Leistungsfähigkeit fahrzeugautonomer Ortungsverfahren auf der Basis von Map-Matching-Techniken

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1 Lesungsfähgke fhrzeuguonomer Orungsverfhren uf der Bss von Mp-Mchng-Technken Von der Fkulä für Bungeneur- und Vermessungswesen der Unversä Sugr zur Erlngung der Würde enes Dokors-Ingeneurs (Dr.-Ing.) genehmge Dsseron vorgeleg von Dpl.-Ing. Rene Czommer us Peßenberg Hupbercher: Mbercher: Prof. Dr.-Ing. W. Möhlenbrnk Prof. Dr.-Ing. hbl., Dr. ech. h.c. mul. Dr.-Ing. E.h. E.W. Grfrend Tg der mündlchen Prüfung : 3. Dezember Insu für Anwendungen der Geodäse m Buwesen der Unversä Sugr

2 Dese Abhndlung s uch n Buchform veröffenlch: Deusche Geodäsche Kommsson be der Berschen Akdeme der Wssenschfen Rehe C Dsseronen Hef Nr. 535 Verlg der Berschen Akdeme der Wssenschfen n Kommsson be der C. H. Beck schen Verlgsbuchhndlung München ISSN ISBN Adresse der Deuschen Geodäschen Kommsson: Deusche Geodäsche Kommsson Mrsllplz 8 D München Telefon (89) Telef (89) /- E-ml hornk@dgf.bdw.de hp://

3 3 Inhlsverzechns Kurzfssung 5 Summr 6 Enleung und Problemsellung 7 Zusmmenhng zwschen Orungsssemen und dgler Kre. Orungssseme.... Dgle Srßenkren Sregen zur Krenenpssung Defnonen und Bezechnungen Geogrphc D Fle (GDF) 3. Zelche Enwcklung des Sndrd GDF Denmodellerung Erkon geomerscher Informonen Beschränkung uf de Geomere-Informonen Orungssensoren n Fhrzeugnvgonsssemen 7 4. Rdsensoren Dfferenlodomeer Elekronscher Kompß Kresel Mechnsche Kresel und Beschleungungsmesser Pezoelekrsche Vbronskresel Opsche Kresel Verglech der verschedenen Kreselpen Globl Posonng Ssem (GPS) Dfferenelles GPS Auswerung von Beobchungen Denufbereung für ds Krümmungsbld Denufbereung für ds Wnkelbld Koppelorung Srpdown-Algorhmus Berückschgung der Egendnmk Korrekur der Meßsgnle m Hlfe des zugrundegelegen Fehlermodells Besmmung der Trnsformonsmr zwschen Meß- und Nvgonskoordnenssem Inegron der Nvgonsglechungen...6

4 4 6 Verknüpfung von Orung und dgler Kre 6 6. Krenenpssung m Proflen Enfche Zuordnung m Kreuzkorrelon Zuordnung m klensen Verbesserungsudren Rekursve Prmeerschäzung (Klmn-Fler) Bespel zur Krenenpssung m Krümmungen Krenenpssung uf Koordnenebene Krenenpssung m Trnslonsvekoren Krenenpssung m ebener Ähnlchkesrnsformon Krenenpssung m Affnrnsformon Auffnden von Alernvrouen Fehlernlse nhnd smulerer Beobchungen Smulon von Meßweren Trssengeomere Fhrdnmk Smulon nerler Beobchungen Kresel und Odomeer Auswrkung enzelner Kreselfehler Auswrkung von Fehlerkombnonen Zusmmenfssung der Kreselsmulonen Kresel und Beschleungungsmesser Sensorredukon Mßsbsfehler Nullpunkfehler Fehlwnkel Zusmmenfssung der Fehlersmulonen für Beschleungungsmesser... 8 Unersuchungen m relen Beobchungen 8. Zebezug Denufbereung Dfferenelles GPS Dfferenlodomeer Kombnon Dfferenlodomeer und GPS Kombnon Dfferenlodomeer und DGPS Kombnon Kresel und Rdsensor Auswhl von Alernvrssen Verglech der Zuordnungslgorhmen Genugke be normlen Meßbedngungen Enfluß der Meßduer Zuverlässgke der Trssendenfkon Krenenpssung uner nch opmlen Bedngungen Fehler m Krenmerl Enfluß ungünsger Geomere Zusmmenfssung 36 Lerur 4 Dnksgung 45 Lebensluf 45

5 5 Kurzfssung Auonome Fhrzeugnvgonssseme, de de gesme Orungssensork und ds uf CD gespechere Srßennez m Fhrzeug mführen, erfordern zur Plnung opmler Rouen, zur Zelführung und zur Genererung rechzeger Fhrempfehlungen de srßengenue Kennns der Fhrzeugposon uf dem Srßennez. Enschedend s nch de n enem besmmen Koordnenssem durchgeführe Orung und hre Genugke, sondern der logsche Bezug zwschen Fhrzeugposon und dgler Kre. Dese Aufgbe wrd ls Krenenpssung (Mp-Mchng) bezechne. Moderne Fhrzeugnvgonssseme nuzen zur Orung Mulsensorsseme (Dfferenlodomeer, Kresel, Mgnefeldsonden) n Kombnon m GPS oder DGPS. Aufgrund der beschränken Verfügbrke der Sellenverfhren durch Abschungen und Refleonen n bebuen Gebeen (85% ller Fhren m dem PKW erfolgen n sädschen Bllungsgebeen), mgnescher Sörfelder, Refenschlupf und der ungünsgen Fehlerforpflnzung der Koppelorung komm es mmer weder zu Orungsverlusen, de m Prnzp zum olen Ssemusfll führen können. Abhlfe soll durch ene Krenenpssung geschffen werden, de ds sensorpsche Fehlerverhlen der Orungssensork kompenser. Ds ssemsche Fehlerverhlen wurde für de Orungssensoren Odomeer (Rdumdrehungssensor z.b. ABS-Sensor), Mgnefeldsonde, Kresel, Beschleungungsmesser, GPS und DGPS heoresch unersuch. Auf der Grundlge deser Fehlermodelle wurden m Rhmen deser Arbe fünf Zuordnungsverfhren zur Krenenpssung m unerschedlchen Frehesgrden enwckel, de ensprechend der verschedenen Drsellungswesen ebener Kurven m Krümmungsbld, m Wnkelbld oder m zwedmensonlen kresschen Koordnen ngesez wurden. Zur Krenenpssung m Wnkel- oder Krümmungsbld werden us den Messungen der zurückgelege Weg (Bogenlänge) und de Funkonswere (Rchungswnkel oder Krümmungen) bgelee. Dese gemessene Funkon über der Bogenlänge wrd uf de korresponderende Funkon us der Kre engepß, ndem zwschen den beden Funkonen und den beden Bogenlängen jewels ene Verschebung und en Mßsbsfkor n ener Ausglechung nch klensen Verbesserungsudren geschäz wrd. Be den Koordnenverfhren wrd de zurückgelege Fhrsrecke n Lnenelemene konsner Länge engeel und m den Lnenelemenen us der dglen Kre verglchen. Zur Enpssung uf ds dglsere Srßennez werden de dre usglechenden Trnsformonen Trnslon, ebene Ähnlchkesrnsformon und ebene Affnrnsformon unersuch. De Empfndlchke deser fünf Zuordnungsverfhren uf ssemsche Sensorfehler wurde m smuleren Beobchungen für de Sensorsseme Kresel m Odomeer und Kresel m Beschleungungsmessern nhnd ener Genugkesnlse unersuch. Kreselmßsb und Kreselnullpunk können m ener Krenenpssung m Krümmungsbld ohne jeglche Klbrerung der Kreselfehler kompenser werden. Fehler n der Beschleungungsmessung führen zu enem m der Ze udrsch nwchsenden Fehler m gemessenen Weg und können ohne eerne Fehlerkompenson m kenem der Zuordnungsverfhren uf de Kre engepß werden. Anhnd reler Beobchungen m GPS, DGPS, Rdsensoren und enem Srpdown-Inerlssem, de be Tesfhren uner normlen Verkehrsbedngungen gewonnen wurden, konnen für verschedene Kombnonen deser Sensoren de Zuordnungsverfhren uf hre Anwendbrke hn epermenell unersuch werden. De errechbren Genugkeen und de Zuverlässgke be der Idenfkon der rchgen Trsse us mehreren Alernven, de für de Fhrzeugnvgon besonders wchg s, wurde nlser und bewere. In bebuen Gebeen snd rene GPS-Messungen of unbruchbr, d jede Änderung der Sellenkonsellon zu Sprüngen n der Fhrzeugposon führ, de m kenem der Verfhren kompenser werden knn. DGPS bruch ene Süzung durch Rdsensoren, um Abschungen zu überbrücken und Drferschenungen be erem lngsmer Fhr zu mldern. Messungen m den Sensorkombnonen Kresel m Rdsensor, Dfferenlodomeer, GPS m Dfferenlodomeer, DGPS m Dfferenlodomeer und renes DGPS (ohne lnge Abschungszeen) können m llen Zuordnungsverfhren (ußer m Trnslon) uf de Kre engepß werden, wenn mndesens zwe Kurven m Denmerl enhlen snd. De Zuordnungsgenugke der Verfhren uf Koordnenebene nmm m längerer Meßsrecke b. De Verfhren m Wnkel- oder Krümmungsbld berückschgen ssemsche Sensorfehler deulch besser und werden m längerer Meßduer mmer genuer. M Problemfällen we Abschungen der Sellensgnle, gernge Kurvgke der befhrenen Srecke, Trssendenfkon be prksch prllelen Alernven wurden de Grenzen der Orungssseme und der Zuordnungsverfhren ufgezeg. Borduonome Nvgonssseme m Odomeer und Kresel errechen durch de Krenenpssung uf ds gespechere Srßennez m ener Genugke von 7cm günsgere Orungsergebnsse ls rene DGPS-Messungen, so dß m Bllungsrum ene zuverlässge Krenenpssung ohne DGPS möglch s. De Inegron von DGPS brng kenen wesenlchen Genugkesgewnn, llerdngs wrd de Inegrä durch hbrde Sseme verbesser.

6 6 Summr Auonomous cr nvgon ssems wh on-bord posonng sensors nd CD-rod nework reure rod ccure posonng relvel o he rod nework for opml roue plnnng, for roue gudnce nd for generng drvng recommendons. Posonng effeced n cern reference ssem nd s ccurc re no decsve bu represen he logcl locon of he vehcle relvel o he dgl mp. Ths sk s clled mp mchng. Modern cr nvgon ssems use for posonng mul-sensor-ssems (dfferenl odomeers, gros, mgnec feld sensors) n combnon wh GPS or DGPS. Lle vlbl of selle mehods due o mskng nd second w effecs n urbn res (85% of mobl cves n rod rffc occur n urbn res), mgnec dsurbnces, wheel slps nd unfvourble error propgon of ded reckonng led gn nd gn o loss of poson nd n prncple o ol ssem flures. Ths cn be voded b mp mchng whch compenses he sensor pcl error behvour of posonng sensors. The ssemc error behvour ws emned heorecll for he posonng sensors odomeer (wheel sensors,.e. ABS-sensors), mgnec feld sensors, gros, cceleromeers, GPS, nd DGPS. Bsed on hese error models fve mp mchng mehods wh dfferen degrees of freedom were developed, esmed correspondngl o he vrous ws of presenon of pln curves n curvure pern, n ngulr pern, or wh wo-dmensonl cresn coordnes. For orenon or curvure mp mchng he dsnce frves (ruve lengh) nd he vlues of orenon (drecon ngle or curvures) re derved from hese mesuremens. Ths mesured funcon over he curve lengh s fed o he correspondng funcon of he mp b esmng one offse nd one scle fcor n les sure djusmen beween he wo funcons nd he wo curve lenghs. In cse of coordne procedures he drven dsnce s dvded no lne elemens of consn lengh nd compred wh he lne elemens of he dgl mp. For mchng ono he dgl rod nework, hree ppromng rnsformon rnslons, pln smlr rnsformon nd ffn rnsformon re suded. The sensv of hese fve mehods concernng ssemc sensor errors s emned b precse nlss b mens of smuled observons for he sensor ssems gro wh odomeer nd gro wh cceleromeers. Scle fcors nd bs of gros cn be compensed b curvure mchng whou n clbron of hese errors. Acceleromeer errors grdull led o sured ncresng errors regrdng he mesured dsnce, nd cnno be mched whou error compenson o n mehod on he mp. Bsed on rel observons wh GPS, DGPS, wheel sensors, nd srp down nerl ssem beng nvesged durng es rps under norml rffc condons he mp mchng procedures could be esed for vrous combnons of hese sensors. The ccurces reched nd he relbl of rck denfcon of he ec rck ou of vrous lernve rcks beng especll mporn for vehcle nvgon, were nlsed nd vlued. In urbn res pure GPS mesuremens re ofen useless, s ever chnge n selle consellons leds o dsurbnces of he vehcle poson whch cnno be compensed b one of he mehods. DGPS needs suppor b wheel sensors o brdge mskng effecs nd o modere drf effecs durng eremel slow moon. Mesuremens b sensor combnons such s gro wh wheel sensors, dfferenl odomeer, GPS wh dfferenl odomeer, DGPS wh dfferenl odomeer nd pure DGPS (whou long mskng mes) cn be mched ono he mp wh ll mehods (besdes rnslon), f les wo urns re conned whn he d merl. The precson of he mp mchng process o he coordne pern decreses wh growng dsnce. The orenon nd curvure mchng compense ssemc sensor errors consderbl beer nd ncrese ccurc wh growng dsnce. The lms of posonng ssems nd mp mchng echnues re shown n problemc cses such s mskng of he selle sgnls, lle curvng of he rck, rck denfcon n nerl prllel lernve rcks. Auonomous nvgon ssems bsed on odomeers nd gros rech, b mp mchng ono he rod ne, more fvourble posonng resuls n ccurc of 7cm hn pure DGPS mesuremens so h n urbn res relble mp mchng whou DGPS s possble. The negron of DGPS does no show consderble ncrese n ccurc, neverheless he negr of hbrd ssems s ncresed.

7 7 Enleung und Problemsellung Ungehndere Moblä wrd von llen Auofhrern gewünsch, ber zur Ze enwckel sch de Verkehrssuon n engegengesezer Rchung. Durch de zunehmende Verkehrsdche s unser Verkehrsbluf zeufwendger, nervenufrebender und we wenger umwelschonend und energesprend, ls er sen müße. In der europäschen Unon wrd sch der Bedrf n Trnspor n den nächsen 5 Jhren noch verdoppeln [Hwrd 997]. Aber de schwndende Fnnzkrf beschränk den weeren Ausbu der Verkehrsnfrsrukur, so dß n den nächsen Jhren de Verkehrsdche und de Kompleä m Srßenverkehr noch erheblch zunehmen werden. Zur nchhlgen Lösung der Verkehrsprobleme snd dher Mßnhmen erforderlch, de den Verkehr vermeden, verlgern oder verräglcher bwckeln. De ngespnne Verkehrssuon soll durch ene effzenere Nuzung der vorhndenen Infrsrukur ller Verkehrsräger und durch en nellgenes Verkehrsmngemen zur Vermedung unnöger Fhren enlse werden. D 9% ller Unfälle uf Fehler der Auofhrer zurückzuführen snd [Hwrd 997], snd mehr Scherhe m Srßenverkehr und ene Enlsung der Verkehrselnehmer erforderlch. Zur Lösung deser Kpzäs- und Scherhesprobleme wurden und werden zunehmend nellgene Verkehrssseme von öffenlchen und prven Sellen engeführ, de zunächs uf Enzellösungen bzelen. De rsne Enwcklung n Telekommunkon und Informk (Telemk) ermöglch de Vernezung von Telssemen, de ddurch n Funkonlä, Informonsdche und -kulä gewnnen. De große Bndbree deser Verkehrsmngemensseme knn nhnd enger Bespele demonsrer werden. Zur Verbesserung der Verkehrsscherhe uf hochbelseen und unfllgefährdeen Sreckenbschnen werden von den Verkehrslenkungsbehörden moderne Sseme zur Verkehrsbeenflussung des Indvdulverkehrs nsller, de de Verkehrssröme und Werungsbedngungen uomsch erfssen und de uf der Srecke vorhndenen Hnwesfeln und Wechselverkehrszechen rechnergeseuer konrolleren. Dese kollekven Verkehrslesseme werden von seen der öffenlchen Hnd m enem ensprechenden Invesonsprogrmm weer vorngereben. Künfg werden de velfälgen Informonen us Verkehrsbeenflussungsnlgen über de Verkehrssuon uf Auobhnen versärk m nderen Telemkssemen zur Verkehrslenkung und Verkehrsnformon für den enzelnen Krffhrer verknüpf werden, ds heß, de wchgen Informonen über Sus können dnn uch drek, lso ohne Zeverlus, zum Bespel m enem verbesseren Verkehrsfunk, ns Fhrzeug gelngen. In verschedenen Publc/Prve-Prnerschf-Projeken werden z.z. Modelle herfür errbee. En Bespel dfür s ds Projek MOBIN n Bden-Würemberg [Schul 999]. Weere Bespele für kollekve Verkehrslesseme, de zenrl geseuer werden, snd Prklesseme, de den Prksuchverkehr verrngern und durch sponne Rekonen uf den kuellen Bedrf de vorhndenen Kpzäen opml nuzen, und professonelles Floenmngemen zur effzenen Seuerung und Enszplnung enes Fuhrprks (Spedonen, Tunernehmen, Polze u.v.m.). Der enzelne Verkehrselnehmer knn für sen Fhrzeug ls ndvduelles Verkehrslessem en Fhrernformonsssem erwerben, ds hn we en orskundger Befhrer be der Plnung der opmlen Fhrsrecke unersüz und durch eke und rechzege Anwesungen zu senem Zel führ. Derzege Zelführungssseme snd mes uonome Lesseme, d.h. de gesme Orungssensork und de Informon über ds Verkehrsnez (dgle Kre) wrd m Fhrzeug mgeführ. Der Bordcompuer ermel zu Begnn der Fhr ene opmle Roue zum Zel und verglech sändg de Fhrzeugposon m der dglen Kre, so dß er us der Denbnk Fhrempfehlungen für den Fhrer (mes us Scherhesgründen kussch) beresellen knn. Enschedend für ds enwndfree Funkoneren der Zelführungssseme s de srßengenue Orung, de Verfügbrke der hnrechend dchen dglen Srßenkre und de Enwcklung von Informonssregen für de Erkon von endeugen Fhrempfehlungen vor der nächsen Kreuzung. Außerdem soll es be Bedrf den Fhrer über ourssche Besonderheen, Hoels, Gssäen, Tnksellen, Werksäen u.v.m. enlng der Fhrsrecke nformeren. En solches Fhrer-Informonsssem bezeh sene Orskundgke us ener dglen Kre [Möhlenbrnk 99], de uf CD-ROM gespecher s, und neben der geogrphschen Lge des Srßennezes Nmen von Säden und Srßen zur Engbe des gewünschen Zelors enhäl. Um de Akulä der dglen Kre zu erhlen, werden n Zklen von dre Monen bs zu enem hlben Jhr Updes gelefer. Beres 6 Auomoblherseller been den Enbu deser Nvgonsgeräe b Werk n. Zusmmen m den Nchrüsssemen wurden m Jhr 997 n Deuschlnd 9 Enheen verkuf und bs zum Jhr soll sch de Zhl jährlch

8 8 verdoppeln. Akuelle Mrküberschen und Tesergebnsse über Fhrzeugnvgonssseme werden z.b. n den Zeschrfen TeleTrffc und ADAC-Moorwel veröffenlch. Der Vorel deses Ssems s, dß es völlg ndvduell berebbr s und kenerle Unersüzung von der Infrsrukur her benög. Der Nchel s, dß kene kuellen Verkehrssörungen und Servce-Informonen verfügbr snd. Dher wollen Elekronk- und Auomoblndusre nfrsrukurgesüze Verkehrslesseme enführen, be denen von ener Verkehrsnformonszenrle us kuelle Verkehrsnformonen m Bordcompuer über Moblkommunkon beregesell werden. Um dese dnmsche Zelführung zu errechen, s ene nhlose Inegron der Telemk-Informonen n ds Nvgonsssem erforderlch. Als zusäzlche Funkon gegenüber den borduonomen Nvgonsssemen muß de Sreckenführung m kuellen Sumeldungen und Umleungsempfehlungen, de über den jüngs ebleren Trffc Messge Chnnel gelefer werden, n de rele Verkehrssuon n Echze ngepß werden. Ds erse eche dnmsche Nvgonsssem DnAPS s se kurzem ls Sonderussung für Mercedes-Benz Fhrzeuge erhällch. Telemknwendungen unersüzen de Scherhe m Srßenverkehr, ndem durch mehr Verkehrsnformon m Fhrzeug Unfälle verhnder werden. Telemsche Enrchungen m Fhrzeug lefern en Mel zur Debshlscherung und -verhüung. Zu den besonders wervollen Telemknwendungen zähl der uomsche Noruf m Ernsfll (usgelös vom Fhrer oder Arbg). Nch enem Unfll kose de Orung des verunglücken Fhrzeugs wervolle Mnuen, de de Enszfhrzeuge bruchen, um de Verunglücken zu errechen. Ene deulche Beschleungung brng ene uomsche Orung der Fhrzeugposon, de be enem Unfll n ene Reungs-Leselle gefunk wrd, wo de nowendgen Hlfsmßnhmen sofor vernlß werden. Zur Segerung der Scherhe m Srßenverkehr werden ußerdem forschrlche Scherhessseme n Fhrzeugen enwckel, de zur Geschwndgkeskonrolle, zur Wrnung vor gefährlchen Kurven und Kreuzungen, und zur Konrolle der Umwelbedngungen we Werung und Fhrbhnbelg denen. Be usrechender Genugke von Orung und Krenzuordnung könne ds Scherhesssem von der dglen Kre unersüz werden, de dellere Informonen über de Srßenkonfguron enhäl. Unbhängg von der Schwee und ohne ufwendge Infrsrukur könne ds Ssem n de Zukunf blcken und vor bevorsehenden Eregnssen wrnen. Zur Nuzung der Krennformonen benög jede deser Anwendungen den logschen Bezug zwschen der kuell gemessenen Fhrzeugposon und dem gespecheren Srßennez. Alle Orungsverfhren lefern ls Fhrzeugposon ene n enem besmmen Koordnenssem gemessene Koordne, de ers durch ene Krenenpssung (Mp- Mchng) n Relon zum Srßennez gebrch werden muß. Bsher wrd be der Krenenpssung (vgl. z.b. [French 989], [Zho 997]) us der gemessenen Poson und hrer geschäzen Genugke en Suchgebe besmm, us dem lle n der dglen Kre enhlenen Segmene herusgesuch werden. Aus desen Srßensegmenen, de nch Kreren we Prllelä zur Fhrzeugrchung, Verknüpfung m vorhergehenden Segmenen und Absnd der gemessenen Fhrzeugposon vom Srßensegmen überprüf werden, wrd ds whrschenlchse Srßensegmen ermel, uf dem sch ds Fhrzeug befnde. De Poson des Fhrzeugs uf desem Segmen wrd be gerder Srecke us dem zurückgelegen Weg se der lezen Zuordnung errechne und be Rchungsänderungen des Fhrzeugs durch Verglech m den Rchungen deses whrschenlchsen Segmens und der drn nschleßenden Segmene über ene Korrelonsfunkon besmm. Be den Koppelorungsverfhren wrd uf gerder Srecke der Rchungssensor während der Fhr nchklbrer, ndem sene Rchung m der des Srßensegmens glechgesez wrd. Rdsensoren werden durch Verglech der zwschen zwe Kurven zurückgelegen Srecke überprüf und korrger. Dese Korrekur der Klbrerprmeer erfolg über kurze Meßzeen und berückschg nur unzurechend ssemsche Sensorfehler, Ungenugkeen n der Dglserung des Srßennezes und de Dfferenz der us der Kre bgeleeen Horzonlsrecke und der us der Rdbwcklung besmmen Schrägsrecke. Deshlb komm es mmer weder zu Orungsverlusen, de uch zum olen Ssemusfll führen können. Für ene zuverlässge Krenenpssung, de uch de Orungsgenugke presgünsger Sensoren deulch verbessern soll, snd deshlb Auswereverfhren erforderlch, de ds psche Fehlerverhlen der Sensoren kompenseren. De unngenehmen Egenschfen der Koppelorung werden ers dnn rchg versändlch, wenn mn sch verdeulch, dß durch de Messung von Rchungsänderungen ϕ m Mgnefeldsonde oder Kresel über der zurückgelegen Wegsrecke s (Rdsensoren) ledglch de lokle Krümmung κ(s) gemessen wrd. ϕ dϕ d ϕ κ (s) s d ds v

9 9 Dese Formeln zegen deulch, dß be der Koppelorung ledglch de Form des gefhrenen Weges besmm wrd. Be ener Auswerung uf Koordnenebene müssen gemessene Rchungsänderungen negrer werden, ws zwngsläufg zu enem m der Ze nwchsenden Fehlerverhlen führ. Vermulch lefer deshlb ene Auswerung deser Messungen uf ener nedrgeren Inegronsebene we z. B. m Wnkel- oder Krümmungsbld bessere Ergebnsse ls ene Auswerung m Koordnen. D ndere Orungsverfhren we z.b. GPS oder DGPS en völlg nderes Fehlerverhlen zegen können, müße de Krenenpssung dem pschen Fehlerverhlen der zur Orung verwendeen Sensoren ngepß werden. Für de verschedensen Orungsmehoden sollen n deser Arbe geegnee Verfhren zur Krenenpssung enwckel und bezüglch hrer Genugke und Zuverlässgke nhnd von Smulonen und relen Messungen überprüf werden. In enem enleenden Kpel werden de Aufgben der Krenenpssung und de dfür erforderlchen Vorussezungen, we de Verfügbrke ener genügend dch dglseren Srßenkre und de konnuerlche Orung, beschreben. Alle n deser Arbe erforderlchen Informonen zur Geomere und Topologe des Srßennezes smmen us dem Geogrphc D Fle (GDF) [GDF ], enem spezell für Anwendungen us dem Berech Fhrzeugnvgon enwckelen Sndrd. Kpel 3 gb deshlb enen Überblck über ds konzeponelle Denmodell m GDF und zeg, we de Koordnen der dglseren Punke us dem Aususchform ener GDF-De der Verson 3. erher werden können. D de verschedenen her enwckelen Mehoden neben den Koordnen uch de Rchungen oder Krümmungen zur Krenenpssung verwenden, wrd gezeg, uner welchen Annhmen dese Größen us der dglen Kre bgelee werden können. Ds ssemsche Fehlerverhlen enes Orungsssems knn nur durch Berchung der n enem Fhrzeugnvgonsssem verwendeen Enzelsensoren beurel werden. In Kpel 4 wrd ds Fehlerverhlen enzelner für uonome Fhrzeugnvgonssseme geegneer Sensoren (Dfferenlodomeer, Mgnefeldsonde, Kresel, Beschleungungsmesser und de Sellenverfhren GPS und DGPS) modeller und uf hre Egenschfen hn unersuch. D de Orungssseme n der Regel m konsnen Zenervllen messen, de her enwckelen Mehoden zur Krenenpssung m Wnkel- oder Krümmungsbld ber orsbezogene Beobchungen benögen, s für jedes Orungsssem ene Denufbereung erforderlch. We dese Denufbereung für de verschedenen Orungssensoren durchgeführ wrd, s n Kpel 5 zusmmengefß, ds uch für de verschedenen Auswereebenen de Auswrkungen ssemscher Sensorfehler verglechend unersuch. De späer n Kpel 7 durchgeführen Unersuchungen m smuleren Beobchungen von Kreseln oder Beschleungungsmessern erfordern für Vergleche m reduzeren Ssemen ene Auswerung ls vollsändges Inerlssem, de m enem n enem loklen Tngenlssem formuleren Srpdown- Algorhmus durchgeführ wrd. Der m den Orungsssemen gemessene Fhrweg knn be Lndfhrzeugen, de sch uf dem Srßennez bewegen müssen, m der dglen Srßenkre verknüpf werden. Der Bezug zwschen der kuellen Fhrzeugposon und der m Fhrzeug mgeführen Kre eröffne den Zugng zu llen drn enhlenen Informonen. Drüber hnus knn de Bedngung, dß sch ds Fhrzeug uf ener Srße befnde, dzu genuz werden, de Orungsgenugke durch Berückschgung des sensorpschen Fehlerverhlens zu verbessern. In Kpel 6 werden dzu verschedene Mehoden zur Krenenpssung ener konnuerlch gemessenen Fhrsrecke uf möglche Rouen, de us den dglseren Punken der Kre besmm werden, hergelee, de sch m Wesenlchen n zwe Gruppen enelen lssen. De erse Gruppe rbee m endmensonlen Funkonen über der Bogenlänge. De Funkonswere, de enweder den Rchungswnkeln (Wnkelbld) oder den Krümmungen (Krümmungsbld) der Srßen ensprechen, werden sowohl us den fhrzeuguonomen Messungen ls uch us den möglchen Rouen der Kre ermel. Be der Krenenpssung m endmensonlen Funkonen wrd zunächs de bese Zuordnung für jede Alernvroue ermel und dnn nhnd der dbe erzelen Genugke und der Plusblä der Zuordnungsprmeer de Roue denfzer, uf der sch ds Fhrzeug m größer Whrschenlchke befnde. Für de Zuordnung zwschen den beden Funkonen wrd ene sehr fleble Trnsformon ls Ausglechung nch vermelnden Beobchungen formuler, de zwschen den Bogenlängen und den Funkonsweren der beden Funkonen jewels ene Verschebung und enen Mßsbsfkor nsez. Für de Unersuchungen deser Arbe wurden de Zuordnungsverfhren ls Offlne-Algorhmus formuler. Für Anwendungen we bespelswese ene Zelführung, de während der Fhr konnuerlch de Fhrzeugposon m Bezug zur Kre benög, wrd en Weg gezeg, we dese Ausglechung ls Klmnfler (Epochenusglechung) formuler werden knn. Im Rhmen deser Arbe wurde ber ken Onlne-Algohmus enwckel, d der Schwerpunk

10 der Arbe n ener verglechenden Berchung der m verschedenen Orungsssemen erzelbren Zuordnungsgenugkeen und Zuverlässgke der Trssendenfkon leg. De zwee Gruppe der Zuordnungsverfhren rbee uf Koordnenebene, wobe de zuzuordnenden Trssen durch dskresere Punke m konsnen Absänden repräsener werden. De Punke der gemessenen Trsse werden uf den ersen und sene nchfolgenden Krenpunke rnsformer und de Genugke deser Trnsformon geschäz. Sukzessve wrd der Anfng der Krenpunke um en Dskreserungsnervll verschoben und de Trnsformon wederhol. De bese Zuordnung uf Koordnenebene lefer de Trnsformon m der besen Genugke. Als Trnsformonsverfhren werden n deser Arbe dre Mehoden m unerschedlchen Frehesgrden verwende. De Trnslon ermöglch nur ene rene Verschebung der gemessenen Fhrsrecke uf de us der Kre usgewählen Trssen. De ebene Ähnlchkesrnsformon erlub m ver Frehesgrden zusäzlch noch ene Drehung und enen Mßsbsunersched zwschen den Trssen, wobe der berechnee Mßsbsunersched ufgrund glech lng gewähler Dskreserungsnervlle kene Aussgekrf besz. Be der ebenen Affnrnsformon wrd der Frehesgrd uf sechs erweer, ndem Verzerrungen zwschen den beden Koordnenchsen erlub werden. Zusmmen m den beden Zuordnungsverfhren m Wnkel- und Krümmungsbld sehen som fünf verschedene Mehoden zur Verfügung, m denen konnuerlche Fhrzeugmessungen uf de dgle Kre engepß werden können. Um de Egenschfen deser Zuordnungsverfhren, nsbesondere hre Vor- und Nchele gegenüber dem Fehlerverhlen verschedener Orungssseme zu unersuchen, wurden zunächs Smulonen von Trjekoren durchgeführ, d be smuleren Beobchungen de enzelnen Komponenen des Fehlerverhlens vrer und hre Auswrkungen gerenn beurel werden können. Zur Smulon möglchs relsscher Trjekoren werden be der Formvorgbe der Trsse neben den us der Kre blebren zwedmensonlen Koordnen uch der Höhenverluf und de Überhöhung der Fhrbhn berückschg. Zusäzlch zu deser räumlchen Orenerung der Trjekore muß für Sensoren, de sch m Fhrgsrum befnden, de Orenerung zwschen Fhrgsrum und Fhrzeugchsen berückschg werden, de sch us der Fhrdnmk bschäzen läß. Ds Fhrzeug neg sch be Kurvenfhren um den Wnkwnkel nch ußen und be Bremsphsen um den Nckwnkel nch vorne. Der erse Tel von Kpel 7 beschäfg sch m der heue n Fhrzeugnvgonsssemen gänggen Sensorkombnon von Kresel und Rdsensor. Anhnd fehlerhfer Kreselmessungen und fehlerfreer Rdsensoren wrd gezeg, we sch de enzelnen ssemschen Kreselfehler (fehlerhfer Enbu des Sensors n ds Fhrzeug, Mßsbsfehler, Nullpunkfehler und hre Drfen) uf de verschedenen Mehoden zur Krenenpssung uswrken. Drus läß sch de für dese Sensorkombnon günsgse Ausweremehode feslegen. Ob n Nchrüsssemen, de uf enen nchräglchen Umbu und dm uf nerne Sgnle verzchen wollen, de Rdsensoren durch Beschleungungsmesser ersez werden können und welche Probleme dbe zu berückschgen snd, soll m zween Tel von Kpel 7 nhnd von Smulonsrechnungen für fehlerfree Kreselmessungen und fehlerhfe Beschleungungsmessungen benwore werden. Zur epermenellen Abscherung der Smulonsergebnsse wurden m Sdgebe Sugr uner normlen Verkehrsbedngungen Meßfhren m den Orungssensoren GPS, DGPS, ABS-Sensoren der Vorderräder, und enem Srpdown Inerlnvgonsssem durchgeführ. D de Denerfssung nch smuln sondern m verschedenen Rechnerssemen erfolge, wrd der Zebezug zwschen den verschedenen Rechnern us dem gemessenen Denmerl über ene Zuordnung lnerer Zefunkonen hergesell, so dß für hbrde Ssemnsäze de verschedenen Meßsseme kombner werden können. De Meßfhren wurden m den fünf Vrnen renes DGPS, Dfferenlodomeer, Kombnon des Dfferenlodomeers m GPS bzw. m DGPS und Kresel m Odomeer usgewere. Rene GPS-Beobchungen sehen ufgrund der großen Abschungsprobleme und der Mehrwegeffeke n Bllungsräumen nur m ew 4% bs 5% zur Verfügung und snd für Zwecke der Fhrzeugnvgon ungeegne. Kpel 8 nlser zunächs m usgewählen Bespelen de Tuglchke ller fünf her enwckelen Mehoden zur Krenenpssung und de errechbren Genugkeen n Abhänggke von Meßduer und Form des Sreckenverlufs. Von besonderem Ineresse für uonome Fhrzeugnvgonssseme s dbe de Zuverlässgke der verschedenen Verfhren, de rchge Trsse us mehreren sch ähnlchen Alernvrssen zu denfzeren. De Grenzen der enzelnen Zuordnungsverfhren und der verschedenen Orungssseme werden nhnd von Problemfällen we Fehler m Krenmerl, prllele Alernvrssen, sehr gernge Kurvgke und Abschungsproblemen der Sellenverfhren ufgezeg, um drus de Mnmlnforderungen n de Meßbedngungen zu formuleren.

11 Zusmmenhng zwschen Orungsssemen und dgler Kre Inellgene Trnsporlesseme sollen den Auofhrer be der Bewälgung sener Fhrufgben n velfälger Wese unersüzen: Z. B. be der Plnung ener für sene Bedürfnsse opmlen Srecke und Zelführung n Echze enlng deser Sreckenempfehlung, durch kuelle Wrnungen vor Verkehrssus und Umleungen m rechzegem Vorschlgen von Alernvrouen, durch uomschen Noruf be Unfällen und Pnnen, bem Auffnden gesohlener Fhrzeuge, durch zusäzlche Informonen us Reseführern (gelbe Seen) u. v. m. Deshlb erfordern hochenwckele Fhrzeugnvgonssseme de Inegron von zhlrechen Funkonen und Technologen. En modernes Fhrzeugnvgonsssem beseh of us engen oder llen n Abbldung - gezegen Modulen (vgl. [Zho 997]). Rouenplnung Zelführung Kommunkons- Schnselle Benuzer- Schnselle Dgle Krendenbnk Orung Krenenpssung Abbldung -: Grundmodule enes Orungs- und Nvgonsssems Ds Kernsück der Orungs- und Nvgonssseme lndgesüzer Fhrzeuge s ene Krendenbnk (dgle Kre), n der ds rele Verkehrsnez ls Modell drgesell s. Neben der renen Geomere müssen de opologschen Bezehungen des Verkehrs enhlen sen, um z.b. den rechlch zulässgen Verkehrsfluß für de Rouenplnung berezusellen. Dese geomerschen und opologschen Informonen snd n enem vordefneren Form gespecher, ds von enem Compuer m krenbezogenen Funkonen verrbee werden knn. Ds Orungsmodul verrbee de Messungen verschedener Orungsssensoren m Fhrzeug und / oder verwende Funksgnle, um de Poson des Fhrzeugs ls geomersche Koordnen n enem besmmen Koordnenssem zu ermeln. Enschedend für de Fhrzeugnvgon s ber der logsche Bezug zum gespecheren Verkehrsnez, um de befhrene Srße denfzeren zu können. Nur m dem Bezug der Fhrzeugposon zur dglen Kre lssen sch vernünfge Fhrempfehlungen erzeugen, lle Krennformonen nuzen und de kuelle Fhrzeugposon wderspruchsfre n ener Kre drsellen. Deser Bezug zwschen gemessener Fhrzeugposon und dem Verkehrsnez wrd durch de Krenenpssung (Mp- Mchng) hergesell, be der de vom Orungsmodul besmme Poson (bzw. en Ausschn der zurückgelegen Fhrsrecke) ener Poson (bzw. enem Sreckenbschn) uf dem Verkehrsnez zugeordne wrd. M der uf de Kre engepßen Fhrzeugposon können lle Informonen us der Krendenbnk genuz werden. Außerdem sollen dm be der Orung ngewchsene Meßfehler weder korrger werden. De Rouenplnung hlf dem Auofhrer, uf der Grundlge der Krendenbnk ene für hn opmle Srecke vor oder während der Rese zu plnen. Üblcherwese wrd ene Roue zwschen Srpunk und Zel m mnmlen Resekosen berechne, de uf besmmen Kreren we Ze, Länge und Kompleä bseren. Dbe werden, flls verfügbr, de über Telekommunkon empfngenen Verkehrsnformonen n Echze berückschg. Wrd de empfohlene Roue verlssen, solle möglchs rsch ene neue opmle Roue zwschen der momennen Poson und dem Zel berechne werden.

12 Zelführung s der Prozeß, den Fhrer enlng der vom Rouenplnungsmodul genereren Srecke zu führen. Herbe s de genue Kennns der Fhrzeugposon bezüglch des Verkehrsnezes erforderlch, um rechzeg vor der nächsen Kreuzung korreke Fhrempfehlungen für jedes Abbegen zu erzeugen. Ene Benuzerschnselle erlub dem Fhrer m dem Orungs- und Nvgonscompuer zu kommunzeren. Befehle zur Krennzege, Rouenplnung, Zelführung und ndere Akväen werden n den Compuer gerche, und sene Anworen n den Benuzer über deses Modul so zurückgemelde, dß der Fhrer nur unwesenlch vom Verkehrsgeschehen bgelenk wrd. Fhrempfehlungen werden deshlb mes kussch usgegeben und nur durch Pfelsmbole uf enem räumlch begrenzen Ausschn der Kre grphsch drgesell, de der Auofhrer während der Fhr uf dem Bldschrm whrnehmen knn. Ene drhlose Telekommunkon verbesser de Lesung und seger erheblch de Funkonlä des Ssems. Durch en oder mehrere Fernmeldeneze knn en Fhrzeug dnmsche Verkehrsnformonen hoher Akulä erhlen, uf de ds Ssem m Fhrzeug regeren knn, ndem rechzeg Alernvrouen vorgeschlgen werden. Be Unfällen und Pnnen können de Hlfskräfe über Funk drek vom Fhrzeug us (uf Knopfdruck oder durch Auslösen des Arbgs) rsch benchrchg werden. De genue Kennns des Unfllors s für ene schnelle Reung sehr wchg (vgl. [Schuber 997]). Trnsporlesseme m zenrlen Enrchungen und Telekommunkon können Fhrzeuge m Srßennez usfndg mchen, se nvgeren und den Ensz der Fhrzeuge opmeren. Vele deser Funkonen n Fhrzeugnvgonsssemen benögen möglchs n Echze sehr genue Angben zur Fhrzeugposon m Bezug zur dglen Kre. Posonsgenugkeen werden n deser Arbe ls Sndrdbwechungen ngegeben. De Genugkesnforderungen n Fhrzeugnvgonssseme werden von den Anwendungen besmm und snd sehr bre gesreu. Während zur Debshlscherung oder zum Floenmngemen ußerhlb bebuer Gebee ene Posonsgenugke von km schon usrechen knn, erfordern uomsche Norufsseme oder Zelführungssseme Genugkeen um m [Möhlenbrnk, Mezger 996]. Dbe s für Norufnwendungen ene zuverlässge Besmmung der rchgen Srße bzw. der rchgen Fhrbhn enschedend dfür, dß Reungsfhrzeuge den rchgen Zufhrsweg enschlgen. De Posonsgenugke n Längsrchung der Srße s dnn von unergeordneer Bedeuung. Um Auofhrer m Fhrempfehlungen enlng ener opmlen Roue zu führen, s es neben der Kennns, uf welchem Srßenbschn sch ds Fhrzeug befnde, wchg, den Absnd zur nächsen Kreuzung zu kennen, dm ds nächse Abbegen rechzeg empfohlen werden knn. De höchsen Genugkesnforderungen m Berech von uner m sell de uomsche Führung srßen- oder schenengebundener Fhrzeuge dr, de uch n de Zuverlässgke sehr hohe Ansprüche sell. Für de mesen deser Anwendungen rechen de heue m Orungssensoren erzelbren Genugkeen nch us. Deshlb s en effekves und zuverlässges Zusmmenrbeen zwschen Orung, dgler Kre und der Krenenpssung Grundvorussezung für lesungsfähge Fhrzeugnvgonssseme.. Orungssseme De Anwendungsmöglchkeen von Verkehrslessemen snd sehr velfälg und werden n der Verkehrsechnk n kollekve und ndvduelle Verkehrsleung engeel [Möhlenbrnk 998]. Kollekve Verkehrslesseme we Ampelnlgen zur Verkehrsflußregelung, Lnenbeenflussungsnlgen, Wechselverkehrszechen n Auobhnen ec. denen der Lenkung und Leung ener Gruppe von Fhrzeugen. Dese m llgemenen hohelchen Aufgben werden n deser Arbe nch behndel. Indvduelle Verkehrsleung bezechne Sseme, deren Orungsnformonen nur vom Fhrzeugführer selbs genuz werden. Für den Indvdulverkehr been verschedene Auomoblherseller und Zuleferer fhrzeuguonome Nvgonssseme n, de m Orungsssemen und ener dglen Kre ene uomsche Zelführung ermöglchen. Für besondere Anwendungen (we z.b. uomscher Noruf zu Reungsdensen oder Pnnenhlfen; Fhrzeugverfolgung nch Debshl) können de m desen Orungsssemen besmmen und nch der Krenenpssung hochgenuen Fhrzeugposonen n ene Zenrle gefunk und dor weerverrbee werden. De Kommunkon zwschen der Lezenrle und den Fhrzeugen knn über Denfunk n beden Rchungen erfolgen. De wchgsen Benuzer von Floenführungen n Lezenrlen snd Behörden und Orgnsonen m Scherhesufgben we Polze, Feuerwehr und Reungsdense. Durch en zenrles Floenmngemen können de Ensäze hrer Fhrzeuge n hrer Schnellgke und Koseneffzenz opmer werden. Dese Vorele der zenrlen Verkehrsleung werden n zunehmendem Mße

13 3 uch für öffenlche und kommerzelle Verkehrsdense we öffenlcher Personennhverkehr, Spedonen, Tunernehmen, Zuselldense u.v.m. engesez. Für dese ndvduellen Verkehrslesseme m und ohne Infrsrukursüzung snd m Prnzp lle beknnen Nvgonsverfhren denkbr we z.b. erresrsche Funkorung, Sellenorung (GPS), Koppelnvgon oder Träghesnvgon. De Funkorungsverfhren beruhen enweder uf Pelung (Messung der Herkunfsrchung) oder uf Lufze- bzw. Lufzedfferenzmessungen snchronserer Funksgnle zwschen Sonen m beknnen Koordnen und den Fhrzeugen. D n bebuem Gebe und opogrphsch srk geglederem Gelände sch de Funkwellen nch ungehnder usbreen können und örlch unerschedlch gedämpf, gebeug und refleker werden, können m erresrschen Funkorungsverfhren de n der Fhrzeugnvgon geforderen Genugkeen n der Regel nch errech werden. De Probleme der Sgnlusbreung snd wesenlch gernger, wenn de Sgnle von Sellen kommen. Der vollsändge Ausbu des Nvgon Selle Tmng nd Rngng Globl Posonng Ssem (NAVSTAR-GPS) ermöglch zvlen Anwendungen ene welwee Posonsbesmmung m ener bsoluen zwedmensonlen Genugke von m [Rosenhl 999]. Be der Nvgon m GPS wrd de Poson be Empfng der Sgnle von mndesens ver Sellen us Lufzemessungen besmm. D be der Sellennvgon m GPS de Sgnle der Sellen kosenlos zur Verfügung gesell werden und ledglch en Empfänger gekuf werden muß, wrd deses Orungsverfhren nzwschen be fs llen Fhrzeugnvgonsssemen engesez. Für de dfferenellen GPS-Verfhren (DGPS) werden uf permnen berebenen Referenzsonen Korrekurden für GPS-Code- und Trägerphsenmessungen ermel und für Echzenwendungen über Rdosender verbree. M desen Korrekurweren s ene Posonsbesmmung m Genugkeen von -3m errechbr [Rosenhl 999]. Zur Überbrückung von Sgnlusfällen be Abschungen n Tunneln und Häuserschluchen erfordern bede Sellenverfhren en Erszssem. Im Lndverkehr können m Gegensz zu Luf- und Schffhr de sogennnen Bkenverfhren (Sgnpos-Verfhren) engesez werden. Dbe werden m Orungsgebe Sender m opschen oder Funkberech nsller, de duernd oder durch vorbefhrende Fhrzeuge kver hre Orskoordnen oder Adressencodes ussenden. De Posonsbesmmung erfolg dskre und bsolu m Fhrzeug durch Empfng und Specherung der Bkennformon. Bkenverfhren erfordern ene Infrsrukur von orsfesen Sendern, de zu hohen Invesonskosen führen, und werden deshlb nur n enzelnen Sellen von besonderem Ineresse engesez. Z.B. knn m Bkenverfhren ene Ampelnlge bedrfsgerech geseuer werden, um Wrezeen für Fhrzeuge des öffenlchen Personennhverkehrs zu vermeden [Glocker 996]). In [Nwgboso 993] snd Unersuchungen beschreben, we Informonen zur uomschen Erhebung von Srßengebühren m Bken erfß werden sollen. Dese nfrsrukurgesüzen Orungsverfhren werden n deser Arbe, de sch uf fhrzeuguonome Orung beschränk, nch behndel. De Koppelnvgon besmm de Fhrzeugposon us den m Fhrzeug gemessenen Rchungsänderungen und Sreckennkremenen durch ene zelch geordnee Addon der Wegvekoren. De dzu erforderlche Srposon und Anfngsusrchung muß über en nderes Meßssem (z.b. GPS) oder durch mnuelle Engben (m Hlfe der nächsen Kreuzung) besmm werden. Wegen der ungünsgen Fehlerforpflnzung wchsen de Posonsbwechungen m längerer Fhr srk n, so dß de Koppelnvgon durch en weeres Ssem gesüz werden muß. De ersen Sseme, de 994 ls Serenproduke uf den deuschen Mrk kmen, verwendeen zur Rchungsmessung ene Mgnefeldsonde und zur Sreckenmessung Rdumdrehungssensoren (Odomeer). Träghesnvgonssseme besehen m llgemenen us dre Kreseln und dre Beschleungungsmessern. Be den Plformssemen wrd m den Kreseln en Nvgonskoordnenssem durch Nchführung relser, n dem de Beschleungungen n llen dre Rchungen der Koordnenchsen gemessen werden. Be den Srpdownssemen snd lle Sensoren m dem Fhrzeug fes verbunden und der gnzen Fhrdnmk usgesez. De Kresel messen de Orenerungsänderung des Fhrzeugs gegenüber dem Inerlssem, m der de gemessenen Beschleungungen n ds Nvgonsssem umgerechne werden müssen. Aus den Beschleungungen wrd de Poson des Fhrzeugs durch zwemlge Inegron berechne, ws zu enem m der Ze udrsch nwchsenden Posonsfehler führ. Dese urken Sseme rbeen relv und bruchen, ähnlch we be der Koppelnvgon, Informonen über Srposon und Anfngsusrchungen. Träghesnvgonssseme snd bsher für den breen Ensz n Fhrzeugnvgonsssemen zu euer. Ob de Sensoren n Zukunf so bllg werden, dß sch hr Ensz lohn, knn mn noch nch vorhersgen. Allerdngs wrd heue schon n den mesen Ssemen be der Koppelorung en Kresel zur Rchungsmessung verwende. D mn be Fhrzeugnvgonsssemen, de ers nchräglch engebu werden, uf enen

14 4 nchräglchen Umbu und dm uf nerne Meßsgnle (z.b. der ABS-Sensoren) verzchen wll, wrd n Kpel 7 unersuch, ob ene Orung m Kreseln und Beschleungungsmessern usrechen knn. De verschedenen Orungssseme werden n deser Arbe bezüglch Genugke und Fehlerverhlen mennder verglchen. Druf ufbuend sollen geegnee Algorhmen zur Krenenpssung vorgesell werden, de ds ssemsche Fehlerverhlen der Orungssensoren modelleren. De vorlegende Arbe beschränk sch uf fhrzeuguonome Orungssseme, de für de Krenenpssung ene eng dglsere (uskonnuerlche) Orungsnformon lefern.. Dgle Srßenkren En weerer unenbehrlcher Besndel für uonome Fhrzeugnvgonssseme s de Verfügbrke ener dglen Srßenkre m Fhrzeug, de z.b. für folgende Funkonen erforderlch s: - Anzegen des Krennhls; - Suchen enes Zels m Hlfe ener Adresse oder ener nhe gelegenen Srßenkreuzung; - Berechnung der opmlen Fhrroue - Führung des Fhrers enlng ener vorusberechneen Fhrroue; - Enpssung der m Sensoren gemessenen Fhrzeugrjekore uf ds beknne Srßennez, um genuer de sächlche Poson des Fhrzeugs zu besmmen (Mp-Mchng) - Ausgbe von Resenformonen we Tnksellen, Ausschspunke, Reseführer (gelbe Seen) Im llgemenen gb es zwe Mehoden, m enem Compuer ene Kre nzuzegen. Be der ersen Mehode wrd ene Pperkre oder en Orhophoo m Hlfe enes Scnners dglser, n Rserkoderung gespecher und be Bedrf m Bldschrm ngezeg. Rser-kodere (gescnne) Kren können schnell produzer werden, enhlen lle Informonen der Orgnluellen und sehen genuso us we de Pperkren, von denen se bgelee snd. Dese Ar der Krendrsellung erforder vel Specherplz, und be velen Nvgonsnwendungen n Fhrzeugen, de Berechnungen m desen Den durchführen, s hre Verwendung problemsch. Troz deser Enschränkungen wrd dese Ar von Kren dnn verwende, wenn m Fhrzeugnvgonsssem be der Anzege der Poson de gesme Krennformon hnerleg werden muß. Be der zween Mehode wrd der Krennhl zu ener Densrukur oder ener vekorkoderen Srukur konverer, de m Rechner lech gespecher und schnell weder ufgefunden werden knn, um hre Informon ensprechend der erforderlchen Funkonen verrbeen zu können (Vekorverschlüsselung). De Verschlüsselung wrd so durchgeführ, dß de Informonsverrbeung m Compuern uomser werden knn. Vekorkodere Kren benögen wenger Specherplz und erluben enen schnelleren Zugrff. Se snd flebler, lecher zu mnpuleren und von Nur us relonler, d de Densrukur ene mplze Bezehung zwschen den verschedenen Krenelemenen schff. D n deser Arbe ds Hupugenmerk uf den Geomere-Informonen leg, wrd nur de Mehode der vekorkoderen Kren erörer. Dgle Kren geben über enen Sgnurenklog we herkömmlche Kren en Abbld von Telen der Erdoberfläche, snd ber m Gegensz dzu nch n enen Mßsb gebunden und müssen nch zwngsläufg eben sen. Es hndel sch egenlch um Denbnken, der Ausdruck dgle Kre h sch ber engebürger, d zur Vsulserung des Denbnknhls ene Drsellung we be Kren verwende wrd. Krendenbnken sellen de rele Wel bsrk und delser ls geogrphsch referenzere Objeke dr, de durch Arbue und Relonen zwschen den Objeken beschreben werden. De Theore, we ene vorhndene oder geplne Sche der wrklchen Wel ensprechend ener fchspezfschen Wrklchkesvorsellung bzublden s, wrd m konzeponellen Denmodell beschreben. Alle relevnen Objeke werden ensprechend hren Egenschfen nch dem Prnzp der semnschen Ähnlchke n Objekren grupper und hre Arbue und Relonen fesgeleg [Hke, Grünrech 994]. Gemensme Egenschf ller geogrphschen Objeke s, dß se ene Poson relv zur Erde, ene Poson relv zu benchbren Objeken und ene Form hben. Dese Geomere s ls Bss uch n geogrphschen Informonsssemen we z.b. ATKIS (Amlches Topogrphsch-Krogrphsches Informonsssem) enhlen. Um ber en

15 5 Fhrzeug m ener dglen Kre nvgeren zu können, rech de rene Geomere des Srßennezes nch us. Zusäzlch werden Informonen über Verkehrsbeschränkungen (Enbhnsrßen, Abbegeresrkonen, Geschwndgkesbegrenzungen u.s.w.), ber uch Srßenklssfzerungen und Adressen m Bezug zum Srßennez benög [Clussen 989]. Spezell für Anwendungen der Fhrzeugnvgon wurde deshlb ds Geogrphc D Fle (GDF) ls Sndrd enwckel, dessen Inhl m nächsen Kpel kurz beschreben wrd. De Erfssung der GDF-Den, de für Deuschlnd und vele ndere Länder n Weseurop flächendeckend vorleg, wrd glechzeg und unbhängg vonennder von den beden Konsoren EDRA (Europen Dgl Rod Assocon; Bosch/TeleAls) und EGT (Europen Geogrphc Technologes; Phlps/Nvech) durchgeführ. Verkehrsnez Bu Nezden - Resrkonen - Brücken - Nez-Arbue -... Verkehrsleung Leechnk Sunformon Verkehrsnezbelsung Trnsporlogsk Enszplnung Floenmngemen Güer- / Fhrzeug- Verfolgung Geomere / Topologe Verkehrsnez Inernonler Sndrd Verkehrsnez Denbnk Rser-Den Bldverrbeung Fhrzeug / Fhrgs Informon Verkehrs- Lenkung Fhrzeugnvgon Berebsleechnk Abbldung -: Dgle Srßenkre (nch [Möhlenbrnk 994]) Zur Hersellung von Srßendenbnken wrd de Geomere us großmßsäbgen mlchen Kren und Luf- oder Sellenufnhmen erfß. Snd de vorhndenen Quellen zu ungenu oder verle, werden zusäzlche Vermessungen durchgeführ. Be Feldbegehungen werden dese Den konroller und lle erforderlchen verkehrsrelevnen Informonen (z.b. erlube Durchfhrsrchung, Abbegeresrkonen u.v.m.) erfß. Ds Hupproblem be der Erfssung und Forführung dgler Kren s, den hohen Anforderungen der Fhrzeugnvgon n Qulä, Homogenä und Akulä der Srßenden zu genügen. Herus ergeben sch de enormen Kosen für de Beresellung und lufende Akulserung der Nezden [Möhlenbrnk 998]. Der Umfng dgler Srßendenbnken knn bespelswese nhnd der Nvgons-CD von TeleAls für Deuschlnd, de en bs zweml pro Jhr kulser wrd, bgeschäz werden: - Alle Verbndungs- und Überlndsrßen - Sämlche Srßen n Wrschfsräumen und für lle Säde m mehr ls 5 Enwohnern - Über 89 drek nwählbre Zele we Säde, Sdele, Auobhnnschlüsse, Bhnhöfe, Flughäfen, Prkpläze, Tnksellen u.v.m. Neben der Geomere und der verkehrsrelevnen Den können uch noch zhlreche Informonen über Zuszobjeke n Form von Reseführern (der Kegoren Übernchung, Essen und Trnken, Sehensweres, Unerhlung und Servce) enhlen sen.

16 6.3 Sregen zur Krenenpssung Um den hohen Informonsgehl dgler Kren n Fhrernformonsssemen nuzen zu können, muß de Fhrzeugposon relv zum gespecheren Srßennez sehr genu beknn sen. De renen Meßgenugkeen der herkömmlchen Orungsverfhren we z. B. Koppelorung, Sellenorung oder erresrsche Funkorung rechen dzu n der Regel nch us. Im Gegensz zur Nvgon n Luf- und Schffhr snd Srßenfhrzeuge gezwungen, sch uf enem begrenzen Nez von Srßen (m nur emporären Ekursonen uf Prkpläze, Auffhren oder nderen "off rod" Bedngungen) zu bewegen. Des mch es möglch, den m Orungsssem besmmen Reseweg des Fhrzeugs m den Informonen us der dglen Srßenkre n Bezehung zu sezen. Um den logschen Bezug zwschen gemessener Fhrzeugposon und den n der dglen Kre gespecheren Srßenelemenen herzusellen, muß besmm werden, uf welchem Srßenelemen sch ds Fhrzeug befnde und wo es uf dem Srßenelemen s. Be der Krenenpssung wrd der vom Fhrzeug zurückgelege Weg n der dglen Kre denfzer und de Zuordnung zwschen Messung und Kre hergesell. Wel dbe ene Kre m enem Zuordnungsprozeß kombner wrd, werden dese Algorhmen uch Mp-Mchng-Algorhmen gennn. Dzu wrd m dem gemessenen Fhrweg und sener nhnd des verwendeen Orungsssems bgeschäzen Genugke en Suchgebe fesgeleg, n dem us der dglen Kre lle möglchen Trssenverläufe gesuch werden. Auf jede deser Trssen wrd der gemessene Fhrweg zugeordne und de Zuordnungsgenugke besmm. M Hpoheseness, de de Genugke und Plusblä der geschäzen Prmeer verwenden, wrd de whrschenlchse Trsse fesgeleg bzw. besmm, welche Trssen m weeren nch mehr berückschg werden müssen. Dese der Kre zugeordneen Posonen können dzu verwende werden, de m dem Orungsssem besmme Fhrzeugposonen zu verbessern und ds Ausmß der Posonsfehler enzugrenzen. Nürlch muß de verwendee dgle Kre relv genu sen, sons generer ds Ssem ene flsche Posonsusgbe, de dnn de Ssemlesung grverend reduzer. Im llgemenen wrd ene dgle Kre kzeper, wenn de Genugke uner 5m Bodenwhrhe leg (vgl. [Zho 997]). En guer Mp-Mchng-Algorhmus knn de rene Orungsgenugke und de Zuverlässgke der Fhrzeugposon uf enem Srßennez bedeuend verbessern. Ds Mp-Mchng-Modul spel lso ene wchge Rolle n Fhrzeugnvgonsssemen. M Hlfe der dglen Kre soll es de Zuverlässgke und Genugke des Orungsssems segern. D de verschedenen Nvgonsverfhren unerschedlche Fehlerverhlen ufwesen, solle der Mp-Mchng-Algorhmus versuchen, de ssemschen Fehler des Orungsssems zu reduzeren. En wchges Zel deser Arbe s es, für de verschedenen Orungssseme ds günsgse Mp-Mchng-Verfhren nzugeben. Be der Krenenpssung wrd ene gemessene (ebene) Kurve den möglchen Alernvrouen der dglen Kre zugeordne. De Form ener ebenen Kurve knn durch hre Krümmung ls Funkon über der Bogenlänge (Krümmungsbld) vollsändg beschreben werden. De Krümmung s ene nürlche Invrne ebener Kurven und dm unbhängg vom Koordnenssem. We us der Dfferenlgeomere (z.b. [Srubecker 958]) beknn, s de Krümmung bhängg vom Konngenzwnkel dϕ zwschen zwe Tngenen n um ds vonennder enfernen Punken: ϕ s ϕ Abbldung -3: Krümmungsdefnon

17 7 Krümmung [/km] Rchungswnkel [ ] Koordnen Bogenlänge ϕ dϕ κ( s ) lm s s ds Durch Inegron der nürlchen Glechung erhäl mn ds Wnkelbld der Kurve: ϕ ( s ) ϕ ( s L ) + κ ( s )ds ; De Inegronskonsne ( s ) besmm dbe de Orenerung der Kurve gegenüber dem Koordnenssem. Um de kresschen Koordnen der ebenen Kurve zu berechnen, müssen de Koordnen des Kurvennfngs durch de beden Inegronskonsnen und defner werden: L ϕ ( s) + cosϕ ( s ds ) L ( s) + snϕ ( s ds ) Abbldung -4: Krümmungsbld, Wnkelbld, Koordnen Dese Formeln ergeben den vollsändgen Zusmmenhng zwschen Krümmungsbld, Wnkelbld und kresschen Koordnen. Ebene Kurven können dm uf dre verschedene Aren drgesell werden. Welche deser Drsellungen für ene Krenenpssung m besen geegne s, häng von den m Orungsssem verwendeen Sensoren b und soll n deser Arbe genuer unersuch werden. Dzu wurden Mp-Mchng-Algorhmen für de Auswerung von Krümmungs- bzw. Wnkelbldern und uf Koordnenebene enwckel (vgl. Kpel 6). Für verschedene Orungssseme wurden nhnd von Smulonsrechnungen (vgl. Kpel 7) und relen Messungen (vgl. Kpel 8) de Algorhmen hnschlch Genugke und Zuverlässgke unersuch und mennder verglchen..4 Defnonen und Bezechnungen Neben den Defnonen, de den Zusmmenhng zwschen Krümmungsbld, Wnkelbld und Koordnen zegen, werden deser Arbe noch weere grundlegende Defnonen vorngesell. In Orungsssemen werden Sgnle zeäudsn gemessen und drus ndere Größen we z.b. hre Ableungen berechne. De Mehoden zur Krenenpssung erfordern dgegen Ableungen nch der Bogenlänge (zurückgeleger

18 8 Weg). Um Verwechslungen zu vermeden, wrd üblcherwese (vgl. z.b. [Grfrend 999]) de Ableung nch der Ze m enem Punk gekennzechne und de Ableung nch der Bogenlänge s m enem Srch: d d d ds In der Regel werden de Trssen zur Krenenpssung n ener Horzonlebene berbee. Zur Ableung nchlnerer Bewegungsglechungen nerler Sensoren (Kpel 4.4.) und zur Srpdown-Auswerung nerler Messungen (Kpel 5.4) s ene dredmensonle Berchungswese erforderlch. De Punke ener Trsse werden ls Vekoren n enem dredmensonlen Koordnenssem bgeblde. Zur Trnsformon zwschen verschedenen Koordnenssemen we zum Bespel dem Koordnenssem der Fhrzeugchsen b und enem örlchen Koordnenssem (Tngenlssem) werden Rchungskosnusmrzen verwende, deren Trnsformonsrchung nhnd der uneren und oberen Indzes erkennbr s. En m fhrzeugfesen Koordnenssem b beknner Vekor b rnsformer sch m der Rchungskosnusmr C b C b zu dem m Tngenlssem koordneren Vekor b De Relvbewegungen zwschen den Koordnenssemen (Ableung der Rchungskosnusmr) lssen sch m b der schefsmmerschen Crn Konnekonsmr Ω b [Grfrend 983] beschreben, de sch us den Komponenen b des Drehrenvekors ω b zusmmensez: b m C b C b Ω b Ω b b ω z ω - ω ω z : ω ω ω b ω b ω. ω z Be den her enwckelen Verfhren zur Krenenpssung oder zur Denufbereung (Gläung) gemessener oder dskreserer Funkonen durch ene Polnomppromon werden n deser Arbe häufg Ausglechungen nch vermelnden Beobchungen verwende. De grundlegenden Formeln zur Ausglechung vermelnder Beobchungen snd n llen Sndrdwerken zur Ausglechungsrechnung (z.b. [Wolf 975], [Höpke 98], [Grfrend 993]) zu fnden, und sollen her zur Klrsellung der Bezechnungen kurz ngegeben werden. Ds funkonle (oder deermnssche) Modell sez sch zusmmen us n m llgemenen nchlneren Glechungen zwschen dem Beobchungsvekor L und dem Vekor der u zu schäzenden Prmeer X: [ ϕ ( X ) ϕ ( X ) ( X ] T L ϕ ), ( X ) ϕ n deren prelle Ableungen n der Näherungsselle X zu ener Modellmr A m n Zelen und u Splen zusmmengefß werden. A ϕ( X ) X ϕ n ( X ) X ϕ( X ) X u ϕ n ( X ) X u Ds sochssche Modell der Beobchungen solle vor der Ausglechung ( pror) n Form hrer Kovrnzmr Σ, hrer Kofkormr Q LL oder Gewchsmr P beknn sen. LL Σ LL σ Q LL σ P m σ Sndrdbwechung der Gewchsenhe

19 9 De glechgereen Beobchungen ener Meßrehe werden n deser Arbe mngels besserer Informonen mes ls glech genu und unkorreler berche, so dß de Gewchsmr P de enfche Form ener Enhesmr nnmm. De Zusmmenfssung des funkonlen und des sochsschen Modells führ uner Berückschgung der Forderung, dß de gewchee Qudrsumme der n den Beobchungen nzubrngenden Verbesserungen v mnmer wrd, zur Lösung der Ausglechungsufgbe. v Pv! mn Zur Lnerserung des funkonlen Modells wrd der Prmeervekor X um de Näherungswere X gekürz und Beobchungsvekor L um den genäheren Beobchungsvekor L, der us dem funkonlen Modell durch Ensezen der Näherungswere X besmm wrd. gekürzer Beobchungsvekor: l L L gekürzer Prmeervekor: X X Lnerseres Funkonlmodell: gesucher Prmeervekor: l v A +, T ( A PA) T A P l Zur Beurelung der Ausglechung wrd de nch der Ausglechung us den Verbesserungen besmme, emprsche Sndrdbwechung der Gewchsenhe verwende ˆ v T P v n - u σ, us der sch de Kovrnzen der gesuchen Prmeer bschäzen lssen. Σ σˆ σˆ σ. T Q Q ( A PA)

20 3 Geogrphc D Fle (GDF) Dgle Srßenkren werden n Fhrzeugnvgonsssemen für verschedene Aufgben benög. Für de Rouenplnung müssen Informonen über den rechlch zulässgen Verkehrsfluß, de Srßenklssfzerung und de Resekosen uf den Srßenbschnen beknn sen. Des muß nch zwngsläufg m der eken Geomere des Srßennezes erfolgen. De eke Geomere s ber für de Krenenpssung erforderlch. Für rechzege Fhrempfehlungen be der Zelführung muß der Zusmmenhng zwschen der Geomere des Srßennezes und den Verkehrsden gegeben sen. Der gesme Bedrf n dglen Den n Fhrzeugnvgonsssemen knn durch ren geogrphsche Informonssseme nch gedeck werden. Deshlb wurde spezell für de Anwendungen us dem Berech Fhrzeugnvgon der Sndrd Geogrphc D Fle (GDF) enwckel, der sch n der Geomere von enem Bssnformonsssem we ATKIS ddurch unerschede, dß m GDF vor llem n den Kreuzungsberechen de Erfssung dellerer erfolg [Wler 997]. Ene Grundvorussezung für de Funkon uonomer Fhrzeugnvgonssseme s de flächendeckende Verfügbrke dgler Srßenkren uf enem Mssenspecher m Fhrzeug. Um ds Srßennez von Europ flächendeckend und hnrechend deler zu erfssen, s en enormer Aufwnd n Ze und Geld nowendg. Dm de Produkonskosen dgler Srßenkren de Fhrzeugnvgonssseme nch unnög vereuern, s ene Sndrdserung der Denerfssung und en enhelches Aususchform erforderlch. De für de Unersuchungen deser Arbe verwendeen Krenden smmen us enem GDF-Densz der Frm Nvech, der dem Insu für Anwendungen der Geodäse m Buwesen zur Verfügung gesell wurde. Zunächs wrd en kurzer Überblck über de Enwcklungsgeschche und den Inhl des GDF gegeben und dnn beschreben, we de Geomere erher wrd, d n deser Arbe der Schwerpunk uf der Krenenpssung m fhrzeuguonomen Orungsssemen leg, de uf renen Geomere-Informonen bser. 3. Zelche Enwcklung des Sndrd GDF Beres be den ersen Fhrzeugnvgonsssemen, de n Europ von den Frmen Bosch (EVA Elekronscher Verkehrslose für Auofhrer) und Phlps (CARIN CAR Informon nd Nvgon) enwckel wurden, wurde de Nowendgke der dglen Srßenkren n sndrdserer Form erknn. De beden Frmen engen sch druf, de Srßenden nch gemensmen Spezfkonen zu erfssen und uszuuschen [Clussen 989]. Im Rhmen des europäschen Forschungsprogrmms EUREKA, ds uner Beelgung von 5 Ländern und der Europäschen Unon de kooperve mrkorenere Forschung und Enwcklung fördere, wurde zur Sndrdserung dgler Srßenkren für den Ensz n Fhrzeugnvgonsssemen ds Projek DEMETER (Dgl Elecronc Mppng of Europen Terror) gegründe. In DEMETER wurden Spezfkonen für Dennhl, Denerfssung und Aususchform defner. Drus enwckele sch der Enwurfssndrd Geogrphc D Fle, der n der Verson GDF. m Okober 988 veröffenlch wurde. Zur Erprobung des DEMETER Sndrds für de Produkon dgler Srßenkren wurde nnerhlb des zween EU- Rhmenprogrmms (DRIVE I) ene Tsk Force Europen Dgl Rod Mp (EDRM I) gegründe, n der Verreer der Auomoblndusre, der Elekronkndusre, der Krenverlge und de europäschen Srßenbu- und Vermessungsbehörden beelg wren. In desem Projek wurden geegnee Denerfssungsechnken und de Nuzung vorhndener Quellen unersuch. De Ergebnsse von EDRM I und dem uf Großbrnnen beschränken Prllelprojek PANDORA (Proopng A Nvgon Dbse of Rod-nework Arbues) führen zur Weerenwcklung des GDF- Sndrds, der ls Verson GDF. m Dezember 99 veröffenlch wurde und be der Europäschen Normungsbehörde CEN (echnsche Kommsson TC 78) zur europween Sndrdserung geogrphscher Srßendenbnken engebrch wurde. Ds Nchfolgeprojek EDRM II, n dem Werkzeuge zur Genererung von GDF-Den und Mehoden zur Inegron dnmscher Verkehrsnformonen enwckel wurden, führe zur Verson GDF.. In ener Kosenbschäzung zege sch, dß ene flächendeckende Dglserung des europäschen Srßennezes nur sukzessve erfolgen knn. De Erfssung, Pflege und Vermrkung solle durch de Frmen EGT (Europen Geogrphc Technologes, gegründe von