionsschätzung und die Fahrzeuggeschwindigkeit (von der Doppler-Verschiebung), und zwar unter Verwendung des obigen laufenden bzw. Ist- Zustandes und von irgendwelchen Ableitungen einschließlich der Clock-Ableitungen und der räumlichen Ableitungen. Jedoch legt der GPS-Prozessor 710 die berechneten Geschwindigkeitsdaten ab, wenn der C/A-Code anstelle der Trägerfrequenz durch den GPS-Empfänger 706 verwendet wird, um die Fahrzeuggeschwindigkeit abzuleiten. Die Erklärung zum Ablegen der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, daß experimentelle Ergebnisse gezeigt haben, daß sie nicht adäquat genau ist, wenn sie vom C/A-Code abgeleitet wird.
Fahrzeuggeschwindigkeiten, die von der Trägerfrequenz abgeleitet werden (Doppler-Verschiebung) sind viel genauer als die Geschwindigkeiten, die vom C/A-Code abgeleitet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die erste geschätzte Position (und die Fahrzeuggeschwindigkeit, wenn sie von der Trägerfrequenz abgeleitet wird) im GPS- Signal 716 codiert und werden an den VPS-Hauptprozessor 1002 gesandt, der in Figur 10 gezeigt ist.
Wie zuvor besprochen, analysiert der GPS-Prozessor 710 sowohl die Trägerfrequenz als auch den C/A-Code. Anders als Daten, die vom C/A-Code demoduliert werden, können Daten von der Trägerfrequenz durch den GPS-Empfänger 706 bei ungefähr 50 Hz wiederaufgefunden bzw. aufgenommen werden (nicht ungefähr 2 Hz, wie es der Fall für die Demodulierung eines C/A-Codes ist). Diese vergrößerte Geschwindigkeit gestattet es der vorliegenden Erfindung, genauere Positions- und Geschwindigkeitsbestimmungen mit einem geringeren Fehler zu erzeugen.
Figur 8 veranschaulicht andere Funktionen des GPS- Prozessors 710 im bevorzugten Ausführungsbeispiel. Jedoch zieht die vorliegende Erfindung irgendein Verfahren in Erwägung, durch welches GPS-Daten verarbeitet werden können, um Pseudobereiche zu bestimmen. Wie in einem Flußdiagrammblock 816 gezeigt, steuert eine Konsolenfunktion den Betrieb der GPS-Konsole 2. Die Konsolenfunktion reguliert den Betrieb des GPS-Kalman-Filters 802 durch das Vorsehen eines Bedienerinterfaces bzw. einer Bedienerschnittstelle in den Filter.
Die VPS-Kommunikationsfunktion 818 steuert die Ausgänge bzw. Ausgangsgrößen des GPS-Kalman-Filters 802, die an das VPS 1000 geleitet werden. Im Flußdiagrammblock 806 ist gezeigt, daß der GPS-Kalman-Filter 802 Daten vom GPS- Empfänger 706 anfordert und decodiert, wobei diese Daten durch eine IPROTO-Funktion 804 geleitet werden, wie bei einem Flußdiagrammblock 806 gezeigt.
Wie gezeigt, residiert bzw. liegt die IPROTO-Funktion 804 im GPS-Kommunikationsprozessor 708 und führt Aufgaben aus, die mit dem GPS-Kommunikationsprozessor 708 assozilert sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die IPROTO-Funktion 804 das Modell Nr. XVME-081, welches im Handel von Xycom Inc. erhältlich ist.
Wie bei einem Flußdiagrammblock 810 gezeigt, treten die Daten, die über den Kommunikationskanal 618 übertragen werden, in die IPROTO-Funktion 804 ein. Viele dieser Daten sind letztendlich für den GPS-Kalman-Filter 802 bestimmt. Die bei einem Flußdiagrammblock 808 gezeigte Kommunikationsmanagerfunktion koordiniert die hereinkommenden Daten von der IPROTO-Funktion. Die Kommunikationsmanagerfunktion 808 koordiniert auch die Daten, die von einer ICC-Funktion empfangen werden, die in einem Flußdiagrammblock 812 gezeigt ist. Die ICC-Funktion 812 tauscht Daten mit dem Datenradio 714 aus (über die GPS-Inter kommunikations- bzw. GPS-Kommunikationsprozessoren 720) und mit der GPS-Datensammelvorrichtung 718 , wie gezeigt.
Die GPS-Konsole 712 ist in der Technik wohlbekannt. Viele Bauarten von Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, die die gewünschte Funktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel erhältlich on Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusett , unter der Model-Nr. VT220. Die GPS-Konsole 712 bilde Prozessoraktivitätsdaten ab, die den GPS-Kommunikationsprozessor 708 und den GPS- Prozessor 710 betreffen.
Der GPS-Prozessor 710 ist mit einer GPS-Konsole 722 und einem GPS-Kommunikationsinterface- bzw. GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 gekoppelt. Die GPS- Konsole 722 ist in der Technik wohlbekannt. Viele Bauarten von Vorrichtungen sind im Handel erhältlich, die die gewünschte Konsolenfunktion vorsehen. Eine solche Vorrichtung ist im Handel erhältlich von Digital Equipment Corporation, Maynard, Massachusetts, unter der Model-Nr. VT220. Die GPS-Konsole 722 sieht das Bedienerinterfacebzw. die Bedienerschnittstelle vor, von der der GPS- Prozessor 710 aktiviert und überwacht werden kann. Der GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 ist im wesentlichen ein I/O- bzw. Eingabe/Ausgabe-Board. Es ist mit einem Datenradio 714 und einer GPS-Datensammelvorrichtung 718 gekoppelt. Der GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem GPS-Prozessor 710 und sowohl dem Datenradio 714 als auch der GPS-Datensammelvorrichtung 718. Der Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720 im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Modell Nr. MVME331, welches von Motorola Inc. USA, im Handel erhältlich ist.
Das Datenradio 714 richtet eine Kommunikationsverbindung zwischen dem GPS-Prozessor 710 beim Fahrzeug 102 (durch den GPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 720) und einem ähnlichen Datenradio 714 ein, welches bei der Ba-30 sisstation 188 gelegen ist (siehe Figur 6). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kommuniziert das Datenradio 714 synchron bei 9600 Baud unter Verwendung von RF-Frequenzen (Radiofrequenz bzw. Hoch-Frequenz) Das Datenradio 714 an der Basisstation 188 liefert periodische Aktualisierungen des Ausmaßes an räumlicher Ableitung und Takt-Ableitung für jeden Satelliten an das Datenradio 714 beim Fahrzeug 102, und zwar mit einer Rate von 2 Hz (zweimal pro Sekunde). Räumliche und Clock-Ableitungen, die von der Basisstation 188 berechnet werden, werden unten weiter besprochen werden.
Die GPS-Datensammelvorrichtung 718 kann irgendeine von zahlreichen herkömmlichen elektronischen Verarbeitungsund Speichervorrichtungen sein, wie beispielsweise ein Desktop-Computer. Irgendein Personal Computer (PC), der von der International Business Machines Corporation (IBM), Boca Raton, Florida, USA, hergestellt wird, kann implementiert bzw. verwendet werden.

C. Bewegungspositionierungssystem (MPS)

Das MPS 900 (MPS = motion positioning system) des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Figur 9 veranschau licht . Das MPS 900 leitet die zweite Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 ab. Gewöhnlicherweise wird diese zweite Positionsschätzung mit der ersten Positionsschätzung kombiniert und gefiltert, um dadurch eine genauere dritte Positionsschätzung abzuleiten. Jedoch ist es vorgesehen, daß in manchen Beispielen die zweite Positionsschätzung exclusiv bzw. außerordentlich als dritte Positionsschätzung verwendet werden kann, wenn die erste Positionsschätzung für vollkommen ungenau gehalten wird.
Für das MPS 900 sieht das bevorzugte Ausführungsbeispiel die Kombination des Wegmessers 902 und der IRU 904 vor. Jedoch könnte die IRU 904 ohne den Wegmesser 902 verwendet werden. Der Wegmesser und die IRU 904 sind an einen MPS-Kommunikationsprozessor 906 gekoppelt, um dadurch das MPS 900 aufzuweisen bzw. vorzusehen. IRUs und Wegmesser sind in der Technik wohlbekannt und sind im Handel erhältlich, und zwar von Honeywell Inc., Minneapolis, Minnesota, unter der Modell-Nr. HG1050-SR01 bzw. von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, unter der Teil-Nr. 7T6337.
Die IRU 904 weist Ring-Laser-Gyroskope und Beschleunigungsmesser von bekannter Konstruktion auf. Die IRU 904, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist eine Replik bzw. Nachbau des Systems, das von den Boeing 767-Flugzeugen verwendet wird, um die Flugzeugposition zu bestimmen, außer daß die IRU 904 modifiziert worden ist, um den geringen Dynamiken bzw. dynamischen Effekten (beispielsweise Geschwindigkeit) Rechnung zu tragen, die das Fahrzeug 102 relativ zu denen eines 767- Flugzeugs zeigt.
Die IRU 904 kann die Fahrzeugposition bei 5 Hz, die Geschwindigkeit bei 10 Hz, die Längsneigung bei 50 Hz, die Höhe bei 50 Hz und die Neigungsdaten bei 50 Hz ausgeben. Darüberhinaus kann der Fahrzeugswegmesser 902 im bevorzugten Ausführungsbeispiel die vom Fahrzeug 102 gefahrene Distanz bei 20 Hz ausgeben.
Den Laser-Gyroskopen der IRU 904 muß, damit sie ordentlich funktionieren, zuerst eine Schätzung der Länge, Breite und Höhe des Fahrzeugs 102 gegeben werden. Unter Verwendung dieser Daten als eine Grundlinienpositionsschätzung verwenden die Gyroskope dann eine vorbestimmte Kalibrierung in Verbindung mit Kräften, die mit der Drehung der Erde 172 assoziiert sind, um eine Schätzung der laufenden bzw.Ist-Position des Fahrzeugs 102 zu bestimmen.
Diese Information wird dann durch die IRU 904 mit den Daten kombiniert, die von den Beschleunigungsmessern der IRU 904 aufgenommen wurden, um eine genauere zweite Positionsschätzung der Fahrzeug-Ist-Position zu erzeugen. Die zweite Positionsschätzung von der IRU 904 und den Daten vom Fahrzeugwegmeser 902 werden an den MPS- Kommunikationsprozessor 906 übertragen, wie durch die jeweiligen Pfeile 910 und 908 der Figur 9 gezeigt. Der Pfeil 114 der Figur 1 umfaßt die Pfeile 908 und 910.
Bei Experimenten ist bestimmt worden, daß die IRU 904 irrtümliche Schätzungen der zweiten Position des Fahrzeugs 102 liefern kann, und zwar aufgrund von unpräzise zusammengestellten Teilen. Insbesondere ist im bevorzug ten Ausführungsbeispiel beobachtet worden, daß die direkte Ausgabe der IRU 904 entgegen des Uhrzeigersinns von der Nordrichtung während des Betriebes abgedriftet ist. Die Drift bzw. Abweichung hängt von der Richtung ab, in welcher das Fahrzeug 102 und folglich die IRU 904 fährt bzw. läuft.
Darüberhinaus kann die Abweichung bzw. Drift durch eine IRU-Abweichungsgleichung definiert werden. Die IRU- Abweichungsgleichung kann ähnlich der Konstruktion der Pfadgleichungen abgeleitet werden, die mit Bezug auf die Technik mit gewichteter Pfadhistorie bzw. Pfadverlauf beschrieben sind (Teil II.H.) oder ähnlich der Konstruktion der parabolischen Gleichungen, die mit Bezug auf die parabolische Ableitungstechnik beschrieben sind (Teil II.F.2.b.). Nachdem sie abgeleitet worden ist, kann die IRU-Drift- bzw. IRU-Abweichungsgleichung verwendet werden, um genauere zweite Positionsschätzung zu extrapolieren.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Kommunikationsprozessor 1002 den im Handel erhältlichen 68000 Mikroprozessor von Motorola Inc. auf. Der Kommunikationsprozessor 1002 koordiniert den Datenaustausch zwischen dem MPS 900 und dem VPS 1000. Irgendein Prozessor mit einer ähnlichen Funktion bzw. Funktionsweise, wie hier beschrieben, kann verwendet werden.

D. Fahrzeugpositionierungssystem (VPS)

Mit Bezug auf Figur 10 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Architektur des VPS 1000 (VPS = vehide positioning system Fahrzeugpositionierungs- bzw. Fahrzeugpositionsbestimmungssystem) abgebildet. Figur 11 zeigt im Detail ein Diagramm des VPS 1000, und zwar verbunden mit dem GPS-Verarbeitungssystem 700 und dem MPS 900.
Das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 sind unabhängig mit dem VPS-Hauptprozessor 1002 gekoppelt. Die unabhängige Kupplung ist ein wichtiges neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. Da sie unabhängig sind, wird das Versagen eines der Systeme nicht bewirken, daß das andere außer Betrieb gerät. Wenn somit das GPS-Verarbeitungssystem 700 nicht im Betrieb ist, können immer noch Daten vom MPS 900 gesammelt und verarbeitet werden und folglich auch vom VPS 1000. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 übertragen Signale 716, 908, 910 an den VPS-Hauptprozessor 1002, wie gezeigt. Diese Signale enthalten Positions-, Geschwindigkeits-, Zeit-, Höhen-, Längsneigungs- bzw. Roll-, Neigungs- bzw. Gierungs- und Distanzdaten (siehe Figur 7 und 9 und die assoziierten Besprechungen).
Der VPS-Hauptprozessor 1002 ist mit dem VPS I/O-Prozessor 1004 gekoppelt. Der VPS-Hauptprozessor 1002 überträgt ein Signal 1008 an einen VPS I/O-Prozessor 1004, wie gezeigt. Das Signal 1008 weist die dritte Positionsschätzung auf. Die dritte Positionsschätzung wird von den GPS-, IRU- und Wegmesserdaten abgeleitet, wie oben bemerkt und insbesondere den ersten und zweiten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102.
Die vorliegende Erfindung zieht irgendein System und irgendein Verfahren in Bewegung, durch welches die Signale, die durch die Pfeile 716, 908 und 910 angezeigt sind, vom VPS-Hauptprozessor 1002 des GPS-Verarbeitungssystems 700 und vom MPS-System 900 empfangen werden können und an den VPS-Hauptprozessor 1002 geliefert werden können. Der VPS- Hauptprozessor 1002 ist der 68020 Mikroprozessor, der von Motorola Inc., USA, im Handel erhältlich ist.
Figur 12 ist ein Zwischenniveaublockdiagramm 1200 eines VPS-Hauptprozessors 1002 der Figur 10, welches einen VPS Kalman-Filter 1202 und eine gewichtete Kombinationsvorrichtung bzw. Gewichtungskombinationsvorrichtung 1204 zeigt. Wie gezeigt, werden das GPS-Signal 716 und das Wegmessersignal 908 direkt an eine gewichtete Kombinationsvorrichtung bzw. Gewichtungskombinationsvorrichtung 1204 übertragen. Das IRU-Signal 910 wird in einen VPS- Kalman-Filter 1202 übertragen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das GPS-Signal 716 mit einer Rate von 2Hz übertragen. Das Wegmessersignal 908 wird mit einer Rate von 20 Hz übertragen. Darüberhinaus wird das IRU- Signal 910, welches die zweite Positionsschätzung beinhaltet, mit einer Rate von 50 Hz übertragen.
Der VPS-Kalman-Filter 1202 verarbeitet das IRU-Signal 910, filtert Fremdrauschen aus den Daten und gibt die verarbeiteten Daten an die gewichtete Kombinationsvorrichtung 1204 aus. Weiter empfängt der VPS-Kalman-Filter 1202 ein Signal von der gewichteten Kombinationsvorrichtung 1204, wie durch einen Pfeil 1208 gezeigt, welche verwendet wird, um den VPS-Kalman-Filter 1202 mit neuer Positionsinformation zurückzusetzen.
Die gewichtete Kombinationsvorrichtung 1204 verarbeitet die Signale und gibt einen vorbestimmten Gewichtungsfaktor für alle Daten aus, und zwar basierend auf der geschätzten Genauigkeit der verwendeten Datensammeltechnik. Somit wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel die erste Positionsschätzung des GPS-Signals 716 schwerer gewichtet als die zweite Positionsschätzung des IRU-Signals 910. Der Grund für dieses Gewichtungsschema ist, daß die erste Positionsschätzung inherent bzw. innewohnend genauer ist als die zweite Positionsschätzung von der IRU 904.
Jedoch kann die Geschwindigkeit genauer von der IRU bestimmt werden. Daher kann die Geschwindigkeitskomponente des IRU-Signals 910 schwerer gewichtet werden als die Geschwindigkeitskomponente des GPS-Signals 716. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Geschwindigkeitskomponente des IRU-Signals 910 ausschließlich von der Geschwindigkeitskomponente des GPS-Signals 716 verwendet.
Die gewichtete Kombinationsvorrichtung bzw. Gewichtungskombinationsvorrichtung 1204 erzeugt eine Ausgangsgröße 1206 bei 20 Hz. Die Ausgangsgröße 1206 enthält alle berechneten Daten und wird an zwei Stellen gesandt: den VPS-Kalman-Filter 1202, wie durch einen Pfeil 1208 gezeigt, und an den VPS I/O-Prozessor 1004, wie von Pfeil 1008 gezeigt. Die Ausgangsgröße 1206 enthält Zeitinformation, mit Bezug auf die GPS-Satelliten. Die Ausgangsgröße 1206 enthält weiter Information bezüglich der Fahrzeugposition, Geschwindigkeit, Gierung, Höhe und Längsneigung. Schließlich sei bemerkt, daß die VPS-Ausgangsgröße 1206 die dritte Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 aufweist.
Eine weitere Ausgabe, die bei einem Pfeil 1008 von der gewichteten Kombinationsvorrichtung 1204 gezeigt ist, enthält nur Geschwindigkeitsdaten, die sich auf das Fahrzeug 102 beziehen. Geschwindigkeitsdaten werden an das GPS-Verarbeitungssystem 700 vom VPS-Hauptprozessor 1002 gesandt. Die Geschwindigkeitsdaten werden verwendet, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung zu vergrößern, wie im folgenden besprochen wird.
Die vorliegende Erfindung zieht irgendein System und ein Verfahren in Erwägung, durch welches die Signale 716, 908 und 910 im VPS-Hauptprozessor 1002 gemäß der oben erwähnten Verarbeitungsschritte verarbeitet werden können. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der VPS-Hauptprozessor 1002 der 68020 Mikroprozessor, welcher im Handel von Motorola, Inc., USA, erhältlich ist.
Figur 12A veranschaulicht einen Super-Kalman-Filter 1200A der vorliegenden Erfindung. Der Super-Kalman-Filter 1200A ist ein System und ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten, um die Genauigkeit von Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 zu vergrößern. Insbesondere vergrößert der Super-Kalman-Filter direkt die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung. Dementsprechend wird die Genauigkeit der dritten Positionsschätzung indirekt verbessert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Super-Kalman- Filter 1200A eine Software innerhalb der Architekturen des GPS-Verarbeitungssystems 700 in Figur 7 und dem VPS 1000 in Figur 10 auf. Es ist vorgesehen, daß der Super- Kalman-Filter 1200A in Hardware bzw. Schaltungen konstruiert sein könnte, beispielsweise in einer integrierten Schaltung, einem optischen Filter oder ähnlichem.
Wie vom Pfeil 1210 gezeigt, empfängt der GPS-Kalman- Filters 802 Daten von einem terrestrischen Positionsbe stimmungssystem, welches beispielsweise GPS-Daten und/oder Pseudolit-Daten aufweisen könntew Der GPS- Kalman-Filters 802 arbeitet mit den Daten und gibt eine erste Positionsschätzung (FPE = first position estimate) aus, wie vom Pfeil 716 angezeigt.
Wie vom Pfeil 910 gezeigt, empfängt der VPS-Kalman-Filter 1202 MPS-Daten vom MPS 900. Der VPS-Kalman-Filter arbeitet mit den MPS-Daten und gibt die zweite Positionsschätzung (SPE = second position estimate) aus.
Die gewichtete Kombinationsvorrichtung 1204 empfängt die FPE bzw. erste Positionsschätzung und die SPE bzw. zweite Positionsschätzung, wie durch die jeweiligen Pfeile 716 und 1210 angezeigt. Die gewichtete Kombinationsvorrichtung 1204 gibt die Geschwindigkeit 1018 des Fahrzeugs 102 an den GPS-Kalman-Filter 802 aus. Der GPS-Kalman-Filter 802 paßt sich folgend der Geschwindigkeit 1018 des Fahrzeugs an, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung beim Pfeil 716 zu vergrößern.
Der GPS-Kalman-Filter 802 kann ausgelegt bzw. konstruiert sein, um sich in diskreten bzw. getrennten Zeitintervallen anzupassen, oder um sich kontinuierlich anzupassen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel paßt sich der GPS- Kalman-Filter 802 in diskreten Zeitintervallen an, und zwar aufgrund einer Balance zwischen Kosten und Leistung.
Es ist vorgesehen, daß nur ein Kalman-Filter (nicht gezeigt) vorgesehen werden könnte, um ein genaues terrestrisches Positionsbestimmungssystem vorzusehen. Insbesondere ist es möglich, daß man das GPS-Verarbeitungssystem 700 und das MPS 900 (mit einem Geschwindigkeitsmesser 902 und/oder einer IRU 904) nur mit einem Kalman Filter verbinden kann, der die dritte Positionsschätzung ableitet. Jedoch würde eine solche Konfiguration nicht alle der vorteilhaften Attribute bzw. Merkmale wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel besitzen.
Der Super-Kalman-Filter der Figur 12 und 12A besitzt die vorteilhaften Attributte bzw. Merkmale von sowohl einem einzelnen Kalman-Filter als auch von getrennten Kalman- Filtern. Wie konfiguriert, können der GPS-Kalman-Filter 710 und der VPS-Kalman-Filter 1202 kontinuierlich Daten austauschen und dadurch die Genauigkeit der ersten und zweiten Positionsschätzungen vergrößern. Folglich werden die dritten Positionsschätzungen verbessert. In gewisser Weise liegt ein einzelnes Kalman-Filter-System zwischen dem letztendlichen Ausgang bzw. der Ausgabe der dritten Positionsschätzung und den eingegebenen Positionsdaten.
In einer anderen Weise wirken der GPS-Kalman-Filter 710 und der VPS-Kalman-Filter 1202 vollständig als getrennte unabhängige Filter. Wenn beispielsweise entweder GPS- Daten oder MPS-Daten verfärbt bzw. verrauscht sind, dann können die verfärbten Daten ganz oder teilweise durch die gewichtete Kombinationsvorrichtung 1204 mißachtet bzw. nicht beachtet werden, ohne die Genauigkeit der nicht verfärbten Daten zu beeinträchtigen. In einem System, welches einen einzelnen Kalman-Filter verwendet, wird die letztendliche Ausgabe oder dritte Positionsschätzung im wesentlichen ungenau sein, wenn die GPS-Daten oder die MPS-Daten wesentlich verfärbt bzw. verfälscht sind.
Mit Bezug auf Figur 10 ist der VPS I/O-Prozessor 1004 mit einem VPS-Kommunikations-Schnittstellenprozessor 1020 gekoppelt. Der Kommunikations-Schnittstellenprozessor 1020 ist der MVME33I-Prozessor, der von Motorola, Inc., USA, im Handel erhältlich ist. Irgendein Prozessor, der denselben Zweck wie unten beschrieben durchführt, kann verwendet werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der VPS- Kommunikations-Schnittstellenprozessor 1020 mit drei unterschiedlichen Vorrichtungen gekoppelt: (1) einer VPS- Konsole 1012, (2) einer Datensammelvorrichtung 1014 und (3) dem Navigationssystem 1022. Der VPS-Kommunikations- Schnittstellenprozessor 1020 leitet die Daten, einschließlich der dritten Positionsschätzung, die in der Ausgabe bzw. Ausgangsgröße 1016 enthalten sind an die obigen drei Vorrichtungen mit einer Rate von 20 Hz.
Die VPS-Konsole 1012 ist in der Technik wohlbekannt und ist von Digital Equipment Corporation, Minneapolis, Minnesota, unter der Model-Nr. VT220 erhältlich. Diese VPS- Konsole 1012 wird verwendet, um den Ist-Zustand des VPS I/O-Prozessors 1004 abzubilden.
Die VPS-Datensammelvorrichtung 1014 kann irgendeine von zahlreichen im Handel erhältlichen elektronischen Verarbeitungs- und Speichervorrichtungen sein, beispielsweise ein Desktop PC. Irgendein Macintosh PC von Apple Computer, Cupertino, Kalifornien, erhältlich, kann erfolgreich verwendet werden, um diesen Zweck zu erreichen.
Das Navigationssystem 1022 weist die mit der Navigation des Fahrzeugs 102 assoziierten Merkmale auf. Das VPS 1000 überträgt die dritte Positionsschätzung an das Navigationssystem 1022, so daß das Navigationssystem 1022 genau und sicher das autonome bzw. automatische Fahrzeug 102 leiten kann.

E. Basisstation

Mit Bezuug auf Figur 7 weist das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 das GPS-Verarbeitungssystem 700 der Figur 7 auf. Die Zwecke bzw. Aufgaben des Host- Verarbeitungssystems 186 an der Basisstation 188 sind folgende: (1) Überwachen des Betriebs des Fahrzeugs 102, (2) Vorsehen eines bekannten terrestrischen Referenzpunktes, von dem räumliche Ableitungen (siehe Differentialableitungstechniken, Teil II.F.2.) erzeugt werden können, und (3) Vorsehen bzw. Liefern irgendeiner anderen Information an das Fahrzeug 102, falls nötig, und zwar über den Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikationskanal 618.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisstation 188 nahe des Fahrzeugs 102 gelegen sein, vorzugsweise innerhalb von 20 Meilen. Die enge geographische Beziehung wird eine effektive bzw. wirksame Radiokommunikation bzw. Funkverbindung zwischen der Basisstation 188 und dem Fahrzeug 102 über den Kommunikationskanal 618 vorsehen. Sie wird auch einen genauen Referenzpunkt vorsehen zum Vergleichen der Satellitenübertragungen, die vom Fahrzeug 102 empfangen werden mit jenen, die von der Basisstation 188 empfangen werden.
Ein geographischer naher Referenzpunkt wird benötigt, um ordnungsgemäße bzw. genaue räumliche Ableitungen zu berechnen. Räumliche und Clock- bzw. Taktableitungen sind effektiv das Allgemeinmodus- bzw. Gesamtrauschen, das inherent bzw. innewohnend in dem NAVSTAR-GPS und dem GPS- Verarbeitungssystem 700 existiert. Sobald sie in der Basisstation 188 berechnet worden sind, werden die räumlichen bzw. Raum- und Clockableitungen dann an das Fahrzeug 102 unter Verwendung des Datenradius 714 gesandt, wie in Figur 7 gezeigt. Die räumlichen Ableitungen werden unter Verwendung verschiedener Verfahren berechnet, die unten weiter besprochen werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung koordiniert das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 weiter die autonomen bzw. eigenständigen Aktivitäten des Fahrzeugs 102 und bietet eine Schnittstelle für das VPS 1000 mit den menschlichen Überwachern.

F. Satellitenbasierte Genauigkeitsverbesserungen

Die vorliegende Erfindung verbessert die Genauigkeit der Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 über eine Anzahl von Differentialkorrekturtechniken. Diese Differentialableitungstechniken werden verwendet, um die ersten, zweiten und dritten Positionsschätzungen zu verbessern.
Mehrere dieser Differentialkorrekturtechniken sind dazu ausgelegt, direkt Fehler (Rauschen oder Interferenzen) bei der Berechnung der Pseudobereiche R0, R2, R4 und R6 zu entfernen (sowohl tatsächliche als auch geschätzte Pseudobereiche). Die Entfernung dieser Fehler hat eine präzisere erste Positionsschätzung zur Folge, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 an das VPS 1000 ausgegeben wird, und schließlich hat sie eine präzisere dritte Positionsschätzung zur Folge, die vom VPS 1000 an das Navigationssystem 1022 ausgegeben wird.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Host- Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 für die Ausführung dieser Differential- bzw. Unterschiedstechniken verantwortlich und zum Liefern der Ergebnisse an das Fahrzeug 102. Es sei daran erinnert, daß das Host- Verarbeitungssystem 186 das GPS-Verarbeitungssystem 700 ebenso wie das Fahrzeug 102 aufweist. Der Ausdruck "Differential" wird verwendet, da die Basisstation 188 und das Fahrzeug 102 ein unabhängiges, jedoch im wesentlichen identisches GPS-Verarbeitungssystem 700 verwenden. Weiterhin, da die Basisstation 188 stationär ist und ihre Absolutposition bekannt ist, dient sie als ein Referenzpunkt, von dem elektronische Fehler (Rauschen oder Inter ferenz) und andere Phänomen- bzw. abweichungserzeugende Fehler zu messen sind.

1. Konstellationseffekte

Figur 13 ist ein Flußdiagramm 1300 des Konstellationseffektverfahrens zum Verbessern der Genauigkeit von ersten Positionsschätzungen im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann im GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 implementiert bzw. eingerichtet werden. Alternativ kann das Verfahren im Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 eingerichtet werden. Im letzteren Fall würde die durch das Verfahren bestimmte Information darauffolgend an das Fahrzeug 102 übermittelt werden, und zwar zur geeigneten Verbesserung der ersten Positionsschätzungen.
Das Flußdiagramm 1300 zeigt ein Verfahren zum Auswählen der besten Satellitenkonstellation im Blick bzw. Blickfeld der GPS-Antenne 702. Für das Fahrzeug 102 können viele der GPS-Satelliten 132-170 im Blickfeld der GPS- Antenne 702 sein. Nur ein Untersatz bzw. ein Teil dieser Satelliten wird ausgewählt, um eine spezielle Konstella tion aus irgendeiner Anzahl von Satelliten zu bilden (zumindest vier im bevorzugten Ausführungsbeispiel).
Im wesentlichen wird die "beste" oder "optimale" Konstellation, basierend auf geometrischen Betrachtungen ausgewählt. Die Lage im Raum der GPS-Satelliten 132-170 im Blickfeld der GPS-Antenne und der vorgesehene bzw. geplante Pfad des Fahrzeugs 102 werden in Betracht gezogen, wie im Detail unten besprochen werden wird.
Das Flußdiagramm 1300 beginnt mit einem Flußdiagrammblock 1302. Im Flußdiagrammblock 1304 werden die geschätzten Pseudobereiche eines jeden GPS-Satelliten im Blickfeld von und mit Bezug auf die GPS-Antenne 702 berechnet. Geschätzte Pseudobereiche werden im Zusammenhang mit diesem Dokument als geschätzte Pseudobereich definiert, die von Almanach- bzw. Verzeichnisdaten und der Ephemeris bzw. der Himmelsstellung von GPS-Satelliten abgeleitet werden. Verzeichnisdaten beziehen sich auf zuvor aufgenommene Daten, die die Lage im Raum der GPS-Satelliten 132-170 zu bestimmten Zeiten während des Tages speichern.
Für das NAVSTAR-GPS liegen die Verzeichnisdaten in Form von Gleichungen mit Variablen vor. Diese Almanach- bzw. Verzeichnisgleichungen sind öffentlich von der US- Regierung verfügbar. Einige der Variablen identifizieren die GPS-Satelliten 132-170. Weitere übrige Eingaben bzw. Eingangsgrößen weisen die Zeit auf, zu der ein geschätzter Pseudobereich zu bestimmen ist und die bekannte Lage des relevanten Punktes auf der Erde.
Um die geschätzten Pseudobereiche zu bestimmen, die sich auf jeden GPS-Satelliten beziehen, wird die folgende Information in diese Verzeichnisgleichungen eingesetzt: (1) die Parameter, die die GPS-Satelliten identifizieren, die in den GPS-Daten von den GPS-Satelliten codiert sind, (2) die laufende bzw. Ist-Zeit und (3) die bekannte Lage der Basisstation 188.
Als nächstes werden im Flußdiagramm 1306 die geschätzten Pseudobereiche aufgezeichnet, und zwar unter Verwendung von Polarkoordinaten. Figur 14 ist eine Polardarstellung 1400 eines Koordinatensystems 1402, die einen Satz von geschätzten Pseudobereichskreisen 1404, 1406, 1408 und 1410 veranschaulicht, die sich auf eine GPS- Satellitenkonstellation von vier (nicht gezeigten) GPS- Satelliten bezieht. Die geschätzten Pseudobereichskreise 1404, 1406, 1408 und 1410 werden gezogen, so daß eine Überschneidung am Mittelpunkt 1412 der Polarkarte 1400 existiert. Das Koordinatensystem 1402 reflektiert bzw. bestimmt den Azimuth von der Nordrichtung, wie angezeigt.
Die relativen Abstände zwischen den GPS-Satelliten und der GPS-Antenne werden auch in der Polarkarte 1400 dargestellt, und zwar durch die Größe der geschätzten Pseudobereichskreise 1404, 1406, 1408 und 1410. Insbesondere ist der GPS-Satellit, der durch den geschätzten Pseudobereichskreis 1406 dargestellt wird, weiter weg als der GPS-Satellit, der durch den geschätzten Pseudobereichskreis 1408 dargestellt wird.
Mit Bezug auf Figur 14 zeigt eine schattierte elliptische Region bzw. Fläche 1412 die mögliche Position des Fahrzeugs 102, wenn die (nicht gezeigten) GPS-Satelliten in Betracht gezogen werden, die die geschätzten Pseudobereichskreise 1406 und 1408 erzeugen. Ein wichtiger Parameter bei der Ellipsoiddarstellung ist das Verhältnis zwischen dem halb-groß und dem halb-klein-Zugang (semi- major and semi-minor access) der Ellipse bzw. des Ellipsoiden, die das geometrische Verhältnis des Access- bzw. Zugangsfaktors genannt werden (GRAF = geometric ratio of access factor). Es ist vorgesehen, daß der GRAF in einem nächsten Flußdiagramm 1308 berechnet werden kann.
Mit Bezug auf den Flußdiagrammblock 1308 wird der GRAF zusammen mit dem Winkel des Hauptzugriffs verwendet, um einen Gewichtungsfaktor zu berechnen, der schließlich dem GPS-Verarbeitungssystem 700 helfen wird, eine genauere erste Positionsschätzung zu berechnen, wie unten beschrieben.
Wie im Flußdiagrammblock 1312 gezeigt, ist der GPS- Kalman-Filter 802 im GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 modifiziert, um sich der Form des geschätzten Ellipsoiden anzupassen, und auch den berechneten Nord- Ost-Koordinaten des Fahrzeugs 102, wie in Figur 14 veranschaulicht. Darüberhinaus wird, wie durch einen Pfeil 1314 angezeigt, das vorangegangene Verfahren kontinuierlich wiederholt, um kontinuierlich die geschätzte Position der Mitte 1412 zu verbessern. In einem Flußdiagrammblock 1316 wird die optimale Satellitenkonstellation für den gewünschten bzw. Soll-Fahrzeugpfad bestimmt. Die optimale Konstellation wird eine sein, die den geringsten Fehler senkrecht zum gewünschten Fahrzeugpfad ergibt.
Wie in einem Flußdiagrammblock 1318 gezeigt, wird die optimale Satellitenkonstellation an das Fahrzeug 102 über das Datenradio 714 übertragen. Das Fahrzeug 102 verwendet die optimale Satelittenkonstellation, um die ersten Positionsschätzungen zu berechnen.

2. Differentialkorrekturtechniken

a. Originalableitungstechnik

Mit Bezug auf Figur 15 veranschaulicht ein Flußdiagramm 1500 die Originalableitungstechnik, die in der herkömmlichen Technik bekannt ist. Die Originalableitungstechnik ist ein Verfahren zum Berechnen von räumlichen Ableitungen, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen zu verbessern, die schließlich beim Definieren der dritten Positionsschätzungen teilnehmen. Die Originalableitungstechnik, die unten im Detail beschrieben wird, verwendet eine bekannte Position der Basisstation 188 als einen Referenzpunkt zum Bestimmen von räumlichen Ableitungen (Originalableitungen = original biases).
Die Originalableitungstechnik kann im GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 implementiert bzw. vorgesehen werden. Darüberhinaus kann die Originalableitungstechnik im Host-Verarbeitungssystem 186 in der Basisstation 188 implementiert sein. Im letzteren Ansatz würde die Information, die durch das Verfahren bestimmt wird darauffolgend an das Fahrzeug 102 übertragen bzw. übermittelt werden, und zwar für eine geeignete Verbesserung der ersten Positionsschätzungen. Darüberhinaus übernimmt das bevorzugte Ausführungsbeispiel den letzteren Ansatz und implementiert die Originalableitungstechnik in das Host- Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188.
Die Originalableitungstechnik, wie in Figur 15 gezeigt, beginnt beim Flußdiagrammblock 1502. Wie in einem Flußdiagrammblock 1504 gezeigt, werden der tatsächliche Pseudobereich (tatsächlicher Basispseudobereich) und der geschätzte Pseudobereich (geschätzter Basispseudobereich) für jeden GPS-Satelliten im Blickfeld der GPS-Antenne 702 im Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 berechnet. Der tatsächliche Basispseudobereich wird unabhängig von dem geschätzten Basispseudobereich berechnet. Der tatsächliche Basispseudobereich wird vom GPS Empfänger 706 im Host-Verarbeitungssystem 186 berechnet. Darüberhinaus wird der geschätzte Basispseudobereich vom GPS-Prozessor 710 berechnet.
Die tatsächlichen Basispseudobereiche werden durch Messen der vergangenen Fortpflanzungszeit zwischen der Übertragung der elektromagnetischen Signale von einem GPS- Satelliten (oder Pseudoliten) und den Empfang der Signale beim Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 berechnet. Die elektromagnetischen Signale codieren die Übertragungszeit. Darüberhinaus nimmt der GPS-Empfänger 706 die Empfangszeit auf. Durch die Annahme, daß diese elektromagnetischen Signale mit Lichtgeschwindigkeit oder 2,9979245898 * 10&sup8; Metern pro Sekunde laufen, kann der tatsächliche Pseudobereich für jeden Satelliten durch Multiplizieren der vergangenen Fortpflanzungszeit mal der Lichtgeschwindigkeit (in geeigneten Einheiten) bestimmt werden.
Die geschätzten Basispseudobereiche werden aus folgenden Größen berechnet: (1) Almanach- bzw. Verzeichnisdaten (beim NAVSTAR-GPS eine Verzeichnisgleichung), (2) die Übertragungszeit der elektromagnetischen Signale von den GPS-Satelliten, und (3) die bekannte Position (bekannte Basisposition) der Basisstation 188. Die Übertragungszeit und die bekannte Basisposition (BKP = base known position) wird in die Verzeichnisgleichung eingefügt, um einen gewählten Pseudobereich für einen Satelliten abzuleiten.
Clock- bzw. Taktableitungen (Basis-Clock-Ableitungen) zwischen den Schaltungsclocks bzw. -takten des Host- Verarbeitungssystems 186 und den erkannten GPS-Satelliten werden auch berechnet, wie im Flußdiagrammblock 1604 ge zeigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Basis-Clock-Ableitungen für alle Satelliten berechnet. Die Basis-Clock-Ableitungen wird durch Zählen der Clock- Impulse eines Satelliten und des Host-Verarbeitungssystems 188 über eine vorgewählte Zeitperiode berechnet. Die Impulse werden dann verglichen, um eine Differenz abzuleiten. Die Differenz wird dann mit der Lichtgeschwindigkeit oder mit 2,998 * 10&sup8; Metern pro Sekunde multipliziert, um die Takt- bzw. Clock-Ableitung in Längeneinheiten umzuwandeln. Jedoch sei bemerkt, daß irgendein Verfahren zum Berechnen und Ausdrücken einer Basis-Clock- Ableitungen in der vorliegenden Erfindung verkörpert bzw. vorgesehen werden kann.
Wie im Flußdiagrammblock 1508 gezeigt, wird eine räumliche Ableitung (Originalableitung) berechnet, und zwar durch Subtrahieren von sowohl dem geschätzten Basispseudobereich als auch der Basis-Clock-Ableitungen (in Längeneinheiten) vom tatsächlichem Basispseudobereich. Die Originalableitung wird durch viele unterschiedliche Effekte verursacht, wie beispielsweise atmosphärische Zustände, Empfängerfehler usw. Es sei bemerkt, daß die Berechnung der Originalableitung nicht unter Verwendung des Fahrzeugs 102 als ein Referenzpunkt ausgeführt werden kann, weil die tatsächliche Position des Fahrzeugs 102 nicht bekannt ist. Jedoch könnte die Berechnung der Originalableitungen im Fahrzeug 102 ausgeführt werden.
Wie in einem Flußdiagrammblock 1510 gezeigt, wird der GPS-Kalman-Filter 802 im Host-Verarbeitungssystem 188 mit der Originalableitung aktualisiert. Weiter, wie durch einen Pfeil 1512 gezeigt, wird das Verfahren zum Berechnen der Originalableitungen kontinuierlich ausgeführt und die abgeleiteten Originalableitungen werden verwendet, um iterativ bzw. schrittweise den GPS-Kalman-Filter 802 zu aktualisieren.
Da das Fahrzeug 102 in enger Nähe zur Basisstation 188 ist, wird angenommen, daß der Fehler bei den Pseudobereichsberechnungen identisch ist. Daher wird die Originalableitung, die wie im Flußdiagrammblock 1508 gezeigt, bestimmt wurde, auch verwendet, um die tatsächlichen Pseudobereiche zu modifizieren, die vom GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 erzeugt werden. Entsprechend werden, wie in einem Flußdiagrammblock 1514 gezeigt, die Originalableitungen von der Basisstation 188 zum Fahrzeug 102 übertragen, und zwar unter Verwendung der Datenradios 620 und 622.
Die Originalableitungen werden verwendet, um den GPS- Kalman-Filter 802 im Fahrzeug 102 zu aktualisieren. Das Aktualisieren des GPS-Kalman-Filters 802 hat genauere erste Positionsschätzungen zur Folge.

b. Parabolische Ableitungstechnik

Wenn die GPS-Satelliten 132-170 am Himmel steigen und fallen bzw. aufgehen und untergehen, folgt der Pfad bzw. die Bahn, die von jedem GPS-Satelliten 132-170 gebildet wird einer Parabel mit Bezug auf die Verfolgungs- bzw. Tracking-Pseudobereiche auf oder nahe der Erdoberfläche. Daher kann eine Parabelfunktion abgeleitet werden, die die Bahn bzw. den Pfad eines jeden GPS-Satelliten am Himmel darstellt. Das Vorangegangene beschreibt den Kern der parabolischen Ableitungstechnik, die im Host-Verarbeitungssystem 186 in der Basisstation 188 im bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Es sei jedoch bemerkt, daß die parabolische Ableitungstechnik im Fahrzeug 102 ausgeführt werden kann.
Mit Bezug auf Figur 16 veranschaulicht ein Flußdiagramm 1600 die parabolische Ableitungstechnik. Eine Parabelfunktion (Modell) wird für jeden GPS-Satelliten im Blickfeld der GPS-Antenne 702 an der Basisstation 188 berechnet.
Das Flußdiagramm 1600 beginnt mit einem Flußdiagrammblock 1602. Wie in einem Flußdiagrammblock 1604 gezeigt, werden zu einer Zeit bzw. einem Zeitpunkt t(n) tatsächliche Pseudobereiche für jeden GPS-Satelliten im Blickfeld der GPS-Antenne 702 an der Basisstation bestimmt, und zwar unter Verwendung des GPS-Empfängers 706, wie oben beschrieben. Wie in einem Flußdiagrammblock 1606 gezeigt, werden (für jeden GPS-Satelliten) tatsächliche Pseudobereiche in parabolische Einpaßmodelle für jeden GPS- Satelliten verkörpert bzw. eingesetzt. Somit wird im Flußdiagrammblock 1606 ein Punkt zum parabolischen Modell für jeden GPS-Satelliten hinzugefügt.
Wie in einem Flußdiagrammblock 1608 gezeigt, wird ein Test ausgeführt, ob genug Punkte der parabolischen Modelle bestimmt worden sind, um eine parabolische Funktion für jeden GPS-Satelliten zu schätzen. Die Anzahl der Punkte, die gesammelt worden sind, wird einen bestimmten statistischen R²-Wert bestimmen. Gemäß der Erfindung wird der R²-Wert wie folgt berechnet:
R² = SUM² (geschätzter Pseudobereicht (t) - Mittelwert der geschätzten Pseudobereiche)²/SUM² (tatsächlicher Pseudobereicht (t) - Mittelwert der vorherigen tatsächlichen Pseudobereiche)²
Die obige statische Standardgleichung ist in der herkömmlichen Technik wohlbekannt. Zur weiteren Besprechung dieser Gleichung sei Bezug genommen auf Draper, "Applied Regression Analysis", Ausgabe 1966. Durch Definieren von N als die Anzahl der berechneten Pseudobereiche, und zwar sowohl der geschätzten als auch der tatsächlichen, und durch mathematisches Expandieren der Gleichung kann die folgende leichter verwendbare Form der Gleichung leicht abgeleitet werden:
R² = N * SUM(Quadrat aller geschätzten Pseudobereiche) - 2 * SUM(geschätzte Pseudobereiche) * SUM(tatsächliche Pseudobereiche) + SUM (tatsächliche Pseudobereiche)²/N * SUM (Quadrat aller tatsächlichen Pseudobereiche) - SUM(tatsächliche Pseudobereiche)
Wie im Flußdiagrammblock 1608 gezeigt, falls dieser R²- Wert im bevorzugten Ausführungsbeispiel größer als 0,98 ist, dann wird das parabolische Modell als genau genug angesehen, um den zukünftigen Pfad bzw. die Bahn des GPS- Satelliten zu schätzen. Wenn der R²-Wert kleiner oder gleich 0,98 ist, dann müssen mehr Punkte des parabolischen Modells berechnet werden. Diese Punkte werden durch Einsetzen der Pseudobereichsdaten berechnet, die kontinuierlich vom GPS-Empfänger 706 berechnet werden.
Wie in einem Flußdiagrammblock 1610 gezeigt, inkrementiert bzw. steigt der N-Wert, um zu zeigen, daß die Zeit, zu der der Pseudobereich berechnet wurde, vorangeschritten bzw. gestiegen ist, wie im Flußdiagrammblock 1604 gezeigt. Da der GPS-Empfänger 706 tatsächliche Pseudobereiche für jeden GPS-Satelliten bei 2 Hz (zweimal in der Sekunde) ausgibt, sollte jedes N-Inkrement bzw. jeder N- Schritt ungefähr eine halbe Sekunde darstellen.
Wenn genug Datenpunkte gesammelt worden sind, daß der R²- Wert größer als 0,98 ist, dann wird, wie in einem Flußdiagrammblock 1612 gezeigt, angenommen, daß die parabolischen bzw. Parabelmodelle genau genug sind, um eine Umlaufbahn eines Satelliten darzustellen. Wie im Flußdiagrammblock 1612 gezeigt, stellen die parabolischen Modelle Punkte auf den vergangenen und zukünftigen Satellitenpfaden dar. Nun, da die parabolischen Modelle vollständig sind, können zukünftige Punkte auf den Modellen extrapoliert werden, wie in einem Flußdiagrammblock 1614 gezeigt.
Wie im Flußdiagrammblock 1614 gezeigt, wird für die Zeit T(n+1) der Lagepunkt für jedes der parabolischen Modelle berechnet. Die Lagepunkte sind die erwarteten tatsächlichen Pseudobereiche der GPS-Satelliten zur Zeit T(n+1) Sobald dieser Lagepunkt berechnet wird, wird der Bereich für den Lagepunkt (Abstand zwischen der GPS-Antenne 702 und dem GPS-Satelliten) berechnet, wie in einem Flußdiagrammblock 1616 gezeigt.
In einem Flußdiagrammblock 1618 werden die tatsächlichen Pseudobereiche für die Zeit T(n+1) berechnet, welche die laufende Zeit im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist. Die tatsächlichen Pseudobereiche werden vom GPS-Empfänger 706, wie oben beschrieben, berechnet. Diese tatsächlichen Pseudobereiche bei T(n+1) werden in die parabolischen Anpaßmodelle während der nächsten Iteration des Flußdiagramms 1600 eingesetzt.
Wie in einem Flußdiagrammblock 1620 gezeigt, werden der tatsächliche Pseudobereich, der zur Zeit T(n+1) berechnet wurde, und die Clock-Basisableitung (in Längeneinheiten) für jeden Satelliten vom Lagepunktbereich abgezogen, um eine parabolische Ableitung für jeden Satelliten zu erzeugen.
Wie im Flußdiagrammblock 1624 gezeigt, werden die parabolischen Ableitungen dann an das GPS-Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 über das Datenradio 714 übertragen. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 verwendet die parabolischen Ableitungen, um die Genauigkeit der Berechnungen seines tatsächlichen Pseudobereiches (tatsächlicher Fahrzeugpseudobereich) zu verbessern, um dadurch die Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen zu vergrößern bzw, zu verbessern.

c. Basisresiduen-Ableitungstechnik

Figur 17 veranschaulicht ein Flußdiagramm 1700 zum Implementieren bzw. Anwenden der Basisresiduen- Ableitungstechnik. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisresiduen-Ableitungstechnik im Host- Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 ausgeführt. Nachdem die Basisresiduen-Ableitung in der Basisstation 188 berechnet worden ist, wird sie an das GPS Verarbeitungssystem 700 des Fahrzeugs 102 übertragen. Das GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 verwendet die Basisresiduen-Ableitung, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen zu verbessern.
Eine Basisresiduen-Ableitung im Zusammenhang mit diesem Dokument ist eine Differenz der bekannten Basisposition der Basisstation 188 und der Positionsschätzung (erste Positionsschätzung, wenn sie durch das Fahrzeug 102 berechnet wurde) der Basisstation 188, die durch das Host Verarbeitungssystem 186 in der Basisstation 188 berechnet wird. Um zu veranschaulichen, wie dies funktioniert, sei angenommen, daß die Basisstation an der Ecke der Elm- und der Maple-Straße ist. Es sei auch angenommen, daß das GPS-Verarbeitungssystem 700 in der Basisstation 188 die Position der Basisstation so einschätzt, daß sie vier Meilen nach Süden von der in der bekannten Basisposition ist (der Ecke Elm/Maple-Straße). Es ist offensichtlich, daß die Basisresiduen-Ableitung eine Distanz gleich vier Meilen in einer Südrichtung ist.
Da das GPS-Verarbeitungssystem 700 im Fahrzeug 102 gleich dem GPS-Verarbeitungssystem 700 in der Basisstation 188 ist, kann der Vier-Meilen-Fehler bei der Berechnung als im Fahrzeug 102, genauso wie in der Basisstation 188 auftretend angesehen werden. Das Fahrzeug 102 kann dann diese Information in seinem GPS-Prozessor 710 verwenden. Im Endeffekt wird der GPS-Prozessor im Fahrzeug 102 seine ersten Positionsschätzungen modifizieren, um einem Vier- Meilen-Süd-Fehler in den Daten Rechnung zu tragen.
Das Verfahren der Basisresiduen-Ableitungstechnik wird nun im Detail mit Bezug auf Figur 17 besprochen werden. Bei einem Flußdiagrammblock 1704 werden die exakten Polarkoordinaten x0, y0, z0 der Basisstation 188 aus der bekannten Basisposition gehalten.
Bei einem Flußdiagrammblock 1706 werden die tatsächlichen Basispseudobereiche, die geschätzten Basis-Pseudobereiche und die Basisclock- bzw. Basistakt-Ableitungen durch das Host-Verarbeitungssystem 186 an der Basisstation 188 be- 4 rechnet. Wenn der GPS-Empfänger 706 am Fahrzeug 102 konfiguriert ist, um Daten aus einer speziellen Konstellation von (nicht gezeigten) GPS-Satelliten zu lesen, dann wird der GPS-Empfänger 706 in der Basisstation 188 die gleiche Satellitenkonstellation verwenden.
Wie im Flußdiagrammblock 1708 angezeigt, wird eine Positionsschätzung (Basispositionsschätzung) der Basisstation 188 berechnet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basispositionsschätzung in derselben Weise berechnet wie die erste Positionsschätzung im Fahrzeug 102.
Als nächstes wird in einem Flußdiagrammblock 1710 die Basispositionsschätzung mit der bekannten Basisposition verglichen. Die Differenz (wie beispielsweise die vier Meilen in dem obigen Beispiel), falls es eine gibt, zwischen der Basispositionsschätzung und der bekannten Basisposition wird in diesem Dokument als Basisresiduen- Ableitung bezeichnet.
Die Basisresiduen-Ableitung wird an das Fahrzeug 102 über das Datenradio 714 übertragen, wie im Flußdiagrammblock 1712 angezeigt. Die Basisresiduen-Ableitung wird im GPS- Prozessor 710 des Fahrzeugs 102 verarbeitet, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung zu verbessern.

d. Basiskorrelator-Ableitungstechnik

Figur 17A veranschaulicht ein High-Level-Flußdiagramm 1700A der Basiskorrelatortechnik bzw. Basiskorrelationstechnik, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um die Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102 zu verbessern. Im allgemeinen weist die Technik die Verwendung der bekannten Position eines Referenzpunktes als einen Weg zur Verbesserung der Genauigkeit auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Basisstation 188 als der Referenzpunkt. Die Methode des Flußdiagramms 1700A wird im Detail insbesondere mit Bezug auf Figur 6 besprochen werden.
Bei der Basiskorrelatortechnik bzw. Basiskorrelations technik werden räumliche Ableitungen (räumliche Basisableitungen) und Takt-Ableitungen (Basistakt-Ableitungen) anfangs durch das Host-Verarbeitungssystem 186 in der Basisstation 188 der Figur 6 berechnet, wie im Flußdiagrammblock 1705 angezeigt. Die räumlichen Basisableitun gen können irgendeine räumliche Fehlerberechnung sein, und zwar einschließlich der originalen und parabolischen Ableitungen, die zuvor in diesem Dokument besprochen wurden, jedoch nicht darauf beschränkt.
Insbesondere sei daran erinnert, daß die Originalableitung durch das Abziehen von sowohl geschätzten Pseudobereichen (geschätzer Basispseudobereich) als auch Basis- Clock-Ableitungen von tatsächlichen Pseudobereichen (tatsächliche Basispseudobereiche) berechnet wird. Die geschätzten Basispseudobereiche werden aus folgendem bestimmt: (1) Almanach- bzw. Verzeichnisdaten, (2) die Übertragungszeit der Satellitensignale, und (3) die bekannte Position (bekannte Basisposition) der Basisstation 188. Die Basis-Clock- bzw. Basis-Takt-Ableitungen sind die Differenzen bei den Clock-Zeiten zwischen der Übertragungsschaltung der GPS-Satelliten und/oder den Pseudoliten und der Empfangsschaltung der Basisstation 188. Die Basis-Clock-Ableitungen werden in Längeneinheiten ausge drückt, und zwar dadurch, daß man sie mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert. Die tatsächlichen Basispseudobereiche werden aus den Fortpflanzungszeitverzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der elektromagnetischen Signale bestimmt, die von den GPS-Satelliten und/oder Pseudoliten an die Basisstation 188 gesandt werden.
Darüberhinaus wird die parabolische Ableitung durch das Konstruieren bzw. Bilden von parabolischen Modellen für die tatsächlichen Basispseudobereiche eines jeden beobachteten GPS-Satelliten berechnet, und durch das Extrapolieren von Werten aus den parabolischen Modellen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die parabolischen Ableitungen die tatsächliche Basispseudobereiche minus dem Wert, der von den konstruierten bzw. festgelegten parabolischen Modellen extrapoliert bzw. abgeleitet wurde, und minus der Basis-Clock-Ableitungen (in Längeneinheiten).
Wie im Flußdiagrammblock 1709 gezeigt, überträgt die Basisstation 188 an das Fahrzeug 102 entlang des Kommunikationskanals 618 seine tatsächlichen Basispseudobereiche, die geschätzten Basispseudobereiche, räumliche Basisableitungen, Basis-Clock- bzw. Basis-Takt-Ableitungen und die bekannte Basisposition der Basisstation 188. Da sie selbst als eine sehr genaue Schätzung gedacht ist, kann die bekannte Basisposition durch irgendwelche geeigneten Mittel bestimmt werden, einschließlich des neuartigen Systems und Verfahrens der vorliegenden Erfindung oder irgendwelchen anderen herkömmlichen Systemen und Verfahren, jedoch nicht darauf beschränkt. Nachdem das Fahrzeug 102 die vorangegangene Information von der Basisstation 188 empfängt, verwendet der GPS-Prozessor 710 des Fahrzeugs 102 diese Information in der Berechnung seiner eigenen räumlichen Ableitungen (räumliche Fahrzeugableitungen).
Bevor das Fahrzeug 102 Berechnungen ausführt, um die räumlichen Fahrzeugableitungen im Flußdiagrammblock 1713 abzuleiten, berechnet sein GPS-Empfänger 706 seine eigenen tatsächlichen Pseudobereiche (tatsächliche Fahrzeugpseudobereiche), seine eigenen geschätzten Pseudobereiche (geschätzte Fahrzeugpseudobereiche) und seine eigenen Clock-Ableitungen (Fahrzeug-Clock-Ableitungen). Aus den tatsächlichen Fahrzeugpseudobereichen zieht sein GPS- Prozessor 710 die geschätzten Fahrzeug-Pseudobereiche, die Fahrzeug-Clock-Ableitungen und die räumlichen Basisableitungen ab, die von der Basisstation 188 in einem Flußdiagrammblock 1709 gesandt worden sind. Das Resultat ist eine genauere Berechnung der räumlichen Fahrzeugableitung beim Fahrzeug 102.
Die räumliche Fahrzeugableitung wird dann verwendet, um genauer die erste Positionsschätzung (FPE) des Fahrzeugs 102 zu schätzen, wie im Flußdiagrammblock 1717 gezeigt. Es sei bemerkt, daß die erste Positionsschätzung eine Schätzung der absoluten Position des Fahrzeugs 102 ist (mit Bezug auf den Mittelpunkt der Erde 172).
Beginnend mit einem Flußdiagrammblock 1721 ist ein iteratives Verfahren eingeführt worden, um die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 zu verbessern. Das Verfahren sieht die Verwendung einer Basisstation 314 als eine Art von Korrelator- bzw. Korrelationsvorrichtung vor. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren durch den GPS-Kalman-Filter 802 implementiert bzw. festgelegt.
Beim Flußdiagrammblock 1721 wird eine geschätzte Relativposition (HBE) der Basisstation 188 mit Bezug auf das Fahrzeug 102 bestimmt. Es wird angenommen, daß der Anfangszustand des FPE der laufende Wert FPE(i) ist, wobei i der positive Integer bzw. ganzzahlige Wert ist, der der Iteration entspricht. Folglich, wenn das Verfahren vom Flußdiagrammblock 1717 zum Block 1721 voranschreitet, wird der laufende Wert von FPE(i) FPE(0) sein.
Immer noch im Flußdiagrammblock 1721 berechnet das Fahrzeug 102 als nächstes eine geschätzte Position (geschätzte Basisposition; BEP = base estimated position) der Basisstation 188 unter Verwendung der tatsächlichen Basispseudobereiche, der geschätzten Basispseudobereiche, der räumlichen Basisableitungen und der Basis-Clock- bzw. Basis-Takt-Ableitungen, die alle an das Fahrzeug 102 von der Basisstation 188 übertragen werden. Es sei bemerkt, daß die geschätzte Basisposition eine absolute Position ist (relativ zur Oberfläche der Erde 172). Durch das Abziehen der geschätzten Basisposition von der ersten Positionsschätzung wird eine geschätzte Relativposition (HBE) der Basisstation 188 mit Bezug auf das Fahrzeug 102 bestimmt.
Wie im Flußdiagrammblock 1725 angezeigt, wird ein HBA bestimmt. HBA ist eine weitere geschätzte Relativposition der Basisstation 188 mit Bezug auf das Fahrzeug 102. Jedoch wird die HBA anders als die HBE durch Abziehen der bekannten Basisposition (BKP) von der ersten Positionsschätzung (FPE) berechnet. Somit sind HBE und HBA dahingehend unterschiedlich, daß die erstere unter Verwendung von GPS-Daten und/oder Pseudolit-Daten berechnet wird, während die letztere unter Verwendung der bekannten Daten berechnet wird.
Als nächstes wird in einem Flußdiagrammblock 1729 eine Versetzung (offset) berechnet, und zwar duch Abziehen von HBE und HBA. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Offset bzw. die Versetzung ein Vektor in einem zweidimensionalen orthogonalen Koordinatensystem. Es ist vorgesehen, daß ein dreidimensionaler Vektor implementiert bzw. verwendet werden könnte, um die Anhebungs- bzw. Höhenun terschiede zwischen dem Fahrzeug 102 und der Basisstation 188 in Betracht zu ziehen.
In einem Flußdiagrammblock 1737 wird eine neue FPE(i) bzw. erste Positionsschätzung berechnet, und zwar durch Subtrahieren des Offsets bzw. der Versetzung von der alten FPE bzw. ersten Positionsschätzung. In anderen Worten, wird die Versetzung als eine Ableitung verwendet und wird von der FPE(i) abgezogen, um die Genauigkeit der FPE(i) zu vergrößern.
Im Flußdiagrammblock 1737 wird das Offset bzw. die Versetzung mit einer vorgewählten Schwelle verglichen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt jede Vektorkomponente eine entsprechende Schwelle. Wenn alle Vektorkomponenten nicht geringer als ihre entsprechenden vorgewählten Schwellen sind, dann beginnt das Flußdiagramm 1700A wieder mit dem Flußdiagrammblock 1721, wie von einem Feedback- bzw. Rückkoppelungspfeil 1739 angezeigt. In diesem Fall wird die positive ganzzahlige Zahl i um eins vergrößert, um eine weitere Iteration und eine unterschiedliche FPE(i) bzw. erste Positionsschätzung anzuzeigen. Die vorliegende Erfindung wird in zyklischer oder schleifenartiger Weise arbeiten, bis die vorgewählte Schwelle erreicht oder überschritten wurde.
Wenn die Versetzung schließlich die vorgewählte Schwelle erreicht, dann wird angenommen, daß die FPE bzw. erste Positionsschätzung der laufende Zustand von FPE(i) ist, wie im Flußdiagrammblock 1743 gezeigt. Daher liefert die Basiskorrelator-Ableitungstechnik eine größere Genauigkeit der FPE.

G. Satellitenpositionsvorhersagevorrichtung

Die vorliegende Erfindung weist ein Verfahren auf, durch welches die zukünftigen Positionen der GPS-Satelliten 132-170 vorhergesagt werden können, und zwar mit Bezug auf eine absolute Position der Basisstation 188 und/oder des Fahrzeugs 102. Die zukünftigen Positonen basieren auf geschätzten Pseudobereichen, die vom GPS-Prozessor 710 im Host-Verarbeitungsprozessor 188 und/oder dem VPS 1000 berechnet worden sind. Darüberhinaus können Berechnungen in der Basisstation 188 und/oder dem Fahrzeug 102 ausgeführt werden und irgendwohin übertragen werden, falls nötig.
Durch Vorhersagen der zukünftigen Positionen der GPS- Satelliten 132-170 können optimale Satellitenkonstellationen für das Fahrzeug 102 gut im voraus bestimmt werden. Somit kann die vorliegende Erfindung die Vorhersage der Satellitenverfügbarkeit und -nichtverfügbarkeit in systematischer Weise vorsehen. Sie gestattet weiter eine zukünftige Planung bezüglich des Betriebs, des Services und der Instandhaltung des Fahrzeugs 102.
Mit Bezug auf Figur 18 veranschaulicht ein Flußdiagramm 1800 das Satellitenpositionsvorhersageverfahren der vorliegenden Erfindung. In einem Flußdiagrammblock 1804 werden für einen speziellen GPS-Satelliten zukünftige Daten und die Zeit erhalten oder ausgewählt, und zwar aus einer Anzahl von oben besprochenen Gründen.
Nachdem zukünftige Daten und die Zeit aufgenommen worden sind, wird die Position der Basisstation 188 und/oder des Fahrzeugs 102 bestimmt, wie in einem Flußdiagrammblock 1806 gezeigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Basisstation 188 als der Referenzpunkt verwendet. Die Position der Basisstation 188 könnte die bekannte Basisposition oder die Basispositionsschätzung sein (von denen beide mit Bezug auf die Basisresiduentechnik besprochen worden sind) Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die bekannte Basisposition verwendet und es wird im folgenden darauf Bezug genommen.
Wie in einem Flußdiagrammblock 1808 gezeigt, werden dann die Verzeichnisdaten befragt. Wie zuvor in diesem Dokument besprochen, liegen die Verzeichnisdaten für das NAVSTAR-GPS in Form von Almanach- bzw. Verzeichnisgleichungen vor. Durch das Eingeben einer Satellitenidentität in die Verzeichnisgleichungen können die zukünftigen Daten bzw. das Datum und die Zeit und die bekannte Basisposition und die zukünftige Position von irgendeinem Satelliten bestimmt werden.
Wenn die zukünftige Position eines Satelliten relativ zur Basisstation 188 unter Verwendung der Verzeichnisgleichungen bestimmt worden ist, ist die zukünftige Position in orthogonalen XYZ-Koordinaten, wie bei einem Flußdiagrammblock 1808 gezeigt. Schließlich werden im bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Flußdiagrammblock 1810 die Länge, Breite, Höhe und der Azimuth des Satelliten aus den XYZ-Koordinaten und der Position der Basisstation 188 berechnet.
Aus der Berechnung der zukünftigen Positionen von Satelliten können optimale Satellitenkonstellationen bestimmt werden. Optimale Satellitenkonstellationen, die unter Verwendung der Basisstation 188 als der Referenzpunkt bestimmt worden sind, können in das Fahrzeug 102 eingegeben werden, wenn es nahe der Basisstation 188 ist.

H. Gewichtete Pfadhistorie

Die gewichtete Pfadhistorientechnik bzw. Technik mit gewichteter Pfadhistorie der vorliegenden Erfindung verbessert die Genauigkeit der ersten Positionsschätzungen des Fahrzeugs 102, die von dem GPS-Verarbeitungssystem 700 abgeleitet werden. Es sei bemerkt, daß die Technik mit gewichteter Pfadhistorie in einer identischen Weise implementiert bzw. eingerichtet werden könnte, wie sie unten bschrieben ist, um die Genauigkeit der dritten Positionsschätzungen zu verbessern, die vom VPS 1000 abgeleitet sind. Die Technik mit gewichteter Pfadhistorie ist in den Figuren 19 und 20 abgebildet.
Im wesentlichen verwendet die Technik mit gewichteter Pfadhistorie die vorherigen ersten Positionsschätzungen, um ein Fahrzeugpfad- bzw. Fahrzeugwegmodell zum Testen der Gültigkeit der zukünftigen ersten Positionsschätzungen abzuleiten. Die Verwendung der Technik mit gewichteter Pfadhistorie hat eine Verringerung des Wanderns bzw. Abwanderns der ersten Positionsschätzungen und eine verbesserte Unempfindlichkeit gegen fehlerhafte Positionsberechnungen zur Folge. Der Ausdruck "Wandern" bzw. "Abwandern" im Zusammenhang mit diesem Dokoment bedeutet die Tendenz des GPS-Verarbeitungssystems 700, fehlerhafte Fahrzeugpositionen zu schätzen, die von dem tatsächlichen Fahrzeugpfad abweichen.
Mit Bezug auf Figur 19 beginnt das Flußdiagramm der gewichteten Pfadhistorie mit einem Flußdiagrammblock 19024 Eine erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 wird berechnet und vom GPS-Verarbeitungssystem 700 aufgenommen, wie in einem Flußdiagrammblock 1904 angzeigt. Erste Positionsschätzungen können über die Zeit aufgenommen werden. Wie in Figur 20 gezeigt, werden erste Positionsschätzungen 2002, 2004, 2006, 2008, 2010 und 2012 des Fahrzeugs 102 in einem Diagramm 2000 dargestellt bzw. gezeichnet, um letztendlich einen Fahrzeugpfad 2022 abzuleiten.
Bei einem Flußdiagrammblock 1906 wird die erste Positionsschätzung verwendet, um eine Pfadgleichung zu manipulieren/abzuleiten, die sich am besten dem Pfad bzw. Weg des Fahrzeugs 102 anpaßt. In anderen Worten, werden die ersten Positionsschätzungen über die Zeit akkumuliert bzw. gesammelt, um eine genaue "Pfadgleichung" abzuleiten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Pfadgleichung eine (parabolische) Gleichung zweiten Grades. Jedoch sei bemerkt, daß eine Gleichung dritten Grades (mit einem mathematischen Wendepunkt) vorgesehen ist, um die Fahrzeugpfade und die Fahrzeugwendungen aufzunehmen. Darüberhinaus könnte ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Kombinationen von irgendwelchen Arten von Gleichungen verwenden, um eine unendliche Anzahl von unterschiedlichen Fahrzeugpfaden einzupassen bzw. aufzuzeichnen.
Bei einem Flußdiagrammblock 1908 wird der statistische R²-Wert mit Bezug auf die Pfadgleichung und die erste Positionsschätzung berechnet und mit einem numerischen Schwellenwert verglichen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schwelle auf 0,98 eingestellt worden. Der statistische R²-Wert wurde im Detail zuvor in diesem Dokument besprochen. Im Zusammenhang mit der Technik mit gewichteter Pfadhistorie der Figur 19 stellt der R²-Wert die Anzahl der ersten Positionsschätzungen dar, die soweit bzw. bis jetzt aufgenommen worden sind, und daher stellt er die statistische Genauigkeit einer zukünftigen Vorhersage aus der Pfadgleichung dar.
Wenn der R²-Wert nicht größer als oder gleich 0,98 ist, dann wird ein Test in einem Flußdiagrammblock 1910 ausgeführt, um zu bestimmen, ob eine neue Pfadgleichung abgeleitet werden sollte In anderen Worten, wird die Bestimmung gemacht, ob die laufend gesammelten ersten Positionsschätzungen genauso wie die Pfadgleichung ungenau sind und man sich daher nicht auf sie verlassen sollte.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Anzahl der ersten Positionsschätzungen gezählt und mit einer Schwelle von 20 verglichen. Irgendeine Schwellenanzahl könnte vorgewählt sein. Wenn mehr als 20 erste Positionsschätzungen berechnet worden sind, dann bewegt sich das Flußdiagramm zum Block 1914. Der Flußdiagrammblock 1914 zeigt an, daß eine neue Pfadgleichung gestartet bzw. begonnen werden wird, und zwar während der nächsten Iteration des Flußdiagramms 1900 beim Flußdiagrammblock 1906.
Wenn weniger oder gleich 20 erste Positionsschätzungen berechnet und gesammelt wurden, dann wird die vorliegende Pfadgleichung des Flußdiagrammblocks 1906 immer noch verwendet und wird wiederum in Betracht gezogen, und zwar während der nächsten Iteration des Flußdiagramms 1900. Darüberhinaus wird die erste Positionsschätzung aus dem GPS-Verarbeitungssystem 700 ausgegeben, wie bei einem Flußdiagrammblock 1912 gezeigt.
Mit Bezug auf den Flußdiagrammblock 1908, wenn der R²- Wert der Pfadgleichung größer oder gleich als 0,98 ist, dann wird wie in einem Flußdiagrammblock 1916 gezeigt, die erste Positionsschätzung modifiziert, um die am besten passende Voraussage aus der vorliegenden Pfadgleichung zu sein. Schließlich wird die Positionsschätzung durch das GPS-Verarbeitungssystem 700 ausgegeben, und zwar wie durch den Flußdiagrammblock 1912 gezeigt.
Die Figur 20 veranschaulicht graphisch das Szenario bei der Ausgabe. Die erste Positionsschätzung 2010 des Fahrzeugs 102 ist radikal bzw. stark unterschiedlich von der eingepaßten Vorhersage 2006 der Pfadgleichung. Schließlich wird die erste Positionsschätzung 2010 durch die am besten passende Vorhersage 2006 ersetzt, solange der R²- Wert der Pfadgleichung größer als oder gleich einer vorbestimmte Schwelle ist, und solange genug Positionsschät zungen aufgenommen worden sind.
Die Leitungen 2014 und 2016 veranschaulichen den Annehmbarkeitsbereich mit Bezug auf die ersten Positionsschätzungen. Die Leitungen bzw. Linien 2014 und 2016 stellen die physikalische Manifestation bzw. Verkörperung der R²- Werte dar. Somit wird die Vorhersage zum besten Einpassen 2006 vom GPS-Verarbeitungssystem 700 an das Navigationssystem 1022 ausgegeben, anstelle der ersten Positionsschätzung 2010, die außerhalb der Spanne bzw. Umhüllung der Linie 2016 liegt.
Figur 20A zeigt ein High-Level-Flußdiagramm 2000A eines Verfahrens zum Implementieren der Technik mit gewichteter Pfadhistorie, wie in den Figuren 19 und 20 offenbart. Das Verfahren, wie gezeigt, nimmt einen Fahrzeuglaufpfad mit scharfen Ecken, Schnittpunkten und/oder einen stark nicht linearen Pfad auf. Das Verfahren vergrößert die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung (FPE) des Fahrzeugs 102, ausgegeben durch das GPS-Verarbeitungssystem 700.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel implementiert die neue Methodik bzw. das neue Verfahren der Figur 20A über Software. Die Software kann im GPS-Prozessor 710 des GPS- Verarbeitungssystems 700 im Fahrzeug 102 gelegen sein, und/oder bei der Basisstation 188.
Das Flußdiagramm 2000A beginnt im Flußdiagrammblock 2001 und endet im Flußdiagrammblock 2019. Wie im Flußdiagramm block 2005 gezeigt, berechnet das GPS-Verarbeitungssystem 700, wie in den Figuren 7 und 8 offenbart, die erste Positionsschätzung unter Verwendung irgendeiner der zuvor in diesem Dokument besprochenen Ableitungstechniken. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel stellen die Ableitungstechniken, die zum Verfahren der Figur 20A gehören, beispielsweise die originale Ableitungstechnik der Figur 15 und die parabolische Ableitungstechnik der Figur 16 dar.
Beim Flußdiagrammblock 2009 wird eine Entscheidung gemacht, ob das Fahrzeug 102 sich nähert oder in der Mitte einer scharfen Ecke bzw. Kurve, einem Schnittpunkt oder einem unregelmäßigen Pfad ist. Die benötigte Information, um diese Frage zu beantworten, kann an den GPS-Prozessor 710 vom Navigator 406 der Figur 4 geliefert werden. Wenn die Antwort auf diese Frage negativ ist, dann schreitet das Flußdiagramm 2000A, wie durch einen Pfeil 2013 angezeigt, fort. In der Alternative, d.h. wenn die Antwort auf diese Frage bestätigend ist, dann schreitet das Flußdiagramm 2000A, wie durch einen Pfeil 2021 angezeigt, voran. Beide dieser Alternativwege werden unten im Detail besprochen.
Wenn das Fahrzeug 102 sich nicht einem drastisch nicht- linearen Pfad nähert oder in seiner Mitte ist, dann beginnt das Flußdiagramm 2000A mit dem Flußdiagrammblock 2015. Beim Flußdiagrammblock 2015 gibt der GPS-Prozessor 710 die erste Positionsschätzung an das VPS 1000 aus, wobei die erste Positionsschätzung unter Verwendung von einer oder mehreren Ableitungstechniken abgeleitet worden ist. Es sei daran erinnert, daß das VPS 1000, welches in den Figuren 10 und 11 offenbart ist, die dritte Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 unter Verwendung von teilweise der ersten Positionsschätzung berechnet, die an es von dem GPS-Verarbeitungssystem 700 gesandt wird.
Wenn das Fahrzeugs 102 sich einem drastisch nichtlinearen Pfad nähert, dann beginnt das Flußdiagramm 2000A mit dem Flußdiagrammblock 2023. Beim Flußdiagrammblock 2023 werden die Ableitungstechniken zweitweise aufgegeben, bis ein mehrlinearer Pfad schließlich herauskommt. Der GPS-Prozessor 710 berechnet die erste Positionsschätzung des Fahrzeugs 102 ohne Bezug auf die Ableitungstechniken, wie im Flußdiagrammblock 2027 angezeigt.
Das Flußdiagramm schreitet als nächstes zum Flußdiagrammblock 2031 voran. Eine Bestimmung wird gemacht, ob das Fahrzeug 102 sich einem relativ linearen Pfad nähert oder in seiner Mitte ist. Wenn dies so ist, dann kehrt das Flußdiagramm 2000A zum Flußdiagrammblock 2005 zurück, wie durch einen Feedback-bzw. Rückkoppelungspfeil 2033 gezeigt. Beim Flußdiagrammblock 2005 wird wieder irgendeine von den zuvor beendeten Ableitungstechniken eingesetzt.
Im Fall der parabolischen Ableitungstechnik der Figur 16 werden neue parabolische Einpaßmodelle konstruiert, und zwar für jeden der beobachteten GPS-Satelliten. Es sei daran erinnert, daß tatsächliche Pseudobereiche für jeden der beobachteten GPS-Satelliten bestimmt werden, und zwar über eine Zeitperiode, um ein parabolisches Modell für jeden GPS-Satelliten zu konstruieren. Die parabolischen Modelle bzw. Parabelmodelle werden nicht verwendet, bis die Genauigkeit der Modelle größer ist als eine gewisse Schwelle. In der vorliegenden Erfindung werden die parabolischen Modelle nicht verwendet, bis ein statistischer R²-Wert größer als 0,99 ist.
Alternativ, wenn sich das Fahrzeug 102 nicht einem relativ linearen Pfad nähert oder in seiner Mitte ist, dann bewegt sich das Flußdiagramm 2000A zum Flußdiagrammblock 2015, der zuvor besprochen worden ist. Jedoch sollte bemerkt werden, daß die erste Positionsschätzung, die an das VPS 1000 übermittelt wurde, an diesem Punkt ohne Bezug auf irgendeine Ableitungstechnik abgeleitet wurde.

I. Anti-selektive Verfügbarkeit

Es wird vermutet, daß die U.S.-Regierung (der Betreiber des NAVSTAR-GPS) zu gewissen Zeiten Fehler in die GPS Daten einleiten wird, die von den GPS-Satelliten 132-170 übertragen werden, und zwar durch Verändern von Clock- und/oder Ephemeris bzw. Himmelsstellungsparametern. In anderen Worten, kann die U.S.-Regierung selektiv die Verfügbarkeit der GPS-Daten modifizieren. Beispielsweise kann eine solche Handlung während eines nationalen Notstandes stattfinden. Die U.S.-Regierung würde immer noch fähig sein, das NAVSTAR-GPS zu verwenden, da die U.S.- Regierung den anderen getrennten Typ von Pseudo- Zufallscode-Modulation verwendet, der der P-Modus genannt wird. Somit könnte die U.S.-Regierung den C/A-Modus schwächen bzw. verwirren. Eine solche Schwächung bzw. Verwirrung könnte verursachen, daß der GPS-Empfänger 706 unkorrekte tatsächliche und geschätzte Pseudobereiche berechnet, und somit unkorrekte erste Positionsschätzungen. Die anti-selektive Verfügbarkeitstechnik der vorliegenden Erfindung ist eine Weise, um irgendwelche irreführenden GPS-Daten zu detektieren und sie zu kompensieren.
In Figur 21 ist ein Flußdiagramm 2100 der anti-selektiven Verfügbarkeitstechnik abgebildet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die anti-selektive Verfügbarkeitstechnik im GPS-Prozessor 710 des Host-Verarbeitungssystems 186 ausgeführt. Jedoch könnte die Technik im GPS- Prozessor 710 des Fahrzeugs 102 implementiert werden. Das Flußdiagramm 2100 beginnt bei einem Flußdiagrammblock 2102 und endet bei einem Flußdiagrammblock 2118.
Bei einem Flußdiagrammblock 2104 werden geschätzte Pseudobereiche (vorhergesagt geschätzte Pseudobereiche;
"Oij") der GPS-Satelliten im Blickfeld der GPS-Antenne 702 vorhergesagt, und zwar unter Verwendung von alten Verzeichnisdaten. Alte Verzeichnisdaten sind GPS-Daten oder irgendein Teil davon, der zuvor vom GPS-Empfänger 706 aufgenommen worden ist, und der den GPS-Prozessor 710 befähigt, vorhergesagte geschätzte Pseudobereiche ohne Bezug auflaufend empfangene GPS-Daten vorherzusagen. In gewisser Weise werden die alten Verzeichnisdaten verwendet, um die Integrität der laufend empfangenen GPS-Daten zu überprüfen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die alten Verzeichnisdaten die vorherigen Himmelsstellungen, die vom GPS-Empfänger 706 empfangen worden sind.
Mit Bezug auf den Flußdiagrammblock 2104 werden laufend geschätzte Pseudobereiche ("Nij") der GPS-Satelliten in herkömmlicher Weise unter Verwendung der laufenden Himmelsstellungsdaten berechnet (Untersatz der GPS-Daten) die von den GPS-Satelliten und der in der Basis bekannten Position der Basisstation 188 übertragen werden.
Bei einem Flußdiagrammblock 2106 werden die vorhergesagten geschätzten Pseudobereiche (unter Verwendung des Almanachs bzw. des Verzeichnisses) und die laufend geschätzten Pseudobereiche (unter Verwendung der letzten bzw. jüngsten Ephemeris- bzw. Himmelsstellungsdaten) verglichen. Wie im Flußdiagrammblock 2106 gezeigt, werden die euklidische Norm der vorhergesagten geschätzten Pseudobereiche und der laufend geschätzten Pseudobereiche berechnet und gegen eine vorgewählte Schwelle getestet.
Wenn die euklidische Norm größer ist als die vorgewählte Schwelle, dann werden die Himmelsstellungsdaten als verzerrt bzw. ungenau angesehen, wie in einem Flußdiagrammblock 2108 gezeigt. Folglich werden die letzten gültigen Almanach- bzw. Verzeichnisdaten verwendet, anstatt Positionsschätzungen der Basisstation 188 zu berechnen, wie in einem Flußdiagrammblock 2108 gezeigt. Das Flußdiagramm 2100 fährt dann beim Flußdiagrammblock 2110 fort.
Wenn die euklidische Norm geringer als oder gleich der vorgewählten Schwelle ist, dann werden die Himmelsstellungsdaten als ordnungsgemäß bzw. richtig angesehen und das Flußdiagramm 2100 fährt beim Flußdiagrammblock 2110 fort.
Als nächstes, wie in einem Flußdiagrammblock 2110 gezeigt, wird die Basispositionsschätzung der Basisstation 188 berechnet, und zwar unter Verwendung der laufenden Zeit und entweder der laufend empfangenen GPS-Daten oder der alten Verzeichnisdaten (entschieden im Flußdiagrammblock 2106),
Bei einem Flußdiagrammblock 2112 wird die Basispositionsschätzung gegen die erwarteten Werte getestet. In anderen Worten, da die Lage (bekannte Basisposition) der Basisstation 188 bekannt ist, kann die Genauigkeit der Basispositionsschätzung unter Verwendung der anti-selektiven Verfügbarkeitstechnik leicht gegen eine vorgewählte Schwelle getestet werden.
Wenn die Genauigkeit innerhalb der vorgewählten Schwelle ist, dann wird die Anzeige an das Fahrzeug 102 gesandt, daß die GPS-Daten richtig sind, wie in einem Flußdiagrammblock 2116 gezeigt. Als eine Folge liefert die Basisstation 188 irgendwelche Informationen, die vom Fahrzeug 102 benötigt werden, um die ersten Positionsschätzungen zu berechnen. Die gelieferte Information könnte beispielsweise folgendes aufweisen: Basis-Clock- bzw. Basis-Takt-Ableitungen, räumliche Ableitungen (Originalableitungen), parabolische Ableitungen, Basisresiduen-Ableitungen), geschätzte Basispseudobereiche und/oder tatsächliche Basispseudobereich.
Wenn die berechnete Basisstation 188 nicht innerhalb der vorgewählten Schwelle ist, dann werden die Basis-Clock- Ableitungen und/oder räumlichen Basisableitungen manipuliert, so daß die geschätzte Basisposition innerhalb der vorgewählten Schwelle ist, wie in einem Flußdiagrammblock 2114 gezeigt. Die Basis-Clock-Ableitungen, die benötigt werden, um die geschätzte Basisposition in die Akzeptanzschwelle zu bringen, werden an das Fahrzeug 102 gesandt, wie in einem Flußdiagrammblock 2116 angezeigt,

J. Überwachung

Zusätzlich zur Bestimmung der Positionsschätzungen und der Navigation des Fahrzeugs 102 kann die vorliegende Erfindung in einem getrennten Ausführungsbeispiel verwendet werden, um eine Überwachung der Oberfläche der Erde 172 in Echtzeit durchzuführen. Somit kann die Position auf irgendeinem Punkt der Erde 172 berechnet werden, und zwar unter Verwendung der Techniken und Verfahren der vorliegenden Erfindung.

K. Graphische Darstellungen

Die vorliegende Erfindung sieht die Erzeugung von graphischen Bildern auf einem (nicht gezeigten) Anwenderinterface bzw. einer Anwenderschnittstelle des Host- Verarbeitungssystems 188 vor. Die graphischen Bilder gestatten menschlichen Anwendern in der Basisstation 188, die Pfade bzw. Wege des Fahrzeugs 102 genauso wie von irgendwelchen anderen Fahrzeugen anzusehen, die mit der vorliegenden Erfindung navigiert bzw. geleitet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die graphischen Bilder auf im Handel erhältlichen Videodisplays bzw. Bildschirmen angezeigt, und falls nötig, können die Abbildungen bzw. Bildschirme von herkömmlichen Druckern gedruckt werden.

Claims

1. System zur Verbesserung der Genauigkeit von Positionsabschätzungen basierend auf Pseudobereichen oder Pseudoentfernungen Ri (Ro, R&sub2;, R., R&sub6;) hergeleitet von einem Fahrzeugpositioniersystem (1000) durch Inbetrachtziehen vorausgegangener Positionsabschätzungen, wobei das System folgendes aufweist:

erste Mittel (700, 900) zum Empfang von Signalen von einer Vielzahl von Satelliten, darauf ansprechende Bestimmung entsprechender Pseudobereiche oder Pseudoentfernungen von den Satelliten zum Fahrzeug, und Ableitung einer ersten Positionsabschätzung (716) der Position des Fahrzeugs als eine Funktion der Pseudoentfernungen; und gekennzeichnet durch:

zweite Mittel (700, 900) ansprechend auf die ersten Mittel (700, 900) zum Empfang der vorausgegangenen Positionsabschätzungen und in darauf ansprechender Weise Bestimmen eines Fahrzeugbahnmodells unter Verwendung eines Algorithmus der besten Anpassung (best fit algorithm);

dritte Mittel (700, 900) ansprechend auf die zweiten Mittel (700, 900) zum Extrapolieren einer zweiten Positionsabschätzung (908, 910) aus dem Fahrzeugbahnmodell; und

vierte Mittel (700, 900) ansprechend auf die dritten Mittel (700, 900) zum Einstellen oder Setzen der ersten Positionsabschätzung (716) gleich der zweiten Positionsabschätzung, wenn die statistische Genauigkeit der zweiten Positionsabschätzung größer ist als eine vorbestimmte Schwelle, wobei die statistische Genauigkeit (R) durch die folgende Formel bestimmt wird:

R² = Σ (abgeschätzte Pseudoentfernung Ri - Mittel der i zuvor abgeschätzten Pseudoentfernungen Ri)²/Σ (tatsächliche oder Ist-Pseudoentfernung Ri - i Mittel der vorherigen tatsächlichen oder Ist-Pseudoentfernungen Ri)²

2. Verfahren (1900) zur Verbesserung der Genauigkeit von Positionsabschätzungen eines Fahrzeugs (102) basierend auf einem Fahrzeugpositionierungssystem (1000) durch Inbetrachtziehen von vorherigen Positionsabschätzungen über einen Algorithmus der besten Anpassung, wobei das Verfahren (1900) die folgenden Schritte aufweist:

Empfangen von Signalen von einer Vielzahl von Satelliten, darauf ansprechendes Bestimmen entsprechender Pseudoentfernungen oder Pseudobereiche Ri von den Satelliten zum Fahrzeug, und Berechnen einer ersten Positionsabschätzung unter Verwendung des Fahrzeugpositionierungssystems, und zwar als eine Funktion der Pseudoent fernungen; und gekennzeichnet durch:

Bestimmung eines Fahrzeugbahnmodells unter Verwendung eines Algorithmus der besten Anpassung als eine Funktion früherer oder vorausgegangener Positionsabschätzungen;

Extrapolation einer zweiten Positionsabschätzung aus dem Fahrzeugbahnmodell; und

Gleichsetzen der ersten Positionsabschätzung mit der zweiten Positionsabschätzung, wenn statistische Genauigkeit der zweiten Positionsabschätzung größer ist als eine vorbestimmte Schwelle, wobei die statistische Genauigkeit R durch die folgende Formel bestimmt ist: