CN102012234A

CN102012234A - 一种车辆导航装置

Info

Publication number: CN102012234A
Application number: CN2009101951732A
Authority: CN
Inventors: 陈宗炜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-04-13

Abstract

随着城市交通的发展，很多城市道路交通已经立体化了，建设了许多高架道路、地下通道和隧道，这些立体交通对城市的车辆快速交通提供了方便。普通的GPS车辆导航器无法在立体交通的道路上准确确定车辆在地面道路还是在高架道路或是在地下道路上行驶，无法提供准确的导航服务。本发明提供的GPS车辆导航器通过测量车辆通过匝道前后的大气压力和温度，计算获得车辆通过匝道前后的相对高度差，可以判定车辆是在地面道路上还是高架道路或是地下道路上行驶，可以比较准确的为司机提供导航服务。

Description

一种车辆导航装置

技术领域

本发明涉及一种车辆导航装置，其特点可以在立体交通道路(地面道路、高架道路、地下道路)行驶时判定车辆的具体位置，特别是可以判定车辆是在地面道路还是在高架道路或是在地下道路上行驶。

背景技术

目前全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)的使用已经非常普及，GPS可以在全球范围内提供经度、纬度、海拔高度、速度、航向、时间等定位和导航信息。而目前GPS导航器被越来越多地应用到汽车等地面车辆上，GPS导航器及导航地图软件引导驾驶员到达目的地。

随着城市交通的发展，很多城市道路交通已经立体化了，建设了许多高架道路，立交桥、地下通道和隧道，这些立体交通对城市的车辆快速交通提供了方便。

为了便于描述和理解，本说明书中将高架道路和立交桥等高于地面的道路统称为高架道路，将地下通道和地下隧道等低于地面的道路统称为地下道路，而连接两个不同高度道路的路段称为匝道，两个不同高度的道路相对高度较高的称为上层道路，另一个称为下层道路。

由于城市立体道路交通中除了地面道路外，有高架道路，也有地下道路，在道路高度变化的判断上，从地面道路到高架道路与从地下道路到地面道路是从下层道路到上层道路，其判断方法是相同的；从高架道路到地面道路与从地面道路到地下道路是从上层道路到下层道路，其判断方法是相同的，以下描述时以地面道路和高架道路之间交通为例进行说明，其原理同样适用于地面道路和地下道路之间的交通。

GPS接收机通过接收GPS卫星的信号可以得到经度、纬度、速度，还有海拔高度、航向、时间等定位信息。但普通GPS接收机提供的海拔高度误差往往有几十米，并且通常导航地图上的道路只有平面的经纬度信息，没有高度信息。实际上，要让导航地图在所有的道路都标上海拔高度也是不现实的。因此对于城市中的高架道路，普通的GPS导航器在有高架道路的路段无法判断车辆是在高架道路上还是在高架道路下的地面道路上。

当车辆在有高架道路的路段上行驶时，一些GPS导航地图软件只能假设当时车辆在地面或高架上行驶。由于GPS导航地图软件的假设有时并不准确，从而影响了GSP导航的准确性。

很多使用过GPS导航器的司机发现，有时车辆明明在全封闭的高架道路上行驶，两边没有出口，但GPS导航器有时会引导车辆向左转或向右转，这往往是由于GPS导航器当时判断车辆是在地面道路上行驶。而有时，车辆在地面道路上行驶，GPS导航器却按车辆在高架道路上行驶规划线路，影响对车辆的准确导航。

一些GPS导航地图软件需要人工确认车辆在地面道路或高架道路上，操作比较麻烦，会影响驾驶操作，有安全隐患。

同一地点的地面道路和高架道路的海拔高度是不同的。海拔高度与大气压力和大气温度有关。通常海拔高度越高，大气压力就越低，气温也越低。一般来说，我们可以通过大气压力和大气温度来计算海拔高度，但根据大气压力和温度计算的绝对海拔高度的精度不足以满足GPS导航器分辨高架道路和地面道路要求，同时要求导航地图对所有的道路都标上海拔高度的信息也是很困难的。但在同一地段，两个不同高度道路的相对高度是确定的，这个高度差一般在6米以上。我们可以通过测量大气压力和温度，来计算上下层道路的相对高度。

大气压力与高度的之间关系，用静力学方程从气层底部到顶部进行积分，即得出压高方程，然后再简化为干空气的大气压力与高度关系的压高公式就可以计算两点的相对高度。

ΔH = Z_{2} - Z_{1} = 18400 \times (1 + \frac{T}{273}) \times \lg \frac{P_{1}}{P_{2}} - - - (1)

式中：P₁、P₂分别是高度Z₂、Z₁的气压值，T为Z₂、Z₁之间的平均气温，压力单位Pa，温度单位℃。

由于压高公式计算的是两点的相对高度，精度较高。

目前，微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)传感器技术发展迅速，集合压力传感器和温度传感器并带有数据处理和数字接口的MEMS传感器的产品已经问世，MEMS传感器尺寸小，功耗低，接口类型丰富(串行外设接口SPI，内部整合电路I²C，通用异步收发器UART等)，非常适用于车辆GPS导航器。MEMS压力和温度传感器可以直接向车辆GPS导航器的数据处理单元输出数字的压力和温度信号。其中的温度传感器，不仅用于温度输出，也用于压力传感器内部的温度补偿，在常用范围内压力典型误差18Pa，最大误差100Pa，分别相当于高度误差1.5米和8.5米。

实际上，在测量条件基本相同的情况下，两次测量之间相对压力差的误差可以更小，也就是说，根据压高公式计算的相对高度误差可以更小，可以达到1米以下，其精度足以分辨地面道路与高架道路之间的高度差。

GPS导航器在GPS卫星信号被遮蔽的情况下，如在高架下、隧道中，会发生无法正确定位的情况，现在有一些专利已经解决了在GPS卫星信号被遮蔽时的辅助导航，因此本发明在讨论GPS导航器的定位时，认为GPS导航器在高架下、隧道中都可以定位，即使是暂时无法接收GPS卫星信号。

发明内容

本发明提供了一种带有大气压力和温度传感器的车辆用GPS导航器及判断车辆上下高架道路的方法。

随着城市的交通的发展，很多城市道路交通已经立体化了，建设了许多高架道路、立交桥、地下通道和隧道，这些立体交通对城市的车辆快速交通提供了方便。

城市立体道路交通中除了地面道路外，有高架道路，也有地下道路，在道路高度变化的判断上，从地面道路到高架道路与从地下道路到地面道路都是从下层道路到上层道路，其判断方法是相同的；从高架道路到地面道路与从地面道路到地下道路都是从上层道路到下层道路，其判断方法是相同的，以下描述时以地面道路和高架道路之间交通为例进行说明，其原理同样适用于地面道路和地下道路之间的交通。

GPS导航地图通常没有道路的高度信息，但我们知道高架道路通常高于地面道路6米以上，我们可以通过测量车辆通过高架道路匝道前后局部区域的相对高度差的变化来确定车辆的位置。

为了解决GPS导航器能分辨车辆是高架道路上行驶还是在地面道路行驶，本发明提供了一种带有测量大气压力和温度的传感器的GPS导航装置，并利用车辆在上下匝道时的大气压力差，判断车辆是否通过匝道上下高架道路。

本发明提供GPS卫星导航器，除了可以接收GPS导航系统提供的导航信号，在GPS导航器中增加了测量大气压力和温度的传感器，在车辆到达高架道路的匝道前后，测量大气压力和温度，根据压高公式计算车辆在通过匝道前后的相对高度，从而判断车辆是否通过匝道从地面道路到高架道路；或者判断车辆是否通过匝道从高架道路到地面道路。

本发明的目的是这样实现的：

GPS导航器导航地图软件在每一个高架道路的匝道有一个的高度参数H。这个高度参数H可以取地面道路与高架道路相对高度差的一半，例如高架道路高于地面道路8米，上匝道可取高度参数H＝4米，下匝道可取高度参数H＝-4米。在匝道的前后，各设定一个区域，当车辆到达设定区域内，测量大气压力和温度，根据测得的大气压力和温度，计算匝道前后的相对高度差，然后根据相对高度差来确定车辆是否通过匝道从地面道路到高架道路，或从高架道路到地面道路。

车辆在地面道路上行驶时(图2)，当到达高架道路的匝道前的区域12内，测量大气压力P₁和温度T₁，在过了高架道路的匝道后的区域17内，测量大气压力P₂和温度T₂，根据压高公式计算车辆在经过这两个区域时的相对高度ΔH：

ΔH = 18400 \times (1 + \frac{T}{273}) \times \lg \frac{P_{1}}{P_{2}}

式中：

T = \frac{T_{1} + T_{2}}{2}

如果ΔH≥H，则可判定车辆已经从地面道路行驶到高架道路上了，如果ΔH＜H，可以判定车辆仍然在地面道路上。

同样，车辆在高架道路上行驶时，当到达高架道路(图3)的匝道前的区域22内，测量大气压力P₁和温度T₁，在过了高架道路的匝道后的区域27内，测量大气压力P₂和温度T₂，根据压高公式计算车辆在经过这两个区域时的相对高度ΔH。

ΔH = 18400 \times (1 + \frac{T}{273}) \times \lg \frac{P_{1}}{P_{2}}

式中：

T = \frac{T_{1} + T_{2}}{2}

如果ΔH＜H，则可判定车辆已经从高架道路行驶到地面道路上了，如果ΔH≥H，可以判定车辆仍然在高架道路上。

本发明的效果：

当车辆在立体交通的道路上行驶时，本发明提供GPS导航器通过测量匝道前后的大气压力和大气温度，计算获得车辆通过匝道前后的高度差，可以确定车辆是在高架道路上还是在地面道路上行驶，可以比较准确的为司机提供导航服务。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

附图说明

附图是对本发明的进一步说明

图1是为了实现本发明目的的GPS导航器的系统框图。

图2、车辆在地面道路上匝道前

图3、车辆在高架道路下匝道前

在图1中，车辆卫星导航器包括：GPS接收机1，GPS天线2，大气压力和温度传感器3，辅助导航系统4，控制处理器5，电子地图6，操作机构7，语音系统8，显示单元9。

在图2中，车辆在地面道路到高架道路的上匝道前。车辆有两种行驶可能：通过匝道上到高架道路行驶或仍在地面道路上行驶。

图2中，车辆位置11是车辆在地面道路上；车辆位置13是车辆通过匝道到达高架道路上；车辆位置15是车辆仍然在地面道路；18是高架道路上匝道；19是高架道路；20是地面道路。

区域12的是GPS地图软件测量匝道前大气压力和温度的区域，这个区域的形状不一定是圆形。

区域17的是GPS地图软件测量匝道后大气压力和温度的区域，这个区域的形状不一定是圆形。

区域14是车辆在位置13，由于GPS定位误差，GPS导航器指示的定位区域。GPS给出的定位数据实际上是以位置13为圆心，GPS定位误差为半径的圆内一点。

区域16是车辆在位置15，由于GPS定位误差，GPS导航器指示的定位区域。GPS给出的定位数据实际上是以位置15为圆心，GPS定位误差为半径的圆内一点。

在图3中，车辆在高架道路到地面道路的下匝道前。车辆有两种行驶可能：通过匝道下到地面道路行驶或仍在高架道路上行驶。

图3中，车辆位置21是车辆在高架道路上；车辆位置23是车辆仍然在高架道路上；车辆位置25是车辆通过匝道下到地面道路；28是高架道路下匝道；29是高架道路。

区域22的是GPS地图软件测量匝道前大气压力和温度的区域，这个区域的形状不一定是圆形。

区域27的是GPS地图软件测量匝道后大气压力和温度的区域，这个区域的形状不一定是圆形。

区域24是车辆在位置23，由于GPS定位误差，GPS导航器指示的定位区域，GPS给出的定位数据实际上是以位置23为圆心，GPS定位误差为半径的圆内一点。

区域26是车辆在位置25，由于GPS定位误差，GPS导航器指示的定位区域，GPS给出的定位数据实际上是以位置25为圆心，GPS定位误差为半径的圆内一点。

我们看到，区域14和区域16有部分重合，区域24和区域26有部分重合，也就是说，根据GPS的定位数据，无法判定车辆是在位置13或位置15，以及无法判断车辆是在位置23或位置25。这说明，由于GPS的定位误差，无法分辩两个较近距离的位置，这也是普通GPS无法判断车辆是否通过匝道来确定车辆在高架道路上行驶还是在地面道路上行驶的原因。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的实施方式进行详细的说明。

在图1中

GPS接收机1，接收GPS导航卫星的定位信号

GPS天线2，GPS接收机的天线

大气压力和温度传感器3，根据大气压力和温度判断车辆是否上升(或下降)一定的相对高度，判断车辆是否上下匝道，是本发明的一个重要部件；

辅助导航系统4，由于本发明在一些GPS导航信号不良的区域如高架道路下或地下通道(隧道)中也需要比较准确的车辆定位，因此需要有在GPS卫星导航信号被遮蔽时仍能对车辆进行导航的辅助系统，这个辅助导航系统包括但不限于惯性导航(陀螺仪，加速度计)、电子磁罗盘导航、根据方向盘转角来确定车辆行驶轨迹导航、根据左右车轮的转速差来确定车辆轨迹导航等，或根据车速及道路约束条件推定车辆位置。

控制处理器5，处理各类数据

电子地图6，车辆导航的专用地图软件，在这个地图软件上除了与普通GPS导航地图的相关信息和导航功能外，还有高架道路匝道前后的相对高度信息，电子地图导航软件具有判别车辆在高架道路匝道(或地下通道、地下隧道)前后的相对高度的功能

操作机构7操作机构，由司机进行各类操作

语音系统8，为司机提供语音导航指示。

显示单元9，用于显示地图信息、道路和车辆位置信息

在图2中，当车辆在地面道路的高架上匝道前：

GPS导航地图软件在车辆到达高架道路上匝道前的区域12内，首先判断车辆是在高架道路上还是在地面道路上，如果车辆在进入区域12前是在高架道路上行驶，不作进一步处理；如果车辆在进入区域12前是在地面道路上行驶，测量大气压力P₁和温度T₁，在车辆到达区域17内测量大气压力P₂和温度T₂。

根据大气压力和温度，计算车辆在通过此路段前后相对高度差ΔH：

ΔH = 18400 \times (1 + \frac{T}{273}) \times \lg \frac{P_{1}}{P_{2}}

式中：

T = \frac{T_{1} + T_{2}}{2}

GPS导航地图对这个上匝道，设置一个匝道的高度参数H，这个高度参数根据匝道前后相对高度差来确定，一般可以设定为相对高度差的一半。例如匝道前后的相对高度差约8米，可以将其设定为H＝4米。

当ΔH≥H时，GPS导航地图软件就判定车辆在高架道路上；

当ΔH＜H时，GPS导航地图软件就判定车辆在地面道路上；

在图3中，当车辆在高架道路的下匝道前：

GPS导航地图软件在车辆到达高架道路的下匝道前的区域22内，首先判断车辆是在高架道路上还是在地面道路上，如果车辆在进入车辆区域22前是在地面道路上行驶，不作进一步处理；如果车辆在进入区域22前是在高架道路上行驶，测量大气压力P₁和温度T₁，并在区域27内测量大气压力P₂和温度T₂。

ΔH = 18400 \times (1 + \frac{T_{1} + T_{2}}{273 \times 2}) \times \lg \frac{P_{1}}{P_{2}}

GPS导航地图对这个下匝道，设置一个匝道的高度参数H，这个高度参数根据匝道前后相对高度差来确定，一般可以设定为相对高度差的一半。由于此时车辆是在高架道路上，地面道路比车辆当前位置低，所以这个高度参数H是负值。例如匝道前后的相对高度差约8米，可以将其设定为H＝-4米。

当ΔH＜H时，GPS导航地图软件就判定车辆在地面道路上；

当ΔH≥H时，GPS导航地图软件就判定车辆在高架道路上。

当高架道路上还有更高一层的高架道路时，可以用相同的方法判断。

在实际的立体交通道路中，有一些复杂的道路区域(如两条高架道路相连接的立交桥区域)，如有多层高架道路或多层地下道路的区域，导航地图对道路分层标记，例如将地面道路标记为0层，高架道路标记为1层，更高一层的高架道路标记为2层，地下道路标记为-1层，更低一层的地下道路标记为-2层，以此类推。

由于很多城市道路本身就有坡度，在一些山城，很有可能地面道路有上下坡，而与地面道路相连接的高架道路的匝道前后却并没有高度差或高度差很小，因此，电子地图软件需要根据具体的匝道情况设置H值。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims

1.一种车辆导航装置，其特征包括：

一个全球定位系统(GPS)接收器，通过一个GPS天线接收来自全球定位系统的信号，获取车辆当前位置的信息

大气压力和温度传感器，测量大气压力和温度

一个辅助导航系统，在GPS卫星导航信号被遮蔽时也能对车辆定位

一个控制处理器，处理来自GPS接收机的数据、GPS导航信号被遮蔽时辅助导航系统的数据、压力和温度传感器的数据、电子地图数据以及导航途径计算，并通过显示单元和语音系统输出相应的信息

一套导航电子地图，包含导航软件和道路的地理信息，以及地名、路名和其他服务信息等

一个操作机构，由司机进行各类操作

一个语音系统，为司机提供语音导航指示。

一个显示单元，用于显示地图信息、道路和车辆位置信息。

2.如权利要求1所述的车辆导航装置，其特征包括：

大气压力和温度传感器在下层道路与上层道路连接的匝道前后，分别测量大气压力和温度，根据两点的大气压力和温度；导航电子地图软件计算相应的道路高度差，判断车辆是在下层道路上或是在上层道路上。

3.如权利要求1所述的车辆导航装置，其特征包括：

导航电子地图不仅有相关道路的经纬度等平面地理信息，还有

在连接下层道路与上层道路的匝道前，有一个测量大气压力和温度的区域；

在连接下层道路与上层道路的匝道后，有一个测量大气压力和温度的区域；

电子地图提供连接下层道路与上层道路之间匝道的高度参数H。

下层道路是指立体相通的两条道路中相对高度较低的道路，上层是相对高度较高的道路，这两条道路可以是地面道路，高架道路，高架桥，地下通道，隧道之间的组合。

4.一种通过判断车辆在下层道路或上层道路的方法，其特征是包括以下步骤：

电子导航地图在连接下层道路与上层道路的匝道前设定一个区域，车辆到达这个区域内，测量大气压力P1和温度T1；

电子导航地图在连接下层道路与上层道路的匝道后设定一个区域，车辆到达这个区域内，测量大气压力P2和温度T2；

根据压高公式，计算车辆在这两个位置的相对高度，如果计算的得到相对高度小于一个此段匝道的高度参数H，就判定车辆是在下层道路上；如果计算的得到相对高度大于等于一个此段匝道的高度参数H，就判定车辆在上层道路上。

5.如权利要求1和权利要求3所述的电子地图，其特征包括：

电子地图对立体的交通道路，采取分层标记，以区别不同高度的道路。

如以0层表示地面道路，1层表示高架道路或立交桥，2层表示更高一层的高架道路或立交桥，-1层表示地下通道或地下隧道，-2层表示更低一层的地下通道或地下隧道，以此类推。

6.如权利要求1所述的装置，其特征包括：

辅助导航系统在GPS导航信号被遮蔽时仍能对车辆进行导航，可以在一些GPS导航信号不良或完全没有GPS导航信号的区域如高架道路下或地下通道(隧道)中也能比较准确的车辆定位，这个辅助导航系统可以是以下类型：惯性导航如陀螺仪导航、电子磁罗盘导航、根据方向盘转角来确定车辆行驶轨迹导航、根据左右车轮的转速差来确定车辆轨迹导航等，或根据车速推算车辆位置。