CN111989594A - 用于测定一车辆位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种借助一传感器单元(惯性测量单元(IMU))测定一车辆位置的方法，一种用于从一卫星导航系统接收卫星信号的接收装置以及一种电子滤波器装置，所述方法包括以下步骤：‑通过接收装置接收一卫星的卫星数据，并通过传感器单元(惯性测量单元(IMU))接收传感器数据，‑将传感器数据以及卫星数据馈送到滤波器装置，‑通过滤波器装置将卫星数据换算为与传感器单元(惯性测量单元(IMU))位置相对应的一参考点，‑借助滤波器装置通过过滤和/或融合卫星数据和传感器数据测定车辆位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测定一车辆位置的方法以及一种相应装置。
背景技术
各种新功能越来越需要有关一车辆位置和方位的更精确信息。
借助一全球卫星导航系统定位可借助编码相位跟踪确定各相应卫星与一接收装置之间的伪距，也可借助载波相位测量确定不同卫星与接收装置之间的距离差，并可计算出接收机位置。确定伪距，则是通过运行时间测量测定接收装置或全球导航卫星系统(GNSS)天线相位中心与卫星天线相位中心之间的距离。一天线的相位中心是与测量相关的一虚拟点，通常既具有一方向依赖性，也可设置在天线周围空间的几米处，即所谓的相位中心变异。由于卫星的不同位置，每颗卫星可能会导致全球导航卫星系统(GNSS)天线相位中心的不同，这种不同有时是极为明显的。为对全球导航卫星系统(GNSS)的位置确定不造成负面影响，全球导航卫星系统(GNSS)卫星发送各相应卫星天线虚拟相位中心的校正项，以便能校正这些影响。
目前，编码相位跟踪的通常测量精度在几米范围内，所以可使用一全球导航卫星系统(GNSS)天线，它的相位中心分布在几厘米到几分米范围内，因此对分析评估并不重要。此类全球导航卫星系统(GNSS)接收器的精度不足以用于未来功能。
为更精确应用，使用没有明显方向依赖性的相应精确测量天线以及一种功能更强劲的电子处理装置，其中，例如可借助载波相位测量实现一种毫米范围内的精度。为进行校正，在实验室条件下，通过一围绕天线尽可能大的立体角测量相位中心，其中，一发射器从不同方向向天线施加一测试信号。在此，天线和发射器的位置和方位是已知的。由此，可根据辐射方向确定相位中心的位置，例如相对于天线参考点(ARP)的位置，即所谓的相位中心偏移，用于在确定位置时校正相位中心的方向依赖性。作为替代选择或附加措施，全球导航卫星系统(GNSS)接收器可以高成本费用设计成具有小于一厘米的极小相位中心变异。通过附加测量和校正可提高亚毫米范围内的测量精度。缺点是，相应高档的全球导航卫星系统(GNSS)接收器或天线的成本费用极高，因此尤其在成本压力很大的汽车供应行业中，不会考虑在批量生产中使用这类产品。
从向德国专利商标局提交的、申请文件号为10 2017 2017 222 912.8的专利申请中已知一种用于测定一车辆接收装置或天线校正信息的校准方法(在本专利申请的时间点尚未公布)。
为了改善对车辆位置的测定，已知使用传感器单元，例如一惯性测量单元(IMU)的传感器数据，并将其与卫星数据融合或由此减少定位中的误差。如果这是根据一松耦合算法完成的，则使用接收装置完成诸如位置、速度和时间等数据的提供，与此同时，数据融合例如以一紧密耦合算法或借助例如伪距、载波信号相位等原始数据的紧密耦合算法完成。与完成提供的数据一样，不必具有来自至少四颗卫星的信号。相反，在一紧密耦合算法中，由于卫星信号被单独用于数据融合，只需较少的卫星。然而，在此没有提供有关接收装置的校正，所以精度受到限制。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种用于测定一车辆位置的方法，该方法能利用一尽可能成本经济合理的接收装置实现一高精度或改善的精度。
该任务通过独立权利要求的标的解决。本发明的优选实施方式是从属权利要求和描述的标的。
根据本发明的一个观点，一种借助一传感器单元、一用于从一卫星导航系统接收卫星信号的接收装置以及一种电子滤波器装置测定一车辆位置的方法包括以下步骤：
-通过接收装置接收至少一颗卫星的卫星数据，并通过传感器单元接收或检测传感器数据，
-将传感器数据及卫星数据馈送或提供给滤波器装置，
-通过滤波器装置将卫星数据换算为优选与传感器单元位置相对应的一参考点，
-借助滤波器装置通过过滤和/或融合卫星数据和传感器数据测定车辆位置。
本发明的基本想法是，尽管必要情况下对系统引起的错误进行必要的校正，但借助滤波器装置通过对卫星数据和传感器数据的滤波和/或融合测定车辆位置应以一共同的参考点开始，以防止出现一错误失真的检测结果。在此，优选是指传感器单元的位置。
卫星数据优选是指原始数据，尤其是指伪距或虚拟距离(伪距)和/或载波信号相位(载波相位和增量范围)以及根据相应卫星的星历数据计算得出的卫星位置。在换算前，卫星数据与接收装置的相位中心点相关。
优选的是，卫星数据的换算通过滤波器装置，从接收装置的一相位中心点出发，换算为参考点，这种换算优选以直接的方式，即没有中间步骤的方式进行。由此，根据接收装置的相位中心点和数据融合的参考点对卫星位置和接收装置方位之间的偏移实施校正。这种其他结构形式的基本想法是，这种方式的校正通常由接收装置执行，但接收装置缺少有关相位中心点到参考点距离和方位的必要信息，因为接收装置是独立的装置。虽然可将两者彼此链接在一起，但这将导致时间差异，从而造成进一步计算的错误。
作为替代选择，接收装置可执行校正的方法是，首先实施接收装置天线参考点换算。天线参考点是可在全球坐标系中确定的一接收装置参考点，通常在中轴上天线主体的最低点。然后，必须将如此转换的数据重新移至与数据融合相关的参考点。另外，如果已通过接收装置进行了天线校正，则会发生其他干扰影响。
参考点和相位中心点之间的偏移优选借助滤波器装置的换算进行校正。这种校正的优选实施方法是，将这些点所跨越方向上的距离算入卫星数据中。相应发生改变的是例如用于进一步计算的卫星和接收装置之间的信号相位或伪距。
根据另一有益的其他结构形式，根据卫星位置相对于接收装置和/或车辆的位置和方向进行一校准，以确定相位中心点。在此，优选针对不同的星座，即接收装置和卫星的彼此方向和位置测定相应的必要校正。校正优选作为，确定和存储从各相应相位中心点直至优选与传感器单元位置相对应的参考点的校正。
校准优选包括以下步骤：
-确定接收装置到一卫星导航系统某一卫星的一第一距离信息，
-基于传感器信息检测接收装置的一位置信息和一方位信息，
-基于借助传感器信息检测到的位置信息，确定接收装置到卫星的一第二距离信息，
-测定第一距离信息与第二距离信息的一偏差，
-基于所测定偏差确定一校正信息，以及
-参考借助传感器信息检测到的方位信息，尤其是接收装置的位置和方向，将校正信息存储在一电子数据存储器中。
基本想法是，可利用以不同方式获取的接收装置与某一卫星的距离信息，并在考虑到方位情况下，实现对用于平衡补偿接收装置根据角度而定的相位中心偏移的校正信息进行分析评估。在此意义上的方位信息优选是一接收装置的方位，尤其是参照一全球坐标系所描述的信息。在卫星导航系统中，各相应卫星位置通常与星历表一起发送，因此原则上可假定这些位置是已知的。第一距离信息例如可根据从卫星发送到天线的数据的信号传输时间或作为信号接收强度测定。因此，优选关注的是距离信息的可比性。所以，不必将一与卫星的绝对距离值作为基础。例如，也可将一接收强度与一预期接收强度进行比较。两者都是距离信息所固有的。这一方法步骤是全球卫星导航系统已知的。
校准优选可至少部分在一具有天线的车辆校准行驶期间或在一实验室中进行，其中，在实验室条件下用导航卫星的信号对接收装置进行辐射。
如果存在取决于方向的相位中心偏移，则在接收装置给定方向，为每个接收到的卫星信号生成一个不同的相位中心偏移值，如果已知该偏移值，则可对其进行相应补偿。对一个或多个卫星导航系统的多颗卫星，根据使用目的相应执行根据本发明所述方法。基于与星历表一起发送的卫星位置，在掌握方位信息并测定了取决于方向的校正参数情况下，就可参考相位中心偏移的方向依赖性对每颗卫星的接收方向加以考虑。
优选根据卫星位置相对于接收装置和/或车辆的位置和方向，从一电子数据存储器中获取相位中心点位置。
根据一优选的其他结构形式，从卫星一当前位置相对于接收装置的位置和定向在通过接收装置相应接收卫星数据的时间点内插相位中心点的位置。由此，用于换算或变换的相位中心点位置与接收卫星数据的时间点同步。这样做的优点是，由于根据使用目的时间上是面对针对后续发展的，因此必须确定相位中心点位置的这类内插的频率较低。
传感器单元优选设置用于检测车辆行驶动力学的测量数据，尤其是车辆围绕主轴的加速度数据和/或角速度数据。传感器单元优选包括一惯性测量装置。由传感器单元输出的传感器数据，尤其是车辆行驶动力学数据，在此可包括纵向加速度、横向加速度、垂直加速度、偏转比率、侧倾角速度和/或俯仰角速度。这些传感器数据优选用于增加卫星数据的信息内容，并例如用于准确说明车辆在一车道上的位置和速度。根据另一优选的其他结构形式，传感器数据还包括里程表数据，也即或传感器数据可由里程表数据加以补充。里程表数据根据其推进系统描述车辆位置和方位的一估计值，例如包括由一控制装置或传感器输出的车轮旋转角度脉冲以及各单一车轮的转向角。
卫星数据优选是原始数据，尤其是卫星数据和传感器数据借助一紧密耦合算法、一深度耦合算法、一超紧密耦合算法或一其他算法而不是用一松散耦合算法进行过滤，它不是原始数据，而是已在例如全球坐标系中用作位置数据或速度数据的已处理信息数据。
在过滤器装置的一深度耦合算法中，所述方法的应用允许通过对应不同信号传播时间设置正确的杠杆臂和不同的相位中心实现对跟踪回路(Tracking-loops)更有针对性的控制，从而可进行相位测量。与未从相位中心点换算到参考点的测量相比，这缩短了信号中断后的信号故障时间，这些测量必须异相测量并重新建立。
卫星数据优选为卫星与接收装置之间的一伪距值和/或接收装置处存在的信号相位值。所述方法优选与一PPP(精确单点定位)方法或RTK(实时动态技术)方法结合使用。
根据另一优选的其他结构形式，接收装置设置用于接收一参考站的数据，其中，所述方法包括与卫星数据，也包括参考站数据有关的所有步骤。由此，替代卫星数据或除了卫星数据外，参考站数据，尤其是用于全球导航卫星系统(GNSS)的大地测量接收机或双频接收机的数据可根据一实时动态学系统(RTK)用根据本发明所述方法进行处理。
优选多次或循环通过滤波器装置将卫星数据换算为与传感器单元位置相对应的一参考点。与此相应可想象的是，利用多个接收装置进行卫星数据的测量或接收，而不必具有相对于参考点的相同位置和相同方向。因此，根据另一有益的其他结构形式，使用一个以上的接收装置，其中，每个接收装置采取以下步骤
-从一卫星接收卫星数据，
-执行将卫星数据馈送到滤波器装置的操作。这在确定位置的可靠性、冗余度以及精度方面是有益的。多个接收装置的使用也特别有益，因为如果通过滤波器装置将卫星数据直接换算为参考点是从接收装置的一相位中心点开始进行的，所述方法基本上保持不变，并不需要针对不同的接收装置进行任何调整适配，因为相应接收装置相位中心与参考点之间的距离有多大并不重要。
优选基于传感器数据、卫星数据以及参考点和相位中心点之间的偏移测定一车辆方位。
卫星数据的变换或换算优选仅通过滤波器装置执行，并不需要在其他附加的子模块中执行。这在减少计算工作量的同时还提高可用性、精度和一致性。根据一其他结构形式，通过滤波器装置从一相位中心点出发将卫星数据多次换算为参考点，即每个卫星信号单一和独立地用于测定车辆位置。
此外，本发明还涉及一种用于测定一车辆位置的装置，该装置设置用于执行根据本发明所述方法的至少一种实施方式，该装置包括一传感器单元、一用于从卫星导航系统的某颗卫星接收信号的接收装置以及一电子滤波器装置。
该装置优选包括一处理器，它设置用于，根据借助接收装置接收到的卫星信号确定一车辆的地理位置。作为确定车辆方位的替代选择或补充措施，可在使用传感器信号和/或卫星信号的情况下设置处理器。
根据一优选实施方式，所述装置设置用于接收和处理导航卫星全球定位系统(NAVSTAR GPS)、格洛纳斯定位系统(GLONASS)、伽利略定位系统(GALILEO)和/或北斗定位系统的卫星信号。
根据一优选实施方式，所述装置还包括一用于存储数据的电子数据存储器。
该装置可安装在汽车、飞机或船舶中。
附图说明
下面根据一实施例详细解释本发明。在此以高度示意图形式显示
图1一转弯行驶期间不同相位中心点的影响
图2一卫星导航系统的接收装置以及一卫星。
发明内容
在一全球导航卫星系统(GNSS)中，原则上卫星位置与星历表一起发送。借助卫星和车辆之间的伪距，可从这些值确定车辆位置，进而也确定接收方向。下面描述一卫星到天线参考点ARP一伪距PSRARP的一种极为简化的常规计算基础。
方位角＝150度；仰角＝30度
伪距(PSR)＝22123456.400米
相位中心偏移(PZO)＝1.45米
PSRARP＝PSR-PZO＝22123456.400米-1.45米＝22123454.950米
例如，汽车行驶期间，在转弯行驶时接收装置相对于一卫星的方位发生改变，并为例如方位角选择另一校正值，以便为各相应卫星得出一具有上述偏差的相位中心点偏移—相位中心偏移(PZO)。例如，车辆向左转10度，其中，仰角保持不变，方位角增大：
方位角＝160度；仰角＝30度
PSR＝22123456.400米
相位中心偏移(PZO)＝1.7米
PSRARP＝PSR-PZO＝22123456.400米-1.70米＝22123454.700米
图1展示在一车辆转弯行驶时取决于相位中心点PZ相对于天线参考点ARP是位于弯道内侧还是外侧，由此检测的数值随所驶过区段、速度和运动方向是如何发生变化的。可理解为，根据卫星位置，仅出现两个所示相位中心点PZ中的一个。与此相应，如果没有进行校正，则出现不足以满足一高要求精度的错误失真信息。
如果相位中心点PZ有一取决于方向的偏移，则在接收装置的给定方向，每个接收到的卫星信号都有一不同的偏移值，如果已知相位中心偏移，则可对该偏置值进行相应补偿。在松耦合算法中，可对接收到的每颗卫星执行这一计算，以便所有伪距测量都使用相同的天线参考点ARP。然后，可使用此校正后的数据更精确地确定自身位置。如果使用这种天线校正，则它们通常在利用该校正可进行更精确定位的接收装置中实现。
在一相应算法中，例如在滤波器装置中执行并不使用已由接收装置确定的位置数据，而是使用导航卫星的全球导航卫星系统(GNSS)原始数据的一紧密耦合算法中，天线校正并不容易实现。
图2中示意性展示用于将卫星数据换算为参考点的计算步骤。
如上所述，通过计算出相对于天线参考点ARP的偏移，可校正一当前相位中心点PZ的偏移。为此，必须通过一校准方法已知尤其取决于卫星位置的当前相位中心点PZ。在过滤器装置中，一使用全球导航卫星系统(GNSS)原始数据，并与例如一惯性测量单元等传感器数据融合的算法中，根据本发明所述有意义的是具有一用于融合的共同参考点，该参考点与例如惯性测量单元(IMU)等传感器单元的位置以及由此与传感器数据相关位置相对应，以使计算工作量保持在规定范围内。
如果通过接收装置对相位中心点PZ相对于天线参考点ARP的偏移导致的误差进行了补偿，则该参考点位于天线参考点ARP中，而不在其应该在的位置，即传感器单元(惯性测量单元(IMU))所在的位置。利用一先前执行的校准方法中已知的方向为e_pz2arp的杠杆臂|L|_pz2arp，可计算出针对伪距PSR_i的天线校正，该伪距的方向可从星历数据中得知，
与此相应，如此变换得到的数据必须再次变换，但这次是从天线参考点ARP变换到惯性测量单元(IMU)的参考点。但是，对该计算，接收装置缺少关于从天线参考点ARP到惯性测量单元(IMU)参考点的距离和方向信息|L|_arp2imu和e_arp2imu。此外，如果已在接收装置层面上进行了天线校正，则会产生额外的干扰影响，因为此处不存在车辆方位，或仅存在精度降低的车辆方位。
因此，有益的方式是整个变换或换算
在过滤器装置中实现并在那里执行。
在此，|L|_arp2imu乘以e_arp2imu与一固定值相对应，该值仅取决于车辆中保持不变的设置，即它是恒定不变的。因此，可将计算进一步简化为
通过在滤波器单元中而不是在接收装置中进行换算，如果在与传感器数据的融合中使用全球导航卫星系统(GNSS)原始数据，则也可实现一天线校正。在此，接收装置的相位中心距天线参考点ARP仅几毫米或几米都不会对所述方法产生影响。
根据本发明所述方法的所述步骤可按给定的顺序执行。但也可以另一顺序执行。根据本发明所述方法可根据其设计方案，例如使用一特定步骤组合，在不执行其他步骤的情况下实施。但原则上也可执行其他步骤。
Claims (15)
1.借助一传感器单元(惯性测量单元(IMU))测定一车辆位置的方法，一种用于从一卫星导航系统的至少一颗卫星接收信号的接收装置以及一种电子滤波器装置，所述方法包括以下步骤：
-通过接收装置接收一卫星的卫星数据，并通过传感器单元(惯性测量单元(IMU))接收传感器数据，
-将传感器数据以及卫星数据馈送到滤波器装置，
-通过滤波器装置将卫星数据换算为与传感器单元(惯性测量单元(IMU))位置相对应的一参考点，
-借助滤波器装置通过过滤和/或融合卫星数据和传感器数据测定车辆位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过滤波器装置从接收装置的一相位中心点(PZ)出发将卫星数据换算为参考点。
3.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，借助滤波器装置换算校正参考点和相位中心点(PZ)之间的一偏移。
4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，为确定相位中心点(PZ)，根据卫星位置相对于接收装置和/或车辆的位置和方向进行一校正。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，校准包括下列步骤：
-确定接收装置到一卫星导航系统某一卫星的一第一距离信息，
-基于传感器信息检测接收装置的一位置信息和一方位信息，
-基于借助传感器信息检测到的位置信息，确定接收装置到卫星的一第二距离信息，
-测定第一距离信息与第二距离信息的一偏差，
-基于所测定偏差确定一校正信息，以及
-参考借助传感器信息检测到的方位信息，尤其是接收装置的位置和方向，将校正信息存储在一电子数据存储器中。
6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，根据卫星位置相对于接收装置和/或车辆的位置和方向，从一电子数据存储器中获取相位中心点(PZ)的位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，相位中心点(PZ)的位置是从一卫星当前位置相对于接收装置的当前位置和方向内插到与接收装置接收卫星数据相对应的时间点上的。
8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，传感器单元(惯性测量单元(IMU))设置用于检测车辆行驶动力学的测量数据，尤其是车辆的加速度和/或角速度数据。
9.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，卫星数据是原始数据，尤其是通过紧密耦合算法或深度耦合算法或超紧密耦合算法对卫星数据和传感器数据进行过滤。
10.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，卫星数据是卫星与接收装置之间的一伪距值和/或接收装置上存在的信号相位位置。
11.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，接收装置设置用于从参考站接收数据，其中，该方法包括与卫星数据，也包括参考站数据有关的所有步骤。
12.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，使用了不止一个接收装置，其中，每个接收装置都实施以下步骤
-从一卫星接收卫星数据，
-执行将卫星数据馈送到滤波器装置的操作。
13.根据权利要求2到12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，基于传感器数据、卫星数据以及参考点和相位中心点(PZ)之间的偏移测定一车辆的方位。
14.根据权利要求2到13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过滤波器装置，从一相位中心点(PZ)出发，将卫星数据换算为参考点的过程多次用于测定车辆位置。
15.用于测定一车辆位置的装置，该装置设置用于执行根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，该装置包括一传感器单元(惯性测量单元(IMU))、一种用于从一卫星导航系统的卫星接收信号的接收装置以及一电子滤波器装置。
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