[发明专利]协作惯导定位

说明书

本申请要求申请号为61/830,105、申请日为2013年6月2日的美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及移动电子设备领域，更确切地说，涉及惯导定位。

背景技术

惯导定位（dead reckoning）是一种利用一时间间隔内的已知或估算速度、通过该时间间隔开始时的位置来推算该时间间隔结束时位置的方法。对于一名携带移动设备10的移动用户来说，惯导定位利用移动设备10的传感器（包括加速度传感器和指南针）来定位（图1A）。基于加速度传感器的读数，移动设备10确定用户是否走了一步（图1A和图1B中的每个点代表一步），并相应地算出移动用户的位移。基于指南针的读数，移动设备10确定移动用户每一步伐的方向。这些数据-位移和方向-组成了移动用户每一步伐的移动矢量S_i。

如图1A所示，一区域含有多个参考点R1、R2…。在每个参考点处，移动设备10的位置可以被精确地确定。参考点可以是一路标。路标具有特别的传感器读数（即传感器特征），其例子包括建筑物入口或电梯。参考点也可以是一地面真实事件（ground truth event）的发生地。地面真实事件是指为用户或用户自己确定移动设备位置的事件，如用户手动输入其位置，或获取一与其位置相关的图像。 当移动用户路过一参考点时，其定位误差重新置零。

惯导定位以如下方法估算位置：从一个参考点开始，惯导定位将一移动用户所有步伐的移动矢量相加，从而估算出他现在的位置（惯导位置）。由于移动设备的传感器质量较差，惯导位置的误差（惯导误差）是一积累误差，它与用户步伐数（从上一参考点算起）的立方成正比（图2）。惯导误差曲线具有一锯齿形状：随着步伐数的增加，惯导误差逐步增大，在达到下一个参考点时重置到零，然后再逐步增大。当移动用户在两个参考点之间不走直线时，惯导误差可能会变得很大。例如说，图1A中的路径P沿长方形ABCD绕了一圈，绕这一圈时用户走的多余步伐导致了极大的惯导误差（图2中的误差曲线E）。

Kramer等提出了一种采用对等惯导定位来提高惯导精确度的方法（peer-to-peer dead reckoning）（参见《A-GNSS a different approach》，Inside GNSS杂志，2009年9月/10月，第52-61页）。当两个具有不同惯导误差的移动设备相遇时（如在图1B的相遇点M），它们的共同惯导位置等于它们各自惯导位置的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重）。如果第一设备的惯导误差远远大于第二设备，则第二设备的位置实际上被用作这两个设备的共同惯导位置，该共同惯导位置的误差约等于该第二设备的惯导误差。如图2中的误差曲线E*所示，在相遇点M，第一移动设备10的惯导误差降至第二移动设备10*的惯导误差。由于第二设备10*的惯导误差仅沿路径P*积累，它远远小于第一设备10。因此，对等惯导定位能降低惯导定位的误差。

虽然对等惯导定位能降低惯导误差，但是它受限于两个移动设备相遇（Kramer要求两个设备的距离小于2米）的概率。而两个移动设备相遇的概率取决于该区域中移动设备的密度，它是一个完全随机的变量。因此，对等惯导定位基本上没有实际应用。

发明内容

本发明的主要目的是提高惯导定位的精确度。

本发明的另一目的是使对等惯导定位能实际应用。

为了实现上述目的，本发明提出了一种协作惯导定位。它利用邻近的移动设备来优化本移动设备的惯导位置。与对等惯导定位不同的是，协作惯导定位不要求两个移动设备相遇，它可以让两个处于不同位置的移动设备相互协作。假设第一移动设备的惯导误差大于第二移动设备，为了利用第二设备较小的惯导误差，首先测量两个设备之间的相对位置（包括它们之间的距离和方向）。该测量最好采用声学（或电磁）测量法。声学（或电磁）测量法的误差很小，一般在2%左右。对于10米的距离测量，误差在20厘米左右。接着，计算第一设备的推导位置，它等于第二设备的惯导位置与第一第二设备之间相对位置的矢量和。第一设备优化后的位置（称为其协作惯导位置）等于第一设备的推导位置和其惯导位置的加权平均（以它们各自误差的倒数为权重）。如果第一设备的惯导误差远远大于第二设备，则第一设备的推导位置实际上被用作其协作惯导位置，该协作惯导位置的误差约等于该第二设备的惯导误差。因此，协作惯导定位能极大地降低惯导误差。更重要的是，因为协作惯导定位不要求两个设备相遇，它比对等惯导定位具有更为广泛的实际应用。