CN115523896A - 海拔获取方法、系统、码表及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海拔获取方法、系统、码表及计算机可读存储介质，所述海拔获取方法包括：预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压；获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔；对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果。本发明以导航芯片高程数据和气压计实时数据作为解算海拔的基础，通过双源数据提高码表海拔解算的准确性和稳定性，可以利用低成本、精密度低的传感设备传入的数据，实现高稳定性和低水平误差的海拔解算输出。

Description

海拔获取方法、系统、码表及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及码表、智能运动、骑行技术领域，特别地涉及一种海拔获取方法、系统、码表及计算机可读存储介质。

背景技术

码表是一种安装在自行车、摩托车和汽车等交通工具上、用来记录和显示若干骑行数据的电子产品，比如当前速度、骑行里程、骑行时间等，高端码表还带有海拔、气压、坡度显示等。

现有码表内置的测海拔传感设备会受到精密度的影响，基于此类硬件解算海拔在精度和稳定性上不尽人意。

因此，本发明基于码表存在的上述问题出发，开发一种新的海拔获取方法，以期能够解决类似现有码表在海拔计算方面存在的问题，实现有效提升海拔计算上的精确度和稳定性的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种海拔获取方法、系统、码表及计算机可读存储介质，以提高码表在海拔计算上的精确度和稳定性。

本发明提供了一种海拔获取方法，包括：预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压；获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔；对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果。

可选地，所述预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压具体为：利用所获取气压数据计算气压计高程数据，计算气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值，将差值与预设阈值进行比较，根据比较结果确定执行修正海平面大气压的计算。

可选地，当气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值大于或等于预设阈值，则利用如下公式计算修正海平面大气压：

p₀'＝p+h_m*11.1，

其中，P₀′表示修正海平面大气压，p为气压计采集的气压数据，h_m为滤波处理后的导航芯片高程数据最或然值。

可选地，当气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值小于预设阈值，则不执行修正海平面大气压计算，将对应气压计高程数据的气压数据作为修正海平面大气压。

可选地，所述预设阈值为20m。

可选地，所述所述获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔具体为：

利用如下公式计算当前气压计海拔：

h＝44330.8*[1-(p/p₀')^0.19026]，

其中，h为当前气压计海拔，p为当前气压值，P₀′表示修正海平面大气压。

可选地，所述对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果具体为：

按照如下公式计算

其中，h_p为误差补偿后当前海拔值，h_p为误差补偿前当前海拔值，Δh为高度误差，Δh_p0为海平面大气压引起的高度误差，Δh_T0为海平面大气温度引起的高度误差；

Δh_p0和Δh_T0按照如下公式计算：

其中，R为宇宙气体常数，g为重力加速度，Δp₀为海平面大气压的变化量，p₀为标准海平面大气压，ΔT₀为海平面温度变化量。

本发明另提供一种海拔获取系统，包括：参数初始化模块，用于预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压；海拔解算模块，用于获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔以及用于对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果。

本发明还提供一种码表，所述码表上设置有上述任一种海拔获取系统。

本发明最后提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时上述任意一种海拔获取方法的步骤。

本发明以GPS高程和气压计实时数据作为解算海拔的基础，通过双源数据提高码表海拔解算的准确性和稳定性，可以利用低成本、精密度低的传感设备传入的数据，实现高稳定性和低水平误差的海拔解算输出。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明具体实施例中海拔获取方法流程图；

图2是本发明具体实施例中海拔获取系统的方原理框图；

图3是本发明另一具体实施例中海拔获取方法流程图；

图4是本发明另一具体实施例中海拔获取方法流程图；

图5是利用本发明海拔获取方法实现的测试数据示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于码表内置的测海拔传感设备会受到精密度的影响，因此基于此类硬件解算海拔，在精度和稳定性上都不尽如人意。导航芯片由于在测高时存在随机噪声，稳定性差；气压计虽然可较为准确的测量相对爬升，但测量绝对海拔的能力较差。本系统利用上述两种传感设备的优点，设计多传感融合系统计算海拔，使稳定性和精确度都有了较大提升。

请参阅图1，本发明较佳实施例首先提供一种海拔获取方法，包括：

步骤S20，预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压。

获取预设时长内的由气压计采集的气压数据形成气压序列，获取预设时长内的由导航芯片采集的导航芯片高程数据形成导航芯片高程序列，即利用短时序内的导航芯片高程序列、气压序列解算修正海平面大气压，基于此减小气压计海拔的偏置误差，并能实时解算修正海平面大气压；前述导航芯片采集到的的高程数据为正常高，即设备距离似大地水准面的高度；导航芯片例如可以是GPS导航芯片、GNSS导航芯片、北斗导航芯片等；

具体地，所述预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压的步骤，即步骤S20，包括：

步骤S22，利用所获取气压数据计算气压计高程数据，计算气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值，将差值与预设阈值进行比较，根据比较结果确定执行修正海平面大气压的计算，预设阈值优选为20m。

具体的，计算理想大气压下的海拔高度h_p0，计算过程如下：

其中，h_p0为气压计高程，p为当前采集到的大气压。完成该步解算后，计算气压计高程与导航芯片高程的差值△h。

Δh＝|h_gps-h_p0|其中，h_gps为导航芯片高程。

当气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值小于预设阈值，即△h小于20m，则不执行修正海平面大气压计算，将对应气压计高程数据的气压数据作为修正海平面大气压。

当气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值大于或等于预设阈值，则进行重解算，即利用如下公式计算修正海平面大气压：

p₀'＝p+h_m*11.1，

其中，P₀′表示修正海平面大气压，p为气压计采集的气压数据，h_m为滤波处理后的导航芯片高程数据最或然值。

对导航芯片高程序列进行均值滤波，将滤波后的输出值作为最或然值h_m，其计算过程如下：

中误差：

均值滤波:

输出：

步骤S40，获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔；

具体地，利用如下公式计算当前气压计海拔：

h＝44330.8*[1-(p/p₀')^0.19026]，

其中，h为当前气压计海拔，p为当前气压值，P₀′表示修正海平面大气压。

步骤S60，对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果；

具体计算过程如下

对标准气压-高程公式求全微分，得：

本实施例中只考虑海平面大气压误差和海平面温度误差的影响。因此需要计算两个误差补偿值分别为海平面大气压引起的高度误差Δh_p0，以及海平面大气温度引起的高度误差Δh_T0，分别如下：

其中，R为宇宙气体常数；g为重力加速度；Δp₀为海平面大气压的变化量(通过滤波后的导航芯片高程带入标准大气压公式计算气压，与p₀相减得到)；p₀为标准海平面大气压，ΔT₀为海平面温度变化量(通过滤波后的导航芯片高程带公式温度-高程公式计算温度，再与T₀相减得到)。

完成误差补偿后的当前气压计海拔为：

其中，

为误差补偿后当前海拔值，h_p为误差补偿前当前海拔值，Δh为高度误差，Δhp0为海平面大气压引起的高度误差，ΔhT0为海平面大气温度引起的高度误差。

依据上述方法，本发明提供一种海拔获取系统，可以参阅图2，其中一实施例中，所述海拔获取系统包括参数初始化模块20和海拔解算模块40。其中，参数初始化模块20用于预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压。海拔解算模块40用于获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔。以及用于对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果。另一优选实施例中，还包括滤波模块60，用于对导航芯片高程序列进行均值滤波，以及更新迭代模块80，实现海拔获取计算进程的迭代，例如用于基于气压计高程和导航芯片高程进行最小二乘法迭代实现结果输出。

本发明还提供一种码表，所述码表上设置有如上述任一种海拔获取装置。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。

下面以一个码表的具体工作过程对上述海拔获取方法进行进一步阐述。

可以参阅图3。

步骤Sa，初始化参数标定：

具体来说，获取初始数据，初始数据包括GPS高程数据和气压计数据，初始数据是预先缓存的数据；初始化阶段不进行高程输出，只解算修正海平面气压，用的数据为缓存的数据序列，实际解算海拔输出时，利用的是当前时刻采集的气压p；将初始数据输入到码表后，产生GPS高程序列{h_gps(i),i＝1……n}和气压序列{p(i),i＝1……n}，其中，h_gps(i)和p(i)中的i均指第i时刻；

首先，对GPS高程序列进行进行均值滤波，将滤波后的输出值作为最或然值，记为h_m，计算过程如下：

中误差：

均值滤波:

输出：

然后，根据气压序列的均值，计算理想大气压下的海拔高度h_p0，计算过程如下：

其中，p为当前采集到的大气压。完成该步解算后，计算气压计计算的高程与GPS高程的差值△h。

其中，h_gps是指GPS采集的海拔均值，

如果△h小于20m，则不进行修正海平面大气压解算，反之，则进行重解算，解算过程如下(海拔每升高10米，气压下降111pa)：

其中，p₀'表示修正海平面大气压，p为气压计采集到的当前大气压，h_m为滤波处理后的GPS高程最或然值。

上述过程相当于初始标定，影响这个误差的主要因素是气压输出的稳定性。如果解算大于20m，则时间继续迭代，更新高程序列和气压序列，重复上述的计算，直到气压稳定为止。

步骤Sb，气压高程误差补偿：

在得到修正海平面大气压p₀'后，基于当前的气压值p计算当前海拔，计算公式如下：

h＝44330.8*[1-(p/p₀')^0.19026]

接下来，对气压计解算的海拔进行误差补偿，因为上述解算h的公式是基于标准大气压来解算的，又由于很多情况下不符合标准大气压；故解算出来的h会有一定的偏差(不是特别大)；下面是对气压和温度求偏导，将这两处误差近似为线性响应，即f(x1)’≈[f(x1)–f(x0)]/(x1–x0)；通过t时刻的微分、时间差△t近似误差补偿。

具体来说，对标准气压-高程公式求全微分，得：

需要说明的是，此处只考虑海平面大气压误差和海平面温度误差的影响，因此需要计算两个误差补偿值分别为海平面大气压引起的高度误差Δh_T0，以及海平面大气温度引起的高度误差Δh_T0，分别如下：

其中，R为宇宙气体常数；g为重力加速度，β为温度梯度；Δp₀为海平面大气压的变化量(通过滤波后的GPS高程带入标准大气压公式计算气压，与p₀相减得到)；p₀为标准海平面大气压。ΔT₀为海平面温度变化量(通过滤波后的GPS高程带公式温度-高程公式计算温度，再与海平面标准气温T₀相减得到。)

完成误差补偿后的气压计解算高程为：

步骤Sc，可以同时参阅图4，双源高程融合：

迭代过程：

k-1时刻的气压计高程为

基于该高程和当前的气压值p_k对k时刻高程进行一步预测，一步预测值为h_k-1|k，由于骑行一秒的高程不会有很大的变化，故一步预测方程为：

相应的，对预测协因数进行更新：

cof_k-1|k＝cof_k-1+Q

Cof表示协因数(初始的协因数是连续气压高程解算的中误差近似的，可以离线获得)，Q表示模型噪声(模型噪声是气压模型的噪声平均值，可以离线获得)；

权重增益更新：

k_k＝cof_k-1|k/(cof_k-1|k+R)

R指的是量测噪声，这里用导航芯片量测误差的平均值做近似(可以离线获得)。

接下来，进行高程的最小二乘迭代，输出值为h_k-1|k。

h_k＝h_k-1|k+k_k·(h_gps-h_k-1|k)

最后进行协因数更新：

cof_k＝(1-k_k)·cof_k-1|k

然后再以k时刻的cof,h作为输入继续迭代。

图5显示采用本发明海拔获取方法得到的测试数据，如图所示，采用本发明方法得到的测试值更接近真实海拔。

本发明注意到：目前大多数码表内置了导航芯片和气压计，但导航芯片的测高存在随机噪声，稳定性差；而气压计可较为准确的测量相对爬升，但测量绝对海拔的能力较差。针对这个特点，本发明创造性地利用了导航芯片测高平均误差小、而气压计测量相对海拔变化稳定的特性，对两种数据进行融合，使本发明的海拔解算系统在解算稳定性和准确性上，与单系统相比都有了极大的提升。本发明以导航芯片获取到的高程数据和气压计实时数据作为解算海拔的基础，通过双源数据提高码表海拔解算的准确性和稳定性，可以利用低成本、精密度低的传感设备传入的数据，实现高稳定性和低水平误差的海拔解算输出。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海拔获取方法，其特征在于，包括：

预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压；

获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔；

对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果。

2.根据权利要求1所述的海拔获取方法，其特征在于，所述预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压具体为：

利用所获取气压数据计算气压计高程数据，计算气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值，将差值与预设阈值进行比较，根据比较结果确定执行修正海平面大气压的计算。

3.根据权利要求2所述的海拔获取方法，其特征在于，当气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值大于或等于预设阈值，则利用如下公式计算修正海平面大气压：

p₀'＝p+h_m*11.1，

其中，P₀′表示修正海平面大气压，p为气压计采集的气压数据，h_m为滤波处理后的导航芯片高程数据最或然值。

4.根据权利要求2所述的海拔获取方法，其特征在于，当气压计高程数据与导航芯片高程数据的差值小于预设阈值，则不执行修正海平面大气压计算，将对应气压计高程数据的气压数据作为修正海平面大气压。

5.根据权利要求2所述的海拔获取方法，其特征在于，所述预设阈值为20m。

6.根据权利要求1所述的海拔获取方法，其特征在于，所述获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔具体为：

利用如下公式计算当前气压计海拔：

h＝44330.8*[1-(p/p₀')^0.19026]，

其中，h为当前气压计海拔，p为当前气压值，P₀′表示修正海平面大气压。

7.根据权利要求1所述的海拔获取方法，其特征在于，所述对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果具体为：

按照如下公式计算

其中，

为误差补偿后当前海拔值，h_p为误差补偿前当前海拔值，Δh为高度误差，Δh_p0为海平面大气压引起的高度误差，Δh_T0为海平面大气温度引起的高度误差；

Δh_p0和Δh_T0按照如下公式计算：

其中，R为宇宙气体常数，g为重力加速度，β为温度梯度，Δp₀为海平面大气压的变化量，p₀为标准海平面大气压，ΔT₀为海平面温度变化量。

8.一种海拔获取系统，其特征在于，包括：

参数初始化模块，用于预先获取预设时长内的由气压计采集的气压数据和由导航芯片采集的导航芯片高程数据，利用所获取数据计算得到修正海平面大气压；

海拔解算模块，用于获取由气压计采集的当前气压数据，并结合修正海平面大气压计算得到当前气压计海拔。以及用于对当前气压计海拔按照预设规则进行误差补偿，输出当前海拔结果。

9.一种码表，其特征在于：所述码表设置有如权利要求8所述的海拔获取系统。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。

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