專利名稱：用于跟蹤目標位置的導航系統和方法
相關申請本申請請求共同待審的1999年9月15日申請的申請序列號為60/154,003的優先權。
背景技術：
發明領域本發明一般地涉及一種導航系統和方法，并尤其是涉及一種當車輛橫穿過全球衛星定位(GPS)信號中斷的區域時，在同時利用GPS設備和推測定位機構確定車輛的位置的導航系統中校正多個傳感器的系統和方法。
相關技術的描述通常保持目標的位置信息是理想的，如車輛駛過部分或者全部GPS信號阻塞的區域或者目前有多徑信號的區域，或者由外界干擾引起GPS信號中斷的區域。這種區域包括具有自然和/或人造建筑引起部分或者全部GPS信號阻塞的都市狹谷。例如，機場位置就提供了一個挑戰，因為由于空中航道，地下隧道和稠密的人口構成機場通常有大量的部分和全部信號阻塞。
典型的導航系統使用推測定位傳感器以駕駛通過部分或者全部GPS信號阻塞的區域。推測定位導航系統利用慣性測量機構如飛輪在部分信號中斷期間提供導航。在GPS推測定位(GPS-DR)系統中所使用的多個傳感器包括速度陀螺，磁航向傳感器，加速表，里程表和差動速度表或者輪旋轉傳感器。當來自GPS衛星信號受到阻礙或者信號被局部地帶，建筑物，隧道，和汽車本身反射時，汽車GPS的應用情況遭到衰減。在實際應用中，甚至當衛星是不可見時汽車導航系統仍需要提供輸出。在這些間隔中使用推測定位系統是通用的方式。特別是，用陀螺保持方向的GPS-DR和車輛的里程表輸入脈沖以確定已行駛距離是廣為公知的技術。
當在混合導航系統中一起使用GPS和慣性傳感器時，GPS和慣性傳感器的解決方式相互提供一個協同關系。這兩種類型的解決方式集成不但克服每一種方式單獨執行時產生的問題，而且形成一個其執行超過單獨解決方式的系統。GPS提供有界精度，而慣性系統精度隨時間降低。
在導航系統中，GSP接收器執行問題包括靈敏度受來自外界源的干擾、第一固定時間(即第一位置結果)、由于阻塞使衛星信號中斷、信號完整性和信號重新獲得的能力。與慣性傳感器相關的執行問題與它們的質量和成本有關。
對于用GPS作為一個單獨源站點導航信號中斷是人們首先關心的問題。由于地形或者人造機構，例如建筑物，車輛的結構，和隧道，或者來自外源的干擾使GPS天線屏蔽造成信號中斷。通常，當只三個所用衛星信號被使用時，大多數GPS接收器通過利用最近公知的高度或者從外源獲得的高度恢復二維導航模式。但是，如果所用衛星的數量不足三個，一些接收器選擇不產生結果或者推斷最近的位置和速度結果前面稱作“推測定位”(DR)導航。來自慣性傳感器的輔助位置可用作幫助GPS接收器再獲得衛星信號。通過給接收器發送車輛位置，接收器能夠精確判斷從給定位置到衛星之間的范圍并且因此初始化其內部的編碼環路。
一般地，慣性傳感器有兩種類型—陀螺儀和加速度計。陀螺儀的輸出是一個與相對其輸入軸的角運動成比例的信號，加速度d的輸出是一個與沿其輸入軸所檢測的速度變化成比例的信號。三軸慣性測量單元(IMU)將需要三個陀螺儀和三個加速度計以慣性地確定其在自由空間的位置和速度。
與慣性系統的質量相關的重要因素之一是在多個角度/小時測量時陀螺儀的漂移。陀螺儀的漂移是一個錯誤的輸出信號，它是由傳感器制造時產生的不足引起的。在慣性傳感器中，這些不足的引起是由于在陀螺儀的旋轉塊中質量失衡以及在傳感器電路中的非線性如在光纖陀螺儀中所見。當車輛事實上停止時該錯誤的輸出信號實際上告訴導航系統汽車在行駛。具有低漂移陀螺儀的生產成本大約是1,000$。具有從1到100角度/小時漂移的慣性單元目前的價格是約從1,000$到10,000$，可用的具有小于1角度/小時精度的慣性單元的價格非常高，其成本是低精度單元成本的10到100倍。
因此，慣性傳感器的質量在導航系統有效成本中起著很大的作用。如果0.0001-度/小時的陀螺儀相對便宜，那么今天可能不需要GPS。但是，實際上，慣性傳感器非常昂貴，并且用慣性傳感器與GPS集成的顯著結果是能夠使用較低性能，較高性能價格比的傳感器。如上所述，在導航系統操作期間，當GPS和慣性組件同時工作時，慣性導航誤差被GPS結果的精度約束。因此，GPS接收器使慣性分系統運行的一重要作用是慣性傳感器的校正。慣性裝置特別是在打開和關閉時滿足漂移要求(陀螺儀每一次加電，其漂移率不同)。
對于慣性傳感器與GPS一起使用的系統(GPSI系統)的主要誤差是陀螺儀偏置和加速度計偏置。在慣性的或GPSI卡爾曼(Kalman)濾波器中，陀螺儀偏置和加速度計偏置一般具有六個狀態。在GPSI系統運行時，卡爾曼濾波器對這些偏置產生一估算如同從GPS接收器接收的速度數據推導出的一樣。
已集成的GPS系統，其中GPS傳感器用于與慣性傳感器一起通過利用單一卡爾曼濾波器共同完成估算導航狀態和傳感器誤差。卡爾曼濾波器是一個統計方法它將系統誤差的自然統計知識與系統動力學知識結合起來，表示為狀態空間模塊，以得到系統狀態的估算。在導航系統中，我們通常在最小程度上關心位置和速度，但不經常觀察濾波器，該濾波器用于具有從6到60尺度范圍的狀態向量的系統模塊中。利用加權函數估算狀態，稱為卡爾曼增益，它被優化以產生最小誤差方差。
這些設計用高質量慣性傳感器已得到有效證實，但是涉及高成本。遺憾的是，增加卡爾曼濾波器狀態向量規模涉及基本設計時間，協調復雜性，承擔多種困難的風險，和處理能力的開銷。這些經常促使導航系統的設計者在有效設備估算誤差和增加狀態向量規模之間做出粗略的折衷。
現存的GPS-DR混合系統已逐漸開發了多個種類，開關型和濾波器型。當GPS使用時，開關型和濾波器型GPS-DR混合系統是校準設備的前饋設計，且是不用推測定位裝置改善GPS接收器的工作。
目前開關型GPS-DR系統簡單并普遍使用。這些系統能夠有效防止阻塞，但是不能提供對多徑信號的高抵抗力或者改善信號重新獲得能力。開關型GPS-DR系統一般利用來自GPS接收器的NMEA輸出，并且獨立于GPS廠家。系統根據GPS結果的質量在兩個狀態之間轉換。這兩個狀態包括提供獨立的GPS輸出狀態或者提供用陀螺儀和里程表傳輸的推測定位狀態。當GPS檢測結果的質量理想時，GPS速度向量用于修正里程表標度因子，運動方向和陀螺儀偏置的估算。
濾波型GPS-DR系統產生兩個獨立的導航結果，一個基于GPS，另一個基于DR傳感器和/或地圖匹配信息。這些結果被結合產生一個最佳結果用于輸出或者顯示。如在開關型系統中，所結合的結果不能反饋給GPS接收器以幫助抑制多徑信號或者重新獲得信號。目前可使用若干該系統類型的地圖匹配設備。通常地圖匹配提供一道路制約，該限制能夠在所結合的狀態以校準傳感器之前直接用于校準DR傳感器或者GPS輸出濾波器。
因此，人們所關心的是在成本最小化的同時，有效改進導航系統的應用，需要對于單一卡爾曼濾波器導航系統設計的高性價比替代方案。另外，需要有代替開關型和濾波型GPS-DR的設計來產生DR測量的反饋，以改進GPS-DR值的結果。本發明滿足了這些和那些要求。
本發明概述簡要地，和一般地，本發明涉及一種集成GPS-DR導航系統，該系統用推測定位(DR)測量在GPS接收器中傳導導航狀態。
在第一方面中，本發明涉及一種用于跟蹤目標位置的導航系統。該導航系統包括一個GPS接收器響應于GPS信號用于周期性地給導航處理器提供導航狀態測量最新數據。該系統還包括一個推測定位傳感器響應于目標的運動用于給導航處理器提供運動測量數據。導航處理器用導航狀態測量最新數據判斷目標導航狀態，并利用運動測量數據在測量最新數據之間傳導目標導航狀態。
通過利用多個推測定位傳感器在測量最新數據之間傳導GPS接收器的導航狀態，本發明降低了與從一測量時刻到下一個測量時刻狀態傳遞相關的不確定性、或者處理噪聲。被降低的不確定性允許在低噪聲狀態下估算，在測量上較嚴格限制用于多徑的抑制，并且改善重新獲得信號，因為推測定位狀態的應用提供更好的預先定位數據。
在詳述方面中，導航處理器包括導航更新單元，作為輸入它接收一個被修正推測定位測量數據和導航狀態測量最新數據，并且作為輸出提供導航測量數據和已修改的推測定位位置測量數據。導航更新單元還包括一個傳感器修正單元，作為輸入它接收導航測量數據和運動測量數據，并且作為輸出提供位置變化數據。另外在導航更新單元中包括一個導航傳導單元，作為輸入它接收位置變化數據和已修改推測定位測量數據，并且作為輸出提供已修正的推測定位測量數據。
在第二方面中，在本發明涉及一種跟蹤目標位置的方法。本方法包括周期性地獲得導航狀態測量最新數據和處理導航狀態測量最新數據，以確定目標導航狀態。本方法還包括獲得涉及目標運動的運動測量數據并用運動測量數據在測量最新數據之間傳導目標導航狀態。
在第三方面中，本發明涉及一種用于提供涉及目標運動的導航信息的導航系統。本導航系統包括一個安裝在目標上的全球定位衛星(GPS)接收器用于接收GPS信號和提供GPS測量數據。本系統另外包括一個導航更新單元，作為輸入它接收已修正的推測定位測量數據和GPS測量數據，并作為輸出提供導航測量數據和已修改的推測定位位置測量數據。本系統還包括至少一個安裝在目標上的慣性傳感器，它用于抽取運動測量數據并作為輸出提供運動測量數據。在本系統中還包括一個傳感器修正單元，作為輸入它接收導航測量數據和運動測量數據并作為輸出提供位置變化數據。本系統還包括一個導航傳導單元，作為輸入它接收位置變化數據和已修改的推測定位測量數據并作為輸出提供已修改的推測定位測量數據。
在本發明的詳細描述中，導航測量包括測量方向，陀螺儀偏置，陀螺儀標度因子，速度偏置，和速度標度因子中至少一個的變化。在本發明的另一詳細描述方面中，所述傳感器修正單元包括第一處理器用于與陀螺儀測量一起處理運動(heading)，陀螺儀偏置，陀螺儀標度因子的變化數據，以產生運動(heading)測量數據和第二處理器用于與速度測量一起處理速度偏置，和速度標度因子的變化，以產生方向測量數據。在本發明的另一詳細描述方面中，導航更新單元包括一個第一濾波器作為輸入接收已修正的推測定位測量數據和GPS測量數據，并作為輸出提供一估算的速度值，一個第二濾波器用于從估算的速度值推導的測量數據估算方向，陀螺儀偏置，陀螺儀標度因子的變化，和一個第三濾波器用于從估算的速度值推導的測量數據估算速度偏置，和速度標度因子的變化。
在其最基本形式中，導航系統通過集成分開的GPS-導航(第一)，方向(第二)和速度(第三)卡爾曼濾波器近似地模擬傳統單獨卡爾曼濾波器的設計。這種配置彌補了本發明的組合濾波器構造。組合濾波器構造非常接近單獨卡爾曼濾波器構造配置，因此在基本降低產生成本的情況下可達到單獨卡爾曼濾波器構造的效果。
在第四方面，本發明涉及一種提供有關目標運動導航信息的方法。本方法包括通過安裝在目標上的全球定位衛星(GPS)接收器接收GPS信號和作為輸出提供GPS測量數據。還包括從已修正的推測定位測量和GPS測量數據計算導航測量數據和修改推測定位位置測量數據。還包括通過至少一個安裝在目標上的慣性傳感器抽取運動測量數據，處理來自導航測量數據和運動測量數據的位置變化，并傳導由位置變化和修改的推測定位測量數據計算的修正的推測定位測量數據。
導航系統能夠校正陀螺儀偏置率，陀螺儀標度因子，和里程表波動標度因子和提供傳感器輸入數據連續校正以產生精確位置結果。本發明系統和方法的優點是能夠在反饋設計中用多個推測定位傳感器傳導已被校正的導航狀態。連續反饋傳導在主導航濾波器中可降低處理噪聲模式，在車輛動力學中利用已降低的不確定性。系統還提供適應測量校訂的算法，利用已降低的動力學的不確定性允許嚴格校訂判斷標準以除去一些多徑不確定的測量。
在詳述方面，本發明在獲得GPS之前利用最近的已存儲的位置，已存儲的方向，陀螺儀和里程表來產生推測定位導航結果，因而提供更有效的重新得到的結果。在另一詳述方面，本發明利用起始彎轉角速度測量數據以校正在啟動時陀螺儀的偏置，并在獲得GPS信號之前且在主GPS濾波器開始利用起始彎轉角速度測量數據的可用性之前允許起始副濾波器的方向。
在本發明的詳述方面，每一個單獨的被集成卡爾曼濾波器(KF)，即主導航KF，方向KF，和速度KF執行不同的估算功能。主導航KF用于作為位置，速度和時鐘狀態的估算器。盡管該濾波器在本發明中基本上不改變其匹配，但是能夠修改協調參數，改變處理噪聲模式，和改變邏輯模式和機構，以基于推測定位狀態的可用性時在降低各種干擾下行駛。在本發明另一詳述方面，導航系統三個濾波器中的任一個可在其它兩個不起動的狀態下重新起動，因此可保持結果的連續性。
另外，當GPS可使用時，本系統因高度變化允許估算道路坡度，在進入信號中斷沒有基于GPS高度的顯示區后，道路坡度估算降低直到為零。為了傳導狀態向量，用已估算的道路坡度將里程表測量的行駛距離分成橫向和縱向部分，并且對方向，速度和主卡爾曼濾波器相對地面，最大高度，和相互關系系數限制范圍進行獨立的檢測。
本發明的這些和那些方面的改進和特征將從下面詳細說明和用實例表示的附圖顯示出來。
簡述本發明的附1是表示體現本發明導航系統構思的方框圖；圖2是利用組合的濾波器構造的導航更新單元的方框圖；圖3是
圖1表示的方向和速度濾波器輸出的傳感器修正單元的方框圖，該濾波器用于修正本發明所用的慣性傳感器的設備誤差狀態；圖4是表示傳導已校正的推測定位測量數據的導航傳導單元的方框圖；圖5是表示實驗本發明導航系統時覆蓋跟蹤區域的地圖；圖6是表示在GPS信號完全阻塞時本發明工作時，圖5所示地圖的部分區域放大圖；圖7是表示在GPS信號大部分阻塞時本發明工作時，圖5所示地圖的部分區域另一放大圖；圖8是在系統受到多徑信號嚴重影響下本發明工作時，圖5所示地圖的部分區域的再一放大圖。
詳細描述本發明最佳實施例參照附圖，其中附圖中相同標記表示相同或相應部分，特別是圖1，是表示體現本發明導航系統構思的方框圖。本系統本身典型用于移動目標，如汽車或者其它車輛。本系統包括一個導航更新單元29，一個傳感器修正單元61和一個導航傳導單元110。導航更新單元29作為輸入接收來自GPS接收器28和推測定位測量RDR(in)的GPS測量數據162。用這些測量數據，導航更新單元29計算導航測量數據160中的變化。導航測量數據160包括方向ΔH，陀螺儀偏置ΔGB，陀螺儀標度因子ΔGS，速度偏置ΔSB，和速度標度因子ΔSS。導航測量數據160被輸入到傳感器修正單元61中。另外，導航更新單元29作為輸出提供推測定位測量數據RDR(out)輸入到導航傳導單元110中。
傳感器修正單元61接收由慣性傳感器98提供的運動測量數據164和來自導航更新單元29的導航測量數據160。用這些輸入，傳感器修正單元61產生位置變化測量數據165，包括北/南方向ΔN，東/西方向ΔE的變化和時間變化測量數據，時間ΔT。傳感器修正單元61的位置變化測量數據165和導航更新單元29的推測定位測量數據RDR(out)由導航傳導單元110利用，以計算一個新的或者修改的推測定位測量數據RDR(in)。這一新的推測定位測量數據RDR(in)被反饋給導航更新單元29再一次被處理。該反饋處理是連續重復的。
參照圖2，導航更新單元29包括一個主濾波器30，方向濾波器60，和速度濾波器70。在本發明的最佳實施例中濾波器是卡爾曼濾波器。主濾波器30作為輸入從GPS接收器28，推測定位位置RDR(in)測量數據，速度測量數據VDR接收GPS測量數據162，和由處理噪聲模塊33提供的處理噪聲矩陣Q。從這些不同的輸入中，主導航濾波器30計算一個估算的GPS向量測量數據VE。主濾波器30與方向濾波器60，速度濾波器70和推測定位位置設置單元42連接。
方向濾波器60具有三個狀態，方向誤差，陀螺儀偏置誤差，和陀螺儀標度因子誤差。方向濾波器用兩個測量形式。第一是從GPS向量估算VE推導出的方向估算37，GPS向量估算VE由主濾波器30更新。第二測量形式是當車輛里程表顯示為48該車輛停止時產生提供的起始轉彎角速度測量47。該起始轉彎角速度測量47通常在開始時在車輛開始運動之前，和獲得GPS信號之前使用。該測量被用于初始化方向濾波器60和在獲得GPS信號之前用所保存的初始化位置和方向測量值開始推測定位導航。在主導航KF之前對方向KF初始化和運行的性能是本發明的另一改進。
下面是方向濾波器60的數學關系式，方向濾波器60的狀態轉移矩陣是Xt+Δt＝ΦXt(等式1)其中方向誤差，偏置誤差，和標度因子誤差形成狀態如 和在傳導期間用ω作為測量平均速率的狀態轉換矩陣是 等于方向濾波器60的傳導協方差方程具有標準形式Pt+Δt＝Φ·Pt·ΦT+Q (等式4)其中Q是由處理噪聲模塊33提供的處理噪聲矩陣。Q是基于各個誤差項中無規行走并具有對角形式的假定。
在每個傳導上相對上和下限界協方差矩陣P被核對并且最新數據循環，以確保在允許的范圍內保持變化，和相關系數是在〔-1，1〕中。
起始轉彎角速度測量矩陣具有形式為h1＝〔010〕 (等式5)測量剩于值是已記錄的陀螺儀速率。用于起始轉彎角速度47的測量最新數據通常具有形成為，具有增益 其中測量噪聲值R是選擇成恒量，表示車輛的最小可能轉彎角速度，假定里程表波動在零速度附近有一個“死區”并認為汽車一定在加速，但沒有觸發第一個脈沖。該具有增益的狀態和協方差最新數據是普通形式。
如上所述，給方向濾波器60的方向測量數據37從主濾波器30的速度估算VE推導得出如
HGPS＝tan-1(VE/VN) (等式7)方向測量數據偏導數矩陣是h2＝〔100〕(等式8)增益和最新數據方程如起始轉彎角速度測量48一樣。
仍參照圖2，速度濾波器70有兩種狀態，速度偏置狀態和里程表標度因子狀態。此處應用速度偏置狀態被設計成估算由選擇的可用性(SA)產生的速度干擾，該選擇的可用性的目的是降低GPS信號，該GPS信號增加了使用者范圍誤差的值。速度偏置防止來自不可靠的里程表標度因子估算的SA速度的干擾。速度偏置狀態是一個假想狀態，其中對于在輪信號傳感器偏置沒有物理機構。但是速度偏置狀態在GPS運行中以被證實有效。
由于汽車工業逐漸脫離驅動輪傳感器向獨立輪旋轉傳感器發展，速度波動的定義成為多種形式。所產生的混合式的速度波動支持速度計和巡航控制功能，或者用發送數據總線替代它們。注意由制造者的控制單元產生的混合速度信號具有一個速度偏置，特別是如果它們用電感輪旋轉傳感器并試圖補償在非常低的速度下丟失的信號。那么，本發明已被應用并且由制造者的控制單元用來自全部四輪的輪旋轉傳感器產生的一個混合速度信號實驗，獲得良好的結果。因此，本發明可以與將來改進的汽車一起被使用。
導航更新單元29提供地圖匹配位置最新數據給推測定位狀態向量RDR(out)。這是利用由主濾波器30提供的已估算的速度VE實現的，作為輸入給推測定位位置設置單元42。在開關45被觸發之后該設置單元42接收VE。觸發一次，該設置單元42就將地圖匹配位置測量數據43與來自VE的被計算的位置測量數據結合，并且作為輸出產生一個推測定位位置測量數據RDR(out)，即由地圖匹配位置測量數據更新的數據。一般地，地圖匹配的這一用法在導航系統中是普遍的并且它在汽車應用中是必須的。
如上所述，主濾波器30也可以輸入一個由處理噪聲模塊33產生的處理噪聲矩陣Q。它是在推測定位數據準確時發生的。當陀螺儀和里程表數據可以利用時推測定位數據是準確的，里程表標度因子和方向已被初始化，并且方向濾波器60也已被兩次更新用以估算陀螺儀偏置GB和陀螺儀標度因子GS。由處理噪聲模塊33提供的Q矩陣被主濾波器30利用以更精確計算速度估計值VE，該值提供給方向濾波器60和速度濾波器70。
參照圖3，當計算位置變化時，方向濾波器60和速度濾波器70(圖2)產生最新數據，給設備誤差狀態它由傳感器修正單元61所利用。導航更新單元29的方向濾波器60作為輸出產生一個方向變化數據ΔH，一個陀螺儀偏置變化數據ΔGB，和一個陀螺儀標度因子變化數據ΔGS。導航更新單元29的速度濾波器70作為輸出產生一個速度偏置ΔSB，和一個速度標度因子變化ΔSS。
傳感器修正單元61包括一個第一處理器，其包括一個陀螺儀偏置62，陀螺儀標盤64，積分器68和混頻器(mixer)63，66和一個第二處理器，其包括一個里程表標盤74，速度偏置72，混頻器76和三角函數單元84，86。由導航更新單元29的方向濾波器60提供的陀螺儀偏置的變化數據ΔGB由陀螺儀偏置單元62利用產生陀螺儀偏置值GB。陀螺儀偏置值GB和在各種時間間隔從陀螺儀100抽樣得到的陀螺儀測量數據G作為輸入傳導給混頻器63。混頻器63產生一個陀螺儀標度值GS并輸入給乘法器64。該乘法器64將GS值乘以由方向濾波器60提供的陀螺儀標度因子變化數據ΔGS產生一個修正的陀螺儀標盤值，并輸入到混頻器66中。混頻器66將修正的陀螺儀標度值，由方向濾波器60提供的變化的方向測量數據ΔH，和被積分的反饋的方向值HI結合在一起，產生一個新的方向值H。被積分的反饋的方向值HI是由積分器單元68利用由混頻器66提供的新的方向值H計算的。反饋的積分器單元68與混頻器66連接成一個環形結構。新的方向值H可被多種方式使用，如更新用戶顯示單元。
由導航更新單元29的速度濾波器70提供的速度標度因子的變化數據ΔSS和從抽取的里程表波動轉儲102獲得的速度測量數據S作為輸入傳導給乘法器74。該乘法器74將兩個測量數據相乘并提供速度標度值SS輸入給混頻器76，混頻器76通過混合速度標度值SS和由速度偏置單元72提供的速度偏置值SB產生一個修正的速度標度值SSU。速度偏置單元計算由速度濾波器70提供的速度偏置變化量ΔSB得到速度偏置值SB。
由混頻器76產生的被修正的速度標度值SSU和由混頻器66產生的方向值H作為輸入給余弦函數單元84。該余弦函數單元84從這些輸入值計算在北/南方向的方向變化由ΔN表示。ΔN的值由加法單元92求和以提供信號ΔN的輸出值。另外，SSU和H值由正弦函數單元86利用計算東/西方向的變化并由ΔE表示。ΔE的值由加法單元92相加并求和以提供信號ΔE的輸出值。
最后，傳感器修正單元61通過從接收器時鐘104抽取的時間值接收時間測量數據T。該時間測量數據T由新數據中斷信號106控制與陀螺儀100和里程表102的抽取一致。時間測量數據T與其由積分器單元88計算的積分值TI混合，以提供時間的變化值ΔT。ΔT的值由加法單元96相加并求和以提供信號ΔT的輸出值。
參照圖4，由導航更新單元29提供的推測定位位置測量數據RDR (out)作為輸入傳輸給混頻器114，混頻器114的另一輸入包括由傳感器修正單元61提供的方向和時間的變化(ΔN，ΔE和ΔT)。ΔN，ΔE和ΔT的值由轉換單元112轉換成地心地面固定坐標系。混頻器114將兩個測量時間結合并提供一個修正的推測定位位置測量數據RDR (out)。該RDR(out)值向回傳導給導航更新單元29。該RDR(out)回傳給導航更新單元的傳導能夠在車輛動力學中降低不確定性，因此能在導航更新單元29的主濾波器30中降低處理噪聲模式。此外，該降低的不確定性達到能夠嚴格地校訂判斷標準，因此在超出由嚴格地校訂判斷標準提供的測量范圍時，允許該系統放棄GPS的測量。因此，該系統能夠刪除一些多徑干擾測量，它可能是由GPS接收器28誤當作準確測量的情況。
參照圖5，本發明在洛杉機國際機場(LAX)進行實驗。LAX實驗路線有幾個特點，實驗本發明的可能性。塞波爾維達隧道130提供GPS信號全部阻塞約23秒的區域，LAX較低地區135提供GPS信號嚴重阻塞約90秒的區域，并在飛機場的西端包括一180度旋轉，和在路線的西南角140處產生大量的多徑源信號。
參照圖6，提供一個放大的地圖表示本發明的操作，同時穿過塞波爾維達隧道130。該系統經歷全部阻塞約23秒。本發明的結果，由虛線131表示，是十分令人滿意的，因為虛線接近平行由實線134表示的地圖道路/隧道。從系統獲得的結果131和實際地圖道路/隧道134之間的偏差是由于選擇可用性(SA)引起的。點133是在進入隧道130前最近的GPS固定位置。點132是出隧道130后重新獲得GPS信號的位置。因為可以看到獲得的結果，所以在信號中斷期間沒有可識別的橫向位置誤差增加。因為隧道是直的，可以推斷在進入隧道130之前陀螺儀的偏置被正確估算。
參照圖7，提供一個放大的地圖表示本發明的操作，同時穿過LAX較低地區135。該實驗路線的區域GPS信號阻塞達到最大程度。而在該區域中，系統可以偶爾拾取一個或兩個低海拔高度衛星信號或者多徑信號，但是主要是系統與任何一個可用的GPS信號之間被阻塞。當可以看到路線137時，這種阻塞類型通常促使一個未接收信號的接收器處于“無導航”的模式。但是，當能夠看到由本發明產生的路線136時，本發明的系統在沒有任何地面跟蹤間斷的情況下通過轉向和重新獲得GPS信號成功地推測定位。由于推測定位的間隔為90秒橫向估算誤差的增加小于30米(m)。從本發明成功的結果能夠推斷在最大程度的阻塞區域中，陀螺儀偏置和陀螺儀標度因子由方向濾波器成功地估算。
參照圖8，提供一個放大的地圖表示本發明的操作，同時穿過受到多徑信號影響的區域。路線的東北角140提供這樣一個區域，因為在此是一個具有金屬表面的辦公大樓141，它具有大量的多徑信號源。由于能夠從由本發明導航系統提供的曲線143看到結果，所以比傳統的導航系統達到基本上較佳的運行和精確度，如從曲線144可看到的。本發明的推測定位測量數據在位置狀態的時間傳導中降低了不確定性，并為避免多徑影響允許測量的嚴格屏蔽。
通過上面的顯示，本發明的特征形式已被表示和說明，在沒有脫離本發明的構思和范圍內可進行各種改進。因此，除了附加的權利要求，上面描述不認為對本發明構成了限制。
權利要求
1.一種用于跟蹤目標位置的導航系統，所述系統包括一個GPS接收器響應于GPS信號，周期性地給導航處理器提供導航狀態測量最新數據；和一個推測定位傳感器響應于所述目標的運動，用于給所述導航處理器提供運動測量數據；其中所述導航處理器用導航狀態測量最新數據確定所述目標導航狀態，并在測量最新數據之間用所述運動測量數據傳導所述目標導航狀態。
2.根據權利要求1的系統，其中所述導航狀態測量數據包括假定范圍和位置數據。
3.根據權利要求1的系統，其中所述運動測量數據包括陀螺儀測量數據、速度測量數據和時間測量數據。
4.根據權利要求1的系統，其中導航處理器包括一個導航更新單元作為輸入接收修正的推測定位測量數據和導航狀態測量最新數據，并且作為輸出提供導航測量數據和修改的推測定位位置測量數據；一個傳感器修正單元作為輸入接收導航測量數據和運動測量數據并且作為輸出提供位置變化；和一個導航傳導單元作為輸入接收位置變化和修改的推測定位測量數據并且作為輸出傳導修正的推測定位測量數據。
5.根據權利要求4的系統，其中導航測量包括測量方向，陀螺儀偏置，陀螺儀標度因子，速度偏置，和速度標度因子中至少一個的變化，和所述傳感器修正單元包括一個第一處理器用于與陀螺儀測量數據一起處理方向，陀螺儀偏置，和陀螺儀標度因子的變化，以產生方向測量數據。
6.根據權利要求5的系統，其中所述傳感器修正單元還包括一個第二處理器用于與速度測量數據一起處理速度偏置，和速度標度因子的變化，以方向在測量數據中產生變化。
7.根據權利要求6的系統，其中方向測量數據包括一個北/南測量數據和一個東/西測量數據。
8.根據權利要求6的系統，其中所述傳感器修正單元還包括一個時間處理單元，以處理時間測量數據，產生時間值的變化。
9.根據權利要求4的系統，其中導航更新單元包括一個第一濾波器作為輸入接收修改的推測定位測量數據和導航狀態測量最新數據并作為輸出提供估算的速度值；一個第二濾波器用于從估算速度值推導出的第一測量數據估算方向、陀螺儀偏置、陀螺儀標度因子的變化；一個第三濾波器用于從估算速度值推導出的第二測量數據估算速度偏置，和速度標度因子的變化；一個位置設置單元用于當測量數據失敗時刪除已修改的推測定位測量數據；以及一個處理噪聲模塊，它給主濾波器提供一個處理噪聲矩陣。
10.一種跟蹤目標位置的方法，包括周期性地獲得導航狀態測量最新數據；處理導航狀態測量最新數據，以確定目標導航狀態；獲得與目標運動相關的運動測量數據；和用運動測量數據在測量最新數據之間傳導目標導航狀態。
全文摘要
用于跟蹤目標位置的導航系統包括一個GPS接收器(28)響應GPS信號,用于周期性地給導航更新單元(29)提供導航狀態測量最新數據(162)。該響應還包括一個推測定位傳感器(98)響應目標的運動用于給傳感器修正單元(61)提供運動測量數據(164)。傳感器修正單元(61)接收由推測定位傳感器(98)提供的運動測量數據(164)和來自導航更新單元(29)的導航測量數據(16)。由傳感器修正單元(61)提供的位置變化測量數據(165)和導航更新單元(29)的推測定位測量數據由導航傳導單元(110)利用,以計算一個新的或者修改的推測定位測量數據。
文檔編號G01S19/22GK1384915SQ00812804
公開日2002年12月11日 申請日期2000年9月15日 優先權日1999年9月16日
發明者K·J·布羅迪, M·M·尚薩爾卡, S·F·倫德施 申請人:賽爾弗技術公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
