CN101504289B - 卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，包括准备步骤：准备载体，载体上配有车速传感器、加速度传感器和控制单元体，控制单元体与车速传感器、加速度传感器连接；该方法还包括有启动步骤、信号采集步骤、信号处理步骤、第一数值处理步骤、第二数值处理步骤及判断步骤；由于采用了同时检测载体的综合加速度和载体本身速度的微分量，完全剔除了由于载体本身加速度带来的对载体倾斜角计算的影响；无论载体本身是加速还是减速，最终得到的重力加速度分量始终准确反映了载体在任一时刻的真实水平倾斜角；倾角值结合以速度信号在时间域进行积分，就得到了准确的在垂直方向上的高度变化量。

Description

卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法

技术领域

本发明涉及电子导航的技术领域，特别涉及一种卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法。

背景技术

随着卫星定位GPS技术的进步，基于二维地图的导航得到了发展。手持式卫星导航设备和车载式卫星导航设备已经获得广泛的使用，手持式导航中载体即为用户本身；车载式导航中载体为车身。用户利用卫星导航设备中的卫星接收器，获得载体所处位置的经纬度，即X，Y坐标值。然后再结合卫星导航设备中二维地图，可以获取载体所处位置的地址信息。在此基础上，辅助以特定的算法，卫星导航设备可进一步为用户提供自动的路径规划及指示服务。

伴随着公路交通系统的日益趋于复杂，公路已经不仅仅是存在于二维平面中的线条网络。高架桥，环岛，多层次的高速公路交叉枢纽的出现给自动路径规划造成困难。由于卫星定位GPS技术的原理性的局限，其在垂直方向上的定位精度只能达到数百米的数量级，远超过日常公路交通系统中的落差，所以无法提供给用户其位置在垂直方向上的定位信息。即对应同一个经纬度坐标，用户有可能出于公路系统中的不同的层中，而这样带有歧义的位置信息是无法进行自动路径规划的。

现有的第一种解决方案，如图1所示，装置12中包括一个气压计13和一个控制单元15。随着用户位置在垂直高度上的变化，气压计13的读数也随之改变。输出经过控制单元15的处理，送至卫星导航设备。该方案的缺点是系统结构简单，只需要一个传感元件即气压计13，配以微处理器为核心的控制单元15，即可配合卫星定位完成三维导航。但是，该方案的主要缺点是精度差。由于气压和高度的对应关系易受其他环境因素的影响，比如温度，湿度，甚至风速等均会影响到气压计13的读数，以致引起系统的漏判或误判等。

现有的第二种解决方案，如图2和图3所示，装置22中包括一个加速度传感器23和一个控制单元25。当用户所处高度发生变化是，必然要经历上匝道36，或者下匝道37的事件。加速度传感器23捕捉在这个过程中用户姿态的倾斜角33，输出至控制单元25进行判断。倾斜角33为零，说明仍在原路行进；倾斜角33为正，说明在上匝道36；倾斜角33为负，说明在下匝道37。该方案的优点是在于结构简单，只需要一个传感元件即加速度传感器23，配以微处理器为核心的控制单元25，即可配合卫星定位完成三维导航。但是，该方案的主要缺点是易受到用户本身载体的加速度的影响。由于加速度传感器23不能分辨重力加速度，即真实的姿态倾角引起的加速度，和其载体本身的加速度，所以当其载体一般为人和车辆等，存在加速度时，该方案会误以为姿态发生了变化而引起误判。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种基于加速度传感器、采用嵌入式传感系统及定位信息精确的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，包括准备步骤：准备载体，该载体上配有车速传感器、加速度传感器和控制单元体，控制单元体与车速传感器、加速度传感器连接；

启动步骤：启动载体；同时也启动载体配有的车速传感器、加速度传感器和控制单元体；

信号采集步骤：车速传感器采集速度信号，相应地，加速度传感器采集加速度信号，同时所采集的速度信号、加速度信号传输至控制单元体；

信号处理步骤：控制单元体对速度信号、加速度信号进行运算，由加速度信号计算出载体沿行进方向的综合加速度；对速度信号分别进行微分运算和积分运算；速度信号经微分运算后得出载体沿行进方向的加速度；

第一数值处理步骤：载体沿行进方向的综合加速度与沿行进方向的加速度进行相减运算，并得出载体的重力加速度分量；速度信号经积分运算后得出载体在单位时间内的行进距离值；

第二数值处理步骤：载体的重力加速度分量与载体在单位时间内的行进距离值进行相乘后进行积分运算，并得出载体在单位时间内的高度变化值；

判断步骤：根据当地的建筑施工标准，确定有阈值，比较载体在单位时间内的高度变化值与阈值是否还保持一致，进而判断载体所行进的高度。

采取的措施还包括：

上述的载体的高度变化值与所述的阈值保持一致时，表明载体处于在原有高度上；或者，上述的载体的高度变化值与阈值存在差异时，表明载体已经处于另一高度上。

上述的载体在单位时间内所运算出的高度变化值的基准方向为垂直于地心方向。

上述的载体的高度变化值与阈值进行比较的信息的第一种技术方案为：上述的载体的高度变化值与阈值进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，该GPS卫星定位系统反馈有三维导航规划信息。

上述的载体的高度变化值与阈值进行比较的信息的第二种技术方案为：上述的载体的高度变化值与阈值进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，该GPS卫星定位系统反馈有路径规划信息。

上述的载体的高度变化值与阈值进行比较的信息的第三种技术方案为：上述的载体的高度变化值与阈值进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，该GPS卫星定位系统同时反馈有三维导航规划信息和路径规划信息。

上述的载体与水平方向存在有倾斜角，并且该倾斜角等于重力加速度除以单元重力加速度的反正弦函数值。

上述的载体的高度变化值等于倾斜角的正弦函数值与载体在单位时间内的行进距离值相乘后的积分求和值。

上述的载体为车身本体。

与现有技术相比，本发明卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，包括准备步骤：准备载体，该载体上配有车速传感器、加速度传感器和控制单元体，控制单元体与车速传感器、加速度传感器连接；该方法还包括有启动步骤、信号采集步骤、信号处理步骤、第一数值处理步骤、第二数值处理步骤及判断步骤。本发明的优点在于：由于采用了同时检测载体的综合加速度和载体本身速度的微分量，完全剔除了由于载体本身加速度带来的对载体倾斜角计算的影响；无论载体本身是加速还是减速，最终得到的重力加速度分量始终准确反映了载体在任一时刻的真实水平倾斜角；倾角值结合以速度信号在时间域进行积分，就得到了准确的在垂直方向上的高度变化量。

附图说明

图1是现有技术中采用气压计测定垂直高度变化的原理图；

图2是现有技术中采用加速度传感器测定垂直高度变化的原理图；

图3是本发明实施例的应用环境示意图；

图4是本发明实施例的原理示意图；

图5是本发明实施例的信号处理原理图；

图6是本发明实施例的加速度，速度及高度变化关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图3至图6所示，图标号说明如下：车身本体31，倾斜角33，上匝道36，下匝道37，载体41，控制单元体42，车速传感器43，加速度传感器44。

本发明实施例，卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，包括准备步骤：准备载体41，该载体41上配有车速传感器43、加速度传感器44和控制单元体42，控制单元体42与车速传感器43、加速度传感器44连接；

启动步骤：启动载体41；同时也启动载体41配有的车速传感器43、加速度传感器44和控制单元体42；

信号采集步骤：车速传感器43采集速度信号，相应地，加速度传感器44采集加速度信号，同时所采集的速度信号、加速度信号传输至控制单元体42；

信号处理步骤：控制单元体42对速度信号、加速度信号进行运算，由加速度信号计算出载体41沿行进方向的综合加速度AX(t)；对速度信号分别进行微分运算和积分运算；速度信号经微分运算后得出载体41沿行进方向的加速度AX1(t)；

第一数值处理步骤：载体41沿行进方向的综合加速度AX(t)与行进方向的加速度AX1(t)进行相减运算，并得出载体41的重力加速度分量AX2(t)；速度信号经积分运算后得出载体41在单位时间内的行进距离值ds；

第二数值处理步骤：载体41的重力加速度分量AX2(t)与载体41在单位时间内的行进距离值ds进行相乘后进行积分运算，并得出载体41在单位时间内的高度变化值ΔH；

判断步骤：根据当地的建筑施工标准，确定有阈值HO，比较载体41在单位时间内的高度变化值ΔH与阈值HO是否还保持一致，进而判断载体41所行进的高度H。

本实施例是这样实现的：

载体41的高度变化值ΔH与阈值HO保持一致时，表明载体41处于在原有高度上；或者，载体41的高度变化值ΔH与阈值HO存在差异时，表明载体41已经处于另一高度上。

载体41在单位时间内所运算出的高度变化值ΔH的基准方向为垂直于地心方向。

载体41的高度变化值ΔH与阈值HO进行比较的信息的第一种实施例为：载体41的高度变化值ΔH与阈值HO进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，所述的GPS卫星定位系统反馈有三维导航规划信息。

载体41的高度变化值ΔH与阈值HO进行比较的信息的第二种实施例为：载体41的高度变化值ΔH与阈值HO进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，所述的GPS卫星定位系统反馈有路径规划信息。

载体41的高度变化值ΔH与阈值HO进行比较的信息的第三种实施例为：载体41的高度变化值ΔH与阈值HO进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，GPS卫星定位系统同时反馈有三维导航规划信息和路径规划信息。

载体41与水平方向存在有倾斜角33，并且该倾斜角33等于重力加速度分量AX2(t)除以单元重力加速度G的反正弦函数值。

载体41的高度变化值ΔH等于倾斜角33的正弦函数值与载体41在单位时间内的行进距离值ds相乘后的积分求和值。一般的载体41为车身本体31。

本实施例的具体说明如下：由加速度传感器44实时获得用户载体41的沿行进方向的综合加速度AX(t)，该综合加速度AX(t)由两部分分量组成，一部分分量是载体41本体沿行进方向的加速度AX1(t)，另一部分分量是车身由于倾斜而带来的重力加速度在车身方向的投影值为重力加速度分量AX2(t)，其计算公式为：AX(t)＝AX1(t)+AX2(t)。

对速度信号接收模块传来的数据实时进行采样，得到速度信号V(t)；对速度信号V(t)在时域上进行微分，得到dV(t)/dt，该值即为载体41沿行进方向的加速度AX1(t)，其计算公式为：dV(t)/dt＝AX1(t)。

对综合加速度AX(t)和行进方向的加速度AX1(t)进行相减运算，得到重力加速度分量AX2(t)，其计算公式为：AX2(t)＝AX(t)-AX1(t)。如果载体41与水平方向的实时倾斜角33为θ(t)，那么倾斜角33等于Arcsine(AX2/G)，注：Arcsine为反正弦函数，其中G为当地的单元重力加速度值，约为9.8米/秒²。

对速度信号V(t)在时域上进行积分，得到载体41在单位时间内的行进距离值ds，其计算公式为：ds＝V(t).dt。

对单位时间内的行进距离值ds乘以倾斜角33角度的正弦值，然后在时域上积分求和，获得单位时间内载体在垂直地心方向的高度变化值ΔH＝∫dS·sin[θ(t)]。

对上一个步骤得到的高度变化值ΔH结合路径信息进行判断。根据当地的高架路上，下匝道37的建筑施工标准，确定阈值HO。如果H＞HO，则认为载体41已经由一条路径由上匝道36变化至了另外一条与其经纬度重叠，但是高度不同的路径上；如果H＜HO，则认为载体41已经由一条路径由下匝道37变化至了另外一条与其经纬度重叠，但是高度不同的路径上；如果-HO＜H＜HO，则认为载体41已经没有走上匝道36或下匝道37改变至其他的路径。以上此信息再结合以GPS卫星定位系统得到的二维坐标，可以实现三维的导航和路径规划。

本实施例的具体实施例一，以车身本体为例进行如下所述：

按照采样频率f通过对加速度传感器44输出进行实时采样获得车身本体31的沿行进方向的综合加速度AX1，AX2，AX3…AXn，其由两部分分量组成，一部分分量是车身本体31沿行进方向的加速度即为速度信号的微分运算AX11，AX12，AX13…AX1n，另一部分分量是车身本体31由于倾斜而带来的重力加速度在车身本体31方向的投影值，即为重力加速度分量AX21，AX22，AX23…AX2n，AX_n＝AX1_n+AX2_n  n＝1，2，3...n。

通过控制单元体42从GPS卫星定位设备中按照采样频率f获取实时的速度数据V1，V2，V3…Vn，。根据标准的GPS通讯协议，速度数据是属于GPS标准数据包中的一部分，且向任一用户开放。通过向控制单元42编制特定的接口程序即可获取此数据。

对步骤2的速度采样信号进行时域上的微分，V′_m＝(V_m-V_m-1)·f，得到V’1，V’2，V’3…V’n。此数据与步骤1中得到的车身本体1沿行进方向的加速度即速度信号的微分运算AX11，AX12，AX13…AX1N相等，即V′_n＝AX1_n，n＝1，2，...n。

对步骤1和步骤3得到的信号AX1，AX2，AX3…AXN，与AX11，AX12，AX13…AX1N，进行相减运算，得到AX21，AX22，AX23…AX2N，AX2_n＝AX_n-V′_n，n＝1，2，3...n。如果车身本体1与水平方向的实时倾斜角33为θ(t)，那么θn＝ArcSine(AX2_n/G)，n＝1，2，...n，注：Arcsine为反正弦函数，其中G为当地的单元重力加速度值，约为9.8米/秒2。

对速度信号在时域上进行积分，dS_n＝(V_m+V_m-1)·2/f，得到车身本体1在单位时间内的行进距离dS1，dS2，dS3…dSn。

单位时间内的行进距离值ds乘以倾斜角33的θ(t)角度的正弦值，然后积分求和，获得在单位时间内在垂直地心方向的高度变化值ΔH，其计算公式为：

对上一个步骤得到的高度变化值ΔH结合路径信息进行判断。根据当地的高架路上，下匝道37的建筑施工标准，确定阈值HO。如果H＞HO，则认为车身本体31已经由一条路径由上匝道36变化至了另外一条与其经纬度重叠，但是高度不同的路径上；如果H＜HO，则认为车身本体31已经由一条路径由下匝道37变化至了另外一条与其经纬度重叠，但是高度不同的路径上；如果-HO＜H＜HO，则认为车身本体31已经没有走上匝道36或下匝道37改变至其他的路径。以上此信息再结合以GPS卫星定位得到的二维坐标，可以实现三维的导航和路径规划。

本实施例的具体实施例二，还是以车身本体为例进行如下所述：

按照采样频率f通过对加速度传感器44输出进行实时采样获得车身本体31的沿行进方向的综合加速度AX1，AX2，AX3…AXn，其由两部分分量组成，一部分分量是车身本体31沿行进方向的加速度，即速度信号的微分运算AX11，AX12，AX13…AX1n，另一部分分量是车身本体31由于倾斜而带来的重力加速度在车身方向的投影值即为重力加速度分量AX21，AX22，AX23…AX2n，AX_n＝AX1_n+AX2_n  n＝1，2，3...n。

通过控制单元体42从汽车内部总线中按照采样频率f获取实时的速度数据V1，V2，V3…Vn，。由于车身本体31内部本身就具有速度传感器，而且其信号已经存在于标准总线信息包中，且向任一用户开放。通过向控制单元体42编制特定的接口程序即可获取此数据。

对速度采样信号进行时域上的微分运算AX1(t)，V′_m＝(V_m-V_m-1)·f，得到V’1，V’2，V’3…V’n。此数据与车身本体1沿行进方向的加速度，即速度信号的微分运算AX11，AX12，AX13…AX1N相等，即V′_n＝AX1_n，n＝1，2，...n。

对车身本体31的沿行进方向的综合加速度AX1，AX2，AX3…AXn，与速度信号的微分运算AX11，AX12，AX13…AX1n，进行相减运算，得到重力加速度分量AX21，AX22，AX23…AX2n，AX2_n＝AX_n-V′_n，n＝1，2，3...n。如果载体与水平方向的实时倾斜角为，那么θ_n＝ArcSine(AX2_n/G)，n＝1，2，...n，注：Arcsine为反正弦函数，其中G为当地的单元重力加速度值，约为9.8米/秒²。

对速度信号在时域上进行积分，得到单位时间内的行进距离值ds，其计算公式为：dS_n＝(V_m+V_m-1)·2/f，得到车身本体31在单位时间内的行进距离dS1，dS2，dS3…dSn。

对单位时间内的行进距离值ds乘以

对步骤5中的数据乘以步骤4中倾斜角33角度的正弦值，然后积分求和，获得在单位时间内在垂直地心方向的高度变化值

$\mathrm{\ΔH}:\mathrm{\ΔH}=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dS}}_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right).$

对上一个步骤得到的高度变化值ΔH结合路径信息进行判断。根据当地的高架路上，下匝道36的建筑施工标准，确定阈值HO。如果H＞HO，则认为车身本体31已经由一条路径由上匝道36变化至了另外一条与其经纬度重叠，但是高度不同的路径上；如果H＜HO，则认为车身本体31已经由一条路径由下匝道37变化至了另外一条与其经纬度重叠，但是高度不同的路径上；如果-HO＜H＜HO，则认为车身本体31已经没有走上匝道36或下匝道37改变至其他的路径。以上此信息再结合以GPS卫星定位得到的二维坐标，可以实现三维的导航和路径规划。

本发明的优点在于：由于采用了同时检测载体的综合加速度和载体本身速度的微分量，完全剔除了由于载体本身加速度带来的对载体倾斜角计算的影响；无论载体本身是加速还是减速，最终得到的重力加速度分量始终准确反映了载体在任一时刻的真实水平倾斜角；倾角值结合以速度信号在时间域进行积分，就得到了准确的在垂直方向上的高度变化量。

本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (8)

1.卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，包括

准备步骤：准备载体(41)，所述的载体(41)上配有车速传感器(43)、加速度传感器(44)和控制单元体(42)，所述的控制单元体(42)与车速传感器(43)、加速度传感器(44)连接；

启动步骤：启动载体(41)；同时也启动载体(41)配有的车速传感器(43)、加速度传感器(44)和控制单元体(42)；

信号采集步骤：所述的车速传感器(43)采集速度信号，相应地，所述的加速度传感器(44)采集加速度信号，同时所采集的速度信号、加速度信号传输至控制单元体(42)；

信号处理步骤：所述的控制单元体(42)对速度信号、加速度信号进行运算，由加速度信号计算出载体(41)沿行进方向的综合加速度；对速度信号分别进行微分运算和积分运算；所述的速度信号经微分运算后得出载体(41)沿行进方向的加速度；

第一数值处理步骤：所述的载体(41)沿行进方向的综合加速度与沿行进方向的加速度进行相减运算，并得出载体(41)的重力加速度分量，所述的重力加速度分量是车身由于倾斜而带来的重力加速度在车身方向的投影值；所述的速度信号经积分运算后得出载体(41)在单位时间内的行进距离值；

第二数值处理步骤：所述的载体(41)的重力加速度分量与载体(41)在单位时间内的行进距离值进行相乘后进行积分运算，并得出载体(41)在单位时间内的高度变化值；

判断步骤：根据当地的建筑施工标准，确定有阈值，所述的载体(41)的高度变化值与所述的阈值保持一致时，表明载体(41)处于在原有高度上；或者，所述的载体(41)的高度变化值与所述的阈值存在差异时，表明载体(41)已经处于另一高度上。

2.根据权利要求1所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)在单位时间内所运算出的高度变化值的基准方向为垂直于地心方向。

3.根据权利要求2所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)的高度变化值与阈值进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，所述的GPS卫星定位系统反馈有三维导航规划信息。

4.根据权利要求2所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)的高度变化值与阈值进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，所述的GPS卫星定位系统反馈有路径规划信息。

5.根据权利要求2所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)的高度变化值与阈值进行比较的信息与GPS卫星定位系统相互通，所述的GPS卫星定位系统同时反馈有三维导航规划信息和路径规划信息。

6.根据权利要求3或4或5所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)与水平方向存在有倾斜角(33)，并且该倾斜角(33)等于重力加速度分量除以单元重力加速度的反正弦函数值。

7.根据权利要求6所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)的高度变化值等于倾斜角(33)的正弦函数值与载体(41)在单位时间内的行进距离值相乘后的积分求和值。

8.根据权利要求7所述的卫星定位系统中加速度传感实现垂直高度定位的方法，其特征是：所述的载体(41)为车身本体(31)。

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