CN103339473A - 用于gnss车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位 - Google Patents

Abstract

本发明给出了用于提供对车辆中的移动设备的改善的航向估计的装置和方法。首先，移动设备确定其是否安装在附连至车辆的支架中；如果是，则惯性传感器数据可以是有效的。当处于已安装状态时，移动设备确定其是否已在支架中旋转；如果是，则惯性传感器数据可能不再是可靠的并且需要重新校准以确定车辆与移动设备之间新的相对取向。如果移动设备被安装但是最近未被旋转，则来自多个传感器（例如，GPS、陀螺仪、加速计）的航向数据可被计算和组合以形成改善的航向估计。此改善的航向估计可被用于形成改善的速度估计。改善的航向估计也可被用于计算偏置以校正陀螺仪。

Description

用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2011年2月8日提及的题为“InertialSensor Aided Heading and Positioning for GNSS Vehicle Navigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国临时申请No.61/440,730的权益和优先权，该临时申请通过援引纳入于此。本申请根据35U.S.C.§119(e)还要求2011年1月14日提及的题为“Inertial Sensor Aided Heading andPositioning for GNSS Vehicle Navigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国临时申请No.61/433,124的权益和优先权，该临时申请通过援引纳入于此。本申请根据35U.S.C.§119(e)进一步要求2010年12月3日提及的题为“Inertial Sensor Aided Heading and Positioning for GNSSVehicle Navigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国临时申请No.61/419,786的权益和优先权，该临时申请通过援引纳入于此。本申请根据35U.S.C.§120(e)要求2011年12月1日提及的题为“InertialSensor Aided Heading and Positioning for GNSS Vehicle Navigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国申请No.13/309,519的权益和优先权，该申请通过援引纳入于此。本申请根据35U.S.C.§120(e)要求2011年12月1日提及的题为“Inertial Sensor Aided Heading and Positioning for GNSSVehicle Navigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国申请No.13/309,520的权益和优先权，该申请通过援引纳入于此。本申请根据35U.S.C.§120(e)要求2011年12月1日提及的题为“Inertial Sensor AidedHeading and Positioning for GNSS Vehicle Navigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国申请No.13/309,521的权益和优先权，该申请通过援引纳入于此。本申请根据35U.S.C.§120(e)要求2011年12月1日提及的题为“Inertial Sensor Aided Heading and Positioning for GNSS VehicleNavigation（用于GNSS车辆导航的受惯性传感器辅助的航向和定位）”的美国申请No.13/309,522的权益和优先权，该申请通过援引纳入于此。

背景

I．发明领域

本公开一般涉及用于在无线设备中确定航向的装置和方法，尤其涉及基于航向的组合来确定航向。

II.背景

汽车或其他车辆中用于导航的移动设备除了使用加速计和陀螺仪传感器测量之外有时还使用全球导航卫星系统（GNSS）定位信息来确定当前的速度和航向。此类传感器测量在移动设备“知道”其关于汽车如何取向时最有价值。例如，移动设备可被安装在支架中或者汽车中的其他固定结构中。因此，当移动设备经历运动时，汽车通常也正在经历相同的运动。另一方面，如果移动设备在衬衫口袋中或者在座椅或仪表盘周围滑动，则移动设备运动与汽车运动是相关的但不是相同的。

为了确定移动设备是否被安装在支架中，支架可具有取决于移动设备是否处于已安装状态而被激活的电子开关。这些已知支架中的每一个支架需要该支架上额外的开关以及移动设备上额外的接口。因此，希望有在不使用额外的支架硬件的情况下检测移动设备是否被安装在支架中的手段。另外，如果支架提供关于汽车的绕轴旋转或位移，则移动设备与汽车之间的相对关系将发生变化。假定当移动设备在其支架中且在此类绕轴旋转支架情况下无效时此关系是永久固定的。因此，希望有检测已安装的移动设备是否已被重新定位的手段。

另外，许多移动设备出于定位、导航和路由目的而向用户提供航向信息。此航向信息可基于来自传感器测量和/或GNSS信息的航位推算。此类传感器包括加速计和陀螺仪。长久以来希望有较好地对传感器测量进行选择、加权并将传感器测量与GNSS信息相组合以向用户提供更为可靠和改善的航向的方法。

除了航向信息之外，移动设备包括卡尔曼滤波器以预测下一GNSS位置和速度。卡尔曼滤波器能够较好地用误差反馈来预测位置和速度。长久以来希望有提供改善的误差反馈信号的方法。

传感器校准通常要求移动设备是静止的或者以恒定的速度行进。还希望有校准不具有此类约束的包括陀螺仪在内的传感器的方法。

简要说明

公开了用于为车辆中的移动设备提供和使用准确的且改善的航向的装置和方法。在确定改善的航向估计之前，移动设备确定该移动设备是否在附连至车辆的支架中处于已安装状态；如果是，则惯性传感器数据可以是有效的。如果已处于已安装状态，则移动设备确定该移动设备是否已在支架中旋转；如果是，则惯性传感器数据可能不再是可靠的并且需要重新校准以确定车辆与移动设备之间新的相对取向。如果设备的已安装状态是已知的以使得移动设备被安装但是最近未被旋转，则来自多个传感器（例如，GPS、陀螺仪、加速计）的航向数据可被计算和组合以形成改善的航向估计。此改善的航向估计可被用于形成改善的速度估计。改善的航向估计还可被用于计算偏置以校正陀螺仪校准。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于检测移动设备是否未被安装的方法，该方法包括：接收加速计测量确定加速计测量

的平均（AVG）

基于加速计测量

来计算参数p；计算该参数的方差

将方差与阈值作比较；以及基于方差

大于阈值而声明移动设备未被安装。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：包括加速计的惯性测量单元；耦合至惯性测量单元的处理器；耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：接收加速计测量确定加速计测量

的平均

基于加速计测量

来计算参数p；计算该参数的方差

将方差

与阈值作比较；以及基于方差

大于阈值而声明移动设备未被安装。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：用于接收加速计测量

的装置；用于确定加速计测量

的平均

的装置；用于基于加速计测量

来计算参数p的装置；用于计算该参数的方差

的装置；用于将方差与阈值作比较的装置；以及用于基于方差

大于阈值而声明移动设备未被安装的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于检测移动设备是否未被安装的方法，该方法包括：接收陀螺仪测量

确定陀螺仪测量

的平均

基于陀螺仪测量

来计算参数p；计算该参数的方差将方差

与阈值作比较；以及基于方差

大于阈值而声明移动设备未被安装。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：包括陀螺仪的惯性测量单元；耦合至惯性测量单元的处理器；耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：接收陀螺仪测量

确定陀螺仪测量

的平均

基于陀螺仪测量来计算参数p；计算该参数的方差

将方差与阈值作比较；以及基于方差

大于阈值而声明移动设备未被安装。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：用于接收陀螺仪测量

的装置；用于确定陀螺仪测量

的平均

的装置；用于基于陀螺仪测量

来计算参数p的装置；用于计算该参数的方差的装置；用于将方差与阈值作比较的装置；以及用于基于方差

大于阈值而声明移动设备未被安装的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于检测移动设备是否未被安装的方法，该方法包括：接收加速计测量

确定加速计测量

的平均计算平均

与垂直于移动设备上的可查看显示器的轴线之间的角度θ；将角度θ与90度作比较；以及基于角度θ小于来自90度的阈值而声明移动设备未被安装。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：包括加速计的惯性测量单元；耦合至惯性测量单元的处理器；耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：接收加速计测量确定加速计测量

的平均

计算平均

与垂直于移动设备上的可查看显示器的轴线之间的角度θ；将角度θ与90度作比较；以及基于角度θ小于来自90度的阈值而声明移动设备未被安装。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：用于接收加速计测量

的装置；用于确定加速计测量

的平均

的装置；用于计算平均

与垂直于移动设备上的可查看显示器的轴线之间的角度θ的装置；用于将角度θ与90度作比较的装置；以及用于基于角度θ小于来自90度的阈值而声明移动设备未被安装的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于检测移动设备是否未被安装的方法，该方法包括：计算以下至少一项的方差值

加速计测量

的序列；加速计测量的平均的序列；陀螺仪测量

的序列；信道化的标量陀螺仪测量的三个序列（ω_X,ω_Y,ω_Z）；和实际的陀螺仪航向速率

如果方差值

中的任何一个方差值超过各自的阈值，则设置标志；以及基于该标志来声明移动设备不处于已安装状态。

根据一些方面，公开了一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：包括加速计的惯性测量单元；耦合至惯性测量单元的处理器；耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：计算以下至少一项的方差值

加速计测量

的序列；加速计测量的平均

的序列；陀螺仪测量的序列；信道化的标量陀螺仪测量的三个序列（ω_X,ω_Y,ω_Z）；和实际的陀螺仪航向速率

如果方差值

中的任何一个方差值超过各自的阈值，则设置标志；以及基于该标志来声明移动设备不处于已安装状态。一种用于检测移动设备是否未被安装的移动设备，该移动设备包括：用于计算以下至少一项的方差值

的装置：加速计测量的序列；加速计测量的平均的序列；陀螺仪测量

的序列；信道化的标量陀螺仪测量的三个序列（ω_X,ω_Y,ω_Z）；和实际的陀螺仪航向速率用于如果方差值中的任何一个方差值超过各自的阈值则设置标志的装置；以及用于基于该标志来声明移动设备不处于已安装状态的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于提供改善的航向的方法，该方法包括：从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；基于加速计测量来计算重力向量基于陀螺仪测量

和重力向量

来计算实际的陀螺仪（Gyro）航向速率以及将GNSS航向（H_GNSS）与实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成改善的航向。

根据一些方面，公开了一种用于提供改善的航向的移动设备，该移动设备包括：包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；耦合至惯性测量单元和GNSS接收机的处理器；以及耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量从GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；基于加速计测量

来计算重力向量

基于陀螺仪测量

和重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

以及将GNSS航向（H_GNSS）与实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成改善的航向。

根据一些方面，公开了一种用于提供改善的航向的移动设备，该移动设备包括：用于接收加速计测量

的装置；用于接收陀螺仪测量

的装置；用于接收GNSS航向（H_GNSS）的装置；用于基于加速计测量

来计算重力向量

的装置；用于基于陀螺仪测量

和重力向量

的投影来计算实际的陀螺仪航向速率

的装置；以及用于将GNSS航向（H_GNSS）与实际的陀螺仪航向速率相组合的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于提供改善的速度的方法，该方法包括：从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度基于加速计测量来计算重力向量

基于陀螺仪测量

和重力向量

的投影来计算实际的陀螺仪航向速率

将GNSS航向

与实际的陀螺仪航向速率（H_GNSS）相组合以形成改善的航向以及从改善的航向

计算改善的速度。

根据一些方面，公开了一种用于提供改善的速度的移动设备，该移动设备包括：包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；耦合至惯性测量单元和GNSS接收机的处理器；以及耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度

基于加速计测量

来计算重力向量

基于陀螺仪测量和重力向量来计算实际的陀螺仪航向速率

将GNSS航向

与实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成改善的航向

以及从改善的航向

计算改善的速度。

根据一些方面，公开了一种用于提供改善的速度的移动设备，该移动设备包括：用于从加速计接收加速计测量

的装置；用于从陀螺仪接收陀螺仪测量

的装置；用于从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度的装置；用于基于加速计测量

来计算重力向量

的装置；用于基于陀螺仪测量和重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

的装置；用于将GNSS航向（H_GNSS）与实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成改善的航向

的装置；以及用于从改善的航向

计算改善的速度的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于生成陀螺仪偏置的方法，该方法包括：从GNSS接收机接收至少两个GNSS航向（H_GNSS）；基于GNSS航向（H_GNSS）来计算GNSS航向差（△H_GNSS）；通过藉由GNSS时间差（-△T_GNSS）进行定标来将GNSS航向差（△H_GNSS）转换成负的GNSS航向速率

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从陀螺仪测量

计算实际的陀螺仪航向速率

从实际的陀螺仪航向速率

形成经校正（CORR）的陀螺仪航向速率

对经校正的陀螺仪航向速率取平均以形成实际的陀螺仪航向速率

以及对负的GNSS航向速率

与实际的陀螺仪航向速率进行求和以形成陀螺仪偏置。

根据一些方面，公开了一种用于生成陀螺仪偏置的移动设备，该移动设备包括：包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；耦合至惯性测量单元和GNSS接收机的处理器；以及耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：从GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；基于GNSS航向（H_GNSS）来计算GNSS航向差（△H_GNSS）；通过藉由GNSS时间差（-△T_GNSS）进行定标来将GNSS航向差（△H_GNSS）转换成负的GNSS航向速率

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从陀螺仪测量

计算实际的陀螺仪航向速率从实际的陀螺仪航向速率

形成经校正的陀螺仪航向速率

对经校正的陀螺仪航向速率

取平均以形成实际的陀螺仪航向速率

以及对负的GNSS航向速率

与实际的陀螺仪航向速率

进行求和以形成陀螺仪偏置。

根据一些方面，公开了一种用于生成陀螺仪偏置的移动设备，该移动设备包括：用于从GNSS接收机接收至少两个GNSS航向（H_GNSS）的装置；用于基于GNSS航向（H_GNSS）来计算GNSS航向差（△H_GNSS）的装置；用于通过藉由GNSS时间差（-△T_GNSS）进行定标来将GNSS航向差（△H_GNSS）转换成负的GNSS航向速率的装置；用于从陀螺仪接收陀螺仪测量

的装置；用于从陀螺仪测量计算实际的陀螺仪航向速率

的装置；用于从实际的陀螺仪航向速率

形成经校正的陀螺仪航向速率

的装置；用于对经校正的陀螺仪航向速率取平均以形成实际的陀螺仪航向速率

的装置；以及用于对负的GNSS航向速率

与实际的陀螺仪航向速率

进行求和以形成陀螺仪偏置的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于生成陀螺仪偏置的方法，该方法包括：接收GNSS航向（H_GNSS）；接收陀螺仪测量

以及基于陀螺仪航向（H_GNSS）和陀螺仪测量

来计算陀螺仪偏置。

根据一些方面，公开了一种用于生成陀螺仪偏置的移动设备，该移动设备包括：包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；耦合至惯性测量单元和GNSS接收机的处理器；以及耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：接收GNSS航向（H_GNSS）；接收陀螺仪测量

以及基于陀螺仪航向（H_GNSS）和陀螺仪测量

来计算陀螺仪偏置。

根据一些方面，公开了一种用于生成陀螺仪偏置的移动设备，该移动设备包括：用于接收GNSS航向（H_GNSS）的装置；用于接收陀螺仪测量

的装置；以及用于基于陀螺仪航向（H_GNSS）和陀螺仪测量来计算陀螺仪偏置的装置。

根据一些方面，公开了一种在移动设备中用于检测支架旋转的方法，该方法包括：基于GNSS幅值

来确定阈值（ω_max）；将旋转角速率

与阈值（ω_max）作比较；以及基于该比较来确定支架旋转。

根据一些方面，公开了一种用于检测支架旋转的移动设备，该移动设备包括：包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；耦合至惯性测量单元和GNSS接收机的处理器；以及耦合至处理器的存储器，该存储器包括用于执行以下动作的代码：基于GNSS幅值（ω_max）来确定阈值将旋转角速率

与阈值（ω_max）作比较；以及基于该比较来确定支架旋转。

根据一些方面，公开了一种用于检测支架旋转的移动设备，该移动设备包括：用于基于GNSS幅值（ω_max）来确定阈值的装置；用于将旋转角速率

与阈值（ω_max）作比较的装置；以及基于该比较来确定支架旋转的装置。

应理解，根据以下详细描述，其他方面对于本领域技术人员而言将变得明显，在以下详细描述中以解说方式示出和描述了各个方面。附图和详细描述应被认为在本质上是解说性而非限制性的。

附图简述

将参照附图仅作为示例来描述本发明的各实施例。

图1解说了GNSS系统和具有已安装的移动设备的汽车的侧视图。

图2示出了解说来自各个源的航向之间的差异的俯视图。

图3示出了根据本发明的一些实施例的移动设备的框图。

图4示出了根据本发明的一些实施例的关于移动设备的重力向量。

图5示出了根据本发明的一些实施例的安装状态检测器的框图。

图6是用于计算方差的单元的框图。

图7-10是根据本发明的一些实施例的其他安装状态检测器的框图。

图11和12示出了移动设备100的两个取向。

图13示出了根据本发明的一些实施例的安装状态检测器。

图14和15示出了根据本发明的一些实施例的用于计算改善的航向的单元的框图。

图16解说了根据本发明的一些实施例的在实际的陀螺仪中使用的投影。

图17示出了根据本发明的一些实施例的航向滤波器的框图。

图18和19示出了加权因子与积分历时之间的关系。

图20、21、22和23解说了根据本发明的一些实施例的用于计算改善的速度的方法。

图24示出了根据本发明的一些实施例的用于生成陀螺仪偏置的方法。

图25示出了根据本发明的一些实施例的支架旋转检测器的框图。

详细描述

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为本公开的各种方面的描述，而无意代表可实践本公开的仅有方面。本公开中描述的每个方面是仅作为本公开的示例或解说而提供的，并且不应被必然地解释成优于或胜过其他方面。本详细描述包括具体细节，其目的在于提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言明显的是，本公开无需这些具体细节也可实践。在一些实例中，众所周知的结构和设备以框图形式示出以避免湮没本公开的概念。首字母缩写和其它描述性术语可能仅为方便和清楚而使用，且无意限定本公开的范围。

本文中所描述的位置确定技术可协同诸如无线广域网（WWAN）、无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）等各种无线通信网络来实现。术语“网络”和“系统”常被可互换地使用。WWAN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、长期演进（LTE）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）、或其它某种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IEEE802.11x网络，并且WPAN可以是蓝牙网络、IEEE802.15x、或其他某种类型的网络。这些技术也可结合WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合来实现。

卫星定位系统（SPS）典型地包括发射机系统，这些发射机定位成使得各实体能够至少部分地基于从这些发射机接收到的信号来确定自己在地球上或上方的位置。此类发射机通常发射用具有设定数目个码片的重复伪随机噪声（PN）码作标记的信号，并且可位于基于地面的控制站、用户装备和/或空间飞行器上。在特定示例中，此类发射机可位于环地轨道卫星飞行器（SV）上。例如，诸如全球定位系统（GPS）、Galileo（伽利略）、GLONASS（格洛纳斯）或Compass（北斗）等全球导航卫星系统（GNSS）的星座中的SV可发射用可与由该星座中的其它SV所发射的PN码区分开的PN码作标记的信号（例如，如在GPS中那样对每颗卫星使用不同PN码，或者如在GLONASS中那样在不同频率上使用相同的码）。根据某些方面，本文中给出的技术不限于全球SPS系统（例如，GNSS）。例如，可将本文中所提供的技术应用于各种地区性系统和/或各种扩增系统、或另行使之能在各种地区性系统和/或各种扩增系统中使用，这些地区性系统诸如举例而言为日本上空的准天顶卫星系统（QZSS）、印度上空的印度地区性导航卫星系统（IRNSS）、中国上空的北斗等，这些扩增系统（例如，基于卫星的扩增系统（SBAS））可与一个或多个全球和/或地区性导航卫星系统相关联或另行使其能与之联用。作为示例而非限定，SBAS可包括提供完整性信息、差分校正等的（诸）扩增系统，诸如举例而言，广域扩增系统（WAAS）、欧洲对地静止导航覆盖服务（EGNOS）、多功能卫星扩增系统（MSAS）、GPS辅助式Geo（对地静止）扩增导航或GPS和Geo扩增导航系统（GAGAN）和/或类似系统。因此，如本文中所使用的，SPS可包括一个或多个全球和/或区域性导航卫星系统和/或扩增系统的任何组合，并且SPS信号可包括SPS信号、类SPS信号和/或与此一个或多个SPS相关联的其他信号。

如本文中所使用的，移动设备100有时又称移动站（MS）或用户装备（UE），诸如蜂窝电话、移动电话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）、膝上型设备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。术语“移动站”还旨在包括诸如藉由短程无线、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/或位置相关处理是发生在该设备处还是在PND处。而且，“移动站”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。以上的任何可操作的组合也被认为是“移动站”。

图1解说了卫星定位系统（SPS）和具有安装在支架中的移动设备100的汽车10的侧视图。用户可将移动设备100放置在固定至汽车10或其他车辆的支架中以辅助用户在汽车10行进中进行导航。移动设备100充当免提设备，可以显示本地地图，并且可以呈现音频和视觉路由信息。

移动设备100可使用从卫星定位系统（SPS）中的GNSS卫星99接收的GNSS信号以及本地传感器数据来估计汽车10在水平平面内的当前位置、速度或航向。该水平平面可被定义为与形成Z轴

的重力向量

垂直的X-Y平面。X轴

可被定义为汽车10正面对的方向并且Y轴

（未示出）可以是与前进方向

和垂直方向

上的重力向量垂直的偏航或横向方向。

X、Y和Z轴表示汽车10本地的局部参考系

全局参考系可由经度和纬度或者由经度、纬度和标高来表示。生成关于全局参考系的GNSS数据。第三参考系是相对于移动设备100的机身定义的机身参考系。由移动设备100内的传感器在机身参考系中生成传感器数据。

汽车10的运动可使用局部参考系中的非完整约束来限制。也就是说，移动设备100可通过限制汽车10沿X轴的移动来对汽车可能的移动设限。

图2示出了解说来自各个源的航向之间的差异的俯视图。第一航向（沿的汽车航向）是由汽车10正朝向或面对的方向定义的。换言之，第一航向是由局部参考系中的X轴定义的汽车航向

第二航向是由来自GNSS接收机140的信号定义的GNSS航向（H_GNSS）。第二航向可从GNSS速度

提取出来，该GNSS速度可被定义为航向和速率。

第三航向（H_Gyro）来自陀螺仪130。

理想世界中各种航向是相同的。然而，在现实世界中，这三个航向是从不同的源和在不同的时段上推导的；因此，这三个航向往往相似但又彼此不同。第四航向是改善的航向

该改善的航向是这三个航向中的两个或更多个的加权组合并且在以下更详细地讨论的改善的速度

的方向上。

每个航向均具有优点和缺点。汽车航向

容易确定但是可能仅对于瞬时而言是正确的或者具有固有的偏置。GNSS航向（H_GNSS）在长期是准确的但是在短期是较不准确的。陀螺仪航向（H_Gyro）可以在短期是准确的但是由于累积误差而在长期是不准确的。这些航向中的两个或三个可受限制（例如，使用非完整约束）并且被组合以形成改善的航向

该改善的航向

尝试组合个体航向的优点而掩蔽它们的缺点。

图3示出了根据本发明的一些实施例的移动设备的框图。移动设备100包括亦被称为惯性测量单元（IMU）的传感器110。在这种情形中，传感器110包括加速计120和陀螺仪130两者。加速计120和陀螺仪130两者均可以是生成三维测量的设备。

移动设备100还包括GNSS接收机140、处理器150和可能的显示器160。处理器150从加速计120接收被参引到机身参考系的三维加速计测量

形式的数据。处理器150从陀螺仪130接收角速率

该角速率标识与前一测量的角度变化。角速率

也是被参引到机身参考系的三维测量。

GNSS接收机140提供GNSS航向

该GNSS航向

可以是被参引到正北（0°）的标量值。处理器150可包括包含用于执行本文中所描述的方法的代码的存储器。替换地，该存储器可以位于处理器150外部。显示器160耦合至处理器并且可被用于向用户呈现地图、路由信息和方向信息。移动设备100还可包括用于音频命令的扬声器。

图4示出了根据本发明的一些实施例的关于移动设备的重力向量。当用户进入汽车10时，用户可例如在首个20秒内将移动设备100安装到固定至汽车10的支架或其他安装结构。支架提供移动设备100的机身参考系与汽车10的局部参考系之间的固定关系。通常，当移动设备100安装在支架中时，移动设备100与汽车10的相对取向在时间上是不变的。这种固定的关系可能被用户扰乱，例如，重新调整移动设备100以获得较佳的查看角度。

当移动设备100定位在支架中时，加速计120和陀螺仪130生成与汽车10的移动直接对应的数据。另一方面，当移动设备100在用户的口袋、夹克或钱包中时，传感器110生成仅与汽车10的移动相关但是并不相同的数据。该图示出了当重力向量

在第一时间（k）与第二时间（k-1）之间发生变化时的示例。如果已被安装，则计算出的重力向量仅在误差阈值内变化。

如果计算出的重力向量从第一重力

变化到大于阈值量的第二重力

则处理器150可声明移动设备100不处于已安装状态（若此变动随时间连续地变化）或者在支架内旋转（若此变动首先停留于第一重力向量随后停留于第二重力向量）。如果处理器150确定移动设备100未被安装，则来自传感器110的测量将不与汽车10的移动直接相关联。

图5示出了根据本发明的一些实施例的安装状态检测器的框图。此过程200从不同的变量序列确定两个或更多个方差。此处的示例示出了五个方差，然而，一些实施例可仅使用这些方差中的两个、三个或四个方差。例如，一实施例可仅使用一个基于加速度的方差（例如，

或

的方差）和一个基于陀螺仪的方差（例如，

或ω_X,ω_Y,ω_Z的方差）。另一实施例可仅使用平均的加速度方差（例如，

的方差）和一个基于陀螺仪的方差（例如，

的方差）。

变量序列包括：（1）三维加速计测量

（2）平均的三维加速计测量

（3）三维陀螺仪测量

（4）作为提供三个分开的标量值的三个分开的信道对待的三维陀螺仪测量（ω_X,ω_Y,ω_Z）；以及（5）实际的航向速率前三个流各自导致每时间索引一个方差值并且第四流导致每时间索引三个方差值。

在步骤210处，处理器150从加速计120接收加速计测量

该加速计测量可被提供给步骤220、步骤240和/或步骤270作为测量

替换地，该三维加速计测量

可被提供为一个、两个或三个标量值（a_X,a_Y,a_Z或a_X(k),a_Y(k),a_Z(k)），其中

在机身参考系中。加速计测量

可被表示为时间值序列：

$\stackrel{\→}{a}\left(k\right),\stackrel{\→}{a}(k-1),\stackrel{\→}{a}(k-2),\stackrel{\→}{a}(k-3),\stackrel{\→}{a}(k-4),...$

在步骤220处，若需要，则处理器150执行对前n个测量的窗取平均。例如：

${\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{a}(k-i)$

该经平均的三维加速计测量

可被表示为时间值序列：

${\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}\left(k\right),{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}(k-1),{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}(k-2),{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}(k-3),{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}(k-4),...$

在步骤230处，处理器150从陀螺仪130接收陀螺仪测量

该陀螺仪测量还可被提供给步骤220、步骤240和/或步骤270，或作为三维陀螺仪测量

或者作为三个分开的信道（ω_X,ω_Y,ω_Z）。三维陀螺仪测量

可在时间上被表示为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\left(k\right),\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}(k-1),\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}(k-2),\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}(k-3),\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}(k-4),...$

三个分开的信道（ω_X,ω_Y,ω_Z）可在时间上被表示为：

ω_X(k),ω_X(k-1),ω_X(k-2),ω_X(k-3),ω_X(k-4),...,

ω_Y(k),ω_Y(k-1),ω_Y(k-2),ω_Y(k-3),ω_Y(k-4),...以及

ω_Z(k),ω_Z(k-1),ω_Z(k-2),ω_Z(k-3),ω_Z(k-4),...

在步骤270处，输入值的幅值部分被传递为步骤240的输出值。处理器150从输入向量

或输入标量v(k)计算幅值作为输出标量

或|v(k)|。对于包括向量的数据流，处理器150计算幅值并产生标量，其中输入数据为

（参照机身参考系）并且输出数据为（也参照机身参考系）。对于包括标量的数据流，标量值（a_X,a_Y,a_Z,ω_X,ω_Y,ω_Z）可经历绝对值操作（未示出），其中例如v(k)=|v_X(k)|，其中输出值为|v_X(k)|并且输入标量值为（a_X,a_Y,a_Z,ω_X,ω_Y,ω_Z）中的一个或多个。输出数据也可被低通滤波。

在步骤240处，处理器150接收一个、两个、三个、四个、或五个输入变量流，并且在每一时间k基于平均加速度（来自步骤220）或平均航向（来自步骤310）来计算每个流的方差（σ²）。如以下所描述的参照图6来计算这些方差。此步骤计算与每个输入变量集合相对应的输出方差序列。例如，处理器150将从三维加速计测量

计算出的方差

序列表示为 ${\mathrm{\σ}}_a^2\left(k\right),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-1),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-2),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-3),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-4),...;$ 将从经平均的三维加速计测量

计算出的方差

序列表示为 ${\mathrm{\σ}}_a^2\left(k\right),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-1),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-2),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-3),{\mathrm{\σ}}_a^2(k-4),...;$ 将从三维陀螺仪测量

计算出的方差序列表示为 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2\left(k\right),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2(k-1),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2(k-2),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2(k-3),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2(k-4),...;$ 并且将从三个分开的信道（ω_X,ω_Y,ω_Z）计算出的方差序列表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-X}^2\left(k\right),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-X}^2(k-1),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-X}^2(k-2),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-X}^2(k-3),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-X}^2(k-4),...,$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Y}^2\left(k\right),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Y}^2(k-1),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Y}^2(k-2),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Y}^2(k-3),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Y}^2(k-4),...$ 以及

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Z}^2\left(k\right),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Z}^2(k-1),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Z}^2(k-2),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Z}^2(k-3),{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}-Z}^2(k-4),....$

在步骤250处，将计算出的方差中的每一个方差与各自的阈值作比较以确定是否发生任何过度的线性或角度加速度。在一些实施例中，超过阈值的单个方差触发处理器150声明移动设备100不处于已安装状态，如步骤260处所示。

在其他实施例中，为每个方差序列检查结果窗以确定是否已发生足够的过度事件以声明移动设备100不处于已安装状态。例如，如果在预定长度的窗内加速计测量的方差大于固定阈值达预定次数以上，则处理器150声明移动设备100不处于已安装状态。该加窗可与步骤240处所计算的每个方差序列并行地发生。在这种情形中，在窗内超过其各自的阈值达预定次数以上的任何一个方差序列可触发处理器150作出步骤260的关于移动设备100不处于已安装状态的声明。

替换地或补充地，处理器150可基于在预定时间窗上方差未超过相应的阈值达预定次数以上而声明移动设备100处于已安装状态或者保持在已安装状态中（未示出）。迟滞可被用于在已安装状态与未安装状态之间的转换。

替换地，步骤250的是/否输出可被加窗，以使得先前预定数目的计算内的预定阈值数目的判定必须为“是”以作出步骤260处的声明。例如，在作出步骤260处的声明以断定移动设备100处于已安装状态之前，先前五个决定中的两个或更多个必须为“是”。

如果移动设备100已被安装，则处理器150假定机身参考系关于局部参考系是固定的。在这种情形中，来自传感器110的在机身参考系中的传感器测量直接表示汽车10以及移动设备100在局部参考系中的移动。也就是说，当处理器150确定移动设备100已被安装时，处理器150可直接关联这两个参考系。当处理器150确定移动设备100未被安装时，处理器150可使这两个参考系解除关联。

图6是计算方差

的方差单元的框图。如以上所描述的，处理器150在步骤240处计算每个分开的数据流的方差。在步骤220处（图5），处理器150在窗上计算平均（v_AVG(k,n)）。例如：其中窗大小为n个采样并且k是来自加速计120或陀螺仪130的测量的当前索引。

在步骤246处，处理器150使用向量值

或标量值v(k)和/或经平均的值（v_AVG(k)）来计算方差方差可被记为

作为结果，处理器150并行地接受一个、两个、三个、四个、或五个、或更多个流以产生每个流的相应的方差

图7-10是根据本发明的一些实施例的其他安装状态检测器的框图。在图7中，表示相对于重力的近似的瞬时角的角θ(k)被用于计算角（θ(k)）序列的方差

（示为

）。

加速计120提供加速计测量

（来自3D加速计）或者a_x(k)、a_y(k)、和/或a_z(k)（来自1D、2D、或3D加速计）。在步骤210处，处理器150从加速计120接收加速计测量

并向步骤220和步骤235转发向量或一个或多个标量以供处理。例如，处理器150可处理加速计测量

的标量分量中的一个、两个、或三个标量分量。

在步骤220处，处理器150计算表示重力向量

的运动平均或经加窗平均（例如，

）。在步骤235处，处理器150计算参数p，该参数p是由重力向量

表示的经平均向量与当前的加速计测量

之间的角度θ(k)。例如，该角度被计算为：

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\arccos \left(\frac{{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}(k,n)\·\stackrel{\→}{a}\left(k\right)}{\left|\right|{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{AVG}}(k,n)\left|\right|\·\left|\right|\stackrel{\→}{a}\left(k\right)\left|\right|}\right).$

步骤235向步骤230提供角度θ(k)。在步骤240处并且基于角度θ(k)，处理器150计算方差

该方差表示加速计测量与向量

之间形成的角度的方差。在步骤250处，处理器150确定此方差是否大于阈值方差。如果是，则移动设备100可能不在安装设备中并且在步骤260处，处理器150声明移动设备100不处于已安装状态。

在图8中，将瞬时幅值（例如，

或

）与重力的近似的幅值作比较以形成方差首先，加速计120提供加速计测量

（来自3D加速计）或者a_x(k)、a_y(k)、和/或a_z(k)（来自1D、2D、或3D加速计）。接下来在步骤210处，处理器150接收加速计测量

并且向步骤270转发向量或一个或多个标量以供处理。

在步骤270处，处理器150确定重力向量

的幅值

并且确定所传递的加速计测量

的幅值

随后将幅值结果传递给步骤220和步骤240。

在步骤220处，处理器150确定表示重力向量的幅值的平均（例如，在步骤240处，处理器150基于幅值

和幅值

来计算方差

结果得到的方差表示加速计测量

与重力向量

之间形成的幅值的方差。

在步骤250处，处理器150确定此方差

是否大于阈值方差。如果是，则移动设备100可能不在安装设备中并且在步骤260处，处理器150声明移动设备100不处于已安装状态。

在图9中，示出了表示相对于车辆旋转的近似的瞬时角的角度θ(k)，该角度θ(k)被用于计算角（θ(k)）序列的方差

陀螺仪130向步骤230提供陀螺仪测量（来自3D陀螺仪）或者ω_x(k)、ω_y(k)、和/或ω_z(k)（来自1D、2D、或3D陀螺仪）。在步骤230处，处理器150接收陀螺仪测量

并且转发向量或一个或多个标量以供处理。例如，处理器150可仅搜集陀螺仪测量

的标量分量中的一个或两个标量分量。

在步骤220处，处理器150计算表示车辆的偏转速率或航向速率

的运动平均或经加窗平均（例如，

）。替换地，以下所描述的步骤310（图14）处的方法可被用于形成航向速率

在步骤235处，处理器150计算参数p，该参数p是来自步骤220的经平均向量（例如，航向速率

与来自步骤230的当前的陀螺仪测量

之间的角度θ(k)。例如：

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\arccos \left(\frac{{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{AVG}}(k,n)\·\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\left(k\right)}{\left|\right|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{AVG}}(k,n)\left|\right|\·\left|\right|\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\left(k\right)\left|\right|}\right).$

基于角度θ(k)，在步骤240处，处理器150计算方差

该方差

表示陀螺仪测量

与车辆的航向速率

之间形成的角度的方差。在步骤250处，处理器150确定此方差

是否大于阈值方差。如果是，则移动设备100可能不在安装设备中并且在步骤260处，处理器150声明移动设备100不处于已安装状态。

在图10中，将瞬时幅值（例如，与车辆的偏转速率的近似的幅值作比较以形成方差

首先，陀螺仪130向步骤230提供陀螺仪测量

（来自3D陀螺仪）或者ω_x(k)、ω_y(k)、或ω_z(k)（来自1D、2D、或3D陀螺仪）。接下来在步骤230处，处理器150接收陀螺仪测量

并且转发向量或一个或多个标量以供处理。

在步骤270处，处理器150从所传递的陀螺仪测量

确定旋转向量的幅值随后将结果传递给步骤220和步骤240。

如以上所描述的，在步骤220处，处理器150确定表示航向速率的平均（例如，

）。另外在步骤270处，处理器150确定航向速率向量的幅值

在步骤240处，处理器150计算方差

该方差

表示陀螺仪测量与车辆的航向速率

之间形成的幅值的方差。

在步骤250处，处理器150确定此方差

是否大于阈值方差。如果是，则移动设备100可能不在安装设备中并且在步骤260处，处理器150声明移动设备100不处于已安装状态。

图11和12示出了移动设备100的两个取向。第一取向中的移动设备100可能是可查看的（因此，可能在安装装置中）并且第二取向中的移动设备100可能是不可查看的（因此，可能不在安装装置中）。

在图11中，移动设备100被示为在相对直立的位置中（例如，移动设备100在其被安装时的取向）。示出了机身参考系，其中Z轴

垂直于显示器160地突出，X轴指向移动设备100的左边，并且Y轴

指向上方。

还示出了重力轴

该重力轴（在阈值角度内）与Z轴

相对垂直。如果角度θ垂直于Z轴

并且在Z轴

的阈值内，则移动设备100可能是直立的（如图所示）或者是水平的（面朝水平）。因此，处理器150可在重力轴

与Z轴

（在阈值角度内）相对垂直时声明移动设备100处于已安装状态。

在图12中，移动设备100被示为在相对平坦的位置中（例如，移动设备100在其位于汽车座椅上时的取向）。在这种情形中，该重力轴（在阈值角度内）与Z轴

相对平行。如果角度θ在阈值内与Z轴

平行，则移动设备100可能平躺。因此，处理器150可声明移动设备100处于非安装状态。

图13示出了根据本发明的一些实施例的安装状态检测器200。安装状态检测器200可从方差

（来自图7并且示为

）、方差

（来自图8）、方差

（来自图9并且示为

）、方差

（来自图10）、以及可查看取向（来自图11和12）接受两个或更多个输入值。

在步骤255处，处理器150声明移动设备100是否不处于已安装状态。如果（1）这两个或更多个输入值中的任何一个输入值声明移动设备100不处于已安装状态；（2）这两个或更多个输入值中的大多数输入值声明移动设备100不处于已安装状态；（3）这两个或更多个输入值中的全部输入值声明移动设备100不处于已安装状态；（4）来自这两个或更多个输入值的判定的加权组合（例如，基于检测精度）大于阈值（例如，0.5）；或者（5）原始输入值的加权组合（例如，基于检测精度）大于阈值（例如，0.5），则处理器150可声明移动设备不处于已安装状态。

图14和15示出了根据本发明的一些实施例的用于计算改善的航向的单元的框图。

在图14中，该过程提供基于加速计123和陀螺仪130的航向速率。如以上所描述的，加速计120提供加速度测量

并且陀螺仪130提供角速率测量

在步骤305处，处理器150基于加速计测量

的低通滤波器来计算重力向量

如果移动设备100固定在安装装置中并且汽车10或是静止的或以恒定的速度移动，则重力向量保持恒定或者停留为常数值。

在步骤310处，处理器150计算实际的陀螺仪航向速率

该实际的陀螺仪航向速率基于重力向量

和来自陀螺仪130的角速率测量

参照图16更详细地描述实际的陀螺仪航向速率

在图15中，过程300将各种航向相组合以计算改善的航向

如以上所描述的，处理器150使用来自加速计120和陀螺仪130的测量来产生实际的陀螺仪航向速率

GNSS接收机140产生GNSS航向（H_GNSS）和GNSS航向之间的时间△T_GNSS。

在步骤320处，航向滤波器将GNSS航向（H_GNSS）和实际的陀螺仪航向速率

两者作为输入变量以计算改善的航向

以下参照图17更详细地描述步骤320。

图16解说了根据本发明的一些实施例的在实际的陀螺仪中使用的投影。在以上参照图14所描述的步骤310处，处理器150将原始的三维陀螺仪测量

转换成实际的一维陀螺仪航向速率

该实际的一维陀螺仪航向速率

平行于重力向量

并且表示水平平面中偏航的变化速率。处理器150通过将陀螺仪测量投影到重力向量来计算实际的陀螺仪航向速率

换言之，

其中θ定义这两个向量

之间的角度。

该图示出了陀螺仪测量

该陀螺仪测量

定义与其垂直的第一平面。该图还示出了重力向量

该重力向量定义与其垂直的第二平面。重力向量

是从加速计测量推导的。陀螺仪测量

到重力向量

上的投影导致被示为与第二平面垂直的实际陀螺仪航向速率

该投影被定义为 ${\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{Gyro}}=-{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{\⊥\stackrel{\→}{g}}\left(k\right)=-\frac{\stackrel{\→}{g}\·\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}{\left|\right|\stackrel{\→}{g}\left|\right|}\·\frac{\stackrel{\→}{g}}{\left|\right|\stackrel{\→}{g}\left|\right|}=-\left|\right|\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\left|\right|\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\stackrel{\→}{g}}{\left|\right|\stackrel{\→}{g}\left|\right|}.$

图17示出了根据本发明的一些实施例的航向滤波器的框图。首先参照图15所描述的航向滤波器320接收GNSS航向（H_GNSS(k)）和实际的陀螺仪航向速率

处理它们并且将这两个值相组合，随后产生改善的航向

改善的航向

是通过推导自GNSS接收机140和陀螺仪130的航向的加权组合来形成的，如图14和15中所示的。

在数学上，改善的航向

可通过下式来表示：

$\hat{H}\left(k\right)=w\·H_{\mathrm{GNSS}}\left(k\right)+(1-w)[\hat{H}(k-1)+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{GNSS}}\·{\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{Gyro}}\left(k\right)]$

其中权重w可通过下式来表示：

$w=\frac{({\mathrm{\σ}}_{\hat{H}\left(k\right)}^2+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{GNSS}}^2\·{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{.}{H}}_{\mathrm{Gyro}}\left(k\right)}^2)}{({\mathrm{\σ}}_{H_{\mathrm{GNSS}}\left(k\right)}^2+{\mathrm{\σ}}_{\hat{H}\left(k\right)}^2+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{GNSS}}^2\·{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{.}{H}}_{\mathrm{Gryo}}\left(k\right)}^2)}$

其中

是改善的航向

的方差，其中

是来自步骤310的从来自陀螺仪130的测量推导的实际的陀螺仪航向速率

的方差，其中

是GNSS航向（H_GNSS(k)）的方差，并且其中△T_GNSS是来自GNSS接收机140的航向值之间的时间间隔。

航向滤波器320包括第一放大器321，该第一放大器321通过权重值（w）来对GNSS航向（H_GNSS(k)）进行加权并且将此第一经加权航向（w·H_GNSS(k)）反馈给第一加法器322的第一输入，该第一加法器322产生改善的航向第一加法器322的第二输入是由始于用乘积运算器323通过时间（△T_GNSS，其表示航向采样之间的时间）来对实际的航向速率进行定标的链提供的。乘积被馈送给第二加法器324，该第二加法器324还被馈送来自用z^-1标记的延迟单元325的改善的航向的经延迟版本

结果得到的总和由馈送第一加法器322的第二输入的第二放大器326通过权重值（1-w）进行加权。通常，这两个权重值（w和1-w）的范围在0与1之间并且总和为1。

图18和19示出了加权因子与积分历时之间的关系。图18示出了积分时间与期望加权因子之间的期望关系。由于长期趋势，在较短历时上取得的基于GNSS的航向值（例如，H_GNSS(k)）与在较长历时上取得的基于GNSS的航向值相比具有较少的确定性（或等效地，具有较多的不确定性）。因此，如果历时较长，则基于GNSS的航向值通常被给予较高的权重。

在图19中，示出了积分时间与期望加权因子之间的示例逆关系。由于累积误差，在较短历时上取得的基于陀螺仪的航向值（例如，来自

与在较长历时上取得的基于陀螺仪的航向值相比具有更多的确定性（或等效地，具有更少的不确定性）。因此，如果历时较短，则基于陀螺仪的航向值通常被给予较高的权重。

图20、21、22和23解说了根据本发明的一些实施例的用于计算改善的速度的方法。在图20中，示出了汽车10的俯视图。汽车10沿第一方向行进，该第一方向被指示为沿局部参考系中的X轴

作为GNSS航向（H_GNSS）和实际的陀螺仪航向速率

的函数的改善的航向

往往面对不同于X轴的方向。改善的速度

平行于改善的航向

或者与改善的航向

在同一直线上。类似地，经卡尔曼滤波的GNSS速度

平行于经卡尔曼滤波的GNSS航向

或者与经卡尔曼滤波的GNSS航向

在同一直线上，并且是从GNSS航向（H_GNSS）推导的。改善的速度

具有方向分量和幅值分量。改善的速度

的方向是通过采纳改善的航向

的方向来形成的。改善的速度

的幅值可从经卡尔曼滤波的GNSS速度

在改善的航向

上的投影形成，因此

其中θ定义

与

之间的角度并且

是

的角方向。

在图21中，示出了除了改善的速度

的幅值是以替换方式计算的之外与以上所描述的且在图20中所示的汽车10的俯视图类似的另一俯视图。如先前所述，改善的速度

包括通过采纳改善的航向

的方向所形成的方向分量。在此替换实施例中，改善的速度

的幅值可以通过保持经卡尔曼滤波的GNSS速度

的幅值来形成，由此

其中是的幅值。

比较图20和21的方法，前者使用改善的航向

上的正式数学投影来形成改善的速度

而后者通过改善的航向

上的非正式投影（旋转）来形成改善的速度

这两种方法均被呈现为将经卡尔曼滤波的GNSS速度投影到改善的航向上。以上所描述的方法利用经卡尔曼滤波的GNSS速度

替换方法使用基于GNSS航向

的速度

其中经卡尔曼滤波的GNSS速度是基于GNSS的速度

的示例。

改善的速度

与经卡尔曼滤波的GNSS速度

（或一般地，基于GNSS的速度

之差形成速度误差

该速度误差

被反馈给卡尔曼滤波器410作为校正信号。以此方式，速度误差由卡尔曼滤波器410用于改善未来的速度估计，如以下所描述的。

在图22中，框图示出了处理器150执行的用于生成改善的速度

和速度误差

的步骤。在步骤410处，处理器150从GNSS接收机140接收GNSS速度

并且将GNSS速度传递通过卡尔曼滤波器以产生经卡尔曼滤波的GNSS速度

在步骤420处，处理器150将经卡尔曼滤波的GNSS速度

投影至改善的航向

以计算与改善的航向

平行的改善的速度

步骤420还计算经卡尔曼滤波的GNSS速度

与改善的速度向量

之差以生成速度误差

如以上所描述的，速度误差

由卡尔曼滤波器410用作校正值以改善下一经卡尔曼滤波的GNSS速度

实质上，速度误差

是使用非完整约束来确定的并且被用于校正卡尔曼滤波器。

在图23中，框图示出了处理器150执行的用于生成改善的速度

和速度误差的另一步骤集合。在步骤415处，处理器150从GNSS接收机140接收GNSS速度

并且将GNSS速度

传递通过位置/速度（PV）模块以产生经PV滤波的GNSS速度

同样，在步骤420处，处理器150将经PV滤波的GNSS速度投影至改善的航向

以计算与改善的航向

平行的改善的速度

同样，步骤420还计算经PV滤波的GNSS速度

与改善的速度向量

之差以生成速度误差

速度误差

由PV模块415用作校正值以改善下一经PV滤波的GNSS速度

实质上，速度误差

是使用非完整约束来确定的并且被用于校正卡尔曼滤波器。

图24示出了根据本发明的一些实施例的用于生成陀螺仪偏置的方法。在数学上，陀螺仪偏置可被表示为：

其中，[△H_GNSS(k)]=H_GNSS(k)-H_GNSS(k-n+1)并且

其中 ${\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{Gyro},\mathrm{CORR}}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{H}}_{\mathrm{Gyro}}(k-i).$

在步骤510处，处理器150从GNSS接收机140接收GNSS航向（H(k)）并且在窗（[△H_GNSS(k)]）上计算GNSS航向变化。在步骤520处，处理器150通过藉由GNSS时间差的负值（-△T_GNSS）进行标定或者除以GNSS时间差的负值（-△T_GNSS）来将GNSS航向变化（△H_GNSS）从航向转换成速率以形成GNSS航向速率

该GNSS航向速率

作为第一输入馈送给第一加法器530。第一加法器530的第二输入被馈送实际航向速率的平均

以及这两个输入的总和（或者等效地，这两个平均速率之差）以形成陀螺仪偏置信号（陀螺仪偏置）。

处理器150从始于图14的步骤310处的链形成平均陀螺仪航向速率

该链如以上所描述的那样接收陀螺仪测量并且计算实际的陀螺仪航向速率

实际的陀螺仪航向速率被馈送给第二加法器540作为第一输入。第二加法器540的第二输入可以是作为初步陀螺仪偏置的反馈，该初步陀螺仪偏置可由先前确定的陀螺仪偏置来设置，其中陀螺仪校正=-陀螺仪偏置(误差)。第二加法器540产生经校正的陀螺仪航向速率

处理器150对经校正的陀螺仪航向速率

取平均以形成平均陀螺仪航向速率

新的陀螺仪偏置可在每次迭代k时或者在预定的迭代次数之后计算。

图25示出了根据本发明的一些实施例的支架旋转检测器的框图。过程600始于步骤610，其中处理器150将经卡尔曼滤波的GNSS速度

转换成幅值 $\left(\right|\left|\stackrel{\→}{V}\right||=|\left|{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{GNSS}}\right|\left|\right).$

在步骤620处，处理器150将幅值

与速度阈值作比较以表明移动设备100是否在其支架中相对静止或者正在支架内被用户旋转。取决于相对移动的水平，设置第二阈值（ω_max）。当处理器150确定移动设备100静止或者在阈值以下（以小于幅值阈值的值）关于支架移动时，基于幅值

除以汽车10预期的最小曲率半径（R_min）来设置第二阈值（ω_max），如步骤630处所示的。

当处理器150确定移动设备100正在（以大于幅值阈值的值）关于支架移动或旋转时，基于汽车10预期的最大加速度（a_max）除以幅值来设置第二阈值（ω_max），如步骤640处所示的。因此，对如何设置第二阈值（ω_max）的选择基于汽车10是几乎静止

还是在运动中

在步骤650处，处理器150将来自陀螺仪130的角旋转速率的幅值与此第二阈值（ω_max）作比较。如果角旋转速率的幅值大于第二阈值（ω_max），则处理器150可不采取中断动作并且声明支架没有经历支架旋转或者经历不显著的支架旋转，如步骤660处所示的。如果角旋转速率的幅值

小于第二阈值（ω_max），则处理器150声明移动设备100最近已在支架内移动，如步骤670处所示的。

在步骤680处，处理器150可对基于来自传感器110的测量的任何结果去加权，直至汽车10的局部参考系与移动设备100的机身参考系之间的相对取向可被重新评估。作为对去加权结果的替换方案，处理器150可完全禁止使用传感器测量并且复位任何正在进行的计算，直至移动设备100在支架或安装装置中的相对位置可被再次确定。

本文中所描述的方法体系取决于应用可藉由各种手段来实现。例如，这些方法体系可在硬件、固件、软件、或其任何组合中实现。对于硬件实现，这些处理单元可以在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、数字信号处理器件（DSPD）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子器件、设计成执行本文中所描述功能的其他电子单元、或其组合内实现。

对于固件和/或软件实现，这些方法体系可用执行本文中描述的功能的模块（例如，规程、函数等等）来实现。任何有形地实施指令的机器可读介质可被用来实现本文中所描述的方法体系。例如，软件代码可存储于存储器中并由处理器单元执行。存储器可以实现在处理器单元内或在处理器单元外部。如本文所使用的，术语“存储器”是指任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，且并不限于任何特定类型的存储器或特定数目的存储器、或记忆存储在其上的类型的介质。

如果在固件和/或软件中实现，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括用数据结构编码的计算机可读介质和用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机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、或能被用来存储以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，其中盘常常磁学地再现数据，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。

除了存储在计算机可读介质上，指令和/或数据还可作为包括在通信装置中的传输介质上的信号来提供。例如，通信装置可包括具有指示指令和数据的信号的收发机。指令和数据被配置成致使一个或多个处理器以实现权利要求中概括的功能。即，通信装置包括具有指示用以执行所公开功能的信息的信号的传输介质。在第一时间，通信装置中所包括的传输介质可包括用以执行所公开功能的信息的第一部分，而在第二时间，通信装置中所包括的传输介质可包括用以执行所公开功能的信息的第二部分。

提供以上对所公开方面的描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对这些方面的各种改动对本领域技术人员而言将是明显的，并且本文中所定义的普适原理可应用于其他方面而不会脱离本公开的精神实质或范围。

Claims (21)

1.一种在移动设备中用于提供改善的航向的方法，所述方法包括：

从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

以及

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成所述改善的航向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述实际的陀螺仪（Gyro）航向速率

包括从所述陀螺仪测量

至所述重力向量

的投影计算所述实际的陀螺仪航向速率

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合包括使用加权因子来将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合。

4.一种用于提供改善的航向的移动设备，所述移动设备包括：

包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；

全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；

耦合至所述惯性测量单元和所述GNSS接收机的处理器；以及

耦合至所述处理器的存储器，所述存储器包括用于以下操作的代码：

从所述加速计接收加速计测量

从所述陀螺仪接收陀螺仪测量

从所述GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

以及

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成所述改善的航向。

5.如权利要求4所述的移动设备，其特征在于，计算所述实际的陀螺仪航向速率

包括从所述陀螺仪测量至所述重力向量

的投影计算所述实际的陀螺仪航向速率

6.如权利要求4所述的移动设备，其特征在于，将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合包括使用加权因子来将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合。

7.一种用于提供改善的航向的移动设备，所述移动设备包括：

用于接收加速计测量

的装置；

用于接收陀螺仪测量

的装置；

用于接收陀GNSS航向（H_GNSS）的装置；

用于基于所述加速计测量

来计算重力向量

的装置；

用于基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

的投影来计算实际的陀螺仪航向速率

的装置；以及

用于将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述陀螺仪航向速率相组合的装置。

8.如权利要求7所述的移动设备，其特征在于，所述用于计算所述实际的陀螺仪航向速率

的装置包括用于从所述陀螺仪测量

至所述重力向量

的投影计算所述实际的陀螺仪航向速率

的装置。

9.如权利要求7所述的移动设备，其特征在于，所述用于将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合的装置包括用于使用加权因子来将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率相组合的装置。

10.一种包括处理器和存储器的设备，其中所述存储器包括用于以下操作的软件指令：

从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量和所述重力向量

的投影来计算实际的陀螺仪航向速率

以及

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成所述改善的航向。

11.一种包括其上存储的程序代码的非易失性计算机可读存储介质，包括用于以下操作的程序代码：

从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收GNSS航向（H_GNSS）；

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

以及

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成所述改善的航向。

12.一种在移动设备中用于提供改善的速度的方法，所述方法包括：

从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

的投影来计算实际的陀螺仪航向速率

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成所述改善的航向

以及

从所述改善的航向

计算所述改善的速度。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，计算所述实际的陀螺仪航向速率

包括从所述陀螺仪测量

至所述重力向量

的投影计算所述实际的陀螺仪航向速率

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率相组合以形成改善的航向

包括使用加权因子来将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：

基于所述GNSS速度

来计算速度

以及

将所述速度

投影到所述改善的航向

上。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：

使用卡尔曼滤波器从所述GNSS速度

计算GNSS速度其中所述速度

是所述GNSS速度

以及

将所述经卡尔曼滤波的GNSS速度

投影到所述改善的航向

上。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：

将基于所述经卡尔曼滤波的GNSS速度

与所述GNSS速度

之差的误差信号馈送给所述卡尔曼滤波器作为校正信号。

18.一种用于提供改善的速度的移动设备，所述移动设备包括：

包括加速计和陀螺仪的惯性测量单元；

全球导航卫星系统接收机（GNSS接收机）；

耦合至所述惯性测量单元和所述GNSS接收机的处理器；以及

耦合至所述处理器的存储器，所述存储器包括用于以下操作的代码：

从所述加速计接收加速计测量

从所述陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成所述改善的航向

以及

从所述改善的航向

计算所述改善的速度。

19.一种用于提供改善的速度的移动设备，所述移动设备包括：

用于从加速计接收加速计测量

的装置；

用于从陀螺仪接收陀螺仪测量

的装置；

用于从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度

的装置；

用于基于所述加速计测量来计算重力向量

的装置；

用于基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率的装置；

用于将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率相组合以形成所述改善的航向

的装置；以及

用于从所述改善的航向

计算所述改善的速度的装置。

20.一种包括处理器和存储器的设备，其中所述存储器包括用于以下操作的软件指令：

从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收包括GNSS航向

的GNSS速度

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率相组合以形成改善的航向

以及

从所述改善的航向计算改善的速度。

21.一种包括其上存储的程序代码的非易失性计算机可读存储介质，包括用于以下操作的程序代码：

从加速计接收加速计测量

从陀螺仪接收陀螺仪测量

从GNSS接收机接收包括GNSS航向的GNSS速度

基于所述加速计测量

来计算重力向量

基于所述陀螺仪测量

和所述重力向量

来计算实际的陀螺仪航向速率

将所述GNSS航向（H_GNSS）与所述实际的陀螺仪航向速率

相组合以形成改善的航向

以及

从所述改善的航向

计算改善的速度。

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