CN105698787B - 利用航位推算和gps的复合导航系统及其方法 - Google Patents

利用航位推算和gps的复合导航系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，通过补偿GPS接收数据的非连续性而提高了定位的稳健性。根据本发明的一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，包括：GPS接收部，接收GPS数据；航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而生成航位推算信息；缓冲部，保存所述航位推算信息；及过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个而生成移动体的定位信息。

Description

利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法
技术领域
本发明涉及利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，更详细地说，涉及一种利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，通过补偿GPS接收数据的非连续性而提高了定位的稳健性。
背景技术
因低级、小型、低电力、低价的全球定位系统(Global Positioning System：以下称"GPS")接收器的开发，商用车辆导航系统主要使用的定位传感器为GPS接收器，使GPS接收器获得的车辆位置信息与数字地图进行地图匹配(mapmatching)而向使用者提供基于位置的服务(LBS：Location Based Service)，如提供自己的位置、速度等导航信息及引路、告知危险区域等。
但是，GPS接收器的问题点在于，在隧道、地下停车场、城市中心区域等会导致GPS信号完全/部分隔绝的地点，无法提供正确的位置信息。
因此，为了无间断地提供这种定位信息，结合由速度计、地磁场传感器、惯性传感器等构成的航位推算(DR：Dead Reckoning-航位推算)系统与GPS接收器而构成DR/GPS复合导航系统。
这种DR/GPS复合导航系统可根据航位推算(DR)的形态、复合技法、复合滤波器而构成为多种形态。
这里，作为复合滤波器，大部分使用卡尔曼滤波器。为了将用于线性系统的卡尔曼滤波器适用到非线性系统即DR/GPS复合导航系统而使用扩展卡尔曼滤波器(EKF：ExtendedKalman Filter)。
另外，GPS接收的数据相比同一时间输入的其他传感器数据而言，属于时间迟延(Delay)的数据，因此若不考虑此而结合GPS接收数据与DR数据，会降低自己位置推测的性能。
发明内容
(要解决的技术问题)
本发明要解决的技术问题是提供一种利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，补偿GPS接收数据的非连续性而提高了定位的稳健性。
本发明的目的并不限定于以上涉及的目的，未涉及的其他目的可通过如下记载而被本领域从业者所明确理解。
(解决问题的手段)
如所述，为达成本发明，根据本发明的一实施例的利用航位推算与GPS的复合导航系统，包括：GPS接收部，接收GPS数据；航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而生成航位推算信息；缓冲部，保存所述航位推算信息；及过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个而生成移动体的定位信息。
所述航位推算部，包括：移动距离演算部，利用所述轮速而演算所述移动体的移动距离；曲率演算部，利用所述角速度及所述转向角而演算所述移动体的行驶曲率；推测部，利用演算的移动距离及演算的行驶曲率而推测所述移动体的定位信息。
所述航位推算部还包括：偏差补正部，补正所述角速度的偏移偏差(OffsetBias)。
所述缓冲部按照已设定的规定个数，保存从当前时点到之前时点所生成的所述航位推算信息。
当所述GPS接收部的输出信息被输入到所述复合导航系统的周期时，所述过滤部考虑到所述GPS接收部与所述航位推算部之间的时间迟延，从所述缓冲部选择所述GPS接收部的输出信息及同步的航位推算信息，利用所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
当所述GPS接收部的输出信息未输入到所述复合导航系统的周期时，所述过滤部只利用所述航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
所述过滤部基于利用所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成的所述移动体的定位信息，更新保存到所述缓冲部的所述航位推算信息。
并且，根据本发明的一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，还可包括：合并判断部，比较所述GPS接收部的输出信息与所述被选的航位推算信息之间的偏差和预期误差，判断所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息的合并与否。
当所述偏差超过所述预期误差时，所述合并判断部只利用所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
为达成前述目的的，根据本发明的另一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，包括：GPS接收部，接收GPS数据而每第1周期提供可视卫星的位置及伪距信息；航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而每第2周期生成航位推算信息；缓冲部，按照已设定的规定个数，保存从当前时点到之前时点所生成的所述航位推算信息；及过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个而第3周期生成移动体的定位信息。
当所述第3周期所相应的时点，输入所述GPS接收部的输出信息时，所述过滤部考虑到所述GPS接收部及所述航位推算部之间的时间迟延，从所述缓冲部选择所述GPS接收部的输出信息及同步的航位推算信息，并利用所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
并且，根据本发明的另一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，还可包括：合并判断部，比较所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息之间的偏差与预期误差，所述偏差超过所述预期误差时，判断为只利用所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。为达成前述目的的，根据本发明的另一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，包括：处理已接收的GPS数据而生成移动体的第1位置信息的步骤；利用轮速、转向角及角速度而生成所述移动体的第2位置信息的步骤；保存所述第2位置信息的步骤；及利用所述第1位置信息及所述保存的第2位置信息中的至少一个而生成移动体的定位信息。
(发明的效果)
根据如上所述的本发明，其优点在于，通过补偿GPS接收数据的非连续性而保障定位的稳健性。
附图说明
图1是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的框图。
图2是用于说明图1中图示的过滤部中合并GPS接收部的输出信息与航位推算信息的方法的图。
图3是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法的顺序图。
具体实施方式
本发明的优点及特征，以及达成这些的方法，可通过参照附图和详细说明的实施例而明确理解。但本发明并不限定于以下公开的实施例，而是以多种形态体现，提出这些实施例的目的在于，使本发明公开完整，并向本发明所述技术领域具有一般知识的人完整地告知本发明的范畴，本发明根据权利要求的范围而定义。另外，本说明书中使用的用语是为了说明本发明，而不是为了限制本发明。除了有特殊说明的以外，本说明书中的单数型包括复数型。说明书中使用的“包括(comprises)”及/或“包括的(comprising)”涉及的构成要素、阶段、动作及/或要素并不排除一个以上的其他构成要素、阶段、动作及/或要素的存在或增加。
下面，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例。首先，关于为各附图的构成要素附加参照符号，相同的构成要素即使标示在不同的附图上，也尽可能使用了相同的符号。并且，说明本发明时，判断为相关的公开构成或功能的具体说明有可能会混淆本发明的技术要旨时，省略其详细的说明。
图1是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的框图。
参照图1，根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统包括：GPS接收部100、航位推算部200、缓冲部300、合并判断部400、过滤部500。
GPS接收部100从GPS卫星接收移动体的定位数据(纬度、经度，前进方向)、误差信息(DOP，Stdev)、模式信息、卫星数量等信息，并对此进行处理后输出所述移动体的第1位置信息。
航位推算部200利用用于测定移动体的行驶距离的传感器(例如，速度计、行驶距离计、加速度计等)所测定的轮速、用于测定所述移动体的旋转角的传感器(例如，地磁传感器、陀螺仪传感器等)所测定的角速度(Yaw rate)及转向角，推测对所述移动体的第2位置信息。
航位推算部200由偏差补正部210、曲率演算部220、移动距离演算部230、推测部240构成，生成对所述移动体的第2位置信息，即航位推算信息。
偏差补正部210补正已测定的角速度的偏移偏差(Offset bias)。测定角速度的传感器存在偏移偏差，原则上，在移动体停止或直线移动时，角速度应为0值。因此，通过测定初期时点(速度为0时)的偏移偏差并从速度测定值减去该偏移偏差的方法而补正角速度的偏移偏差。
曲率演算部220利用已补正的角速度及转向角而推测移动体的行驶曲率。利用角速度推测曲率时，会存在推测噪声，尤其，低速时的推测噪声较大。另外，利用转向角的曲率推测呈现较高的连续性，但存在推测偏向。因角速度及转向角呈现互补性的一面，若合并该两项而推测曲率，会获得精确的行驶曲率。这时，使用卡尔曼滤波器。
移动距离演算部230利用已测定的轮速及方向盘大小而演算所述移动体的移动速度。
推测部240利用已通过轮速演算的移动距离(ds)及推测度或曲率(k)而通过DeadReckoning(航位推算，DR)推测移动体的定位(例如，移动体的纬度、经度、前进方向)。k*ds为前进方向的变化量，利用该变化量而更新维度、经度信息且同时演算各要素的协方差(Covariance)值。
缓冲部300保存所述航位推算部200所推测的所述移动体的第2位置信息。
通过一系列过程而推测的所述第2位置信息在后述的过滤部500中，与所述GPS接收部100输出的第1位置信息合并而生成移动体的定位信息。
一般地说，GPS接收部100处理接收的GPS数据并输出所述第1位置信息需要处理数据的时间。因这种理由，即使相同时间生成所述第1位置信息及所述第2位置信息，2个信息之间会发生时间迟延(Delay)。大致地说，所述第1位置信息比所述第2位置信息迟延60ms。即，t＝0时生成的第1位置信息与-60ms时生成的第2位置信息具有同步的时间。
因此，为了合并GPS接收部100生成的所述第1位置信息及与此同步的第2位置信息，需要在规定的时间内，或按照规定的个数，保存所述第2位置信息。根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，缓冲部300在规定的时间内，或按照规定的个数，保存所述第2位置信息，从而提供后述的过滤部500能够合并时间同步的第1及第2位置信息的方案。
另外，即使所述GPS接收部100接收到GPS数据，但可能会因信号不良或其他原因而导致定位弹出。这时，除了所述GPS接收部100输出的第1位置信息以外，优选地，只利用所述航位推算部200推测的第2位置信息而生成移动体的定位信息。
合并判断部400在发生前述的定位弹出时，判断为不合并所述第1及第2位置信息而只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。即，所述合并判断部400判断所述第1及第2位置信息的合并与否。
合并判断部400判断所述第1位置信息及所述第2位置信息之间的偏差是否超过已设定的预期误差，其结果为所述偏差超过所述预期误差时，判断为定位弹而不合并2个信息，判断为只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。以下数学式1是合并判断部400为了决定2个信息的合并与否而利用的数学式。这里，DRx为第2位置信息，GPSx为第1位置信息，P_DRx为第2位置信息的预期误差方差，P_GPSx为第1位置信息的预期误差方差，ε为预期误差。
[数学式1]
另外，所述合并判断部400中作为所述第1位置信息的比较对象的第2位置信息，注意是保存到所述缓冲部300的多个位置信息中与所述第1位置信息时间同步的位置信息。
过滤部500利用所述GPS接收部100输出的第1位置信息及保存到所述缓冲部300的所述第2位置信息中的至少一个而生成所述移动体的定位信息。这时，可使用卡尔曼滤波器。
例如，假设根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的周期为20ms，GPS接收部100的周期为100ms，航位推算部200的周期为10ms。据此，所述GPS接收部100以100ms周期输出第1位置信息，所述航位推算部200以10ms周期输出第2位置信息，所述过滤部500以20ms为单位合并所述第1与第2位置信息。
根据具体情况，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时，可能会发生不存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息的情况。这时，所述过滤部500只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。
另一方面，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时，若存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息且所述合并判断部400判断为合并2个位置信息，所述过滤部500利用所述第1位置信息及所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。这时，所述第2位置信息是与所述第1位置信息时间同步的。
图2是用于说明图1中图示的过滤部中合并GPS接收部的输出信息与航位推算信息的方法的图。
参照图2，例示性地图示了所述缓冲部300保存了航位推算信息，即以20ms周期保存4个(-60ms、-40ms、-20ms、0ms(当前时间))第2位置信息。
所述GPS接收部100以100ms周期而输出4个第1位置信息(-300ms、-200ms、-100ms、0ms(当前时间))，假设所述第1位置信息与所述第2位置信息之间存在60ms的时间迟延，当前时间(0ms)输出的第1位置信息实际上是-60ms输出的，与此相同，-300ms输出的第1位置信息实际上是-360ms输出的。
因此，当前时间(0ms)输出的第1位置信息及时间同步的第2位置信息相当于-60ms时点输出的信息(DR4)，所述过滤部300在保存到所述缓冲部300的多个第2位置信息中选择与所述第1位置信息时间同步的位置信息(DR4)并合并(DR4+GPS)2个信息。如所述，根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，考虑时间迟延而合并GPS数据及航位推算信息，从而提高了移动体的定位性能。
以下，本参照图1至图3，说明根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法。
图3是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法的顺序图。
首先，GPS接收部100从GPS卫星接收移动体的定位数据(纬度、经度、前进方向)、误差信息(DOP，Stdev)、模式信息、卫星数量等信息并对此进行处理而输出所述移动体的第1位置信息(S100)。
而且，航位推算部200利用用于测定移动体的行驶距离的传感器(例如，速度计、行驶距离计、加速度计等)所测定的轮速、用于测定所述移动体的旋转角的传感器(例如，地磁传感器、陀螺仪传感器等)所测定的角速度(Yaw rate)及转向角，推测对所述移动体的第2位置信息(S200)。
而且，要合并所述第1与第2位置信息时，过滤部500判断是否存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息(S300)。
根据具体情况，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时，可能会发生不存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息的情况。这时，所述过滤部500只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息(S700)。
另一方面，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时，若存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息，在保存到缓冲部300的多个第2位置信息中选择与所述第1位置信息时间同步的第2位置信息(S400)。
选择与所述第1位置信息时间同步的第2位置信息的过程已通过图3进行了说明，因此省略对此的具体说明。
然后，合并判断部400判断所述第1位置信息与所述第2位置信息之间的偏差是否超过已设定的预期误差(S500)。
其结果为所述偏差超过所述预期误差时，合并判断部400将此判断为定位弹而不合并2个信息，只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。这时，这时，所述过滤部500只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息(S700)。
另一方面，所述合并判断部400判断为合并2个位置信息时，所述过滤部500利用所述第1位置信息与所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息(S600)。这时，所述第2位置信息是与所述第1位置信息时间同步的。
在本发明所属技术领域具有一般知识的人能够理解本发明无需变更技术思想或必要特征而能够实施为其他具体形态。因此，应理解为以上所述的实施例在整个方面是例示性的，而不是限定性的。本发明的保护范围应根据所述的权利要求范围所解释，权利要求范围及与其同等概念导出的所有变更或变形形态都属于本发明。

Claims (15)

1.利用航位推算和GPS的复合导航系统，包括：
GPS接收部，接收GPS数据；
航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而生成航位推算信息；
缓冲部，保存所述航位推算信息；
过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个而生成移动体的定位信息；及
合并判断部，比较所述GPS接收部的输出信息与保存到所述缓冲部的所述航位推算信息之间的偏差和预期误差，判断所述GPS接收部的输出信息与保存到所述缓冲部的所述航位推算信息的合并与否，
所述合并判断部利用数学式1决定所述输出信息与保存到所述缓冲部的所述航位推算信息之间的合并与否，
数学式1：
其中，DRx为根据保存到所述缓冲部的所述航位推算信息的第2位置信息，GPSx为根据所述GPS接收部的输出信息的第1位置信息，P_DRx为第2位置信息的预期误差方差，P_GPSx为第1位置信息的预期误差方差，ε为预期误差。
2.根据权利要求1所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
所述航位推算部，包括：
移动距离演算部，利用所述轮速而演算所述移动体的移动距离；
曲率演算部，利用所述角速度及所述转向角而演算所述移动体的行驶曲率；
推测部，利用演算的移动距离及演算的行驶曲率而推测所述移动体的定位信息。
3.根据权利要求2所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
所述航位推算部，还包括：
偏差补正部，补正所述角速度的偏移偏差。
4.根据权利要求1所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
所述缓冲部，按照已设定的规定个数，保存从当前时点到之前时点所生成的所述航位推算信息。
5.根据权利要求1所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
当所述GPS接收部的输出信息被输入到所述复合导航系统的周期时，所述过滤部考虑到所述GPS接收部与所述航位推算部之间的时间迟延，从所述缓冲部选择与所述GPS接收部的输出信息同步的航位推算信息，利用所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
6.根据权利要求1所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
当所述GPS接收部的输出信息未输入到所述复合导航系统的周期时，所述过滤部只利用所述航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
7.根据权利要求5所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
所述过滤部，基于利用所述GPS接收部的输出信息及被选的所述航位推算信息而生成的所述移动体的定位信息，更新保存到所述缓冲部的所述航位推算信息。
8.根据权利要求5所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统，
所述合并判断部，
当所述偏差超过所述预期误差时，所述合并判断部只利用被选的所述航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。
9.一种利用航位推算和GPS的复合导航系统，包括：
GPS接收部，接收GPS数据而每第1周期提供可视卫星的位置及伪距信息；
航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而每第2周期生成航位推算信息；
缓冲部，按照已设定的规定个数，保存从当前时点到之前时点所生成的所述航位推算信息；及
过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个而每第3周期生成移动体的定位信息；
当所述第3周期所相应的时点，输入所述GPS接收部的输出信息时，所述过滤部考虑到所述GPS接收部及所述航位推算部之间的时间迟延，从所述缓冲部选择与所述GPS接收部的输出信息同步的航位推算信息，并利用所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息，所述利用航位推算和GPS的复合导航系统，还包括：
合并判断部，比较所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息之间的偏差与预期误差，所述偏差超过所述预期误差时，判断为只利用所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息，
所述合并判断部利用数学式1决定所述输出信息与所述被选的航位推算信息之间的合并与否，
数学式1：
其中，DRx为根据所述被选的航位推算信息的第2位置信息，GPSx为根据所述GPS接收部的输出信息的第1位置信息，P_DRx为第2位置信息的预期误差方差，P_GPSx为第1位置信息的预期误差方差，ε为预期误差。
10.一种利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，包括：
处理已接收的GPS数据而生成移动体的第1位置信息的步骤；
利用轮速、转向角及角速度而生成所述移动体的第2位置信息的步骤；
保存所述第2位置信息的步骤；及
利用所述第1位置信息及所述保存的第2位置信息中的至少一个而生成移动体的定位信息的步骤，
其中，所述生成移动体的定位信息的步骤，包括：
比较所述第1位置信息与所述第2位置信息之间的偏差和预期误差，判断所述第1位置信息与所述第2位置信息的合并与否的步骤，
判断合并与否的所述步骤是利用数学式1决定所述第1位置与所述第2位置之间的合并与否，
数学式1：
其中，DRx为第2位置信息，GPSx为第1位置信息，P_DRx为第2位置信息的预期误差方差，P_GPSx为第1位置信息的预期误差方差，ε为预期误差。
11.根据权利要求10所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，
所述生成第2位置信息的步骤，包括：
利用所述轮速而演算所述移动体的移动距离的步骤；
利用所述角速度及所述转向角而演算所述移动体的行驶曲率的步骤；及
利用演算的移动距离及演算的行驶曲率而推测所述移动体的定位信息的步骤。
12.根据权利要求10所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，
所述生成移动体的定位信息的步骤，包括：
所述复合导航系统的周期中生成所述第1位置信息时，考虑到所述第1位置信息与所述第2位置信息之间的时间迟延而选择与所述第1位置信息同步的第2位置信息的步骤；及
利用所述第1位置信息及所述被选的第2位置信息而生成所述移动体的定位信息的步骤。
13.根据权利要求10所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，
所述生成移动体的定位信息的步骤，包括：
所述复合导航系统的周期中不生成所述第1位置信息时，只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息的步骤。
14.根据权利要求12所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，
所述生成移动体的定位信息的步骤，
基于利用所述第1位置信息及所述被选的第2位置信息而生成的所述移动体的定位信息，更新所述保存的第2位置信息的步骤。
15.根据权利要求12所述的利用航位推算和GPS的复合导航系统的位置推测方法，
所述判断合并与否的步骤，
所述偏差超过所述预期误差时，判断为只利用所述被选的第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。
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