CN102884398B - 取向传感器校准 - Google Patents

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Abstract

配置成在无线通信网络中使用的移动设备，包括：图像捕捉设备；配置成测量移动设备的第一取向的至少一个传感器；以及通信地耦合至该图像捕捉设备和该至少一个传感器的处理器，该处理器配置成：标识由该图像捕捉设备捕捉的图像中的物体；使用移动设备的位置来确定该物体相对于该移动设备的实际定位；并使用该物体相对于该移动设备的实际定位和该图像来确定针对传感器的校正。

Description

取向传感器校准
背景
随着价廉且小型的取向传感器（像罗盘、加速计和陀螺仪）广泛可用，它们被纳入很多现代移动设备（像蜂窝电话、GPS接收机及其他设备）中。这些传感器用于确定设备取向以用于竖屏/横屏显示切换、姿势识别、使地图对准北方、“指向并点击”对象识别、计步法、导航等。
尽管对于大部分应用而言良好的取向准确性很重要，但用低成本的传感器来实现高准确性是具有挑战性的。这往往就是传感器校准有用的地方。校准过程包括测量和存储传感器参数（像偏移和缩放因子）。经校准参数随后被用于正常操作中以将“原始”传感器读数准确地转换成移动设备取向。
一些移动设备在工厂里在特殊的固定设备中被校准，其他的设备由用户通过将该设备放置于指定取向而被校准，而其他设备在正常操作期间经历连续或偶发的自动“操作中”校准。即使设备已在工厂里被校准，用户执行的或自动的附加校准也是有用的并且有时甚至是不可避免的。例如，当具有磁性罗盘的设备被置于车辆中时，由含铁金属部件感生的磁场应当被校准掉以提高罗盘准确性。
概述
配置成在无线通信网络中使用的移动设备的示例包括：图像捕捉设备；配置成测量移动设备的第一取向的至少一个传感器；以及通信地耦合至该图像捕捉设备和该至少一个传感器的处理器，该处理器配置成：标识由该图像捕捉设备捕捉的图像中的物体；使用移动设备的位置来确定该物体相对于该移动设备的实际定位；并使用该物体相对于该移动设备的实际定位和该图像来确定对该传感器的校正。
此类移动设备的实现可包括以下特征中的一项或更多项。该物体是天体，并且该处理器配置成使用该移动设备的位置和当前时间来确定该天体相对于该移动设备的实际定位。为了确定该校正，该处理器配置成执行以下至少一者：（1）使用该图像和该移动设备的该第一取向来确定该物体相对于该移动设备的估计定位，或者（2）使用该图像和该物体的该实际定位来确定该移动设备的第二取向。为了确定该校正，该处理器配置成：确定该物体的该估计定位；将该实际定位与该估计定位相比较来确定定位差值；并确定使得该定位差值将减小的校正。为了确定该校正，该处理器配置成：确定该移动设备的该第二取向；并确定使得该第一取向与该第二取向之间的差值将减小的校正。该处理器配置成针对由该图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定该第一取向并确定该校正。该处理器配置成针对由该图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定该第一取向并基于关于这多个图像的该第一取向来确定该移动设备的转动速率以便为该移动设备提供虚拟陀螺仪。该图像捕捉设备配置成无需用户输入自动地捕捉图像。该处理器配置成使用该第一取向、该校正、该图像、以及该物体的该实际定位来为该移动设备提供虚拟罗盘。
移动设备中校准该移动设备的方法的示例包括：用该移动设备的图像捕捉设备捕捉物体的图像；使用该移动设备的传感器确定该移动设备的第一取向；使用该移动设备的位置和当前时间来确定该物体相对于该移动设备的实际定位；以及确定针对该传感器的校正，该校正是使用该物体相对于该移动设备的实际定位、该图像、和该第一取向来确定的。
此类方法的实现可包括以下特征中的一项或更多项。该物体是天体，并且确定该物体相对于该移动设备的实际定位包括使用该移动设备的位置和当前时间。确定该校正包括以下至少一者：（1）使用该图像和该移动设备的该第一取向来确定该物体相对于该移动设备的估计定位，或者（2）使用该图像和该物体的该实际定位来确定该移动设备的第二取向。该方法还包括，重复该捕捉、确定该第一取向、和确定该校正。重复该捕捉是按以下至少一者来完成的：（1）针对不同物体，或（2）以不同的设备取向。该捕捉无需用户输入自动地发生。
移动电信设备的驻留在处理器可读介质上且包括处理器可读指令的计算机程序产品的示例，该处理器可读指令被配置成使处理器：使用该移动设备的传感器确定该移动设备的第一取向；使用该移动设备的位置和当前时间来确定天体相对于该移动设备的实际定位；并使用该天体相对于该移动设备的实际定位和由该移动设备获取的天体图像来确定针对该传感器的校正。
此类计算机程序产品的实现可包括以下特征中的一项或更多项。该物体是天体，并且配置成使处理器确定天体相对于该移动设备的实际定位的指令配置成使该处理器使用该移动设备的位置和当前时间。配置成使处理器确定该校正的指令配置成使该处理器执行以下至少一者：（1）使用该图像和该移动设备的该第一取向来确定该物体相对于该移动设备的估计定位，或者（2）使用该图像和该物体的该实际定位来确定该移动设备的第二取向。配置成使处理器确定该校正的指令被配置成使该处理器：确定该物体的该估计定位；将该实际定位与该估计定位相比较来确定定位差值；并确定使得该定位差值将减小的校正。配置成使处理器确定该校正的指令被配置成使该处理器：确定该移动设备的该第二取向；并确定使得该第一取向与该第二取向之间的差值将减小的校正。被配置成使处理器确定该校正的指令被配置成使该处理器针对由该图像捕捉设备所捕捉的多个图像中的每一个图像确定该校正。被配置成使处理器确定第一取向的指令被配置成使该处理器针对由该图像捕捉设备所捕捉的多个图像中的每一个图像确定该第一取向，该指令还包括被配置成使该处理器基于关于这多个图像的第一取向来确定该移动设备的转动速率以便为该移动设备提供虚拟陀螺仪的指令。
配置成在无线通信网络中使用的移动设备的另一示例包括：图像捕捉设备；第一取向装置，用于测量该移动设备的第一取向；以及通信地耦合至该图像捕捉设备和该第一取向装置的校正装置，用于：标识由该图像捕捉设备捕捉的图像中的天体；使用移动设备的位置和当前时间来确定该天体相对于该移动设备的实际定位；并使用该天体相对于该移动设备的实际定位和该图像来确定对传感器的校正。
此类移动设备的实现可包括以下特征中的一项或更多项。校正装置配置成使用该移动设备的位置和当前时间来确定该天体相对于该移动设备的实际定位。该校正装置配置成：确定该天体的估计定位；将该实际定位与估计定位相比较来确定定位差值；并确定使得该定位差值将减小的校正。该校正装置配置成：确定该移动设备的该第二取向；并确定使得该第一取向与该第二取向之间的差值将减小的校正。该校正装置配置成针对由该图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定该第一取向并确定该校正。该校正装置配置成针对由该图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定该第一取向并基于关于这多个图像的该第一取向来确定该移动设备的转动速率以便为该移动设备提供虚拟陀螺仪。该图像捕捉设备配置成无需用户输入自动地捕捉图像。该校正装置配置成使用该第一取向、该校正、该图像、以及该天体的该实际定位来为该移动设备提供虚拟罗盘。
本文中描述的项目和/或各技术可提供以下能力中的一个或多个。设备的取向测量和指示可得到改善。在存在强磁场和/或存在含铁材料的情况下可提供准确的罗盘读数。尽管已描述了项目/技术-效果对，但是也可以通过除所提及的手段以外的手段来达成所提及的效果，并且所提及的项目/技术可以并非必然产生所提及的效果。
附图简要说明
在附图中，相同元件有相同附图标记。
图1是环境中暴露于相对静止的物体（包括天体）的移动设备的简化图。
图2是移动设备的简化功能框图。
图3是基于天体的传感器校准器的简化功能框图。
图4是校准移动设备中的传感器的方法的简化流程图。
图5是在移动设备中提供罗盘仿真的方法的简化流程图。
具体描述
可使用移动设备可用或可访问的信息来重新校准或校正该移动设备中的一个或多个取向传感器。例如，诸物体的位置可被用于校准一个或多个取向传感器。这些物体优选地是相对静止并且定位已知的。然而，即使这些物体的实际定位不是已知的，这些物体也可被使用，例如，用于确定移动设备（诸如移动电话）的运动。定位已知的相对静止物体的一个示例是天体（诸如太阳或月球）。尽管以下描述着重于使用天体，但其他物体也可被使用，诸如建筑物、建筑物的部分（例如，窗、门）、陆标（例如，山脉），等等。
导航器能观察一个或多个天体并通过参考地图、历书、或其他表来确定指引航向。位置感知型移动设备能使用关于其位置的知识结合参考地图、历书或表来确定天体的位置。可基于该信息来校准或以其他方式校正移动设备的取向传感器。
天体可以是可为其生成历书的任何物体。虽然术语“天体”通常指诸如太阳、月球、或恒星之类的自然物体，然而人造物体也可被视为天体，只要其位置的历书可被确定。
图像捕捉设备（诸如相机）可被用于移动设备取向传感器的天体校准以及用于罗盘仿真。确定方向并校准取向传感器的方法可基于确定诸如天体（诸如天空中的太阳、月球、行星或恒星）之类的相对静止的物体的角度测量。
可将移动设备指向所标识的天体并且可在移动设备指向该天体的同时确定取向传感器读数（例如，方位角和仰角）。例如，天体的图像可由移动设备捕捉，并且可在图像捕捉时确定取向传感器的值。在设备定位和时间也已知时，还可基于天体的历书来计算该天体相对于移动设备的“真实的”或实际的方位角和仰角。天体的历书提供了在给定当前时间的情况下该天体（例如相对于地球）的真实的或实际的定位，可根据该天体（例如相对于地球）的真实的或实际的定位基于移动设备的定位来推导相对于该移动设备的真实的或实际的方位角和仰角。设备定位和时间不确定性优选地足够小，以使得对于所捕捉图像中的天体定位，所计算出的方位角和仰角中的误差转换成小于图像捕捉设备的一个像素。“真实的”与所测量的参数之间的差异被确定并保存。可将诸差异或者基于一个或多个差异的校正作为校正应用到取向传感器测量。
可以在各种应用中实现基于天体的校准的不同实施例，例如从船和飞行器上的罗盘校准到弹道导弹和太空火箭上的惯性导航系统校准。实际的实现可取决于校准的期望准确度水平以及从测量传感器可获得的准确度水平。
在较低端的应用中，可在校准前手动地将设备的光学轴（或其他参考轴）指向天体。高端系统可配置成基本上自动地执行整个校准过程，用专门的光学机械传感器寻找和跟踪天体并执行角度测量。
一旦被校准，取向传感器就可与图像捕捉设备组合使用以用于各种应用。例如，图像捕捉设备与加速计和图像稳定陀螺仪组合可被用于仿真罗盘。此外，在移动设备的位置未知的情景中，图像捕捉设备可与天体历书组合使用来估计该移动设备的定位。从天体获得的位置估计可直接使用或者可与其他定位技术组合使用。例如，从图像捕捉和天体历书确定的位置定位可用作迭代位置定位技术的初始位置估计。可替换地，初始位置估计可用于确定用于GNSS定位的捕获辅助信息。
本文所描述的各实施例涉及使用图像捕捉设备（诸如照相机）来对移动设备传感器进行校准。移动设备可能已合并了照相机，并且除了使用照相机用于捕捉图像外，该设备还使用其光传感器来校准移动设备中的加速计、罗盘和陀螺仪传感器。
如本文中所使用的，移动设备是指诸如蜂窝或其他无线通信设备、个人通信系统（PCS）设备、个人导航设备（PND）、个人信息管理器（PIM）、个人数字助理（PDA）、膝上型电脑或能够接收无线通信和/或导航信号的其他合适的移动设备之类的设备。术语“移动设备”还旨在包括诸如通过短程无线、红外、有线连接、或其他连接与个人导航设备（PND）通信的设备，不管卫星信号接收、辅助数据接收、和/或位置有关处理是发生在该设备处还是在PND处。而且，“移动设备”旨在包括所有能够（诸如经由因特网、Wi-Fi、或其他网络）与服务器通信的设备，包括无线通信设备、计算机、膝上型电脑等，而不管卫星信号接收、辅助数据接收、和/或位置有关的处理是发生在该设备处、服务器处、还是与网络相关联的另一设备处。
参照图1，移动设备110被暴露于物体120、122。移动设备110可以是具有图像捕捉设备（诸如照相机）的移动电话。移动设备110可由壳112装载、容纳、支护或以其他方式支持。壳112可具有开口的或光学透明的窗口以准许移动设备110在被置于壳112中时进行图像捕捉。物体120、122是天体120（此处为太阳）和建筑122，虽然其他物体（例如，山脉、道路、陆标等等）也可存在并如本文中所讨论地被使用。
移动设备110可位于一个或多个位置定位系统的一个或多个覆盖区中。例如，移动设备110可以在无线通信系统（诸如蜂窝电话系统）的覆盖区中。例如，移动设备110可以在无线通信系统的一个或多个基站150的覆盖区中。另外，或可替换地，移动设备110可以在一个或多个无线局域网的一个或多个接入点140的覆盖区中。类似地，移动设备10可以在全球导航卫星系统（GNSS）的一个或多个卫星130-1和130-2的覆盖区中。
无线通信系统通常包括不止一个基站150，尽管为了简洁起见仅示出一个基站150。该无线通信系统可以是码分多址（CDMA）网络、时分多址（TDMA）网络、频分多址（FDMA）网络、正交频分多址（OFDMA）网络、单载波频分多址（SC-FDMA）网络，等等。CDMA网络可实现诸如cdma2000、宽带CDMA（W-CDMA）等一种或多种无线电接入技术（RAT）。cdma2000包括IS-95、IS-2000和IS-856标准。TDMA网络可实现全球移动通信系统（GSM）、数字高级移动电话系统（D-AMPS）、或其他某种RAT。GSM和W-CDMA在来自名为“第三代伙伴项目”（3GPP）的联盟的文献中描述。Cdma2000在来自名为“第三代伙伴项目2”（3GPP2）的联盟的文献中描述。。3GPP和3GPP2文献是公众可获取的。
WLAN可以是例如基于IEEE 802.11x的网络、基于IEEE 802.15x的网络、或者无线个域网（WPAN）。WPAN可以是例如蓝牙网络、或者某种其他类型的网络。
GNSS可包括一个或多个卫星定位系统，诸如美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯Glonass（格洛纳斯）系统、欧洲Galileo（伽利略）系统、任何使用来自卫星系统的组合中的卫星的系统、或任何在将来开发的卫星系统。另外，所公开的方法和装置可与利用伪卫星或者卫星与伪卫星的组合的定位确定系统一起使用。伪卫星是广播PN码或其他测距码（类似于GPS或CDMA蜂窝信号）的基于地面的发射机，其可以与例如GPS时间同步。每一个这样的发射机可以被指派唯一性的PN码从而准许其被远程接收机标识。伪卫星在来自轨道卫星的GNSS信号可能不可用的情景中（诸如在隧道、矿井、建筑物、城市峡谷或其他封闭区域中）是有用的。伪卫星的另一种实现被称为无线电信标。如本文中所使用的，术语“卫星”旨在包括伪卫星、伪卫星的等同物、以及其他。
移动设备110可能能够基于来自无线通信系统、GSNN、或WLAN中的一个或多个的信号来确定其位置或位置估计。例如，移动设备110可能能够与基站150协力基于高级前向链路三边测量法（AFLT）、蜂窝站点定位、蜂窝扇区定位、到达时间、到达时间差、及诸如此类的或者其某种组合来确定其位置或位置估计。移动设备110可能还能够基于接入点140覆盖区或类似于关于基站150执行的那些技术的位置定位技术来确定其位置或位置估计。类似地，移动设备110可能能够基于一个或多个GNSS中支持的定位技术来确定其位置或位置估计。
移动设备110可能还能够基于使用来自无线通信系统基站150、WLAN接入点140、以及GNSS卫星130-1和130-2的某种组合的信号的混合定位技术来确定其位置或位置估计。移动设备110可独立地确定位置解或者可与一个或多个网络元件（诸如位置确定实体（PDE））组合地确定位置解。
移动设备110通常包括某种类型的时钟或时间基准，或者可访问时钟或以其他方式推导当日时间（time of day）。往往，移动设备110利用时钟作为位置定位过程的一部分。移动设备110能捕捉天体120的图像并使用位置估计连同当日时间来校准、校正、或以其他方式修正由移动设备110内的取向传感器做出的测量。
在天体120的图像被捕捉时，移动设备110能使用内部取向传感器来确定移动设备110的方位角162和仰角164。方位角162在图1中被示为以顺时针方式被测量，但是方位角162可被顺时针或逆时针地测量，并且方位角162的方向和基准方向是以准许与天体120的历书或位置查找表进行比较的方式来测量的。
参照图2，移动设备110包括图像捕捉设备230，图像捕捉设备230可以是照相机。图像捕捉设备230可配置成捕捉可见光光谱、非可见光光谱、或者其某种组合中的信号。图像捕捉设备230可以是例如电荷耦合器件（CCD）、CMOS相机、光学检测器、及诸如此类，或者其某种组合。
处理器220、250优选地是智能设备，例如中央处理单元（CPU）（诸如由英特尔公司或制造的那些）、微控制器、专用集成电路（ASIC），等等。处理器220、250可以彼此不同或相同、可以物理分开、或者可以是单个设备的各部分。存储器270可包括随机存取存储器（RAM）和/或只读存储器（ROM）。存储器270存储计算机可读、计算机可执行（处理器可读、处理器可执行）的软件代码（SW）278，该软件代码278包含用于控制处理器220、250执行以下描述的功能的指令（尽管本说明书可能读起来是软件270执行（诸）功能）。软件278可被加载到控制台移动设备110上，例如通过经由网络连接下载、从盘上传等。
移动设备110的壳112置有光学透明的窗口113以准许图像捕捉设备（ICD）230在壳112中时进行操作。举例而言，窗口113可以是壳112中的洞或者具有光学透明材料的一部分。窗口113不需要跨由图像捕捉设备230感测的整个光谱完全透明。然而，窗口113的光谱响应应当是已知的或以其他方式被提供给移动设备110或者不应当妨碍移动设备110自动或半自动执行识别和定位天体。例如，包或织物可容纳该移动设备（例如，被置于用户的口袋中）——倘若移动设备110在这种情况下能在所捕捉的图像中辨别感兴趣的物体（例如，天体）。
移动设备110还可包括一个或多个取向传感器240。取向传感器240可包括例如一个或多个加速计242、陀螺仪244和罗盘246。加速计242可配置成例如确定移动设备110的取向。罗盘246可配置成确定移动设备110的航向或基准方向。
移动设备110可配置成使用图像捕捉设备230来捕捉天体的图像。图像捕捉设备230可将所捕捉的图像传达或以其他方式耦合至取向处理器250。来自取向传感器240的与图像捕捉同时作出的测量可被耦合至取向处理器250。时钟280耦合至取向处理器250以提供进行图像捕捉的当日时间。取向处理器250利用该取向测量、当日时间、和所捕捉的天体图像结合移动设备110的位置来校准取向传感器240。
移动设备110包括一个或多个无线设备以使得能够进行位置定位在图2的移动设备110实施例中，移动设备110包括耦合至GNSS接收机212以及通信收发机210的天线202。GNSS接收机212可有助于位置定位，例如，通过确定到一个或多个GNSS卫星的伪距并通过接收可由这些GNSS卫星传送的导航消息。
通信收发机210可以是例如蜂窝电话收发机。通信收发机210可配置成例如支持若干种定位技术中的任何一种。例如，通信收发机210可配置成从由蜂窝基站传送的信号确定伪距或到达时间。
来自位置定位接收机（不论是GNSS接收机212、通信收发机210、或这两者）的信号被耦合至位置定位处理器220。位置定位处理器220可配置成确定移动设备110的位置或位置估计。位置定位处理器220可配置成例如执行基于移动台的位置定位或移动台辅助式位置定位。在移动台辅助式位置定位中，位置定位处理器220与一个或多个远程设备（诸如是无线通信网络的一部分的位置确定实体）协力确定位置或位置估计。
移动设备110的位置或位置估计被耦合至取向处理器250或以其他方式使得对取向处理器250可用。取向处理器250可访问天体的历书（A）275以确定天体的预测定位。此处举例而言，历书275被存储于存储器270中。
天体的历书275可配置成存储准许对天体进行定位的一张或多张表。例如，存储在存储器270中的历书275可针对地球上多个基准定位中的每一个存储太阳在全天的定位。地球上的这些基准定位可以是例如沿着地球赤道的不同定位。取向处理器250可对历书275中阐述的天体定位进行校正或偏移以补偿由位置定位处理器220所确定的移动设备定位。例如，取向处理器250可定位最接近移动设备110位置的历书基准定位并从存储器270取回对应的历书275。取向处理器250可补偿历书数据以确定天体相对于移动设备110定位的定位。针对设备定位来补偿历书中的条目的过程或者相反过程在天体导航的上下文中可以很好地理解。
取向处理器250从校准存储器260取回针对取向传感器240的校准信息。此处，校准存储器260是与存储器270分开的，但是存储器260可以是存储器270的一部分。取向处理器250校正在对天体进行图像捕捉时作出的传感器测量，尤其是方位角和仰角测量。在其他实施例中，取向处理器250可对未经校正的传感器测量值进行操作。
取向处理器250将从该位置定位、当日时间和历书推导出的天体定位与从图像捕捉和取向传感器测量确定的天体定位相比较来确定残留误差。取向处理器250可基于该残留误差来更新校准存储器260中的校准表。
已确定的是，移动设备110中的取向传感器的校准对于照相机分辨率和移动设备110时钟（时间）和定位准确性没有太高的要求。
图像捕捉设备230的相机光传感器应当能够用一度的分数水平上的分辨率测量天体图像的角度定位。此准确度水平可用具有大约一百万像素或更高分辨率的相机轻易地实现。具有此分辨率水平的相机在现代移动设备中并不罕见。
在天体是太阳或月球的情况下可容忍高达0.5-1分钟时钟误差的定时误差。这是因为天空中太阳/月球的所计算出的位置误差将与太阳/月球方位角和仰角的非常慢的变化率成正比，平均每24小时360度、或即0.25度/分钟。
同样地，几公里的定位误差对于天空中天体位置的准确计算是足够的。这是因为，平均来说，用户纬度/经度改变1度——这（在赤道地区）将构成约每110公里1角度，可见太阳/月球方位角和仰角将改变1角度。
对取向传感器240的校准可基于对天体的手动图像捕捉或对天体的自动或半自动图像捕捉。在手动校准模式的一个实施例中，用户将移动设备110大致指向天体（太阳或月球）的方向，从而天体图像可由图像捕捉设备230中的光学传感器检测或捕捉。随后用户就可发起校准，例如，通过按压按钮或在具有语音识别能力的移动设备中通过音频指令。
在自动校准模式的实施例中，移动设备110中的光传感器可以是不断地或周期性地开启的（不被其他物体完全遮住）并且活跃的，从而搜索天体（诸如太阳或月球）的清晰图像。不论在自动还是手动模式中，来自图像捕捉设备230的图像在从该图像可辨别物体以使得该物体可被标识并且其在图像中的定位被确定的情况下可用于确定或校正取向参数。
一旦以手动或自动校准模式检测并捕捉了图像，取向处理器250就可处理图像取向、亮度、尺寸、光谱以及其他参数以验证图像并可靠地将图像标识为来自天体。取向处理器250可执行处理以从任何反射图像和/或人造光源中辨别出所捕捉的天体图像。如果由图像捕捉设备230所捕捉的图像的光谱范围向红外或紫外延伸到可见光谱之外，则所捕捉的太阳/月球光谱的不可见光谱部分可被用于天体图像标识。
不论是手动、半自动、还是自动发起的，图像检测和标识可被用作数个后续处理事件的触发。移动设备110与光传感器组合可测量图像捕捉时太阳/月球图像相对于光传感器光学轴的角度位置。
取向处理器250可从时钟280中确定当日时间、可从存储器270中取回天体历书信息、并且可从位置定位处理器220接收当前定位。取向处理器250可基于当前设备定位和时间计算天体“真实的”的仰角和方位角。
取向处理器250可例如从加速计242和/或罗盘246读取并处理取向传感器240数据，并确定移动设备相对于地平线的取向和/或设备方位角。取向处理器250可使用光传感器测量、取向传感器测量以及所计算出的太阳/月球方位角和仰角来校准取向传感器240。
可以多种方式来执行校准。在第一实施例中，从取向传感器数据计算出的设备取向（方位角和/或倾斜度）和光传感器角度测量可被用于确定“所测量的”太阳/月球方位角和/或仰角。将从基于时间、定位、和历书信息“所计算出的”太阳/月球方位角和仰角中减去“所测量的”太阳/月球方位角或/和仰角。取向处理器250可确定所测量和所计算出的参数之间的差值，并且可将这些差值保存为针对取向传感器测量的校正或校准因子。取向处理器250可例如将该校正或校准因子保存在校准表260中。
在第二实施例中，取向处理器250可使用光传感器角度测量连同从时间和设备定位推导的“所计算出的”太阳/月球方位角和仰角一起以计算设备取向（例如，方位角和/或倾斜度）。取向处理器250可将所计算出的设备取向与由设备取向传感器240测量的设备取向（例如，方位角和/或倾斜度）做比较。取向处理器250可将这两个参数之间的差值保存在校准表260中作为对取向传感器测量的校正因子。
取向处理器250可配置成在每次对天体进行图像捕捉之后或在多次图像捕捉之后重新校准传感器读数并更新校准表260。取向处理器250可基于对天体的单次图像捕捉或对天体的多次图像捕捉来重新校准这些校准值。此外，这多个图像不需要是同一天体的图像，尽管通常将是这种情形。
尽管任何单个校准可被用来更新校准表260，但在可能时可执行以上重新校准过程的多次重复，从太阳/月球图像检测开始并采取新的测量。相同参数（图像定位、取向传感器读数）的多个测量可被过滤以提高校准的准确度和可靠性，例如以移除测量异常值。
可通过以不同的设备取向来捕捉天体的图像并采纳取向测量来获得更为准确的校准。许多参数不具有恰好恒定的误差，并且在校准表260中提供的校正可取决于取向。例如，罗盘246方位角误差可取决于方向，从而应当在多个方向上校准设备测量以计及基于方向的误差。
传感器参数通常例如由于温度变化而随着时间漂移。因此，校准表260条目可能在某些约束下有效。时间约束可用于使得旧于阈值时间的校准结果废弃。
在移动设备100中存在角速率陀螺仪244的情况下，多个测量对于此类传感器的校准可能也是有优势的。角速率陀螺仪244的校准可能不同于用于静态测量的传感器的校准。例如，移动设备110可捕捉天体的多个图像。如果取向处理器250从若干连续的天文测量确定移动设备100没有正在旋转（例如，如果太阳图像在光传感器上不移动），则取向处理器250可确定陀螺仪244输出构成陀螺仪偏移并且该偏移值可保存在校准表260中作为偏移校正。
可替换地，如果取向处理器250从若干连续的天文测量确定移动设备110在特定时间区间上转动或以其他方式旋转，则取向处理器110可计算转动角，并且该转动角与时间区间可用于校准陀螺仪缩放因子。
参照图3，移动设备300配置成进行自动或半自动图像捕捉和标识以用于传感器校准。移动设备300还可配置成对天体进行手动图像捕捉。此外，尽管图3的元件包括不同的参考编号，但是这些元件中的一些可与图2的实施例中所解说的命名类似的元件相同。
移动设备300包括配置成捕捉天体的图像的图像捕捉设备330。该图像捕捉设备300可以例如被控制为不断地搜索天体的图像。可替换地，图像捕捉设备330可配置成选择性地捕捉图像，这些图像随后被处理以寻求包括天体图像的可能性。
图像捕捉设备330向滤光器332提供该图像。滤光器332是可选的，但是在被包括时可配置成选择性地对所捕捉图像的光谱进行过滤。在一个实施例中，滤光器332对所捕捉的图像进行过滤来移除光谱的部分以便于将所捕捉的图像的一部分辨别为天体。例如，滤光器332可配置成移除可见光光谱的部分或不可见光光谱的部分。
滤光器332不需要在图像捕捉设备330处对实际的光信号进行操作，而是可代之以在来自图像捕捉设备的电输出处进行操作，该电输出与所捕捉图像的光谱相对应。
来自滤光器332的输出被耦合至图像处理器340。图像处理器340可被耦合至一个或多个过滤器以使得能辨别并标识所捕捉图像内的天体。这些过滤器在这里可包括亮度过滤器342、大小过滤器344、取向过滤器346、光谱过滤器348、以及诸如此类的，或者一些其他用于过滤所捕捉图像的装置。过滤器342、344、346、和348中的每一个可替换地被解释为约束或决策准则。
图像处理器340可使用过滤器342、344、346、和348中的一个或多个来处理所捕捉的图像并确定该图像是否包括特定天体（诸如太阳、月球、或特定恒星）的图像。在以下描述的示例中，图像处理器340使用过滤器342、344、346、348来确定所捕捉的图像是否包括太阳的图像。
图像处理器340可使用亮度过滤器342来消除不具有足以被视为已捕捉到太阳图像的亮度的图像。图像处理器340可使用大小过滤器344来确定所捕捉的图像是否包括其大小足够代表天体（在此示例中是太阳）的图像。
图像处理器340可使用取向过滤器346来确定所测量的移动设备或图像捕捉的取向是否落在关于所计算出的天体取向的某一预定窗口内。也就是说，取向过滤器346可消除移动设备300的取向非常不同于在捕捉太阳或其他天体的图像时预计的取向的那些所捕捉图像。
图像处理器340可使用光谱过滤器348来确定所捕捉的图像是否包括类似于来自天体的预计光谱响应的光谱响应。在一个实施例中，光谱过滤器348包括预计光谱响应的掩码，并且将所捕捉图像的光谱与该掩码相比较以确定所捕捉的图像是否包括天体的图像。
图像处理器340可使用过滤器342、344、346、348来确定所捕捉图像中天体的存在，不管是利用自动、半自动、还是手动的图像捕捉。
图像处理器340可确定所捕捉的图像是否包括天体的图像，并且可控制搜索器/跟踪器350。搜索器/跟踪器350可配置成对准或以其他方式控制图像捕捉设备330的取向以例如在实现自动图像捕捉时维持对天体的跟踪。处理器340可使用关于已知物体的信息和设备110的当前估计取向来确定图像是否包含物体以及如果是，确定是何种物体。存储器270可存储关于物体的外观和定位的信息，并且当前存储于存储器270中的信息可取决于设备的当前定位和/或取向。
图像处理器340向传感器校准模块390传达与获认可的所捕捉图像有关的信息。例如，图像处理器340可转发整个所捕捉的图像。传感器校准模块390可访问一个或多个取向传感器360并且可基于传感器测量来确定所测量的取向。模块390可使用所测量的取向来确定校准参数，例如，通过将所测量的取向与所计算出的取向相比较。
传感器校准模块390还被耦合至天体查找表392，该天体查找表392包括关于天体（诸如太阳）的历书。此外，图像处理器340被耦合至位置估计器380，该位置估计器380提供移动终端300的位置估计。该位置估计可由模块390用来计算终端300的预计取向以及确定要访问和使用哪个历书信息。
不具有磁力仪信息的罗盘
移动设备300可使用单个天文测量与作为取向传感器360之一的（用于倾斜度补偿的）加速计协力来提供关于测量时的设备方位角的信息（瞬时罗盘）。
如果图像捕捉模块330（例如，相机）不再指向天体，或者相机目标被遮住，并且磁力仪信息不可用（例如，磁力仪不存在、损坏、无法使用等等），则可使用陀螺仪（角速率传感器）。陀螺仪可以是例如和置于设备中用于图像稳定的那些陀螺仪一样。由于陀螺仪提供转动角（△（增量）方向）而不是绝对方向，因此，传感器校准模块390使用初始值和由陀螺仪提供的相对于初始值的方向增量来确定绝对方向。
移动设备的方向初始化是使用天文测量来执行的。为此，移动设备（类似于移动设备300）可捕捉图像并且是定位/时间感知的，其包含陀螺仪244和加速计242，但不一定包含磁力仪。罗盘仿真是通过由传感器校准模块390确定并存储来自天文和加速计测量的初始设备方位角和已知设备定位和时间来完成的。使用初始值，模块390可使用所存储的初始方位角加上来自陀螺仪的相对于初始化时刻的增量方位角信息来计算当前方位角。在已在初始化时间T0测量设备的初始方位角值Az0之后，任何将来时间T的设备方位角由Az0加上从陀螺仪确定的从时间T0直到时间T的方位角（转动角）变化给出。
不具有磁力仪或陀螺仪的罗盘
移动设备可配置成类似于移动设备300，能够捕捉图像并且是定位/时间感知的，包含图像捕捉设备230、加速计242，但不包含罗盘246和陀螺仪244。该移动设备将使用基于光传感器的虚拟/仿真的陀螺仪，其中转动速率将通过由处理器处理静止物体的光传感器图像来确定，因为静止物体的图像将以与相机转动速率成正比的速度穿过相机视场。类似于以上的讨论，天文测量与加速计及仿真陀螺仪的组合被用于仿真罗盘。光传感器将用于（通过连续地跟踪静止物体来）仿真陀螺仪并执行偶发的天文测量以将罗盘初始化到绝对方位角。可以与基于陆地的静止物体图像相同的方式来处理天体图像。换言之，跟踪太阳或月球图像对于陀螺仪（角速率传感器）仿真和罗盘仿真两者将是足够的。另一方面，只要太阳/月球图像被光传感器连续地跟踪，陀螺仪仿真对于罗盘化将是不需要的，因为瞬时方位角可在任何时间从天文观察直接地计算出，而无需设备角速率的知识。仿真陀螺仪几乎没有偏移（漂移）或缩放因子误差。小量的误差由天体在天空中的运动而被引入，这可被补偿。
可跟踪物体以基于相机的视角和分辨率来进行陀螺仪仿真。如果相机光圈是N度，并且相机的光传感器矩阵宽P个像素（列），则（自动）跟踪的物体图像偏移一像素将对应于相机旋转N/P度。对于垂直运动也同样如此。这适用于天体和远程静止物体（例如，远离的建筑、地形）。更为复杂的处理可用于处理由物体的运动（例如，捕捉移动车辆的图像）或者由相机相对于近旁物体的线性运动（例如，从移动的车辆捕捉图像）导致的图像相对于光传感器的运动。
存储包和/或车载机座
再次参照图1，提供了容器（例如，机座或包）114用于容纳移动设备110。容器114配置成托住设备110并提供对设备110的方便携带。例如，容器114可以是配置成连接至车辆（诸如汽车或自行车）或者配置成由用户携带（诸如配置成背在用户的肩上或附连至用户的腰带）的包。
在手动校准模式中，设备110的用户将周期性地将移动设备相机指向太阳/月球并确保相机目标不被遮住，从而光传感器可获取图像。然而，自动模式将会方便很多，随着天文测量自动地发生，任何时间设备相机目标将指向太阳/月球。自动校准对于车辆中/上的设备以及光测量将自动并连续发生的情形特别重要。
为了辅助自动天文测量，容器114由透明材料制造。该材料对由设备110使用的光谱的任何部分（例如，光谱的可见、红外、和/或紫外部分）是透明的。可替换地，该材料可以达不到透明，例如，部分不透明或模糊，但允许物体的图像被辨别并用于执行计算以确定取向和/或移动，如本文中所描述的。例如，容器114可由织物制造，通过该织物可辨别物体（诸如建筑、陆标、或天体）的轮廓。
传感器校准
参照图4，进一步参照图1-3，校准移动设备中的传感器的过程400包括所示各阶段。然而，过程400仅是示例而非限定。例如，可通过增加、移除或重新安排各阶段来改动过程400。
在阶段410处，由移动设备110捕捉图像。（例如，抑或自动抑或由用户手动地）开动图像捕捉设备230以捕捉天体120的图像。
在阶段412，分析图像以确定天体120是否存在于该图像中。使用滤光器332（若存在）来过滤该图像。该图像由图像处理器340进一步分析以确定天体120是否存在于该图像中。图像处理器340还使用亮度过滤器342、大小过滤器344、取向过滤器346、和/或光谱过滤器348来过滤图像的各特性以帮助图像处理器340确定天体120是否存在于该图像中。
在阶段416，做出关于天体120或其他天体是否存在于图像中的询问。图像处理器340分析经过滤的图像以辨别该图像是否包括了天体120或其他天体的图像。如果在该图像内未检测出天体，则过程400返回至阶段410。否则，过程400前进至阶段420。
在阶段420处，确定移动设备（尤其是图像捕捉设备230）的取向。取向处理器250与取向传感器242、244、246进行通信以确定移动设备110相对于参考坐标系（例如，其x轴和y轴与地球表面平行并且z轴与地球表面垂直）的取向。
在阶段424处，校正天体120的图像位置。使用来自取向传感器242、244、246的信息，可准确地确定关于这些轴的取向。
在阶段430处，确定天体120相对于移动设备110的仰角和方位角。图像处理器340分析图像以确定天体120相对于移动设备110的仰角。此外，图像处理器340与取向处理器250组合分析该图像以确定相对于移动设备110的方位角162。
在阶段440处，确定移动设备110的位置的估计。位置定位处理器220与GNSS接收机212以及在适用的场合与通信收发机210通信并确定移动设备110的位置估计。
在阶段450处，从该图像并从历书信息确定天体120的天体定位数据。传感器校准模块390使用来自位置估计器380的位置估计来确定要访问并使用哪种历书信息来确定天体历书数据。传感器校准模块390还使用来自取向传感器360和时钟370的输入来确定天体120的历书数据，诸如基于历书数据的仰角164和方位角162。
在阶段460处，比较从阶段430确定的方位角162和仰角164与在阶段450处确定的天体数据之间的差值。方位角和仰角162、164之间的差值是使用移动设备110的位置估计来确定的，并且对由图像捕捉设备230捕捉的图像的处理与从历书信息确定的天体数据进行比较。以这两种方法确定的角之间的差值是由传感器校准模块390确定的。用于校正取向传感器242、244、246的校正值被确定以校正从阶段430测量/确定的角162、164以达到在阶段450中提供并确定的角162、164。历书数据被视为真实的数据，并且所确定的数据被校正以达到真实的历书数据。
在阶段470处，过滤关于取向传感器242、244、246的校正值。测量异常值被过滤或移除以提高校准的准确度和可靠性。
在阶段480处，将被过滤的校正值应用到取向传感器242、244、246。这些校正因子调节由移动设备110进行的取向确定，使得给定移动设备的位置，取向传感器提供测量数据使得天体120将出现在移动设备所捕捉的图像中由天体120的历书数据指示天体120相对于移动设备100应当所在之处。
罗盘仿真
参照图5，进一步参照图1-3，移动设备中提供罗盘仿真的过程500包括所示各阶段。然而，过程500仅是示例而非限定。例如，可通过增加、移除或重新安排各阶段来改动过程500。
在阶段510处，确定移动设备110的位置的估计。该估计可以是移动设备110当前占据的蜂窝扇区或蜂窝小区的中心。这可通过标识移动设备100正在与之进行通信的基站150来确定。
在阶段520处，由移动设备110捕捉图像。（例如，抑或自动抑或由用户手动地）开动图像捕捉设备230以捕捉天体120的图像。
在阶段530处，确定移动设备（尤其是图像捕捉设备230）的取向。取向处理器250与取向传感器242、244、246进行通信以确定移动设备110相对于参考坐标系（例如，其x轴和y轴与地球表面平行并且z轴与地球表面垂直）的取向。
在阶段540、550处，确定并存储天体120相对于移动设备110的方位角。在阶段540处，图像处理器340与取向处理器250组合起来分析该图像以确定相对于移动设备110的方位角162。在阶段550处，将所确定的方位角162存储在存储器270中作为参考值。
在阶段560、570处，确定方位角变化并使用该方位角变化来更新移动设备110的当前方位角。在阶段560处，取向处理器250分析来自图像捕捉设备230的图像以通过分析静止物体的图像和该静止物体在图像中何处出现的变化（以及图像的定时以用于速率计算）来确定移动设备110的运动方向以及运动量（可能还有速率）。在阶段570处，取向处理器250使用所确定的方向和自最后存储的方位角值起方位角变化的量来更新存储器270中的当前方位角信息。
各实施例中所描述的功能可以在硬件、由一个或多个处理器执行的软件、固件、或其任何组合中实现。如果以软件实现，则各功能可作为一条或多条指令或代码存储或以其他方式编码在有形的非暂态处理器可读介质上。处理器可读介质包括物理计算机存储介质。
存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，此类计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质；如本文中所使用的盘（disk）和碟（disc）包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多用碟（DVD）、软盘和蓝光碟，其中盘常常磁性地再现数据，而碟用激光光学地再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

Claims (27)

1.一种配置成在无线通信网络中使用的移动设备，所述移动设备包括：
图像捕捉设备；
至少一个传感器，配置成测量所述移动设备的第一取向；以及
处理器，通信地耦合至所述图像捕捉设备和所述至少一个传感器并配置成：
标识由所述图像捕捉设备捕捉的图像中的物体；
使用所述移动设备的位置来确定所述物体相对于所述移动设备的第一定位；以及
使用所述物体相对于所述移动设备的第一定位和所述图像来确定针对所述传感器的校正,
所述处理器还配置成针对由所述图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述第一取向并基于关于所述多个图像的所述第一取向来确定所述移动设备的转动速率以便为所述移动设备提供虚拟陀螺仪。
2.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述物体是天体，并且所述处理器配置成使用所述移动设备的所述位置和当前时间来确定所述天体相对于所述移动设备的第一定位。
3.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，为了确定所述校正，所述处理器配置成执行以下至少一者：(1)使用所述图像和所述移动设备的所述第一取向来确定所述物体相对于所述移动设备的估计定位，或者(2)使用所述图像和所述物体的所述第一定位来确定所述移动设备的第二取向。
4.如权利要求3所述的移动设备，其特征在于，为了确定所述校正，所述处理器配置成：
确定所述物体的所述估计定位；
将所述第一定位与所述估计定位相比较来确定定位差值；以及
确定使得所述定位差值将减小的所述校正。
5.如权利要求3所述的移动设备，其特征在于，为了确定所述校正，所述处理器配置成：
确定所述移动设备的所述第二取向；以及
确定使得所述第一取向与所述第二取向之间的差值将减小的所述校正。
6.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述处理器配置成针对由所述图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述第一取向并确定所述校正。
7.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述图像捕捉设备配置成无需用户输入自动地捕捉图像。
8.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述处理器配置成使用所述第一取向、所述校正、所述图像、以及所述物体的所述第一定位来为所述移动设备提供虚拟罗盘。
9.一种在移动设备中校正所述移动设备的方法，所述方法包括：
用所述移动设备的图像捕捉设备捕捉物体的图像；
使用所述移动设备的传感器确定所述移动设备的第一取向；
使用所述移动设备的位置和当前时间来确定所述物体相对于所述移动设备的第一定位；以及
确定针对所述传感器的校正，所述校正是使用所述物体相对于所述移动设备的第一定位、所述图像、和所述第一取向来确定的，
其中确定所述第一取向包括针对由所述图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述第一取向，并且所述方法还包括基于关于所述多个图像的所述第一取向来确定所述移动设备的转动速率以便为所述移动设备提供虚拟陀螺仪。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述物体是天体。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，确定所述校正包括以下至少一者：(1)使用所述图像和所述移动设备的所述第一取向来确定所述物体相对于所述移动设备的估计定位，或者(2)使用所述图像和所述物体的所述第一定位来确定所述移动设备的第二取向。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括重复所述捕捉、确定所述第一取向、和确定所述校正。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，重复所述捕捉是按以下至少一者来完成的：(1)针对不同物体，或(2)以不同的设备取向。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述捕捉无需用户输入自动地发生。
15.一种在移动设备中校正所述移动设备的设备，所述在移动设备中校正所述移动设备的设备包括：
用于使用所述移动设备的传感器确定所述移动设备的第一取向的装置；
用于使用所述移动设备的位置和当前时间来确定物体相对于所述移动设备的第一定位的装置；以及
用于使用所述物体相对于所述移动设备的第一定位和由所述移动设备获取的所述物体的图像来确定针对所述传感器的校正的装置，
其中用于确定所述第一取向的装置包括用于针对由图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述第一取向的装置，并且所述在移动设备中校正所述移动设备的设备还包括用于基于关于所述多个图像的所述第一取向来确定所述移动设备的转动速率以便为所述移动设备提供虚拟陀螺仪的装置。
16.如权利要求15所述在移动设备中校正所述移动设备的设备，其特征在于，所述物体是天体。
17.如权利要求16所述在移动设备中校正所述移动设备的设备，其特征在于，用于确定所述校正的装置包括用于执行以下至少一者的装置：(1)使用所述图像和所述移动设备的所述第一取向来确定所述物体相对于所述移动设备的估计定位，或者(2)使用所述图像和所述物体的所述第一定位来确定所述移动设备的第二取向。
18.如权利要求17所述在移动设备中校正所述移动设备的设备，其特征在于，用于确定所述校正的装置包括：
用于确定所述物体的所述估计定位的装置；
用于将所述第一定位与所述估计定位相比较来确定定位差值的装置；以及
用于确定使得所述定位差值将减小的校正的装置。
19.如权利要求17所述在移动设备中校正所述移动设备的设备，其特征在于，用于确定所述校正的装置包括：
用于确定所述移动设备的所述第二取向的装置；以及
用于确定使得所述第一取向与所述第二取向之间的差值将减小的校正的装置。
20.如权利要求17所述在移动设备中校正所述移动设备的设备，其特征在于，用于确定所述校正的装置包括用于针对由图像捕捉设备所捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述校正的装置。
21.一种配置成在无线通信网络中使用的移动设备，所述移动设备包括：
图像捕捉设备；
第一取向装置，用于测量所述移动设备的第一取向；以及
通信地耦合至所述图像捕捉设备和所述第一取向装置的校正装置，用于：
标识由所述图像捕捉设备捕捉的图像中的物体；
使用所述移动设备的位置和当前时间来确定所述物体相对于所述移动设备的第一定位；以及
使用所述物体相对于所述移动设备的第一定位和所述图像来确定针对所述第一取向装置的校正，
其中所述校正装置配置成针对由所述图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述第一取向并基于关于所述多个图像的所述第一取向来确定所述移动设备的转动速率以便为所述移动设备提供虚拟陀螺仪。
22.如权利要求21所述的移动设备，其特征在于，所述物体包括天体。
23.如权利要求22所述的移动设备，其特征在于，所述校正装置配置成：
确定所述天体的估计定位；
将所述第一定位与所述估计定位相比较来确定定位差值；以及
确定使得所述定位差值将减小的所述校正。
24.如权利要求22所述的移动设备，其特征在于，所述校正装置配置成：
使用所述图像和所述物体的所述第一定位来确定所述移动设备的第二取向；以及
确定使得所述第一取向与所述第二取向之间的差值将减小的所述校正。
25.如权利要求21所述的移动设备，其特征在于，所述校正装置配置成针对由所述图像捕捉设备捕捉的多个图像中的每一个图像确定所述第一取向并确定所述校正。
26.如权利要求21所述的移动设备，其特征在于，所述图像捕捉设备配置成无需用户输入自动地捕捉图像。
27.如权利要求21所述的移动设备，其特征在于，所述校正装置配置成使用所述第一取向、所述校正、所述图像、以及所述物体的所述第一定位来为所述移动设备提供虚拟罗盘。
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