CN107636490B - 将一位置信息变换为一个局部坐标系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将一个地球仪上至少一个位置信息从一个第一全局坐标系转换为一个第二局部坐标系的方法，其中，第一局部坐标系中的位置可借助相应经度和一个纬度的信息给出，其中，第二局部坐标系中的位置可参考两个相互正交排列的轴给出，步骤包括：‑通过一套天线接收一个包含位置信息的信号，‑借助一个计算单元确定第一本地轴位置和参考纬度之间的第一距离(x)，‑借助一个计算单元确定第二本地轴位置和参考纬度之间的第二距离(y)，其特征在于，参考经度的选择方法是使其在指定位置附近。

Description

将一位置信息变换为一个局部坐标系的方法
技术领域
本发明涉及一种将一个全局坐标系中至少一个位置信息变换为一个第二局部坐标系的方法，以及一种逆变换位置信息的相应方法和一种执行这类变换的车辆系统。
背景技术
车辆的位置数据构成许多网联汽车(Car-to-X)应用(后面简称V2X(网联汽车))的基准量。其中，位置数据可对自身车辆或自我(Ego)车辆的位置作出判断。此外，获得例如DENM(分散式环境通知信息)消息等由其他车辆或交通参与者接收的消息，以及由发送者生成的相应位置信息或数据。在DENM(分散式环境通知信息)中包含了WGS-84格式的位置信息。
根据WGS-84格式，利用经度和纬度给出位置信息。这些信息尽管在地球仪上通用，但在V2X(网联汽车)应用中进行信息分析和评估时不实用或计算成本很高。
因此，本专利申请的发明者研发了一种将全局位置信息转换为局部坐标系的方法。其中他使用格林威治和赤道的当前位置距离，并将该距离作为位置信息用于两轴坐标系。有关该方法的进一步详细说明请参见专业文章
《处理网联汽车(Car-to-X)通信应用矩形区域的新型技术》一文，该文刊载于2013年7月在冰岛雷克雅未克举办的第十届国际控制、自动化与机器人信息学大会(ICINCO)的智能车辆控制与智能交通系统(IVC&ITS)专题会议论文集。
但这种已知方法的缺点是，由于格林威治的距离较大，在变换位置信息时出现失真误差，使得该方法仅在格林威治附近能够提供有用的结果。对于要在全球应用的方法或系统，这是无法接受的。
发明内容
因此，本发明的任务是进一步改进已知方法，使其能够具有通用性。
此任务根据本发明一个方面所述的方法解决，其中选择待变换位置附近或相邻的参考经度。
在第二局部坐标系中，一个位置可在一个二维层面内成像，这在计算时易于操作。理想的方式是，局部坐标系是一个笛卡尔坐标系。局部坐标系通过第一和第二轴或通过x和y轴延展。x轴主要是水平的，即与纬度平行。y轴主要与经度平行。通过所计算的参考经度或参考纬度距离可给出公制单位的局部坐标系x轴和y轴的位置。优选使用赤道作为参考纬度。理想的方式是，局部坐标系的坐标原点位于参考经度和参考纬度的交叉点。
在此，本发明是以当距离与经度或纬度平行时，距离计算最简单这一认知为基础的。基于该方法假设地球仪具有一球面形状，这一假设增强了这一认知。
由于纬度的地理延伸，即使距离计算得不精确，此方法也可在没有明显误差的情况下实施。因此，本发明意义上的字句“相同”不能按几何意义理解。只要没有使局部坐标系中的位置信息质量明显变差，允许存在微小偏差。
本方法既适用于变换例如由一自我(Ego)车辆采集的位置，也适用于变换由其他车辆或交通参与者提供的位置。因此，用于接收位置信息或信号的天线可以是GNSS(全球导航卫星系统)天线或例如符合IEEE 802.11，3G或LTE(长期演进)标准规定的数据传输天线。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，选择位置附近或该位置相邻，优选在最大10公里范围内的经度作为参考经度。另外，本发明是基于这样的认知，即没有必要将第一参考点固定在格林威治或本初子午线，并且这样做也没有益处。此外，根据本发明选择参考经度的优点在于，由于所观察区域较小的延伸，二维层面的假设适用于所观察区域或范围。优选的方式是参考经度和位置之间的最大距离小于10公里，尤其优选小于1公里。在最初的试验中这种距离已被证明是可行的。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，计算弧度上的距离。通过这种方式可进一步减少测算距离的计算成本。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，借助下列方程式计算第一本地轴的距离：
Figure GDA0004149094740000031
其中：
r表示根据WSG-84的地球半径，
λ_P表示位置的经度，
λ_R表示参考经度，
Figure GDA0004149094740000032
表示位置的纬度。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，借助下列方程式计算第二本地轴的距离：
Figure GDA0004149094740000033
。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，选择位置附加的参考纬度。上述方程式在此情况下变为：
Figure GDA0004149094740000034
其中，
Figure GDA0004149094740000035
表示参考纬度。其优点是，适当选择参考纬度时y坐标的值变小，使得对于有限的位数或32位，即使位数有限，y坐标也可精确成像。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，使用自我(Ego)位置或自身位置的经度作为参考经度，而自我(Ego)位置或自身位置的纬度作为参考纬度。尤其也可使用自我(Ego)位置作为局部坐标系的坐标原点。在V2X(网联汽车)应用中使用此方法时这种实施方式尤其有益，因为在V2X(网联汽车)应用中通常观察附近的环境，因此，失真误差的影响在此情况下察觉不到。局部坐标系内其他位置相对于自我(Ego)位置进行分配。上述方程式在此情况下变为：
Figure GDA0004149094740000041
Figure GDA0004149094740000042
其中，λ_0、
Figure GDA0004149094740000043
表示自我(Ego)位置P_0或局部坐标系坐标原点的经度和纬度。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，对x坐标变换方程式可用的方法是，用参考纬度或坐标原点的余弦代替
Figure GDA0004149094740000044
即/>
Figure GDA0004149094740000045
或/>
Figure GDA0004149094740000046
参考经度和纬度保持不变时，即通常在使用周期内，对所有坐标和两个变换方向该值始终保持不变，只需要测定一次。因此可额外减少计算成本。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，参考经度和纬度固定用于某一个应用周期。该实施方式可实现临时局部坐标系的延展，这种坐标系适用于必须定义有限范围的应用情况。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，应用周期短于120秒，尤其是短于60秒，特别优选短于30秒。在V2X(网联汽车)应用中使用时，上述值已证明特别可行。
根据本发明所提供方法的一种优选实施方式，应用周期的持续时间根据行驶速度进行设置。借助这种供选择的实施方式，可以此方式尽可能精确地调整应用持续时间，以适应例如在高速公路、乡间公路或城市内行驶时相应的行驶情况。
另外，此任务根据本发明另一个方面所述的方法解决。本发明所提供的方法可将位置信息逆变换为一个全局坐标系，使位置信息例如可与其他信息一起传输给其他车辆组件或交通参与者。相应方程式的选择取决于是选择赤道还是某一其他纬度作为参考纬度。
此外，此任务根据本发明另一个方面所述的车辆系统解决，其中，参考经度的选择方法是使其在待变换位置附近。
附图说明
下面参照实施例和附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示范性地展示了一个局部坐标系中的多个位置，
图2展示了根据本发明所提供方法对P点的变换(未按比例绘制)，
图3本发明所提供车辆系统的方块示意图。
具体实施方式
图1是使用本发明所提供方法的一个场景。展示了沿街道2行驶并以一定的距离定期采集沿路多个位置P_1至P_6的车辆1。这些位置P_1至P_6中的每一个均借助车辆的GNSS(全球导航卫星系统)接收器采集。但也可考虑由其他交通参与者传输这类位置。这种情况对本发明所提供的方法没有影响。
这类位置最初根据WGS-84编码，并包含关于经度和纬度的信息。这样，如图2所示，这些点中的每一个可根据地球仪上的信息成像。对于V2X(网联汽车)应用，自我(Ego)车辆中的点P_1至P_6变换为一个第二局部坐标系。图1中指定自我(Ego)车辆当前的位置P_0作为局部坐标系的坐标原点，但这仅是一个示例。点P_0也可根据应用情况的不同在一定时间或应用周期中保持不变，与自我(Ego)车辆是继续移动还是不动无关。为此可使用变换的本地坐标，例如通过多个点P_1至P_6来延展区域3。然后，对于该区域3可以设置V2X(网联汽车)的相关信息，例如道路相关的天气数据。以此方式可警告后面的驾驶员道路很滑或有其他危险，提请其加以注意。
本发明所提供的方法以图2中的点P为例进行详细说明。为了将点P的位置信息变换为一个二维坐标系，首先规定参考经度和参考纬度。参考纬度
Figure GDA0004149094740000061
通常为赤道。优选规定参考经度λ_R的方法是，使其位于相应位置P的附近。也可使用自我(Ego)车辆P_0位置的经度λ_0和纬度/>
Figure GDA0004149094740000062
作为参考经度λ_R和参考纬度。在车辆系统中应用时，在纬度方向当前位置P和参考经度之间的距离应优选小于10公里，尤其是优选小于1公里。
为了计算本地x坐标，根据下列方程式计算参考经度λ_R和点P之间的距离：
Figure GDA0004149094740000063
其中：
r表示地球半径，
λ_P表示位置的经度，
λ_R表示参考经度，
Figure GDA0004149094740000064
表示位置的纬度。
在此，可根据WGS-84标准选择半径，根据该标准半径为6371000.8米。以此方式获得以米为单位的x坐标的距离。如果选择自我(Ego)车辆位置P_0的经度λ_0作为参考经度，那么在上面的方程式中用λ_0代替λ_R。
以相应的方式计算参考纬度
Figure GDA0004149094740000065
至点P的距离，这等于y坐标。如果选择赤道作为参考纬度，那么方程式为：
Figure GDA0004149094740000066
并以此方式获得以米为单位的点P与赤道的距离。如果选择自我(Ego)车辆位置的纬度
Figure GDA0004149094740000071
作为参考经度，那么方程式为：
Figure GDA0004149094740000072
以此方式可对所有点P_1至P_6进行处理。如果选择自我(Ego)车辆P_0的位置作为局部坐标系的坐标原点，那么会得出点P_1至P_6的y坐标作为与P_0的差值。其优点在于，y坐标的值相对小，并在有限的位数，例如32位时，尽管位数有限但本地y坐标仍能精确成像。尤其是由此可简化计算，方法是在确定x坐标时在余弦项中使用自我(Ego)位置的纬度
Figure GDA0004149094740000073
使方程式：
Figure GDA0004149094740000074
可对P_1至P_6使用恒定的
Figure GDA0004149094740000075
与已知的方法相比，本发明的主要优点从现有技术水平中得出，根据球面坐标的角度差(弧形)计算位置和参考经度及纬度之间的距离。通过适当选择当前位置附近的第一参考经度还可减小失真误差。
位置信息从一个局部坐标系逆变换为一个全局坐标系通过上述方程式按经度或纬度λ_P和
Figure GDA00041490947400000710
的代数解析相应进行：
经度的计算方法为：
Figure GDA0004149094740000076
或
Figure GDA0004149094740000077
纬度的计算方法为：
Figure GDA0004149094740000078
或
Figure GDA0004149094740000079
其中λ_R和
Figure GDA0004149094740000081
也可等于自我(Ego)位置λ_0和/>
Figure GDA0004149094740000082
的坐标。
图3展示了将地球仪上至少一个位置信息从第一全局坐标系变换为第二局部坐标系的车辆系统10，其中第一全局坐标系中的位置可借助经度和纬度数据给出，并且第二局部坐标系中的位置可参考两个相互正交排列的轴给出。上述方法可借助这里描述的车辆系统10执行，因此不再进一步详细研究该方法的细节。
车辆系统10有一个通过多个接口12与车辆其他组件相连，并在图3中概要显示为自身组件模块30的应用模块20。
组件模块30有多个用于接收位置信号的接收器。一方面，系统包含一个用于接收其他交通参与者消息的消息接收器31。此外，还有至少一个用于检测自我(Ego)车辆位置数据的GNSS(全球导航卫星系统)位置模块32。
对此，应用模块20具有相应的数据传感器21和22，这些传感器首先接收由消息接收器31或GNSS(全球导航卫星系统)位置模块32传输的数据。数据传感器21和22的设计方式可使其仅接收所传输的数据。作为替代选择，也可在数据传感器21和22中进行坐标变换。在第一种情况下也可在计算单元23中进行变换，该计算单元将本地位置数据与专用应用数据链接。在后一种情况下，数据传感器21和22本身应理解为权利要求意义上的计算单元。
消息发送器24也是应用模块20的一部分，通过该应用模块可将由计算单元23生成的消息通过发送信息的相应组件34传输给其他交通参与者。在发送消息前，本地位置信息如上所述，例如以WGS-84格式逆变换为一个全局坐标系。这种逆变换也可类似于消息发送器，直接进行或在计算单元23中进行。

Claims (15)

1.将地球仪上至少一个位置信息从一个第一全球坐标系转换为一个第二局部坐标系的方法，
其中，第一全球坐标系中的全球位置可借助相应经度和纬度的信息给出，其中，第二局部坐标系中的局部位置可参考两个相互正交排列的第一局部轴和第二局部轴给出，
步骤包括：
-通过一套天线接收一个包含第一全球坐标系中的全球位置的信息的信号；
-在计算单元中选择参考经度作为第二局部坐标系的第一局部轴；
-借助所述计算单元确定所述全球位置和所述参考经度之间的第一距离(x)；
-在所述计算单元中选择参考纬度作为所述第二局部坐标系的第二局部轴，
-借助所述计算单元确定所述全球位置和所述参考纬度之间的第二距离(y)；以及
-在所述计算单元中确定所述第二局部坐标系的局部位置，第一距离(x)是所述局部位置的第一局部轴的坐标，第二距离(y)是所述局部位置的第二局部轴的坐标，
其特征在于，所选参考经度与所述全球位置之间的距离小于一个预先设定的第一阈值，
参考纬度和/或参考经度固定用于某个应用周期，其中应用周期的持续时间根据行驶速度设置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考纬度与所述全球位置之间的距离小于一个预先设定的第二阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中第一本地轴的距离通过方程式
Figure FDA0004149094730000011
进行计算，其中：
r表示地球半径，
λ_P表示位置的经度，
λ_R表示参考经度，
Figure FDA0004149094730000021
表示位置的纬度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中第一本地轴的距离通过方程式
Figure FDA0004149094730000022
进行计算，其中：
r表示地球半径，
λ_P表示位置的经度，
λ_R表示参考经度，
Figure FDA0004149094730000023
表示位置的纬度。
5.根据上述权利要求3所述的方法，其中第一本地轴的距离通过方程式
Figure FDA0004149094730000024
进行计算。
6.根据上述权利要求4所述的方法，其中第一本地轴的距离通过方程式
Figure FDA0004149094730000025
进行计算。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中第二本地轴的距离通过方程式
Figure FDA0004149094730000031
进行计算，其中：
r表示地球半径，
Figure FDA0004149094730000032
表示位置的纬度，
Figure FDA0004149094730000033
表示参考纬度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中选择赤道作为参考纬度，以便能通过方程式：
Figure FDA0004149094730000034
进行计算。
9.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中以圆弧方式计算距离。
10.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中选择自我(Ego)位置的经度作为参考经度。
11.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中选择自我(Ego)位置的纬度作为参考纬度。
12.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中应用周期短于120秒。
13.根据权利要求12所述的方法，其中应用周期短于60秒。
14.根据权利要求12所述的方法，其中应用周期短于30秒。
15.将地球仪上的车辆位置从一个第一全球坐标系转换为一个第二局部坐标系的车辆系统，
该车辆系统具有：
-一个用于接收车辆在全球坐标系统中的位置信号的接收器，该位置信号包含由经度和纬度给出的所述车辆的全球位置；以及
-一个计算单元，该计算单元用于：选择参考经度和参考纬度；确定所述全球位置和所述参考经度之间第一距离(x)；确定所述全球位置和所述参考纬度之间第二距离(y)；以及确定所述车辆在所述第二局部坐标系的局部位置，所述局部位置参考两个相互正交排列的第一局部轴和第二局部轴给出，第一距离(x)是所述局部位置的第一局部轴的坐标，第二距离(y)是所述局部位置的第二局部轴的坐标，
其特征在于，所选参考经度与所述全球位置之间的距离小于一个预先设定的第一阈值，
参考纬度和/或参考经度固定用于某个应用周期，其中应用周期的持续时间根据行驶速度设置。
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