JP2023016761A - 車両のgnss及びinsに基づく位置特定において障害の存在を検出する方法 - Google Patents

車両のgnss及びinsに基づく位置特定において障害の存在を検出する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】車両のGNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を検出する方法に関する。【解決手段】本方法は、少なくとも以下のステップ、即ち、a)GNSSデータ及びINSデータを読み込む第1のフィルタを用いて位置特定結果を求めるステップと、b)時間的に相前後して存在し、それぞれステップa)に従って求められた複数の位置特定結果を格納するステップと、c)ステップb)において格納された位置特定結果を、第1のフィルタとは異なる第2のフィルタを用いて分析するステップと、を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、車両のGNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を検出する方法に関する。さらに、車両のためのコンピュータプログラム、機械可読記憶媒体及び位置特定装置を提示する。本発明は、特に、GNSS及びINSに基づく位置特定システムにおいて、自律運転又は半自律運転に適用することができる。
従来技術
全地球航法衛星システム(略して:GNSS)によって、地球上の地理的位置を特定することが可能である。GNSS衛星は、地球を周回しており、かつ、符号化されたGNSS信号を送信し、GNSSに基づく位置特定システムは、位置特定システムと各GNSS衛星との間の距離を、GNSS信号に基づいて求めることができる。これは、受信時点と送信時点との間の時間差を求めることによって行われる。推定された距離は、(典型的には5個を超える)十分なGNSS衛星が追跡される場合に、受信機の位置を推定するために使用される。現在、130個を超えるGNSS衛星が地球を周回している。これは、通常、最大で65個のGNSS衛星が局所的な水平線において追跡可能であることを意味している。
GNSS-クアッドコンステレーション、三重周波数、外部からの大気制限及びユーザ側のPPP認証の使用により、また、アンビギュイティ解決を用いて、GNSS及びINSに基づく位置特定システムは、有利には、センチメートル範囲の位置決め精度を達成することができる。
近代的なGNSS及びINSに基づく位置特定システムには、誤差回避のための様々なアルゴリズムが装備されているにもかかわらず、GNSS信号のマルチパス受信は、GNSS及びINSに基づく位置特定における主要な位置決め誤差として、依然として問題である。マルチパス受信は、GNSS信号が種々の経路を介して位置特定システムのGNSSアンテナに到達する場合に生じる。主要な原因は、特にGNSS信号が低い高度のGNSS衛星から到来する場合に、GNSS信号が、特にGNSSアンテナの近傍に存在する対象物によって反射され得ることである。
このような誤差は、種々の周波数に対して異なっている。これは、位相測定及びコード測定の双方に影響を及ぼす。コードの場合には、誤差は、波長(「チップ」)の1.5倍の理論値に達することがある。これは、即ち、15メートルを超える値は観察が困難であり得るのにもかかわらず、例えば、GPS C1コードにおける誤差は、450メートルにも達し得ることを意味する。典型的には、これは、2メートル又は3メートル未満である。
マルチパス受信のシナリオの典型的な例は、障害物の下、例えば、オーバヘッド標識の下の車両の走行である。このシナリオにおいては、GNSS信号が、オーバヘッド標識によって反射されることがあり、従って、反射された信号は、GNSSアンテナによって受信される。このようなシナリオにおいては、誤差を有するマルチパス信号が誤った位置決めの原因となり、そのため、例えば、誘導されている車両が高速道路から離脱することを判断するのが非常に遅くなり、このことが急なコース変更をもたらす可能性がある。他のシナリオにおいても、マルチパス受信が急な走行方向変更をもたらす可能性があり、このような急な走行方向変更は、基本的には、交通安全の意味において回避されるべきである。
発明の開示
本明細書においては、特に、急な位置特定変更、ひいては場合によっては走行方向変更を可能な限り回避することができるようにするために、GNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を特に適時に識別するための新たな手段が記載されている。
本明細書においては、請求項1によれば、車両のGNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を検出する方法が提案され、本方法は、少なくとも、以下のステップ、即ち、
a)GNSSデータ及びINSデータを読み込む第1のフィルタを用いて位置特定結果を求めるステップと、
b)時間的に相前後して存在し、それぞれステップa)に従って求められた複数の位置特定結果を格納するステップと、
c)ステップb)において格納された位置特定結果を、第1のフィルタとは異なる第2のフィルタを用いて分析するステップと、
を含む。
ステップa)、b)及びc)は、本方法を実施するために、例えば、少なくとも1回及び/又は繰り返し、記載の順序により実施されるものとするとよい。さらに、ステップa)、b)及びc)、特にステップa)及びb)は、少なくとも部分的に並行して又は同時に実施されるものとしてよい。
上述の方法は、特に自律運転に適している。特に有利には、自律走行自動車に、上述の方法を実施するためのGNSS及びINSに基づく位置特定システムが装備される。車両は、例えば、少なくとも部分的に自動化された運転モード又は自律的な運転モードのために構成される自動車であるものとしてよい。
(GNSS受信時に基本的に観察される)システムノイズとは異なり、障害は、本明細書においては、特に検出可能な(外部の)影響を意味し、この影響は、(車両に関して)予期せず急に存在し得る。このような障害は、例えば、航行衛星信号のマルチパス受信又はスプーフィングである。このような障害は、通常、ホワイトノイズのように、ガウス正規分布に対応して分布しておらず、従って、従来のフィルタでは、通常、観察されない。なぜなら、例えば、カルマンフィルタは、通常、(ガウス)正規分布の不確実性を有するシステム状態しか良好に推定することができないからである。
GNSS及びINSに基づく位置特定とは、本明細書においては特に、航行衛星信号(略して:GNSS信号)及び慣性センサ信号(略して:INS信号)の受信による、特に、少なくとも部分的に自動化されて走行する車両又は自律走行車両の位置決め及び/又は誘導を意味している。
GNSS信号は、航行衛星によって送信され、航行衛星の位置情報及び時間情報を含む信号である。GNSSアンテナを用いて、同一の全地球航法衛星システムの4つの異なる航行衛星から少なくとも4つのGNSS信号を受信することによって、車両の位置を求めることができる。この場合、GNSSデータは通常、GNSS信号のバイナリフォームである。GNSSサービスとして、例えば、GPS、GLONASS、Galileo、及び/又は、BeiDouが考えられる。
INS信号は、慣性センサによって送信され、加速度情報及び/又は回転率情報を含む信号である。通常、少なくとも1つの回転率センサと、少なくとも1つの加速度センサとが、車両の重心に、かつ、有利にはそれぞれ長手方向軸線、横方向軸線及び高さ方向軸線の方向に配置される。従って、各軸線に関する車両の加速度及び回転率を、INS信号の形態の未加工情報として有利に検出することができる。GNSS信号に含まれる時間情報と共に、ポーズが回転率情報に基づいて、かつ、速度が加速度情報に基づいて、特に有利に求められ得る。ここでは、ポーズは、特に少なくとも、車両のローリング(長手方向軸線を中心とした運動)、ピッチング(横方向軸線を中心とした運動)及びヨーイング(高さ方向軸線を中心とした運動)も表す。INSデータは、通常、INS信号のバイナリフォームである。
上述したGNSS信号及びINS信号は、ステップa)において、GNSSデータ及びINSデータの形態において第1のフィルタに入力されるものとしてよい。第1のフィルタは、アルゴリズムを含み、このアルゴリズムは、GNSS信号に含まれる衛星位置情報及び時間情報に基づいて、かつ、INS信号に含まれる加速度情報及び回転率情報に基づいて、車両の位置、配向及び/又は速度(ポーズ)を求めることができる。求められた位置、配向及び/又は速度は、位置特定結果として第1のフィルタから出力される。
第1のフィルタによって、位置特定結果を、(ガウス)正規分布の不確実性、例えば、各慣性センサのホワイトノイズ及び/又はオフセットを考慮して求めることができる。
マルチパス受信などの、通常は(ガウス)非正規分布の障害は、特に第1のフィルタによって観察されない。換言すれば、このことは特に、第1のフィルタによって、リアルタイムに検出されたGNSS信号及びINS信号に基づいて求められた位置特定結果が、場合によっては存在する、(ガウス)非正規分布の障害に起因して、誤差を有することがあること意味している。
特に、場合によっては、誤差を有する位置特定結果を識別するために、第1のフィルタによって求められた結果が付加的に第2のフィルタによって監視されるものとしてよく、また、場合によっては、過去の未加工の又は求められたデータに基づいて修正されるものとしてよい。
このために特に、ステップb)において、ステップa)において求められた位置特定結果が、最初に付加的なメモリに格納されるものとしてよい。この場合、求められた位置、求められた配向及び/又は求められた速度(ポーズ)は、各位置特定結果として、実質的に、時間の経過において相前後して求められた離散値であるものとしてよく、これらの離散値が連続してメモリに格納されるものとしてよい。従って、各位置特定結果(例えば位置)が、粒子のように多数の位置値(x,y,z)の形態においてメモリに格納されるものとしてよい。これに対応して、配向及び/又は速度が、同様に格納されるものとしてよい。
このことから、特に、格納されている位置特定結果が、実質的に、時間的に過去の位置特定結果として、現在求められている位置特定結果又は後に求められる位置特定結果を修正するために用いられ得ることがわかる。特に好ましくは、例えば、直近の20秒乃至30秒において求められた位置特定結果が格納される。
ステップc)においては、ステップb)において格納された位置特定結果の分析が、第1のフィルタとは異なる第2のフィルタを用いて行われる。ここでは、事前に格納された位置特定結果が、特に事前に検出された及び/又は現在検出されている未加工のINSデータに関連して、障害の存在を検出するために又は現在求められている位置特定結果を修正するために、第2のフィルタによって分析されるものとしてよい。
第2のフィルタとは異なり、第1のフィルタは通常、実質的に、現在検出されているデータに基づいて現在の結果を求めるアルゴリズムである。これに対して、第2のフィルタは通常、実質的に、第1のフィルタの現在求められている結果を監視するアルゴリズムであり、これを特に、事前に検出されたデータ及び現在検出されているデータに基づいて監視し、場合によっては修正することもできる。従って、有利には、事前に検出されたデータを格納するために付加的なメモリが設けられている。
さらに有利には、第2のフィルタによって修正された位置特定結果が、基礎として、後の位置特定結果を再帰的に計算するために第1のフィルタに戻される。換言すれば、このことは、第1のフィルタの出力側が第2のフィルタを介してフィードバック結合されるものとしてよいことを意味している。従って、正規分布の不確実性及び/又は非正規分布の不確実性を考慮して、位置特定結果をより正確に求めることができる。
上述の方法によれば、GNSS信号のマルチパス受信又はスプーフィングなどの障害の存在を、有利には適時に及び/又は正確に検出することができる。特に、これに関連する誤差、特に位置決め誤差を、少なくとも部分的に修正することができる。これによって、例えば、特に自動運転又は自律運転における急な走行方向変更又はその他の危険な走行シナリオを有利に回避することができる。
好ましくは、第2のフィルタは、付加的にINSデータを読み込み、これを、ステップc)による分析の際に考慮する。この場合、INSデータは、特に加速度データ及び/又は回転率データであり、これは特には、事前に検出される及び/又は現在検出されるものである。長手方向軸線の方向における検出された加速度データは、例えば、速度の推定にとって重要であり得る。高さ方向軸線を中心に検出された回転率データ(例えば操舵角度)は、位置及び/又は配向の推定にとって重要であり得る。好ましくは、事前に検出されたINSデータ及び/又は現在検出されているINSデータが、ステップa)において求められた位置特定結果と共にメモリに格納される。従って、INSデータと、ステップa)において求められた位置特定結果とが共に、第2のフィルタによってメモリから読み込まれるものとしてよく、基礎として、後の時点において求められた位置特定結果の監視、さらに場合によっては修正に用いられるものとしてよい。
好ましくは、第1のフィルタは、カルマンフィルタである。この場合、例えば、拡張カルマンフィルタ(EKF)又は立方体カルマンフィルタ(CKF)を、位置特定結果を推定するために、特に、通常は現在検出されているGNSSデータ及びINSデータに基づいて車両の位置、配向及び/又は速度を推定するために適用することができる。
好ましくは、第2のフィルタは、粒子フィルタである。
特に好ましくは、第2のフィルタはまた、位置特定結果を推定し、この位置特定結果を、格納されている位置特定結果と比較する。
カルマンフィルタとは異なり、粒子フィルタは、特に現在の時点において求められている位置特定結果を、事前に求められている位置特定結果のリサンプリングによって、事前定義可能なリサンプリング基準を考慮して再帰的に新たに推定することができる。従って、推定された位置特定結果と実際の位置特定結果との間の偏差を、有利には再帰的に最小化することができる。特に有利には、粒子フィルタが、位置特定結果を、例えば、マルチパス受信及び/又はGNSSスプーフィングなどの非正規分布の不確実性を考慮して推定することもできる。従って、ステップa)において求められた、場合によっては誤差を有する位置特定結果を、粒子フィルタを用いて有利に監視することができ、場合によっては少なくとも部分的に修正することができる。
特に、読み込まれたINSデータは著しく変化していないが、第2のフィルタの位置特定結果が、第1のフィルタによって求められた位置特定結果から偏差している場合には、GNSSシステムのマルチパス作用又はエラーに対する確率は高い。
この場合、読み込まれたINSデータは、粒子フィルタの入力変数の上述のリサンプリング基準として適用され得る。例えば、操舵角度が前の時点及び現在の時点において著しく変化していない場合、これは、走行方向が変更されなかったことを意味している。従って、ステップa)において求められた、直近の複数秒、例えば直近の20秒における位置は、直線を形成すべきである。これらの位置が線とは遠く離隔して存在する場合には、これは、位置決めにおいて障害が存在する可能性があり、これらの求められた位置が誤差を有する可能性があるということを意味する。この場合、線に存在する位置だけを、後の位置を求めるために適用することができる。
さらに、検出された加速度を、粒子フィルタの入力変数のリサンプリング基準として適用することができる。例えば、直近の複数秒における加速度が著しく変化していない場合には、途中時間において求められた速度ベクトルの方向も変化していないはずである。速度ベクトルの方向が著しく変化している場合には、障害が存在している可能性があり、方向が著しく変化した速度ベクトルは、誤差を有する可能性がある。これに加えて、直近の複数秒において方向が変化していない速度ベクトルを、後の位置特定結果を求めるために適用することができる。
さらに、各軸線を中心とした、検出された回転角度を、粒子フィルタの入力変数のリサンプリング基準として適用することができる。例えば、回転角度が直近の複数秒において著しく変化していない場合、ポーズは、途中時間において相応に変化していないはずである。求められたこれらのポーズが直近の複数秒において相互に著しく異なっている場合、障害が存在している可能性がある。これに加えて、多数の同様のポーズを、後の位置特定結果を求めるために適用することができる。他のポーズは、誤差を有するポーズとみなされ得る。
さらに好ましくは、INS(未加工)データから生じる走行挙動に適合しない走行挙動が位置特定結果の分析から生じた場合に、第2のフィルタは、障害を検出する。これは、例えば、比較の手法により、第2のフィルタによって求められるものとしてよい。
例えば、INSデータから、コース(長手方向における車両の配向)が実質的に一定であった又は実質的に一定であることが、例えば、閾値を下回ったコース変化率又はコース変化の読込みによって明らかである場合、関連する位置特定結果によって、(現在の)位置特定結果からの(GNSSに基づいた)車両配向が(直接)先行する位置特定結果からの車両配向に実質的に対応する走行挙動が得られるべきである。
例えば、INSデータから、加速度が実質的に一定であった又は実質的に一定であることが、例えば、閾値を下回った加速度変化の読込みによって明らかである場合、関連する位置特定結果によって、(現在の)位置特定結果からの(GNSSに基づいた)車両速度が(直接)先行する位置特定結果からの車両速度に実質的に対応する走行挙動が得られるべきである。
例えば、INSデータから、姿勢が実質的に一定であった又は実質的に一定であることが、例えば、閾値を下回った姿勢変化率又は姿勢変化の読込みによって明らかである場合、関連する位置特定結果によって、(現在の)位置特定結果からの(GNSSに基づいた)車両姿勢が(直接)先行する位置特定結果からの車両姿勢に実質的に対応する走行挙動が得られるべきである。
好ましくは、障害が検出された位置特定結果は、消去され、整合させられ、又は、その重みが低減させられる。上述の、誤差を有する位置、速度ベクトル及び/又は配向(ポーズ)は、消去されるものとしてよく、整合させられるものとしてよく、又は、その重みが低減させられるものとしてよい。
さらに好ましくは、本明細書に記載された方法を実施するためのコンピュータプログラムが適用される。これは、換言すれば、特に、コンピュータによってプログラムが実行されたときに、本明細書に記載された方法をコンピュータに実施させるための命令を含むコンピュータプログラム(製品)に関する。
さらに好ましくは、本明細書において提案されたコンピュータプログラムが格納されている機械可読記憶媒体が適用される。通常、機械可読記憶媒体は、コンピュータ可読データ担体である。
特に好ましくは、車両用の位置特定システムは、本明細書に記載された方法を実施するように構成されている。
方法に関連して論じられた詳細、特徴及び有利な構成は、相応に、本明細書において提示されたコンピュータプログラム及び/又は記憶媒体及び/又は位置特定装置においても生じ得るし、その逆もまた同様である。この点に関しては、これらの特徴をより詳細に特徴付けるために、その箇所における説明が全面的に参照される。
以下においては、本明細書において提示された解決手段及びそれらの技術的周辺環境を、図面に基づいてより詳細に説明する。本発明は、図示の実施例によって限定されるものではないことを指摘しておく。特に、別段の指示が明示的に示されない限り、図面において説明された事実内容の部分的な態様を抽出して、それらの部分的な態様を、他の図面及び/又は本明細書からの他の構成要素及び/又は知識と組み合わせることも可能である。
通常の動作フローにおける、車両のGNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を検出するための、本明細書において提示された方法のフローを示す図である。 GNSS信号のマルチパス受信における2つの例示的なシナリオを示す図である。 本明細書において提示された方法を実施するための位置特定装置の例示的なブロック図である。 本明細書において提示された方法を実施するための例示的なフローチャートである。
図1は、通常の動作フローにおける、車両のGNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を検出するための、本明細書において提示された方法のフローを概略的に示している。ブロック110、120及び130によるステップa)、b)及びc)の図示の順序は、単なる例示にすぎない。
ブロック110においては、GNSSデータ及びINSデータを読み込む第1のフィルタを用いて位置特定結果が求められる。ブロック120においては、時間的に相前後して存在して、それぞれステップa)に従って求められた複数の位置特定結果の格納が行われる。ブロック130においては、ステップb)において格納された位置特定結果の分析が、第1のフィルタとは異なる第2のフィルタを用いて行われる。
図2は、GNSS信号のマルチパス受信による2つの典型的な走行シナリオ、即ち、過度に遅い車線変更(左側)及び急な走行方向変更(右側)を示している。
図2においては、車両21(右側)がオーバヘッド標識22の下を走行していることが見て取れる。このシナリオにおいては、GNSS信号が、オーバヘッド標識22によって反射されることがあり、従って、反射された信号は、車両21のGNSSアンテナによって受信される。このようなシナリオにおいては、GNSS信号のマルチパス伝搬が誤った位置決めの原因となり、そのため、誘導されている車両21が、自身の走行方向を急に変更することがある。図2の右側には、このような急な走行方向変更が示されており、ここでは、位置1、位置2及び位置3が目標位置であるべきである。しかし、実際位置である位置5及び位置6は、マルチパス受信が原因で偏差を有している。
図3は、本明細書において提示された方法を実施する位置特定装置20の例示的なブロック図を概略的に示している。位置特定装置20は、例示的に車両21内に配置されている。位置特定装置20は、GNSS信号を検出するGNSS信号モジュール7と、INS信号を検出するINS信号モジュール8と、GNSS信号に含まれる衛星位置情報と時間情報とを求める衛星状態計算機モジュール9と、位置特定結果を求める第1のフィルタ(図示せず)を備えたナビゲーション計算機モジュール10と、位置、速度、配向及び時間のような求められた位置特定結果を格納するメモリ11と、求められた位置特定結果の誤差の改良された検出又は修正を行う第2のフィルタ(図示せず)を備えた誤差検出モジュール12と、キャリアフェーズを分析するキャリアフェーズ不確定性計算機モジュール13と、を含む。
図3においては、付加的なメモリ11及び付加的な誤差検出モジュール12が位置特定装置20に割り当てられており、ナビゲーション計算機モジュール10にフィードバック結合されていることが見て取れる。従って、ナビゲーション計算機モジュール10によって求められた位置特定結果、例えば、位置、速度、配向及び時間は、付加的なメモリ11内に別個に格納されるものとしてよい。第2のフィルタ(図示せず)を備えた誤差検出モジュール12は、直近の複数秒(例えば、直近の20秒)における、求められた位置特定結果をメモリ11から読み出し、修正された位置特定結果をナビゲーション計算機モジュール10に入力する。この修正された位置特定結果に基づいて、ナビゲーション計算機モジュール10は、新たな位置特定結果を求めることができる。
図4は、本明細書において提示された方法を実施するための例示的なフローチャートを示している。ブロック210乃至213によるステップI)乃至ステップXII)の図示された順序は、単なる例示にすぎない。ブロック210においては、粒子フィルタが作成される。ブロック220においては、システム状態(例えば位置特定結果)を推定する非線形システムのパラメータの特定が行われる。ブロック230においては、粒子の初期化が行われる。ブロック240においては、粒子のサンプリングが行われる。ブロック250においては、次のシステム状態の推定が行われる。ブロック260においては、例えば、GNSSデータ及びINSデータのような測定値の検出が行われる。ブロック270においては、検出された測定値(例えば、GNSSデータ及びINSデータ)に基づいて、推定されたシステム状態の修正が行われる。ブロック280においては、障害が存在するか否かの検出が行われる。ブロック290においては、障害が存在していない場合に、可及的に推定されたシステム状態の抽出が行われる。ブロック211においては、システム状態を推定するための粒子のリサンプリングが再帰的に行われる。
図4においては、ブロック212において、ブロック280において障害の検出が実行される前に、事前に検出され、付加的なメモリ(図示せず)内に格納された付加的な未加工データ(例えばINS未加工データ)の読込みが行われることが見て取れる。さらに、ブロック280において障害が存在することが検出された場合、ブロック213において中間結果の削除が行われる。

Claims (10)

  1. 車両のGNSS及びINSに基づく位置特定において障害の存在を検出する方法であって、
    少なくとも以下のステップ、即ち、
    a)GNSSデータ及びINSデータを読み込む第1のフィルタを用いて位置特定結果を求めるステップと、
    b)時間的に相前後して存在し、それぞれステップa)に従って求められた複数の位置特定結果を格納するステップと、
    c)ステップb)において格納された位置特定結果を、前記第1のフィルタとは異なる第2のフィルタを用いて分析するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記第2のフィルタは、付加的にINSデータを読み込み、ステップc)による前記分析の際に考慮する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1のフィルタは、カルマンフィルタである、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記第2のフィルタは、粒子フィルタである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記第2のフィルタはまた、位置特定結果を推定し、前記位置特定結果を、格納されている位置特定結果と比較する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
  6. INSデータから生じる走行挙動に適合しない走行挙動が前記位置特定結果の前記分析から生じた場合に、前記第2のフィルタは、障害を検出する、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 障害が検出された位置特定結果を消去し、整合させ、又は、障害が検出された位置特定結果の重みを低減する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法を実施するためのコンピュータプログラム。
  9. 請求項8に記載のコンピュータプログラムが格納されている機械可読記憶媒体。
  10. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、車両(21)用の位置特定装置(20)。
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