CN101603825A - 推算高度计和方法 - Google Patents

Abstract

一种使用速度计和前视加速度计测量高度变化的高度航位推算系统。

Description

推算高度计和方法

技术领域

本公开总体上涉及航位推算(dead reckoning)系统，更具体而言，涉及一种使用速度计和前视加速度计测量高度变化的航位推算高度计设备。本公开还具体涉及一种使用速度计和前视加速度计测量倾斜角的倾斜计设备。

背景技术

航位推算(DR)是基于先前确定的位置估计当前的位置并基于测得的速度、方向和/或加速度前移该位置的过程。DR开始于初始已知位置或定点。可使用测距、三角测量或地图匹配来确定该定点。通常使用无线电信号测量与全球导航卫星系统(GNSS)之间的距离以便建立要开始航位推算的初始定位点。

可通过许多方法测量航位推算速度。在现代仪器测量之前，通过如下方法在船上确定DR速度：向船外投掷称为测程器(log)的木制浮子，当船在水中前进时对在沙漏测得的时间内经过船员的手的、与该浮子系在一起的线上的结进行计数。更现代的船使用发动机rpm、测量水速的自动测程器或底视多普勒声纳。道路车辆通常通过测量车轮转速来测量速度。道路车辆亦可使用发动机rpm和多普勒声纳或雷达来测量速度。可利用磁罗盘或磁通门罗盘测量水平方向。亦可通过对由角速率传感器感测到的角度变化率积分来确定航位推算方向。角速率传感器有时被称为陀螺仪。尤其对于飞行器来说，对方向线加速度积分的惯性系统可用于航位推算。

甚至随着全球导航卫星系统(GNSS)的方便性和精度的提高，对于连续的GNSS定点不能被获得或者含有噪声的情形，仍旧需要航位推算。此外，全球导航卫星系统对高度和竖直航向角的定位倾向于比对水平位置和水平航向角的定位精度更低且噪声更大。

概括地说，本文涉及一种使用速度计和前视加速度计测量高度变化的高度航位推算系统。

发明内容

本公开描述了一种通过测量前向移动来测量高度变化的设备和方法。本公开还描述了一种通过测量前向移动来确定倾斜角的设备和方法。

一个实施例是航位推算高度计，该高度计具有：用于确定前向速度的速度计；用于测量前向加速度的加速度计；以及基于该速度和测得的加速度计算高度变化的DR计算器。该高度计还可包括：用于测量偏航角速率的偏航速率传感器；以及根据该偏航角速率补偿测得的加速度的偏航补偿器，其中该DR计算器被配置成使用经补偿的加速度和该速度来计算高度变化。

另一个实施例是对高度进行航位推算的方法，该方法包括：确定前向速度；测量前向加速度；并基于该速度和测得的加速度计算高度变化。该方法还可包括：测量偏航角速率；根据该偏航角速率补偿测得的加速度；并使用经补偿的加速度和该速度来计算高度变化。

另一个实施例是倾斜计，该倾斜计具有：用于确定前向速度的速度计；用于测量前向加速度的加速度计；以及基于该速度的变化率和测得的加速度计算倾斜角的倾斜角计算器。该倾斜计还可包括：用于测量偏航角速率的偏航速率传感器；以及被配置成使用该偏航角速率补偿测得的加速度的偏航补偿器，其中倾斜角计算器被配置成使用经补偿的加速度和速度变化率来计算倾斜角。

另一个实施例是用于确定倾斜角的方法，该方法包括：确定前向速度；测量前向加速度；并基于测得的加速度和该速度的变化率计算倾斜角。该方法还可包括：测量偏航角速率；根据该偏航角速率补偿测得的加速度；并使用经补偿的加速度和速度变化率来计算倾斜角。

在一个实施例中，基于前向速度和前向加速度确定高度变化。

在一个实施例中，基于前向速度的变化率和前向加速度来确定倾斜角。

在一个实施例中，针对偏航角速率补偿测得的加速度。

在一个实施例中，根据线位置偏移、针对偏航角速率补偿测得的加速度。

在一个实施例中，基于具有相反方向环的位置返回来确定线位置偏移。

在一个实施例中，根据偏航对准角、针对偏航角速率补偿测得的加速度。

在一个实施例中，基于具有相反方向环的位置返回来确定偏航对准角。

在一个实施例中，针对加速度计偏差补偿测得的加速度。

在一个实施例中，基于具有相反面对方向的位置返回来确定安装加速度计偏差。

在一个实施例中，基于最后倾斜角来确定重起动加速度计偏差。

在一个实施例中，基于外部高度定点与经航位推算得到的高度之间的差异来校准更新后的加速度计偏差。

本领域的普通技术人员在阅读了以下详细说明和查看了各附图之后，无疑将明白本发明的这些和其它实施例以及本发明的这些和其它特征。

附图说明

图1示出了承载航位推算高度计和倾斜计的车辆；

图1A示出了图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计的偏航对准角；

图2是图1的航位推算高度计和倾斜计的框图；

图3是图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度补偿器的框图；

图4是具有用于提高三维位置、速度和航向的精度的卡尔曼滤波器(Kalman filter，KF)的图1的航位推算高度计和倾斜计的框图；

图5示出了图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计位置偏移和偏航对准角；

图6是用于确定高度变化和倾斜角以及航位推算位置、速度和航向的方法的流程图；

图7A是用于确定针对重起动的加速度计偏差校准的方法的流程图；

图7B是用于确定加速度计偏差校准的位置返回方法的流程图；

图7C是车辆行驶图，其中使用计数器旋转环来确定图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计偏差校准；

图8是用于确定图1的航位推算高度计和倾斜计的加速度计偏差、线位置偏移和偏航对准角的位置返回初始安装方法和图6的方法的流程图；以及

图9A和图9B示出了停车库的楼层和公路连接坡道，其中有利地使用了图1的航位推算高度计和/或倾斜计。

具体实施方式

现在提供用于执行本发明的思想的最佳模式和优选实施例的细节。应当理解，不必采用这些优选实施例的所有细节来执行本发明的思想。

图1示出了分别用附图标记10和12标出的航位推算(DR)高度计设备和倾斜计设备。意欲在车辆14中承载设备10、12，其中车辆14的前向移动方向16与水平面18成未知倾斜角θ。车辆14可以是在地面25上有后轮22和前轮23的汽车、卡车、火车、电车等。

设备10、12包括速度计32和前视线加速度计34。车辆14具有垂直于车辆14并穿过车辆14的转弯中心92(见图5)的转弯半径线R(见图5)。对于用前轮23转弯的车辆14，转弯半径线R近似地穿过后轮22的轮轴。加速度计34相对于转弯半径线R具有安装线位置偏移L。示出线位置偏移L处在前向16上。

DR高度计设备10包括DR高度计算器40(见图2)。倾斜计设备12包括倾斜角计算器42(见图2)。速度计32可以是速度测量装置或者是包括基于在已知时间段内测得的距离而计算前向速度v(t)的计算装置在内的距离测量装置。速度计32可以是用于测量距离、然后基于在一时间段内对后轮或前轮22、23的转数计数而计算前向16上的速度v(t)的转速计或里程计。或者，速度计32可利用多普勒雷达或声纳或者从反射自地面25的信号得到的光学测量结果来测量车辆14的前向速度v(t)。例如，飞机可使用具有基于多普勒计算速度v(t)的速度计32的设备10、12。加速度计34可以是为了测量前向16上的加速度α_m(t)而安置的单轴装置，或者可以是通过使用两个或三个轴线加速度测量结果的线性组合来测量前向16上的加速度α_m(t)的两轴或三轴装置。

图1A示出了加速度计34的物理安置，加速度计34的测量方向46相对于车辆14的前向16具有偏航对准角γ。在简单的情形下，测量方向46与前向16相同。然而，加速度计34的传感器可被安置成使得测量方向46与前向16在水平面上相差偏航对准角γ。

图2是具有DR高度计算器40和倾斜角计算器42的航位推算高度设备10和倾斜计设备12的框图。设备10、12包括加速度补偿器50和偏航速率传感器52。偏航速率传感器52测量偏航角速率ω(t)。加速度补偿器50针对偏航角速率ω(t)的影响和加速度计偏差β的影响而补偿测得的加速度α_m(t)，以便确定经补偿的加速度α_c(t)。

DR高度计算器40使用前向速度v(t)和经补偿的前向加速度α_c(t)来计算高度变化ΔH。倾斜角计算器42包括速度变化率计算器55，速度变化率计算器55使用速度v(t)确定速度随时间的变化率Δv/Δt，然后使用速度变化率Δv/Δt和经补偿的前向加速度α_c(t)来计算倾斜角θ。

图3是加速度补偿器50的功能框图。加速度补偿器50包括偏航补偿器62，偏航补偿器62包括偏航距离补偿器64和偏航对准补偿器66。偏航距离补偿器64使用测得的偏航角速率ω(t)和偏移L来计算当车辆14转弯(偏航)时出现的位置偏移加速度测量误差，并针对该误差补偿测得的加速度α_m(t)。位置偏移误差被计算为ω²(t)×L。偏航对准补偿器66使用测得的偏航角速率ω(t)、速度v(t)和偏航对准角γ来计算当车辆14转弯(偏航)时出现的偏航对准角加速度测量误差，并针对该误差补偿测得的加速度α_m(t)。偏航对准角误差被计算为ω(t)×v(t)×γ。

加速度补偿器50还包括位置返回补偿检测器72、重起动偏差检测器74和加速度计偏差补偿器76。

补偿检测器72跟踪触发之间的高度变化ΔH，并确定安装加速度计偏差β_I以使触发之间的高度变化ΔH的总和为零或者使返回高度H_R等于起始高度H₁。为了消除停车位俯仰角的影响，车辆14可面朝相反方向停放以便确定高度H_R和H₁。确定导致高度变化ΔH的总和为零的加速度计偏差β_I。当设备10、12感测到水平位置已返回时，触发可以是自动的(优选为在人工使能之后)，或者当操作员知道他已返回到相同位置时，触发可以是人工的。为了确定加速度计偏差β_I、线位置偏移L和偏航对准角γ的组合，驾驶车辆14沿顺时针环至少环行一次并且沿逆时针环至少环行一次而回到起始位置。这些操作在图7B及7C和图8的流程图中示出并且在所附详细说明中描述。

重起动偏差检测器74利用了两个思想：在车辆14开始移动时，速度v(t)仍然非常接近零，且开始移动时的倾斜角θ与车辆14在停车前最后移动时的最后倾斜角θ_L非常接近相同。因此，利用等式1估计重起动加速度计偏差β₀。在等式1中，优选地在针对偏航角速率ω(t)进行加速度补偿之后取加速度α。g是重力导致的恒定加速度。

1)β₀＝α-g sinθ_L

在设备10、12处于无动力状态之后预热时，加速度计偏差β可迅速地变化。在加速度计偏差β足够稳定以致于能被精确校准之前，可能有长的预热时段。这个问题可根据等式1、通过利用如下假设确定重起动加速度计偏差β₀来消除：假设开始移动瞬间的倾斜角θ_L还未从针对停车前最后的移动最后算出的倾斜角θ_L开始变化，并且假设开始移动瞬间的速度v(t)为零。

加速度计偏差补偿器76使用安装偏差β_I和/或重起动偏差β₀和/或由与外部导航信息的比较结果确定的偏差β来补偿测得的加速度α_m(t)。可包括卡尔曼滤波器80(见图4)作为加速度计偏差补偿器76的一部分，以对偏差β作出不断变好的估计。偏差补偿器76可包括偏差开关，当卡尔曼滤波器获得新的校准结果时，该偏差开关在安装加速度计偏差β_I、重起动加速度计偏差β₀和新校准的加速度计偏差β之间切换。

加速度计34的小竖直失准角与重力g一起作用，以将加速度α_m(t)的测量结果改变近似恒定的重力偏差项g×sin(竖直失准角)。此重力偏差项在效果上与经确定并补偿的加速度计偏差β相加(或相减)。

图4是具有卡尔曼滤波器80和一个或多个外部定位源82的设备10、12的框图。示例外部源82包括但不限于全球导航卫星系统(GNSS)接收器84、气压高度计85和地图匹配器86。GNSS接收器84接收并处理GNSS信号，以提供基于GNSS的定位信息比如包括基于GNSS的外部高度定点H_EXT在内的三维位置、时间、三维速度、包括倾斜角的三维航向、卫星信号多普勒和卫星伪距(pseudorange)。气压高度计85提供基于气压的外部高度定点H_EXT。地图匹配器86使用从GNSS接收器84得到的位置和航向或者卡尔曼滤波器80的输出来提供地图调整的位置，以将道路或轨道上的位置与电子地图上的线路匹配并且根据方向航向信息匹配该道路或轨道的左侧或右侧。然后，地图匹配器86对沿着道路或轨道或线路的位置提供其最佳的地图匹配的估计。沿着道路或轨道或线路的位置可具有如可由卡尔曼滤波器80使用的地形图上的基于地图的高度H_EXT。

速度计32、加速度计34和偏航速率传感器52将速度v(t)、测得的加速度α_m(t)和偏航角速率ω(t)提供给卡尔曼滤波器80。卡尔曼滤波器80对其输入端的有噪声的和/或不连续的外部高度定点H_EXT与其输出端的其航位推算高度H之间的差异进行滤波，其中通过积累高度变化ΔH来确定航位推算高度H。在反馈环中使用经滤波的差异来提供加速度计偏差β的经校准的版本。卡尔曼滤波器80可作为计算机可读指令存储在有形介质上，以便指示计算机装置如设备10、12执行这些指令。

滤波器80使用可得到的任何信息，该信息可包括但不限于加速度计偏差β、高度变化ΔH、从速度计32得到的速度v(t)(或者从速度计32得到的距离ΔS，可由ΔS根据ΔS/Δt计算速度v(t))、测得的前向加速度α_m(t)(或者经部分补偿的加速度或经全部补偿的加速度α_c(t))、以及从外部源82得到的包括但不限于外部高度H_EXT的定位导航信息。卡尔曼滤波器80使用此信息计算包括高度H的三维位置、三维速度和包括倾斜角θ的三维航向。

卡尔曼滤波器80使用变化的连续性和精度的若干导航输入来提供三维航向、三维位置和三维速度的不断更新的最佳估计。这些导航输入可包括但不限于大气压、从GNSS接收器84得到的GNSS卫星伪距和多普勒、纬度、经度和外部高度H_EXT的地图匹配、航向的地图匹配、可以是陀螺仪的偏航速率传感器52所测得的偏航角速率ω(t)、从速度计32得到的速度v(t)或距离S测量结果、以及从加速度计34得到的前向加速度α_m(t)测量结果。GNSS接收器84可以是全球定位系统(GPS)接收器。

卡尔曼滤波器80的内部或隐藏操作提供用于补偿测得的加速度α_m(t)并校正和/或平滑航向、位置和速度输出的加速度计偏差β校准。卡尔曼滤波器80以与Geier等人的标题为“position and velocity estimationsystem for adaptive weighting of GPS and dead reckoning information”的美国专利第5,416,712号中描述的卡尔曼滤波器类似的方式工作，通过引用将该专利的教导合并在本申请中。Elliot Kaplan和Christopher Hegarty在“Understanding GPS：principles and applications”第二版(马萨诸塞州Norwood的Artech House公司出版，版权号2006，ISBN 1-58053-894-0)中提供了对卡尔曼滤波器80的滤波技术的进一步理解。Geier等人撰写的关于陆上车辆中的传感器集成的9.3章特别有指导性。

图5示出了处在加速度计34与垂直于车辆14并穿过车辆14的转弯中心92的转弯半径线R之间的、前向16上的位置偏移L。对于使用前轮23转弯的车辆14来说，转弯半径线R近似地穿过后轮22的轮轴。偏航对准角γ是加速度计34的前向46与车辆14的前向16之间的角。

图6是用于确定高度变化ΔH和倾斜角θ的方法的流程图。该方法的步骤可以计算机可读的形式存储在有形介质100上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可作为执行这些步骤的计算机而起作用、工作和运行。在步骤102中，测量加速度α_m(t)。在步骤104中，确定速度v(t)。在步骤106中，测量偏航角速率ω(t)。在步骤110和112中，针对偏航速率ω(t)的影响而补偿加速度α_m(t)。在步骤110中，根据偏航角速率ω(t)、针对线位置偏移L补偿加速度。在步骤112中，根据偏航角速率ω(t)和速度v(t)、针对偏航对准角γ补偿加速度。在步骤114中，针对加速度计偏差β补偿加速度。在安装校准中，根据位置返回方法(见图8)，加速度计偏差β可被确定为加速度计偏差β_I。在重起动时，根据最后倾斜角θ_L，加速度计偏差β可被计算(见图7A)为加速度计偏差β₀。

在步骤116中，根据速度v(t)和经补偿的加速度α_c(t)计算高度变化ΔH。在步骤118中，从外部定位源82接收外部定位信息，比如位置、伪距、高度、多普勒和航向。在步骤122中，积累高度变化ΔH以提供DR高度H。为连续工作起见，DR高度计10积累高度变化ΔH的序列直到最后的前一个DR高度H，以便提供DR高度H的连续序列。在步骤124中，基于外部定位信息、利用卡尔曼滤波技术对DR高度H进行滤波，以便计算包括高度H的三维位置、三维速度和包括倾斜角θ的三维航向。在步骤126中，使用DR高度H和外部定位信息、利用卡尔曼滤波技术重新计算加速度计偏差β，然后施加该重新计算的加速度计偏差β，以便更新用于提供经补偿的加速度α_c(t)的加速度计偏差β。步骤124和126通常与卡尔曼滤波技术的多个状态一起执行。

在步骤132中，根据速度v(t)和时间计算速度变化率Δv/Δt。在步骤134中，使用下面的等式4、根据经补偿的加速度α_c(t)和速度变化率Δv/Δt来计算倾斜角θ。

图7A是用于计算重起动加速度计偏差β₀的方法的流程图。该方法的步骤可以计算机可读的形式存储在有形介质150上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可作为执行这些步骤的计算机而起作用、工作和运行。在步骤152中，计算倾斜角θ。当设备10、12断电时，存储算出的最后倾斜角θ_L。

将设备10、12断电以使之处于休眠或关断状态持续任意的时间段。在步骤154中，设备10、12接通并开始移动。在步骤155中，设备10、12进行工作来测量加速度α_m(t)并针对偏航角速度ω(t)补偿测得的加速度α_m(t)，以提供上面的等式1中的加速度α。在步骤156中，在等式1中根据倾斜角θ_L计算重起动加速度计偏差β₀。

图7B是位置返回校准方法的一个实施例的流程图。该方法的步骤可以计算机可读的形式存储在有形介质200上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可作为执行这些步骤的计算机而起作用、工作和运行。在步骤202中，从用户接收位置返回触发，且设备10、12确定其位置和第一高度H₁。在步骤204中，设备10、12检测到它正在移动。在步骤206中，当设备10、12确定了它已在预定的时间范围内返回到1至3米的阈值内的相同二维水平位置时，确定返回环高度H_R。时间长度可以在几秒到几分钟的范围内。可替选地，在接收到第二触发时，测量返回环高度H_R。

在简单的情形下，驾驶员在车辆14停放时向设备10、12发出触发，然后沿环驾驶而回到相同停放位置。该方法作了如下假设：当它检测到设备10、12已返回到相同水平位置或者被第二次触发时，返回环高度H_R与起始高度H₁相同。在步骤208中，设备10、12确定使得高度变化ΔH的总和为零的加速度计偏差β，或者确定使得起始高度H₁与返回环高度H_R相等的加速度计偏差β。

图7C是位置返回校准的车辆行驶图。车辆14在位置250起动，沿逆时针环252行驶而回到起始位置250，以进行单环校准。为了进行双环校准，车辆14继续通过顺时针环254回到起始位置250。可先通过逆时针环252，也可先通过顺时针环254。环252和254中的任一个或二者可重复任意次数并为取平均的结果，且这些环无需是精确的圆形。

图8是使用位置返回方法确定加速度计偏差β的安装值β_I、线位置偏移L的值以及偏航对准角γ的双环安装校准的流程图。该方法的步骤可以计算机可读的形式存储在有形介质300上，以由执行这些步骤的计算机读取。设备10、12可作为执行这些步骤的计算机而起作用、工作和运行。在步骤304中，设备10、12被预热。该预热使加速度计偏差β稳定。在步骤306中，车辆14面朝第一方向停放。测量第一加速度α_m(t)。因为车辆14不在移动，所以该测得的加速度α_m(t)将是小的。

在步骤308中，车辆14被缓慢驾驶以返回到相同停放位置，并面朝相反方向停车。测量第二加速度α_m(t)。因为车辆14不在移动，所以该测得的加速度α_m(t)将是小的。在步骤314中，使用第一和第二测得的加速度α_m(t)之间的差异来区分加速度计偏差β_I与重力g因地面25的停放倾斜角而产生的影响。

在步骤316中，设备10、12使用刚算出的加速度计偏差β_I以及偏航对准角γ和位置偏移L的预选择的估计来确定起始高度H₁。在步骤318中，沿顺时针(或逆时针)环迅速驾驶车辆14回到停放位置。该驾驶必须足够快，以使得偏航角速率ω(t)近似于将在工作中遇到的偏航角速率ω(t)。在步骤322中，确定第一位置返回(RTP)高度H_R1。在步骤324中，沿相反方向的环迅速驾驶车辆14回到停放位置。该驾驶必须足够快，以使得偏航角速率ω(t)近似于将在工作中遇到的偏航角速率ω(t)。在步骤326中，确定第二位置返回(RTP)高度H_R2。在步骤328中，使用下面的等式2和3并根据起始高度H₁、第一RTP高度H_R1和第二RTP高度H_R2计算有效安装位置偏移L和偏航对准角γ。步骤328确定加速度计偏差β_I、位置偏移L和偏航对准角γ，以使在起始高度H₁与第一环高度H_R1之间以及在第一环高度H_R1与第二环高度H_R2之间高度变化ΔH的总和为零；或者确定加速度计偏差β_I、位置偏移L和偏航对准角γ，以使起始高度H₁、第一环高度H_R1和第二环高度H_R2相等。

确定高度和倾斜角

下面说明设备10、12计算高度变化ΔH和倾斜角θ的操作。等式2示出了基于经补偿的加速度α_c(t)和速度v(t)、针对测量时间ΔT和重力加速度常数g计算高度变化ΔH。

$2),\mathrm{\ΔH}=\{\underset{0}{\overset{\mathrm{\ΔT}}{\∫}}{\mathrm{\α}}_c\left(t\right)v\left(t\right)\mathrm{dt}-(1/2)[v^2\left(\mathrm{\ΔT}\right)-v^2\left(0\right)\left]\right\}(l/g)$

等式3示出了作为测得的加速度α_m(t)、加速度计偏差β、位置偏航速率误差ω²(t)× L和对准偏航速率误差ω(t)×v(t)×γ的函数的经补偿的加速度α_c(t)。

3)α_c(t)＝α_m(t)+β-ω²(t)L-ω(t)v(t)γ

对于左转弯或右转弯来说，位置偏航速率误差是相同的。对于左转弯和右转弯来说，对准偏航速率误差是相等且相反的。等式4示出了作为经补偿的加速度α_c(t)和速度随时间的变化率Δv/Δt的函数的倾斜角θ。

4)θ＝Sin^-1{[(α_c(t)-Δv/Δt]/g}

总体优点

实施例可提高包括GPS接收器、偏航速率陀螺仪或航向陀螺仪、传动轴或轮速度测量装置以及任选的地图匹配能力在内的车辆导航设备的性能。实施例可添加前向线加速度计和若干加速度计补偿算法，以将此设备的精度提高为优选地在1米或2米内而无需差动GPS测量；并且提供连续且平滑的高度和倾斜角而无需连续或平滑的GPS测量。

众所周知，GPS纬度和经度测量与高度误差相关联。通过增进对高度的了解，可通过这些关联增进对纬度和经度的了解。在受阻的视野的情况下，GPS速度可能有噪声，或者GPS卫星信号的几何(DOP)可能是差的，或者只能得到三个GPS卫星信号。在这样的情形下，改进的高度测量使纬度和经度的测量得以显著改进。

将可能比GPS精度更高的对高度的直接了解与包括高度信息的地图匹配数据库相结合使用。使用精确的高度和高度变化信息，地图匹配算法可迅速地判断车辆是否处在公路驶出坡道处的两个并行轨道之一上(这两个并行轨道中的一个是上升或下降的，另一个则不是)。只使用GPS和航向陀螺仪可能得不到作出这样的判断所需要的精度，直到行驶了相当长的距离以致于两个可能的路径在地图匹配数据库中水平分开了与GPS精度相当的距离时为止。在迅速确定选路信息时，了解车辆是否已离开公路是关键的。对高度的直接了解亦可当在无GPS覆盖或基于GPS的高度不精确的多层停放结构中时确立车辆的竖直位置。

图9A示出了停车库的多个楼层512，其中当基于GNSS的高度不能可靠地区分由螺旋坡道连接的各楼层512时，使用DR高度H区分各楼层512。

图9B示出了公路522、向上连接坡道524和向下连接坡道526，其中当基于GNSS的航向不能可靠地区分向上坡道524与向下坡道526时，对倾斜角θ的测量结果区分了坡道。

尽管已就目前优选的实施例描述了本发明，但是应理解，该公开不应解释为限制性的。本领域的技术人员在阅读了以上公开之后，无疑将明白各种超集、子集和等同设置。然而，这些超集、子集和等同设置不应视为对本发明的思想构成限制。因此，意图将下面的权利要求解释为覆盖本发明的真实精神和范围。

概念

概念1.一种航位推算高度计，包括：

速度计，用于确定前向速度；

加速度计，用于测量前向加速度；以及

航位推算高度计算器，基于所述速度和测得的所述加速度计算高度变化。

概念2.根据概念1所述的高度计，还包括：

偏航速率传感器，用于测量偏航角速率；

偏航补偿器，根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度以确定经补偿的加速度；并且其中：

所述航位推算高度计算器被配置成使用所述经补偿的加速度和所述速度来计算所述高度变化。

概念3.根据概念2所述的高度计，其中：

所述偏航补偿器包括偏航位置补偿器，所述偏航位置补偿器针对所述偏航角速率和相对于转弯半径线的线位置偏移而补偿测得的所述加速度，以确定所述经补偿的加速度。

概念4.根据概念3所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，所述位置返回补偿检测器使用双返回环估计所述线位置偏移，所述双返回环在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回。

概念5.根据概念2所述的高度计，其中：

所述偏航补偿器包括偏航对准补偿器，所述偏航对准补偿器被配置成针对所述偏航角速率和偏航对准角补偿测得的所述加速度，以确定所述经补偿的加速度。

概念6.根据概念5所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，所述位置返回补偿检测器使用双返回环估计所述偏航对准角，所述双返回环在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回。

概念7.根据概念1所述的高度计，还包括：

偏差补偿器，根据加速度计偏差补偿测得的所述加速度以确定经补偿的加速度，其中：

所述航位推算高度计算器被配置成使用所述经补偿的加速度和所述速度来计算所述高度变化。

概念8.根据概念7所述的高度计，还包括：

卡尔曼滤波器，被配置成对所述高度变化和外部高度定点进行滤波以估计所述加速度计偏差。

概念9.根据概念8所述的高度计，其中：

所述外部高度定点是从GNSS信号得到的。

概念10.根据概念8所述的高度计，其中：

所述外部高度定点是从地图匹配得到的。

概念11.根据概念7所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，基于位置返回估计所述加速度计偏差。

概念12.根据概念7所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，基于面朝相反方向的位置返回来估计所述加速度计偏差。

概念13.根据概念7所述的高度计，还包括：

倾斜角计算器，基于所述经补偿的加速度和所述速度的变化率计算倾斜角；以及

重起动偏差检测器，基于休眠时间段之前最后的所述倾斜角来估计所述休眠时间段之后重新开始移动时的所述加速度计偏差。

概念14.根据概念1所述的高度计，还包括：

GNSS接收器，用于确定包括基于GNSS的高度的基于GNSS的位置；

偏航速率传感器，用于测量偏航角速率；并且其中：

所述航位推算高度计算器被配置成使用所述偏航角速率、所述基于GNSS的位置和所述高度变化来提供比所述基于GNSS的高度更精确的航位推算高度。

概念15.根据概念14所述的高度计，还包括：

具有停车库的多个楼层的地图；其中：

当所述基于GNSS的高度不能可靠地区分所述多个楼层时，使用所述航位推算高度来区分所述多个楼层。

概念16.一种对高度进行航位推算的方法，包括：

确定前向速度；

测量前向加速度；并且

基于所述速度和测得的所述加速度计算高度变化。

概念17.根据概念16所述的方法，还包括：

测量偏航角速率；

根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度以确定经补偿的加速度；并且其中：

计算所述高度变化包括：使用所述经补偿的加速度和所述速度计算所述高度变化。

概念18.根据概念17所述的方法，其中：

根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度包括：针对所述偏航角速率和相对于转弯半径线的线位置偏移进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

概念19.根据概念18所述的方法，还包括：

估计所述线位置偏移包括：使用在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回的双环。

概念20.根据概念17所述的方法，其中：

根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度包括：针对所述偏航角速率和偏航对准角进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

概念21.根据概念20所述的方法，还包括：

估计所述偏航对准角包括：使用在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回的双环。

概念22.根据概念16所述的方法，还包括：

根据加速度计偏差补偿测得的所述加速度以提供经补偿的加速度；其中：

计算所述高度变化包括：使用所述经补偿的加速度和所述速度来计算所述高度变化。

概念23.根据概念22所述的方法，还包括：

对所述高度变化和外部高度定点进行卡尔曼滤波，以估计所述加速度计偏差。

概念24.根据概念23所述的方法，还包括：

从GNSS信号得到所述外部高度定点。

概念25.根据概念23所述的方法，其中：

从地图匹配得到所述外部高度定点。

概念26.根据概念22所述的方法，还包括：

基于位置返回估计所述加速度计偏差。

概念27.根据概念22所述的方法，还包括：

基于面朝相反方向的位置返回来估计所述加速度计偏差。

概念28.根据概念22所述的方法，还包括：

基于所述经补偿的加速度和所述速度的变化率计算倾斜角；并且

基于休眠时间段之前最后的所述倾斜角和测得的所述加速度来估计所述休眠时间段之后重新开始移动时的所述加速度计偏差。

概念29.根据概念16所述的方法，还包括：

确定包括基于GNSS的高度的基于GNSS的位置；

测量偏航角速率；并且其中：

计算所述高度变化包括：使用所述偏航角速率、所述基于GNSS的位置和所述高度变化来提供比所述基于GNSS的高度更精确的航位推算高度。

概念30.根据概念29所述的方法，还包括：

提供具有停车库的多个楼层的电子地图；并且

当所述基于GNSS的高度不能可靠地区分所述多个楼层时，使用所述航位推算高度来区分所述多个楼层。

Claims (30)

1.一种航位推算高度计，包括：

速度计，用于确定前向速度；

加速度计，用于测量前向加速度；以及

航位推算高度计算器，基于所述速度和测得的所述加速度计算高度变化。

2.根据权利要求1所述的高度计，还包括：

偏航速率传感器，用于测量偏航角速率；

偏航补偿器，根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度以确定经补偿的加速度；并且其中：

所述航位推算高度计算器被配置成使用所述经补偿的加速度和所述速度来计算所述高度变化。

3.根据权利要求2所述的高度计，其中：

所述偏航补偿器包括偏航位置补偿器，所述偏航位置补偿器针对所述偏航角速率和相对于转弯半径线的线位置偏移而补偿测得的所述加速度，以确定所述经补偿的加速度。

4.根据权利要求3所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，所述位置返回补偿检测器使用双返回环估计所述线位置偏移，所述双返回环在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回。

5.根据权利要求2所述的高度计，其中：

所述偏航补偿器包括偏航对准补偿器，所述偏航对准补偿器被配置成针对所述偏航角速率和偏航对准角补偿测得的所述加速度，以确定所述经补偿的加速度。

6.根据权利要求5所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，所述位置返回补偿检测器使用双返回环估计所述偏航对准角，所述双返回环在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回。

7.根据权利要求1所述的高度计，还包括：

偏差补偿器，根据加速度计偏差补偿测得的所述加速度以确定经补偿的加速度，其中：

所述航位推算高度计算器被配置成使用所述经补偿的加速度和所述速度来计算所述高度变化。

8.根据权利要求7所述的高度计，还包括：

卡尔曼滤波器，被配置成对所述高度变化和外部高度定点进行滤波以估计所述加速度计偏差。

9.根据权利要求8所述的高度计，其中：

所述外部高度定点是从GNSS信号得到的。

10.根据权利要求8所述的高度计，其中：

所述外部高度定点是从地图匹配得到的。

11.根据权利要求7所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，基于位置返回估计所述加速度计偏差。

12.根据权利要求7所述的高度计，还包括：

位置返回补偿检测器，基于面朝相反方向的位置返回来估计所述加速度计偏差。

13.根据权利要求7所述的高度计，还包括：

倾斜角计算器，基于所述经补偿的加速度和所述速度的变化率计算倾斜角；以及

重起动偏差检测器，基于休眠时间段之前最后的所述倾斜角来估计所述休眠时间段之后重新开始移动时的所述加速度计偏差。

14.根据权利要求1所述的高度计，还包括：

GNSS接收器，用于确定包括基于GNSS的高度的基于GNSS的位置；

偏航速率传感器，用于测量偏航角速率；并且其中：

所述航位推算高度计算器被配置成使用所述偏航角速率、所述基于GNSS的位置和所述高度变化来提供比所述基于GNSS的高度更精确的航位推算高度。

15.根据权利要求14所述的高度计，还包括：

具有停车库的多个楼层的地图；其中：

当所述基于GNSS的高度不能可靠地区分所述多个楼层时，使用所述航位推算高度来区分所述多个楼层。

16.一种对高度进行航位推算的方法，包括：

确定前向速度；

测量前向加速度；并且

基于所述速度和测得的所述加速度计算高度变化。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

测量偏航角速率；

根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度以确定经补偿的加速度；并且其中：

计算所述高度变化包括：使用所述经补偿的加速度和所述速度计算所述高度变化。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度包括：针对所述偏航角速率和相对于转弯半径线的线位置偏移进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

估计所述线位置偏移包括：使用在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回的双环。

20.根据权利要求17所述的方法，其中：

根据所述偏航角速率补偿测得的所述加速度包括：针对所述偏航角速率和偏航对准角进行补偿，以确定所述经补偿的加速度。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

估计所述偏航对准角包括：使用在顺时针环和逆时针环这二者中的一个之后设有第一位置返回并且在所述顺时针环和逆时针环这二者中的另一个之后设有第二位置返回的双环。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括：

根据加速度计偏差补偿测得的所述加速度以提供经补偿的加速度；其中：

计算所述高度变化包括：使用所述经补偿的加速度和所述速度来计算所述高度变化。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：

对所述高度变化和外部高度定点进行卡尔曼滤波，以估计所述加速度计偏差。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：

从GNSS信号得到所述外部高度定点。

25.根据权利要求23所述的方法，其中：

从地图匹配得到所述外部高度定点。

26.根据权利要求22所述的方法，还包括：

基于位置返回估计所述加速度计偏差。

27.根据权利要求22所述的方法，还包括：

基于面朝相反方向的位置返回来估计所述加速度计偏差。

28.根据权利要求22所述的方法，还包括：

基于所述经补偿的加速度和所述速度的变化率计算倾斜角；并且

基于休眠时间段之前最后的所述倾斜角和测得的所述加速度来估计所述休眠时间段之后重新开始移动时的所述加速度计偏差。

29.根据权利要求16所述的方法，还包括：

确定包括基于GNSS的高度的基于GNSS的位置；

测量偏航角速率；并且其中：

计算所述高度变化包括：使用所述偏航角速率、所述基于GNSS的位置和所述高度变化来提供比所述基于GNSS的高度更精确的航位推算高度。

30.根据权利要求29所述的方法，还包括：

提供具有停车库的多个楼层的电子地图；并且

当所述基于GNSS的高度不能可靠地区分所述多个楼层时，使用所述航位推算高度来区分所述多个楼层。

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