CN116626726A - 确定关于车辆的基于gnss的定位的完整性信息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定关于车辆(1)的基于GNSS的定位的完整性信息的方法，至少包括以下步骤：a)从至少一个GNSS卫星(4)接收GNSS卫星信号(3)，并且使用接收到的GNSS卫星信号(3)确定GNSS定位数据；b)接收5G信号(5)，并且使用接收到的5G信号(5)确定5G定位数据；c)至少在考虑接收到的5G信号(5)或所确定的5G定位数据的情况下，确定第一完整性信息。

Description

确定关于车辆的基于GNSS的定位的完整性信息的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定车辆的基于GNSS的定位的完整性信息的方法。此外，提出一种计算机程序、一种机器可读的存储介质、一种定位装置以及用途。该方法可以例如结合至少部分辅助驾驶和/或自动驾驶来使用。
背景技术
近年来，基于卫星的位置确定得到了快速发展。在卫星导航的早期，GNSS接收器必须依靠单一的轨道中的卫星星座、美国GPS或俄罗斯GLONASS系统来确定其位置。如今，存在更多的借助欧洲的伽利略系统和中国的北斗系统可用的系统，以及更多的在原来两个系统上增加的区域增强系统。如今，能够同时接收来自在轨所有GNSS星座的信号的具有多星座的GNSS接收器成为常态。由此，接收器能够跟踪更多的卫星，即使天空的大部分被遮挡，例如在城市(或实际)街道峡谷中，这提高了精度并减少了位置确定的时间。
GNSS定位的质量早已通过商业GNSS校正服务得到改善。GNSS校正服务提供商通常经由具有精确已知位置的基站网络监控传入的GNSS信号，并且收费向最终用户传输定制的校正信息。
多星座和多频段接收器与新的GNSS校正方法相结合以实现厘米范围的精度，并且所有这些都显著降低了运营成本，都以有利的方式为高精度厘米范围定位的新型大众市场应用铺平道路。
然而，GNSS定位仍然存在各种缺点。在理想情况下，接收器应在轨道卫星的视线范围内，以便可以确定位置。在室内空间和/或隧道中，服务通常会劣化或根本不可用。在冷启动后，GNSS接收器通常需要几秒钟才第一次明确确定其位置。
借助于惯性传感器，所谓的航位推算解决方案可以有利地将高精度位置确定的范围扩展到GNSS信号范围之外。尽管通过惯性传感器得到改善，但基于GNSS/INS的定位传感器仍然会出现位置误差，尤其是在GNSS测量会受到多路径信号损害的城市峡谷中。
基于此，需要改进基于GNSS的定位，尤其是其精度和/或完整性。
发明内容
本发明提出了一种用于确定关于车辆的基于GNSS的定位的完整性信息的方法，至少包括以下步骤：
a)从至少一个GNSS卫星接收GNSS卫星信号，并且使用接收到的GNSS卫星信号确定GNSS定位数据；
b)接收5G信号，并且使用接收到的5G信号确定5G定位数据；
c)至少在考虑接收到的5G信号或所确定的5G定位数据的情况下，确定第一完整性信息。
为了执行该方法，步骤a)、b)和c)可以例如至少执行一次和/或以给定的顺序重复执行。此外，步骤a)、b)和c)，特别是步骤a)和b)可以至少部分地并行或同时执行。该方法可以有利地有助于借助于5G信号计算尽可能可靠的GNSS保护级别。
完整性信息例如可以是至少一个定位结果的完整性和/或置信度的度量。例如，完整性信息可以以(真实)位置所在的置信区间的类型存在。完整性信息特别优选地以所谓的保护级别的形式提供。
在此上下文中，GNSS代表全球导航卫星系统，例如GPS(全球定位系统)或伽利略。在基于GNSS的定位的情况下，也可以使用车辆的其他独立于GNSS的传感器，例如环境传感器和/或惯性传感器，以便能够附加地或按需(例如在GNSS阴影的情况下)提供用于车辆定位的替代信息。例如，基于GNSS的定位可以包括组合的基于GNSS-INS的定位。在这种情况下，例如也可以在定位时一起考虑惯性传感器数据。特别地，可以确定车辆的当前(自己的)位置、(自己的)定向、(自己的)速度和/或(自己的)加速度以进行定位。
车辆可以是例如机动车辆，例如汽车。车辆优选地被设计用于至少部分辅助和/或自动(或自主)的行驶运行。除了至少一个GNSS接收器外，在相应的车辆中可以使用多个环境传感器(例如RADAR传感器、LIDAR传感器、相机传感器、超声波传感器)。例如，环境传感器可以用于识别车辆周围的物体并相对于车辆定位。此外，环境传感器数据和/或GNSS数据例如可以用于在(高度准确的)数字地图上定位车辆。基于识别到的物体或所确定的车辆位置，可以规划轨迹并且必要时相应地操控车辆执行器以执行(自动或自主的)行驶操作。以该方式，车辆可以有利地安全地导航通过环境。
5G是下一代移动无线电技术的已经出现的通用名称。多个移动无线电网络运营商已经公开宣布部署5G网络，最初是在城市中心。5G背后的驱动力是多方面的。新的应用对移动无线电网络性能的可靠性、可用性、覆盖和时延提出更高的要求。移动无线电网络运营商期望借助5G在各个行业开辟新的收入来源。
该方法可以特别(有针对性)在城市地区、特别是城市峡谷中使用。
没有一种方法可以在所有环境条件下可靠地提供目标用例所需的精度。正如目前所展示的那样，虽然当今基于GNSS的解决方案能够提供高精度定位，但它们在城市峡谷和室内应用方面存在局限。另一方面，基于5G的定位解决方案可以补充并为室内和室外场景两者都提供准确的位置估计。因此，将5G方法与基于GNSS/INS的传感器最佳结合的混合解决方案是最有前途的方法。另一附加的重要的好处是提高了总体解决方案的容错能力和改进完整性，为每个位置估计提供量化的置信度测量。
在步骤a)中，从至少一个GNSS卫星接收GNSS卫星信号，并且使用接收到的GNSS卫星信号确定GNSS定位数据。通常，从多个GNSS卫星至少部分地并行或同时接收GNSS卫星信号。从GNSS卫星信号中，可以例如通过运行时间测量和/或进一步评估来确定相应的GNSS定位数据。如此确定的GNSS定位数据可以例如至少包括所谓的GNSS伪距数据或GNSS伪路线数据，其描述相应GNSS卫星和车辆之间的信号传播路径的空间长度。然而，由于诸如大气信号延迟和/或通过车辆周围中物体处反射引起的多径传播等的损害，GNSS伪距数据会描述以下信号传播路径，该信号传播路径比车辆与卫星之间的原本(最短的)间距更长(在发送相应的GNSS卫星信号的时间点)。这会导致错误的GNSS测量。
在步骤b)中，接收5G信号，并且使用接收到的5G信号确定5G定位数据。例如，可以从车辆附近的多个5G基站(分别包括至少一个5G发送装置和5G接收装置)接收5G信号。特别地，在此，5G信号还可以包括关于相应的5G基站的(大地测量的)绝对位置的信息。例如，可以通过5G信号的运行时间测量来确定车辆和相应5G基站之间的相对位置或间距。所确定的车辆距多个5G基站的相对位置或间距尤其可以与关于相应5G基站的(大地测量的)绝对位置的信息例如组合成基于5G的车辆位置，例如以三角测量的形式组合。
5G移动无线电网络有利地有助于满足在尤其对自动或自主车辆的定位应用中存在的、对所使用的传输类型的可靠性、可用性、覆盖和/或延迟提出的高要求。这有助于在定位时实现特别高的精度(尽可能在厘米范围内)和/或特别高的完整性值。
5G的新频率分配特别有利于移动无线电的定位，因为处于较高频率(毫米波高于24GHz以及低于6GHz)中的较大的带宽可用。较大的带宽有助于更准确地解析信号时间(在时间和带宽之间存在反比关系)，使得较大的带宽可以提高解析多径的改进的能力，多径是杂乱的城市地区和/或室内空间中的主要误差源，因为经过不同路径的信号在不同的时间到达。
切换到5G中的新频率尤其还有利地作用于移动无线电基站的地理分布和所使用的天线技术，这又有利于基于移动无线电的定位。此外，具有波束成形功能的5G天线阵列的引入可以有利地有助于将信号朝最终用户的方向转向。更高密度的方向识别的或方向敏感天线可以通过测量延迟、到达角和/或离开角而有利地改进多径分量的分辨率，进而尤其改进定位性能。附加地，通过5G可以有利地实现借助单个5G基站定位车辆。
在步骤c)中，至少在考虑接收到的5G信号和/或所确定的5G定位数据的情况下，确定第一完整性信息。第一完整性信息可以涉及例如5G完整性信息，即例如5G完整性或保护级别。为了确定第一完整性信息，可以将GNSS定位数据与5G定位数据进行比较。可以基于该比较和/或GNSS定位数据和5G定位数据之间的任何或可能存在的差异来确定5G完整性或保护级别。例如，为了确定关于5G网络的第一完整性信息，可以接收先前的GNSS观测作为参考，特别是用于估计尽可能可靠的保护级别。
(因此)在该方法中，5G信号可以有利地用作计算GNSS/INS系统保护级别的外部源。特别地，可以基于至少一项5G位置信息确定至少一个或多个虚拟的(人工生成的)GNSS伪路线(所谓的5G位置GNSS伪路线)。该GNSS伪路线可以与一个或多个(实际测量的)GNSS伪路线测量进行比较。从中可以计算一个或多个5G-GNSS残差(5G位置GNSS伪路线减去GNSS伪路线测量)。特别地，虚拟的GNSS伪路线可以针对它们要与之比较的实际测量的GNSS伪路线所源自的时期生成。第一完整性信息、特别是保护级别可以有利地基于5G-GNSS残差来确定。为了确定完整性信息，可以以有利的方式确定5G残差的统计学界限。
根据一个有利的设计方案，完整性信息涉及保护级别。
完整性通常是评估现代GNSS/INS定位传感器性能的重要标准。在此，其他重要标准通常是精度、连续性和可用性。特别地，完整性可以定义为对可设定成由GNSS(GNSS/INS)系统提供的信息的正确性的置信度的量度。这个概念可以有利地用于测量导航性能对安全的影响。
保护级别(PL)是用于基于GNSS和/或INS的定位系统的完整性概念的当时的通用参数。在此，保护级别通常描述统计学误差界限，该统计学误差界限被计算成使得尤其超过警报界限的绝对误差(例如位置误差、航向误差或速度误差)小于或等于所寻求的完整性风险。保护级别典型地从GNSS/INS测量的应用中获得，并且通常不使用外部系统来确保保护级别。
所描述的方法提供用于使用基于5G的位置信息的特别有利的方案，以便特别是使用以前的GNSS观测作为用于估计尽可能可靠地保护级别的参考，尤其是在例如城市地区等危急情况下。
根据另一有利的设计方案，将GNSS定位数据与5G定位数据的差异或可能的差异用于确定第一完整性信息。为了确定对应的、可能存在的差异，可以将GNSS定位数据与5G定位数据进行比较。
根据另一有利的设计方案，至少在考虑接收到的GNSS卫星信号或所确定的GNSS定位数据的情况下，确定第二完整性信息。第二完整性信息例如可以涉及GNSS或GNSS/INS完整性信息，即例如GNSS(GNSS/INS)完整性或保护级别。第二完整性信息尤其可以是基于方差的完整性信息。第二完整性信息例如可以从GNSS系统的特别是GNSS系统的诸如卡尔曼滤波器的滤波器的输出协方差矩阵中确定。
根据另一有利的设计方案，使用第一完整性信息和第二完整性信息来确定总体完整性信息。
根据另一有利的设计方案，在确定总体完整性信息时，根据至少一个加权指标将第一完整性信息相对于第二完整性信息加权。这可以有利地有助于输出经加权的保护水平。例如，可以使用至少一个环境指标来有利地定义完整性信息之间的权重。例如，卫星的几何形状(HDOP)可以用作在完整性信息之间的加权指标。替代地或附加地，载噪比(C/NO)、特别是作为信号强度的代表也可以用作完整性信息之间的加权指标。
根据另一方面，提出一种用于执行在此介绍的方法的计算机程序。换言之，这尤其涉及一种计算机程序(产品)，其包括指令，在该程序通过计算机执行时，这些指令促使计算机执行在此描述的方法。
根据另一方面，提出了一种机器可读的存储介质，在存介质上存放或存储在此提出的计算机程序。机器可读的存储介质通常是计算机可读的数据载体。
根据另一方面，提出一种用于车辆的定位装置，其中定位装置被设计用于执行在此描述的方法。定位装置例如可以包括计算机和/或控制设备(控制器)，其可以执行指令以执行该方法。为此，计算机或控制设备例如可以执行所说明的计算机程序。例如，计算机或控制设备可以访问所说明的存储介质以便可以执行计算机程序。定位装置例如可以是特别布置在车辆中或车辆处的运动和位置传感器。
根据另一方面，提出一种将5G信号用于确定GNSS系统的保护级别的用途。
关于方法讨论的细节、特征和有利的设计方案也可以相应地出现在在此所介绍的计算机程序和/或存储介质和/或定位装置和/或用途中，反之亦然。在这方面，完全参考关于方法的陈述以获得更详细的特征描述。
附图说明
下面根据附图更详细地解释在此提出的解决方案及其技术环境。应该指出的是，本发明不应受限于所示的实施例。特别地，除非另有明确说明，还可以提取附图中解释的事实的部分方面并与其他附图中和/或本说明书中的其他组成部分和/或认识相结合。附图示意性地示出：
图1示出在此介绍的方法的示例性的流程，和
图2示出在此介绍的方法的示例性的应用可能性。
具体实施方式
图1示意性地示出在此里介绍的方法的示例性的流程。该方法用于确定关于车辆1的基于GNSS的定位的完整性信息(参见图2)。
在框110中，根据步骤a)，从至少一个GNSS卫星4接收GNSS卫星信号3，并且使用接收到的GNSS卫星信号3确定GNSS定位数据。在框120中，根据步骤b)，接收5G信号5，并且使用接收到的5G信号5来确定5G定位数据。在框130中，根据步骤c)，至少在考虑接收到的5G信号5或所确定的5G定位数据的情况下，确定第一完整性信息。
完整性信息优选地涉及保护级别。保护级别(PL)是针对基于GNSS和/或INS的定位系统的完整性概念的当前通用参数。在此，保护级别通常描述统计学误差界限，该统计学误差界限被计算成使得尤其超过警报界限的绝对误差(例如位置误差、航向误差或速度误差)小于或等于所寻求的完整性风险。
图2示意性地示出在此介绍的方法的示例性的应用可能性。在此示例性地借助于具有定位装置2的车辆1来说明，该定位装置被设计用于执行该方法，车辆在城市环境中移动，例如特别是街道峡谷中移动。5G基站6在此示例性地以另一卫星形式说明。但是，原则上，5G基站也可以位置固定地设置，例如设置在地球表面，例如设置在建筑物上。
在该方法的一个特别有利的实施变型形式中，一个或多个基于5G的位置可以用于基于来自基于5G的位置的先验知识生成虚拟的GNSS观测，虚拟的GNSS观测用作用于估计完整性信息、特别是尽可能可靠的保护级别的参考。
由于5G对多径效应的反应不那么敏感，所以可以以有利的方式实现对具有多径效应的GNSS测量进行尽可能稳健的识别。所述方案可以尤其有利地在城市峡谷中使用，因为在那里GNSS信号通常面临更大的风险被干扰。另一方面，由于密集网络的可用性，通常可以更可靠地确定城市环境中的基于5G的位置的优势。
在该方法中，GNSS接收器提供的伪路线测量例如可以根据以下公式来描述：
在此，是接收器r和卫星s之间在接收时间点(m)以频率i的伪距测量。/>是在卫星s在发射时间点的位置与接收器r在接收时间点(m)的位置之间的几何距离。δρs是卫星s在发射时间点(m)的轨道误差。δts是卫星在接收时间点(m)的时间误差。δtr是接收器r在接收时间点(m)的时钟误差。/>是电离层信号延迟，电离层信号延迟在接收器r和卫星s之间在时间点(m)以频率i观测到。/>是对流层信号延迟，对流层信号延迟在接收器r和卫星s之间在时间点(m)观测到。dr,i,P是硬件延迟，硬件延迟在接收器r处在时间点(m)以频率i观测到。/>是代码硬件延迟，代码硬件延迟在卫星s处以频率i在时间点(m)观测到。/>是在时间点(m)由于多径传播而产生的伪距测量误差。/>是在时间点(m)由于接收器噪声引起的伪距测量误差。
在该方法中，可以借助于至少一个5G位置生成一个或多个基于5G的伪距离或伪路线，例如根据以下公式：
伪区域残差、以下称为5G残差可以有利地从两个伪路线之间的差异中确定。然后例如可以通过5G残差的统计来确定保护级别，例如，通过确定99％的百分位数。所获得的保护级别、以下简称基于5G-GNSS的PL是基于GNSS的保护级别。这表示使用GNSS定位数据和5G定位数据的差异来确定第一条完整性信息和必要时如何使用GNSS定位数据和5G定位数据的差异来确定第一条完整性信息的示例。
所获得的5G-GNSS保护级别(基于GNSS的保护级别)可以有利地与基于方差的保护级别(下文称为基于GNSS-INS的保护级别)进行比较，基于GNSS-INS的保护级别例如可以从GNSS/INS系统的输出协方差中生成。这表示至少在考虑接收到的GNSS卫星信号3或所确定的GNSS定位数据的情况下确定第二完整性信息并且必要时如何至少在考虑接收到的GNSS卫星信号3或所确定的GNSS定位数据的情况下确定第二完整性信息的示例。
特别地，如果两种类型的保护级别之间存在大差异，例如与指标(例如卫星数量、HDOP和/或CNO)相关的大差异，则可以对每个保护级别不同地加权，并且经加权的平均保护级别可以作为系统的最终保护级别输出。这表示使用第一完整性信息和第二完整性信息确定总体完整性信息和必要时如何使用第一完整性信息和第二完整性信息确定总体完整性信息的示例。此外，这表示在确定总体完整性信息时根据至少一个加权指标将第一完整性信息相对于第二完整性信息的加权且必要时如何在确定总体完整性信息时根据至少一个加权指标将第一完整性信息相对于第二完整性信息的加权的示例。
为了说明这两种类型的保护级别之间的对应差异，在图2中示例性地展示在基于5G-GNSS的保护级别9和基于GNSS(INS)的保护级别8之间的差异10。两者都涉及(GNSS或GNSS/INS)估计的位置7，该位置由于GNSS信号3的所示出的多径传播而可识别为是错误的。在这种情况下可以识别出：车辆1的真实位置不在基于GNSS(INS)的保护级别8内，而是在基于5G-GNSS的保护级别9内。
这也表示将5G信号5用于确定GNSS系统的保护级别的有利的用途的示例。

Claims (10)

1.一种用于确定关于车辆(1)的基于GNSS的定位的完整性信息的方法，至少包括以下步骤：
a)从至少一个GNSS卫星(4)接收GNSS卫星信号(3)，并且使用接收到的所述GNSS卫星信号(3)确定GNSS定位数据；
b)接收5G信号(5)，并且使用接收到的所述5G信号(5)确定5G定位数据；
c)至少在考虑接收到的5G信号(5)或所确定的5G定位数据的情况下，确定第一完整性信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述完整性信息涉及保护级别。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将GNSS定位数据与5G定位数据的差异用于确定所述第一完整性信息。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少在考虑接收到的GNSS卫星信号(3)或所确定的GNSS定位数据的情况下，确定第二完整性信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使用所述第一完整性信息和所述第二完整性信息来确定总体完整性信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在确定所述总体完整性信息时，根据至少一个加权指标将第一完整性信息相对于第二完整性信息加权。
7.一种计算机程序，用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
8.一种机器可读的存储介质，在所述存储介质上存储有根据权利要求7所述的计算机程序。
9.一种用于车辆(1)的定位装置(2)，所述定位装置被设计用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
10.一种将5G信号(5)用于确定GNSS系统的保护级别的用途。
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