JP2008224249A - Present location positioning device and method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve more accurate positioning of a present location in a portable navigation device 10 that measures a present location based on the output of a G sensor 15 for a period in which positioning of a present location with a navigation sensor 14 (GPS sensor) is out of working order. <P>SOLUTION: In the device, a detection signal of the navigation sensor 14 is processed by a Kalman filter, white noise in the detection signal is removed, and an optimal estimated acceleration is extracted. The amount of movement is calculated based on the optimal estimated acceleration. A present location predetermined by the navigation sensor 14 in a period of normal positioning is set as a starting point, and thus the present location is measured based on the amount of movement from the starting point. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、GPS電波に基づく現在地測位を補間する現在地測位装置及び方法に関するものである。   The present invention relates to a current position positioning apparatus and method for interpolating current position positioning based on GPS radio waves.

特許文献1は、GPS信号受信部の他に、加速度センサ、方位センサ及び角速度センサを装備する携帯電話を開示する(特許文献1の図1)。該携帯電話では、GPSによる現在地測位が不能状態になっている期間では、加速度センサ等の出力に基づき現在地を測位するようになっている(特許文献1の図6のフローチャートの45→46→47)。
特開2004−233058号公報
Patent Document 1 discloses a mobile phone equipped with an acceleration sensor, an azimuth sensor, and an angular velocity sensor in addition to a GPS signal receiver (FIG. 1 of Patent Document 1). In the mobile phone, the current position is measured based on the output of the acceleration sensor or the like during the period in which the current position measurement by GPS is not possible (45 → 46 → 47 in the flowchart of FIG. 6 of Patent Document 1). ).
JP 2004-233058 A

後述の図2において説明するように、加速度センサの測定値には、車両振動路面走行振動に起因する多大の白色性ノイズが含まれている。白色性ノイズは、ほぼ全周波数範囲にわたって分布しているので、ローパスフィルタやハイパスフィルタを使っても、除去することは困難である。特許文献1の現在地測位装置では、加速度センサの出力を時間で2回、積分して、移動距離を得ることになっているが、加速度センサの測定値に含まれる白色性ノイズのために、精確な移動距離の算出、したがって、精確な現在地の測位は困難である。   As will be described later with reference to FIG. 2, the measurement value of the acceleration sensor includes a large amount of white noise due to vehicle vibration on the road surface. Since white noise is distributed over almost the entire frequency range, it is difficult to remove even if a low-pass filter or a high-pass filter is used. In the current position measurement device of Patent Document 1, the output of the acceleration sensor is integrated twice in time to obtain the movement distance. However, because of the whiteness noise included in the measurement value of the acceleration sensor, it is accurate. Therefore, it is difficult to accurately calculate the distance traveled and, therefore, accurately determine the current location.

本発明の目的は、加速度センサの出力に基づき現在地を測位する場合に、測位した現在地の精度を改善する現在地測位装置及び方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a current position positioning device and method for improving the accuracy of a current position when positioning the current position based on the output of an acceleration sensor.

本発明によれば、加速度センサの出力をカルマンフィルタにより処理して、加速度センサの測定信号中の白色性ノイズを除去する。そして、GPS電波による現在地測位が不良である期間では、カルマンフィルタが出力する最適推定加速度に基づき移動量を算出し、それに基づき現在地を測位する。   According to the present invention, the output of the acceleration sensor is processed by the Kalman filter to remove white noise in the measurement signal of the acceleration sensor. Then, during a period in which the current position positioning by the GPS radio wave is poor, the movement amount is calculated based on the optimum estimated acceleration output from the Kalman filter, and the current position is determined based on the calculated movement amount.

本発明の現在地測位装置は次の構成要素を備えている。
GPS電波に基づき現在地を測位する第1の現在地測位手段、
加速度を測定する加速度センサ、
加速度センサの測定信号から白色性ノイズを除去した最適推定加速度を算出するカルマンフィルタ、
最適推定加速度に基づき移動量を算出する移動量算出手段、
第1の現在地測位手段が測位した現在地が適正か否かを判定する判定手段、
判定手段の判定が否である期間では、判定手段の判定が正であった期間に第1の現在地測位手段の測位した所定の現在地を始点として該始点からの移動量に基づき現在地を測位する第2の現在地測位手段。
The present location measurement apparatus of the present invention includes the following components.
First current location means for positioning the current location based on GPS radio waves;
An acceleration sensor that measures acceleration,
A Kalman filter that calculates the optimum estimated acceleration by removing whiteness noise from the measurement signal of the acceleration sensor,
A movement amount calculating means for calculating a movement amount based on the optimum estimated acceleration;
Determining means for determining whether or not the current position measured by the first current position positioning means is appropriate;
In the period in which the determination by the determination unit is negative, the current position is determined based on the amount of movement from the start point with the predetermined current position measured by the first current position measurement unit as the start point during the period in which the determination by the determination unit is positive. 2 current location means.

本発明の現在地測位方法は次のステップを備えている。
GPS電波に基づき現在地を測位するステップ、
加速度センサの測定信号から白色性ノイズを除去した最適推定加速度をカルマンフィルタにより算出するステップ、
最適推定加速度に基づき移動量を算出するステップ、
GPS電波に基づき測位した現在地が適正か否かの判定を実施するステップ、
判定が否である期間では、判定が正であった期間にGPS電波に基づき測位した所定の現在地を始点として該始点からの移動量に基づき現在地を測位するステップ。
The present location measurement method of the present invention includes the following steps.
Positioning the current location based on GPS radio waves,
Calculating an optimum estimated acceleration obtained by removing white noise from the measurement signal of the acceleration sensor by a Kalman filter;
Calculating the amount of movement based on the optimum estimated acceleration;
Performing a determination as to whether or not the current location determined based on GPS radio waves is appropriate;
In a period in which the determination is negative, a step of positioning the current location based on a movement amount from the predetermined current location determined based on GPS radio waves in the period in which the determination is positive.

本発明によれば、加速度センサの出力をカルマンフィルタにより処理して抽出した最適推定加速度に基づき移動量を算出し、該移動量に基づき現在地を測位するので、GPS電波による現在地測位が困難な期間における現在地の測位精度を向上することができる。   According to the present invention, the movement amount is calculated based on the optimum estimated acceleration extracted by processing the output of the acceleration sensor by the Kalman filter, and the current position is measured based on the movement amount, so that the current position positioning by the GPS radio wave is difficult. The positioning accuracy of the current location can be improved.

図1はポータブルナビゲーション装置10のブロック図である。ポータブルナビゲーション装置10は、その基本機能としての地図表示、現在地表示及び経路案内等のナビ機能を有し、該ナビ機能を実現するための要素として、演算装置11、表示・入力部12、記憶装置13、ナビセンサ14、Gセンサ15、地図データ保持部16及び電源部17を具備しており、ユーザにより携帯される。   FIG. 1 is a block diagram of the portable navigation device 10. The portable navigation device 10 has navigation functions such as map display, current location display, and route guidance as its basic functions, and an arithmetic device 11, a display / input unit 12, a storage device as elements for realizing the navigation function 13, a navigation sensor 14, a G sensor 15, a map data holding unit 16, and a power supply unit 17, which are carried by the user.

演算装置11は、表示・入力部12からユーザ指示の情報を受けるとともに、画像データを表示・入力部12へ送る。演算装置11は、また、ナビセンサ14及びGセンサ15からの入力信号に基づき現在地の測位を実施する。表示・入力部12は、ポータブルナビゲーション装置10のケースの前面に配備され、ユーザが押下する入力部としての複数のキーと、ユーザへの各種情報を表示する表示部としてのLCDとを備える。   The arithmetic unit 11 receives user instruction information from the display / input unit 12 and sends image data to the display / input unit 12. The computing device 11 also performs positioning of the current location based on input signals from the navigation sensor 14 and the G sensor 15. The display / input unit 12 is provided on the front surface of the case of the portable navigation device 10 and includes a plurality of keys as an input unit pressed by the user and an LCD as a display unit for displaying various information to the user.

記憶装置13は、演算装置11において処理するプログラムを記憶するとともに、プログラム実行時には算出データを一時保存する。ナビセンサ14は、GPS電波を受信するものであり、GPSセンサとも呼ばれる。Gセンサ15はポータブルナビゲーション装置10の加速度を検出する。   The storage device 13 stores a program to be processed by the arithmetic device 11 and temporarily stores calculation data when the program is executed. The navigation sensor 14 receives GPS radio waves and is also called a GPS sensor. The G sensor 15 detects the acceleration of the portable navigation device 10.

地図データ保持部16は、地図データと地点の検索時に必要な位置データとを保持する。演算装置11は、地図データ保持部16のデータを、地図描画や経路探索等の算出に利用する。電源部17は、適宜充電可能なバッテリ又は交換可能な乾電池から成り、ポータブルナビゲーション装置10の各素子へ給電する。   The map data holding unit 16 holds map data and position data necessary when searching for points. The arithmetic unit 11 uses the data in the map data holding unit 16 for calculation such as map drawing and route search. The power supply unit 17 is composed of a rechargeable battery or a replaceable dry battery, and supplies power to each element of the portable navigation device 10.

演算装置11においてプログラムで実行するカルマンフィルタ処理及び学習について、図2〜図9を参照して説明する。なお、図2〜図7において、加速度Accはポータブルナビゲーション装置10を実験車両に持ち込んだときのGセンサ15の出力であり、該実験車両の実験走行は、時刻=0では停止状態にあり、その後、所定の車速まで加速し、該車速を維持し、最後に減速して、停止するものになっている。   Kalman filter processing and learning executed by a program in the arithmetic device 11 will be described with reference to FIGS. 2 to 7, the acceleration Acc is the output of the G sensor 15 when the portable navigation device 10 is brought into the experimental vehicle, and the experimental running of the experimental vehicle is in a stopped state at time = 0, and thereafter The vehicle is accelerated to a predetermined vehicle speed, maintained at the vehicle speed, and finally decelerated and stopped.

図2はGセンサ15の出力の時間変化例を示すグラフである。Gセンサ15の測定値には、車速の変化に係る加速度以外に、自車振動や路面走行振動等に起因する加速度が多量に含まれている。Gセンサ15の出力から精確な移動距離を得るためには、それら振動等を除去する必要がある。これらの振動は、周波数全般にわたって分布する白色性ノイズとなっているので、特定の周波数伝達関数フィルタを使って、所定の信号成分を抽出することによる除去は困難である。   FIG. 2 is a graph showing an example of the time change of the output of the G sensor 15. The measurement value of the G sensor 15 includes a large amount of acceleration caused by the own vehicle vibration, road surface vibration, and the like in addition to the acceleration related to the change in the vehicle speed. In order to obtain an accurate movement distance from the output of the G sensor 15, it is necessary to remove such vibrations. Since these vibrations are white noises distributed over the entire frequency, it is difficult to remove them by extracting a predetermined signal component using a specific frequency transfer function filter.

そこで、近似的な線形代数を逐次処理として使用することにより、白色性ノイズの除去を試みる。この算出としては、環境変数に対して統計処理的に解析できるカルマンフィルタが優れている。周知のように、カルマンフィルタは次の特徴を有している。   Therefore, it is attempted to remove white noise by using an approximate linear algebra as a sequential process. For this calculation, a Kalman filter capable of statistically analyzing environmental variables is excellent. As is well known, the Kalman filter has the following characteristics.

(a)信号を生成するシステムの動特性
(b)雑音の統計的性質
(c)初期値に関する先験情報及び時々刻々与えられる観測データ を用いて確率論的に最適なシステムの状態推定値の算出
(A) Dynamic characteristics of the system that generates the signal (b) Statistical characteristics of the noise (c) A priori information on the initial value and observation data given from time to time Calculation

図3はGセンサ15の出力と該出力をカルマンフィルタにより処理して得た加速度の推定値とを重ね合わせたグラフである。図3はモノクロの図示のために、見え難いが、Gセンサ15の出力波形のほぼ中心をカルマンフィルタの出力(=最適推定加速度)のグラフ線が通っている。最適推定加速度は、Gセンサ15の出力から白色性ノイズを十分に除去したものとなる。カルマンフィルタの処理については、図8及び図9を参照して、後述する。   FIG. 3 is a graph in which the output of the G sensor 15 and the estimated value of acceleration obtained by processing the output by the Kalman filter are superimposed. Since FIG. 3 is monochrome, it is difficult to see, but the graph line of the output (= optimum estimated acceleration) of the Kalman filter passes through almost the center of the output waveform of the G sensor 15. The optimum estimated acceleration is obtained by sufficiently removing white noise from the output of the G sensor 15. The Kalman filter process will be described later with reference to FIGS.

図4はGセンサ15の出力と車速パルスから算出した車速Velとを重ね合わせたグラフ、図5は図4のグラフにさらに加速度センサの出力(=最適推定加速度)を重ね合わせたグラフである。ポータブルナビゲーション装置10は、車速センサを装備しておらず、また、車速センサを利用することもない。図4及び図5の車速Velの基にしている車速パルスは、ポータブルナビゲーション装置10が持ち込まれた実験車両に常備されている車速センサの出力を利用している。   4 is a graph in which the output of the G sensor 15 and the vehicle speed Vel calculated from the vehicle speed pulse are superimposed, and FIG. 5 is a graph in which the output of the acceleration sensor (= optimum estimated acceleration) is further superimposed on the graph in FIG. The portable navigation device 10 is not equipped with a vehicle speed sensor and does not use a vehicle speed sensor. The vehicle speed pulse based on the vehicle speed Vel of FIGS. 4 and 5 uses the output of a vehicle speed sensor that is always provided in the experimental vehicle in which the portable navigation device 10 is brought.

車速Velの時間微分は加速度、すなわち最適推定加速度の出力と一致するはずであるが、図4及び図5では、実験車両の実験走行における初期(停止状態からの加速期間)と終期(停止状態への減速期間)とにおいて、車速Velの時間微分と最適推定加速度との不一致が目立つ。   Although the time derivative of the vehicle speed Vel should coincide with the output of the acceleration, that is, the optimum estimated acceleration, in FIGS. 4 and 5, the initial (acceleration period from the stop state) and the end (to the stop state) of the experimental vehicle in the test run In the deceleration period), the discrepancy between the time derivative of the vehicle speed Vel and the optimum estimated acceleration is conspicuous.

これに対処するため、停止状態からの加速期間及び停止状態への減速期間は、現在地に対して学習を行うことにする。ポータブルナビゲーション装置10には、車速センサは装備されていないので、ポータブルナビゲーション装置10における実際の学習では、車速センサの出力の代わりに、ナビセンサ14から検出した現在地の時間変化から車速を検出することになる。これにより、停止状態からの加速期間と停止状態への減速期間における現実の車速と最適推定加速度との対応関係が判明する。判明した対応関係は、環境変数として適宜読み出し可能に記憶装置13に保管する。   In order to cope with this, the present location is learned during the acceleration period from the stop state and the deceleration period to the stop state. Since the portable navigation device 10 is not equipped with a vehicle speed sensor, the actual learning in the portable navigation device 10 is to detect the vehicle speed from the time change of the current location detected from the navigation sensor 14 instead of the output of the vehicle speed sensor. Become. Thereby, the correspondence relationship between the actual vehicle speed and the optimum estimated acceleration during the acceleration period from the stop state and the deceleration period from the stop state is determined. The found correspondence relationship is stored in the storage device 13 so as to be appropriately readable as an environment variable.

図6は停止状態からの加速期間及び停止状態への減速期間における車速を学習による対応関係に基づき最適推定加速度から算出したグラフ(黒丸の系列)を図5に重ね合わせたグラフである。学習結果に基づき最適推定加速度から算出した車速(黒丸の系列)は、車速パルスに基づき算出した車速と一致性が高まる。   FIG. 6 is a graph obtained by superimposing a graph (series of black circles) on the vehicle speed during the acceleration period from the stop state and the deceleration period to the stop state based on the correspondence relationship obtained by learning (black circle series) superimposed on FIG. The vehicle speed (series of black circles) calculated from the optimum estimated acceleration based on the learning result is more consistent with the vehicle speed calculated based on the vehicle speed pulse.

図7は学習を加味してカルマンフィルタの出力に基づき算出した走行距離のグラフを図6に重ね合わせたグラフである。図7のグラフにおける走行距離は、停止状態からの加速期間及び停止状態への減速期間では、カルマンフィルタの出力(=最適推定加速度)をそのまま積分した車速ではなく、学習した最適推定加速度−車速の対応関係に基づき最適推定加速度から算出した車速を採用して、該採用した車速に基づき算出されている。また、図7のグラフにおけるその他の期間の走行距離は、カルマンフィルタの出力(=最適推定加速度)をそのまま積分して算出した車速を採用し、該採用した車速に基づき算出されている。こうして、各期間の車速に基づき走行距離を算出すると、図7の走行距離のグラフのように、現実の走行距離に近い走行距離を最適推定加速度から算出することができる。   FIG. 7 is a graph obtained by superimposing the travel distance graph calculated on the basis of the output of the Kalman filter in consideration of learning with FIG. The travel distance in the graph of FIG. 7 is not the vehicle speed obtained by integrating the output of the Kalman filter (= optimum estimated acceleration) as it is during the acceleration period from the stop state and the deceleration period to the stop state, but the correspondence between the learned optimum estimated acceleration and the vehicle speed. The vehicle speed calculated from the optimum estimated acceleration based on the relationship is adopted, and the vehicle speed is calculated based on the adopted vehicle speed. Further, the travel distance in the other period in the graph of FIG. 7 is calculated based on the adopted vehicle speed by adopting the vehicle speed calculated by integrating the output (= optimum estimated acceleration) of the Kalman filter as it is. Thus, when the travel distance is calculated based on the vehicle speed in each period, a travel distance close to the actual travel distance can be calculated from the optimum estimated acceleration as shown in the travel distance graph of FIG.

ポータブルナビゲーション装置10は、ナビセンサ14がGPS電波を正常に受信して、該GPS電波に基づく現在地測位が適正である期間では、該GPS電波に基づいて測位した現在地をユーザに現在地として提示する。   The portable navigation device 10 presents the current location determined based on the GPS radio wave to the user as the current location during a period when the navigation sensor 14 normally receives the GPS radio wave and the current location based on the GPS radio wave is appropriate.

これに対して、GPS電波が弱かったり、3個以上のGPS衛星からのGPS電波を確保することができなかったりして、GPS電波による現在地測位が困難な期間があり、該期間では、GPS電波に基づく現在地測位が不適正になる。ポータブルナビゲーション装置10は、該不適正期間では、最後に適正と判断した現在地を始点とし、該始点からの、カルマンフィルタの出力した最適推定加速度から求めた移動量に基づき現在地を算出する。   On the other hand, there is a period in which GPS radio waves are weak, or GPS radio waves from three or more GPS satellites cannot be secured, and it is difficult to determine the current location using GPS radio waves. The current location based on is incorrect. The portable navigation device 10 calculates the current location based on the movement amount obtained from the optimum estimated acceleration output from the Kalman filter from the current starting point, starting from the current location that was determined to be appropriate last time during the inappropriate period.

さらに、ポータブルナビゲーション装置10がユーザにより車両に持ち込まれて、不適正期間中の、停止状態からの加速期間と停止状態への減速期間とでは、ポータブルナビゲーション装置10は、環境変数として保管している学習データに基づき、カルマンフィルタの出力としての最適推定加速度からそれに対応する車速を求め、さらに、該車速に基づき移動距離を算出し、最後に現在地を算出する。   Furthermore, the portable navigation device 10 is stored as an environmental variable in the acceleration period from the stop state and the deceleration period to the stop state during the inappropriate period when the portable navigation device 10 is brought into the vehicle by the user. Based on the learning data, the vehicle speed corresponding to the optimum estimated acceleration as the output of the Kalman filter is obtained, the travel distance is calculated based on the vehicle speed, and the current location is finally calculated.

図8はカルマンフィルタで使用する各種方程式を示している。図9は図8の各種方程式において示したカルマンフィルタの数式に現れる行列の意味と値を示している。カルマンフィルタにおけるシステム雑音・観測雑音について説明する。観測誤差とはセンサに含まれる誤差である。システム雑音とは、計算丸め誤差やモデル誤差などシステム全体の中で観測誤差に含まれないものを指す。これらは厳密にすべて実在する誤差であるはずなので、事前に調べ、適用すればよい。しかしながら、現実的に満足のいくかたちで誤差を得ることは困難な場合が多く、例えば、適応フィルタを用いてシステム同定という手法から算出させてもよい。   FIG. 8 shows various equations used in the Kalman filter. FIG. 9 shows the meanings and values of the matrices that appear in the Kalman filter formulas shown in the various equations of FIG. System noise and observation noise in the Kalman filter will be described. The observation error is an error included in the sensor. System noise refers to noise that is not included in the observation error in the entire system, such as calculation rounding error and model error. Since these should be strictly real errors, they can be examined and applied in advance. However, it is often difficult to obtain an error in a practically satisfactory manner. For example, the error may be calculated from a system identification method using an adaptive filter.

カルマンフィルタの処理の具体化例を説明する。例えば次の(1)式を想定する。   A specific example of the Kalman filter processing will be described. For example, the following equation (1) is assumed.

k=Σi=1 ni(k)exp(jωik)+vk・・・(1)。ただし、k=0,1,2,・・・である。 y k = Σ i = 1 n a i (k) exp (jω i t k ) + v k (1). However, k = 0, 1, 2,...

k、vk及びai(k)は、それぞれ時刻tk=kΔT(ΔTはサンプリング間隔)における観測信号、観測雑音及び時変成分であり、それぞれ複素数で定義される。ωiは時変成分ai(k)の角周波数であり、j(j2=−1)は虚数単位とする。また、vkを平均値ゼロ、分散σv 2の定常な複素ガウス白色雑音とする。 y k , v k and a i (k) are observation signals, observation noises, and time-varying components at time t k = kΔT (ΔT is a sampling interval), respectively, and are defined by complex numbers. ω i is an angular frequency of the time-varying component a i (k), and j (j 2 = −1) is an imaginary unit. Further, v k is a stationary complex Gaussian white noise with an average value of zero and a variance σ v 2 .

Gセンサ15の出力は、A/D変換器(図示せず)によりデジタル信号へ変換され、検出信号として演算装置11へ供給される。演算装置11はカルマンフィルタの処理を実行できるようになっている。演算装置11でプログラムにより実行されるカルマンフィルタでは、検出信号を観測値ykとして設定するとともに、観測値ykが、(1)式で表されるように、任意に変化する指定数n個(nは任意の整数)の時変成分である複素振幅ai(k)と観測雑音vkとの和で表される場合を考え、観測値ykから各周波数成分ωiの複素振幅ai(k)を推定するカルマンフィルタ処理を実行する。そして、各周波数成分ωiの複素振幅ai(k)に基づいて(1)式の演算を行って、最適推定加速度を算出し、該最適推定加速度を時間で2回、積分して走行距離を求める。 The output of the G sensor 15 is converted into a digital signal by an A / D converter (not shown) and supplied to the arithmetic unit 11 as a detection signal. The arithmetic unit 11 can execute a Kalman filter process. The Kalman filter is executed by a program in the computing device 11, and sets the detection signal as an observed value y k, observed value y k is, as represented by equation (1), specifies the number of n which varies arbitrarily ( Consider the case where n is an arbitrary integer) and is represented by the sum of the complex amplitude a i (k) and the observed noise v k, and the complex amplitude a i of each frequency component ω i from the observed value y k. A Kalman filter process for estimating (k) is executed. Then, based on the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i , the calculation of the equation (1) is performed to calculate the optimum estimated acceleration, and the optimum estimated acceleration is integrated twice in time to travel distance Ask for.

カルマンフィルタ処理では、観測値ykから各周波数成分ωiの複素振幅ai(k)を推定することにより、移動量算出手段34へ供給する信号中の白色性ノイズを除去することができる。 In the Kalman filter process, white noise in the signal supplied to the movement amount calculation means 34 can be removed by estimating the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i from the observed value y k .

カルマンフィルタを用いて、各周波数成分ωiの複素振幅ai(k)を推定する方法について説明する。Gセンサ15の出力信号が前述したように(1)で表される場合に、周波数ωiは検出周波数を表している。カルマンフィルタにより上記の時変スペクトルを推定するに当たり、時変成分ai(k)の時間変化を次の(2)式のように線形近似する。 A method for estimating the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i using the Kalman filter will be described. When the output signal of the G sensor 15 is represented by (1) as described above, the frequency ω i represents the detection frequency. In estimating the time-varying spectrum by the Kalman filter, the time variation of the time-varying component a i (k) is linearly approximated as in the following equation (2).

{ai(k+1)−ai(k)}/ΔT={ai(k)−ai(k−1)}/ΔT+wi(k)’・・・(2) {A i (k + 1) −a i (k)} / ΔT = {a i (k) −a i (k−1)} / ΔT + w i (k) ′ (2)

ただし、wi(k)’はwi(k)の時間微分を表している。時刻tk-1のときの時変成分ai(k)の変化の傾きと、時刻tkのときの傾きはほぼ等しいものとし、wi(k)′をその時の近似誤差とする。このとき、{ai(k)}は次の(3)式の2次のARモデルで表される。 However, w i (k) ′ represents a time derivative of w i (k). The slope of the change of the time-varying component a i (k) at time t k-1 is substantially equal to the slope at time t k , and w i (k) ′ is an approximation error at that time. At this time, {a i (k)} is expressed by a secondary AR model of the following equation (3).

i(k+1)=2ai(k)−ai(k−1)+wi(k)・・・(3)。ただし、 wi(k)=ΔTwi(k)′である。 a i (k + 1) = 2 a i (k) −a i (k−1) + w i (k) (3). However, w i (k) = ΔTw i (k) ′.

(3)式を利用することにより、(1)式は次の(4)式により表すことができる。   By using the expression (3), the expression (1) can be expressed by the following expression (4).

i(k)=2ai(k−1)−ai(k−2)+wi(k)・・・(4) a i (k) = 2 a i (k−1) −a i (k−2) + w i (k) (4)

ここで、{wi(k)}を平均0、分散平均値0、分散σw 2の定常な複素ガウス白色雑音とし、{vk}と独立であると仮定する。次に、{wi(k)}をシステム雑音として取扱い、(4)式を変形することにより観測信号{yk}は次のような状態方程式(5)と観測方程式(6)からなる基本システムで表すことができる。 Here, it is assumed that {w i (k)} is a stationary complex Gaussian white noise having an average of 0, a variance average of 0, and a variance σ w 2 and independent of {v k }. Next, {w i (k)} is treated as system noise, and the observation signal {y k } is transformed to the basic equation consisting of the following state equation (5) and observation equation (6) by modifying equation (4). Can be represented by a system.

k+1=Fxk+Awk ・・・(5) x k + 1 = Fx k + Aw k (5)

k+1=Hkk+vk・・・(6)。ただし、 k=0,1,2,・・・である。 y k + 1 = H k x k + v k (6). However, k = 0, 1, 2,.

(5)及び(6)式は図8の状態方程式及び観測方程式に対応している。以降は周知の解法により、Gセンサ15の検出信号(観測値)ykから、各周波数成分ωiの複素振幅ai(k)を推定することができる。そして、推定した複素振幅ai(k)を(1)式に代入することにより、最適推定加速度を算出することができ、この最適推定加速度を時間で2回積分して、走行距離を求める。 Equations (5) and (6) correspond to the state equation and observation equation of FIG. Thereafter, the complex amplitude a i (k) of each frequency component ω i can be estimated from the detection signal (observed value) y k of the G sensor 15 by a known solution. Then, by substituting the estimated complex amplitude a i (k) into the equation (1), the optimum estimated acceleration can be calculated, and the optimum estimated acceleration is integrated twice in time to obtain the travel distance.

図10は現在地測位装置30のブロック図である。現在地測位装置30の一例は図1のポータブルナビゲーション装置10である。現在地測位装置30は、ポータブル式に限定されず、カーナビゲーション装置として、車両のコンソールに取り付けられるものであってもよい。現在地測位装置30が、ポータブルナビゲーション装置10のようなポータブル式の場合には、ユーザにより適宜、車両に持ち込まれて、使用される。現在地測位装置30は、さらに、ナビゲーション装置単体としてではなく、携帯電話、PDA及びノート型PCに内蔵されるものであってもよい。   FIG. 10 is a block diagram of the current location device 30. An example of the current location device 30 is the portable navigation device 10 of FIG. The current position measurement device 30 is not limited to a portable type, and may be a car navigation device that is attached to a console of a vehicle. When the current location device 30 is a portable type such as the portable navigation device 10, it is appropriately brought into the vehicle by the user and used. Further, the current position measurement device 30 may be incorporated in a mobile phone, a PDA, and a notebook PC, not as a navigation device alone.

現在地測位装置30は、第1の現在地測位手段31、加速度センサ32、カルマンフィルタ33、移動量算出手段34、判定手段35及び第2の現在地測位手段36を備えている。現在地測位装置30は、好ましくは、学習手段40を備える。カルマンフィルタ33、移動量算出手段34、判定手段35、第2の現在地測位手段36及び学習手段40の各機能は、ポータブルナビゲーション装置10では、演算装置11においてプログラムにより実行される。   The current location device 30 includes a first current location device 31, an acceleration sensor 32, a Kalman filter 33, a movement amount calculator 34, a determination device 35, and a second current location device 36. The current location device 30 preferably includes a learning unit 40. The functions of the Kalman filter 33, the movement amount calculation means 34, the determination means 35, the second current location positioning means 36, and the learning means 40 are executed by a program in the arithmetic device 11 in the portable navigation device 10.

第1の現在地測位手段31は、GPS電波に基づき現在地を測位する。加速度センサ32は、加速度を測定する。カルマンフィルタ33は、加速度センサ32の測定信号から白色性ノイズを除去した最適推定加速度を算出する。移動量算出手段34は、最適推定加速度に基づき移動量を算出する。   The first current location positioning means 31 measures the current location based on GPS radio waves. The acceleration sensor 32 measures acceleration. The Kalman filter 33 calculates an optimum estimated acceleration obtained by removing white noise from the measurement signal of the acceleration sensor 32. The movement amount calculation means 34 calculates a movement amount based on the optimum estimated acceleration.

判定手段35は、第1の現在地測位手段31が測位した現在地が適正か否かを判定する。第2の現在地測位手段36は、判定手段35の判定が否である期間では、判定手段35の判定が正であった期間に第1の現在地測位手段31の測位した所定の現在地を始点として該始点からの移動量に基づき現在地を測位する。   The determination means 35 determines whether or not the current position measured by the first current position positioning means 31 is appropriate. In the period in which the determination by the determination means 35 is negative, the second current position positioning means 36 starts from the predetermined current position measured by the first current position positioning means 31 during the period in which the determination by the determination means 35 is positive. Position the current location based on the amount of movement from the starting point.

第1の現在地測位手段31の具体例はGセンサ15(図1)である。現在地測位装置30が装備する加速度センサ32の個数は1個に限定されない。現在地測位装置30が、ユーザに携帯されるポータブル型の場合には、現在地測位装置30は、典型的には、3軸方向へ1個ずつの計3個の加速度センサ32を装備する。現在地測位装置30がカーナビゲーション装置である場合には、現在地測位装置30は、典型的には、水平面内の2軸方向へ1個ずつの計2個の加速度センサ32を装備する。   A specific example of the first current location means 31 is the G sensor 15 (FIG. 1). The number of acceleration sensors 32 equipped in the current position measurement device 30 is not limited to one. When the current position measurement device 30 is a portable type carried by the user, the current position measurement device 30 is typically equipped with a total of three acceleration sensors 32, one in each of the three axis directions. When the current location device 30 is a car navigation device, the current location device 30 is typically equipped with two acceleration sensors 32, one in each of two axial directions in the horizontal plane.

加速度センサ32が3軸方向へ各1個ずつある場合には、各時点での移動方向を検出することができるとともに、鉛直方向の移動量も検出することができる。現在地測位装置30は、方位センサ(地磁気センサ)を装備すれば、絶対的な移動方向(例えば北方向に対する移動方向の角度)を検知することができる。移動量算出手段34が算出する移動量は、好ましくは、直交3軸の各軸方向の各移動量又は平面内の直交2軸の各軸方向の各移動量を算出し、第2の現在地測位手段36は、各軸方向の各移動量に基づき現在地を算出する。   When there is one acceleration sensor 32 in each of the three axis directions, the movement direction at each time point can be detected, and the movement amount in the vertical direction can also be detected. The current location device 30 can detect an absolute movement direction (for example, an angle of the movement direction with respect to the north direction) if it is equipped with a direction sensor (geomagnetic sensor). The movement amount calculated by the movement amount calculating means 34 is preferably calculated by calculating each movement amount in each axial direction of the three orthogonal axes or each movement amount in each axial direction of the two orthogonal axes in the plane to obtain the second current position measurement. The means 36 calculates the current location based on each movement amount in each axial direction.

カルマンフィルタ33は、ハードウェアにより実現されても、プログラムにより実現されてもよい。カルマンフィルタ33が、加速度センサ32から供給される加速度信号から最適推定加速度を算出する具体的処理の一例は(1)〜(6)式に基づき説明したとおりである。   The Kalman filter 33 may be realized by hardware or a program. An example of a specific process in which the Kalman filter 33 calculates the optimum estimated acceleration from the acceleration signal supplied from the acceleration sensor 32 is as described based on the equations (1) to (6).

判定手段35は、第1の現在地測位手段31が測位した現在地が適正か否かについて、具体的には、(a)最低3個(3個は水平方向の現在地測位の場合である。)のGPS衛星からGPS電波を受信できるているか否か、(b)GPS電波に基づき算出した現在地を地図データと照合すると、現在地が海上や湖上になっている(ただし、ユーザが船上にいる場合を除く。)か否か、又は(c)一定時間間隔でGPS電波に基づき現在地を算出しているものとして、今回算出した現在地が前回算出した現在地に対して常識内の距離に留まっているか否か等により判定する。   Specifically, the determination means 35 determines whether or not the current position measured by the first current position positioning means 31 is appropriate. (A) At least three (3 are for the current position measurement in the horizontal direction). Whether or not GPS radio waves can be received from GPS satellites, (b) When the current location calculated based on GPS radio waves is collated with map data, the current location is on the sea or on the lake (except when the user is on board) )) Or (c) Assuming that the current location is calculated based on GPS radio waves at regular time intervals, whether the current location calculated this time stays within a common sense distance from the previously calculated current location, etc. Judgment by

GPS衛星からのGPS電波を受信できない場合とは、例えば、現在地測位装置30が、トンネルの中、地下街、建物内に存在する時である。第1の現在地測位手段31が測位した現在地が適正である期間では、典型的には、該適正な現在地を正式の現在地として採用するが、該期間においても、移動量に基づき算出した現在地を正式の現在地として採用してもよいとする。   The case where GPS radio waves from GPS satellites cannot be received is, for example, when the current position measurement device 30 is present in a tunnel, underground mall, or building. In the period in which the current location measured by the first current location positioning means 31 is appropriate, the appropriate current location is typically adopted as the official current location, but the current location calculated based on the movement amount is officially used even in this period. It may be adopted as the present location.

第2の現在地測位手段36において始点として採用する所定の現在地とは、典型的には、判定手段35の最後の正判定期間における最後の正判定の基になった現在地である。   The predetermined current location used as the starting point in the second current location positioning means 36 is typically the current location that is the basis of the last positive determination in the final positive determination period of the determination means 35.

好ましくは、現在地測位装置30は学習手段40を備えている。学習手段40は、判定手段35の判定が正である期間でかつ停止状態からの車両加速期間に、最適推定加速度に基づく車速と第1の現在地測位手段31の測位した現在地の変化に基づく車速との対応関係を学習する。これに対して、移動量算出手段34は、判定手段35の判定が否である期間でかつ停止状態からの車両加速期間には、学習に基づく対応関係に基づき最適推定加速度から移動量を算出する。   Preferably, the current location device 30 includes a learning unit 40. The learning means 40 has a vehicle speed based on the optimum estimated acceleration and a vehicle speed based on a change in the current position measured by the first current position measuring means 31 during the vehicle acceleration period from the stop state during the period when the determination of the determination means 35 is positive. Learn the correspondence of. On the other hand, the movement amount calculation unit 34 calculates the movement amount from the optimum estimated acceleration based on the correspondence relationship based on learning during the period in which the determination by the determination unit 35 is negative and the vehicle acceleration period from the stop state. .

学習手段40は、また、判定手段35の判定が正である期間でかつ停止状態への車両減速期間に、最適推定加速度に基づく車速と第1の現在地測位手段31の測位した現在地の変化に基づく車速との対応関係を学習する。これに対して、移動量算出手段34は、判定手段35の判定が否である期間でかつ停止状態への車両減速期間には、学習に基づく対応関係に基づき最適推定加速度から移動量を算出する。   The learning means 40 is also based on the change in the vehicle speed based on the optimum estimated acceleration and the current location measured by the first current location positioning means 31 during the vehicle deceleration period to the stop state during the period when the determination by the determination means 35 is positive. Learn correspondence with vehicle speed. On the other hand, the movement amount calculation means 34 calculates the movement amount from the optimum estimated acceleration based on the correspondence relationship based on learning during the period when the determination by the determination means 35 is negative and during the vehicle deceleration period to the stop state. .

学習手段40による車両加速期間及び車両停止期間の学習形態の具体例は、ポータブルナビゲーション装置10に関して、図4〜図7を参照して説明したとおりである。   A specific example of the learning mode of the vehicle acceleration period and the vehicle stop period by the learning unit 40 is as described with reference to FIGS. 4 to 7 for the portable navigation device 10.

こうして、現在地測位装置30では、加速度センサ32の出力に含まれる白色性ノイズをカルマンフィルタ33により除去して、精確な移動量を算出し、GPS電波に基づく現在地測位不能期間における現在地測位の精度を高めることができる。   Thus, in the current position positioning device 30, white noise included in the output of the acceleration sensor 32 is removed by the Kalman filter 33, an accurate amount of movement is calculated, and the accuracy of the current position positioning in the current position positioning impossible period based on GPS radio waves is improved. be able to.

図11は現在地測位方法50のフローチャートである。現在地測位方法50は例えば一定時間間隔ごとに実行される。なお、S51は、S54より前であれば、どこでもよく、例えばS53とS54との間に配置することができる。また、S54は、S51の後であれば、どこでもよく、例えば、S52の前に配置されてもよい。   FIG. 11 is a flowchart of the current location method 50. The current location measurement method 50 is executed at regular time intervals, for example. Note that S51 may be anywhere as long as it is before S54. For example, it can be arranged between S53 and S54. Further, S54 may be anywhere after S51, for example, it may be arranged before S52.

S51では、GPS電波に基づき現在地を測位する。S52では、加速度センサ32の測定信号から白色性ノイズを除去した最適推定加速度をカルマンフィルタにより算出する。S53では、最適推定加速度に基づき移動量を算出する。   In S51, the current location is determined based on the GPS radio wave. In S52, the optimum estimated acceleration obtained by removing whiteness noise from the measurement signal of the acceleration sensor 32 is calculated by the Kalman filter. In S53, the movement amount is calculated based on the optimum estimated acceleration.

S54では、GPS電波に基づき測位した現在地が適正か否かを判定し、判定が正であれば、S55へ進み、否であれば、S56へ進む。S55では、S51で測位した所定の現在地を始点に設定して、現在地測位方法50を終了する。S56では、始点からのS53の移動量に基づき現在地を測位して、現在地測位方法50を終了する。   In S54, it is determined whether or not the current location determined based on GPS radio waves is appropriate. If the determination is positive, the process proceeds to S55, and if not, the process proceeds to S56. In S55, the predetermined current location determined in S51 is set as a starting point, and the current location positioning method 50 is terminated. In S56, the current location is measured based on the movement amount of S53 from the starting point, and the current location positioning method 50 is terminated.

S51,S52,S53,S54の処理はそれぞれ現在地測位装置30(図10)の第1の現在地測位手段31、カルマンフィルタ33、移動量算出手段34及び判定手段35の機能にそれぞれ対応している。したがって、第1の現在地測位手段31〜判定手段35の機能について述べた具体的態様はそれぞれS51〜S54の処理についての具体的態様としても適用可能である。また、S55,S56の処理は現在地測位装置30の第2の現在地測位手段36の機能に対応している。したがって、第2の現在地測位手段36の機能について述べた具体的態様はS55,S56の処理についての具体的態様としても適用可能である。   The processes of S51, S52, S53, and S54 respectively correspond to the functions of the first current position positioning means 31, the Kalman filter 33, the movement amount calculating means 34, and the determining means 35 of the current position positioning device 30 (FIG. 10). Therefore, the specific modes described for the functions of the first current location positioning unit 31 to the determination unit 35 can also be applied as specific modes for the processes of S51 to S54, respectively. Further, the processing of S55 and S56 corresponds to the function of the second current position positioning means 36 of the current position positioning device 30. Therefore, the specific mode described for the function of the second current location positioning means 36 can be applied as a specific mode for the processing of S55 and S56.

現在地測位方法50には、現在地測位装置30の学習手段40に対応するステップ又はルーチンを追加することができる。該ステップ又は該ルーチンを追加した場合には、S56では、停止状態からの加速期間及び/又は停止状態への車両減速期間には、学習に基づく対応関係に基づき最適推定加速度から移動量を算出することになる。   A step or routine corresponding to the learning means 40 of the current position positioning device 30 can be added to the current position positioning method 50. When this step or the routine is added, in S56, the movement amount is calculated from the optimum estimated acceleration based on the correspondence relationship based on learning during the acceleration period from the stop state and / or the vehicle deceleration period from the stop state. It will be.

本発明を最良の形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で最良の形態における各構成要素を変形して具体化できる。また、最良の形態に開示されている複数の構成要素の便宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。本明細書が開示する発明には、最良の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除したり、異なる最良の形態に係る構成要素同士を組み合わせたりしたものも含まれる。   Although the present invention has been described with respect to the best mode, the present invention is not limited to this, and each constituent element in the best mode can be modified and embodied without departing from the gist of the invention. Various inventions can be formed by a convenient combination of a plurality of constituent elements disclosed in the best mode. The invention disclosed in this specification includes those obtained by deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the best mode or combining the constituent elements according to different best modes.

ポータブルナビゲーション装置のブロック図である。It is a block diagram of a portable navigation device. Gセンサの出力の時間変化例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a time change of the output of G sensor. Gセンサの出力と該出力をカルマンフィルタにより処理して得た加速度の推定値とを重ね合わせたグラフである。It is the graph which superimposed the output value of G sensor, and the estimated value of the acceleration obtained by processing this output by a Kalman filter. Gセンサの出力と車速パルスから算出した車速とを重ね合わせたグラフである。It is the graph which piled up the output of G sensor, and the vehicle speed computed from the vehicle speed pulse. 図4のグラフにさらに加速度センサの出力を重ね合わせたグラフである。5 is a graph in which the output of the acceleration sensor is further superimposed on the graph of FIG.

停止状態からの加速期間及び停止状態への減速期間における車速を学習による対応関係に基づき最適推定加速度から算出したグラフを図5に重ね合わせたグラフである。FIG. 6 is a graph obtained by superimposing the graph calculated from the optimum estimated acceleration on the basis of the correspondence relationship obtained by learning the vehicle speed during the acceleration period from the stop state and the deceleration period from the stop state to FIG. 5. 学習を加味してカルマンフィルタの出力に基づき算出した走行距離のグラフを図6に重ね合わせたグラフである。FIG. 7 is a graph obtained by superimposing the travel distance graph calculated based on the output of the Kalman filter in consideration of learning on FIG. 6. カルマンフィルタで使用する各種方程式を示す図である。It is a figure which shows the various equations used with a Kalman filter. 図8の各種方程式において示したカルマンフィルタの数式に現れる行列の意味と値を示す図である。It is a figure which shows the meaning and value of the matrix which appear in the numerical formula of the Kalman filter shown in the various equations of FIG. 現在地測位装置のブロック図である。It is a block diagram of a current location device. 現在地測位方法のフローチャートである。It is a flowchart of a current location positioning method.

符号の説明Explanation of symbols

30:現在地測位装置、31:第1の現在地測位手段、32:加速度センサ、33:カルマンフィルタ、34:移動量算出手段、35:判定手段、36:第2の現在地測位手段、40:学習手段、50:現在地測位方法。 30: Current location positioning device, 31: First current location positioning means, 32: Acceleration sensor, 33: Kalman filter, 34: Movement amount calculation means, 35: Determination means, 36: Second current location positioning means, 40: Learning means, 50: Current location positioning method.

Claims (4)

GPS電波に基づき現在地を測位する第1の現在地測位手段、
加速度を測定する加速度センサ、
加速度センサの測定信号から白色性ノイズを除去した最適推定加速度を算出するカルマンフィルタ、
最適推定加速度に基づき移動量を算出する移動量算出手段、
前記第1の現在地測位手段が測位した現在地が適正か否かを判定する判定手段、
前記判定手段の判定が否である期間では、前記判定手段の判定が正であった期間に前記第1の現在地測位手段の測位した所定の現在地を始点として該始点からの前記移動量に基づき現在地を測位する第2の現在地測位手段、
を備えることを特徴とする現在地測位装置。
First current location means for positioning the current location based on GPS radio waves;
An acceleration sensor that measures acceleration,
A Kalman filter that calculates the optimum estimated acceleration by removing whiteness noise from the measurement signal of the acceleration sensor,
A movement amount calculating means for calculating a movement amount based on the optimum estimated acceleration;
Determining means for determining whether or not the current position measured by the first current position positioning means is appropriate;
In the period in which the determination by the determination unit is negative, the current location is determined based on the amount of movement from the start point, starting from the predetermined current location measured by the first current location measurement unit during the period in which the determination by the determination unit is positive. A second current location means for positioning
A current location positioning device characterized by comprising:
前記判定手段の判定が正である期間でかつ停止状態からの車両加速期間に、前記最適推定加速度に基づく車速と前記第1の現在地測位手段の測位した現在地の変化に基づく車速との対応関係を学習する学習手段、
前記判定手段の判定が否である期間でかつ停止状態からの車両加速期間には、学習に基づく対応関係に基づき最適推定加速度から移動量を算出する前記移動量算出手段、
を備えることを特徴とする請求項1記載の現在地測位装置。
Correspondence relationship between the vehicle speed based on the optimum estimated acceleration and the vehicle speed based on the change of the current location measured by the first current location positioning means during a period in which the determination by the determination means is positive and the vehicle acceleration period from the stop state. Learning means to learn,
The movement amount calculation means for calculating the movement amount from the optimum estimated acceleration based on a correspondence relationship based on learning during a period in which the determination by the determination means is negative and the vehicle acceleration period from the stop state,
The present location measuring device according to claim 1, further comprising:
前記判定手段の判定が正である期間でかつ停止状態への車両減速期間に、前記最適推定加速度に基づく車速と前記第1の現在地測位手段の測位した現在地の変化に基づく車速との対応関係を学習する学習手段、
前記判定手段の判定が否である期間でかつ停止状態への車両減速期間には、学習に基づく対応関係に基づき最適推定加速度から移動量を算出する前記移動量算出手段、
を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の現在地測位装置。
A correspondence relationship between a vehicle speed based on the optimum estimated acceleration and a vehicle speed based on a change in the current position measured by the first current position positioning means during a period in which the determination by the determination means is positive and the vehicle is decelerated to a stop state. Learning means to learn,
The movement amount calculating means for calculating the movement amount from the optimum estimated acceleration based on the correspondence relationship based on learning during the period in which the determination by the determination means is negative and the vehicle deceleration period to the stop state,
The present location locating device according to claim 1 or 2 characterized by things.
GPS電波に基づき現在地を測位するステップ、
加速度センサの測定信号から白色性ノイズを除去した最適推定加速度をカルマンフィルタにより算出するステップ、
最適推定加速度に基づき移動量を算出するステップ、
GPS電波に基づき測位した現在地が適正か否かの判定を実施するステップ、
前記判定が否である期間では、前記判定が正であった期間にGPS電波に基づき測位した所定の現在地を始点として該始点からの前記移動量に基づき現在地を測位するステップ、
を備えることを特徴とする現在地測位方法。
Positioning the current location based on GPS radio waves,
Calculating an optimum estimated acceleration obtained by removing white noise from the measurement signal of the acceleration sensor by a Kalman filter;
Calculating the amount of movement based on the optimum estimated acceleration;
Performing a determination as to whether or not the current location determined based on GPS radio waves is appropriate;
In the period in which the determination is negative, the step of positioning the current location based on the amount of movement from the start point, starting from a predetermined current location determined based on GPS radio waves during the period in which the determination is positive;
A current location positioning method characterized by comprising:
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