CN101384919B

CN101384919B - 定位系统、定位方法、以及汽车导航系统

Info

Publication number: CN101384919B
Application number: CN2007800015128A
Authority: CN
Inventors: 上田晃宏; 前田岩夫; 永宫清美; 田岛靖裕
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: EP1988408A1; US7869950B2; CN101384919A; EP1988408A4; WO2007097245A1; JP2007218865A; EP1988408B1; JP4020143B2; US20100169006A1

Abstract

本发明提供一种定位系统(10)，该定位系统(10)具有利用从人造卫星发送的电波来进行定位的定位部(15)和通过自动导航来进行定位的自动导航部(14)，定位部(15)和自动导航部(14)协作来推定移动体的位置，定位系统(10)的特征在于，定位部(15)在捕捉到的人造卫星的数量不足三个的情况下，从利用电波而定位了的范围中提取出与通过自动导航而定位了的惯性定位位置之间的距离最小的地点，并将该地点推定为利用电波而定位了的卫星定位位置。

Description

定位系统、定位方法、以及汽车导航系统

技术领域

本发明涉及通过从GPS卫星等多个无线台站接收电波来推定移动体的当前位置的定位系统、定位方法、以及汽车导航系统，特别涉及即使在无法从足够数量的无线台站接收到电波的情况下也可以高精度地推定出移动体的当前位置的定位系统、定位方法、以及汽车导航系统。

背景技术

公知有为了将车辆的行驶位置或到达目的地的行驶路径提供给用户而检测车辆的行驶位置的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)装置。车载GPS装置通过从GPS卫星接收用伪随机码调制过的载波并将在解调过程中得到的载波的传播时间乘以光速而计算出与GPS卫星之间的距离。由于在纬度、经度、以及海拔(以下简称为坐标)的三维空间中来确定车辆在地球上的位置，因此GPS装置从三个GPS卫星接收发送时刻信息，将以三个GPS卫星与车辆之间的距离为半径的球体的交点作为车辆的坐标而计算出来。另外，虽然GPS卫星所具有的时钟保证会具有非常高的精度，但是车载时钟多少有些误差，因此传播时间也会含有误差，从而无法准确地计算出与GPS卫星之间的距离。因此，GPS装置利用第四个GPS卫星来校正时间误差以更高精度地对自身车辆的位置进行定位。

但是，在将GPS装置安装在汽车等移动体上的情况下，在建筑物的附近等处可能会无法从所有的四个GPS卫星接收到乘载发送时刻信息的电波。在无法从GPS卫星接收到电波的情况下，虽然可以通过车载定位系统以自动导航或地图匹配来推定当前位置，但如果无法从GPS卫星获得电波的状态持续了很长时间，则基于自动导航或地图匹配的位置推定会累积误差，因而非常不利。

因此，提出了即使有一个可以接收到电波的GPS卫星也可以对车辆的位置进行定位的方法(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中，首先根据从一个GPS卫星接收到的电波计算出包括当前自身车辆的位置的圆。另外，由于自身车辆通过陀螺传感器等积累行进方向的历史，因此通过计算出自身车辆的移动方向与圆的交点来高精度地推定当前位置。

专利文献1：日本专利文献特开平8-75479号公报。

发明内容

发明所要解决的问题

在可以接收到电波的GPS卫星为一个的情况下，理论上可以计算出的位置是离GPS卫星等距离的预定的球面。在该情况下，如果地球的表面位置已知，则会得到球面与地球表面相交的交线，将其与自身车辆的移动方向的交点定位为自身车辆的位置。但是，由于地球的表面存在高低差(海拔)，因此如果海拔是未知的或者海拔不固定，则无法利用通过专利文献1的方法进行的定位。如果未确定海拔，则经度和纬度也会有偏差，因此结果会导致难以高精度地进行定位。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种即使可以接收到电波的GPS卫星的数量不够也可以高精度地对移动体的位置进行定位的定位系统、汽车导航系统。

用于解决问题的手段

鉴于上述问题，本发明提供一种定位系统，该定位系统具有利用从人造卫星发送的电波来进行定位的定位部和通过自动导航来进行定位的自动导航部(例如INS部14)，定位部和自动导航部协作来推定移动体的位置，该定位系统的特征在于，定位部在捕捉到的人造卫星的数量不足三个的情况下，从利用电波而定位了的范围中提取出与通过自动导航而定位了的惯性定位位置之间的距离最小的地点，并将该地点推定为利用电波而定位了的卫星定位位置。

根据本发明，由于将与惯性定位位置之间的距离最近的位置作为卫星定位位置而提取出来，因此即使捕捉的GPS卫星的数量不够，也可以高精度地对自身车辆的位置进行定位。

另外，本发明的一个实施方式的特征在于，在捕捉到的人造卫星的数量为一个的情况下，范围被规定为离该人造卫星等距离的球面，在捕捉到的人造卫星的数量为两个的情况下，范围被规定为由离该两个人造卫星等距离的两个球面所形成的曲线。

根据本发明，可以从球面或曲线上提取出卫星定位位置。

另外，在本发明的一个实施方式中，通过基于自动导航的定位来校正卫星定位位置并推定出移动体的位置。

根据本发明，即使捕捉的GPS卫星的数量不够，也可以通过基于自动导航的定位来校正卫星定位位置并推定出移动体的位置。

发明的效果

本发明能够提供一种即使可以接收到电波的GPS卫星的数量不够也可以高精度地对移动体的位置进行定位的定位系统、汽车导航系统。

附图说明

图1是应用了定位系统的汽车导航系统的整体构成图；

图2是表示车辆与GPS卫星st1～st4的关系的图；

图3的(a)和(b)是表示在被捕捉到的GPS卫星的数量为一个或两个的情况下通过定位而被规定的范围的图；

图4是表示定位系统对自身车辆的位置进行推定的程序的流程图。

标号说明

1汽车导航系统

10定位系统

11GPS接收部

12车速传感器

13陀螺传感器

14INS部

15定位部

16推定部

17输入装置

18输出装置

19汽车导航ECU

20地图数据

具体实施方式

以下，参照附图来说明用于实施本发明的最佳实施方式。图1是应用了本发明的定位系统10的汽车导航系统的整体构成图。汽车导航系统(以下简称为汽车导航)1向乘坐者提供例如根据由定位系统10定位了的自身车辆的位置而将自身车辆的位置显示在地图上或者对到达目的地的路径进行导航等各种服务。

汽车导航ECU19根据如后所述推定出的自身车辆的位置而从地图数据20中提取出道路地图并将其显示在输入装置18上。输出装置18为液晶或有机EL、HUD(Head Up Display，平视显示器)等。另外，输出装置18与扬声器连接，汽车导航ECU19通过扬声器以声音的方式输出进行导航的、交叉点等处的行进方向。

输入装置17由按下式键盘、按钮、遥控器、十字键、触摸面板等构成，是用于输入来自驾驶者的操作的界面。另外，也可以具有扩音器并通过声音识别电路对驾驶者发出的声音进行识别而输入操作。当对到达目的地的路径进行检索时，驾驶者可以通过住址、地名、地标名、邮编等输入目的地。

另外，汽车导航系统1配备有电视机和收音机等接收装置或播放DVD等媒体的媒体播放器，通过输入装置17对它们进行操作。

另外，地图数据20存储在硬盘、CD-ROM、DVD-ROM等中，将道路网或交叉点等道路地图信息与经度、纬度关联存储。地图数据20与实际的道路网相对应地存储在由与节点(道路与道路交叉的点、即交叉点)相关的信息和与连线(连接节点和节点的道路)相关的信息构成的表格状的数据库中。

节点表格具有节点的编号、坐标、从该节点引出的连线数量以及它们的连线编号。另外，连线表格具有连线的编号、构成连线的起始点节点和终点节点、连线长度。节点编号和连线编号被设定为不互相重复。因此，通过追寻节点编号和连线编号而形成道路网。

对定位系统10进行说明。定位系统10具有：从GPS卫星接收电波的GPS接收部11、通过自动导航来推定自身车辆的位置的INS(InertialNavigation System，惯性导航系统)部14、通过基于来自GPS卫星的电波和自动导航的定位来推定自身车辆的位置的定位部15、以及估计由定位部15推定出的车辆位置的误差并计算出校正值的推定部11。定位系统10协调控制利用从GPS卫星发送的电波而进行的定位和由INS部14进行的定位，推定出最可靠的自身车辆的位置。

GPS卫星在多个轨道(例如6个)上配置有多个(例如24个)并绕地球旋转。GPS卫星的大概的轨道是已知的，另外通过作为导航电文而接收的星历表可以获得其详细的轨道，因此GPS接收部11优选从多个GPS卫星中选择出从当前的车辆位置观察进入了规定的仰角的4个以上的GPS卫星，并接收从这些GPS卫星发出的电波。

GPS卫星发送的电波在针对每个卫星以固定的C/A码(Coarse/Acquisition Code，粗略撷取码)对波长为1575.42MHz的载波L1进行调制后被发送。GPS接收部11生成所选择的GPS卫星的C/A码并尝试对接收到的电波进行解调。C/A码重复1或0的比特列并以1023比特构成1个码，重复地对载波L1进行调制。GPS接收部11调整1023比特的相位(1或0的比特状态)以通过生成的C/A码对电波进行解调，如果确定了能够进行解调的相位，则可以捕捉到该GPS卫星。

如果认为GPS卫星的时钟与GPS接收部11所具有的时钟完全一致(实际上GPS接收部11所具有的时钟存在误差)，则由GPS卫星生成并由定位系统10解调的载波L1的C/A码的相位和由定位系统10生成的C/A码的相位移位了与电波的到达时间相当的量。

定位部15根据该移位量计算出电波的到达时间，并根据到达时间和光速c计算出与捕捉到的GPS卫星之间的距离。图2是表示车辆与GPS卫星st1～st4的关系的图。

定位部15建立捕捉到的GPS卫星的数量的以下联立方程并解出变量(X、Y、Z)，由此可以计算出自身车辆的纬度X、经度Y、海拔Z(以下将通过GPS卫星推定的坐标称为卫星定位坐标)。

(X1、Y1、Z1)为GPS卫星1的坐标，(X2、Y2、Z2)为GPS卫星2的坐标，(X3、Y3、Z3)为GPS卫星3的坐标，根据星历表数据，各GPS卫星的位置是已知的。因此，由于变量为3个，因而为了计算出自身车辆的位置，捕捉的GPS卫星需要有3个以上。通过解联立方程，求出以GPS卫星为中心的3个球的表面的交点，该交点即通过GPS卫星的电波而定位的自身车辆的坐标。

到GPS卫星st1的距离

ρ 1 = \sqrt{{{(X 1 - X)}^{2} + {(Y 1 - Y)}^{2} + {(Z 1 - Z)}^{2}}}

到GPS卫星st2的距离

ρ 2 = \sqrt{{{(X 2 - X)}^{2} + {(Y 2 - Y)}^{2} + {(Z 2 - Z)}^{2}}}

到GPS卫星st3的距离

ρ 3 = \sqrt{{{(X 3 - X)}^{2} + {(Y 3 - Y)}^{2} + {(Z 3 - Z)}^{2}}}

另外，如果GPS接收部11的时钟的误差为Δt，则通过在各式上增加“c(光速)×Δt”，可以计算出校正了时钟的误差后的距离。在该情况下，由于包括Δt在内的变量变为4个，因此捕捉的GPS卫星需要为4个以上。

如果通过时间对与各GPS卫星之间的距离ρ进行微分，则会求出自身车辆相对于各GPS卫星的相对速度，因而由此可以获得自身车辆的速度。另外，也可以根据载波L1的多普勒量计算出自身车辆的速度。由于多普勒量与自身车辆的速度和GPS卫星的速度的差成比例，因此可以根据GPS卫星的速度(已知)和多普勒量计算出自身车辆的速度。可以根据载波的频率的偏差计算出多普勒量。

这样，通过基于GPS卫星的定位而被定位的GPS卫星优选为3个以上，但是在本实施方式的定位系统中，即使能够捕捉的GPS卫星为2个以下，也可以高精度地推定出自身车辆的位置。

由于通过上述联立方程计算出的位置坐标是基于WGS(WorldGeodetic System，世界大地坐标系)基准坐标系的位置坐标，因此定位部15将其转换为地固正交坐标系(earth-fixed orthogonal coordinatesystem)。将被转换后的车辆的位置称为卫星定位位置。

在定位部15上连接有INS部14所具有的车速传感器12和陀螺传感器13。车速传感器12例如将以固定间隔设置在各轮所具有的叶轮(rotor)的圆周上的凸部通过时的磁通量的变化作为脉冲而计测出来，并根据每单位时间内的脉冲数对每个车轮来计测车速。

另外，陀螺传感器13为光纤陀螺仪、振动陀螺仪等横摆率传感器，其能够检测自身车辆转弯时的角速度，并通过对检测结果进行积分而转换为角度、即行进方向。为了推定三维方向，陀螺传感器13优选可以检测出3轴方向的行进方向。

INS部14在对卫星定位位置累积通过车速传感器12获得的行驶距离和通过陀螺传感器13获得的行驶方向的同时，通过自动导航而高精度地推定出车辆的当前位置(以下将通过自动导航推定出的位置称为惯性定位位置)。

因此，即使完全捕捉不到GPS卫星，定位部15也可以使用由INS14检测出的车速和行进方向并通过自动导航推定出自身车辆的位置。

另外，卫星定位位置和惯性定位位置被输入推定部16，推定部16根据这些值和过去检测出的值而估计出各自包含的误差，并且计算出惯性定位位置的校正值。对惯性定位位置计算出的校正值被输入INS部14，INS部14将通过校正值校正后的惯性定位位置输入给定位部15。

推定部16例如通过卡尔曼滤波器计算出惯性定位位置的校正值。卡尔曼滤波器是根据包含噪声的观测值而求出最接近真实值的推定值的滤波器(运算法则)。卡尔曼滤波器计算出校正值，以使通过对不断输入的惯性定位位置进行预定的处理而得到的推定值的均方误差最小化。这样，INS部14在高精度地校正误差的同时将惯性定位位置输出给定位部15。

由于卫星定位位置也被输入推定部16，因此也可以根据卫星定位位置来推定惯性定位位置所包含的误差。在该情况下，如果为捕捉到4个以上的GPS卫星的状态，则可以通过大气的状态或仰角对此时的卫星定位位置进行校正，并在推定由INS14定位的惯性定位位置所具有的误差时将其计算在内。

在这里，推定部16不推定卫星定位位置的误差、或者即使推定也不将卫星定位位置的校正值输入定位部15也是本实施方式的特征。由于卡尔曼滤波器以过去的计测值的倾向为基础来推定误差，因此对于作为瞬时定位的卫星定位位置来说不适用。例如，在来自GPS卫星的电波由于多路传输等而大幅移位的情况下，卡尔曼滤波器会在其后很长的时间内使用误差大的卫星定位位置来计算校正值，因此对于卫星定位位置来说，不通过卡尔曼滤波器来进行校正时容易确保精度。

对此，在捕捉到三个以上的GPS卫星的情况下，虽然GPS接收部11所具有的时钟的误差会残留下来(三个的情况)，但是可以通过GPS卫星来获得车辆在三维空间中的卫星定位位置，只要通过INS部14的自动导航对此进行校正，就可以高精度地推定出自身车辆的位置。

但是，在捕捉到的GPS卫星为两个以下时，通过与GPS卫星的距离而规定的位置会成为宽广的范围。图3的(a)和(b)分别表示了当GPS卫星为一个时规定的位置的范围和当GPS卫星为两个时规定的位置的范围。在GPS卫星为一个的情况下，离GPS卫星等距离的位置的轨迹成为球，因此只能确定自身车辆的位置在球上的某处。另外，在GPS卫星为两个的情况下，离两个GPS卫星等距离的位置的轨迹成为以两个GPS卫星为中心的球交叉而形成的曲线，因此只能确定自身车辆的位置在曲线上的某处。

在捕捉到的GPS卫星不足三个的情况下，本实施方式的定位系统10将通过自动导航而定位了的惯性定位位置与卫星定位位置(球或曲线)最接近的地点作为卫星定位位置，由此可以将卫星定位位置确定为某一个地点。

根据图4的流程图来说明定位系统10推定自身车辆的位置的程序。首先，GPS接收部11对GPS卫星进行捕捉(S1)。如果未捕捉到GPS卫星，则继续INS14的自动导航。

如果捕捉到了GPS卫星，则定位部15判断捕捉到的GPS卫星的数量是否多于为了通过上述联立方程计算出自身车辆的位置而需要的未知数的数量(S2)。如上所述，为了对时钟的误差也进行校正，未知数的数量为四个，在通过其他方法来校正时钟的误差的情况下为三个。在本实施方式中设未知数为三个，在捕捉到的GPS卫星不足三个的情况下进行步骤S3的处理，在为三个以上的情况下进行步骤S4的处理。

在捕捉到的GPS卫星的数量为三个以上的情况下，定位部15根据与三个以上的GPS卫星之间的距离而计算出卫星定位位置(S4)。

另外，在捕捉到的GPS卫星的数量不足三个的情况下，定位部15从图3的(a)或(b)所示的球面或曲线提取出与由INS14计算出的惯性定位位置之间的距离最小的位置，并将该位置作为卫星定位位置(S3)。

0047

接着，定位部15与通常的定位同样地通过惯性定位位置来校正卫星定位位置并推定出自身车辆的位置(S5)。并且，也可以通过使推定出的自身车辆的位置与地图数据20的道路地图相对应的地图匹配方法来高精度地确定位置。将被确定的车辆的位置发送给汽车导航ECU19。

另外，推定部16根据惯性定位位置来推定惯性定位位置的真实值，并将其校正值反馈给INS14(S6)。

根据本实施方式的定位系统，在GPS卫星不足三个的情况下，从仅被规定为球或曲线的卫星定位位置中将与惯性定位位置最接近的位置作为卫星定位位置而提取出来，并通过自动导航对该卫星定位位置进行校正而推定出自身车辆的位置，因此即使捕捉的GPS卫星的数量为一个或两个，也可以高精度地推定出自身车辆的位置。另外，在本实施方式中，由于通过推定部16来校正惯性定位位置的误差，因此作为与惯性定位位置最接近的位置而被提取出来的卫星定位位置也确保了精度。

另外，在本实施方式中以车辆为对象而进行了说明，但是也适用于对船、航空器等其他移动体的位置进行推定的情况。另外，作为无线台站而使用了GPS卫星，但是无线台站也可以设置在地上。

本发明不限于上述特定的实施方式，而是可以在权利要求所记载的本发明的主旨的范围内进行各种变形、变更。

另外，本国际申请要求基于2006年2月20日提出申请的日本专利申请第2006-042826号的优先权，在本国际申请中引用了日本专利申请第2003-042826号的全部内容。

Claims

1.一种定位系统，具有：第一定位部，根据从人造卫星发送电波起直至接收部接收到所述电波的电波到达时间，定位移动体的卫星定位位置；以及第二定位部，通过自动导航，定位所述移动体的惯性定位位置；所述定位系统的特征在于，

具有推定部，该推定部根据所述惯性定位位置及其过去被检测出的值和所述卫星定位位置来估计所述惯性定位位置的误差，并通过推定滤波器来推定当前的所述惯性定位位置的校正值，

所述第一定位部在所述接收部捕捉的所述人造卫星为一个的情况下，从通过所述电波到达时间而确定的、离该人造卫星等距离的球面中，将与通过所述校正值较正后的所述惯性定位位置之间的距离最小的地点推定为所述移动体的移动体位置，

所述第一定位部在所述接收部捕捉的所述人造卫星为两个的情况下，从通过所述电波到达时间而确定的、离两个该人造卫星等距离的球面所形成的曲线中，将与通过所述校正值较正后的所述惯性定位位置之间的距离最小的地点推定为所述移动体的移动体位置。

2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，

所述推定滤波器为卡尔曼滤波器。

3.如权利要求1或2所述的定位系统，其特征在于，

所述推定滤波器推定出使不断输入的所述惯性定位位置的推定值的均方误差最小化的所述校正值。

4.一种定位系统的定位方法，该定位系统具有：第一定位部，根据从人造卫星发送电波起直至接收部接收到所述电波的电波到达时间，定位移动体的卫星定位位置；第二定位部，通过自动导航，定位所述移动体的惯性定位位置；以及推定部，该推定部根据所述惯性定位位置及其过去被检测出的值和所述卫星定位位置来估计所述惯性定位位置的误差，并通过推定滤波器来推定当前的所述惯性定位位置的校正值；所述定位系统的定位方法的特征在于，具有以下步骤：

所述第一定位部在所述接收部捕捉的所述人造卫星为一个的情况下，从通过所述电波到达时间而确定的、离该人造卫星等距离的球面中，将与通过所述校正值较正后的所述惯性定位位置之间的距离最小的地点推定为所述移动体的移动体位置的步骤；以及

所述第一定位部在所述接收部捕捉的所述人造卫星为两个的情况下，从通过所述电波到达时间而确定的、离两个该人造卫星等距离的球面所形成的曲线中，将与通过所述校正值较正后的所述惯性定位位置之间的距离最小的地点推定为所述移动体的移动体位置的步骤。

5.一种汽车导航系统，其特征在于，

包括权利要求1至3中任一项所述的定位系统。