导航方法、导航系统、导航设备、装备有该导航设备的交通工具以及交通工具的群组

摘要

描述了一种导航系统，其至少包括均能确定对其自身位置的初始估算(P

说明书

技术领域

本发明涉及导航方法；本发明还涉及导航系统；本发明还涉及 导航设备；本发明还涉及装备有该导航设备的交通工具；本发明还 涉及交通工具的群组。

背景技术

现如今，已经有能够相对精确地确定交通工具位置的GPS导航 工具。然而，在某些情形下需要替代的导航方法，这是因为GPS导 航信号并不总是可用的，例如在海平面以下的位置处和建筑物中的 位置处即是如此。一种这样的替代方法使用从惯性传感器获得的数 据来应用航位推测(dead-reckoning)。惯性传感器包括陀螺仪和加 速度计。陀螺仪提供关于交通工具的定向的信息，而加速度计提供 关于其加速度的信息。如果已知交通工具的初始位置和速度，则其 瞬时速度和位置可以通过对从加速度计和陀螺仪获得的加速度数据 和定向数据进行数值积分来估算。一般而言，加速度计具有系统性 误差(也称为偏差)，从而导致位置指示中随时间推移而成指数增 大的漂移。因此，基于惯性传感器的此类导航设备需要定期进行校 准以测量和补偿传感器偏差。在使用低成本传感器而不进行偏差补 偿的情况下，导航解算会在数分钟内就变得无用。这也适用于使用 其他传感器(例如用于测量速度的里程计和用于测量方向的罗盘) 的航位推测方法。

在Sanderson所著的“A distributed algorithm for cooperative  navigation among multiple mobile robots”(Advanced robotics ISSN  0169-1864，98，vol.12，no 4，pp.313-481(17ref.)，pp.335-349)中描述 了一种用于通过对机器人之间相对位置的感测以及位置估算和规划 轨迹的相互通信来提高机器人的导航精确度的方法。尽管以此方式 可以获得可能比在机器人独立导航的情况中更好的导航结果，但是 该方法复杂并且对相对位置的测量可能形成另一误差源。

因此，需要改进。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了协作导航的第一方法，其包括 如下步骤：

a.提供至少第一导航设备和第二导航设备，每个导航设备至少具有 导航传感器以用于提供指示导航传感器的移动状态的导航数据并且 传输导航数据；

b.在共享环境中独立地移动第一导航设备和第二导航设备；

c.检测第一导航设备和第二导航设备是否彼此相遇，并且传输指示 第一导航设备和第二导航设备相遇的接近信号；

d.使用航位推测方法来至少估算第二导航设备的位置，并且如果接 近信号指示相遇，则使用来自第一导航设备的导航信息来提高所述 估算的精确度。

根据本发明的第一方面，提供了协作导航的第二方法，其包括 如下步骤：

a.提供中央服务器以及至少第一导航设备和第二导航设备，每个导 航设备至少具有导航传感器，用于提供指示导航传感器的移动状态 的导航数据，并且向中央服务器传输所述导航数据；

b.在共享环境中独立地移动第一导航设备和第二导航设备；

c.检测第一导航设备和第二导航设备是否彼此相遇，并且向中央服 务器传输指示第一导航设备和第二导航设备相遇的接近信号；

d.使用航位推测方法来至少估算第二导航设备的位置，并且如果接 近信号指示相遇，则使用来自第一导航设备的导航信息来提高所述 估算的精确度。

根据本发明的第一方面，提供了协作导航的第三方法，其包括 如下步骤：

a.提供至少第一导航设备和第二导航设备，每个导航设备能够使用 航位推测方法估算其自身的位置；

b.在共享区域中独立地移动第一导航设备和第二导航设备；

c.检测第一导航设备和第二导航设备是否彼此相遇；

d.如果检测结果为肯定的，则向第二导航设备传递由第一导航设备 在所述检测时获得的相关导航信息，所述相关导航信息至少包括由 第一导航设备作出的对相遇地点的位置的估算；

e.使用从第一导航设备接收的位置估算来提高第二导航设备估算其 自身位置的精确度。

根据本发明的第二方面，提供了第一导航系统，其包括至少第 一导航设备和第二导航设备，每个导航设备至少具有导航传感器， 导航设备各自被布置成彼此独立地相互移动，并且至少第一导航设 备被布置用于传输指示其状态的导航数据，

-导航系统具有用于接收所传输的导航信息的工具；

-第一导航设备和第二导航设备中的至少一个具有用于提供指示第 一导航设备和第二导航设备是否彼此相遇的接近信号的工具；

-导航系统至少具有用于计算对第二导航设备的位置的初始估算的 航位推测工具，以及用于使用由第一导航设备传输的导航信息来提 高该估算的精确度的工具，该导航信息针对的是给出的接近信号所 针对的位置。

根据本发明的第二方面，提供了第二导航系统，其至少包括第 一导航设备和第二导航设备以及中央服务器，第一导航设备和第二 导航设备各自至少具有导航传感器，导航设备各自被布置成彼此独 立地相互移动，并且每个导航设备被布置成向中央服务器传输指示 其状态的导航数据；

-第一导航设备和第二导航设备中的至少一个具有用于向中央服务 器传输指示第一导航设备和第二导航设备是否彼此相遇的接近信号 的工具；

-导航系统至少具有用于计算对第二导航设备的位置的初始估算的 航位推测工具，以及用于使用由第一导航设备传输的导航信息来提 高该估算的精确度的工具，该导航信息针对的是给出的接近信号所 针对的位置。

根据本发明的第二方面，提供了第三导航系统，其至少包括第 一导航设备和第二导航设备，第一导航设备和第二导航设备各自具 有用于确定对其自身位置的第一初始估算的航位推测工具，

-第一导航设备具有用于向第二导航设备传输其相关导航信息的工 具；

-第二导航设备具有用于接收所传输的初始估算的工具；

-第一导航设备和第二导航设备中的至少一个具有用于提供指示第 一导航设备和第二导航设备是否彼此相遇的接近信号的工具；

-第二导航设备具有用于使用由第一导航设备提供的相关导航信息 来提高估算其自身位置的精确度的工具，该相关导航信息针对的 是给出的接近信号所针对的位置，所述相关导航信息至少包括由 第一导航设备作出的对相遇地点的位置的估算。

根据本发明的上述方面，对第一初始估算的更新仅是基于在交 通工具之间相遇时获得的交通工具之间导航信息的比较。这后一方 法允许简单得多的实现方式，同时具有良好的结果。在根据本发明 的方法中，没必要具有昂贵的用于确定相对位置的工具。简单的接 近传感器——例如仅提供指示是否存在相遇的二值信号的传感 器——就已足够。这样的传感器可以例如基于RF技术。此外，对改 善的导航结果的计算得以简化，这是因为在相遇的情形中，交通工 具的实际坐标具有基本上相同的值。因此，对于每次相遇而言，交 通工具的估算位置之间的差值基本上由用于导航的传感器中的偏差 误差所确定。如果发生了足够数目的相遇，则可以解出偏差项。并 不需要出现数目至少与偏差项的数目相同的相遇。如果例如有10个 交通工具，但其中两个交通工具具有两次相遇，这就提供了对这两 个交通工具的充足信息用以估算它们的偏差以及据此改善其状态估 算。从这些相遇获取的信息可以与所述两个交通工具随后相遇的其 他交通工具进行交换。

要由第一导航设备向第二导航设备传递的相关导航信息可以是 第一导航设备对相遇地点的位置的估算。如果第一导航设备的估算 基本上无偏差，则该信息足够用于让第二导航设备估算其偏差，并 且据此改善其自身位置估算。如果对第一导航设备的估算也受偏差 影响，则第一导航设备可以传输附加的信息，诸如在基于惯性传感 器的航位推测设备的情形下的二重积分的定向矩阵或在使用里程计 信号的航位推测设备的情形下的一重积分的定向矩阵。在第一导航 设备的估算也存在偏差的情形下，倘若第一导航设备和第二导航设 备具有至少两次相遇，则第一导航设备和第二导航设备的偏差都可 以被估算。

换言之，第一导航设备和第二导航设备通过对使用彼此的在多 个检测到接近的情形中所获得的相关导航信息形成的方程组进行求 解来确定它们的偏差因子。

注意，US 6801855提供了具有各种集成定位功能性的互补性导 航设备的系统和方法。具体而言，该导航方法包括提供具有三角定 位功能性的第一导航设备以及提供适配于与第一导航设备进行通信 的第二导航设备。第二导航设备包括一个或多个航位推测定位组件。 所述一个或多个航位推测定位组件与三角定位功能性互补地使用， 以在三角定位功能性劣化时对位置进行确定。在已知的系统和方法 中，第一导航设备和第二导航设备被布置在单个交通工具中(参见 第13栏，第44-51行以及第22栏，第2-5行)，并且因此在操作期 间彼此接近。

本发明与已知方法的不同之处在于，本发明还包括检测第一导 航设备和第二导航设备是否彼此接近的步骤，并且如果该检测结果 为肯定的，则传递相关的导航信息。如果检测到第一导航设备和第 二导航设备彼此接近，则假定第一导航设备和第二导航设备具有相 同的位置，并且基于该假定，使用从第一导航设备接收的相关导航 信息来提高第二导航设备估算其自身位置的精确度。如果没有检测 到接近，则第二导航设备不使用第一导航设备的导航信息。

第一导航设备可以具有检测接近的传感器，从而指示第二导航 设备是否接近第一导航设备。接近信号可以引发第一导航设备传输 其相关导航信息。第二导航设备中的接收器接收该相关信息。在该 情形中，接收器还形成第二导航设备中用于生成接近信号的工具， 这是因为对信息的接收指示其接近第一导航设备。备选地，第二导 航设备可以具有用于提供接近信号的独立工具，并且第一导航设备 可以持久地广播其导航信息。一旦由第二设备的工具检测到接近， 则后者可以接受要用来提高其自身位置估算精确度的、经广播的导 航信息。

优选地，每个导航设备具有其自身的接近传感器。在该情形中， 可以验证是否每个接近传感器都指示了接近。这会降低误报(即， 不当的接近检测)的风险。这样的不当的接近检测将导致对偏差因 子的不正确的估算。

在上述导航系统中，第一导航设备可以使用任何手段来估算其 自身的位置，例如基于GPS信号或基于航位推测设备或基于其组合。 假定第二导航设备具有航位推测设备，并且使用所接收的相关导航 信息来确定其偏差。然而，或者有可能两个导航设备都装备有航位 推测设备并且它们彼此交换相关导航信息，从而使得它们全都可以 估算自己的偏差并且提高自己的导航精确度。可以理解，除了第一 导航设备和第二导航设备之外，还有可能存在第三导航设备和其他 导航设备——它们以与第一导航设备和第二导航设备交互的方式类 似的方式彼此交互以及与第一导航设备和第二导航设备交互。

根据第三方面，提供导航设备，其具有：

-用于确定对其自身位置和其他相关导航信息的初始估算的航位推 测工具；

-用于提供指示导航设备是否与另一导航设备相遇的接近信号的工 具；

-用于接收由另一导航设备传输的相关导航信息的工具，所述其他 导航设备的所述相关导航信息至少包括由所述其他导航设备作出的 对相遇地点的位置的估算；

-用于提高使用一组或多组接收到的导航信息来估算其自身位置的 精确度的工具，该导航信息包括初始位置估算，该初始位置估算针 对的是给出的接近信号所针对的位置。

不只是单方面地提供诸如初始位置估算之类的相关导航信息是 有利的。因此，在一种实施方式中，导航设备还包括用于传输其初 始位置估算和其他相关导航信息的工具，从而使得导航设备还可以 帮助其他导航设备改善其位置估算。这还改善了其他导航设备向该 导航设备提供的初始位置估算的可靠性。

本发明尤其适用于在交通工具中使用。交通工具例如是自行车、 汽车、摩托车、火车、船、舟或飞机。优选地，交通工具包括由导 航设备控制的驱动和操纵机构。交通工具可以包括其他导航工具， 诸如GPS接收器或里程计，用于提供与交通工具的状态有关的信息。 可以存在组合工具，用于将导航设备的目标状态信号与由另一导航 工具提供的信息组合起来。组合工具例如可以选择用于导航的最为 可靠的信息。

在本发明的一种实施方式中，交通工具还包括由导航设备控制 的驱动和操纵机构。交通工具可以以群组进行操作，该群组至少包 括具有导航设备的第一交通工具和具有类似导航设备的第二交通工 具。每次当交通工具彼此相遇时，它们的导航设备便生成接近信号。 接近信号指示交通工具的相应坐标系的第一估算和第二估算的新组 合可以被用于改善它们的相应坐标系的状态的估算。例如，可以通 过确定经估算位置的平均值来改善估算，但是估算还可以被更为结 构性地用于确定导航设备的偏差分量，这也会产生对坐标系的状态 的改善的估算。

如果交通工具操作在相对小的空间中，则不必要有特定措施来 确保交通工具相对频繁地彼此相遇。在一种实施方式中，交通工具 还包括强制交通工具之间定期相遇的控制器。以这种方式，同样在 较大的环境中，也可以确保交通工具之间以足够高的频率相遇，从 而支持对导航精确度的期望水平的提高。

在又一实施方式中，导航设备至少包括用于存储关于以前对接 近的检测的相关导航信息的存储器，并且导航设备被布置用于当其 接近其他类似导航设备时向该其他类似导航设备传递所存储的相关 导航信息。该其他类似导航设备可以使用这种经传递的信息来进一 步改善其性能。所存储的相关导航信息包括由导航设备自身获得的 相关导航信息和从该导航设备相遇的类似导航设备接收的导航信 息。备选地，导航设备可以向任何其他的导航设备广播相关的导航 信息，而无论其与该导航设备的距离如何。然而，如果类似的导航 设备存储了相关的导航信息并且一旦其接近其他类似导航设备便传 输该信息，则导航设备无需长距离通信工具，这对于低功耗是有利 的。两个导航设备甚至可以间接地交换其导航信息，例如第一导航 设备和第二导航设备可以具有从彼此相遇中产生的导航信息。如果 上述导航设备之一与第三导航设备相遇，则该导航设备可以向第三 导航设备传递该信息，并且该第三导航设备可以转而在与第四导航 相遇期间向第四导航传递该信息连同经采集的其他相遇的信息。

导航设备并不必然是交通工具的一部分。导航设备可以备选地 用作独立的设备。例如，消防员可以携带该设备以在被烟雾笼罩的 建筑物内导航。

应该注意，导航设备的信号处理功能可以以硬件、软件或这两 者的结合来实现。

附图说明

参考附图更为详细地描述这些方面和其他一些方面。其中：

图1示出了航位推测导航模块的第一实施方式；

图2示出了航位推测导航模块的第二实施方式；

图3示出了具有相互协作导航设备的一对交通工具；

图4示出了根据本发明的导航系统的第一实施方式；

图5示出了根据本发明的导航系统的第二实施方式；

图6示出了根据本发明的导航系统的第三实施方式；

图7示出了具有互相交叉的轨迹的交通工具的示例；

图8示出了多个交通工具的轨迹以及由第一模拟中有偏差的估 算器确定的路径；

图9将模拟的偏差和通过根据本发明的方法估算的偏差进行了 比较；

图10示出了第二模拟中模拟的交通工具的轨迹；

图11将模拟的偏差和第二模拟中通过根据本发明的方法估算的 偏差进行了比较；以及

图12示出了根据本发明的导航系统的第四实施方式。

具体实施方式

在下面的详细描述中阐述了许多具体细节以便提供对本发明的 完整理解。然而，本领域技术人员将会理解，可以不通过这些具体 细节而实践本发明。在其他实例中，未具体描述众所周知的方法、 过程和组件，以便不模糊本发明的各个方面。

下文参照附图更为全面地描述本发明，在附图中示出了本发明 的一些实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且 本发明不应被解释为受限于本文所阐述的实施方式。相反，提供这 些实施方式，从而使得本公开更为彻底和完整，并且这些实施方式 将全面地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。在附图中，层 和区域的大小以及相对大小可能为了清楚而进行了夸大。

可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接 到”或“耦合到”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、 连接或耦合到另一元件或层，或者可以存在介于中间的元件或层。 相反，当元件被称为“直接”在另一元件或层“上”、“直接连接 到”或者“直接耦合到”另一元件或层时，不存在介于中间的元件 或层。贯穿全文，类似的标号指代类似的元件。如此处所使用的， 术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何组合和所有组 合。

可以理解，虽然术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各 种元件、组件和/或部分，但是这些元件、组件和/或部分不应受这些 术语限制。这些术语仅用于对一个元件、组件或部分与另一元件、 组件和/或部分加以区分。因此，可以将下文所讨论的第一元件、组 件和/或部分称为第二元件、组件和/或部分，而不偏离本发明的教导。 除非另有定义，否则在此所用的所有术语(包括技术术语和科学术 语)都具有本发明所属领域中普通技术人员所公知的含义相同的含 义。还可以理解，诸如在常用的字典中定义的术语之类的术语应该 被解释为具有与其在相关领域的环境中相一致的含义，并且不应以 理想化的或过度表面化的意义来解释，除非在此明确地如此定义。 这里提到的所有出版物、专利申请、专利和其他参考通过参考其全 文并入于此。如果发生冲突，则以本说明书(包括定义)为准。此 外，材料、方法和示例仅为说明性的而非旨在限制。

图1示意性地指示了在使用惯性测量的航位推测导航设备中出 现的信号之间的关系。首先，首先对经测量的角速度进行数值积分， 从而产生交通工具主体的定向θ。该定向θ被用于计算所谓的旋转矩 阵R_be(通常进行该积分从而使其直接产生R_be)。借助该矩阵，相 对于交通工具主体坐标系轴(使用下标b指示)测量的加速度矢量被旋转至惯性坐标系。惯性加速度矢量(由下标e指示)现在被数 值积分两次以获得主体的速度和位置主体的速度和位置均 针对惯性坐标系。假设已知携带导航设备的交通工具或人员的初始 状态(即，速度、位置和定向)，则潜在地有可能确定随后任意时 间点处的状态。然而，在实践中，经测量的加速是存在偏差的。因 此，该偏差将会导致经测量的位置和速度相对于实际值的漂移。

图2示出了航位推测导航设备的另一示例，其中交通工具的速 度由里程计确定，而交通工具的定向由罗盘确定。在此情形中，只 需一个积分步骤来确定位置。此外在该情形中，可能存在偏差误差 (例如由于里程计估算速度所依据的轮胎的打滑而造成)，这将会 导致估算的位置相距实际位置的漂移。其他导航设备可以通过测量 携带导航设备的人的步数来确定位置。这里同样可能存在偏差误差。

根据本发明，提供一种协作航位推测导航系统，其包括能够彼 此协作的航位推测导航设备。换言之，该导航系统中的导航设备执 行协作导航方法。为此，在航位推测导航系统中包括的至少一个第 一航位推测导航设备向导航系统中的至少一个第二导航设备传递该 至少一个第一航位推测导航设备对该至少一个第一航位推测导航设 备的位置的估算。第二导航设备现在具有对当导航设备彼此相遇时 基本相同位置的一对独立估算。根据此对估算，第二导航设备可以 例如通过将该对的估算求平均来计算对其位置的改善的估算。此外， 可以根据每对估算形成方程。如果形成足够的方程，则可以确定多 个偏差误差，据此改善进一步的估算。

词语“相遇”是指导航设备或携带该导航设备的人员或交通工 具接近彼此。如果两个导航设备位于相对于彼此的预定范围内，则 该两个导航设备被认为是接近对方。该预定范围取决于所要求的精 确度并且取决于用于检测相遇的实际装置。例如，预定范围可以与 RFID检测器的检测范围一致。预定范围例如可以是具有预定半径的 球体。该球体内任何对象都将被认为是在预定范围内。所述预定半 径例如可以在50cm至10m的级别上。在明显更小的半径(例如10 cm)中，两个交通工具自发地彼此相遇的概率相对较小。在此情形 下，可以交换并被用于提高估算精确度的信息量也较少。然而，在 布置了交通工具之间的有意相遇的情形下，这不是问题。在该情形 下，如果期望，则检测半径可以相对较小。如果半径远大于10m， 例如50m，则精确度的提高相对较小。在其中可以接受明显较大的 半径的情形也是有可能的。精确度为1％的潜艇在航行100km距离 之后将具有1km的导航误差。在此情形下，以100m的距离与也具 有导航设备的另一潜艇的相遇仍可被认为是接近。通过假设两个相 遇的潜艇的导航设备处于相同位置确实会产生误差，并且因此这个 误差还将导致导航系统的偏差因子的估算中的误差。然而，由于在 此假设中产生的误差(100m)明显小于实际出现的导航误差(1km)， 所以仍获得了对偏差因子的更为精确的估算，由此提高了导航精确 度。类似地，建筑物中的导航机器人可以具有递增至数十米的导航 误差。在此情形下，数米的距离可以被认为是接近的。只要具备如 下条件便足够：

-导航设备具有一些二值决策工具，该工具确定其他导航系统是否 接近，以及

-如果其他导航设备被认为是接近的，则假设由相遇的导航设备估 算的位置是对相同位置的估算，并且使用其他导航设备的导航信 息，

-如果其他导航设备被认为是不接近的，则不使用其他导航设备的 导航信息。(但可以使用由其他导航设备存储的、与早先相遇有 关的早先存储的导航。)

导航信息的单向传输允许第二导航设备提高其导航精确度。如 果第一导航设备接收到来自第二导航设备的信息，则该第一导航设 备也可以提高其导航精确度。然而，备选地，第一导航设备可以通 过接收由第二导航设备获得的结果来改进其导航精确度。例如，第 二导航设备可以估算第一导航设备的偏差误差并且将向第一导航设 备传输该估算。

优选地，导航设备仅在与另一导航设备发生相遇的位置处传输 其导航信息。可以更为频繁地传输导航信息，但这将导致功耗增加。

图3示出了一组交通工具。为了清楚起见，仅示出了第一交通 工具2A和第二交通工具2B。交通工具2A和2B各自分别包括导航 设备1A和1B，以及经由控制单元3由导航设备1控制的驱动机构 4和操纵机构5。控制单元3使用获取自导航设备1的导航信息来控 制驱动机构4对后轮6进行驱动的驱动速度，以及控制操纵机构5 在前轮7上施加的定向。

图4更为详细地显示了导航设备1A、导航设备1B的实施方式。 导航设备1A、导航设备1B形成导航系统的第一导航设备和第二导 航设备。导航系统可以包括除1A和1B之外的其他导航设备。导航 设备1A和1B中的每一个都能够确定对其自身位置的初始估算。在 所示实施方式中，第一导航设备1A具有提供估算P_1A的导航模块 10A。第二导航设备1B具有提供估算P_1B的导航模块10B。在导航 系统中，第一导航设备1A具有用于向第二导航设备1B传输相关导 航信息“Info”的工具20。基于设备1A的导航模块10A的类型，所 传输的相关导航信息Info可以包括估算P_1A，但也可以包括其他导航 信息。第二导航设备1B具有用于接收所传输的“Info”的工具30。 导航设备中的至少一个(此处是第一导航设备1A)具有用于提供接 近信号S_pr的工具40，接近信号S_pr指示导航设备1A、导航设备1B 是否接近彼此。第二导航设备1B的导航模块10B具有用于计算其位 置的初始估算P_1B的航位推测工具，以及具有用于使用由第一导航设 备1A提供的经传输的相关导航信息Info来提高估算其自身位置的 精确度的工具50，该经传输的相关导航信息Info针对的是给出的接 近信号所针对的位置。这由校正信号S_C象征性地示出。下面将更为 详细地描述用于提高精确度的方法。

在图4中所示的实施方式中，第一导航设备1A的导航模块10A 如何计算针对其位置的初始估算P_1A无关紧要。依赖于导航设备1A 的性质，经传输的相关导航信息“Info”例如可以仅包括对相遇地点 的初始估算P_1A作为相关导航信息。这是当导航模块10A是基于GPS 时的情形。如果备选地第一导航设备1A的导航模块10A也是航位 推测工具，则它可以传输其他相关导航信息。如果导航模块是基于 惯性传感器读数的航位推测工具，则其他相关的导航信息可以包括 二重积分旋转矩阵；或者如果导航模块基于里程计读数，则其他相 关的导航信息可以包括一重积分旋转矩阵。这种附加的相关导航信 息辅助第二导航设备1B估算第一导航模块10A的偏差，并由此改 善对其自身偏差的估算。参考图1和图2描述了航位推测工具的示 例。

在图4的实施方式中，导航设备1A是利他设备，这是因为它仅 传输其自身的导航信息，而不使用其他设备的信息。另一方面，导 航设备1B仅使用由其他导航设备使用的位置估算信息。

图5示出了又一实施方式。其中的与图4中的部件对应的部件 部件具有高出100的参考标号。相对于之前的实施方式，第二导航 设备1B向导航设备101A的导航模块110A传输校正信号S’_C，该校 正信号使得第一导航设备101A也能够提高其对自己位置的估算的 精确度。

图6示出了具有又一对导航设备1A和导航设备1B的又一实施 方式。其中与图4中的部件对应的部件具有高出200的参考标号， 并且针对设备1A的部件附加地具有后缀A以及针对设备1B的部件 附加地具有后缀B。在图6中所示的实施方式中，导航设备201A、 导航设备201B各自使用双向传输工具225A和双向传输工具225B 将其估算的位置P_1A和P_1B以及其他相关的导航信息(如果可用)作 为相关导航信息“Info、Info’”向另一方传输。如果存在另外的导航 设备，则导航设备201A和201B还可以向这些其他设备传输其相关 导航信息。备选地，导航设备可以仅使用短距离传输，从而使得它 们仅在彼此相遇时交换信息。

此外，导航设备201A和导航设备201B中的每一个具有其自身 的接近检测器240A和240B，该接近检测器240A和240B分别提供 接近检测信号S_pr和S’_pr。在一种实施方式中，导航设备201A、导航 设备201B可以彼此传送这些接近检测信号S_pr和S’_pr并且通过在与 门中组合这些信号来生成改善的接近检测信号S”_pr。以此方式，错 误检测的风险得以最小化。

现在参照图7至图11更为具体地描述如下方式，在该方式中可 以使用经交换的位置信息来提高位置估算的精确度。

假设有若干用户/交通工具V1、V2、V3等(图7)在惯性空间 中运动。这些用户中的每一个都装备有捷联式惯性导航设备。假设 可以忽略姿态测量上的误差。在交叉点C1、C2和C3定期有交通工 具轨迹交叉和交通工具彼此相遇。相遇本身由交通工具通过一些设 备(例如短距离无线电通信设备)检测得到。在相遇时，假设两个 交通工具的位置都相同。

此外，在下面简化的数学推导中，假设除了加速度计上的一些 偏差误差之外没有其他误差存在。

实际上，通过相加来完成每个交通工具的惯性系(INS)中的数 值积分。如果忽略由于这种数值积分的近似所造成的误差，则INS 的读数可以求值如下：

${\bar{v}}_e^i\left(T\right)=\underset{0}{\overset{T}{\int }}{\bar{a}}_e^i\left(t\right)·\mathrm{dt};$${\bar{p}}_e^i\left(T\right)=\underset{0}{\overset{T}{\int }}{\bar{v}}_e^i\left(t\right)·\mathrm{dt}$

其中和是由INS(上标i)指示的、地球参考系(下标 e)中的时变加速度矢量、速度矢量和位置矢量。T是运动的持续时 间。和则是在时刻T时的INS速度和位置读数。

使用时变旋转矩阵R_be(t)根据在主体坐标系中测量的加速度导出 在惯性坐标系中测量的加速度：

其中下标b指代主体参考系。

则可以得出：

${\bar{p}}_e^i\left(T\right)=\underset{\tau =0}{\overset{\tau =T}{\int }}\underset{t=0}{\overset{t=\tau }{\int }}{R}_{\mathrm{be}}\left(t\right)·{\bar{a}}_b^i\left(t\right)·\mathrm{dt}·\mathrm{d\tau }$

如果暂时忽略噪声和其他测量误差，并且假设加速度计偏差是主要 误差因素，则经测量的加速度可以被写为理想(真实)加速度(上 标t)和测量偏差(该测量偏差假设为常数)之和：

${\bar{a}}_b^i\left(t\right)={\bar{a}}_b^t\left(t\right)+\bar{b}$

针对INS的位置指示，可以得出：

${\bar{p}}_e^i\left(T\right)=\underset{\tau =0}{\overset{\tau =T}{\int }}\underset{t=0}{\overset{t=\tau }{\int }}{R}_{\mathrm{be}}\left(t\right)·({\bar{a}}_b^t\left(t\right)+\bar{b})·\mathrm{dt}·\mathrm{d\tau }$

${\bar{p}}_e^i\left(T\right)=\underset{\tau =0}{\overset{\tau =T}{\int }}\underset{t=0}{\overset{t=\tau }{\int }}{R}_{\mathrm{be}}\left(t\right)·{\bar{a}}_b^t\left(t\right)·\mathrm{dt}·\mathrm{d\tau }+\bar{b}\underset{\tau =0}{\overset{\tau =T}{\int }}\underset{t=0}{\overset{t=\tau }{\int }}{R}_{\mathrm{be}}\left(t\right)·\mathrm{dt}·\mathrm{d\tau }$

最后一个表达式的右侧包含两项。第一项是对目标的真实位置 的求值。在第二项中，偏差被放置在被积函数外，这是由于其被假 设为常数。第二项的被积函数是在积分时刻T结束时知晓的，并且 是根据陀螺仪测量而得到的。被积函数的二重积分产生已知的常数 矩阵θ(T)。针对时刻T时的INS的位置指示的方程现在可以被简化为：

${\bar{p}}_e^i\left(T\right)={\bar{p}}_e^t\left(T\right)+\bar{b}·\theta \left(T\right)$

现在假设多个交通工具正在遍历惯性空间。每个交通工具具有其自 身的INS。交通工具可以偶尔交叉轨迹并且彼此相遇。每个交通工具 具有其唯一的标识号码，并且每个交叉点也被给予唯一的号码(1、 2、3等等)。在图7中给出了示例情形。

图7示出了遍历惯性空间的多个交通工具V1、V2和V3，每个 交通工具都包括导航设备。交通工具可以偶尔交叉轨迹并且彼此相 遇。它们交换信息，并且在随后的时刻它们可以使用该信息来估算 它们的传感器误差。在附图中，交叉点(C0、C1、C2、C3)由点表 示，并且轨迹由线表示。通过示例，所有的交通工具V1、V2和V3 在原点(＝交叉点C0)开始其轨迹。交通工具到达具有号码j的交叉 点的时刻被表示为Tj。假设在时刻Tj时对所有随时间变化的变量求 值，并且这使用上标j来表示。现在由交通工具Vk的INS表示的位 置的一般表达式为：

${\bar{p}}_{e,k}^{i,j}={\bar{p}}_{e,k}^{t,j}+{\bar{b}}_k·{\theta }_k^j={\bar{m}}_k^j$

在该式中，上标k代表交通工具号码，而j代表第j个交叉点。所以， 代表在交叉点j处的交通工具k的INS的位置指示，并且其进一 步被缩写为类似地，代表在交叉点j中在到达时刻对交通工具 k的θ(T)的估算。 假设所有交通工具V1、V2和V3都具有能够检测相遇的相遇检测工 具(例如具有有限传输范围的简单无线电设备)。甚至可以存在如 下策略，即：交通工具有意地尝试相遇以便增加其导航精确度。此 外，还假设交通工具可以彼此交换信息。

两个相遇的交通工具(例如具有标号k1和k2)交换关于它们的和 的信息，作为相关导航信息Info、Info’。它们还可以交换关于它 们与其他交通工具的所有先前相遇的和的信息。使用所有这些 信息，交通工具可以建立方程组：

$\left(\begin{array}{c}{\bar{m}}_{k1}^{j1}={\bar{p}}_{e,k1}^{t,j1}+{\bar{b}}_{k1}·{\theta }_{k1}^{j1}\\ {\bar{m}}_{k2}^{j1}={\bar{p}}_{e,k2}^{t,j1}+{\bar{b}}_{k2}·{\theta }_{k2}^{j1}\\ {\bar{m}}_{k3}^{j2}={\bar{p}}_{e,k3}^{t,j2}+{\bar{b}}_{k3}·{\theta }_{k3}^{j2}\\ ....\end{array}\right)$

由于相遇的数目不受限地增长(理论上如此)，因此可用方程的数 目也不受限地增长。现在，涉及相同交叉点的所有两个方程都从彼 此中减去。显然，针对所有j，并且它们从所得的方程组 中消失：

$\left(\begin{array}{c}{\bar{m}}_{k1}^{j1}-{\bar{m}}_{k2}^{j1}={\bar{b}}_{k1}·{\theta }_{k1}^{j1}-{\bar{b}}_{k2}·{\theta }_{k2}^{j1}\\ {\bar{m}}_{k1}^{j2}-{\bar{m}}_{k3}^{j2}={\bar{b}}_{k1}·{\theta }_{k1}^{j2}-{\bar{b}}_{k3}·{\theta }_{k3}^{j2}\\ {\bar{m}}_{k2}^{j3}-{\bar{m}}_{k3}^{j3}={\bar{b}}_{k2}·{\theta }_{k2}^{j3}-{\bar{b}}_{k3}·{\theta }_{k3}^{j3}\\ ....\end{array}\right)$

方程的数目取决于有限的交通工具组之间的相遇的数目。未知项 (即，偏差)的数目是有限的，并且等于交通工具的数目。所以， 如果方程彼此独立，则在一段时间之后，方程的数目可以变得等于 或大于未知项的数目，并且可以解出方程组。如果交通工具独立地 移动并且它们的轨迹是“复杂的”(即，方向的若干变化以及速度 变化)，则所获得的方程是独立的。

在参考图4示出和描述的情形中，仅第一导航设备1A传输对应于上 式中的位置信息P_1A。如果导航设备1A具有基于GPS的导航模块 10A，则不存在数据在此情形下，1B只需要求解该方程。 并且待由导航设备1A传输的相关导航信息“Info”仅 是位置

为了示出数学原理，采用图7中的示例。针对该示例所得的方程组 如下：

$\left(\begin{array}{c}{\bar{m}}_2^1-{\bar{m}}_3^1={\bar{b}}_2·{\theta }_2^1-{\bar{b}}_3·{\theta }_3^1\\ {\bar{m}}_1^2-{\bar{m}}_3^2={\bar{b}}_1·{\theta }_1^2-{\bar{b}}_3·{\theta }_3^2\\ {\bar{m}}_1^3-{\bar{m}}_2^3={\bar{b}}_1·{\theta }_1^3-{\bar{b}}_2·{\theta }_2^3\end{array}\right)$

进行了两个模拟，以验证本发明的正确操作。

一个模拟涉及以“随机”轨迹航行并且具有总共三个交叉点的三个 交通工具。

该模拟类似于如上文在图7中描绘的情形。第二模拟涉及在所谓“卫 星巡航”情形中的两个交通工具，其具有两个交叉点。

首先描述了“随机”轨迹模拟。按如下的方式建立了模拟。对于三 个交通工具，创建“随机”轨迹，该轨迹在图8中针对x-y平面标绘 出。首先，针对每个交通工具定义一组路点。这些路点在图8中以 星号示出。所有三个轨迹的第一路点均为坐标(0，0)处的原点。在 路点上拟合多项式轨迹，从而使得轨迹精确地通过路点。在图中使 用实线来表示这些多项式轨迹。在原点处使用额外的“隐藏”路点， 使得在原点处多项式的导数为0(这对应于以0速度开始轨迹)。结 果是将三个轨迹描述为时间的函数的一组三个多项式。根据这些多 项式，得出时间导数多项式和二阶时间导数多项式，从而对应于作 为时间函数的、三个交通工具的确切速度和确切加速度。这产生三 组三个多项式，每组多项式描述作为时间函数的交通工具位置、速 度和加速度。所有的多项式均是在离散的时间实例处求值的(即， 对它们进行采样)。根据采样的速度，得出确切的经采样的交通工 具姿态(航向)：

θ＝atan 2(v_y，v_x)，其中atan2(^*)是四象限反正切函数。根据确切的加速度 和姿态，得出主体轴系中的确切加速度。

以这种方式计算的姿态和主体轴加速度被用于模拟INS系统。在此 处论述的模拟中，使用简单INS，其中涉及使用欧拉积分步长进行直 接积分。然而，备选地可以使用更为确切的积分方法。

在图8中以点线表示该简单INS的结果(即，交通工具轨迹)。 可以看出，INS轨迹基本上与理想的多项式轨迹重合。小的差异是由 于数值积分误差造成的，并且可以通过使时间步长更小而被变得任 意小。此外，通过向真实的主体加速度添加偏差项来模拟测量的主 体加速度。再次进行数值积分，这导致图8中以虚线标绘出的错误 的INS轨迹指示。通过示例的方式，图8示出了交通工具V3的真实 轨迹V3T以及基于存在偏差的测量而估算的轨迹V3B。

可以从图8看出，交通工具V2和V3的轨迹在交叉点处互相交叉。 该交叉点在图中被编号为C1。交通工具V1和V3的轨迹在交叉点 C2处互相交叉。交通工具V1和V2的轨迹在交叉点C3处彼此交叉。 在交叉点处，真实交通工具位置是相同的。相应交通工具的INS位 置指示显然并不相同(如图中虚线所示)。

关于交叉点C1的信息被存储在交通工具V2和V3的存储器中。 在交叉点C2处，关于交叉点C1的信息由交通工具V3传递给交通 工具V1。此外，关于交叉点C2的信息被存储在交通工具V1和V3 的存储器中。在交叉点C3处，关于先前交叉点C1和C2的所有信 息对于交通工具V1和V2而言是可获得的，并且可以解出所有三个 交通工具V1、V2和V3的偏差。

为了说明该通信过程，在下表中给出了在三个连续交叉点C1、 C2和C3处的所有三个交通工具V1、V2和V3的存储器内容。数字 指示关于其的信息可用的交叉点。

在交叉点C3处，对于交通工具V1和V2而言有足够的信息可用， 并且可以解出偏差。

图9示出了真实(随机选择的)偏差和经估算的偏差。每个星 号指示交通工具的真实(x，y)偏差值。每个圆环指示交通工具的经 估算(x，y)的偏差值。可以看出，偏差估算并非完美。然而，这主 要是由于所使用的不完美的INS模型所致。

在本实施方式中，假设交通工具仅与它们相遇的另一交通工具 交换信息。因此，在本实施方式中，尽管交通工具V3的偏差可以由 交通工具V1、V2在第三交叉点C3处进行计算，但是该信息对于交 通工具V3而言不可用。然而，备选地，交通工具可以使用长距离通 信，从而使得它们总是具有关于先前交叉点的相同信息可用。

在表示为“卫星巡航”轨迹模拟的第二模拟中，仅涉及两个交 通工具。模拟建立与之前段落中的相同。第一交通工具V1以由图 10中的第一实线所示的、大致上笔直的轨迹航行。第二交通工具V2 沿如下轨迹航行，该轨迹围绕第一交通工具V1的轨迹“作轨道运 行”，并且该轨迹在图10中由第二实线所示。

针对两个交通工具的(理想的)INS位置指示均由点线表示。这 些点线与真实的轨迹基本上重合。存在偏差的INS位置指示V1B、 V2B由虚线表示，并且与真实的轨迹存在严重偏离。除了原点C0， 两个交通工具都具有两个交叉点C1和C2。在第二交叉点处，可以 建立两个方程，并且可以估算两组偏差。在图11中呈现了该结果。 在图11中星号表示传感器偏差的真实的x值和y值。黑色圆圈表示 传感器偏差的经估算的x值和y值。不完美的估算主要是由于INS 积分误差所致。

导航系统本身没必要自己执行计算来提高其精确度。图12示出 了根据本发明的导航系统的第四实施方式。图12中与图4中的部件 对应的部件具有高出300的参考标号，并且针对设备1A的部件额外 地具有后缀A以及针对设备1B的部件额外地具有后缀B。在图6 中示出的实施方式中，导航设备201A、201B中的每一个。导航系 统至少包括第一导航设备301A和第二导航设备301B，第一导航设 备301A和第二导航设备301B被布置成彼此独立地移动，并且能够 确定对其自身位置的初始估算P_1A和P_1B。此外，导航系统包括中央 服务器360。如果期望集中地追踪导航设备的位置，则导航系统的该 实施方式尤其有用。在该实施方式中，第一导航设备301A和第二导 航设备301B具有用于向中央服务器360传输相关导航信息InfoA、 InfoB的工具。该相关导航信息至少包括由第一导航设备和由第二导 航设备对相遇地点的位置的估算P_1A和P_1B。此外，导航设备301A 和导航设备301B向中央服务器360传输关于它们的身份的信息。

中央服务器360具有用于接收所传输的相关导航信息InfoA、 InfoB(361)和关于身份的信息的工具。

第一导航设备具有用于提供接近信号S_pr的工具340，该信号S_pr指示第一导航设备301A和第二导航设备301B是否彼此相遇。第一 导航设备340向中央服务器360传输该信息。

第一导航设备301A和第二导航设备301B各自具有用于计算其 位置的初始估算P_1A和P_1B的航位推测工具310A和310B，并且中央 服务器360具有用于使用导航设备301A和301B所传输的相关导航 信息来提高导航设备估算它们的位置的精确度的工具362，该相关导 航信息针对的是给出的接近信号S_pr所针对的位置。

在一个简单的实施方式中，中央服务器360可以在接收到接近 信号S_pr之后计算检测到接近的导航设备的位置的初始估算P_1A和P_1B的平均值。在系统仅包括两个导航设备的情形中，足以将所计算的 平均值作为改善的位置估算提交给全部两个导航设备301A和301B。 如果导航系统包括数目更多的导航设备，则只有相遇中所涉及的导 航设备应当被处理。在一个实施方式中，中央服务器360可以具有 来自检测器340的、指示在相遇中涉及的导航设备的身份的信息。 在该实施方式中，接近检测器不仅检测接近，而是还检测所相遇的 其他导航设备的身份。每个导航设备301A和导航设备301B例如可 以具有传输关于其身份的信息的短距离身份发射器370A、370B。当 来自短距离身份发射器(例如370B)的信息被其他导航设备(例如 301A)的接近检测器(例如340)接收到时，就知晓与其他导航设 备相遇的事实以及相遇中涉及的其他导航设备的身份。

在另一实施方式中，导航设备可以各自具有接近检测器。在该 情形下，如果导航仅传输它们自己的身份便足够了。

在参考图12描述的示例中，待由导航设备向中央服务器传输的 相关导航信息限于由导航设备对相遇地点的位置的估算。如果第一 导航设备的估算基本上无偏差，则该信息足以用于让第二导航设备 估算其偏差，并且据此来改善其自身的位置估算。如果第一导航设 备的估算也受到偏差的影响，则第一导航设备可以传输附加的信息， 诸如在基于惯性传感器的航位推测设备的情形中的二重积分定向矩 阵或在使用里程计信号的航位推测设备的情形中的一重积分定向矩 阵。在这种其中第一导航设备的估算也存在偏差的情形中，只要第 一导航设备和第二导航设备至少相遇两次，则第一导航和第二导航 的偏差均可以被估算。

换言之，中央服务器通过解出使用彼此的相关导航信息所形成 的方程组来确定第一导航设备和第二导航设备的偏差因子，该相关 导航信息在检测到接近的多个情形中获得。

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