CN101529271A - 位置估计方法及相关装置 - Google Patents

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Abstract

一种方法包括：用位置估计装置接收惯性位置信息、全球定位信息和测距信息。该方法基于惯性位置信息、全球定位信息和测距信息的组合来确定位置估计装置的位置的估计。

Description

位置估计方法及相关装置
技术领域
本发明涉及位置估计，更具体地，涉及基于惯性(inertial)信息、测距(ranging)信息和全球定位信息的组合来估计位置的方法及相关装置。
背景技术
社会中很多职业可能要求对紧急和危险的情形作出响应。在这样的情形中，了解你的位置和其他人的位置对于成功响应来说可能极为重要。
在一个例子中，一个装置通过接收全球定位信号、结合使用来自两个或更多的该装置收发信号所在的位置的三角测量来确定其位置。该装置根据全球定位信号和来自两个或更多位置的信号来确定其位置的估计。但是，上述两种信号都可能被遮挡。例如，当装置位于地下室时，位置的估计的精度降低。虽然上面的例子对于其预期的目的是有用的，但是在技术上仍然存在改进的空间。
本教导一般包括用位置估计装置接收惯性位置信息、全球定位信息和测距信息。该方法基于惯性位置信息、全球定位信息和测距信息的组合来确定位置估计装置的位置的估计。
根据此处提供的描述，其它领域的应用将变得显而易见。应该理解，实施方式和具体例子仅仅是为了说明，而不是为了限制本教导的范围。
附图说明
图1是根据本教导的示例位置估计装置的透视图，该示例位置估计装置确定与用户相关联的位置估计装置的位置的估计。
图2是与图1的位置估计装置相关联的示例用户的透视图。
图3是根据本教导的位置估计装置的框图。
图4是可以不同的组合互相通信的情况认识系统、具有位置估计装置的多个用户和中继节点的示意图。
图5是根据本教导的示例场景的透视图，该示例场景示出在位置的估计有利于用户的情况下的多个用户和中继节点。
图6是根据本教导示出情况认识系统的示意图，该情况认识系统追踪用户和中继节点的位置以及各位置的每个估计的精度。
图6A是图6的分解图，示出用户的身份、状态和位置估计以及描述用户的位置估计精度的值。
具体实施方式
下列描述本质上仅仅是示例性的，不是为了限制本教导及其应用或用途。应该理解，在全部附图中相应的附图标记可以指示相同或相应的部分和特征。
参考图1和2，本教导一般包括用户12携带的位置估计装置10。参考图3，位置估计装置10一般包括惯性位置模块14、全球定位模块16和测距模块18。另外，位置估计装置10包括位置确定模块20。位置确定模块10基于惯性位置模块14、全球定位模块16和测距模块18的信息的组合来确定位置估计装置10的位置的估计。
控制模块22可以控制和/或辅助全部(或部分)模块24之间的通信。位置估计装置10还包括扬声器26和麦克风28。扬声器26和麦克风28由用户12激活(或停用)，以通过激活位置估计装置10上的一个或多个用户控制件30来发送和/或接收通信。扬声器26和麦克风28可以被远程激活(或停用)。
位置估计装置10还包括天线模块32、扬声器模块34、麦克风模块36和用户控制模块38。天线模块32连接到天线40。天线模块32还可以连接到其它天线、外部天线、安装在另一个位置估计装置10a上的天线40a(图4)及它们的组合。全球定位模块16和/或测距模块18可以具有可连接到各自模块的一根或多根天线(即专用天线)。因此，各模块可以使用天线40、专用天线及其组合。
扬声器模块34连接到扬声器26。扬声器模块34也可以连接到其它扬声器、外部扬声器、用户的耳机42(图2)、安装在另一个位置估计装置10a上的扬声器26a(图4)等和/或它们的组合。麦克风模块36连接到麦克风28(图1)。麦克风模块36可以连接到其它麦克风、外部麦克风、用户的耳机42、装在另一个位置估计装置10a上的麦克风28a(图4)等和/或它们的组合。
位置估计装置10还包括位置确定模块20、识别模块44、显示模块46、电源模块48。位置确定模块20和/或控制模块22利用来自惯性位置模块14、全球定位模块16和测距模块18的信息的认知网络来确定位置估计装置10的位置的估计。位置估计装置10经由其他位置估计装置10a等和/或如图6所示的情况认识系统50将位置估计装置10的位置信息提供给一个或多个其他用户12a等。
识别模块44包括保存在识别模块44中的唯一标识符数据。唯一标识符数据可以保存在其他模块24上。标识符数据包序号、媒体访问控制(MAC)地址、设备号、另外的适合的信息串和/或它们的组合。
显示模块46包括用户12(图2)可见的位置估计装置10上的显示器52。显示器52将与有用信息相关的图像提供给用户12。显示器52包括与某些功能(如电源开/关)相关的一个或多个屏幕(如液晶显示屏)和/或一个或多个灯(如发光二极管)。显示模块46也可以将与有用信息相关的图像发送到其他装置10a等的一个或多个显示器52a(图4)和/或情况认识系统50的显示器51(图6)。有用信息可以包括位置信息、描述位置信息精度的值、电池电量、通话进行、通话停止、系统状态等。
电源模块48控制和/或调节位置估计装置10的各种模块24的电能使用。电源模块48连接到内部电池54和/或外部电源以向位置估计装置10供电。电源模块48确定一个或多个电池54可用的剩余电量。
用户控制模块38连接到下列控制件中的一个或多个：通话控制件56、音量控制件58、静噪控制件60和信道选择控制件62。通话控制件56包括在通话进行条件和通话停止条件之间进行切换的开关或其他合适的装置。当通话控制件56处于通话进行条件下时，通话控制允许位置估计装置10发送例如由麦克风28收到的信息。当通话控制件56处于通话停止条件下时，位置估计装置10将不发送任何信息但可以接收发送的信息。在上述例子中，位置估计装置10是单工或半双工系统，从而用户12必须按压或激活通话控制件56以进行发送，必须释放通话控制件56以进行接收。在其他方面，利用例如蜂窝通信标准可以使用双工(或全双工)系统。
音量控制件58调节扬声器26的音量。如果有用信号下降到非常低的值，以至于无法避免在没有想要的信号时传播高噪声信号的情形，则静噪控制件60可以完全停用接收器。信道选择控制件62允许用户12在位置估计装置10可以发送和/或接收的信道之间进行选择。
上述模块24可以被组合为一个具有适当子模块的单个模块。上面的全部或部分模块和/或整个位置估计装置可以被包含在手提式装置中，或可以是其他装置例如笔记本计算机、头戴式耳机、汽车计算机等的一部分。
应该明白，两个或更多模块24可以被组合为单个模块(例如，具有多个子模块的单个多功能模块)，可以被分为相互通信的多个模块和/或其组合。本文使用的术语——模块、控制模块组件和/或装置可以指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群处理器)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的机械、电气或机电组件。此外，模块可以利用数字和/或模拟的输入与输出和/或经由无线和/或有线连接的合适通信网络与其他模块、装置、车厢等进行通信。
在操作中，基于认知网络上可用信息的合并或组合，位置估计装置10向位置估计装置10的用户12提供用户位置的估计。位置估计装置10还提供了描述用户12的位置的上述估计的精度的一个或多个值。位置信息和/或其精度基于从惯性位置模块14、全球定位模块16和测距模块18接收的信息的组合。参考图4，位置估计装置10将位置信息发送到各种接收器，例如携带其它位置估计装置10a等的其他用户12a等，或可以追踪多个位置估计装置10、10a等的情况认识系统50。
根据来自惯性位置模块14、全球定位模块16以及测距模块18的信息的组合来确定位置信息，该惯性位置模块14提供惯性信息，该全球定位模块16提供全球定位系统(GPS)信号，该测距模块18提供测距信号。位置估计装置从上述三个模块14、16、18获得信息，并且向用户12提供位置估计装置10的位置的估计。另外，位置估计装置10向用户12提供描述位置信息的精度或可靠性的值。另外，基于例如从三个模块14、16、18接收到的信号的条件，位置估计装置10基于信息组合来衡量来自上述三个模块14、16、18的每个信息源的精度。由各模块接收的信号的精度可能受信号强度、多个信号的可用性、噪声、物理遮挡物等的影响。位置信息所基于的各信号的精度和可靠性也可以显示在显示器52上。
惯性位置模块14包括陀螺仪和/或其他合适的组件用以检测惯性信息及其变化。惯性位置模块14和/或位置确定模块20从全球定位模块16和/或测距模块18获取信息。例如，全球定位模块16确立第一基准位置。惯性位置模块14确定与第一基准位置的偏差，从而当用户12(图2)从第一基准位置走开10英尺时，惯性位置模块14检测出这样的运动，而不需要来自全球定位模块16的进一步输入。因此，惯性位置模块14可以在所有三个维度上都提供相对运动信息。惯性位置模块14可以包括一个合适的三维加速计(或是其一部分)，例如来自Analog Devices of Norwood，MA的通常可获得的3-AxisiMEMS
Figure A20078003903600081
Accelerometer，Model ADXL330。
全球定位模块16接收来自全球定位卫星的一个或多个全球定位信号。天线40(或其他合适的天线)从可被全球定位模块16接收的尽可能多的全球定位卫星接收信号。然而，在某些情形中，全球定位模块16从全球定位卫星接收信号的载波频率很容易受到物理遮挡物的影响。具体地，信号可能受到建筑物、墙壁、茂密的植物或阻挡天线40和全球定位卫星的视线的其他物理遮挡物的遮挡。
当全球定位模块16从至少三颗全球定位卫星接收信息时，全球定位模块16确定位置估计装置10的纬度和经度。当全球定位模块从至少四颗全球定位卫星接收信息时，全球定位模块16提供位置估计装置10的纬度、经度和高度。在大多数情况下，天线40不会被完全遮挡，全球定位模块16从至少六颗全球定位卫星接收信号。
测距模块18发送和/或接收电磁波，以估计位置估计装置10与另一个结构或发射器的距离。在一个例子中，测距模块18使用时间到达法来确定位置估计装置与另一个物体的距离值。在这方面，测距模块18发送信号并且等待信号返回(即反弹和返回)到测距模块18。基于信号的固定速度、信号传播到已知物体和从已知物体返回所花费的时间，确定与已知物体的距离估计。
在另一个例子中，测距模块18使用单程距离计算来代替上述双程(即往返时间)计算或与上述双程(即往返时间)计算一起使用。在这方面，测距模块18测量在发射器和接收器的时钟被同步时在信号发送和信号接收之间过去的时间。距离测量可以基于发送和接收之间时钟时间的差。因此，测距模块18确定与多个物体之间的多个距离。由此，测距模块18使用双程和/或单程计算，并且可以基于例如多个信号的三角测量来确定位置的估计。应该理解，当发送和/或接收更多的信号时，测距模块18的精度可以提高。
在认知网络上可用的每条信息以及来自惯性位置模块14、全球定位模块16和测距模块18的每条信息向位置确定模块20提供位置信息。来自14、16、18中每个模块的每条信息具有一个相关的不确定性值。虽然来自每个模块的不确定性具有一个相关值，但可以表明：来自所有模块14、16、18的所有信息的组合提供位置估计的总不确定性，该总不确定性小于来自每个模块的每条信息的单独的不确定性。
位置估计装置10提供位置估计装置10的用户12与多个其他方之间的双向语音通信。在本教导的不同方面中并参考图1，位置估计装置10是手提式或容易携带的装置。在其他方面，位置估计装置的功能(部分或全部)可以被并入其他单元，例如中继节点63、情况认识系统50、膝上型电脑、车辆等。利用双向通信并参考图4，位置估计装置10也可以将位置估计装置10的位置估计发送到其它位置估计装置10a等的其他用户12a等和/或情况认识系统50。此外，位置估计装置10可以依赖在通信联络内的其他位置估计装置10a等。通过联络其他位置估计装置10a等，其他位置估计装置10a等的位置信息以及与位置估计装置10相关的信息被用于进一步降低位置估计装置10的位置估计的不确定性。
位置确定模块20可以获取来自惯性位置模块14、全球定位模块16和测距模块18的信息，来自情况认识系统50的信息，来自其他位置估计装置10a等的信息及其组合，并组合所有信息以向位置估计装置10的用户12提供位置估计。在一个例子中，Kalman滤波器被用于集成或组合信息以向用户12、其他用户12a等和/或情况认识系统50提供位置估计。此外，Kalman滤波器基于来自各种模块24的信息提供位置估计的精度或可靠性估计。
可以使用其他滤波器，例如简单Kalman滤波器、Schmidt扩展滤波器、合适的信息滤波器、平方根滤波器、锁相环滤波器和其他滤波器，这些滤波器在从多个源仅给出关于位置估计装置10的一系列观测结果时确定关于位置估计装置10的准确的、不断更新的信息和位置估计装置10的速度。上述任何滤波器都可容纳与多个源相关的误差和/或噪声。
参考图1、3和6，显示器52和/或情况认识系统50的显示器51提供位置估计的位置精度和/或可靠性72(图1和6A)和/或用于位置估计的每个成分的可靠性的图形显示。另外，显示器51、52显示在一个可选择的范围内的其他位置估计装置10a等的其他用户12a等的位置。显示器51、52还可以包括与情况认识系统50有关的距离和/或位置。显示器51、52也可以显示与相关的大地测量、地形和/或结构信息(如建筑蓝图)有关的用户12、12a等的位置。
根据本教导的另一方面并参考图4和图5，位置估计装置10确定位置估计装置10的加速度值。位置估计装置可以确定加速度值何时大于加速度阈值。加速度阈值例如可以与比用户12以正常方式步行、跑步或驾车可以实现的值更大的加速度值相关。同样，加速度阈值可以与被卷入爆炸或成为爆炸的部分、自由跌落或其他危险情况相关。
位置估计装置10也可以检测位置估计装置的速度值。速度值在预定时间内确定。例如，当在示例时间如10分钟内位置估计装置的速度为零时，位置估计装置10确定预定时间内的零速度表示用户12正被不同方式地牵制或束缚，从而无法移动。在这方面，位置估计装置10将该情形(如被牵制或有爆炸)通知给其他用户12a等和/或情况认识系统50。当需要停留达一段延长的时间时可以停用上述功能。当确定位置估计装置10的加速度值、速度值或其组合之一是用户12的正常情形之外的值时，位置估计装置10与其他位置估计装置10a等和/或情况认识系统50通信，以向联络中的各装置警告用户12可能处于危险之中。
根据本教导的另一方面，如图4所示，一个或多个中继节点64被放在操作区中，以进一步协助和增强由位置估计装置10接收和处理的信息。中继节点64向位置估计装置10提供与中继节点64有关的位置信息。在一个方面，中继节点64仅向位置估计装置10、其他位置估计装置10a等或情况认识系统50提供位置信息。在其他方面，中继节点64是放在环境的其他部分中的另外的位置估计装置，并提供位置估计装置10的所有上述功能。在不同的例子中，中继节点64提供惯性信息、全球定位信息和/或测距信息。中继节点64也可以广播手动分配给中继节点的位置。
在一个例子中，参考图5，第一应答人员组66可以进入建筑68。第一应答人员组66可以包括分别携带位置估计装置10、10a、10b的三个用户12、12a、12b。第一应答人员之一可以将中继节点64之一放在建筑68的入口70的附近。这样，中继节点64标记出口点，从而标记在该情况下的开始点。另外，中继节点64和位置估计装置10、10a、10b都可以由情况认识系统50进行监控，如图4和6所示。
随着第一应答人员组66在建筑68内前进，他们放置另外的中继节点64。例如，当第一应答人员组66走进可能物理遮挡空中视野的建筑68的较低层时，第一应答人员组66放置另外的中继节点64，以改善每个位置估计装置10、10a等的位置估计的精度。在这方面，全球定位模块16可能无法接收GPS信号，因为第一应答人员组66不在空中视野内。这样，位置估计装置10可以依赖由测距模块18和惯性位置模块14接收的信息、甚至微弱的GPS信息。
此外，位置估计装置10可以依赖从其他位置估计装置10a、10b等、其他中继节点64、情况认识系统50接收的信息及其组合。用上述可用的所有信息，甚至用时有时无的全球定位信息和/或测距信息，位置估计装置10、10a、10b中每个的位置确定模块20和/或控制模块22使用来自所有(或一些)上述源的信息向位置估计装置10的用户12提供位置估计及其可靠性值。
在另一方面，基于可能来源于物理遮挡物的位置信息的降低的精度，位置估计装置10经由显示器52通知用户12放置中继节点64之一。可以建立预定的信息精度阈值，从而当该阈值被通过时，位置估计装置指示用户12放置中继节点之一以改善位置估计的精度。情况认识系统也可以基于精度阈值指示用户12、12a、12b放置另外的中继节点64。
虽然已经在说明书和附图中描述了具体方面，但是本领域技术人员应该明白可以进行不同的变化并且其中的元素可以被等同物替代，而不偏离本教导的范围。另外，此处可以清楚地预期本教导的不同方面之间的特征、元素和/或功能的混合与匹配，从而本领域的技术人员应当理解，根据本教导一个方面的特征、元素和/或功能可以视需要被并入到另一方面，除非上面另有描述。而且，可以进行多种修改以使特定的情形、配置或材料适应本教导，而不偏离其基本范围。因此，可以说本教导不局限于附图描述和说明书中作为实施本教导当前设想的最佳方式所描述的具体方面，本教导的范围将包括根据前述说明书和所附权利要求中的很多方面和例子。

Claims (9)

1.一种方法，包括：
用位置估计装置接收惯性位置信息、全球定位信息和测距信息；以及
基于所述惯性位置信息、所述全球定位信息和所述测距信息的组合来确定所述位置估计装置的位置的估计。
2.根据权利要求1的方法，其中所述位置估计装置从所述位置估计装置、另一位置估计装置、中继节点、情况认识系统、全球定位系统及其组合之一接收所述全球定位信息和所述测距信息之一。
3.根据权利要求1的方法，其中所述的确定所述位置的所述估计的步骤还基于另一位置估计装置的位置的估计、情况认识系统的位置的估计、中继节点的位置的估计及其组合之一。
4.根据权利要求1的方法，还包括确定所述位置估计装置的加速度值何时大于加速度阈值、所述位置估计装置的速度值何时在阈值时间内约为零及其组合之一，并且在所述加速度值超过所述加速度阈值、所述速度值在所述阈值时间内约为零及其所述组合之一成立时发送警报。
5.根据权利要求2的方法，还包括在所述位置估计装置上显示与大地测量信息、结构信息、地形信息及其组合之一有关的所述位置估计装置的位置、所述另一位置估计装置的位置、所述中继节点的位置及其组合之一。
6.一种位置估计装置，包括：
惯性位置模块，其提供惯性位置信息；
全球定位模块，其提供全球定位信息；
测距模块，其提供测距信息；
位置确定模块，其基于所述惯性位置信息、所述全球定位信息和所述测距信息的组合来确定该位置估计装置的位置的估计，并且确定所述位置的所述估计的精度；以及
显示器，其显示该位置估计装置的位置的所述估计以及描述所述位置的所述估计的所述精度的值。
7.根据权利要求6的位置估计装置，其中所述位置确定模块确定所述全球定位信息的精度的值和所述测距信息的精度的值之一，并且其中所述显示器显示另一位置估计装置的位置、情况认识系统的位置、所述全球定位信息的所述精度的所述值、所述测距信息的所述精度的所述值及其组合之一。
8.根据权利要求6的位置估计装置，还包括另一位置估计装置、情况认识系统及其组合之一，在该位置估计装置的加速度值超过加速度阈值、该位置估计装置的速度值在阈值时间内约为零及其组合之一成立时，所述另一位置估计装置、所述情况认识系统及其所述组合之一能够从该位置估计装置接收警报。
9.根据权利要求6的位置估计装置，还包括情况认识系统、中继节点及其组合之一，所述情况认识系统和所述中继节点的每个都包括提供全球定位信息的全球定位模块、提供测距信息的测距模块及其组合之一，其中该位置估计装置的所述位置确定模块基于来自所述情况认识系统、所述中继节点及其所述组合之一的所述全球定位信息和所述测距信息及其所述组合之一来确定所述位置的所述估计。
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