利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法

摘要

本发明涉及一种利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，通过补偿GPS接收数据的非连续性而提高了定位的稳健性。根据本发明的一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，包括：GPS接收部，接收GPS数据；航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而生成航位推算信息；缓冲部，保存所述航位推算信息；及过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个而生成移动体的定位信息。

说明书

技术领域

本发明涉及利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，更详细地 说，涉及一种利用航位推算和GPS的复合导航系统及其方法，通过补偿GPS 接收数据的非连续性而提高了定位的稳健性。

背景技术

因低级、小型、低电力、低价的全球定位系统(GlobalPositioning System：以下称"GPS")接收器的开发，商用车辆导航系统主要使用的定位 传感器为GPS接收器，使GPS接收器获得的车辆位置信息与数字地图进行 地图匹配(mapmatching)而向使用者提供基于位置的服务(LBS：Location BasedService)，如提供自己的位置、速度等导航信息及引路、告知危险区 域等。

但是，GPS接收器的问题点在于，在隧道、地下停车场、城市中心区 域等会导致GPS信号完全/部分隔绝的地点，无法提供正确的位置信息。

因此，为了无间断地提供这种定位信息，结合由速度计、地磁场传感 器、惯性传感器等构成的航位推算(DR：DeadReckoning-航位推算)系统与 GPS接收器而构成DR/GPS复合导航系统。

这种DR/GPS复合导航系统可根据航位推算(DR)的形态、复合技法、 复合滤波器而构成为多种形态。

这里，作为复合滤波器，大部分使用卡尔曼滤波器。为了将用于线性 系统的卡尔曼滤波器适用到非线性系统即DR/GPS复合导航系统而使用扩 展卡尔曼滤波器(EKF：ExtendedKalmanFilter)。

另外，GPS接收的数据相比同一时间输入的其他传感器数据而言，属 于时间迟延(Delay)的数据，因此若不考虑此而结合GPS接收数据与DR数 据，会降低自己位置推测的性能。

发明内容

(要解决的技术问题)

本发明要解决的技术问题是提供一种利用航位推算和GPS的复合导航 系统及其方法，补偿GPS接收数据的非连续性而提高了定位的稳健性。

本发明的目的并不限定于以上涉及的目的，未涉及的其他目的可通过 如下记载而被本领域从业者所明确理解。

(解决问题的手段)

如所述，为达成本发明，根据本发明的一实施例的利用航位推算与GPS 的复合导航系统，包括：GPS接收部，接收GPS数据；航位推算部，利用 轮速、转向角及角速度而生成航位推算信息；缓冲部，保存所述航位推算 信息；及过滤部，利用所述GPS接收部的输出信息及保存到所述缓冲部的 所述航位推算信息中的至少一个而生成移动体的定位信息。

所述航位推算部，包括：移动距离演算部，利用所述轮速而演算所述 移动体的移动距离；曲率演算部，利用所述角速度及所述转向角而演算所 述移动体的行驶曲率；推测部，利用演算的移动距离及演算的行驶曲率而 推测所述移动体的定位信息。

所述航位推算部还包括：偏差补正部，补正所述角速度的偏移偏差 (OffsetBias)。

所述缓冲部按照已设定的规定个数，保存从当前时点到之前时点所生 成的所述航位推算信息。

当所述GPS接收部的输出信息被输入到所述复合导航系统的周期时， 所述过滤部考虑到所述GPS接收部与所述航位推算部之间的时间迟延，从 所述缓冲部选择所述GPS接收部的输出信息及同步的航位推算信息，利用 所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成所述移动体 的定位信息。

当所述GPS接收部的输出信息未输入到所述复合导航系统的周期时， 所述过滤部只利用所述航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。

所述过滤部基于利用所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推 算信息而生成的所述移动体的定位信息，更新保存到所述缓冲部的所述航 位推算信息。

并且，根据本发明的一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统， 还可包括：合并判断部，比较所述GPS接收部的输出信息与所述被选的航 位推算信息之间的偏差和预期误差，判断所述GPS接收部的输出信息及所 述被选的航位推算信息的合并与否。

当所述偏差超过所述预期误差时，所述合并判断部只利用所述被选的 航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。

为达成前述目的的，根据本发明的另一实施例的利用航位推算和GPS 的复合导航系统，包括：GPS接收部，接收GPS数据而每第1周期提供可视 卫星的位置及伪距信息；航位推算部，利用轮速、转向角及角速度而每第 2周期生成航位推算信息；缓冲部，按照已设定的规定个数，保存从当前 时点到之前时点所生成的所述航位推算信息；及过滤部，利用所述GPS接 收部的输出信息及保存到所述缓冲部的所述航位推算信息中的至少一个 而第3周期生成移动体的定位信息。

当所述第3周期所相应的时点，输入所述GPS接收部的输出信息时，所 述过滤部考虑到所述GPS接收部及所述航位推算部之间的时间迟延，从所 述缓冲部选择所述GPS接收部的输出信息及同步的航位推算信息，并利用 所述GPS接收部的输出信息及所述被选的航位推算信息而生成所述移动体 的定位信息。

并且，根据本发明的另一实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系 统，还可包括：合并判断部，比较所述GPS接收部的输出信息及所述被选 的航位推算信息之间的偏差与预期误差，所述偏差超过所述预期误差时， 判断为只利用所述被选的航位推算信息而生成所述移动体的定位信息。 为达成前述目的的，根据本发明的另一实施例的利用航位推算和GPS的复 合导航系统的位置推测方法，包括：处理已接收的GPS数据而生成移动体 的第1位置信息的步骤；利用轮速、转向角及角速度而生成所述移动体的 第2位置信息的步骤；保存所述第2位置信息的步骤；及利用所述第1位 置信息及所述保存的第2位置信息中的至少一个而生成移动体的定位信 息。

(发明的效果)

根据如上所述的本发明，其优点在于，通过补偿GPS接收数据的非连 续性而保障定位的稳健性。

附图说明

图1是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系 统的框图。

图2是用于说明图1中图示的过滤部中合并GPS接收部的输出信息与航 位推算信息的方法的图。

图3是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系 统的位置推测方法的顺序图。

具体实施方式

本发明的优点及特征，以及达成这些的方法，可通过参照附图和详细 说明的实施例而明确理解。但本发明并不限定于以下公开的实施例，而是 以多种形态体现，提出这些实施例的目的在于，使本发明公开完整，并向 本发明所述技术领域具有一般知识的人完整地告知本发明的范畴，本发明 根据权利要求的范围而定义。另外，本说明书中使用的用语是为了说明本 发明，而不是为了限制本发明。除了有特殊说明的以外，本说明书中的单 数型包括复数型。说明书中使用的“包括(comprises)”及/或“包括的 (comprising)”涉及的构成要素、阶段、动作及/或要素并不排除一个以上 的其他构成要素、阶段、动作及/或要素的存在或增加。

下面，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例。首先，关于为各 附图的构成要素附加参照符号，相同的构成要素即使标示在不同的附图 上，也尽可能使用了相同的符号。并且，说明本发明时，判断为相关的公 开构成或功能的具体说明有可能会混淆本发明的技术要旨时，省略其详细 的说明。

图1是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系 统的框图。

参照图1，根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统 包括：GPS接收部100、航位推算部200、缓冲部300、合并判断部400、过 滤部500。

GPS接收部100从GPS卫星接收移动体的定位数据(纬度、经度，前进 方向)、误差信息(DOP，Stdev)、模式信息、卫星数量等信息，并对此进行 处理后输出所述移动体的第1位置信息。

航位推算部200利用用于测定移动体的行驶距离的传感器(例如，速度 计、行驶距离计、加速度计等)所测定的轮速、用于测定所述移动体的旋转 角的传感器(例如，地磁传感器、陀螺仪传感器等)所测定的角速度(Yaw rate)及转向角，推测对所述移动体的第2位置信息。

航位推算部200由偏差补正部210、曲率演算部220、移动距离演算部 230、推测部240构成，生成对所述移动体的第2位置信息，即航位推算信 息。

偏差补正部210补正已测定的角速度的偏移偏差(Offsetbias)。测定角 速度的传感器存在偏移偏差，原则上，在移动体停止或直线移动时，角速 度应为0值。因此，通过测定初期时点(速度为0时)的偏移偏差并从速度测 定值减去该偏移偏差的方法而补正角速度的偏移偏差。

曲率演算部220利用已补正的角速度及转向角而推测移动体的行驶曲 率。利用角速度推测曲率时，会存在推测噪声，尤其，低速时的推测噪声 较大。另外，利用转向角的曲率推测呈现较高的连续性，但存在推测偏向。 因角速度及转向角呈现互补性的一面，若合并该两项而推测曲率，会获得 精确的行驶曲率。这时，使用卡尔曼滤波器。

移动距离演算部230利用已测定的轮速及方向盘大小而演算所述移动 体的移动速度。

推测部240利用已通过轮速演算的移动距离(ds)及推测度或曲率(k)而 通过DeadReckoning(航位推算，DR)推测移动体的定位(例如，移动体的 纬度、经度、前进方向)。k*ds为前进方向的变化量，利用该变化量而更新 维度、经度信息且同时演算各要素的协方差(Covariance)值。

缓冲部300保存所述航位推算部200所推测的所述移动体的第2位置信 息。

通过一系列过程而推测的所述第2位置信息在后述的过滤部500中，与 所述GPS接收部100输出的第1位置信息合并而生成移动体的定位信息。

一般地说，GPS接收部100处理接收的GPS数据并输出所述第1位置信 息需要处理数据的时间。因这种理由，即使相同时间生成所述第1位置信 息及所述第2位置信息，2个信息之间会发生时间迟延(Delay)。大致地说， 所述第1位置信息比所述第2位置信息迟延60ms。即，t＝0时生成的第1位置 信息与-60ms时生成的第2位置信息具有同步的时间。

因此，为了合并GPS接收部100生成的所述第1位置信息及与此同步的 第2位置信息，需要在规定的时间内，或按照规定的个数，保存所述第2位 置信息。根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系统，缓 冲部300在规定的时间内，或按照规定的个数，保存所述第2位置信息，从 而提供后述的过滤部500能够合并时间同步的第1及第2位置信息的方案。

另外，即使所述GPS接收部100接收到GPS数据，但可能会因信号不良 或其他原因而导致定位弹出。这时，除了所述GPS接收部100输出的第1位 置信息以外，优选地，只利用所述航位推算部200推测的第2位置信息而生 成移动体的定位信息。

合并判断部400在发生前述的定位弹出时，判断为不合并所述第1及第 2位置信息而只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。即， 所述合并判断部400判断所述第1及第2位置信息的合并与否。

合并判断部400判断所述第1位置信息及所述第2位置信息之间的偏差 是否超过已设定的预期误差，其结果为所述偏差超过所述预期误差时，判 断为定位弹而不合并2个信息，判断为只利用所述第2位置信息而生成所述 移动体的定位信息。以下数学式1是合并判断部400为了决定2个信息的合 并与否而利用的数学式。这里，DRx为第2位置信息，GPSx为第1位置信息， P_DRx为第2位置信息的预期误差方差，P_GPSx为第1位置信息的预期误差 方差，ε为预期误差。

[数学式1]

$\frac{{(\mathrm{Drx}-\mathrm{GPSx})}^2}{P_{\mathrm{DRx}}+P-\mathrm{GPSx}}<{ϵ}^2$

另外，所述合并判断部400中作为所述第1位置信息的比较对象的第2 位置信息，注意是保存到所述缓冲部300的多个位置信息中与所述第1位置 信息时间同步的位置信息。

过滤部500利用所述GPS接收部100输出的第1位置信息及保存到所述 缓冲部300的所述第2位置信息中的至少一个而生成所述移动体的定位信 息。这时，可使用卡尔曼滤波器。

例如，假设根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系 统的周期为20ms，GPS接收部100的周期为100ms，航位推算部200的周期 为10ms。据此，所述GPS接收部100以100ms周期输出第1位置信息，所述 航位推算部200以10ms周期输出第2位置信息，所述过滤部500以20ms为单 位合并所述第1与第2位置信息。

根据具体情况，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时， 可能会发生不存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息的情况。这时， 所述过滤部500只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息。

另一方面，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时，若存 在所述GPS接收部100输出的第1位置信息且所述合并判断部400判断为合 并2个位置信息，所述过滤部500利用所述第1位置信息及所述第2位置信息 而生成所述移动体的定位信息。这时，所述第2位置信息是与所述第1位置 信息时间同步的。

图2是用于说明图1中图示的过滤部中合并GPS接收部的输出信息与航 位推算信息的方法的图。

参照图2，例示性地图示了所述缓冲部300保存了航位推算信息，即以 20ms周期保存4个(-60ms、-40ms、-20ms、0ms(当前时间))第2位置信息。

所述GPS接收部100以100ms周期而输出4个第1位置信息(-300ms、 -200ms、-100ms、0ms(当前时间))，假设所述第1位置信息与所述第2位置 信息之间存在60ms的时间迟延，当前时间(0ms)输出的第1位置信息实际上 是-60ms输出的，与此相同，-300ms输出的第1位置信息实际上是-360ms输 出的。

因此，当前时间(0ms)输出的第1位置信息及时间同步的第2位置信息相 当于-60ms时点输出的信息(DR4)，所述过滤部300在保存到所述缓冲部300 的多个第2位置信息中选择与所述第1位置信息时间同步的位置信息(DR4) 并合并(DR4+GPS)2个信息。如所述，根据本发明的实施例的利用航位推 算和GPS的复合导航系统，考虑时间迟延而合并GPS数据及航位推算信息， 从而提高了移动体的定位性能。

以下，本参照图1至图3，说明根据本发明的实施例的利用航位推算和 GPS的复合导航系统的位置推测方法。

图3是图示根据本发明的实施例的利用航位推算和GPS的复合导航系 统的位置推测方法的顺序图。

首先，GPS接收部100从GPS卫星接收移动体的定位数据(纬度、经度、 前进方向)、误差信息(DOP，Stdev)、模式信息、卫星数量等信息并对此进 行处理而输出所述移动体的第1位置信息(S100)。

而且，航位推算部200利用用于测定移动体的行驶距离的传感器(例如， 速度计、行驶距离计、加速度计等)所测定的轮速、用于测定所述移动体的 旋转角的传感器(例如，地磁传感器、陀螺仪传感器等)所测定的角速度 (Yawrate)及转向角，推测对所述移动体的第2位置信息(S200)。

而且，要合并所述第1与第2位置信息时，过滤部500判断是否存在所 述GPS接收部100输出的第1位置信息(S300)。

根据具体情况，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时， 可能会发生不存在所述GPS接收部100输出的第1位置信息的情况。这时， 所述过滤部500只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定位信息 (S700)。

另一方面，所述过滤部500想要合并所述第1与第2位置信息时，若存 在所述GPS接收部100输出的第1位置信息，在保存到缓冲部300的多个第2 位置信息中选择与所述第1位置信息时间同步的第2位置信息(S400)。

选择与所述第1位置信息时间同步的第2位置信息的过程已通过图3进 行了说明，因此省略对此的具体说明。

然后，合并判断部400判断所述第1位置信息与所述第2位置信息之间 的偏差是否超过已设定的预期误差(S500)。

其结果为所述偏差超过所述预期误差时，合并判断部400将此判断为 定位弹而不合并2个信息，只利用所述第2位置信息而生成所述移动体的定 位信息。这时，这时，所述过滤部500只利用所述第2位置信息而生成所述 移动体的定位信息(S700)。

另一方面，所述合并判断部400判断为合并2个位置信息时，所述过滤 部500利用所述第1位置信息与所述第2位置信息而生成所述移动体的定位 信息(S600)。这时，所述第2位置信息是与所述第1位置信息时间同步的。

在本发明所属技术领域具有一般知识的人能够理解本发明无需变更 技术思想或必要特征而能够实施为其他具体形态。因此，应理解为以上所 述的实施例在整个方面是例示性的，而不是限定性的。本发明的保护范围 应根据所述的权利要求范围所解释，权利要求范围及与其同等概念导出的 所有变更或变形形态都属于本发明。