专利名称：定位系统及定位方法
技术领域：
本发明有关于全球导航卫星系统(GlcAal Navigation Satellite System，以下简称为GNSS)，特别是关于与航位推测系统(dead reckoning system)以及地理信息系统 (Geographic information System，以下简称为 GIS)相结合的 GNSS。
背景技术：
GNSS是卫星导航系统的一个标准的专业术语，GNSS可以提供独立的覆盖全球的地球空间定位。在美国，GNSS以全球定位系统(GlcAal positioning system，以下简称为 GPS)而著名。GNSS接收器根据卫星传送的无线信号来判断其位置，包括经度、纬度、以及高度。GNSS接收器也可以计算精确的时间。因此，带有GNSS接收器的装置可以容易地获得精确的定位数据。例如，根据GNSS装置的导航指令，驾驶者可以很容易地把车开到目的地。GNSS装置也有其缺点。决定卫星通信质量的因素有很多。天空中的可见卫星数目决定了 GNSS信号的接收质量。天气条件及信号接收环境也对卫星通信的质量有很大的影响。因为GNSS接收器是根据卫星发送的无线信号来判断GNSS接收器的位置，当卫星通信失败的时候，GNSS接收器不能产生定位数据。例如，当汽车进入隧道时，隧道的环境阻止了 GNSS无线信号的接收，因此，汽车中的GNSS装置不能根据GNSS信号产生定位数据。为了在GNSS装置失效的情况下判断出GNSS接收器的位置，航位推测(dead reckoning)装置被安装在GNSS装置中，以对位置进行暂时的估计。航位推测装置测量其测量值以估计位置。航位推测装置可以是测量加速度的加速计(Accelerometer)、测量移动距离的里程表(odometer)、或是测量角速率的陀螺仪(gyro)、或是测量绝对角度的指南针(罗盘，compass)。但是，航位推测装置的位置估计具有很大的误差，并且只能在短期内使用。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种定位系统及定位方法。本发明提供了一种定位系统，该定位系统包括GNSS模块，航位推测模块，计算模块，以及GIS模块。GNSS模块根据卫星通信产生第一定位数据；航位推测模块根据测量数据，第一定位数据，以及先前时间的反馈定位数据估计第二定位数据；计算模块，用以根据预设的权重，从第一定位数据以及第二定位数据中获得第三定位数据；GIS模块，用以将第三定位数据匹配至地图以产生目前时间的反馈定位数据，目前时间的反馈定位数据被作为定位系统的最终输出，并被递归反馈到航位推测模块以用于下一估计。本发明另提供了一种定位系统，该定位系统包括GNSS基频处理器，航位推测传感器，卡尔曼滤波器以及GIS模块。GNSS基频处理器根据卫星通信产生GNSS测量数据；航位推测传感器，产生测量数据；卡尔曼滤波器，根据传感器测量数据、GNSS测量数据、以及先前时间的第二定位数据估计第一定位数据；GIS模块，用以将第一定位数据匹配至地图以产生先前时间的第二定位数据，第二定位数据被作为定位系统的最终输出，且被递归反馈到卡尔曼滤波器以用于下一估计。本发明提供了一种定位方法，该方法包括提供GNSS基频处理器，以根据卫星通信产生GNSS测量数据；提供航位推测传感器以产生测量数据；当第一定位数据可用时，从传感器测量数据，GNSS测量数据，以及先前时间的反馈定位数据中获得第一定位数据；提供GIS匹配第一定位数据到地图以产生目前时间的第二定位数据，第二定位数据作为定位系统的最终输出；以及递归反馈第二定位数据以作为反馈定位数据，以推导下一时间的第一定位数据。本发明提供的定位系统及其方法，通过GNSS模块以及航位推测模块产生定位数据，且通过GIS模块改进定位数据的精确度，可以提供具有较小误差的位置信息，减小了航位推测模块的估计误差，且在没有GNSS模块的协助下，航位推测的时间可以持续更长。
图1为本发明一实施例的松耦合模式(loosely-coupled)下的定位系统的方框图。图2为本发明另一实施例的松耦合模式下的定位系统的方框图。图3为本发明一实施例的紧耦合模式下的定位系统的方框图。图4为本发明一实施例的定位方法的流程图。
具体实施例方式图1为本发明一实施例的定位系统100的方框图。定位系统100包括GNSS模块 102，航位推测模块104，GIS模块106，以及计算模块108。GNSS模块102侦测(detect)卫星发出的GNSS信号以产生定位数据Sn。在一实施例中，定位数据S11包括定位数据，速度数据，以及时间数据。航位推测传感器122侦测其测量数据(measurement data)以产生定位数据&2。接着，GIS模块106根据储存在其内的地图数据来调整定位数据S11以获得定位数据&，定位数据&是定位系统100最终的输出。接着，计算模块108根据预设的权重对GIS模块106产生的定位数据&以及航位推测模块104产生的定位数据S22进行计算以获得定位数据、，定位数据、被反馈至航位推测模块104。GNSS模块102包括GNSS基频处理器112以及卡尔曼滤波器(kalman fliter)114。 GNSS基频处理器112首先根据卫星通信产生GNSS测量数据。接着，卡尔曼滤波器114根据目前时间的GNSS测量数据Sltl以及先前时间的定位数据S11估计目前时间的定位数据Sn。 在一实施例中，卡尔曼滤波器114也根据航位推测模块104提供的定位数据S21以及GNSS 测量数据Sltl估计定位数据S11。航位推测模块104包括航位推测传感器122以及卡尔曼滤波器124。航位推测传感器122产生定位系统的测量数据。在一实施例中，航位推测传感器122是线性移动传感器，用以测量线性移动以产生测量数据，例如，测量加速度的加速计或是测量移动距离的里程表。在另一实施例中，航位推测传感器122是角运动传感器(例如，测量角位移的陀螺仪或测量绝对角度的指南针)用以测量角运动以产生测量数据，该测量数据包括姿态数据 (attitude data)。在另一实施例中，航位推测传感器122至少结合了一个线性移动传感器以及一个角运动传感器。卡尔曼滤波器124包括时间传播(time propagation)模块126以及测量更新模块128。时间传播模块1 根据先前时间(T-I)的反馈定位数据S4,η以及目前时间T的测量数据估计目前时间T的定位数据τ。因此，时间传播模块1 根据先前时间估计数据、^ (即反馈定位数据、^)来执行估计。接着，测量更新模块1 根据目前时间T 的定位数据τ以及目前时间τ的定位数据S11,τ估计目前时间τ的定位数据&2,τ。因此， 测量更新模块1 根据GNSS模块102产生的定位数据S11,τ更新时间传播模块126的定位数据ρ计算模块108产生定位数据、，反馈到航位推测模块104的卡尔曼滤波器124的时间传播模块126中，以估计定位数据 21。定位数据、实际上是GIS模块106产生的定位数据&以及航位推测模块104产生的定位数据的加权平均值。因为定位数据&是根据 GNSS模块102产生的定位数据S11而产生的，并且定位数据S11的精确度由从卫星接收到的 GNSS无线信号的质量来决定，因此，定位数据&的精确度主要由GNSS模块102的卫星通信的质量来决定。因此，计算模块108根据GNSS模块102的卫星通信的质量动态调整定位数据&以及定位数据S22的权重，以提高定位数据、的精确度。GNSS基频处理器112的卫星通信的质量决定于很多因素，例如，天气条件，信号接收环境，以及天空中可见卫星的数目。当用于GNSS基频处理器112以产生可用的GNSS测量数据Sltl的卫星通信的质量太差时，GNSS模块102失效并且不能产生有用的定位数据Sn。 而GIS模块106以及测量更新模块1 需要定位数据S11的输入。因此，当定位数据S11不可用时，卡尔曼滤波器124中的测量更新模块128失效。另外，GIS模块106接收定位数据 S21作为输入，以代替不可用的定位数据S11,并且直接将定位数据S21匹配至地图数据以获得定位数据&。因此，当GNSS模块102失效时，定位系统100仍然可以产生输出定位数据 &。因为测量更新模块1 失效，并且不能产生定位数据&2，计算模块108直接输出GIS模块106产生的定位数据&作为定位数据、，定位数据、是作为反馈被传送到航位推测模块 104。如果GNSS模块102中的卡尔曼滤波器114根据GNSS测量数据Sltl以及航位推测模块104的时间传播模块1 产生的定位数据S21来产生定位数据S11,当GNSS测量数据Sltl 不可用时，卡尔曼滤波器114可以只根据定位数据S21直接产生定位数据S11。因此，GIS模块106仍然可以将定位数据S11匹配至地图数据以产生定位数据&。因为定位数据S11是根据航位推测模块104产生的定位数据S21产生的，由于测量数据Sltl不可用，测量更新模块 128产生的定位数据S22不可用，以及计算模块108直接输出由GIS模块106产生的定位数据&以作为定位数据、，定位数据、被反馈到航位推测模块104。图2为本发明另一实施例的定位系统200的方框图。与定位系统100相似，定位系统200包括GNSS模块202，航位推测模块204，计算模块208，以及GIS模块206。GNSS模块202与图1所示的GNSS模块102相似，产生定位数据S11, GNSS模块202包括GNSS基频处理器212以及卡尔曼滤波器214。航位推测模块204与图1所示的航位推测模块104相似，产生定位数据S22，航位推测模块204包括航位推测传感器222以及卡尔曼滤波器224。
航位推测模块204的卡尔曼滤波器2M包括时间传播模块226以及测量更新模块 228。时间传播模块2 根据先前时间(T-I)的反馈定位数据S6^以及目前时间T的测量数据估计目前时间T的定位数据τ。接着，测量更新模块2 根据目前时间T的定位数据τ以及目前时间T的定位数据Sm估计目前时间T的定位数据&2,τ。与图1的定位系统100不同的是，计算模块208根据预设的权重直接结合GNSS模块202产生的定位数据S11以及航位推测模块204产生的定位数据以获得定位数据&。 接着，GIS模块206将计算模块208产生的定位数据&匹配至储存在其内的地图数据，以产生定位数据&，定位数据&是定位系统200的最终输出。接着，定位数据&被反馈到航位推测模块204的卡尔曼滤波器224的时间传播模块226，以用于估计下一时间。GNSS模块202的卫星通信的质量决定了是否产生了有用的定位数据S11。如果没有产生有用的定位数据Sn，GIS模块206只接收航位推测模块204的时间传播模块2 产生的定位数据、作为输入，将定位数据匹配至地图数据以产生定位数据&来作为定位系统200的最终输出。另外，如果GNSS模块202的卡尔曼滤波器214接收航位推测模块204 的时间传播模块2 产生的定位数据S22作为输入，当GNSS基频处理器212因为很差的卫星通信不能产生有用的测量数据S10时，卡尔曼滤波器214仍然可以只根据定位数据S21产生可用的定位数据Sp在此情况下，计算模块208直接输出定位数据S11来作为定位数据 &，接着，GIS模块206将定位数据&匹配至地图数据以产生作为定位系统200的最终输出的定位数据&。图1以及图2中所示的定位系统100以及定位系统200被分类为松耦合模式，因为定位系统100以及定位系统200需要包括两个卡尔曼滤波器，并且每一个卡尔曼滤波器具有与其特定输入相关的特定参数以及某些共同参数。图3为本发明一实施例的紧耦合模式下的定位系统300的方框图。因为定位系统300只使用一个卡尔曼滤波器且其状态向量包括来自GNSS以及航位推测传感器的参数，因此定位系统300被分类为紧耦合模式。定位系统300包括GNSS基频处理器302，航位推测传感器304，卡尔曼滤波器306，以及GIS模块308。GNSS基频处理器302根据卫星通信产生GNSS测量数据&。航位推测传感器304 侦测此处的测量值以产生传感器测量数据&。接着，卡尔曼滤波器306根据GNSS测量数据 S1，传感器测量数据&，先前时间的反馈定位数据&估计定位数据&。接着，GIS模块308 将定位数据S8匹配到已储存的地图数据以产生目前时间定位数据S9,目前时间定位数据& 为定位系统300最终的输出。接着，定位数据&递归地反馈到卡尔曼滤波器306，用以估计下一时间。卡尔曼滤波器306包括时间传播模块312以及测量更新模块314。首先，时间传播模块312根据目前时间的GNSS测量数据S1,目前时间的传感器测量数据S2，以及先前时间反馈定位数据&估计目前时间的定位数据S7。接着，测量更新模块314根据目前时间定位数据S7估计目前时间定位数据S80只有当GNSS基频处理器302产生有用的测量数据S1 时，测量更新模块314才可用。当GNSS基频处理器302由于很差的卫星通信失效时，测量更新模块314不可用，以及GIS模块308接收时间传播模块312产生的定位数据S7来代替定位数据S8作为输出，以产生最终的定位数据&。因此，当GNSS基频处理器302不能产生有效的数据时，定位系统300仍然可以产生定位数据&。图4为本发明一实施例的定位方法400的流程图。首先，在步骤402中，GNSS基频处理器根据卫星通信产生GNSS测量数据。在步骤404中，航位推测传感器同时产生测量数据。在步骤406中，如果GNSS测量数据可用，则在步骤408中，可以从传感器的测量数据， GNSS测量数据，以及先前时间反馈定位数据中获得第一定位数据。在图3的实施例中，第一定位数据可以由单一的卡尔曼滤波器306中获得。在图2的实施例中，根据第一卡尔曼滤波器214的GNSS测量数据估计第三定位数据S11,以及根据传感器测量数据以及第二卡尔曼滤波器224的先前时间反馈定位数据估计第四定位数据&2，以及根据预设的权重从第三定位数据S11以及第四定位数据S22中获得第一定位数据&。否则，在步骤406中，如果GNSS测量数据不可用，则在步骤410中，可以从传感器测量数据以及先前时间反馈定位数据中获得第一定位数据。接着，在步骤412中，用GIS模块将第一定位数据匹配到地图以产生目前时间的第二定位数据。在步骤414中，输出第二定位数据以作为最终的输出。最后，在步骤416中，将第二定位数据作为反馈定位数据递归反馈以推导出下一时间的第一定位数据。本发明提供的定位系统包括GNSS模块，航位推测模块，以及GIS模块。GNSS模块的定位数据以及航位推测模块的定位数据被合并以产生定位数据。另外，GIS模块将定位数据与地图数据进行匹配以产生具有更高精确度的最终定位数据。当GNSS模块由于不佳的卫星通信而失效时，航位推测模块仍然可以产生测量数据。因为GIS模块调整的最终定位数据具有更高的精确度，并且可以被反馈以作为下一估计的基础，因此减小了航位推测模块的估计误差，并使最终定位数据更精确，因此在相关系统中，在没有GNSS模块的协助下， 航位推测的时间可以持续更长。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种定位系统，其特征在于，所述定位系统包括全球导航卫星系统模块，其根据卫星通信产生第一定位数据；航位推测模块，其根据测量数据、所述的第一定位数据、以及先前时间的反馈定位数据估计第二定位数据；计算模块，其用以根据预设的权重，从所述的第一定位数据以及所述的第二定位数据中获得第三定位数据；以及地理信息系统模块，其用以将所述的第三定位数据匹配至地图以产生目前时间的所述的反馈定位数据，所述的目前时间的所述的反馈定位数据被作为所述的定位系统的最终输出，并被递归反馈到所述的航位推测模块以用于下一估计。
2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的全球导航卫星系统模块进一步包括全球导航卫星系统基频处理器，其根据卫星通信产生全球导航卫星系统测量数据；以及第一卡尔曼滤波器，其耦接于所述的全球导航卫星系统基频处理器，根据所述的全球导航卫星系统测量数据，产生所述的第一定位数据。
3.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的航位推测模块进一步包括航位推测传感器，其产生所述的目前时间的所述的测量数据；以及第二卡尔曼滤波器，其耦接于所述的航位推测传感器，所述第二卡尔曼滤波器包括时间传播模块，根据所述的先前时间的所述的反馈定位数据以及所述的目前时间的所述的测量数据估计所述的目前时间的第四定位数据；以及测量更新模块，根据所述的目前时间的所述的第四定位数据以及所述的目前时间的所述的第一定位数据估计所述的目前时间的所述的第二定位数据。
4.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于，当所述的第一定位数据不可用时，所述的计算模块直接根据所述的第四定位数据获得第三定位数据，所述的地理信息系统模块根据所述的第三定位数据产生所述的反馈定位数据。
5.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述的全球导航卫星系统模块包括第一卡尔曼滤波器，所述的第一卡尔曼滤波器根据所述的第四定位数据以及产生于全球导航卫星系统基频处理器的全球导航卫星系统测量数据产生所述的第一定位数据。
6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于，当所述的全球导航卫星系统测量数据不可用时，所述的第一卡尔曼滤波器根据所述的第四定位数据产生所述的第一定位数据， 以及所述的计算模块直接输出所述的第一定位数据作为所述的第三定位数据。
7.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述的第一定位数据包括定位数据， 速度数据，以及时间数据。
8.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述的航位推测传感器结合至少一线性移动传感器以及角运动传感器，所述的线性移动传感器是用以测量线性移动以产生所述的测量数据，所述的角运动传感器是用以测量角运动以产生所述的测量数据。
9.一种定位系统，其特征在于，所述定位系统包括全球导航卫星系统基频处理器，其根据卫星通信产生全球导航卫星系统测量数据；航位推测传感器，其产生传感器测量数据；卡尔曼滤波器，其根据所述的传感器测量数据、所述的全球导航卫星系统测量数据、以及先前时间的第二定位数据估计第一定位数据；以及地理信息系统模块，其用以将所述的第一定位数据匹配至地图以产生目前时间的所述的第二定位数据，所述的目前时间的所述的第二定位数据被作为所述的定位系统的最终输出，且被递归反馈到所述的卡尔曼滤波器以用于下一估计。
10.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于，所述的卡尔曼滤波器进一步包括时间传播模块，其根据所述的先前时间的所述的第二定位数据，以及所述的目前时间的所述的测量数据估计所述的目前时间的第三定位数据；以及测量更新模块，其根据所述的目前时间的所述的第三定位数据以及所述的目前时间的所述的全球导航卫星系统测量数据估计所述的目前时间的所述的第一定位数据。
11.如权利要求10所述的定位系统，其特征在于，当所述的全球导航卫星系统测量数据不可用时，所述的地理信息系统模块根据所述的第三定位数据产生所述的第二定位数据。
12.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于，所述的全球导航卫星系统测量数据包括定位数据、速度数据、姿态数据、以及时间数据。
13.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于，所述的航位推测传感器结合至少一线性移动传感器以及角运动传感器，所述的线性移动传感器是用以测量线性移动以产生所述的测量数据，所述的角运动传感器是用以测量角运动以产生所述的测量数据。
14.一种定位方法，其特征在于，所述的方法包括提供全球导航卫星系统基频处理器，以根据卫星通信产生全球导航卫星系统测量数据；提供航位推测传感器以产生传感器测量数据；当所述的第一定位数据可用时，从所述的传感器测量数据，所述的全球导航卫星系统测量数据，以及先前时间的反馈定位数据中获得第一定位数据；提供地理信息系统匹配所述的第一定位数据到地图以产生目前时间的第二定位数据， 所述的第二定位数据作为所述的定位系统的最终输出；以及递归反馈所述的第二定位数据以作为所述的反馈定位数据，以推导下一时间的所述的第一定位数据。
15.如权利要求14所述的定位方法，其特征在于，所述方法进一步包括当所述的第一定位数据不可用时，从所述的传感器测量数据以及所述的先前时间的所述的反馈定位数据中获得所述的第一定位数据。
16.如权利要求14所述的定位方法，其特征在于，所述的第一定位数据的所述的推导由单一的卡尔曼滤波器来执行。
17.如权利要求14所述的定位方法，其特征在于，所述的第一定位数据的所述的推导过程包括根据所述的全球导航卫星系统测量数据由第一卡尔曼滤波器估计第三定位数据；提供第二卡尔曼滤波器，以根据所述的传感器测量数据以及所述的先前时间的所述的反馈定位数据估计第四定位数据；以及根据预设的权重，从所述的第三定位数据以及所述的第四定位数据中获得所述的第一定位数据。
全文摘要
本发明提供一种定位系统及定位方法。定位系统包括全球导航卫星系统模块，航位推测模块，计算模块，以及地理信息系统模块。全球导航卫星系统模块根据卫星通信产生第一定位数据。航位推测模块根据测量数据，第一定位数据，以及先前时间的反馈定位数据估计第二定位数据。计算模块根据预设的权重结合从第一定位数据以及第二定位数据中获得第三定位数据。地理信息系统模块将将第三定位数据匹配至地图以产生目前时间的反馈定位数据，目前时间的反馈定位数据被作为定位系统的最终输出，并被递归反馈到航位推测模块以用于下一估计。本发明提供的定位系统及定位方法可以提供具有较小误差的位置信息，减小了航位推测模块的估计误差，且在没有GNSS模块的协助下，航位推测的时间可以持续更长。
文档编号G01S19/11GK102436004SQ20111025654
公开日2012年5月2日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年9月4日
发明者毛仁豪 申请人:联发科技股份有限公司