CN103299209A - 用于使用导航算法检测位置信息的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于使用导航算法检测位置信息的方法和设备，其中，搜索邻近的全球定位系统（GPS）卫星，从检测到的GPS卫星中的至少一个接收并存储伪距信息，基于来自行人的步数检测来计算行人终端的位移，使用接收的伪距信息来校正计算的行人终端的位移，并使用校正的位移测量行人终端的位置。

Description

用于使用导航算法检测位置信息的设备和方法

技术领域

本发明涉及关于用户的位置信息的检测，更具体地说，涉及一种用于使用无线电导航系统和行人导航系统检测关于用户的位置信息的设备和方法。

背景技术

个人导航系统被设计用来提供以人为中心的路线引导。它对将被引导路线的行人进行定位，并基于他或她的位置引导行人路线。根据运动类型可将个人导航系统分类为卫星导航系统、惯性导航系统、行人导航系统等。

卫星导航系统使用卫星将关于当前位置和到期望目的地的路线的信息提供给用户。卫星导航系统的主要示例是汽车导航系统。

汽车导航系统对车辆进行定位，给所述车辆的司机提供最佳路线，并沿着最佳路线引导司机。通常，此汽车导航系统使用全球定位系统（GPS）传感器计算车辆的当前位置，并提供从当前位置到目的地的路线引导。

惯性导航系统通过借助于加速度计（诸如陀螺仪传感器）来计算用户的加速度，基于所述加速度计算用户的当前速度，并基于所述速度检测用户的当前位置。惯性导航系统主要应用于潜艇、飞机、导弹等。最近，除了使用卫星导航系统之外，还使用具有加速度计的复合导航系统向车辆或飞机提供路线引导。

行人导航系统提供以行人为中心的路线引导，而不是以汽车为中心的路线引导。虽然行人导航系统类似于汽车导航系统，但是因为路线引导对象是比汽车慢的行人，所以前者比后者更加准确地测量路线引导对象的位置，并提供更加详细的路线引导。

因此，汽车引导系统和行人引导系统使用不同算法来提供路线引导。例如，导航系统使用GPS传感器对汽车进行定位，然而行人导航系统通过检测行人的步数和步幅对行人进行定位。因此，这两种导航系统应具有用于执行它们自己的算法的专用导航装置。

然而，在应使用汽车导航装置和行人导航装置两者的情况下，用户应购买这两种导航装置，这导致增加成本和更少的便携性。在此背景下，最近已开发了使汽车导航系统和行人导航系统被一起使用的复合导航装置。

复合导航装置具有的缺点是用户应在汽车导航系统和行人导航系统之间手动切换操作模式。也就是，当使用汽车导航系统时为了使用行人导航系统，用户应手动关闭汽车导航系统然后启用行人导航系统，或相反。

因此，传统导航装置需要用户不方便地手动选择汽车导航系统或行人导航系统。此外，如果用户错误地选择了错误的导航系统，则错误的路线引导会被提供给用户。

发明内容

技术问题

本发明的实施例的一方面在于解决至少所述问题和/或缺点，并提供至少以下描述的优点。因此，本发明的实施例的一方面在于提供一种通过在提供汽车导航系统和行人导航系统的复合导航装置中自动地选择性地使用汽车导航或行人导航或自动地使用组合的汽车导航和行人导航两者（无需用户操作）来检测用户的位置的设备和方法。

解决方案

根据本发明的实施例，提供一种用于测量行人终端的位置的方法，其中，搜索邻近的全球定位系统（GPS）卫星，从检测到的GPS卫星中的至少一个接收并存储伪距信息，基于来自行人的步数检测来计算行人的位移（行人终端的位移），使用接收的伪距信息来校正计算的行人的位移，使用校正的位移测量行人终端的位置。

可通过行人航位推算（PDR）算法来计算行人的位移，其中，行人航位推算（PDR）算法根据行人的步态特征估计行人的位置。

可通过行人导航系统来确认行人的位移，可使用计算的行人的位移和关于至少一个GPS卫星的轨道信息来计算行人终端和所述至少一个GPS卫星之间的距离，并可使用接收的伪距信息以及计算的行人终端和所述至少一个GPS卫星之间的距离之间的差来校正行人的位移。

可从检测到的GPS卫星中的至少一个接收伪距信息，可使用滤波器检测并校正接收的伪距信息的误差，并可存储校正的伪距信息。

根据本发明的另一实施例，提供一种用于测量行人终端的位置的设备，其中，用户接口用于与用户接口通信；GPS接收器搜索邻近的GPS卫星并从检测的GPS卫星中的至少一个接收伪距信息；控制器基于来自行人的步数检测来计算行人的位移，使用接收的伪距信息来校正计算的行人的位移，并使用校正的位移测量行人终端的位置。

控制器可通过PDR算法来计算行人的位移，其中，PDR算法根据行人的步态特征估计行人的位置。

控制器可通过行人导航系统确认行人的位移，可使用计算的行人的位移和关于至少一个GPS卫星的轨道信息来计算行人终端和所述至少一个GPS卫星之间的距离，并可使用接收的伪距信息以及计算的行人终端和所述至少一个GPS卫星之间的距离之间的差来校正行人的位移。

所述设备还可包括：滤波器单元，用于检测并校正接收的伪距信息的误差。

控制器可根据通过GPS接收器接收的GPS信号的数量来控制选择性地耦合预定的两种导航算法或控制仅使用这两种导航算法中的一个。

所述设备还可包括：加速度计，用于根据设备的运动来测量所述设备的加速度。

控制器可包括：卫星导航算法执行器，用于从可见卫星接收关于用户的位置的信息，并提供关于用户的位置的信息；PDR算法执行器，用于根据用户的步态特征估计所述用户的位置。

如果通过GPS接收器接收的GPS信号的数量大于或等于4，则控制器可使用将GPS接收器的位置和速度用作耦合系统的测量结果的松耦合方案。

如果通过GPS接收器接收的GPS信号的数量小于或等于3，则控制器可将GPS信号的强度和预定阈值进行比较，并且如果GPS信号的强度高于预定阈值，则控制器可使用将通过GPS接收器接收的伪距信息和伪距变化率信息作为测量结果的紧耦合方案。

如果通过GPS接收器没有接收到GPS信号，则控制器使用预定的两种导航算法中的一种检测关于用户的位置信息，其中，一种导航算法是PDR算法。

有益效果

从本发明的以上描述清楚地看出，在提供卫星导航系统和PDR系统的复合导航装置中，在没有用户的操纵的情况下，自动地选择性地或组合地使用汽车导航系统和行人导航系统。因此，在汽车导航系统不能提供关于用户的位置信息的环境中，可提供关于用户的准确位置信息。

附图说明

从以下参照附图进行的详细描述，本发明的特定实施例的以上和其他对象、特征和优点将更清楚，其中：

图1是根据本发明的实施例的导航装置的框图；

图2是示出根据本发明的实施例的用于使用导航装置通知用户的位置的操作的流程图；

图3是示出根据本发明的实施例的误差校正操作的流程图；

图4a至图5b是示出根据本发明的实施例的通过考虑步态特征获得的滤波器调谐结果的曲线图。

贯穿附图，相同附图参考标号将被理解为指示相同元件、特征和结构。

具体实施方式

将参照附图对本发明的优选实施例进行参考。虽然以下描述包括特定细节，但是本领域的技术人员应清楚地理解：特定细节被提供用于帮助对本发明的全面理解，并且在本发明的范围和精神内，可对所述特定细节进行修改和变化。

本发明使用行人航位推算（PDR）系统。PDR系统基于用户的步态特征估计用户的位置。因为一般的集成导航系统模式不可用，所以推导出专用于PDR的模型必不可少。本发明提供一种使用PDR系统的特征（诸如关于行人的步数检测、步长估计和航向估计）将PDR系统与卫星导航系统耦合的方法。

根据本发明，可松耦合或紧耦合这两种导航系统。根据全球定位系统（GPS）信号的接收状态，按不同方式耦合这两种系统。具有两种系统耦合的复合导航系统应在相同坐标系上考虑从每个系统输出的信息。

也就是，PDR系统提供在本地水平坐标系上的位置，然而卫星导航系统提供在地心地固（ECEF）坐标系上的位置。因此，应使用适当的坐标转换矩阵来转换这两种不同坐标系。

选择性地耦合这两种系统的导航装置具有以下配置。

图1是根据本发明的实施例的导航装置的框图。导航装置包括用户接口101、GPS接收器103、加速度计105、导航算法控制器107和滤波器单元113。导航算法控制器107包括卫星导航算法109和PDR算法111。

参照图1，用户接口101可被配置为用于与用户接口通信的输入装置（诸如键盘、触摸板等）。例如，用户接口101可从用户接收用于执行导航程序的请求，并可将所述请求提供给导航算法控制器107。

GPS接收器103从GPS卫星接收GPS信号，并将接收的GPS信号发送给导航算法控制器107。GPS接收器103可接收一个或多个GPS信号，其中，GPS信号包括位置信息和时间信息。另外，GPS接收器103从至少一个卫星接收关于伪距的信息。加速度计105可以是3轴加速度计，并可根据导航装置的运动来测量加速度。加速度计105使用加速度传感器根据导航装置的运动来测量导航装置的加速度。

滤波器单元113检测由特定滤波器测量的基于导航装置的运动的导航装置的加速度的误差，以及测量的导航装置的当前位置和目的地之间的误差，

并校正所述误差。也就是，当实际位置和估计的位置不同时，检测并校正实际位置和估计的位置之间的误差，使得估计的位置尽可能地接近于实际位置。在本发明中，使用卡尔曼滤波器。

导航算法控制器107包括卫星导航算法109和PDR算法111，并通过对从GPS接收器103接收的GPS信号的数量进行计数来控制选择性地耦合两个算法109和111或仅使用两个算法109和111中的一个。例如，当接收到四个或更多个GPS信号时，以卫星导航算法109是主要的并且PDR算法111是辅助的这种方式来松耦合卫星导航算法109和PDR算法111。

大多数情况下使用松耦合方案，其中，所述松耦合方案将GPS接收器的位置和速度用作耦合系统中的测量结果。尽管松耦合方案具有简单配置的优点，但只有可见卫星的数量大于或等于4，松耦合方案才可提供关于用户的位置的信息。

在另一示例中，如果接收到三个或更少的GPS信号，则导航算法控制器107通过以将通过PDR算法111获得的关于使用导航装置的用户的当前位置、速度和航向的信息与通过GPS接收器103接收的卫星信息一起使用的这种方式来紧耦合卫星导航算法109和PDR算法111，来估计位置和航向。

根据紧耦合方案，通过GPS接收器103检测邻近的GPS卫星，从检测到的GPS卫星中的至少一个接收伪距信息，存储接收的伪距信息，使用行人的步数检测来计算行人的位移（行人终端的位移）并使用接收的伪距信息来校正所述位移，并使用校正的值来测量行人的位置。

通过PDR算法计算行人的位移，其中，PDR算法使用行人的步态特征来估计行人的位置。

通过使用计算的行人的位移和关于GPS卫星（已从所述GPS卫星接收伪距信息）的轨道信息来计算行人终端和GPS卫星之间的距离，并通过计算所述距离和接收的伪距信息之间的差，来校正行人的位移。

紧耦合方案将在GPS接收器103接收的伪距信息和伪距变化率信息用作测量结果。只要存在一个或多个可见卫星，紧耦合方案就可提供关于用户的位置信息。

以下将描述用于在具有以上所述的配置的导航装置中提供关于用户的位置信息的操作。

图2是示出根据本发明的实施例的用于使用导航装置通知用户的位置的流程图。

参照图2，在步骤201，导航装置从GPS接收器103接收GPS信号。如果导航装置位于遮蔽区域，则它不能接收任何GPS信号。另一方面，如果导航装置位于处于好的GPS接收状态的区域中，则它可接收多个GPS信号。

因为卫星导航算法109与PDR算法111根据接收的GPS信号的数量以不同方式耦合，所以在步骤203，导航装置确定通过GPS接收器103接收的GPS信号的数量是否大于或等于4。

如果通过GPS接收器103接收的GPS信号的数量大于或等于是4，则导航装置确定它当前位于积极接收GPS信号的区域，并前进至步骤205。在步骤205，导航装置松耦合卫星导航算法109和PDR算法111，并根据松耦合方案接收关于导航装置的当前位置和行驶路线的信息。

另一方面，如果通过GPS接收器103接收的GPS信号的数量小于或等于3，则导航装置确定它当前位于不能积极接收GPS信号的遮蔽区域，并前进至步骤207。在步骤207，导航装置确定接收的GPS信号的数量是否小于1。

如果接收的GPS信号的数量小于1，则导航装置确定没有接收到GPS信号，并前进至步骤211。在步骤211，导航装置在不使用卫星导航算法109的情况下，仅使用PDR算法111估计用户的位置和航向。

如果接收的GPS信号的数量大于或等于1，则在步骤209，导航装置将接收的GPS信号的强度和预定阈值进行比较。如果接收的GPS的强度等于或小于阈值，则在步骤211，导航装置仅使用PDR算法估计用户的位置和航向。

如果接收的GPS的强度高于阈值，则在步骤213，导航装置通过紧耦合卫星导航算法和PDR算法111来估计所述导航装置的当前位置和航向。即使当用户位于接收4个或更少卫星信号的遮蔽区域时，也可使用紧耦合算法校正用户的位置误差。

图3是示出根据本发明的实施例的误差校正操作的流程图。在本发明中，使用卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器用于获得状态变量的最佳估计，并应用于具有线性结构并使估计的状态变量的误差方差最小化的线性系统。

参照图3，在步骤301，导航装置接收GPS信号。接收的GPS信号被发送到卡尔曼滤波器。在步骤303，卡尔曼滤波器使用接收的GPS信号产生测量结果。由于GPS信号携带伪距信息和伪距变化率信息，因此卡尔曼滤波器在产生测量结果时使用伪距信息和伪距变化率信息。然后，在步骤305，使用产生的测量结果更新状态变量测量结果。具体地，计算卡尔曼滤波器的增益，并使用所述增益更新状态变量测量结果。在步骤307，使用更新的状态变量测量结果校正GPS信号的误差，并且在步骤309，被校正误差的GPS信号应用于PDR系统。

根据本发明，使用卡尔曼滤波器将参考值的误差表示为卡尔曼滤波器的状态变量，并且这个估计的状态变量作为输入被反馈给系统。这被称为间接反馈。也就是，通过使用间接反馈卡尔曼滤波器来线性地保持系统的误差传播特性。用于在卡尔曼滤波器计算估计值的步骤被划分为在给定测量结果时执行的测量结果更新以及随时间推移计算的时间传播。在本发明中，通过将由测量结果更新而估计的误差状态变量反馈至系统来校正系统的误差。因此，在反馈之后不执行关于系统模型的状态变量的时间传播。相反，将卡尔曼滤波器的状态变量重设为0，并在下一个步骤中重复使用测量结果的测量结果更新。

后述曲线图示出使用处于紧耦合PDR系统和卫星导航系统的复合导航系统的导航装置的用户的当前位置或目的地的估计。在紧耦合方案的情况下，使用卡尔曼滤波器校正卫星导航系统的位置误差。

图4a至图5b是示出根据本发明的实施例的通过考虑步态特征获得的滤波器调谐结果的曲线图。图4a和图4b是示出考虑在直线轨迹上的步态特征获得的滤波器调谐结果的曲线图，并且图5a和图5b是示出通过考虑在运动轨迹上的步态特征获得的滤波器调谐结果的曲线图。

从图4a至图5b可注意到：不考虑航向偏移误差，成功地跟踪近似于实际轨迹的GPS数据。

虽然已参照本发明的实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解：在没有脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在这些实施例中在形式和细节上进行各种改变。

Claims (14)

1.一种用于测量行人终端的位置的方法，所述方法包括：

搜索邻近的全球定位系统（GPS）卫星；

从检测的GPS卫星中的至少一个接收伪距信息，并存储接收的伪距信息；

基于来自行人的步数检测来计算行人的位移；

使用接收的伪距信息来校正计算的行人终端的位移；

使用校正的位移测量行人终端的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，位移计算的步骤包括：通过行人航位推算（PDR）算法来计算行人终端的位移，其中，行人航位推算算法根据行人的步态特征估计行人的位置。

3.如权利要求2所述的方法，其中，位移校正步骤包括：通过行人导航系统确认行人的位移；

使用计算的行人的位移和关于至少一个GPS卫星的轨道信息来计算行人终端和所述至少一个GPS卫星之间的距离；

使用接收的伪距信息以及计算的在行人终端和所述至少一个GPS卫星之间的距离之间的差来校正行人的位移。

4.如权利要求1所述的方法，其中，接收并存储伪距信息的步骤包括：从检测的GPS卫星中的至少一个接收伪距信息；使用滤波器检测并校正接收的伪距信息的误差；存储校正的伪距信息。

5.一种用于测量行人终端的位置的设备，所述设备包括：

用户接口，用于和用户接口通信；

全球定位系统（GPS）接收器，用于搜索邻近的GPS卫星，并从检测到的GPS卫星中的至少一个接收伪距信息；

控制器，用于基于来自行人的步数检测来计算行人的位移，使用接收的伪距信息来校正计算的行人的位移，并使用校正的位移测量行人终端的位置。

6.如权利要求5所述的设备，其中，控制器通过行人航位推算（PDR）算法来计算行人的位移，其中，行人航位推算算法根据行人的步态特征估计行人的位置。

7.如权利要求6所述的设备，其中，控制器通过行人导航系统确认行人的位移，使用计算的行人终端的位移和间的距关于至少一个卫星的轨道信息来计算行人和所述至少一个GPS卫星之离，使用接收的伪距信息以及计算的行人和所述至少一个GPS卫星之间的距离之间的差来校正行人终端的位移。

8.如权利要求5所述的设备，还包括：滤波器单元，用于检测并校正接收的伪距信息的误差。

9.如权利要求5所述的设备，其中，控制器根据通过GPS接收器接收的GPS信号的数量来控制选择性地耦合预定的两种导航算法或控制仅使用所述两种导航算法中的一个。

10.如权利要求5所述的设备，还包括：加速度计，用于根据设备的运动来测量所述设备的加速度。

11.如权利要求5所述的设备，其中，控制器包括：

卫星导航算法执行器，用于从可见卫星接收关于用户的位置的信息，并提供关于用户的位置的信息；

PDR算法执行器，用于根据用户的步态特征估计用户的位置。

12.如权利要求5所述的设备，其中，如果通过GPS接收器接收的GPS信号的数量等于或大于4，则控制器使用将GPS接收器的位置和速度用作耦合系统的测量结果的松耦合方案。

13.如权利要求5所述的设备，其中，如果通过GPS接收器接收的GPS信号的数量小于或等于3，则控制器将GPS信号的强度和预定阈值进行比较，并且如果GPS信号的强度高于预定阈值，则控制器使用将通过GPS接收器接收的伪距信息和伪距变化率信息用作测量结果的紧耦合方案。

14.如权利要求6所述的设备，其中，如果通过GPS接收器没有接收到GPS信号，则控制器使用预定的两种导航算法中的一种来检测关于用户的位置信息，其中，一种导航算法为PDR算法。

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