CN102216802A - 移动单元位置测量设备和移动单元位置测量方法 - Google Patents

移动单元位置测量设备和移动单元位置测量方法 Download PDF

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Abstract

移动单元位置测量设备包括：观测数据选择装置，用于计算与多条观测数据分别对应的多个估计误差值，并用于从计算出的多个估计误差值提取至少一个估计误差值组，所述组至少包括预定数量的估计误差值，并且其中所包括的预定数量的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值，并用于从而选择所提取的至少一个估计误差值组当中估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据。

Description

移动单元位置测量设备和移动单元位置测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于基于来自卫星的信号测量移动单元的位置的移动单元位置测量设备和移动单元位置测量方法。
背景技术
已经广泛地使用基于来自卫星的信号测量移动单元的位置的设备。这些设备的问题是所谓的多路径现象。这是其中当接收器接收从建筑物等反射的来自卫星的信号时，所获得的接收器和卫星之间的距离(伪距离)与它们之间的实际距离有偏差，使得设备的当前位置被误识别。
鉴于该问题，已经公开了一种发明，其涉及通过仅仅使用来自卫星的信号执行定位计算，对于该来自卫星的信号，多普勒偏移的观测量与由所谓的惯性导航系统(INS)基于陀螺传感器或者车速传感器的输出而计算出的多普勒偏移的估计量之间的差小于阈值(例如，参见日本专利申请公开No.2001-264409(JP-A-2001-264409))。
然而，在相关现有技术方法中，会发生这样的情况：如果基于陀螺传感器或者车速传感器的输出计算移动单元的位置或者速度中发生比较大的误差，则不选择卫星。因而，在一些情况下，不能连续和精确地测量移动单元的位置。
发明内容
本发明提供一种以增强的连续性和精度执行移动单元的位置测量(定位)的移动单元位置测量设备。
根据本发明第一方面的移动单元位置测量设备包括：接收装置，用于从多个卫星接收信号；观测数据选择装置，用于对接收装置接收到的信号进行观测而获得的多条观测数据中的一些或者全部进行选择；以及定位计算装置，用于基于由观测数据选择装置选择的观测数据执行定位计算，其中观测数据选择装置计算对接收装置接收到的信号进行观测而获得的多条观测数据分别对应的多个估计误差值，产生多个组，每组包括与至少预定数量的卫星对应的估计误差值，然后从所产生的估计误差值组提取其中所包括的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值的估计误差值组，从而选择所提取的估计误差值组当中估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据。
根据本发明第一方面，可以以增大的连续性和精度执行移动单元的定位或者位置测量。
此外，例如，为了计算估计误差值，执行关于移动单元的位置或者速度的观测数据与由惯性导航系统(INS)等计算的其位置或者速度的比较。
根据本发明第二方面的移动单元位置测量方法，包括：计算对从多个卫星传输的信号进行观测而获得的多条观测数据分别对应的多个估计误差值；从所计算的估计误差值组中提取分别至少包括预定数量的估计误差值并且其中所包括的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值的估计误差值组；选择所提取的估计误差值组当中估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据；基于所选择的观测数据中至少一条或者全部来执行定位计算。
根据本发明的第二方面，可以以增大的连续性和精度执行移动单元的定位或者位置测量。
根据本发明第三方面的移动单元位置测量设备，包括接收部分，其从多个卫星接收信号；观测数据选择部分，其计算分别与通过观测由接收部分接收到的信号而获得的多条观测数据对应的多个估计误差值，并从计算出的多个估计误差值提取分别至少包括预定数量的估计误差值并且其中所包括的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值的估计误差值组，并选择所提取的估计误差值组当中估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据；以及定位计算部分，其基于由观测数据选择部分选择的观测数据执行定位计算。
附图说明
本发明的前述和其它目的、特征和优点从以下对示例实施例的描述参照附图将变得明显，其中类似的编号用来表示类似的元件，并且其中：
图1示出了移动单元位置测量设备1的系统构造的示例；
图2是示出了由根据本发明第一实施例的观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的流程的流程图；
图3是示出由根据本发明第二实施例的观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的流程的流程图；以及
图4是示出由根据本发明第三实施例的观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的流程的流程图。
具体实施方式
(第一实施例)以下将描述根据本发明第一实施例的移动单元位置测量设备1。移动单元位置测量设备1应用到所谓的全球导航卫星系统(GNSS)。GNSS是其中定位设备使用来自卫星的信号测量移动单元的位置的定位系统，并且GNSS包括使用卫星的定位系统，诸如全球定位系统(GPS)、伽利略、格纳斯等。尽管以下将GPS用作本发明第一实施例的基本构造进行描述，但是本发明不仅可以应用到GPS，而且可以广泛地应用到所有GNSS。
GPS由绕地球轨道运行的GPS卫星和诸如本实施例的移动单元位置测量设备1的定位设备组成。移动单元位置测量设备1能安装在例如机动车、机动脚踏车、轨道列车、船舶、航空器、铲车、机器人、由人移动携带的蜂窝电话机等。以下假定移动单元位置测量设备1安装在机动车中进行说明。
GPS卫星向地球连续地发送导航信息(卫星信号)。导航信息包括关于相应的GPS卫星的卫星轨道信息(天体位置表和年历)、时钟校正值和电离层校正值。导航信息朝向地球连续地发送，由粗获取码(C/A码)传播并叠加在L1波(其频率为1575.42MHz)上。此外，L1波是由C/A码调制正弦波和精密码(P码)调制余弦波组成的并且正交调制的合成波。C/A码和P码是各由-1和1以不规则的周期排列的码串组成的伪噪音码。
当今，有24颗GPS卫星在约20,000km的海拔环绕地球飞行，并且四颗GPS卫星等距离地设置在彼此倾斜55度角度的地球的六个轨道平面中的每个平面中。因而，在地球上具有开阔天空的任何位置，能始终观测到至少五个GPS卫星。
图1是移动单元位置测量设备1的系统构造。移动单元位置测量设备1具有GPS天线10、位置/速度估计用装置20和信息处理装置30作为主要部件。
位置/速度估计用装置20是用于通过惯性导航系统(INS)、地图匹配技术等来估计移动单元的位置和速度的装置。位置/速度估计用装置20例如包括G-传感器、角速度传感器、车速传感器、地磁传感器、地图数据库、使用这些设备等估计移动单元的位置和速度的微计算机等。关于使用前述设备来估计移动单元的位置和速度，各种技术是公知的。因而，此处省略估计的描述。
信息处理装置30例如是具有通过总线互连的作为中心部分的中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存取器(RAM)的微计算机。信息处理装置30具有存储装置，诸如硬盘驱动器(HDD)、数字万用盘(DVD)驱动器、致密盘可记录(CD-R)驱动器、电可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)等，并还具有输入/输出端口、计时器、计数器等。ROM存储CPU执行的程序并还存储数据。
信息处理装置30具有用作执行存储在ROM中的程序的CPU的各种主要功能块。该装置30的主要功能块包括伪距离计算部分32、多普勒频率计算部分34、累计多普勒范围(ADR)计算部分36、观测数据选择部分38和定位计算部分40。
伪距离计算部分32通过使用内部产生的复本C/A码的使用在信号上执行C/A码同步来从GPS天线10接收到的信号提取导航信息，并且还计算伪距离ρi(i＝1，2，...n，以下将简称为“ρ”)。不同于GPS和移动单元的位置测量设备1之间的真实距离，伪距离ρ包括时间误差(时钟偏差)、由于电磁波传播速度变化的误差。C/A码同步的方法多种多样，并且可以使用任何适合的C/A码同步方法。例如，C/A码同步的方法可以是通过使用延迟锁止环(DLL)跟踪使复本C/A码与接收到的C/A码的相关值成为峰值的码相位。例如，使用以下表达式(1)计算伪距离ρ。
ρ＝N×300...(1)
其中，N对应于GPS卫星和移动单元位置测量设备1之间的C/A码的比特数，并基于复本C/A码的相位和设置在移动单元的位置测量设备1内的接收器时钟而计算出。此外，300的数值来自于这样的事实：C/A码1的一个比特的持续时间是1μs，并且与其一个比特对应的长度约为300m(1μs×光速)。表示如上所述计算出的伪距离ρ的信号输入到观测数据选择部分38。此外，计算出的伪距离ρ还可以在输入到定位计算部分40之前由滤波器(未示出)通过使用以下所述的多普勒频率的变化量Δf进行载波平滑化。
多普勒频率计算部分34具有测量来自每个卫星的信号的载波相位的功能，并通过使用内部产生的复本载波来测量所接收到的已经多普勒偏移的载波的多普勒频率的变化量Δfi(i＝1，2，...n，以下将简称为“Δf”)。多普勒频率的变化量Δf测量为复本载波的频率fr和公知载波频率fc(1575.42MHz)之间的差(＝fr-fc)。这种功能可以由相位锁止环(PLL)技术来实现，该技术使用复本载波来计算载波相关值，由此跟踪接收的载波。由多普勒频率计算部分34计算的多普勒频率的变化量Δf输出到ADR计算部分36和观测数据选择部分38。
ADR计算部分36计算ADRi(i＝1，2，...n，以下将简称为“ADR”，并且为多普勒频率的变化量的积分值)。由ADR计算部分36计算的ADR输出到观测数据选择部分38。
观测数据选择部分38使用观测数据(伪距离ρ、多普勒频率的变化量Δf和ADR)的一部分或者全部基于来自每个卫星的信号判定观测数据的可靠性。根据判定结果，观测数据选择部分38选择各条观测数据。在以下描述中，通过使用伪距离ρ执行观测数据选择处理。
图2是示出根据第一实施例由观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的流程的流程图。
首先，观测数据选择部分38使用由伪距离计算部分32计算的伪距离ρ和由位置/速度估计用装置20估计的位置来计算与各个卫星相关的观测数据的估计误差值ε1、ε2、...εN(S100)。通过从在执行反复处理的过程中前次计算出的移动单元的位置到移动单元的当前计算位置的位移矢量和连接卫星和移动单元的视线矢量来估计伪距离ρ的变化量，并使用伪距离ρ的估计变化量和由伪距离计算部分32计算的伪距离ρ的变化量之差求出估计误差值。
此外，在多普勒频率的变化量Δf用作观测数据的情况下，从由多普勒频率计算部分34计算的多普勒频率的变化量Δf和由位置/速度估计用装置20估计的速度来计算估计误差值ε1、ε2、...εN。此外，在ADR用作观测数据的情况下，从由ADR计算部分计算的ADR和由位置/速度估计用装置20估计的位置来计算估计误差值ε1、ε2、...εN。
在计算估计误差值ε1、ε2、...εN之后，产生各组，每组包括预定数量的这些观测数据的估计误差值ε1、ε2、...εN(S102)。此处的预定数量是与用于定位计算所需的卫星数量相当的值，并一般为约4到5的数。因而，例如，如果N＝9并且预定的数是四，则产生4C9+5C9+6C9+7C9+8C9+9C9组。
接着，在所产生的组当中，提取最大值和最小值之间的差小于预定值的组(S104)。
然后，在所提取的组当中，选择标准偏差最小的组。然后，选择与包括在所选择的组中的估计误差值对应的卫星，并且选择基于来自选择的卫星的信号的各条观测数据，并输出到定位计算部分40(S106)。
通过前述处理，选择由位置/速度估计用装置20估计的位置等的误差彼此最相似的观察数据组。因而，排除了误差被卫星信号方面的问题(诸如多路径等)变大的观测数据。结果，选择来自没有诸如多路径等的问题的卫星信号的观测数据，使得以良好的精度执行移动单元的定位。
此外，在由位置/速度估计用装置20估计的位置等中存在误差的情况下，误差没有被卫星信号方面的问题变大的观测数据的估计误差值一致地增大。因而，在此情况下，选择误差没有被卫星信号方面的问题变大的观测数据。因而，即使在从陀螺传感器或者车速传感器的输出计算移动单元的位置或者速度中存在比较大的误差的情况下，也能连续地执行移动单元的位置测量。
此外，由于前述选择技术是处理负担小的简单和容易的技术，前述技术减小了信息处理装置30的处理时间和电力消耗。因而，第一实施例当用作为需要执行连续处理的车载定位设备时产生巨大效果。
定位计算部分40使用由观测数据选择部分38选择的观测数据计算移动单元的位置和速度。具体地，例如，定位计算部分40通过使用ADR在伪距离ρ上执行载波平滑化处理来计算移动单元的位置，并通过使用多普勒频率的变化量Δf来计算移动单元的速度(速度矢量)。关于该定位计算，各种技术是公知的，因而，此处省略其详细的描述。
根据前述第一实施例的移动单元位置测量设备1，可以以增大的连续性和精度执行移动单元的定位。
(第二实施例)以下将描述根据本发明第二实施例的移动单元位置测量设备2。移动单元位置测量设备2与第一实施例的设备不同仅仅在于由观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的内容，因而将仅就与第一实施例的不同进行描述。
根据第二实施例的观测数据选择部分38使用观测数据当中的多普勒频率的变化量Δf基于来自每个卫星的信号判定观测数据的可靠性。根据判定结果，观测数据选择部分38选择观测数据。
图3是示出根据第二实施例的观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的流程的流程图。
首先，观测数据选择部分38使用由多普勒频率计算部分34计算出的多普勒频率的变化量Δf和位置/速度估计用装置20估计的位置计算关于各个卫星的观测数据的估计误差值ε1、ε2、...εN(S200)。
在计算估计误差值ε1、ε2、...εN之后，产生各组，每组包括预定数量的这些观测数据的估计误差值ε1、ε2、...εN(S202)。此处预定数量是与定位计算所需的卫星数量相当的数，并且一般为约4至5的数。因而，例如，如果N＝9并且预定的数是四，则产生4C9+5C9+6C9+7C9+8C9+9C9组。
接着，在所产生的组当中，提取最大值和最小值之差小于预定值的组(S204)。
然后，关于每个所提取的组，观测数据选择部分38估计速度误差(S206)。例如，使用最小二乘法的观测方程式估计速度误差。以下表达式是使用最小二乘法的观测方程式的速度误差估计的示例。
Ev＝(HTH)-1HTe
其中：
Ev表示速度的误差矢量；
e＝[εε...ε]T表示从组中的误差估计值产生的列矢量；
Figure BPA00001373094700081
表示设计矩阵；并且
Figure BPA00001373094700082
表示从卫星到接收器的视线矢量。
在对每组估计速度误差之后，选择各组当中具有最小速度误差的那一者。然后，选择与包括在所选择的组中的估计误差值对应的卫星。此后，选择基于来自所选择的卫星的信号的观测数据，并将其输出到定位计算部分40(S208)。
通过此处理，选择由位置/速度估计用装置20估计的速度误差彼此最相似的观测数据组。排除了误差被诸如多路径等的卫星信号方面的问题变大的观测数据。结果，选择来自没有诸如多路径等的问题的卫星信号的观测数据，使得能以良好的精度执行移动单元的定位。
此外，在由位置/速度估计用装置20估计的位置等中存在误差的情况下，误差没有被卫星信号方面问题变大的观测数据的估计误差值一致地增大。因而，同样在此情况下，选择误差没有被卫星信号方面问题变大的观测数据。因而，即使在从陀螺传感器或者车速传感器的输出计算出移动单元的位置或者速度中存在比较大的误差，也能连续地执行移动单元的位置测量。
根据前述第二实施例的移动单元位置测量设备2，可以以增大的连续性和精度执行移动单元的定位。
(第三实施例)以下将描述根据本发明第三实施例的移动单元位置测量设备3。移动单元位置测量设备3与第一和第二实施例的设备不同仅仅在于由观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的内容，因而将仅仅就与第一和第二实施例的不同之处进行描述。
根据第三实施例的观测数据选择部分38执行各个估计误差值ε1、ε2、...εN与平均值的差的检测。根据检测结果，观测数据选择部分38选择观测数据。在以下描述中，观测数据选择部分38使用伪距离ρ执行观测数据选择处理。
图4是示出由根据第三实施例的观测数据选择部分38执行的观测数据选择处理的流程的流程图。
首先，观测数据选择部分38使用由伪距离计算部分32计算出的伪距离ρ和由位置/速度估计用装置20估计的位置计算关于各个卫星的观测数据的估计误差值ε1、ε2、...εN(S300)。
此外，在多普勒频率的变化量Δf用作观测数据的情况下，从由多普勒频率计算部分34计算的多普勒频率的变化量Δf和位置/速度估计用装置20估计的速度计算估计误差值ε1、ε2、...εN。此外，在ADR用作观测数据的情况下，从由ADR计算部分计算出的ADR和由位置/速度估计用装置20估计的位置来计算估计误差值ε1、ε2、...εN。
在计算ε1、ε2、...εN之后，对每个卫星执行以下处理。
执行估计误差值εi和除了εi以外的估计误差值的平均值之差的检测(S302)。
然后，判定估计误差值εi与除了εi以外的估计误差值的平均值之差是否在预定的范围内(S304)。如果该差不在预定的范围内，则该估计误差值εi作为异常值被排除(S306)。
通过前述处理，选择由位置/速度估计用装置20估计的位置等的误差彼此最相似的观测数据组。因而，排除误差被诸如多路径等的卫星信号方面的问题变大的观测数据。结果，选择没有诸如多路径等的问题的卫星信号的观测数据，使得能以良好的精度执行移动单元的定位。
此外，在由位置/速度估计用装置20估计的位置等中存在误差的情况下，误差没有被卫星信号方面问题变大的观测数据的估计误差值一致地增大。因而，同样在此情况下，选择误差没有被卫星信号方面问题变大的观测数据。因而，即使在从陀螺传感器或者车速传感器的输出计算移动单元的位置或者速度中存在比较大的误差的情况下也能连续地执行移动单元的位置测量。
根据前述第三实施例的移动单元位置测量设备3，可以以增大的连续性和精度执行移动单元的定位。
此外，代替在第三实施例中与平均值的差的检测，还可以执行Smirnoff-Grubbs检测、Q检测等。在任何情况下，该检测可以重复地执行，直到没有异常值，并且其余数据可以视为正常值。
本发明以任何方式都不限于前述实施例，还可以在不脱离本发明的精神的情况下以各种方式修改或者替换。

Claims (7)

1.一种移动单元位置测量设备，包括接收装置，用于从多个卫星接收信号；观测数据选择装置，用于对所述接收装置接收到的信号进行观测而获得的多条观测数据中的一些或者全部进行选择；以及定位计算装置，用于基于由所述观测数据选择装置选择的观测数据执行定位计算，所述移动单元位置测量设备的特征在于：
所述观测数据选择装置计算与对所述接收装置接收到的信号进行观测而获得的所述多条观测数据分别对应的多个估计误差值，产生多个组，每组包括与至少预定数量的卫星对应的估计误差值，然后从所产生的估计误差值组提取其中所包括的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值的估计误差值组，从而选择所提取的估计误差值组当中所述估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据。
2.根据权利要求1所述的移动单元位置测量设备，其中，所述观测数据是所述多个卫星和所述移动单元位置测量设备之间的伪距离、所述接收装置接收到的信号的多普勒频率变化量以及所述多普勒频率变化量的积分值中的至少一者。
3.根据权利要求2所述的移动单元位置测量设备，还包括
位置/速度估计装置，其用于估计所述移动单元的位置和速度，其中，所述观测数据选择装置基于所述伪距离和所述移动单元的位置计算所述估计误差值。
4.根据权利要求3所述的移动单元位置测量设备，其中，所述观察数据选择装置基于所述多普勒频率变化量和所述移动单元的速度计算所述估计误差值。
5.根据权利要求3或4所述的移动单元位置测量设备，其中，所述观测数据选择装置基于所述多普勒频率变化量的积分值和所述移动单元的位置来计算所述估计误差值。
6.一种移动单元位置测量方法，包括：
计算对从多个卫星传输的信号进行观测而获得的多条观测数据分别对应的多个估计误差值；
产生多个组，每组包括与至少预定数量的卫星对应的估计误差值；然后
从所产生的估计误差值组中提取其中所包括的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值的估计误差值组；然后
选择与所提取的估计误差值组当中所述估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据；
基于所选择的观测数据中至少一条或者全部来执行定位计算。
7.一种移动单元位置测量设备，包括：
接收部分，其从多个卫星接收信号；
观测数据选择部分，其计算分别与通过观测由所述接收部分接收到的信号而获得的多条观测数据对应的多个估计误差值，并从计算出的多个估计误差值提取分别至少包括预定数量的估计误差值并且其中所包括的估计误差值的最大值和最小值之间的差小于预定值的估计误差值组，并选择与所提取的估计误差值组当中估计误差值的标准偏差最小的估计误差值组中包括的估计误差值所对应的卫星的信号所提供的观测数据；以及
定位计算部分，其基于由所述观测数据选择部分选择的观测数据执行定位计算。
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