CN101476891A - 移动物体的精确导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动物体的精确导航方法，即：物体于运动过程以全球定位系统资料及惯性侦测资料建立一误差模型且能够输出一校正值。当移动物体进入一不可见区域，该校正值与惯性侦测资料融合以产生一预估位置；为实现上述方法，本发明还公开了一精确导航系统，包括一前端平台用以接收全球定位系统资料及产生惯性侦测资料，且这些资料可以通过一无线网路传送到一后端平台；误差模型配设在前端平台或后端平台，且后端平台具有一预估器可以将误差模型所输出的校正值及惯性侦测资料融合以产生一预估位置。

Description

移动物体的精确导航系统及方法

技术领域

本发明涉及一种导航方法及系统，特别涉及一种移动物体在不可见区域内能够被精确定位的导航方法与系统。

背景技术

全球卫星定位系统(GPS)是一种已知的导航系统，其在卫星信号可及的区域内可对移动物体进行准确的定位；然而，在卫星信号不可及的区域内，例如地下室、隧道，或是有干扰及遮蔽情形，则卫星信号会失效无法进行定位。

惯性导航系统(INS)是另一种已知的导航系统，其允许自动操作且不受地形影响。在进行起点位置初始化后，惯性导航系统可以输出移动物体的位置、速度、方向等信息。然而其导航解会随着时间漂移，使得导航误差增加。

将全球卫星定位系统与惯性导航系统组合成一复合式导航系统，可以利用INS的短时导航精度弥补GPS的导航误差；此外利用GPS的长时间导航精度弥补INS导航误差随时间递增的误差。

台湾专利第489212号(美国专利US 6167347)公开了一种定位及导航方法，其耦合了一个全球定位系统(GPS)与一惯性测量单元(IMU)，并利用一卡尔曼滤波器(Kalman Filter)融合GPS与IMU的信号以提高组合定位与导航系统的精度，利用IMU来辅助卫星讯号漏失。换言之，该IMU信号用以增强或补充GPS信号，因此该专利的定位及导航仍是仅能适用于卫星信号可及的区域。

美国专利US 7,117,087提供了一种预测一移动物体于导航系统中的位置的方法。当移动物体位于不可见区域时，利用单位时间的位移量及方向计算出直线距离，并与一地图进行媒合，计算出该移动物体的位置。然而，移动物体的速度、方向有显著变化时，预估位置会有明显误差。

台湾专利I284193公开了一种车辆的导航系统及修正方法，其主要以GPS为导航的参考，配合一陀螺仪装置取得一车行方向与角度，且结合一电子地图以计算出车行位置，据此达到修正GPS的导航误差。然而，当GPS信号消失时应该如何进行定位与导航，在该专利中没有揭露。

台湾专利I250302公开了一种导航装置的角度校正方法及装置，其利用移动物体的速度作为依据，且以一电子罗盘测得角度校正值以校正GPS定位资料的角度，藉此提高导航的精确度。然而，该专利中没有教导如何在GPS侦测不到的区域执行定位及导航。

美国专利US 6,826,477揭露一种行人的导航方法及设备。其利用输入行人的生理特征(Physiological Characteristics)状态形成一步行模式(StepModel)，然后以惯性侦测装置侦测行人的各方向加速度、方向，以及通过GPS侦测行人的位置，并将各项资料输入该步行模式，进而预测出该行人的位置、速度及方向。其中步行模式的预测值与GPS的观测值可以通过一卡尔曼滤波器进行资料融合。然而，在该专利中没有教导如何在GPS侦测不到的区域执行定位及导航。

发明内容

由于先前技术在GPS无信号的条件下无法产生定位及导航作用，或是导航及定位的精确度不足，因此本发明的目的是提供一种移动物体的精确导航系统和方法，该创新的方法与系统可以解决先前技术的缺点。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种移动物体的精确导航方法，用以显示该移动物体在一不可见区域内的运动位置及轨迹，其包括以下步骤：读取一GPS定位资料，其包含该移动物体的位置观测值；读取一惯性侦测资料，其包含该移动物体的位置、速度及方向观测值；利用该GPS定位资料与惯性导航系统资料，配合离散式数学累积及/或积分运算建立出一误差模型；以该移动物体在进入该不可见区域的最后一笔GPS资料及惯性侦测资料为一初始值输入到误差模型以产生及输出一第一感测器平均误差偏移量(ΔX₁)；该第一感测器平均误差偏移量(ΔX₁)与该移动物体位于不可见区域内所产生的第一笔惯性侦测资料(Q1)进行资料融合，形成一第一预估位置(EP1)以对应该移动物体的位置与运动轨迹。

一种移动物体的精确导航系统，用以显示该移动物体的位置与运动轨迹，它包含：一前置平台，配置在该移动物体，其具有一中央处理单元，一GPS接收器与一惯性侦测装置连结中央处理单元，及一无线传输模组连结中央处理单元；一后端平台，具有一讯号接收器及一显示器分别与一预估器连结，该讯号接收器用以接收前置平台的输出信号，该预估器用以处理来自前置平台的输出信息，该显示器用以显示该预估器的输出资讯；一无线网路，位于前置平台与后端平台之间，用以将前置平台的输出信号传送到后端平台的讯号接收器；以及一误差模型，建立在前置平台与后端平台之其一，且与中央处理单元或预估器连结。

本发明提供的移动物体精确导航系统包括一前端平台用以提供GPS资料及惯性侦测资料；一后端平台具有一预估器以进行资料的融合与预测；一无线网路用以使该前端平台的资料传递到后端平台；以及一误差模型(error model)配置在前端平台或后端平台，其用以读取GPS资料及惯性侦测资料以建立一数学模型；在移动物体进入不可见区域时，输入一初始值或一输入值于该误差模型使其产生一校正值，该校正值输入该预估器与惯性侦测资料融合以形成一预估位置用以对应该移动物体在一不可见区域的位置与运动状态。

因为本发明所公开的系统与方法可以在GPS无法观测的不可见区域内显示出被追踪的移动物体的位置与运动状态，因此具有精确定位及导航的功能，而应用上可以与手持装置结合以作为旅行者、登山者或救难者的导航器；配合电子地图则成为车辆的导航器，再加上无线网路则可以达到为车辆的追踪与监控，配设一存储元件则可以作为行车记录器。

附图说明

图1是本发明之一导航系统示意图；

图2是本发明另一导航系统示意图；

图3A是本发明导航系统显示的一移动物体在可见区域的位置与运动状态示意图；

图3B是本发明导航系统显示的一移动物体在不可见区域的位置与运动状态示意图；

图4是本发明导航方法流程图。

具体实施方式

以下根据本发明所实现的目的、功效及组态，及时较佳实施例，并配合图式对本发明作进一步说明，并非对本发明的限定。

请参阅图1，本发明公开的导航系统10包括一全球定位系统接收器(GPSreceiver)12用以接收来自至少一个人造卫星11所传送的位置资料；一惯性侦测装置14用以侦测一移动物体的速度、距离、方向及角度等。该移动物体包括移动的车子、移动的货物或移动的人等。

该GPS接收器12与惯性侦测装置14分别连结一中央处理单元16，且该GPS接收器12所接收的资料以及惯性侦测装置14所侦测到资料分别传送到该中央处理单元16。其中，惯性侦测装置14可以包括一加速度器142、一电子罗盘144及一陀螺仪146。

一无线传输模组18连接中央处理单元16用以传送GPS资料及加速度器142、罗盘144及陀螺仪146所侦测的资料。

该全球定位系统接收器12、惯性侦测装置14、中央处理单元16及无线传输模组18配置在一可携式装置或固定式装置内，且将该装置定义为一前端平台20。

一后端平台30包括一讯号接收器32用以接收来自前端平台20的信息。一误差模型36连结该讯号接收器32，且能够读取该前端平台20所输出的信息作为参考值。

该误差模型36利用加速器(Accelerometer)，陀螺仪(Gyro Meter)及电子罗盘(Compass)等感测器所侦测得知的某移动物体的加速度及方位角，然后可利用两次离散式数学累积或积分运算的方式将加速度及方位角的资讯转换成速度和位移的资讯。

该后端平台30每次针对一个观察点所计算得到的相对速度、方位角和位置皆与前一个观察点的位置有关。相邻两个观察点的时间间隔可以被设定成相同，举例而言，运算时间的区间可以是每次GPS运算完成的固定参考时间(约1秒)。在同一时间点，后端平台30所计算得到的相对速度、方位角和位置与利用GPS感测器在良好收讯下所计算出来的目前绝对位置、速度、和方位角比对后，即可产生一误差修正量，再经过统计分析模式，则进一步得到一感测器平均误差偏移量(ΔX_n)。

当GPS接收机进入弱或无收讯区时，后端平台30利用接收到惯性侦测装置14的加速度器142，陀螺仪(Gyro Meter)146及电子罗盘144各项资料作为一初始值或一输入值输入误差模型36以产生前述的感测器平均误差偏移量(ΔX_n)，该感测器平均误差偏移量与初始值或输入值再进入一预估器(如EKF，Kalman filter，H_infinity filter，unscented filter，particle filter...)34以进行数学的运算，配合路径描绘的技巧及图资内建的锁路功能，则可以进行漂移位置的修正，以达到精准定位的效果。

值得注意的是，当前端平台20的信息包括GPS资料及惯性侦测装置14的侦测资料，表示该移动物体位于GPS可侦测的区域(可见区域)，此时该误差模型36执行资料分析与数学模型的建立但不输出感测器平均误差偏移量(ΔX_n)。

预估器34连结讯号接收器32与误差模型36。该讯号接收器32与误差模型36分别将前端平台20的输出信息以及感测器平均误差偏移量(ΔX_n)传送至预估器34内，且各项资料在预估器34内进行资料融合并产生一预估位置。一显示器38连结预估器34且配合一电子地图39以显示该移动物体的位置及运动轨迹。

一无线网路40位于前端平台20与后端平台30之间，用以使前端平台20的输出信息通过该无线网路40传送到后端平台40。该无线网路40可以是GMS网路、GPRS网路、Zigbee网路、蓝牙网路，或其组合。

请参阅图2，本实施例与前一实施例的不同处在于：将误差模型36配置在前端平台20内。

该误差模型36用以接收GPS接收器12的定位资料以及惯性侦测装置14的侦测资料，且依各资料产生一数学模型。

当仅有惯性侦测装置14传送侦测资料至误差模型36时，误差模型36产生及输出一感测器平均误差偏移量(ΔX_n)。该惯性侦测装置14的侦测资料与预测校正值通过该无线传输模组18及无线网路40传送到后端平台30。预估器34接收各项资料后经融合及计算可以产生一预估位置。

以上所公开的预估器34可以是一硬体、一软体或是一韧体，例如以卡尔曼滤波器(Kalman Filter)来融合资料；后端平台30可以是个人电脑(PC)或是伺服器。

关于一移动物体在不可见区域的位置及运动轨迹的预测原理如下：

请参阅图3A，图中显示一移动物体以GPS进行绝对位置的定位及其运动轨迹的描述，如P1、P2、P3...Pn，其中在可见区域内，如区域A、区域C，该GPS的定位及运动资料可以被明确的显示出来，而在不可见区域，如区域B，因无法取得GPS的定位资料，所以显示成空白区域。

请参阅图3B，图中显示一移动物体以GPS进行绝对位置的定位与运动轨迹的描述(P1、P2、P3...Pn)，同时也显示该惯性侦测装置进行相对位置的侦测与运动轨迹的描述(Q1、Q2、Q3...Qn)。在区域A与区域C包含GPS定位资料及惯性侦测装置的侦测资料，所以显示出两条不同但接近的曲线，且相对应的资料(点)不一定重合，这是因为惯性侦测装置的侦测资料会产生偏差量。换言之，对每一个侦测位置而言，GPS资料与惯性侦测资料间存在一误差偏移量(ΔX)，且满足：

P＝Q+ΔX         (1)

在区域B内，虽然无法取得GPS定位资料，但是惯性侦测装置仍可以发挥侦测功能并提供侦测资料，因此，以惯性侦测装置的侦测资料为依据，配合该误差模型以产生该感测器平均误差偏移量(ΔX_n)，代入方程式(1)则产生一预估位置(Estimating Position，EP)如下：

EP_n＝Q_n+ΔX_n     (2)

其中，n表示在不可见区域所产生的预估次序且n≧1。ΔX₁以该移动物体在进入该不可见区域前的最后一笔GPS资料及惯性侦测资料为一初始值输入到该误差模型所产生的感测器平均误差偏移量；当n≧2，EPn-1与Qn为一输入值被输入到该误差模型以产生ΔX_n。关于该误差模型的建立方式已阐述于前面的说明内容。

请参阅图4，关于该移动物体的定位及导航方法如下：

步骤S51为读取GPS资料及惯性侦测资料程序。其中，该GPS资料包含该移动物体的位置观测值、运动状态观测值；该惯性侦测资料包含该移动物体的位置、方向、速度大小及加速度大小等资料，且该惯性侦测资料可通过一原始资料处理程序(Raw Data Processing)执行杂讯过滤(noise filtering)、增益修正(gain correction)及数位化(digitization)。

步骤S52为移动物体的所在区域判别程序。若可读取到GPS资料及惯性侦测资料则判定该移动物体位于一可见区域，如此一来，后端平台即可依该GPS资料显示该移动物体的位置与运动轨迹。若仅能读取到惯性侦测资料，则判定该移动物体位于一不可见区域，此时进入预测校正值的产生程序。

步骤S53为产生一预测校正值的程序。其以该移动物体在进入不可见区域前的最后一笔GPS资料及惯性侦测资料为输入值/初始值，且该输入值/初始值被输入误差模型后可经计算而产生一感测器平均误差偏移量ΔX_n。

步骤S54为移动物体在不可见区域内的位置与运动轨迹预测程序。其于一预估器内融合该惯性侦测资料与预测校正值形成一预估位置(EP)。该预估位置(EP)可以显示于一显示器。

此外，若本发明所公开的系统随着时间递延仍仅读取到惯性侦测资料，则表示移动物体未离开不可见区域。该预估位置值(EP)作为步骤S53所揭露的预测校正值程序中的输入值并配合该误差模型的计算以产生下一个预估位置。如此重复直至该移动物体离开不可见区域。当该移动物体在不可见区域内，本系统可以产生复数个预估位置以表示该移动物体的位置及运动轨迹。

因为本发明所公开的系统与方法可以在GPS无法观测的不可见区域内显示出被追踪的移动物体的位置与运动状态，因此具有精确定位及导航的功能，而应用上可以与手持装置结合以作为旅行者、登山者或救难者的导航器；配合电子地图则成为车辆的导航器，再加上无线网路则可以达到为车辆的追踪与监控，配设一存储元件则可以作为行车记录器。

以上为本发明的较佳实施例以及设计图式，上述较佳实施例以及设计图式仅是举例说明，并非用于限制本发明的权利范围，凡以均等的技术手段、或为本申请专利范围所涵盖的权利范围而实施者，均不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种移动物体的精确导航方法，用以显示该移动物体在一不可见区域内的运动位置及轨迹，其包括以下步骤：

读取一GPS定位资料，其包含该移动物体的位置观测值；

读取一惯性侦测资料，其包含该移动物体的位置、速度及方向观测值；

利用该GPS定位资料与惯性导航系统资料，配合离散式数学累积及/或积分运算建立出一误差模型；

以该移动物体在进入该不可见区域的最后一笔GPS资料及惯性侦测资料为一初始值输入到误差模型以产生及输出一第一感测器平均误差偏移量(ΔX₁)；

该第一感测器平均误差偏移量(ΔX₁)与该移动物体位于不可见区域内所产生的第一笔惯性侦测资料(Q1)进行资料融合，形成一第一预估位置(EP1)以对应该移动物体的位置与运动轨迹。

2、如权利要求1所述的移动物体的精确导航方法，其特征在于：该惯性侦测资料被导入一原始资料处理程序用以执行杂讯过滤及资料数位化。

3、如权利要求1所述的移动物体的精确导航方法，其特征在于：取第n-1笔预估位置EPn-1的资料与第n笔的惯性侦测资料Qn作为一输入值且输入到该误差模型以产生一第n感测器平均误差偏移量ΔX_n，接着融合Qn与ΔX_n以产生第n预估位置EPn，其中n≧2。

4、如权利要求1所述的移动物体的精确导航方法，其特征在于：该误差模型所产生的感测器平均误差偏移量位移量及方向。

5、一种移动物体的精确导航系统，用以显示该移动物体的位置与运动轨迹，其特征在于：它包含：

一前置平台，配置在该移动物体，其具有一中央处理单元，一GPS接收器与一惯性侦测装置连结中央处理单元，及一无线传输模组连结中央处理单元；

一后端平台，具有一讯号接收器及一显示器分别与一预估器连结，该讯号接收器用以接收前置平台的输出信号，该预估器用以处理来自前置平台的输出信息，该显示器用以显示该预估器的输出资讯；

一无线网路，位于前置平台与后端平台之间，用以将前置平台的输出信号传送到后端平台的讯号接收器；以及

一误差模型，建立在前置平台与后端平台之其一，且与中央处理单元或预估器连结。

6、如权利要求5所述的移动物体的精确导航系统，其特征在于：所述惯性侦测装置包括一加速度器、一电子罗盘及一陀陀仪且连结中央处理单元。

7、如权利要求5所述的移动物体的精确导航系统，其特征在于：所述误差模型为一软体，一硬体或一韧体，用以将GPS接收器的定位资料与惯性侦测装置的侦测资料进行离散式数学累积及/或积分运算。

8、如权利要求5所述的移动物体的精确导航系统，其特征在于：所述无线网路包括GSM网路、GPRS网路或Zigbee网路。

9、如权利要求5所述的移动物体的精确导航系统，其特征在于：所述后端平台可以是一电脑或一伺服器。

10、如权利要求5所述的移动物体的精确导航系统，其特征在于：所述预估器包含一卡尔曼滤波器。

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