Die Erfindung betrifft eine mobile Referenzstation zur
Erzeugung von Korrektursignalen für eine differentielle Positionsbestimmungseinrichtung,
umfassend:
- einen Positionsbestimmungssignalempfänger zum Empfang von Signalen von
Satelliten eines Positionsbestimmungssystems,
- einen elektronischen Prozessor, der über eine Sendeeinheit mit einer Radioantenne
verbunden und eingerichtet ist, Positionssignale vom Positionsbestimmungssignalempfänger
zu erhalten und daraus Korrekturdaten abzuleiten, die durch die Sendeeinheit auf
Radiofrequenzen aufmodulierbar und über die Radioantenne abstrahlbar sind.
Stand der Technik
In der Landwirtschaft werden satellitengestützte Positionserfassungssysteme
unter anderem zum selbsttätigen Lenken landwirtschaftlicher Fahrzeuge, zum
positionsspezifischen Erfassen von Daten, z. B. Ertragsdaten, und zum positionsspezifischen
Ansteuern von Aktoren verwendet, beispielsweise zum Ausbringen von Düngemitteln
oder Chemikalien.
Die satellitengestützten Positionserfassungssysteme
wie GPS, Glonass oder das zukünftige Galileo verwenden mehrere in einer Erdumlaufbahn
befindliche, mit Atomuhren ausgestattete Satelliten, die jeweils Zeit- und Identitäts-
bzw. OrtsInformationen enthaltende elektromagnetische (Radio-) Wellen abstrahlen.
Die zugehörigen Empfänger müssen jeweils die Signale von zumindest
drei Satelliten empfangen, um ihre aktuelle Position im Raum bestimmen zu können.
Soll zusätzlich auch die aktuelle Zeit bestimmt werden, ist ein Empfang von
Signalen von vier Satelliten erforderlich.
Es ist weiterhin üblich (s.
EP 0 660 660 B
), die Genauigkeit der Positionserfassungssysteme durch den Empfang von
Korrekturdaten enthaltenden Radiosignalen zu verbessern, die von Referenzstationen
an bekannten Standorten ausgestrahlt werden. Man bezeichnet diese Systeme als differentielle
Positionserfassungssysteme (z. B. DGPS). Die Referenzstationen empfangen Signale
von Satelliten des Positionserfassungssystems und leiten daraus eine Positionsinformation
ab, die sie in Korrekturdaten umwandeln und mittels eines Radiosenders zum Fahrzeug
übertragen, das mit einem geeigneten Empfänger zum Empfang der Korrekturdaten
ausgestattet ist. Anhand der Korrekturdaten und der von den Satelliten empfangenen
Signale wird durch einen Rechner die Position des Fahrzeugs bestimmt. Es sind einerseits
so genannte Wide Area Systeme mit stationären und vernetzten Referenzstationen
und andererseits lokale Referenzstationen bekannt, die mobil sein können und
in der Regel in der Nähe des jeweils zu bearbeitenden Feldes aufgestellt oder
an erhöhten Standorten dauerhaft montiert werden. Ein Vorteil einer Positionsbestimmung
mit einer lokalen Referenzstation gegenüber einem Wide Area System liegt in
einer wesentlich höheren Genauigkeit, die erzielt wird, weil Netzwerklaufzeiten
entfallen und das Korrektursignal in direkter Umgebung des Einsatzortes generiert
wird. Solche Systeme werden aufgrund ihrer hohen Genauigkeit zur dynamischen Vermessung
oder zur Lenkung von fahrenden Maschinen verwendet und werden daher auch als RTK
(Real Time Kinematic) - Systeme bezeichnet.
Bei mobilen Referenzstationen besteht ein gewisses Risiko,
dass diese während des Betriebes bewegt werden, weil sie beispielsweise einen
Fahrweg o. ä. versperren und deshalb durch einen Dritten weggestellt werden.
Eine auf einem Stativ aufgestellte Referenzstation kann auch bei stärkerem
Wind umgeweht werden. Jedwede Bewegung der Referenzstation führt zu einer analogen
Bewegung eines selbsttätig gelenkten Fahrzeugs auf dem Feld und stellt somit
ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
Die Referenzstation kann nämlich selbst nicht unterscheiden,
ob die Positionsveränderung durch eine Bewegung der Station selbst verursacht
ist oder durch andere Fehler vorgegaukelt wird. Sie überträgt vielmehr
weiterhin die Korrekturdaten, welche aber nunmehr auf einer neuen Position der Referenzstation
basieren, an das Fahrzeug. Da dem Rechner des Fahrzeugs nun andere Korrekturdaten
vorliegen, errechnet er auch eine andere Positionsinformation. Da diese von der
Sollposition abweichen wird, erzeugt ein Lenksystem des Fahrzeugs entsprechend entgegen
arbeitende Lenkdaten, die zu der erwähnten ungewünschten Lenkbewegung
führen, um das Fahrzeug auf den Sollweg zurück zu führen. Erst wenn
eine Positionsveränderung Werte annimmt, die systemimmanente Fehler unwahrscheinlich
erscheinen lässt, sendet die Referenzstation eine Warnmeldung an das Fahrzeug
und schaltet das Korrektursignal ab. Bis zu diesem Zeitpunkt kann das Fahrzeug aber
bereits mehrere Meter vom Sollkurs abgewichen sein.
Aufgabe der Erfindung
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird darin
gesehen, eine mit einer mobilen Referenzstation zusammenwirkende Einrichtung zur
Bestimmung der Position eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges bereitzustellen, bei
dem die genannten Probleme nicht mehr oder in einem geringeren Maße vorliegen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die
Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen
Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
Eine mobile Referenzstation, die sich insbesondere zum
Zusammenwirken mit einer differentiellen Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung
der Position eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges eignet, umfasst einen Positionsbestimmungssignalempfänger
zum Empfang von Signalen von Satelliten eines Positionsbestimmungssystems und einen
elektronischen Prozessor, der über eine Sendeeinheit mit einer Radioantenne
verbunden ist und im Betrieb Positionssignale vom Positionsbestimmungssignalempfänger
erhält und daraus Korrekturdaten ableitet, die durch die Sendeeinheit auf Radiofrequenzen
aufmoduliert und über die Radioantenne abgestrahlt werden. Es wird vorgeschlagen,
den Prozessor mit einem Trägheitssensor zu verbinden und ihn anhand von Signalen
des Trägheitssensors eine von einer Positionsveränderung der Referenzstation
abhängige Größe berechnen zu lassen und ein Fehlersignal zu erzeugen,
wenn diese Größe einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Bei dieser Größe kann es sich um die Positionsveränderung, um ihre
Geschwindigkeit oder um die Beschleunigung der Referenzstation handeln. Übersteigt
der Betrag dieser Größe einen vorbestimmten Schwellenwert, der beispielsweise
im einstelligen cm oder cm/s oder cm/s2 - Bereich liegen kann, wird ein
Fehlersignal erzeugt.
Das Fehlersignal kann verwendet werden, um die Abstrahlung
der Korrekturdaten durch die Referenzstation abzubrechen. Das Lenksystem eines Fahrzeugs,
das mit einer differentiellen Positionsbestimmungseinrichtung ausgerüstet ist,
die mit der Referenzstation zusammenwirkt, kann dann gegebenenfalls auf ein anderes
Korrektursignal zurückgreifen oder ohne Korrekturdaten weiterarbeiten. Auf
diese Weise werden unerwünschte Lenkausschläge des Fahrzeugs vermieden.
Außerdem kann das Fehlersignal über die Sendeeinheit
und die Radioantenne abgestrahlt werden. Ein Bediener eines Fahrzeugs, das mit einer
differentiellen Positionsbestimmungseinrichtung ausgerüstet ist, die mit der
Referenzstation zusammenwirkt, kann auf diesem Weg praktisch sofort über einen
möglichen Fehler der Referenzstation informiert werden und seinerseits weitere
Maßnahmen treffen, insbesondere das Fahrzeug manuell lenken oder es anhalten
und die Referenzstation wieder an ihre ursprüngliche Sollposition zurückbringen.
Der Trägheitssensor ist vorzugsweise physisch mit
dem Positionsbestimmungssignalempfänger verbunden, beispielsweise in einem
gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Bei einer möglichen Ausführungsform
sind der Positionsbestimmungssignalempfänger und der Trägheitssensor sowie
ggf. der Prozessor und die Sendeeinheit auf einer gemeinsamen Platine angebracht.
Der Trägheitssensor kann Bestandteil eines Trägheitsnavigationssystems
für eine Maschine sein, das zum Ausgleich eines Versatzes zwischen dem Positionsbestimmungssignalempfänger
und den Rädern oder anderen Referenzpunkten der Maschine (oder als Navigationshilfe
bei Ausfall des Positionsbestimmungssignalempfängers) dient.
Der Trägheitssensor kann Bestandteil eines Trägheitsnavigationssystems
sein, wie es an Bord von Fahrzeugen verwendet wird. Von einer Positionsveränderung
der Referenzstation kann beispielsweise ausgegangen werden, wenn das Trägheitsnavigationssystem
Werte für eine Positionsveränderung oder Positionsveränderungsgeschwindigkeit
oder Beschleunigung ermittelt, die über einer Drift liegen, wie sie für
derartige Systeme üblich ist.
Ausführungsbeispiel
In den Zeichnungen ist ein nachfolgend näher beschriebenes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine seitliche Ansicht einer mobilen Referenzstation und eines damit zusammenwirkenden
landwirtschaftlichen Fahrzeugs,
- Fig. 2
- ein Flussdiagramm, nach dem der Prozessor der Referenzstation arbeitet, und
- Fig. 3
- ein Flussdiagramm, nach dem der Rechner des Fahrzeugs arbeitet.
Die Figur 1 zeigt eine seitliche Ansicht eines landwirtschaftlichen
Fahrzeugs 10 in Form eines Traktors und eines an einem Dreipunktgestänge 12
der Maschine 10 angebauten Arbeitsgeräts 14 in Form eines Schleuderdüngerstreuers.
Das Fahrzeug 10 baut sich auf einem tragenden Rahmen 16 auf, der sich auf lenkbaren
Vorderrädern 18 und antreibbaren Hinterrädern 20 abstützt und eine
Kabine 22 trägt, in der sich ein Bedienerarbeitsplatz 24 befindet. Der Bedienerarbeitsplatz
24 umfasst ein Lenkrad 26, einen Sitz, Pedale (nicht gezeigt) und ein virtuelles
Terminal 28. Das virtuelle Terminal 28 ist mit einer Datenübertragungseinrichtung
30 verbunden, die in der dargestellten Ausführungsform ein serieller Datenbus
ist.
Die Datenübertragungseinrichtung 30 ist weiterhin
mit einem Rechner 38 verbunden, der direkt oder über die Datenübertragungseinrichtung
30 mit einem Positionsbestimmungssignalempfänger 40 zum Empfang von Signalen
von Satelliten 42 eines Positionsbestimmungssystems (z. B. GPS, Glonass oder Galileo)
und einem Korrekturdatenempfänger 44 verbunden ist, der zum Empfang von auf
Radiowellen aufmodulierten Korrekturdaten dient, die von einer mobilen Referenzstation
46 abgestrahlt werden. Weiterhin ist der Rechner 38 mit einem Trägheitsnavigationssystem
32 verbunden.
Die mobile Referenzstation 46 umfasst ein dreibeiniges
Stativ 34, auf dem ein Gehäuse 36 befestigt ist, das einen elektronischen Prozessor
50 enthält, der mit einem Positionsbestimmungssignalempfänger 52, einem
Trägheitssensor 60 und über eine Sendeeinheit 54 mit einer Radioantenne
56 verbunden ist. Der Trägheitssensor 60 ist in dieser Ausführungsform
als an sich bekanntes Trägheitsnavigationssystem ausgeführt, wie es in
Fahrzeugen verwendet wird (s.
EP 1 475 609 A
, deren Offenbarung durch Verweis mit in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen
wird). Er ist innerhalb des Gehäuses 36 der Referenzstation 46 angeordnet.
Die mobile Referenzstation wird im Betrieb am Rand eines
Felds oder an einer anderen, geeigneten Stelle aufgestellt.
Der Betrieb der Referenzstation 46 wird im Folgenden anhand
des in der Figur 2 dargestellten Flussdiagramms beschrieben. Nach dem Start im Schritt
80 (d. h. Einschalten und Hochfahren der Referenzstation 46) beaufschlagt der Positionsbestimmungssignalempfänger
52 im Schritt 82 den Prozessor 50 mit Positionssignalen, die er aus Signalen ableitet,
die er von den Satelliten 42 empfängt. Der Prozessor 50 erzeugt anhand der
empfangenen Positionssignale und seiner bekannten Position Korrekturdaten, die als
Differenz zwischen wahrer und gemessener Position berechnet und als Korrekturvektor
angegeben werden können. Hierzu wird auf die Offenbarung der
DE 195 39 302 A
verwiesen, die durch Verweis mit in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen
wird. Anschließend fragt der Prozessor im Schritt 84, ob die Signale des Trägheitssensors
60 darauf hinweisen, dass der Trägheitssensor 60 und mit ihm die Referenzstation
46 eine Bewegung gegenüber dem Erdboden vollführt haben (oder eine Bewegungsgeschwindigkeit
oder Beschleunigung aufweisen), die größer als ein Schwellenwert ist,
der beispielsweise dem 3fachen der für ein Trägheitsnavigationssystem
üblichen Drift entspricht. Ist das nicht der Fall, folgt der Schritt 86, in
dem die Korrekturdaten durch die Sendeeinheit 54 auf Radiofrequenzen aufmoduliert
und über die Radioantenne 56 abgestrahlt werden. Anderenfalls folgt der Schritt
88, in dem ein Fehlersignal über die Sendeeinheit 54 abgestrahlt wird. Auf
den Schritt 86 folgt wieder der Schritt 82; auf den Schritt 88 wird die Prozedur
im Schritt 90 beendet.
Die Figur 3 stellt ein Flussdiagramm dar, nach dem der
Rechner 38 des Fahrzeugs 10 arbeitet. Nach dem Start im Schritt 100 wird der Rechner
38 im Schritt 102 mit Signalen vom Positionsbestimmungssignalempfänger 40 und
über den Korrekturdatenempfänger 44 mit Signalen von der Sendeeinheit
54 beaufschlagt. Es folgt der Schritt 104, in dem der Rechner 38 untersucht, ob
die Sendeeinheit 54 ein Fehlersignal abgestrahlt hat. Ist das nicht der Fall, berechnet
der Rechner 38 im Schritt 106 anhand der Signale vom Positionsbestimmungssignalempfänger
40 ein Positionssignal, dessen Genauigkeit er anhand der von der Sendeeinheit 54
empfangenen Korrekturdaten der Referenzstation 46 verbessert.
Das Trägheitsnavigationssystem 32 des Fahrzeugs 10
beaufschlagt den Rechner 38 mit einer Information über eventuelle Gier- und
Rollwinkel des Fahrzeugs 10. Der Rechner 38 verwendet im Schritt 108 die Signale
des Trägheitsnavigationssystems 32, um den Versatz zwischen den vorderen Rädern
18 und dem Positionsbestimmungssignalempfänger 40 zu kompensieren, wenn das
Fahrzeug 10 über unebenes Gelände fährt. Die Signale des Trägheitsnavigationssystems
32 können auch verwendet werden, um bei zeitweiligem Ausfall der Signale vom
Positionsbestimmungssignalempfänger 40 und/oder vom Korrekturdatenempfänger
44 Lenksignale erzeugen zu können.
Das kompensierte Positionssignal wird im Schritt 110 von
einer Lenksteuereinheit 58, die über die Datenübertragungseinrichtung
30 mit dem Rechner 38 verbunden ist, mit einer Sollposition entlang eines abgespeicherten
Sollwegs verglichen und zur Erzeugung eines Lenksignals herangezogen, mit dem ein
Lenkzylinder (nicht gezeigt) zum Lenken der Vorderräder 18 angesteuert wird.
Außerdem wird im Schritt 112 das ursprüngliche
oder das kompensierte Positionssignal durch den Rechner 38 zur Ansteuerung einer
Kontrolleinheit 48 zur positionsspezifischen Steuerung des Düngerstreuers 14
anhand eines Düngeplans verwendet. Im Schritt 112 könnten durch den Rechner
38 auch Daten erfasst werden, z. B. hinsichtlich des Pflanzenzustands oder bei einem
Mähdrescher oder Feldhäcksler Ertragsdaten.
Wenn der Schritt 104 (basierend auf dem Schritt 84) eine
Positionsveränderung der Referenzstation 46 ergibt, kann man davon ausgehen,
dass die Referenzstation 46 von ihrer Sollposition entfernt wurde, beispielsweise
weil sie einem Dritten im Weg stand, oder umgestürzt ist, z. B. durch Wind
oder vorbeilaufende Tiere. Im Schritt 114, der im Falle eines Fehlersignals im Schritt
104 folgt, wird durch den Rechner 38 über das virtuelle Terminal 28 eine Warnmeldung
an den Bediener in der Fahrerkabine 22 gegeben. Der Fahrer wird somit auf einen
möglichen Fehler hingewiesen. Weiterhin ignoriert der Rechner 38 im Folgenden
eingehende Korrektursignale von der Referenzstation 46. Dadurch werden übermäßige
Lenkausschläge der Vorderräder 18 vermieden. Nach dem Schritt 114 wird
die Prozedur im Schritt 116 zunächst beendet.
Der selbsttätige Lenkvorgang kann, nunmehr jedoch
ohne Korrekturdaten von der Referenzstation 46, oder nachdem die Referenzstation
46 wieder an die vorgesehene Position verbracht und letzteres durch eine Eingabe
mittels einer mit dem Prozessor 50 verbundenen Schnittstelle (nicht gezeigt) bestätigt
wurde, mit Korrekturdaten fortgesetzt werden. Alternativ kann der Fahrer mittels
des Lenkrads 26 den Lenkvorgang übernehmen.