專利名稱：使用gps速度矢量進(jìn)行導(dǎo)航的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及計(jì)算設(shè)備的導(dǎo)航服務(wù)，特別是涉及利用由GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))信號禾口非當(dāng)前(non—current)星歷(Ephemeris)或 歷書(Almanac)導(dǎo)出的速度矢量進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System)能夠進(jìn)行以下
導(dǎo)航服務(wù)由當(dāng)前位置到目的地位置的自動路線計(jì)算并在車輛沿該路線行進(jìn)時以發(fā)出實(shí)時
指令并結(jié)合路段視覺顯示相結(jié)合的方式引導(dǎo)車輛駕駛員到達(dá)該目的地。 已知若干種不同的定位方法，包括，例如，地表定位法(terrestrialmethod) 、GNSS
定位法、以及地表定位法與衛(wèi)星定位法結(jié)合的定位法。GNSS定位法之一就是全球定位系統(tǒng)
(GPS)，由美國國防部開發(fā)和運(yùn)營，全球定位系統(tǒng)包括至少24個位于大約20000千米的地球
軌道上彼此相隔適宜的衛(wèi)星系統(tǒng)。 衛(wèi)星傳輸?shù)腉PS信號中包括由無線設(shè)備處理器接收的非常精確的位置參數(shù)和時 間信號，使處理器能夠確定其相應(yīng)的三維方位和速度。 所有衛(wèi)星都傳輸歷書(Almanac)信息，該信息包括衛(wèi)星系統(tǒng)中所有衛(wèi)星的粗略位 置信息。所有的衛(wèi)星還傳輸星歷(Ephemeris)信息，該信息包括由地球上的跟蹤站跟蹤并 報(bào)告的關(guān)于衛(wèi)星自身軌道的更高精度的數(shù)據(jù)。在任意時間點(diǎn)上，GPS接收器僅接收當(dāng)前被 跟蹤的星歷信息。在數(shù)小時的期間，不僅來自不同衛(wèi)星的信號被獲取、跟蹤、和丟失，每顆衛(wèi) 星傳輸?shù)男菤v信息也每小時都發(fā)生變化，以保證當(dāng)前軌道數(shù)據(jù)的精確近似。
商用GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一是首次定位時間(Time-To-First-Fix， TTFF) 。 TTFF 的定義是一個GPS單位從啟動到該GPS單位基于對接收到的來自被跟蹤C(jī)PS衛(wèi)星的信號 的處理開始提供連續(xù)位置和速度更新數(shù)據(jù)的這一時間段。TTFF包括兩個主要部分衛(wèi)星信 號首次探測并獲取時間和星歷首次收集時間。通常，通過使用能夠同時搜索多個頻率的多 通道接收器加快信號的獲取速度。 目前，GPS接收器能夠在數(shù)秒內(nèi)探測并鎖定GPS衛(wèi)星信號。然而，第二部分，即GPS 星歷數(shù)據(jù)的收集仍然需要花費(fèi)大約30秒鐘并具有較高的信噪比(SNR)，如果需要較低的信 噪比就要花費(fèi)更長的時間。這樣長時間的處理時間導(dǎo)致使用者必需再等待30秒鐘才能得 到GPS導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出的引導(dǎo)指令。這種等待時間對于需要導(dǎo)航系統(tǒng)一啟動就能獲知導(dǎo)航指 令的使用者來說十分不便。 由于被傳輸?shù)男菤v參數(shù)提供了僅在一有限時間內(nèi)的真實(shí)軌道參數(shù)的精確近似，星 歷信息只能使用2-4小時就必需由同一衛(wèi)星或新獲取的衛(wèi)星重新收集。因此，即便是對于 每天都使用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)并且已經(jīng)至少收集了所有被跟蹤衛(wèi)星的最新星歷信息于非易失 性存儲器中的使用者來說，如果他所使用的GPS被關(guān)閉了數(shù)小時，重新使用時就必需收集 數(shù)據(jù)并且使用者必需等待30秒鐘以上以便設(shè)備處理新的星歷信息。 通過使用與無線網(wǎng)絡(luò)(例如蜂窩通訊系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星)結(jié)合的地面系統(tǒng)部分地解決上述問題。GPS輔助系統(tǒng)依靠配備有基站的地面系統(tǒng)收集星歷信息并將數(shù)據(jù)通過蜂窩通 訊系統(tǒng)或其他無線連接傳輸?shù)綄?dǎo)航設(shè)備。 然而，這種GPS輔助的系統(tǒng)不能在所有地區(qū)使用，許多現(xiàn)有的GPS接收器都不支 持，并且不是免費(fèi)的。因此，有必要提供一種裝置和方法，使非GPS輔助的導(dǎo)航系統(tǒng)使用者 能夠在GPS信號已經(jīng)獲取或是當(dāng)前星歷信息無法得到時立即完全享受到GPS引導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
—種GPS導(dǎo)航設(shè)備，它基于獲取和跟蹤的GPS信號和當(dāng)前星歷信息無法獲取時最 近一次儲存的星歷或歷書信息導(dǎo)出的GPS速度矢量提供車輛導(dǎo)航功能，例如，路線選擇、定 位、地圖匹配和引導(dǎo)。定位是基于航位推算法(dead reckoning,DR)原理實(shí)現(xiàn)的，其過程是 利用車輛的路線、速度和時間信息，通過移動一已知位置，例如起始點(diǎn)，推算出一個位置。
本發(fā)明的提供車輛導(dǎo)航功能的裝置和方法的一個方面，包括一個計(jì)算機(jī)平臺，該 平臺包括一能夠獲取并跟蹤一GPS信號的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器、一處理器組件、以及 一存儲器。該存儲器包括最近一次記錄的至少包括星歷或歷書信息之一的GPS信息，以及 一 GPS速度矢量確定模塊，該模塊能夠基于跟蹤到的GPS信號和最近一次記錄的GPS信息， 在缺少當(dāng)前星歷的情況下，確定一個包含速度矢量的部分GPS解決方案。
本發(fā)明的另一方面包括一種基于上述裝置的車輛導(dǎo)航方法，上述裝置可在接收到 當(dāng)前星歷信息之前或是缺少當(dāng)前星歷信息之前時打開導(dǎo)航設(shè)備使用。該方法包括以下步 驟獲取并跟蹤一 GPS信號，由一存儲器中取出一車輛最近一次的位置記錄，設(shè)定與最近一 次記錄位置相同的航位推算法起始位置。該方法還包括基于上述GPS信號和最近一次記錄 的星歷或歷書信息確定速度矢量?；谏鲜龅乃俣仁噶亢秃轿煌扑惴ㄆ鹗嘉恢茫摲椒ù_ 定上述導(dǎo)航設(shè)置的當(dāng)前位置。 本發(fā)明的另一方面包括一包含有執(zhí)行上述方法的邏輯內(nèi)容的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
本發(fā)明的另一方面包括能夠執(zhí)行存儲在上述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的邏輯內(nèi)容的處理 器。 上述導(dǎo)航設(shè)備的另一方面是，它可以在最近一次記錄的星歷信息被認(rèn)為過于陳舊 時由基于當(dāng)前星歷的GPS速度和位置解決方案切換到航位推算法解決方案，以便能夠?qū)ι?述速度矢量進(jìn)行精確計(jì)算。這種情況可以在持續(xù)啟動的導(dǎo)航設(shè)備在停泊結(jié)構(gòu)內(nèi)停泊過夜 后，GPS接收器無法接收到當(dāng)前星歷但仍然能夠獲取和跟蹤GPS信息時發(fā)生。上述方法包括 連續(xù)不斷地接收來自被跟蹤衛(wèi)星的GPS信號。無法使用最近一次記錄的星歷信息時，該導(dǎo) 航設(shè)備切換到航位推算法操作模式，將航位推算法起始位置設(shè)置于與最近一次計(jì)算的GPS 位置相等的位置，由存儲器中取出最近一次記錄的星歷或歷書信息之一，基于GPS信號和 最近一次記錄的星歷或歷書信息確定速度矢量，然后基于該速度矢量和航位推算法起始位 置確定當(dāng)前位置。


以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的裝置和方法的實(shí)例加以說明，附圖中相同的標(biāo)號代表相 同的部件。 圖1是本發(fā)明的包括有能夠在獲取GPS信號后能夠提供導(dǎo)航指令的移動端使用者
5的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的示意圖。 圖2是本發(fā)明的GPS導(dǎo)航設(shè)備的方塊圖。 圖3是在打開上述GPS導(dǎo)航設(shè)備時在缺少當(dāng)前星歷信息時執(zhí)行航位推算的方法的 實(shí)施例。 圖4是持續(xù)打開的GPS導(dǎo)航設(shè)備中在缺少當(dāng)前星歷信息時執(zhí)行航位推算的方法的 另一實(shí)施例。 圖5A和圖5B分別是作為數(shù)據(jù)齡的函數(shù)的星歷和歷書的多普勒誤差。
圖6是作為年齡的函數(shù)的多普勒誤差的偏差。
具體實(shí)施例方式
圖1是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)100的一實(shí)施例，該系統(tǒng)包括一車載導(dǎo)航設(shè)備102，用來接收 包含GPS位置參數(shù)的GPS信號116，這些GPS信號來自在大約20000千米地球軌道的多個衛(wèi) 星114。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航設(shè)備102連續(xù)不斷地由連接車輛的線纜122獲取電能。在另 一些實(shí)施例中，導(dǎo)航設(shè)備102僅在車輛位于點(diǎn)火狀態(tài)時才通電。 導(dǎo)航設(shè)備102根據(jù)接收到的參數(shù)利用接收到的來自衛(wèi)星114的精確位置參數(shù)和定 時信號確定其自身的三維位置和速度。確定當(dāng)前位置130后，導(dǎo)航設(shè)備102能夠在顯示設(shè) 備126上顯示車輛120的位置。 GPS車輛位置通常由來自三個或更多衛(wèi)星的偽距測量結(jié)果導(dǎo)出，該偽距測量結(jié)果 存在自衛(wèi)星信號傳輸?shù)浇邮掌?04接收之間的時間延遲。"偽"的含義是盡管接收器104中 能夠精準(zhǔn)明確地測量傳輸時間，但接收時間與接收器內(nèi)部時鐘相關(guān)。因?yàn)殓娖ǔＪ遣槐?知曉的(直到接收器已經(jīng)計(jì)算出其自身位置并校正了該時鐘后)，因此需要一個額外的偽 距測量結(jié)果估測解決方案中的鐘偏并將其消除。三維解決方案需要4顆衛(wèi)星114進(jìn)行偽距 測量，當(dāng)(假定)接收器海拔已知時，二維解決方案需要3顆衛(wèi)星。消除鐘偏后，計(jì)算衛(wèi)星 114到接收器104的距離，大至為光速乘以測得的延遲時間。 為了由3-4顆衛(wèi)星對接收器104的位置進(jìn)行三角測量，必需知道給定時刻精確的 衛(wèi)星位置。還有，與固定燈塔不同，還必需知道衛(wèi)星自身的速度。這一信息包含在星歷和歷 書信息數(shù)據(jù)中，其中包含了衛(wèi)星軌道參數(shù)的近似值。 GPS衛(wèi)星114持續(xù)傳輸星歷數(shù)據(jù)。所有衛(wèi)星都有自己的星歷。 一組星歷參數(shù)的無 變化數(shù)值通常持續(xù)傳輸1-2小時，然后改變?yōu)樾碌囊唤M數(shù)值以便更好地逼近當(dāng)前軌道。星 歷數(shù)據(jù)記錄后通?？晒┒ㄎ挥猛臼褂么蠹s2-4小時。 在開放的天空環(huán)境中，平均需要30秒鐘接收新的星歷，對于較弱或中斷信號，例 如在移動的車輛中，需要的時間可能會大大延長。還有，盡管在大約25-26dbHz的信噪比 (SNR水平)之下星歷收集實(shí)際上已經(jīng)變得不可能，利用當(dāng)前具有的靈敏GPS接收器在這一 限制之下仍然可能進(jìn)行衛(wèi)星信號的獲取和跟蹤。 所有衛(wèi)星傳輸?shù)臍v書信息都包括所有GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。在開放天空區(qū)域平均需要 花費(fèi)19分鐘收集新的歷書數(shù)據(jù)并且收集后這些數(shù)據(jù)可以使用數(shù)周，盡管通過每兩周更新 一次歷書參數(shù)。 接收到的來自衛(wèi)星114的星歷和歷書數(shù)據(jù)儲存在導(dǎo)航設(shè)備102的非易失存儲器中 并且重新開閉電源后仍可供使用。
除了 GPS信號116內(nèi)傳輸?shù)男畔⒁酝猓捎贕PS接收器104的位置變化，接收到的 GPS信號自身的變化特性(多普勒頻率漂移)被用來確定與GPS接收器104的位置相關(guān)的 速度矢量。 GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一是首次定位時間，并且被定義為GPS單元即導(dǎo)航設(shè)備102 的電源打開的時刻起到該設(shè)備能夠基于對接收到的來自GPS衛(wèi)星114的信號進(jìn)行的處理提 供連續(xù)的位置和速度更新的時刻之間的時間周期。TTFF包含兩個主要部分，探測并跟蹤衛(wèi) 星信號所需時間和收集星歷所需時間。作為非限定的例子，GPS接收器104是一個通過同 時在多頻道上搜索GPS信號116來加速信號獲取的多通道接收器。 GPS接收器104在啟動后數(shù)秒內(nèi)探測并鎖定，即跟蹤，GPS信號。然而，第二部分， 解碼星歷數(shù)據(jù)，在信號強(qiáng)時需要花費(fèi)大約30秒鐘，或是在低信噪比(SNR)的情況下需要更 長的時間。這一較長的處理時間通常會導(dǎo)致使用者不得不等待超過30秒鐘的時間才能得 到引導(dǎo)指令。 在這樣當(dāng)前星歷無法獲得的啟動期間，速度矢量確定模塊110能夠計(jì)算GPS速度 矢量，即，速度和方向，通過對接收到的信號的多普勒頻移測量結(jié)果和已知的GPS信號頻率 的比較結(jié)果導(dǎo)出。 航位推算法模塊能夠使用速度矢量確定模塊110的輸出結(jié)果利用航位推算技術(shù) 確定當(dāng)前位置130中的北方和東方分量?；谟?jì)算出的速度矢量和當(dāng)前位置130，使用者在 打開導(dǎo)航設(shè)備102后數(shù)秒內(nèi)就可接收到導(dǎo)航引導(dǎo)信息。 圖2展示了本發(fā)明的車載導(dǎo)航設(shè)備102的一實(shí)施例的較為詳細(xì)的框圖，該導(dǎo)航設(shè) 備102能夠處理來自GNSS衛(wèi)星(例如GPS衛(wèi)星114) 、 WAAS (廣域增強(qiáng)系統(tǒng))衛(wèi)星、或其他 定位衛(wèi)星的信號。非限定地，導(dǎo)航設(shè)備102包括計(jì)算機(jī)平臺202，用來確定導(dǎo)航設(shè)備102的 位置并將其位置X顯示在集成在設(shè)備102或遠(yuǎn)程連接在設(shè)備102的顯示設(shè)備130上。
在一些實(shí)施例中，導(dǎo)航設(shè)備102安裝在車輛120的儀表板之下。顯示設(shè)備126可 集成在導(dǎo)航設(shè)備102上或是在其他實(shí)施例中安裝在車輛120的駕駛員可見的位置上并與導(dǎo) 航設(shè)備102電氣連接。顯示在顯示設(shè)備126上的地圖信息是包括駐留在內(nèi)部存儲設(shè)備208 或可移動介質(zhì)如光盤和安全數(shù)碼(SD)卡上的道路地圖數(shù)據(jù)庫232。 導(dǎo)航設(shè)備102由安裝該導(dǎo)航設(shè)備的車輛120的電氣系統(tǒng)獲得電能。在一些實(shí)施例 中，線纜122將車輛的電源連接到向?qū)Ш皆O(shè)備102的元件分配電能的電源模塊226。在一些 實(shí)施例中處理器模塊206和電源模塊226在啟動時能夠啟動航位推算程序。
在一些方面，計(jì)算機(jī)平臺202包括基于一個或多個儲存于存儲器209中的應(yīng)用程 序控制設(shè)備102操作的處理器206。處理器206可包括專用集成電路(ASIC)，或是其他芯 片組、處理器、微處理器、邏輯電路、或其他為末端使用者設(shè)備102執(zhí)行一個或多個處理功 能的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。還有，處理器206可包括各種植于硬件、固件、軟件及其組合中的處理 子系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)末端使用者設(shè)備102的功能。 處理單元206定期指示GPS接收器單元104獲取衛(wèi)星信號并將接收單元104接收 到的星歷/歷書數(shù)據(jù)存儲在存儲器208中。 一但星歷/歷書數(shù)據(jù)被接收并儲存，全面GPS 解決方案模塊240以已知的方式利用當(dāng)前星歷精確確定位置。當(dāng)電源關(guān)閉并后續(xù)啟動時， 速度矢量確定模塊110和航位推算模塊108利用最近一次記錄的星歷/歷書信息106、最近 一次記錄的位置130和當(dāng)前跟蹤的GPS信號116降低TTFF并提供導(dǎo)航服務(wù)，直至獲取當(dāng)前星歷。 存儲器208包括任何類型的非易失存儲器，包括只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存取存儲 器(RAM) 、EPROM、EEPROM、閃存單元、二級或三級存儲設(shè)備如磁介質(zhì)、光學(xué)介質(zhì)、磁帶、或軟盤 或硬盤，不論是否駐留在計(jì)算機(jī)平臺202上或是遠(yuǎn)程設(shè)置?？刂破鬟壿?10駐留在存儲器 208中，包括處理器206發(fā)出的用來控制導(dǎo)航設(shè)備102所示功能的程序指令。
計(jì)算機(jī)平臺202還包括通信模塊224，用來在便攜末端使用者設(shè)備102的元件之 間，例如存儲器208和GPS接收器104之間傳遞數(shù)據(jù)。通信模塊224可包括一個或輸入和 /或輸出端口、發(fā)送和接收元件、收發(fā)器、天線等，例如，有線或無線通用串行總線(USB)端 口或其任意組合。通信模塊224可包括，但不限于，以下技術(shù)，例如串行端口 ，即，通用串行 總線(USB)端口和火線(FIREWIRE)串行總線接口 、紅外接口 、以及短距射頻接口 ，如藍(lán)牙 (BLUETOOTH)技術(shù)接口 。 還有，在一些實(shí)施例中，通信模塊224通過線纜230或其他通信手段接收來自車輛 傳感器228的速度信息230，例如慣性傳感器，包括航向陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、和/或接 收到的來自車輛硬件或數(shù)據(jù)總線的信息，例如里程計(jì)脈沖或防抱死制動系統(tǒng)(ABS)車輪速 度信息。盡管并未要求，這種傳感器生成的數(shù)據(jù)可協(xié)助確定導(dǎo)航設(shè)備102自最近一次關(guān)閉 和啟動之間是否已經(jīng)移動。 除了航位推算，導(dǎo)航設(shè)備102還包括地圖匹配模塊236，用來確定設(shè)備102在一特 定路段上的位置X并在顯示設(shè)備126上顯示出該位置X。 還有，路線選擇模塊234用來確定使用者當(dāng)前位置與使用者指定目的地之間的最 佳路線。 還有，引導(dǎo)模塊238可向使用者提供到達(dá)使用者指定目標(biāo)實(shí)時方向指引。
不存在當(dāng)前星歷時，航位推算模塊108、路線選擇模塊234、地圖匹配模塊236引導(dǎo) 模塊238都依賴于利用跟蹤到的GPS信號116結(jié)合最近一次記錄的星歷/歷書信息106計(jì) 算出的速度矢量214。 這里所說的導(dǎo)航設(shè)備102包括若干操作模式，以下將對其中的4種進(jìn)行描述。
在第一操作模式中，不論車輛的運(yùn)行狀態(tài)，通過永久連接或臨時插入連接持續(xù)不 斷地向?qū)Ш皆O(shè)備102提供電能。當(dāng)當(dāng)前星歷可以獲得時，利用以已知的方法接收并處理來 自GPS衛(wèi)星114的星歷/歷書子框架的全面GPS解決方案模塊240計(jì)算當(dāng)前位置130。當(dāng) 當(dāng)前星歷不可獲得時，或是如果接收到的GPS信號116過于微弱無法提取星歷信息但足以 獲取并跟蹤衛(wèi)星114時，速度矢量確定模塊110計(jì)算導(dǎo)航設(shè)備102使用的速度矢量214以 便提供路線選擇、定位、地圖匹配和引導(dǎo)等服務(wù)。TTFF存儲不是因素之一，因?yàn)橄到y(tǒng)永不關(guān) 閉。 例如，當(dāng)車輛在地下或多層車庫內(nèi)停泊過夜時，接收到的來自GPS衛(wèi)星114的信號 可能過于微弱無法提取新的星歷信息。如前所述，來自任何給定位置的GPS衛(wèi)星可先間隔 通常不超過6小時。因此，當(dāng)車輛過夜停泊時，初始跟蹤的衛(wèi)星114最終會失去聯(lián)絡(luò)而不得 不獲取新的衛(wèi)星114。在不使用航位推算的系統(tǒng)中，假定的最大星歷齡不超過2-4小時，沒 有星歷信息的新獲取的衛(wèi)星對于確定速度矢量214和當(dāng)前位置130來說是無用的。
對于車輛停泊在無法收集星歷信息的環(huán)境中過夜的情況，航位推算模塊108利用 微弱的GPS信號和非當(dāng)前的星歷信息106維持最新位置信息。
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還有，當(dāng)車輛120第二天啟動時，連續(xù)操作的導(dǎo)航設(shè)備102不需要確認(rèn)起始位置是 否與車輛引擎關(guān)閉時的位置相同。 然而，隨機(jī)漫步，即由于速度噪音與時間結(jié)合的關(guān)系造成的位置誤差是有可能出 現(xiàn)。車輛傳感器228可在可用時通過可靠地表明車輛何時沒有移動避免隨機(jī)漫步誤差，例 如當(dāng)加速度計(jì)信息接近零時。這種情況下，導(dǎo)航設(shè)備102會允許將速度歸零，凍結(jié)航位推算 位置并避免航位推算隨時間推移而增長。還有，加速度計(jì)可提供運(yùn)動中斷，除非被啟動，表 明車輛已被停止。 當(dāng)導(dǎo)航設(shè)備102永久性地安裝在車輛中并在關(guān)閉后啟動時發(fā)生第二操作模式。在 該模式中，可通過利用航位推算技術(shù)實(shí)現(xiàn)TTFF過程的節(jié)省。速度矢量確定模塊110確定由 來自最近一次記錄的星歷/歷書106和獲取并跟蹤的GPS信號116計(jì)算出的速度矢量214。 航位推算邏輯216將一航位開始位置218設(shè)定到最近一次記錄的位置212并利用計(jì)算出來 的速度向量214確定當(dāng)前位置130，直到可以獲得當(dāng)前星歷時為止。 第三操作模式發(fā)生在當(dāng)導(dǎo)航設(shè)備102是能夠由一個車輛轉(zhuǎn)移到另一個車輛的便 攜式設(shè)備的情況。在這種設(shè)備中，車輛行進(jìn)時提供電能。與第二模式類似，在收集到當(dāng)前星 歷之前，可利用航位推算法實(shí)現(xiàn)TTFF過程的節(jié)省。由于這種模式包括了便攜導(dǎo)航設(shè)備102， 該導(dǎo)航設(shè)備102可能在關(guān)閉后移動。如果導(dǎo)航設(shè)備102在關(guān)閉期間由一部車輛移至另一車 輛，最近一次記錄的位置212就是無用的，或充其量也是誤導(dǎo)的。因此，在這種模式下驗(yàn)證 邏輯220用來計(jì)算出一估測位置222，與最近一次記錄的位置212相比較，確定車輛120是 否離開了最近一次記錄的位置212。 此處描述的GPS航位推算系統(tǒng)100是基于啟動時的位置與最近一次記錄的位置基 本相同這一假定而言的。因此，導(dǎo)航設(shè)備102最好持續(xù)不斷地處于打開狀態(tài)，以便可靠地確 定其當(dāng)前位置。然而，由于導(dǎo)航設(shè)備102可能會在車輛120未行駛時關(guān)閉(模式2和3)，引 擎發(fā)動時立即向?qū)Ш皆O(shè)備供電，以便盡量減少車輛實(shí)際位置與最近一次記錄的位置212的 偏差。 盡管可以盡量降低航位推算位置的誤差，例如，通過將設(shè)備的啟動與引擎的啟動 同時進(jìn)行，但是某些誤差可能是無法避免的。例如，即使導(dǎo)航設(shè)備102與車輛引擎同時啟 動，GPS接收器104仍然需要有限量的時間，例如2-3秒鐘，來獲取上述GPS信號116。盡管 可以想見在這幾秒鐘內(nèi)車輛改變了它的位置，但這一行程距離不可能超過數(shù)米，不足以在 接收到當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)之前影響車輛的導(dǎo)航。 還有，導(dǎo)航設(shè)備102的位置可能在由于其它原因關(guān)閉的期間發(fā)生變化，包括，但不 限于設(shè)備102被重新定位到另一設(shè)備(模式3)，以及設(shè)備102在車輛早已被駛離開始點(diǎn)后 被隨意關(guān)閉(模式2或3)。 在一些實(shí)施例中，驗(yàn)證邏輯220通過檢查最近一次記錄的位置212確定設(shè)備102 是否已經(jīng)在關(guān)閉期間被移動，以此確定其是否接近利用舊星歷或歷書信息由偽范圍和多普 勒值計(jì)算出來的估測位置222。進(jìn)行第二次檢查，用來確定估測的車輛120的速度(利用舊 星歷或歷書信息)是否在預(yù)定的限定值之內(nèi)。 如果最近一次記錄的位置212與估測位置222之間的差距沒有超過，例如，0. 5英 里，并且第一速度值沒有超過每小時10英里，驗(yàn)證邏輯220就將航位推算起始位置218設(shè) 定為最近一次記錄的位置212，使導(dǎo)航設(shè)備102能夠執(zhí)行導(dǎo)航功能，包括例如，航位推算法定位、地圖匹配、路線選擇、以及引導(dǎo)。 但是，如果最近一次記錄的位置212與估測位置222之間的差距，或是估測速度超
過了上述預(yù)定值，直到獲得當(dāng)前星歷信息并且全面GPS解決方案(位置和速度)已經(jīng)由全
面GPS解決方案模塊240計(jì)算出來之前，就無法得到航位推算起始位置。 圖3展示了 GPS導(dǎo)航設(shè)備102的一個實(shí)施例的流程圖，它在導(dǎo)航設(shè)備102起動時
確定設(shè)備102的當(dāng)前位置。在一種場合下，安裝在車輛120中的便攜式導(dǎo)航設(shè)備102由，例
如，車輛的點(diǎn)煙器供電，點(diǎn)煙器在很多情況下僅在車輛處于點(diǎn)火狀態(tài)時才能會附帶提供電能。 在步驟302打開電源后，GPS接收器104開始由GPS衛(wèi)星114獲取并跟蹤GPS信
號116。此外，執(zhí)行控制器邏輯210的處理器206執(zhí)行航位推算模塊108。 在步驟304，處理器206由存儲器208獲取導(dǎo)航設(shè)備102的最近一次記錄的位置
212。 在步驟306，航位起始位置218被設(shè)定為上述最近一次記錄的位置212。在步驟 308，上述最近一次記錄的星歷或歷書信息106由存儲器208獲得并在步驟310中用來確定 速度矢量214。 使用星歷或歷書這一決定是基于相關(guān)數(shù)據(jù)的時齡確定的，以下將結(jié)合圖4A、4B和 圖5進(jìn)行講解。 在一些實(shí)施例中，驗(yàn)證邏輯220在步驟306通過基于獲取的GPS信號116測量偽 范圍和多普勒值驗(yàn)證最近一次記錄的位置212是否與計(jì)算出來的車輛位置的估測值222足 夠接近。如果上述估測位置222與上述最近一次記錄的位置212沒有超過一預(yù)定值，那么 就使用上述最近一次記錄的位置212實(shí)施導(dǎo)航功能。否則，使用者在當(dāng)前星歷信息被收集 到并處理之前必需等待。 對航位推算起始位置218進(jìn)行驗(yàn)證并選擇了星歷或歷書信息之一后，GPS速度矢 量確定模塊110在步驟310確定包括有導(dǎo)航設(shè)備102的速度和行進(jìn)方向的速度矢量214。 利用GPS或其他無線電指向標(biāo)基于多普勒頻移和其他技術(shù)的速度矢量214算法屬于導(dǎo)航技 術(shù)領(lǐng)域的公知技術(shù)。 確定速度矢量214后，基于航位推算起始位置218，航位推算模塊108在步驟312 利用公知的航位推算技術(shù)確定當(dāng)前位置130并將該當(dāng)前位置130存儲于存儲器208中。
在其他一些可以得到來自外部車輛傳感器228的輸入數(shù)據(jù)的實(shí)施例中，可通過接 收來自包括有一個或多個按公知方式操作的陀螺儀檢測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器的輸入和利用 里程表脈沖得到精度提高的速度和方向。因此，可在步驟310結(jié)合外部傳感器228提供附 加的速度信息以提高計(jì)算出的當(dāng)前位置130的精確度。 —但當(dāng)前位置130得以確定，控制邏輯210可基于地圖匹配模塊236和道路地圖 數(shù)據(jù)庫232提供的地圖信息在顯示設(shè)備130上顯示出車輛120的位置X。
圖4展示了導(dǎo)航設(shè)備102被用來由使用全面GPS解決方案模塊240基于當(dāng)前星歷 計(jì)算當(dāng)前位置130的模式切換到利用GPS速度矢量確定模塊110和航位推算模塊108導(dǎo)出 速度矢量214和當(dāng)前位置130的操作模式的方法。模塊108和110的輸出使導(dǎo)航設(shè)備102 能夠在當(dāng)前被跟蹤衛(wèi)星的星歷信息對于全面GPS解決方案模塊240來說變得過于陳舊時執(zhí) 行導(dǎo)航功能。這種情況存在于當(dāng)配備有持續(xù)不斷供電的導(dǎo)航設(shè)備102的車輛120在使GPS信號微弱以至于阻礙當(dāng)前星歷信息接收但仍然能夠允許GPS衛(wèi)星信號跟蹤的停車結(jié)構(gòu)中 停泊過夜時。 導(dǎo)航設(shè)備102在步驟400持續(xù)不斷地接收GPS信號116。直到最近一次接收到的 星歷信息106變得無法導(dǎo)出全面GPS解決方案即位置和速度信息之前，導(dǎo)航設(shè)備102在步 驟404繼續(xù)使用最近一次記錄的星歷信息導(dǎo)出速度矢量214和當(dāng)前位置130。這一動作發(fā) 生在最近一次接收到星歷信息大約6小時后，并取決于衛(wèi)星的位置。 —旦控制器邏輯210確定上述最近一次記錄的星歷信息過于陳舊，導(dǎo)航設(shè)備102 就切換到航位推算以便執(zhí)行導(dǎo)航功能。 航位推算模塊108在步驟406將航位起始位置218設(shè)定為最近一次計(jì)算的GPS位 置212。與圖3的流程圖中所揭示的非連續(xù)供電實(shí)施例不同，如果設(shè)備102被連續(xù)不斷地供 電，就沒有必要驗(yàn)證航位推算起始位置或是由存儲器208取得最近一次記錄的位置212。
因此，在步驟408，控制器邏輯210由存儲器208中根據(jù)數(shù)據(jù)的時齡取出最近一次 記錄的星歷或歷書信息，如圖3中步驟308所描述。 速度矢量確定模塊110在步驟410基于被跟蹤的GPS信號116計(jì)算速度矢量214 和最近一次記錄的星歷/歷書信息106。 航位推算模塊108基于速度矢量214和航位推算起始位置218在步驟412計(jì)算當(dāng) 前位置130。 計(jì)算當(dāng)前位置236之后，控制器邏輯210將設(shè)備102的位置X結(jié)合道路地圖數(shù)據(jù) 庫232中存儲的地圖數(shù)據(jù)投射到顯示設(shè)備126上。 如前所述，利用航位推算法進(jìn)行定位只是在缺少當(dāng)前星歷信息時對GPS信號116 導(dǎo)出的速度矢量214的一種利用。導(dǎo)航設(shè)備102的其他可利用速度矢量214的方面包括地 圖匹配、路線選擇和引導(dǎo)。 由地圖匹配模塊236執(zhí)行的地圖匹配過程用來確定設(shè)備102基于一道路地圖數(shù)據(jù) 庫232在一特定路段上的位置。除了由道路地圖數(shù)據(jù)庫232獲取的信息以外，地圖匹配模 塊236還利用車輛當(dāng)前或過去座標(biāo)、速度和方向的相關(guān)信息。例如，地圖匹配模塊236將車 輛當(dāng)前位置130、速度矢量214、位置歷史(軌跡)和速度及方向歷史與路段位置和方向、交 叉口位置、限速信息等進(jìn)行比較，以便找到車輛120所在位置在道路或越野網(wǎng)絡(luò)上的最可 靠投影X。 在一些實(shí)施例中，引導(dǎo)模塊238相對于道路地圖數(shù)據(jù)庫232向使用者輸出命令，例 如，可視和/或可聽到的命令，例如，"下一路口左轉(zhuǎn)彎"。 圖4A和4B分別是在長度為一周的時間內(nèi)利用舊星歷和歷書信息計(jì)算出的作為星 歷/歷書時齡的函數(shù)的多普勒誤差。水平速度矢量誤差，被記錄為多普勒誤差的數(shù)量，即水 平精度因子(HDOP)，在開放區(qū)域中通常的范圍為l-3，取決于被跟蹤的衛(wèi)星的數(shù)量。
圖5展示了作為星歷齡(頂部簇)和歷書齡(底部簇)函數(shù)的多普勒誤差的平均 標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)圖4A、4B和圖5中展示的數(shù)據(jù)，導(dǎo)航設(shè)備102的一個實(shí)施例基于數(shù)據(jù)齡選 擇星歷或歷書位置數(shù)據(jù)，如果最近一次記錄的位置信息在預(yù)定天數(shù)以內(nèi)就選擇星歷，例如， 在1-1. 5天以內(nèi)，如果數(shù)據(jù)齡大于1. 5天直到最大預(yù)定天數(shù)，就使用歷書?；蛘?，可以將導(dǎo) 航設(shè)備102編程為僅使用一種類型的位置數(shù)據(jù)或是根據(jù)星歷和/或歷書數(shù)據(jù)的其他可觀測 特征進(jìn)行編程。
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盡管以上對本發(fā)明的各個方面進(jìn)行了揭示或圖示，應(yīng)該理解任何等同修飾或修改 都在后附的權(quán)利要求書所定義的范圍之內(nèi)。還有，本說明書用單數(shù)表述的部件除非特別說 明也可指復(fù)數(shù)。此外，除非另有說明，本發(fā)明的各個方面的部分都可與其它方面的部分結(jié)合 使用。
權(quán)利要求
一種包括有計(jì)算機(jī)平臺的車輛導(dǎo)航設(shè)備，包括一全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，用來獲取和跟蹤GPS信號；一處理器組件；和一存儲器，該存儲器包括最近一次記錄的GPS信息，包括星歷信息和歷書信息至少之一；和一GPS速度矢量確定模塊，用來在缺少當(dāng)前星歷時基于上述跟蹤的GPS信號和上述最近一次記錄的GPS信息輸出一速度矢量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)航設(shè)備，還包括一航位推算模塊，用來基于上述確定的速 度矢量確定上述導(dǎo)航設(shè)備的當(dāng)前位置和航位推算位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)航設(shè)備，還包括地圖匹配模塊、路線選擇模塊、以及引導(dǎo)模塊接收作為輸入的上述速度矢量和上述當(dāng)前位置的分量。
4. 一種在缺少當(dāng)前星歷信息時的車輛導(dǎo)航方法，該方法包括一執(zhí)行以下步驟的導(dǎo)航設(shè)備獲取并跟蹤一 GPS信號；由一存儲器獲取一車輛最近一次記錄的位置； 設(shè)定一與上述最近一次記錄的位置相同的航位推算起始位置； 由一存儲器獲取最近一次記錄的星歷和歷書至少之一；基于上述GPS信號和上述最近一次記錄的星歷或歷書信息確定一當(dāng)前速度矢量；禾口 基于上述速度矢量和上述航位推算啟始位置確定一當(dāng)前位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括在上述導(dǎo)航設(shè)備啟動后檢驗(yàn)上述航位推算起始 位置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括 基于上述獲取的GPS信號測量偽范圍和多普勒值； 利用上述最近一次記錄的星歷或歷書計(jì)算估測的位置和速度； 將上述估測的位置與一最近一次存儲的位置進(jìn)行比較；及如果上述估測的位置與上述最近一次記錄的位置的差別沒有超過一預(yù)定值，就利用上 述最近一次存儲的位置用于車輛引導(dǎo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的確定當(dāng)前速度矢量的步驟包括基于星歷和 歷書的時齡選擇記錄的星歷和歷書至少之一。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的確定上述航位推算起始位置的步驟包括將 車輛傳感器信息與上述最近一次記錄的位置信息結(jié)合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中確定當(dāng)前速度矢量的步驟還包括除利用上述GPS 信號和上述記錄的星歷或歷書信息外還利用車輛傳感器信息。
10. 至少一個用來執(zhí)行以下行為的處理器 獲取并跟蹤一 GPS信號；由一存儲器獲取車輛的最近一次記錄的位置； 設(shè)定一與上述最近一次記錄的位置相同的航位推算起始位置； 由一存儲器獲取最近一次記錄的星歷和歷書至少之一；基于上述GPS信號和上述最近一次記錄的星歷或歷書信息確定一當(dāng)前速度矢量；禾口基于上述速度矢量和上述航位推算啟始位置確定一當(dāng)前位置。
11. 一機(jī)器可讀介質(zhì)，包含存儲于其中的可執(zhí)行指令，該機(jī)器可讀介質(zhì)包括 用來獲取和跟蹤一 GPS信號的第一指令集；用來由一存儲器獲取車輛的最近一次記錄的位置的第二指令集； 用來設(shè)定一與上述最近一次記錄的位置相同的航位推算起始位置的第三指令集； 用來由一存儲器獲取最近一次記錄的星歷和歷書至少之一的第四指令集； 基于上述GPS信號和上述最近一次記錄的星歷或歷書信息確定一當(dāng)前速度矢量的第 五指令集；禾口基于上述速度矢量和上述航位推算啟始位置確定一當(dāng)前位置的第六指令集；
12. —種在缺少當(dāng)前星歷時的車輛導(dǎo)航方法，該方法包括以下步驟 連續(xù)不斷接收來自被跟蹤衛(wèi)星的GPS信號；當(dāng)上述最近一次記錄的星歷變?yōu)椴豢捎脮r，切換到航位推算模式，其中該切換到航位 推算模式步驟包括以下步驟設(shè)定一與上述最近一次計(jì)算的GPS位置相同的航位推算起始位置； 由一存儲器獲取最近一次記錄的星歷和歷書至少之一；基于上述GPS信號和上述最近一次記錄的星歷或歷書信息確定一當(dāng)前速度矢量；禾口 基于上述速度矢量和上述航位推算啟始位置確定一當(dāng)前位置。
全文摘要
一種包含有一計(jì)算機(jī)平臺的導(dǎo)航設(shè)備包括一全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，用來獲取并跟蹤GPS信號，一處理器組件和一存儲器。該存儲器包括記錄的星歷和歷書信息至少之一，以及一GPS速度矢量確定模塊，用來在缺少當(dāng)前星歷時基于上述跟蹤GPS信號和上述最近一次記錄的GPS信息生成速度矢量輸出。一種在缺少當(dāng)前星歷時的車輛導(dǎo)航方法，包括獲取和跟蹤GPS信號，由一存儲器獲取車輛的最近一次記錄的位置，設(shè)定一與上述最近一次記錄的位置航位推算起始位置，由一存儲器獲取最近一次記錄的星歷和歷書至少之一，基于上述速度矢量和上述航位推算起始位置確定一當(dāng)前速度矢量并確定一當(dāng)前位置。
文檔編號G01S19/48GK101785039SQ200880012527
公開日2010年7月21日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者維克多·庫里克, 阿納托爾·M·洛克申 申請人:神達(dá)電腦股份有限公司