CN101017200B

CN101017200B - 位置计算装置

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Publication number: CN101017200B
Application number: CN2007100067711A
Authority: CN
Inventors: 渡边隆行; 若松浩太郎
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc; Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: EP1818682A1; JP2007206010A; JP4716886B2; US20070257837A1; US7414575B2; DE602007000065D1; CN101017200A; EP1818682B1

Abstract

一种能够利用可靠度高的方位数据来决定移动体的行进角的位置计算装置。该位置计算装置利用GPS卫星的测位结果及自律导航传感器的测位结果计算移动体的位置，其具有：输入单元，输入由GPS卫星测位的GPS方位数据和由自律导航传感器测位的导航方位数据；第1判断单元，判断上述GPS方位数据的可靠度；第2判断单元，判断上述导航方位数据的可靠度；行进角计算单元，根据第1及第2判断单元的判断结果，利用上述GPS测位数据或上述导航测位数据计算移动体的行进角。由此，减轻了行进角的误差，提高了位置精度。

Description

位置计算装置

技术领域

本发明涉及利用GPS卫星及自律导航传感器计算移动体的位置的位置计算装置，特别涉及移动体的行进角的决定方法。

背景技术

在导航装置中，为了计算本车位置，广泛利用使用了GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)卫星的GPS测位、以及使用了搭载在车辆上的陀螺传感器及车速传感器的自律导航测位。GPS测位虽然能够检测绝对位置及绝对方位，但存在接收环境导致其精度恶化的缺点。另一方面，自律导航测位虽然不依赖于接收环境，但存在误差累积的缺点。在导航装置中，将两者的缺点相互补充地进行本车位置的计算。

专利文献1涉及利用自律导航传感器和GPS装置的各输出数据得到移动体的航行数据的混合型导航装置，是根据同一测位时刻的自律传感器的输出数据与GPS装置的接收数据进行航行数据的运算的导航装置。GPS装置与以往的GPS装置不同，不具备利用接收数据来计算经度及纬度、方位等的位置数据的运算部，不需要吸收自律传感器的输出数据与GPS装置的接收数据间的时间差的运算处理。

专利文献2涉及车辆位置修正装置，将通过自律导航测位得到的某个区间的自律导航行驶距离和通过GPS测位得到的与上述某个区间对应的区间的GPS测位点间距离进行比较，在自律导航行驶距离与GPS测位点间距离之差较大的情况下，判断为GPS的测位数据的可靠度低，在差小的情况下，判断为可靠度高。如果可靠度高，则减小表示作为GPS的测位误差而允许的范围的误差圆的半径，如果可靠度低，则增大半径。

专利文献3涉及卫星信号接收机，在前次计算的位置Xn-1上加上根据前次的速度与速度方位求出的速度矢量Vn-1而求出推测位置Yn，求出测位部的此次的计算位置Zn，再计算推测位置Yn及计算位置Zn的各可靠度，根据推测位置Yn及计算位置Zn的可靠度求出对推测位置Yn的加权Tn，计算出修正位置Xn。通过在每次测位时根据计算位置的可靠度与推测位置的可靠度计算最佳的修正位置，使速度的累积误差不会累积，提高了测位速度。

专利文献1：日本特开平10-307036号

专利文献2：日本特开2003-279362号

专利文献3：日本特开2004-150852号

如专利文献3所示，在求出将前次计算出的位置与速度矢量相加而得到的推测位置和测位部的此次的计算位置的可靠度，并根据可靠度计算出修正位置的情况下，如果规定速度矢量的方位的误差大，则推测位置的误差变大，结果使修正位置的精度降低。因此，为了提高修正位置的精度，需要提高规定速度矢量的方位或行进角的精度。

规定速度矢量的速度方位根据GPS测位的绝对方位数据或自律导航测位的相对方位数据得到。绝对方位数据是通过多普勒频移求出的，在野外那样测位环境较好的情况下，是大致正确的方位，但在车辆停止、或者如遮蔽环境那样受到多通道等的影响的情况下，误差变大。另一方面，相对方位数据如GPS测位那样不依赖于接收环境，是大致正确的方位变化，但在长时间连续使用、或如曲折道路那样方位变化变大的情况下，误差会累积。

为了减轻这样的两个测位数据的缺点，优选在每次测位时采用绝对方位数据与相对方位数据中的可靠度高的方位数据作为数度矢量。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种能够利用可靠度高的方位数据计算移动体的行进角、速度矢量及位置的位置检测装置及其方法。再者，本发明的目的是提供一种利用了位置精度高的位置计算装置的导航装置。

本发明涉及的位置计算装置，利用GPS卫星的测位结果及自律导航传感器的测位结果计算移动体的位置，其具有：输入单元，输入由GPS卫星测位的GPS方位数据和由自律导航传感器测位的导航方位数据；第1判断单元，判断上述GPS方位数据的可靠度；第2判断单元，判断上述导航方位数据的可靠度；行进角计算单元，根据第1及第2判断单元的判断结果，利用上述GPS测位数据或上述导航测位数据计算移动体的行进角；以及位置预测单元，根据计算出的行进角和从GPS卫星或自律导航传感器得到的速度数据计算速度矢量，利用该速度矢量预测移动体的位置。

优选的是，上述第1判断单元在GPS方位数据的可靠度的判断中，使用GPS卫星的测位状态、根据GPS卫星的测位结果得到的行驶距离与根据自律导航传感器的测位结果得到的行驶距离的距离比率、由GPS卫星测位的两点间的角度与GPS方位数据之间的行进角误差、GPS方位数据与导航方位数据的类似性、以及以上次的行进角为基准的预测范围中的至少1个条件。

本发明涉及的位置计算方法包括：输入由GPS卫星测位的GPS方位数据及由自律导航传感器测位的导航方位数据的步骤；比较GPS方位数据的可靠度和导航方位数据的可靠度，判断哪个的可靠度高的步骤；根据判断为可靠度高的GPS测位数据或导航测位数据计算行进角的步骤。

优选的是，进行判断的步骤还包括：第1判断步骤，根据第1条件判断GPS方位数据的可靠度；第2判断步骤，在由第1判断步骤判断为有可靠度时，根据第2条件判断导航方位数据的可靠度；第3判断步骤，在通过第2判断步骤判断为没有可靠度时，根据第3条件判断GPS方位数据的可靠度；第4判断步骤，在通过第3判断步骤判断为没有可靠度时，根据第4条件判断GPS测位数据的可靠度；在计算的步骤中，在通过第1判断步骤判断为没有可靠度时，以及在通过第4判断步骤判断为没有可靠度时，根据导航方位数据计算行进角，在除此以外时根据GPS方位数据计算行进角。

根据本发明，采用测位时刻的可靠度高的GPS方位数据或导航测位数据，计算行进角，所以减少了行进角的误差，由此提高了速度矢量的精度，并且提高了计算的位置精度。

附图说明

图1是表示本发明的实施例涉及的位置计算装置的结构的框图。

图2是表示本发明的实施例涉及的位置计算装置的动作流程的图。

图3是说明GPS数据及自律导航数据的图。

图4是位置计算的说明图。

图5是判断GPS方位与导航方位的可靠度的动作流程的图。

图6是表示GPS方位与导航方位的可靠度的判断结果及求出的行进角的例子的表。

图7是表示应用了本实施例的位置计算装置的导航装置的结构的框图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的优选实施方式。本发明涉及的位置计算装置优选在车载用导航装置中使用。

图1是表示本发明的实施例涉及的位置计算装置的结构的框图。位置计算装置1包括：GPS接收机10，接收从GPS卫星发送来的GPS信号，输出与车辆的绝对位置、利用了多普勒频移的绝对方位以及速度有关的数据；自律导航传感器20，通过安装在车辆上的各种传感器输出与相对方位、行驶距离有关的数据；位置计算部30，输入从GPS接收机10及自律导航传感器20输出的数据，根据输入的数据计算移动体的行进角及车辆位置；存储器40，保存行驶履历信息等。

GPS接收机10包括GPS接收天线12、接收部14、以及计算部16。计算部16每隔一定的测位时间(例如1秒)，输出绝对位置P_GPS(以下称作GPS位置)、绝对方位θ_GPS(以下称作GPS方位)、GPS速度V_GPS，并且输出表示GPS卫星的测位状态的测位状态信号W_GPS。

自律导航传感器20包括检测车辆的旋转角度的陀螺仪等角度传感器22，角度传感器22输出相对方位θ_gyro(以下称作导航方位)。自律导航传感器20还包括每当车辆行驶一定距离就发出脉冲的车速传感器24，车速传感器24输出车速S。

位置计算部30例如由微型计算机构成，通过保存在ROM/RAM中的程序来执行位置计算。存储器40依次存储由位置计算部30计算的履历信息。

接着，图2表示本实施例的位置计算装置30的动作流程。位置计算部30获取由GPS接收机10测位的GPS数据和由自律导航传感器20测位的自律导航数据(步骤S101)。图3是说明GPS数据与自律导航数据的图。如图3(a)所示，车辆在道路R上移动时，在测位时刻T1、T2、……Tn，输入GPS数据及自律导航数据。GPS数据如图3(b)所示，包括GPS位置P_GPS、GPS方位θ_GPS、GPS速度V_GPS、测位状态信号W_GPS。如果是三维测位，GPS位置P1、P2、……Pn包含精度、纬度、高度，如果是二维测位，则包含精度、纬度。GPS方位θ1、θ2、……θn包含自基准方向的角度，例如以图3(a)的X方向为基准的情况下，包含从X方向按顺时针方向的角度。GPS速度V1、V2、……Vn表示GPS卫星与车辆的相对速度，测位状态 W1、W2、……Wn表示GPS是否是三维测位以及非测位。GPS方位及GPS速度通过多普勒频移求出。

另一方面，从角度传感器22输出的导航方位θ_gyro表示相对的角度，即测位区间的方位的变化量θn-θn-1。从车速传感器24输出的速度S1、S2、……Sn表示测位区间的车速。GPS数据及自律导航数据暂时保存在位置计算部30的寄存器中，用于位置计算。

位置计算部30从输入的GPS数据及自律导航数据中抽出GPS测位和导航测位，判断它们的可靠度(步骤S102)。判断可靠度是否符合预先决定的条件。详细情况在后面记述，但GPS方位的可靠度判断GPS卫星的测位状态、由GPS卫星的测位得到的行驶距离与由自律导航传感器的测位得到的行驶距离的距离比率、由GPS卫星测位的两点间的角度与GPS方位数据的行进角误差、GPS方位数据与导航方位数据的类似性、以及以前次的行进角为基准的预测范围等。位置计算部30根据可靠度的判断结果，利用GPS测位或导航测位来决定此次的行进角(步骤S103)。

接着，位置计算部30利用计算出的此次的行进角求出速度矢量(步骤S104)，通过GPS位置与速度矢量的加权，决定此次的位置(步骤S105)。利用图4说明此次的位置决定方法。如图4(a)所示，在测位时刻T1的前次位置为K1时，将由前次的行进角与前次的车速(或者GPS速度)规定的速度矢量Vc加上前次位置K1，求出此次的测位时刻T2的预测位置L2。

再者，将预测范围Z决定为以前次位置K1为中心的同心圆状。预测范围Z的圆周方向由最大行进角θmax与最小行进角θmin规定。最大行进角θmax与最小行进角θmin的幅度是以前次的行进角为基准、根据前次的速度决定的。预测范围Z的半径方向由可移动最小距离Z1与可移动最大距离Z2规定。可移动最小距离与可移动最大距离以前次的车速为中心设定其幅度。最大、最小行进角以及最大、最小可移动距离的幅度参照过去的实测数据决定。

如图4(b)所示，如果测位时刻T2的GPS位置P2存在于预测范围Z内，则对连结GPS位置P2与预测位置L2的直线赋予规定的加权，决定此次位置K2。加权是根据例如GPS测位的可靠度决定的。另一方面，如图4(c)所示，当测位时刻T2的GPS位置P2不存在于预测范围Z内时，进行将GPS位置P2拉到预测位置L2的处理，将预测位置L2决定为此次位置K2。并且，在此次位置K2上，加上由此次的行进角和此次的车速规定的速度矢量Vc，求出测位时刻T3的预测位置L3。

接着，参照图5的流程图，说明图2所示的可靠度的判断方法及行进角的决定方法。另外，本实施例的位置计算装置将GPS测位的位置计算作为通常动作，将它以外作为自律导航测位。但是，这是一个例子，并不一定限定于此。

在最初的步骤S201及S202中，判断GPS方位θ_GPS的可靠度。即，位置计算部30输入测位时刻Tt的从GPS接收机10输出的测位状态信号Wt，根据该测位状态信号Wt判断GPS卫星是否为非测位(步骤S201)。如果是非测位，则采用导航方位θ_gyro，计算此次的行进角(步骤S210)。接着，在能够测位GPS卫星的情况下，判断车辆是否是停止中(步骤S202)。在停止的情况下，采用导航方位θ_gyro决定此次的行进角(步骤S210)。是否是停车状态的判断，是参照车速脉冲的输出、或者GPS速度进行的。

在步骤S201及S202中，如果判断为有GPS测位的可靠度，则位置计算部30接着判断导航方位θ_gyro的可靠度。即，位置计算部30判断导航方位θ_gyro的变化的累积是否是阈值以上(步骤S203)。在累积是阈值以上的情况下，认为导航方位θ_gyro的可靠度低，采用GPS方位θ_GPS来决定行进角(步骤S209)。这是因为，如果累积多，则积蓄了误差。导航方位θ_gyro的变化的累积是仅在利用导航方位θ_gyro 决定行进角时进行加法，在采用了GPS方位的情况下清空。

在导航方位θ_gyro的累积小于阈值的情况下，判断是否满足以下的测位条件(步骤S204)。在满足测位条件的情况下，认为GPS方位θ_GPS有可靠度，在此次的行进角中采用GPS方位θ_GPS(步骤S209)。

(1)GPS测位状态是三维测位。这是至少接收4个以上的GPS卫星的状态。因为，三维测位的精度比二维测位高。

(2)GPS速度是阈值(例如20Km/h)以上。因为，在低速的情况下，GPS方位的精度恶化。

(3)行驶距离比率在一定的范围以内(例如0.9≤行驶距离比率≤1.1)。

行驶距离比率是从GPS位置得到的行驶距离与从车速脉冲得到的行驶距离之比。该比越接近于1，表示GPS测位数据的精度越高。

(4)行进角误差是阈值以下(例如行进角误差≤30度)。

行进角误差是GPS位置的两点间的角度与GPS方位之差。行进角误差越接近于0，表示GPS测位数据的精度越高。

在满足以上的测位条件(1)至(4)的全部时，将GPS方位采用于行进角(步骤S209)。

另一方面，在不满足测位条件(1)至(4)的某一个时，再次判断GPS方位θ_GPS的可靠度。这里，判断GPS方位与导航方位的类似性、和GPS方位是否存在于对前次得到的行进角加上导航方位的变化而得到的预测范围内。

位置计算部30根据算式1判断GPS方位θ_GPS与导航方位θ_gyro的类似性(步骤S205)

【式1】

Δθ₁＝|(θ_GPS1-θ_GPS2)-θ_Gyro|≤10度……(1)

θ_GPS1：此次的GPS行进角，θ_GPS2：前次的GPS行进角

θ_Gyro：此次的Gyro方位变化

在Δθ₁比10度大的情况下，认为两者的方位没有类似性，没有GPS方位的可靠度，采用导航方位θ_gyro来决定行进角(步骤S210)。

另一方面，在判断为有类似性的情况下，接着判断GPS方位θ _GPS是否存在于预测范围内。预测范围由于依赖于车辆的直线性，所以首先判断移动是否是直线性。例如，判断是否满足导航方位θ_gyro≤0.15(步骤S206)。在满足该条件的情况下，判断为直线性的移动，根据算式2判断GPS方位θ_GPS是否存在于预测范围内(步骤S207)。

【式2】

Δθ₂＝|θ_GPS1-(θ_t-1+θG_yro)|≤10度……(2)

θ_t-1：前次的行进角

如算式(2)所示，在前次的行进角θ_t-1上加此次的导航方位θ _gyro，设定与GPS方位θ_GPS的差是否小于10度的预测范围。如果此次的GPS方位θ_GPS存在于预测范围内，则认为具有可靠度，在此次的行进角中采用GPS方位θ_GPS(步骤S209)。在不存在于预测范围内的情况下，利用导航方位θ_gyro决定此次的行进角(步骤S210)。在判断为移动不是直线的情况下，也同样根据算式(3)与预测范围比较。在此情况下，将预测范围以前次的行进角为中心设定为14度，如果存在于预测范围内，则在行进角中采用GPS方位θ_GPS，如果不存在于预测范围内，则在行进角中采用导航方位θ_gyro。这样利用预测范围来判断GPS方位的妥当性。另外，也可以是，在导航方位的变化接近于0的情况下，认为是直线行驶而降低阈值或预测范围的幅度。

【式3】

Δθ₂＝|θ_GPS1-(θ_t-1+θ_Gyro)|≤14度……(3)

θ_t-1：前次的行进角

这样，判断GPS方位θ_GPS与导航方位θ_gyro的可靠度，由此采用可靠度高的方位数据决定行进角。将所决定的行进角如图2所示地在速度矢量中使用，用于位置计算。将此次的行进角及计算出的位置存储在存储器40中，在下次的位置计算中使用。

图6表示输入了GPS方位θ_GPS与导航方位θ_gyro时的可靠度的判和所决定的行进角的例子。在时间0、1采用GPS方位，在时间2采用导航测位(陀螺仪)。这样，在每个测位时间判断GPS方位与导航方位的可靠度，根据可靠度高的方位数据计算行进角。

根据本实施例，在利用GPS方位数据及导航测位数据(陀螺仪相对方位数据)并确定速度矢量的行进方向的过滤处理中，可以得到如下的效果。

(1)在停车时，通过利用导航方位θ_gyro，能够抑制行进角的精度劣化。

(2)在长时间利用了导航方位θ_gyro的情况下，通过采用GPS方位θ_GPS，能够抑制行进角的误差累积。

(3)在GPS的接收状态良好时，通过在行进角中采用GPS方位θ_GPS，能够高精度地计算行进角及位置。

(4)通过根据GPS方位θ_GPS与导航方位θ_gyro的变化动态的类似性来判断GPS方位数据的可靠度，能够高精度地计算行进角。

(5)通过判断GPS方位θ_GPS是否在预测范围内，能够高精度地计算行进角。

图7是表示将本实施例涉及的位置计算装置应用在导航装置中时的框图。导航装置100包括接收来自上述的GPS卫星的电波的GPS接收机10、自律导航传感器20、经天线114接收车辆外部的当前的道路交通信息的VICS·FM复合接收机116、操作面板122、包含声音输入部124及遥控操作部126的用户输入接口120、具有大容量硬盘的存储装置130、能够通过无线或有限进行数据通信的数据通信控制部132、从扬声器142输出声音的声音输出部140、在显示器152 上显示图像的显示控制部150、存储各种程序的程序存储器160、暂时存储数据的数据存储器170、以及控制部180。控制部180包含图1所示的位置计算部30的行进角决定及位置计算功能。

存储装置130存储用于执行导航的各种功能的程序及数据库。数据库包括地图数据、设施数据，地图数据包括有关道路的链接数据以及交叉点数据。程序存储器160装载存储在存储装置130中的程序，在其中保存将通过GPS测位及导航测位计算的本车位置地图映射到地图数据上的程序及用于搜索至目的地的最佳路径的程序等。数据存储器170存储从存储装置130读出的地图数据及来自GPS接收机10及自律导航传感器20的测位数据等。

由于通过本实施例的位置计算装置能够检测更高精度的本车位置，所以即使在导航装置100中，也能够减轻地图映射的处理负担，能够更高速且正确地进行本车位置的显示。

以上详细说明了本发明的优选的实施方式，但并不限于有关本发明的特定的实施方式，在权利要求书所述的本发明的主旨的范围内能够进行各种变形、变更。

工业实用性

本发明涉及的位置计算装置能够在车辆等的移动体用的导航装置及导航系统中使用。

Claims

1.一种位置计算装置，利用GPS卫星的测位结果及自律导航传感器的测位结果计算移动体的位置，其特征在于，具有：

输入单元，输入由GPS卫星测位的GPS方位数据和由自律导航传感器测位的导航方位数据；

第1判断单元，判断上述GPS方位数据的可靠度；

第2判断单元，判断上述导航方位数据的可靠度；

行进角计算单元，根据第1及第2判断单元的判断结果，利用上述GPS测位数据或上述导航测位数据计算移动体的行进角；以及

位置预测单元，根据计算出的行进角和从GPS卫星或自律导航传感器得到的速度数据计算速度矢量，利用该速度矢量预测移动体的位置。

2.如权利要求1所述的位置计算装置，其特征在于，

上述第1判断单元在GPS方位数据的可靠度的判断中，使用GPS卫星的测位状态、根据GPS卫星的测位结果得到的行驶距离与根据自律导航传感器的测位结果得到的行驶距离的距离比率、由GPS卫星测位的两点间的角度与GPS方位数据之间的行进角误差、GPS方位数据与导航方位数据的类似性、以及以上次的行进角为基准的预测范围中的至少1个条件。

3.如权利要求1所述的位置计算装置，其特征在于，上述第2判断单元判断导航方位数据的变化的累积是否为阈值以上。

4.如权利要求1所述的位置计算装置，其特征在于，在通过第1判断单元判断GPS卫星处于非测位时、或者判断为移动体停止时，行进角计算单元利用导航方位数据计算行进角。

5.如权利要求4所述的位置计算装置，其特征在于，在由第1判断单元判断为GPS卫星处于可测位、且移动体处于行驶中的情况下，并且由第2判断单元判断为导航方位数据的变化的累积为阈值以上时，行进角计算单元利用GPS方位数据计算行进角。

6.如权利要求5所述的位置计算装置，其特征在于，在由第2判断单元判断为导航方位数据的变化的累积小于阈值的情况下，并且由第1判断单元判断为满足GPS卫星处于三维测位、GPS速度是一定值以上、上述距离比率包含在一定范围内、以及上述行进角误差是一定值以下的测位条件时，行进角计算单元利用GPS方位数据计算行进角。

7.如权利要求6所述的位置计算装置，其特征在于，在由第1判断单元判断为不满足上述测位条件中的某一个条件的情况下，而且由第1判断单元判断为GPS方位数据与导航方位数据相类似、且GPS方位数据包含在预测范围内时，行进角计算单元利用GPS方位数据计算行进角。

8.如权利要求1所述的位置计算装置，其特征在于，上述输入单元输入移动体的关于同一移动区间的GPS方位数据和导航方位数据。

9.如权利要求1所述的位置计算装置，其特征在于，位置预测单元以上次计算出的位置为基准、并利用上次计算出的行进角设定预测范围，在该预测范围内预测移动体的位置。