CN102169182B - 移动导航装置 - Google Patents

Abstract

一种移动导航装置，交替运作于一第一模式和一第二模式。在该第一模式中，一卫星定位模块启动，一航位推算模块关闭，一处理器根据该卫星导航信号计算该位置坐标。在该第二模式中，该卫星定位模块关闭，该航位推算模块启动，该处理器根据该移动量和该转动量更新该位置坐标。

Description

移动导航装置

技术领域

本发明是有关于移动导航装置，尤其是有关于同时搭配航位推算(DeadReckoning；DR)和全球定位系统(Global Positioning System；GPS)的导航定位方法。

背景技术

利用人造卫星分布于天空，以提供地面定位信号的技术，例如GPS系统，是一种免费的公开架构。随着GPS接收器的进步，移动导航装置已成为人手一机的普遍应用。举凡手机，个人数字助理，车用计算机皆可与GPS接收器和导航软件集成而成为移动导航装置。

然而在这些移动应用之中，移动装置本身的耗电问题一直是个技术瓶颈。在导航过程中，GPS接收器必须保持着开启状态，持续不断地追踪着天空中人造卫星的导航信号。虽然现今针对GPS接收器的耗电问题已存在有许多研发成果和专利，但是实际上所能节省的电力仍然只占了微小的比例。

有鉴于此，一种可有效利用GPS接收器又同时节省电力消耗的技术是有待开发的。

发明内容

本发明实施例揭露一种移动导航装置。该移动导航装置交替运作于一第一模式和一第二模式。在该第一模式中，一卫星定位模块启动，一航位推算模块关闭，一处理器根据该卫星导航信号计算该位置坐标。在该第二模式中，该卫星定位模块关闭，该航位推算模块启动，该处理器根据该移动量和该转动量更新该位置坐标。

该移动导航装置中，进一步包含一固件，提供一程序供该处理器执行以控制该第一模式和该第二模式的切换时机，以及一存储器耦接该处理器，用以储存该位置坐标。

本发明还提出一种定位方法，用于包含一卫星定位模块和一航位推算模块的一移动导航装置中。首先使该移动导航装置交替运作于一第一模式和一第二模式。该第一模式包含：启动该卫星定位模块以接收一卫星导航信号，并根据该卫星导航信号计算该位置坐标。该第二模式包含：关闭该卫星定位模块以节省电力，并启动该航位推算模块检测该移动导航装置的一移动量以及一转动量。最后根据该移动量和该转动量更新该位置坐标。

附图说明

图1为本发明实施例的一移动导航装置100；

图2为本发明实施例的移动导航装置100的运作流程图；

图3为本发明实施例的移动导航装置100运作于GPS模式的流程图；

图4为本发明实施例的移动导航装置100运作于DR模式的流程图；

图5为本发明另一实施例的DR模式流程图；

图6为本发明实施例的切换模式流程图；

图7为本发明实施例的转动量示意图；以及

图8为本发明实施例的功率消耗示意图。

[主要元件标号说明]

100  移动导航装置        110  卫星定位模块

120  航位推算模块        130  处理器

140  存储器              150  固件

具体实施方式

本发明利用了航位推算的技术，搭配既有的GPS接收器，而实现了一种新的移动导航架构。航位推算(Dead Reckoning)，简称DR，是一种利用移动惯性来检测自身位置移动量的技术。一般的DR主要包含了陀螺仪(Gyro)和加速度感应器(G-Sensor)，除了可检测自身的加速度、速度以及移动距离，也可以检测行进方向的改变。航位推算模块120的检测结果的误差范围可能会随着移动而逐渐增加，然而在一定的时间或距离范围内，仍然具有相当程度的可靠性。由于航位推算模块120在使用上所需消耗的电力远低于卫星定位模块110(约十分之一以下)，卫星定位模块110和航位推算模块120在特定的条件下交替使用，既可以保持导航定位的准确性，又可以兼具省电的效果。因此，下列实施例中介绍本发明搭配卫星定位模块110和航位推算模块120的做法。

图1为本发明实施例的一移动导航装置100。其中主要包含一卫星定位模块110和一航位推算模块120在处理器130的控制下交替运作。卫星定位模块110可接收一卫星导航信号。航位推算模块120可检测该移动导航装置100本身的移动量和转动量。移动量是指某单位时间内的移动距离，而转动量泛指行进方向的变化。因此详细记录这两种数值即可精确还原移动导航装置100的行进路径。该处理器130可执行存放于固件150中预先设计好的程序，以控制该卫星定位模块110和该航位推算模块120。举例来说，本实施例的移动导航装置100可被设计为运作在两个模式下，亦即第一模式及第二模式。在该第一模式中，该卫星定位模块110启动，该航位推算模块120关闭，该处理器130根据该卫星导航信号计算该位置坐标。而在该第二模式中，该卫星定位模块110关闭，该航位推算模块120启动，该处理器130根据该移动量和该转动量更新该位置坐标。简而言之，第一模式又可称为GPS模式，而第二模式称为DR模式。

至于存储器140，主要用于储存运作中所用到的任何数据，尤其是随时处于变动状态的该移动导航装置100的位置坐标。另一方面，对卫星定位模块110而言，要追踪并锁定卫星导航信号需要累积大量的数据，而累积这些数据一般需要花费很长时间。例如天空中卫星的分布状态，又称为星历图，是锁定位置坐标的必要信息。因此在卫星定位模块110被关闭时，这些信息可暂时保存在该存储器140中。当下次切换回该第一模式而再次开启卫星定位模块110时，可直接使用存储器140中的信息而节省重建这些信息的时间。

该移动导航装置100的详细运作过程，将于下列流程图中介绍。

图2为本发明实施例的移动导航装置100的运作流程图。首先在步骤201中，启动移动导航装置100。接着在步骤203中，该移动导航装置100会先进入第一模式，利用GPS取得当下的位置坐标。接着，该移动导航装置100无需持续保持在第一模式中，而是可视条件进行步骤205，切换至第二模式。在第二模式中，卫星定位模块110被关闭以减少电力消耗，位置坐标的后续更新，则仰赖航位推算模块120来检测。由于步骤205可能会产生误差，因此在误差范围扩大之前，该移动导航装置100可视条件再度跳回步骤203，再次启用卫星定位模块110来获取较准确的坐标值。因此，步骤203和205可周而覆始地进行。在步骤205中消耗的电力，基本上远小于步骤203所消耗的电力，因此整体来说节省的电量非常可观。

步骤203和205中更详细的实施例，将于下列流程图中说明。

图3为本发明实施例的移动导航装置100运作于GPS模式(第一模式)的流程图。在本实施例中说明了切换模式的考虑条件，主要包含卫星信号的接收状况，以及持续处于第一模式的持续时间长度。首先在步骤301中，该移动导航装置100进入第一模式。在步骤303中，该卫星定位模块110被开启后，开始尝试追踪并锁定卫星导航信号。此时若存储器140中储存有先前的星历图信息，即可在此时被采用以加速锁定位置坐标的过程。在步骤305中，该卫星定位模块110判断该卫星导航信号是否满足一接收条件。举例来说，如果该移动导航装置100位于室内，无法接收到卫星信号，则GPS定位将无法进行。又或者是追踪锁定的过程过久而达到逾时时限，至此可认定该接收条件不被满足。在接收条件不满足的情形下，该处理器130可直接将该移动导航装置100切换至该第二模式。

另一方面，在步骤305中，如果该卫星导航信号满足接收条件，例如该移动导航装置100位于卫星导航信号接收顺利的地方，则步骤307可顺利进行。在步骤307中，该处理器130根据该卫星导航信号更新该移动导航装置100的位置坐标。一般为了运作方便，位置坐标会存放在存储器140中，因此更新位置坐标时是由处理器130存取存储器140来达成。

在本发明实施例中，为了达成省电的效果，可限制该移动导航装置100持续处于第一模式的时间上限。当第一模式运作一段时间后，位置坐标已可正确锁定，故不需要继续花费电力来维系卫星定位模块110的运作。因此，在步骤309中，由该处理器130判断该移动导航装置100持续处于该第一模式的一第一时间长度t1是否超过一第一临界时间长度t_th1。

如果该第一时间长度t1超过该第一临界时间长度t_th1，则跳至步骤311，由该处理器130进行一模式切换程序，将该移动导航装置100切换至该第二模式。相对的，如果该第一时间长度t1不超过该第一临界时间长度t_th1，则跳回步骤303，该处理器130继续根据该卫星定位模块110接收到的卫星导航信号更新该移动导航装置100的位置坐标。

在步骤311中，进一步包含了该第一模式进入该第二模式时所必须进行的步骤。首先该航位推算模块120从关闭状态切换至启动状态，以检测该移动导航装置100的移动量和转动量。在航位推算模块120启动成功后，该卫星定位模块110即可切换至关闭状态以节省移动导航装置100的电力消耗。而进入第二模式之后的详细实施例流程图将于下述。

图4为本发明实施例的移动导航装置100运作于DR模式的流程图。在此主要说明的是第二模式遇到一些特定条件时才会切换回第一模式，例如持续时间、移动距离、或是移动导航装置100的行进方向的改变量。在步骤401中，该移动导航装置100进入了第二模式。此时卫星定位模块110已关闭，而航位推算模块120已开启。在步骤403中，航位推算模块120检测移动导航装置100的移动量和转动量。在步骤405中，处理器130根据该移动量和该转动量更新该移动导航装置100的位置坐标。

若是长时间在第二模式中运作，航位推算模块120产生的检测误差会扩大。此外，若是卫星定位模块110长时间处于关闭状态，例如超过四小时，则存储器140中储存的星历信息将会过期，而重新定位需要花很长时间进行才能启动。因此为了避免移动导航装置100的定位效能降低，本发明实施例设定了第二模式的时间上限。在步骤407中，该处理器130判断该移动导航装置100持续处于该第二模式的一第二时间长度t2是否超过一第二临界时间长度t_th2。如果该第二时间长度t2超过该第二临界时间长度t_th2，则跳至步骤413进行一模式切换程序，让移动导航装置100经过一些前置准备之后被切换至该第一模式。相对地，如果该第二时间长度t2不超过该第二临界时间长度t_th2，则移动导航装置100继续运作于第二模式。

另一方面，在卫星定位模块110关闭期间，若是移动距离超过二公里，则航位推算模块120的误差可能太大，所以须要切换到卫星定位模块110来进行校正。因此本发明实施例针对移动导航装置100在第二模式中可移动的距离也设计有上限。举例来说，在进入步骤401时，该处理器130可先将当下的移动导航装置100的位置坐标记录为一第一位置。而当程序进行到步骤409时，该处理器130判断该航位推算模块120检测到的移动量D是否超过一临界距离D_th，其中移动量D可以是从该第一位置起算的直线距离或是累积轨迹长度。如果该移动量D超过该临界距离D_th，则跳至步骤413，进行模式切换程序，让移动导航装置100经过一些前置准备之后被切换至该第一模式。相对的，如果该移动量D未超过该临界距离D_th，则该处理器130根据该第一位置、该移动量和该转动量更新该位置坐标，并使该移动导航装置100继续运作于该第二模式。

更进一步地说，移动导航装置100在第二模式中产生的转动量，也是决定是否要切回第一模式的因素。在先前所述的步骤401中，当移动导航装置100从该第一模式进入该第二模式时，该处理器130可顺便将当时该移动导航装置100的行进方向记录为一第一方向。而该航位推算模块120具有检测转动量的能力。在此的转动量可以有许多不同定义，也都可以用来当成判断依据。举例来说，转动量可以是该移动导航装置100当下的行进方向与该第一方向的夹角；转动量也可以是该移动导航装置100当下的位置坐标与该第一位置的连线，与该第一方向的夹角。又或者，转动量可以是该移动导航装置100于某一单位时间内的行进方向变化量，例如每五秒统计一次变化量。上述这些数值可用来判断移动导航装置100的移动是否迂回崎岖。一般来说，航位推算模块120对于直线移动的位置判断较准确，而对于转向的判断误差较大。因此在步骤411中，该处理器130判断该转动量Θ是否超过一临界角Θ_th。如果该转动量Θ超过该临界角Θ_th，则跳至上述步骤413进行模式切换程序。相对地，如果该转动量Θ未超过该临界角Θ_th，则跳回步骤403，使该移动导航装置100继续运作于该第二模式。

图5为本发明另一实施例的DR模式流程图。在本实施例中说明的是，航位推算模块120所测得的行进路线的迂回程度，可用来影响判断的临界值。如上所述，越迂回的行进路线具有越大的误差，因此需要较低的门坎以回复至第一模式。相对的，移动导航装置100的行进路径越直，受到误差的影响越小，因此可在第二模式中待久一点，走远一点。

具体地说，在步骤501中，该移动导航装置100进入了第二模式。此时卫星定位模块110已关闭，而航位推算模块120已开启。在步骤503中，航位推算模块120检测移动导航装置100的移动量和转动量。在步骤505中，处理器130根据该移动量和该转动量更新该移动导航装置100的位置坐标。在步骤507中，该处理器130根据航位推算模块120提供的移动量和转动量数据，判断移动导航装置100行进路径的迂回程度。计算的过程可以应用统计学的原理，例如平均数、变异数、或方均根值等具有指标作用的函数，将移动过程中检测到的瞬间角速度、平均角速度、或方向转动量等进行换算，而得到一个可代表迂回程度的值(例如称之为迂回指数)。详细的算法不在此详加介绍，只要是可描述路径曲直的数值统计方式皆可适用。举例来说，迂回指数越大者，可视为行进路径的曲折度越高。而迂回指数越小者，其行进路径越接近直线。

在步骤507中，如果迂回指数大于一临界值，则进行步骤509，处理器130指派一第一距离参考值D_ref1作为该临界距离D_th，并指派一第一时间参考值t_ref1作为该第二临界时间长度t_th2的值。相对地，如果迂回指数小于该临界值，则进行步骤511，处理器130指派一第二距离参考值D_ref2作为该临界距离D_th，并指派一第二时间参考值t_ref2作为该第二临界时间长度t_th2的值。更具体地说，在本实施例中，该第一距离参考值D_ref1小于该第二距离参考值D_ref2，该第一时间参考值t_ref1小于该第二时间参考值t_ref2。

接着步骤513和515采用上述步骤给定的临界值，进行与步骤407和409相同的判断操作。在步骤513中，该处理器130判断该移动导航装置100持续处于该第二模式的一第二时间长度t2是否超过一第二临界时间长度t_th2。如果该第二时间长度t2超过该第二临界时间长度t_th2，则跳至步骤517进行一模式切换程序，让移动导航装置100经过一些前置准备之后被切换至该第一模式。相对地，如果该第二时间长度t2不超过该第二临界时间长度t_th2，则继续进行步骤515。

在步骤515中，该处理器130判断该航位推算模块120检测到的移动量D是否超过步骤509或511决定的临界距离D_th。如果该移动量D超过该临界距离D_th，则跳至步骤517，进行模式切换程序，让移动导航装置100经过一些前置准备之后被切换至该第一模式。相对地，如果该移动量D未超过该临界距离D_th，则该处理器130根据该第一位置、该移动量和该转动量更新该位置坐标，并使该移动导航装置100继续运作于该第二模式。

图6为本发明实施例的模式切换的流程图。图4的步骤413和图5的步骤517相同，是为了从第二模式切换回第一模式而进行的准备。由于切换前并不知道移动导航装置100接收卫星导航信号的环境条件是否良好，因此不能冒然切换，否则可能导致航位推算模块120已关闭，但卫星定位模块110恰好在室内也无法定位的情况，而丧失对位置的追踪功能。在步骤601中，开始执行模式切换程序。在步骤603中，首先开启卫星定位模块110尝试追踪并锁定卫星信号。此时航位推算模块120仍然保持在开启状态，继续检测移动量和转动量。在步骤605中，判断卫星定位模块110是否已定位成功。如果是，则跳至步骤607，关闭航位推算模块120，正式进入第一模式。如果定位尚未成功，则跳至步骤609，检查卫星定位模块110开启以来已花费的时间t_track是否已超过一限定时间t_lim。如果已超过，则进行步骤611，放弃进入第一模式，关闭卫星定位模块110并回到第二模式，继续由航位推算模块120进行定位工作。相对地，若是时间还没超过，则跳回步骤603由卫星定位模块110继续尝试追踪及锁定卫星导航信号。

图7为本发明实施例的转动量示意图。航位推算模块120的运作大致上可视为每隔一小单位时间取样一次移动导航装置100的移动和转动的量值数据。P(T1)代表在第一时间点T1时，该移动导航装置100所在的第一位置。P(T2)代表在第二时间点T2时，该移动导航装置100所在的第二位置。R₁₂代表该移动导航装置100由P(T1)行进到P(T2)的路径，在本例中可见是一道弯曲。DIR1是移动导航装置100在P(T1)上的行进方向，DIR2是移动导航装置100在P(T2)上的行进方向。DIR3则是P(T1)到P(T2)的方向。在移动导航装置100由第一位置移到第二位置时，航位推算模块120所检测的转动量，可以看成是DIR1和DIR2所夹的角Θ₁、DIR1与DIR3的夹角Θ₂、或是路径R₁₂的曲率。若是将Θ1除以(T2-T1)所得的值即为平均角速度，若是(T2-T1)趋近于零，则其值代表瞬间角速度。由上可知，航位推算模块120所检测的转动量数据，可以有多种应用方式。而行进路径的迂回程度，即是这些信息的统计结果。综上所述，本发明实施例可运用上述概念而对转动量进行活用。

图8为本发明实施例的功率消耗示意图，说明在时间轴t上，移动导航装置100的功率消耗变化。其中，W1代表第一模式的功率消耗值，而W2代表第二模式的功率消耗值。移动导航装置100交替地切换于第一模式和第二模式之间。区间S1、S3和S5对应第一模式，其中只要GPS信号的接收条件不差，每个区间的持续时间大致相同。区间S2和S4对应第二模式，而每个区间的持续时间可能随着路况的改变而异。举例来说，区间S2可能经历一段较迂回的路径，而区间S4可能处于较直的路径。因此区间S4所延续的时间会比区间S2长。换句话说，理论上若是路况越直，则本发明实施例的移动导航装置100会越省电。

虽然本发明以较佳实施例说明如上，但可以理解的是本发明的范围未必如此限定。相对的，任何基于相同精神或对本发明所属技术领域中具有通常知识者为显而易见的改良皆在本发明涵盖范围内。因此权利要求范围必须以最广义的方式解读。

Claims (17)

1.一种移动导航装置，包含：

一卫星定位模块，用以接收一卫星导航信号；

一航位推算模块，用以检测该移动导航装置的一移动量和一转动量；

一处理器，耦接该卫星定位模块和该航位推算模块，用以读取该卫星导航信号、该移动量和该转动量；

其中该移动导航装置交替运作于一第一模式和一第二模式；

在该第一模式中，该卫星定位模块启动，该航位推算模块关闭，该处理器根据该卫星导航信号计算一位置坐标；以及

在该第二模式中，该卫星定位模块关闭，该航位推算模块启动，该处理器根据该移动量和该转动量更新该位置坐标，

其中在该第一模式中：

该处理器判断该移动导航装置持续处于该第一模式的一第一时间长度是否超过一第一临界时间长度；

如果该第一时间长度超过该第一临界时间长度，则该处理器将该移动导航装置切换至该第二模式；以及

如果该第一时间长度不超过该第一临界时间长度，则该处理器继续根据该卫星导航信号更新该位置坐标。

2.根据权利要求1所述的移动导航装置，进一步包含：

一固件，耦接该处理器，提供一程序供该处理器执行以控制该第一模式和该第二模式的切换时机；以及

一存储器，耦接该处理器，用以储存该位置坐标。

3.根据权利要求2所述的移动导航装置，其中当该移动导航装置从该第一模式切换至该第二模式时，该存储器保存该卫星定位模块中的数据状态以供下次切换回该第一模式时继续使用。

4.根据权利要求1所述的移动导航装置，其中在该第一模式中：

该卫星定位模块判断该卫星导航信号是否满足一接收条件；

如果该接收条件不被满足，则该处理器将该移动导航装置切换至该第二模式。

5.根据权利要求4所述的移动导航装置，其中如果该卫星导航信号满足该接收条件，则该处理器根据该卫星导航信号更新该位置坐标。

6.根据权利要求1所述的移动导航装置，其中该移动导航装置从该第一模式进入该第二模式时：

该航位推算模块从关闭状态切换至启动状态，以检测该移动量和该转动量；以及

该卫星定位模块切换至关闭状态以节省移动导航装置的电力消耗。

7.根据权利要求1所述的移动导航装置，其中在该移动导航装置从该第二模式切换至该第一模式时：

该处理器启动该卫星定位模块并同时保持该航位推算模块的开启状态；

该处理器判断该卫星定位模块是否于一限定时间内锁定该卫星导航信号；

如果该卫星定位模块于该限定时间内锁定该卫星导航信号，则该处理器关闭该航位推算模块而保持开启该卫星定位模块，将该移动导航装置切换至该第一模式；以及

如果该卫星定位模块于该限定时间内未能锁定卫星导航信号，则该处理器关闭该卫星定位模块而保持开启该航位推算模块，将该移动导航装置切换至该第二模式。

8.根据权利要求1所述的移动导航装置，其中在该第二模式中：

该处理器判断该移动导航装置持续处于该第二模式的一第二时间长度是否超过一第二临界时间长度；

如果该第二时间长度超过该第二临界时间长度，则该处理器将该移动导航装置切换至该第一模式；以及

如果该第二时间长度不超过该第二临界时间长度，则该处理器继续根据该移动量和该转动量更新该位置坐标。

9.根据权利要求8所述的移动导航装置，其中该移动导航装置从该第一模式进入该第二模式时，该处理器将当时的该位置坐标记录为一第一位置。

10.根据权利要求9所述的移动导航装置，其中在该第二模式中：

该处理器判断该移动量是否超过一临界距离，其中该移动量是由该第一位置起算；

如果该移动量超过该临界距离，则该处理器将该移动导航装置切换至该第一模式；以及

如果该移动量未超过该临界距离，则该处理器根据该第一位置、该移动量和该转动量更新该位置坐标，并使该移动导航装置继续运作于该第二模式。

11.根据权利要求10所述的移动导航装置，其中该移动导航装置从该第一模式进入该第二模式时，该处理器将当时的该移动导航装置的行进方向记录为一第一方向。

12.根据权利要求11所述的移动导航装置，其中在该第二模式中：

该处理器判断该转动量是否超过一临界角；

如果该转动量超过该临界角，则该处理器将该移动导航装置切换至该第一模式；以及

如果该转动量未超过该临界角，则该处理器根据该第一位置、该移动量和该转动量更新该位置坐标，并使该移动导航装置继续运作于该第二模式。

13.根据权利要求12所述的移动导航装置，其中该转动量为该移动导航装置当下的行进方向与该第一方向的夹角。

14.根据权利要求12所述的移动导航装置，其中该转动量为该移动导航装置当下的位置坐标与该第一位置的连线，与该第一方向的夹角。

15.根据权利要求12所述的移动导航装置，其中该转动量为该移动导航装置于一单位时间内的行进方向变化量。

16.根据权利要求10所述的移动导航装置，其中在该第二模式中：

该航位推算模块统计该移动导航装置的瞬间角速度、平均角速度以及该转动量以判断该移动导航装置的移动路径的一迂回指数；

如果该迂回指数大于一临界值，该处理器使用一第一距离参考值作为该临界距离，并使用一第一时间参考值作为该第二临界时间长度的值；以及

如果该迂回指数小于该临界值，该处理器使用一第二距离参考值作为该临界距离，并使用一第二时间参考值作为该第二临界时间长度的值；

其中该第一距离参考值小于该第二距离参考值；以及该第一时间参考值小于该第二时间参考值。

17.根据权利要求1所述的移动导航装置，其中该航位推算模块包含一陀螺仪或一加速度感应器。

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