通过运动预测进行误差和完整性评估的制作方法

1.本发明涉及一种用于在定位时进行误差和完整性评估的方法以及执行所述方法的控制设备和计算机程序产品。


背景技术：

2.如今可借助全球卫星导航系统(gnss)接收器确定车辆的绝对地理位置，以下也称为全球卫星导航系统(gnss)测量。此外，例如可借助安装在车辆中的惯性传感器(imu)和里程计(odo)传感器确定车辆的相对运动。
3.首先，全球卫星导航系统(gnss)可通过也称为代码测距的传输时间测量(laufzeitmessung)对接收器位置进行测量。其次，可通过多普勒频移对接收器速度进行测量。
4.在传感器融合框架内，可对全球卫星导航系统(gnss)测量、惯性传感器(imu)测量和里程计(odo)传感器测量进行融合，以获得更精确和具有更高可用性的定位。通常使用卡尔曼滤波器或粒子滤波器实现传感器融合。
5.全球卫星导航系统(gnss)的误差测量已有接收机自主完整性监测(raim)和故障检测与排除(fde)等已知方法。在此使用的实际情况是，全球卫星导航系统(gnss)测量期间，通常有多于必要的四个卫星信号可供使用。在故障检测与排除时必须至少有六个卫星可供使用。此外，还有码减载波和双增量(double-delta)相关器等方法可用于全球卫星导航系统(gnss)多路径传输的检测。
6.车辆中的全球卫星导航系统(gnss)测量原则上会出现当前现有技术水平无法识别的零星误差。这限制了置信水平，并由此限制了借助全球卫星导航系统(gnss)位置测量的完整性。
7.定位时，下文中无论从位置测定意义上还是从确定速度或加速度意义上都应理解为找到缓慢变化和快速变化的误差。测量误差快速变化的原因主要包括尤其是移动接收器中无线电信号的所谓非视距无线(nlos)传播路径，但也包括全球卫星导航系统(gnss)卫星中的误差，例如随机硬件误差和软件误差，例如异常快速的时钟漂移。
8.所述非视距无线(nlos)信号是通过无线电信号在例如建筑物等接收器紧邻的周围环境的反射和散射造成的。在此可区分不希望出现的非视距无线(nlos)信号和希望出现的直接的视距无线信号(los)的不同重叠可能性。这些重叠可能性大部分通过术语多路径传输加以描述。
9.在被融合的滤波器方法中，相应所涉及的传感器中的误差会导致不正确的定位。在此，除了全球卫星导航系统(gnss)的非视距无线(nlos)信号外，惯性传感器中的漂移和偏移以及里程计中的偏移都是可能导致误差的原因。卡尔曼滤波器解决方案尤其展示了不希望出现的时间上的误差传输。
10.上述全球卫星导航系统(gnss)故障检测器，即，接收机自主完整性监测(raim)和故障检测与排除(fde)原则上仅限于对全球卫星导航系统(gnss)信号的孤立观察，这限制
了相同类型的误差(共模故障)检测。此外，如果多个卫星同时受到干扰，接收机自主完整性监测(raim)和故障检测与排除(fde)会显现检测弱点。


技术实现要素：

11.因此，本发明任务的基础是，在定位时实现改进的误差和完整性评估。在此，还应优选实现的是，检测全球卫星导航系统(gnss)测量中快速变化的误差，尤其是通过多路径传输和/或惯性传感器测量或里程计测量误差产生的误差，并由此提高所测定车辆位置的完整性。
12.所述任务通过独立权利要求的特征解决。优选的其他改进方案是从属权利要求的主题。权利要求在此通过明确引用成为说明书的内容。
13.根据本发明一观点，一种用于在定位时进行误差和完整性评估的方法包括借助卫星导航系统通过时间离散的传输时间测量来记录位置数值并且计算接收器的时钟误差。针对其中每个测量，位置数值优选包括三维坐标系统中的位置说明，该位置说明通过对全球卫星导航系统(gnss)信号的传输时间的测量并将其乘以光速来测定。优选对位置数值的历史记录加以存储，使其可用于以后的方法步骤。
14.传输时间测量，通常也称为代码测距或伪距，优选是指对从卫星天线相位中心发射全球卫星导航系统(gnss)信号至接收天线相位中心接收信号之间所经过的时间差的测量。然而，通过与光速相乘得出的两者之间的间隔由于卫星和接收器时钟缺乏同步会有很大的不准确性。除了载波信号和卫星的星历数据外，全球卫星导航系统(gnss)信号还包括代码，该代码也包含在接收器中，并表明接收器的偏移程度与接收到的卫星代码同步。该偏移与测量到的传输时间相对应。
15.如果包括决定性的不准确因素，则伪距通常是指在卫星和接收器之间通过测量得出的间距。由于光速值较大，即使很小的时钟误差也会在传输时间测量中导致较大偏差，这也适用于通过时间离散的传输时间测量来记录的位置数值。在数学上，时间点i的伪距pr可通过pr_i＝r_i e_recclock_i e_other_i e_mp_i描述，其中，r_i是卫星和接收器之间的实际间距，e_recclock_i是接收器时钟误差，e_other_i是诸如电离层误差、噪声误差和卫星时钟误差等其他误差，e_mp_i例如是描述各相应时间点i例如多路径误差或非视距无线(nlos)误差等快速变化的误差。误差e_recclock在接收器中每次伪距测量后以数学方式进行计算或估算。误差项既可采用正值也可采用负值。
16.根据本发明所述方法的另一步骤包括借助卫星导航系统通过时间离散的传输时间测量来记录在稍后时间点，优选在当前时间点的第一伪距。如果有四个全球卫星导航系统(gnss)卫星可供使用，则可采用已知的方式测定时钟误差。时钟误差优选被转换成由对应于时钟误差的时间差乘以光速得出的距离。使用第一伪距，就可得到通过测量获得的对比参数。
17.为能进行比较，提供预测参数，即第二伪距。为此，分配给稍后时间点的接收器的位置数值基于轨迹进行外推，即针对时间步长在逻辑上延续轨迹。所述轨迹连续地或针对离散的时间点再现接收器先前的运动路径。此外，根据时钟误差迄今为止的进程对稍后时间点的时钟误差进行外推。这基于一定数量的在稍后时间点之前计算得到的时钟误差而实现，其中，所述一定数量的时钟误差是可变的或可被一次性确定。
18.此外，所述方法还包括测定接收器的外推得到的位置数值与卫星导航系统的卫星在稍后时间点的位置之间的距离。如上所述，通过时间离散的传输时间测量来记录的位置数值形成外推得到的位置数值基础。由此，外推得到的位置数值，即分配给稍后时间点的估算的位置数值构成实际距离的一端，另一端由例如从所传输的星历数据中已知位置的卫星构成。所述卫星优选是指任意选择的、可用于直接信号传输的卫星。
19.为从接收器的外推得到的位置数值和卫星位置之间的距离获得用于第一伪距的比较参数，将外推得到的时钟误差，即分配给稍后时间点的估算时钟误差添加到所测定的距离。在此，如上所述有意义的是，外推得到的时钟误差作为距离来表示。然后，将由此所获得的第二伪距与第一伪距加以比较。
20.换句话说，在根据本发明所述方法中，形成对接收器的时钟误差和接收器位置的估算值或预测并且计算与此相关联的伪距。将该预测得到的伪距与测得的伪距加以比较，以便以简单、经济合理并有效的方式获得特定卫星传输时间测量的误差和完整性更好的质量度量尤其是识别快速改变的误差。优选针对卫星导航系统中的其他卫星重复所述方法。
21.与传统的故障检测与排除(fde)方法不同地，根据本发明所述方法中进行的误差和完整性评估可在求解位置方程系统之前进行，其中，借助多个卫星的数据计算接收器的位置，由此减少计算工作量。
22.与码减载波的方法相反，误差和完整性评估与非视距无线(nlos)传输路径的误差类型无关，例如仅发生于多路径传输或直接信号路径之外的多路径传输。
23.接收器优选是指车辆，接收器布置或固定安装在车辆中。
24.轨迹优选由借助卫星导航系统通过时间离散的传输时间测量在稍后时间点之前记录的一定数量的位置数值构建和/或从周围环境检测传感器(尤其是摄像机、雷达和/或激光雷达)的数据中提取。由于从已知的绝对位置出发，可通过运动检测对其进行更新，所以可使用周围环境检测传感器。
25.稍后时间点优选对应于当前的时间点。相比之下，位置数值的记录和接收器时钟误差的计算是在较早的时间点，即在稍后时间点之前进行的。所述时间点优选具有均匀的间隔，即时间离散的传输时间测量以及优选是稍后时间点相应地与前一时间点的时间间距相同。因此，稍后时间点优选是在一系列测量时间点后的特定时钟信号后的下一步骤。所述时钟信号优选对应于接收器的采样率。
26.根据一优选实施方式，为了外推出接收器在稍后时间点的位置数值，从先前记录的位置数值的位置数值差推导出一位置数值差。考虑从位置数值到位置数值的变化，以便估算在稍后时间点的位置数值。
27.对应于一优选实施方式，接收器的位置数值的外推还以惯性建模、惯性传感器(imu)的测量、里程计传感器的测量和/或卫星导航的多普勒测量为基础。惯性传感器通常包括测量加速度和转速的传感器，而里程计能通过测量例如轮速和/或转向运动的推进系统的数据确定自身位置。
28.根据一优选实施方式，接收器的时钟误差的外推还基于温度测量、关于时钟漂移和/或关于时钟石英的所存储信息，从而可更精确地确定时钟误差。
29.如上面已解释的那样，接收器时钟误差的外推优选以与时钟误差等效的距离数值
的形式进行。
30.根据所述方法一优选实施方式，在测定接收器的外推得到的位置数值(p
‘
0)和卫星位置(s0)之间的距离(r
‘
0)时，卫星的位置根据该卫星的与卫星信号一起传输的星历数据测定。
31.第二伪距与第一伪距的比较优选包括相减。该差值可作为变量存储或发送，或优选直接用作进一步措施的出发点，籍此对当前所测定的卫星传输时间测量的故障或完整性做出响应。在差值很大的情况下例如可能有意义的是，先将卫星排除在特定接收器位置外。
32.相对于参考值，优选给小差值分配高的质量度量，给大差值分配小的质量度量并确定相应的质量度量。由此为质量提供统一的度量。
33.根据一优选实施方式，对例如通过多路径传输造成的间接接收信号进行检查，其中，质量度量相对于参考值的快速变化被评估为间接信号接收的标志。
34.根据本发明另一观点，控制设备设计用于执行所述方法。
35.控制设备优选具有存储器和处理器，其中，所述方法以计算机程序的形式存储在存储器中，如果所述计算机程序从存储器加载到处理器中，则处理器设计用于执行所述方法。
36.控制设备的计算机程序优选包括程序代码手段，当计算机程序在计算机或上述设备上执行时，能执行所述方法的所有步骤。
37.根据本发明另一观点，计算机程序产品包括存储在计算机可读数据载体上的程序代码，当在数据处理装置上执行所述程序代码时，执行上面给出的方法之一。
附图说明
38.结合以下实施例的说明并结合附图，本发明上述特性、特征和优点以及实现它们的方式方法将变得更为清晰、更易理解。
具体实施方式
39.图1以示意图示出接收器和卫星的运动及其在特定时间点的间隔的、沿空间轴x、y延伸的示例性视图，其中，接收器包含在车辆中，车辆运动等同于接收器运动。所述参考符号分别包含时间索引i，其中，i表示采样时间点。-n、-2和-1表示过去实施测量的相应时间点。与此相对，稍后时间点对应于当前，并用i＝0表示。所示卫星代表任意卫星，并在不同时间点i占据位置s-n
、s-2
、s-1
以及s0。
40.位置数值对应接收器位置，其中，p通过p-n、p-2和p-1描述。它们借助例如导航卫星全球定位系统(navstar gps)、伽利略定位系统(galileo)、格洛纳斯定位系统(glonass)或北斗等卫星导航系统通过时间离散的传输时间测量获取。矢量u-1、u-2、相应至u-(n-1)描述如下的位置变化，即，该位置变化相应代表两个位置数值之间的差。在实施例中，接收器和卫星之间的距离r-n、r-2、r-1也随着位置变化而变化。针对i＝0的稍后时间点，确定位置数值p0和距卫星的距离r0，从中，通过加上当前所测得的时钟误差δt0测定第一伪距作为测量得到的距离。
41.根据迄今为止的位置变化，通过逻辑延续估算后续、即当前或目前采样时间点的位置变化的估算值u
‘
0。由此，借助运动历史记录，获取接收器的当前位置数值p
‘
0的估算值
(在此通常用撇号表示)。在此，车辆的惯性建模、惯性传感器的测量、里程计传感器的测量和卫星导航的多普勒测量被用作附加信息。
42.对接收器的时钟误差，即接收器时钟偏离卫星时钟的时间差也进行估算。为此，使用最近一次测得时钟误差的历史记录外推出相应的时间差δt
‘
0，为使进一步计算更简单，将其表述为间距当量。此外，外推中还包括有关时钟漂移或时钟石英的存储信息以及温度测量信息。
43.此外，卫星和接收器之间的实际距离r
‘
0是根据该估算信息计算得出的，其中，术语实际距离是指该距离不包含任何时钟误差、电离层误差或卫星测量中常见的其他误差，即该距离作为两点之间的间距计算。第二伪距通过添加同样是估算的时钟误差δt
‘
0来提供。除了时钟误差δt
‘
0外，还可添加其他误差参数以构成估算的伪距，即第二伪距，以便符合必要时也包含例如电离层误差等其他误差参数的第一伪距。假设仅添加时钟误差δt
‘
0，则第一和第二伪距之间的差值，即|(r
‘
0 δt
‘
0)-(r0 δt0)|包含有关可能存在的、例如通过卫星信号多路径传输引起的，因测量距离突然偏离通过外推或估算所获取的距离而产生的快速变化误差的信息。通常，差值大小通常反映了测量的完整性，其中，时间步长数越多，这效果更好。
44.由此，差值的参数是特定卫星的传输时间测量误差和完整性的质量度量。对于多次重复所述方法或使用更多数量的时间步长或用于估算的测量，可获得更高的效力，但在必要的计算能力方面寻求折衷原则上是明智的。
45.所述方法或相应控制设备可用于例如机动车辆、无人机、飞机或船舶等任何系统中。