有相机辅助的全球导航卫星系统方法和接收器的制作方法
专利名称：有相机辅助的全球导航卫星系统方法和接收器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种便携式信号无线电定位接收器，其集成到另一主机系统(如，例 如通用计算机、PDA或手机)中，所述主机系统使用由相机提供的数据以便帮助定位过程。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS)，例如GPS (全球定位系统)、GL0NASS或伽利略依赖于 接收从多个绕轨道运行的卫星广播的无线电信号，且使用这些信号中含有的信息来确定从 接收器到所接收的卫星中的每一者的距离或范围。在已知卫星的轨道的情况下，于是可用 几何方式确定GPS接收器的绝对时间和位置。与GNSS无线电定位系统相反，已开发出惯性导航系统(INS)以便用独立的方式基 于允许导出速度方向和速度的嵌入式传感器信息来提供定位信息。INS系统通常包含专用 惯性测量单元(IMU)，例如加速计和螺旋仪。通常，INS系统能够提供更加可靠的定位信息， 但也相当昂贵且需要较高的处理能力。以下描述主要涉及GPS全球定位系统，如GNSS系统。然而，本发明不限于此特定 系统，而是也可在基于相同原理的无线电定位系统(例如，GL0NASS系统或GALILEO系统) 的接收器中使用，且可延伸到本发明可适用于的其它未来无线电定位系统。在原始GPS无线电定位系统的情况下，操作GPS卫星(也指示为宇宙飞船或SV) 中的每一者在分别参考为“Li”和“L2”且位于1572. 42MHz和1227. 60MHz的两个载波频率 下发射导航无线电信号。Ll和L2载波由两个数字测距代码序列调制，所述两个数字测距代 码序列称为C/A(粗捕获)代码和P(Y)代码，后者主要限于美国政府和军队。由商用GPS接收器使用的C/A代码在Ll和L2载波中调制。对于每一 GPS卫星 唯一的C/A代码是伪随机Gold代码，其包括1023个位或“码片”的重复，其中转变速率为 1.023MHz，且所述代码通常简称为PRN。C/A代码因此每毫秒自身重复。测距代码序列与共 用精确时间参考(由每一卫星上装载的精确时钟保持且与主时钟同步的“GPS时间”)同步。 使用C/A代码的PSK调制的效果是在IMHz的带宽上扩展经调制的信号的频谱。Ll和L2载波两者进一步携载50bps导航消息——NAV代码。所述导航消息含有 GPS卫星的坐标(作为时间的函数)、时钟校正和大气数据，以及其它信息。通过每当NAV 位为“1”时反转C/A代码的逻辑值且否则使其保持不变来对NAV消息进行编码。为了捕获这些代码和执行位置确定，GPS接收器针对每一所接收的卫星产生C/A 代码的一局部复本——PRN代码，其被调整为在接近于1. 023MHz的频率下运行的局部NC0。 随后将所述代码时间移位、在接收器的相关引擎中与接收到的信号相关，且在可根据噪声 电平而或长或短的时间内集成，直到针对特定值的时间移位获得相关值的峰值为止，所述 特定值的时间移位取决于接收器与卫星之间的距离。实现最优相关所需的时间移位量(或伪距离)是卫星与GPS接收器之间的距离的 指示。GPS的内部时钟通常受到相对于GPS卫星时钟的较大误差的影响。为了解决此误差， GPS接收器必须捕获至少四个卫星以提供位置确定，包括三个空间坐标χ、y、ζ和时间t。
GPS接收器试图在不太清楚或不知道卫星信号的位置的情况下在相位偏移-多普 勒位移空间中定位足够数目的卫星信号的阶段通常称为“捕获”状态。由于宇宙飞船和接收 器的运动的缘故，所以一旦找到峰值，其多普勒频率和相位偏移便不断改变。在“追踪”状 态下，系统必须跟随相关峰值的漂移，以便提供有效的位置确定。随GPS和其它GNSS系统出现的一个问题是信号强度(其对于地球表面上的GPS 信号通常为_130dBmW)在每当天空的视线受到阻碍时(且特别是在建筑物内)进一步衰减 时变得过弱。所达到的电平远远低于噪声底限，因此只能通过使用统计技术来接收所述信 号，且因此需要更多处理能力。在GPS信号接收质量较差且因此信噪比(SNR)过高的区域 (也叫做城市峡谷)中，GPS信号可能丢失。为了克服此问题，已提出无缝导航系统，以便处理暂时无法获得GPS信号的情况。第W02004/070号国际专利申请案揭示了一种基于紧密GPS/INS集成的导航解决 方案，其中卡尔曼(Kalman)滤波器处理来自相关传感器系统(例如惯性测量单元或IMU) 和GPS的数据，所述数据先前已通过共用时钟单元同步。此解决方案确实提供了导航的更 好的准确性和弹性，但另一方面其内在地意味着用于同步的大量硬件额外开销，且需要大 量处理能力。此解决方案因此不适合处理能力和空间有限的小型便携式装置。第US6876945号美国专利申请案提供了集成INS/GPS系统的另一实例，其中惯性 测量单元(IMU)与超声波多普勒速度测量传感器(UVM)之间的耦合在无法获得GPS信号时 提供了改进的无缝导航能力。UVM用以在GPS信号丧失期间辅助IMU,以便跟上集成导航系 统的准确性水平。此解决方案然而未使用任何视觉装置作为用于GPS辅助的备用数据供应
ο因此需要提供一种导航系统和方法，其在效率方面克服了上文提及的现有技术的 问题，且使用视觉装置。
发明内容
本发明的目标是充分利用可用资源为导航方法和系统提供更好的弹性。本发明的另一目标是提供一种使用从相机导出的位置数据的导航方法和系统。根据本发明，借助于在便携式装置中计算导航信息的方法来实现这些目标，所述 便携式装置包括经布置以从多个导航卫星接收导航信号的GNSS接收器，且包括用以从所 述导航信号中提取GNSS位置信息的GNSS处理器。所述GNSS接收器还经布置以从相机模 块获得图像数据。所述方法包括以下步骤-从相机模块导出一组位置信息；-将相机导出的位置信息提供到导航处理器；-使用所述组相机导出的位置信息和所述导航信号来产生GNSS接收器的位置确 定；-基于所述产生的位置确定来计算导航信息。还通过用于相机辅助的GNSS导航的装置来实现这些目标，所述装置包括相机模 块和GNSS模块，其通过接口连接到导航软件使用的导航备用模块。根据本发明的装置和方法提供一种无缝导航系统，其在GPS信号较弱或无法获得 时具备备用位置信息供应器，且其在处理能力方面的要求有限。其可容易地在现有的具备
4相机的便携式装置(如新一代移动电话)中集成和使用。
将借助对实施例的描述来更好地理解本发明，所述描述是以实例方式给出且由图 式加以说明，图式中图1展示根据本发明的包括GNSS、相机和补充导航模块的系统的逻辑视图；图2展示根据本发明常规和相机辅助的导航阶段的状态图。
具体实施例方式本发明是指一种在如图1上描述的便携式装置或主机系统101上运行的导航系统 和相关导航方法。主机系统101含有GNSS接收器104，优选为GPS接收器104，其集成RF 前端106 (其接收由卫星发送的导航信号112)和GNSS处理器105。GNSS接收器104可为 蜂窝式电话、PDA(便携式数字助理)等等中的模块；然而其也可以是可插拔模块中，所述可 插拔模块可借助于适当的总线连接到代管装置101，例如为GPS PC卡。根据图1上说明的优选实施例，“GPS接收器” 104通过通信接口 107耦合到主机 系统的相机模块102。将相机模块102描绘为具有其镜头113 ；其还含有传感器103，例如 CXD图像传感器或CMOS图像传感器。接口 107不但用于相机模块102与GNSS接收器模块104之间的连接；其还将模块 102、104两者连接到所谓的导航备用模块111。根据本发明的导航备用模块111是一借助 于常规卫星导航信号112以外的其它定位输入来源，在常规卫星导航信号112无法提供合 适且可靠的定位时辅助导航软件110的导航过程的模块。所述导航备用模块优选含有例如 监视卫星信号的信号强度的传感器管理器单元108，以及负责处理传感器数据输出且导出 位置信息的绘制模块109。根据本发明，除了卫星信号112以外使用的输入来源是由相机模块103提供的图 像数据。主要处理图像数据输出以便知道含有GNSS接收器104的便携式装置101目前是在 移动还是静止不动。可例如从相机模块记录的图像序列中导出一组位置信息，其于是允许 基于那些图像序列估计运动速度。虽然此导出位置信息的步骤据推测是由所谓的绘制模块 109实行，但对于运行图像数据处理算法的物理位置没有限制，且也可设想此算法可在嵌入 在相机模块102中的硬件上运行，这意味着绘制模块109在此情况下将以物理方式包含在 相机模块中。因此，从硬件实施方案的角度来看，图1上说明的实施例不应被认为是限制性 的，其用途主要是展示功能与模块之间的逻辑划分。从图像输出中导出位置信息的另一选择也可为使用地标特征。当在图像上辨认出 地标时(例如，由于图像处理算法提取所需的特征)，所提取的地标特征可允许检索精确位 置，只要此特征已与精确位置或地理坐标相关联即可，这例如是因为先前已辨认出地标并 使其与GPS确定的位置确定相关联。在此情况下，导出位置信息的步骤可简单地在于以存 储在装置101的存储器中(可能直接存储在相机模块102中)的一组已知位置绘制所提取 的特征。为了效率起见，用位置坐标绘制地标的步骤可离线进行。为了节省电力的目的，可能仅在GPS接收器104开启时执行地标特征辨认，而地标 特征可包含在当GPS接收器104关闭时已由相机拍摄的图像中。
导出一组位置信息(例如运动速度、方向)的步骤是提供与对于螺旋仪和加速计 或任何惯性测量单元的类似种类的辅助。所提议的辅助解决方案可能不会达到由惯性传感 器提供的精确度；然而，其有效率地利用现有资源，且不需要额外硬件，特别是当代管接收 器的装置已包含图像传感器时(经常是这种情况)。基于图像的辅助在功能上也容易使用， 仅有的要求是代管相机的装置101不是放在口袋里或任何其无法拍摄图像快照的地方。已从相机模块102导出的所述组位置信息被馈入到导航处理器，所述导航处理器 可为GNSS接收器104的GNSS处理器105 (例如DSP)，但此并非必须。在不同的实施例中， 其例如可为主机系统101的处理器，其通过共用总线连接到相机和GNSS模块102、104两 者。所述导航处理器使用所述组相机导出的信息和导航信号112两者，以便计算GNSS接收 器104的位置确定或位置坐标。用于定位过程的两组可获得的信息提供信息冗余，这给出 了最大的灵活性，从而增强系统的可靠性和弹性，例如在只能间歇性地获得GNSS导航信号 112的情况下。因此，所述组相机导出的位置信息既能用作备用信息又能用作补充信息。图2展示状态图，其说明根据本发明的方法的优选实施例，重点突出其弹性。一旦 导航开始(步骤201)，GNSS接收器104便进入信号捕获模式(步骤202)。在此步骤期间， 可在独立模式下(例如使用先前提到的地标)校准相机(步骤203)。也可能基于从卫星导 航信号112导出的基于卫星的位置信息来执行校准步骤203。GNSS接收器104与相机模块 102之间的耦合206允许考虑到所计算的基于GNSS的位置确定来处理相机导出的信息，并 执行所需的绘制和调整。在可在此阶段期间独立计算位置坐标的意义上，用于校准的耦合206的模式优选 是宽松的。根据图2上说明的优选实施例，GNSS组定位信息胜过相机导出的信息，因而校 准步骤203用虚线绘制，以便展示相机导航辅助处在被动模式。然而，也可能考虑相机模 块102和GNSS接收器根据紧密模式而耦合，且可在根据由模块102、104中的任一者提供的 最准确且可靠的信息来选择性地调整定位位置确定时，执行相互校准以便增强结果的准确 性。基于图像的辅助因此可如此被用以交叉检验从卫星信号导出的位置。根据图2的视图，导航过程在模式210中开始，其中仅使用GNSS信号来实行定位 过程(步骤202)。步骤204对应于选择性激活导航处理器中对相机导出的位置信息的使 用。当从所述多个导航卫星对所述导航信号112的接收较差或缺乏时，可进行此激活，由此 可提前确定阈值，例如SNR比的特定水平。所述激活可例如由传感器管理模块108触发，所 述传感器管理模块108执行导航模式中的切换(步骤207)，且开始阶段211，其中相机导出 的位置信息由导航处理器有效地使用。在此模式211中，当不再能获得卫星信号112时，相机辅助的导航可进入航位推测 (dead-reckoning)模式(未说明)。但是需要根据GNSS接收器104的运动的连贯性(其 需要保持均勻)来确认航位推测模式。因此，从相机模块102导出一组位置信息的步骤205 可包括功率管理特征，其具有用于航位推测模式的休眠模式循环。只要未检测到速度或方 向的变化，相机模块102就保持处在休眠模式。例如传感器管理模块108进行的激活需要更 多处理(例如，来自绘制模块109)，以用于在遵循GNSS接收器104的路径的同时导出位置 信息。根据本发明的此航位推测备用导航特征在步行运动的情况下或对于室内使用(其中 信号接收一般比户外差)可能相当有用。如下一段落中解释，当相机模块102辨认出例如 房间的相同环境时对位置未改变的指示是用于在重新开始新的信号捕获阶段时帮助GNSS
6导航过程的一则有用信息。例如当捕获且可靠地追踪到足够数目的卫星信号时，可撤消相机辅助模式。将切 换回去之前的检验步骤说明为与之前基于卫星信号112质量追踪使用的选择性激活步骤 204相同。在导航模式已切换回(步骤208)GNSS常规模式之后，另一阶段210'开始，其中 只使用卫星导航信号112。对于此新阶段210'，相机辅助阶段211将已允许基于所述组相 机导出的位置信息限制用于对卫星信号112的新捕获(步骤202')的搜索空间，且因此在 搜索过程中提供辅助，其将减少如此做所需的捕获时间和处理能力两者。虽然捕获时间的 此增加已在航位推测步骤或就在相机辅助步骤之后重点突出，但将明白此类帮助也可从导 航过程一开始201提供，且更具体来说未必在模式切换207、208之后提供。还将明白，箭头210、210'、211对应于其中有效地使用或不使用相机辅助的导航 模式的时间序列；反馈循环分别仅指示每一阶段中的锁定。所揭示的方法和导航系统用于容易地共同集成到任何具备相机的便携式装置 (像配备有GPS接收器的新一代移动电话)中。然而，针对硬件实施方案说明的实例不应被 认为在结构选择方面有限制性。所属领域的技术人员将容易理解，接口 107、模块108、109 和处理器105不应被解释为在电路选择以及所支持的标准和通信协议方面具有任何限制。 还可设想考虑一种解决方案，其中执行导航方法所需的模块大部分是基于软件而不是基于 硬件，从而使得与导航软件的协作更加容易。确切地说，提供这样的软件模块将是有利的其启动将执行从相机模块102导出 位置信息的步骤205以及相机辅助导航过程中涉及且在本文献中早先提到的任何步骤(包 含GNSS接收器104的位置确定产生和导航信息的计算)。可例如作为随GPS模块配送的导 航软件111的外接附件(add-on)来供应此模块。本发明不限于前述实例，而是在随附权利要求书的范围内允许若干变化形式和实 施例。所述相机可用来例如根据对道路图案的辨认来检测移动，例如用于通过辨认白线的 位置来检测路线的变化。本发明既不限于单个相机的情况，也不限于单镜头成像系统的情 况。本发明的方法还包含使用立体成像系统的情况。根据本发明的另一变化形式，从相机模块导出的位置信息不需要形成图像。例如 在驾驶时，相机可能会检测到环境光的突然变化，并推断出车辆已进入隧道或离开隧道。此 相机导出的位置信息可用来改进位置确定和计算导航信息。参考元件列表
101主机系统102相机模块103相机传感器(例如，CCD)104GNSS接收器模块105GNSS处理器
权利要求
一种在便携式装置(101)中计算导航信息的方法，所述装置(101)包括GNSS接收器(104)，其中所述GNSS接收器(104)经布置以从多个导航卫星接收导航信号(112)，且包括GNSS处理器(105)，用以从所述导航信号(112)中提取GNSS位置信息，所述GNSS接收器(104)进一步经布置以从相机模块(102)获得数据，所述方法包括以下步骤从所述相机模块(102)导出一组位置信息(205)；将所述组相机导出的位置信息提供到导航处理器；使用所述组相机导出的位置信息和所述导航信号来产生所述GNSS接收器(104)的位置确定；基于所述产生的位置确定来计算导航信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从由所述相机模块(102)记录的图像序列获得所 述组相机导出的位置信息，且所述方法包括根据所述图像序列估计所述接收器的运动的步骤。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中根据所述组相机导出的位置信 息与所述GNSS接收器(104)的均勻运动的一致性来确认航位推测位置估计模式。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括基于所述组相机导出 的位置信息来限制用于捕获从所述多个导航卫星接收的所述导航信号(112)的搜索空间 的步骤。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中当从所述多个导航卫星对所述 导航信号(112)的所述接收较差或缺乏时，选择性地激活(204)在所述导航处理器中对所 述组相机导出的位置信息的使用。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在来自所述相机模块 (102)的所述图像数据中辨认地标特征的步骤，其中所述从所述相机模块导出所述组相机 导出的位置信息(205)的步骤在于检索所述地标特征的先前已知位置。
7.根据前述权利要求所述的方法，其中仅在所述GNSS接收器(104)开启时执行所述辨 认地标特征的步骤，所述地标特征包含在当所述GNSS接收器关闭时由所述相机模块(102) 拍摄的先前图像中。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述从所述相机模块(102)导 出一组位置信息的步骤(205)包含功率管理特征。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括校准(203)所述组相 机导出的位置信息的步骤。
10.根据权利要求10所述的方法，其中通过耦合(206)到从接收自所述多个导航卫星 的所述导航信号(112)导出的基于卫星的位置信息来执行所述校准步骤。
11.一种计算机程序产品，其用于实行根据前述权利要求中任一权利要求所述的步骤。
12.一种用于相机辅助的GNSS导航的装置，其包括相机模块(102)和GNSS模块(104)， 所述相机模块(102)和GNSS模块(104)通过接口(107)连接到由实行根据权利要求1到 10中任一权利要求所述的步骤的导航软件(110)使用的导航备用模块(111)。
13.根据权利要求12所述的装置，所述导航备用模块(111)进一步包括用于管理所述 相机模块(102)和所述GNSS模块(104)的传感器(103、106)的传感器管理模块(108)。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中所述导航处理器是所述GNSS处理器(105)。
全文摘要
本发明提供一种在便携式装置中计算导航信息的方法，所述便携式装置包括经布置以从多个导航卫星接收导航信号的GNSS接收器，和用以从所述导航信号中提取GNSS位置信息的GNSS处理器。所述GNSS接收器还经布置以从相机模块获得图像数据。所述方法包括以下步骤从所述相机模块导出一组位置信息；将所述相机导出的位置信息提供到导航处理器；使用所述组相机导出的位置信息和所述导航信号产生所述GNSS接收器的位置确定；基于所述产生的位置确定计算导航信息。
文档编号G01S19/48GK101952737SQ200880124958
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者朱利安·比勒什 申请人:高通股份有限公司
技术领域：
本发明涉及一种便携式信号无线电定位接收器，其集成到另一主机系统(如，例 如通用计算机、PDA或手机)中，所述主机系统使用由相机提供的数据以便帮助定位过程。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS)，例如GPS (全球定位系统)、GL0NASS或伽利略依赖于 接收从多个绕轨道运行的卫星广播的无线电信号，且使用这些信号中含有的信息来确定从 接收器到所接收的卫星中的每一者的距离或范围。在已知卫星的轨道的情况下，于是可用 几何方式确定GPS接收器的绝对时间和位置。与GNSS无线电定位系统相反，已开发出惯性导航系统(INS)以便用独立的方式基 于允许导出速度方向和速度的嵌入式传感器信息来提供定位信息。INS系统通常包含专用 惯性测量单元(IMU)，例如加速计和螺旋仪。通常，INS系统能够提供更加可靠的定位信息， 但也相当昂贵且需要较高的处理能力。以下描述主要涉及GPS全球定位系统，如GNSS系统。然而，本发明不限于此特定 系统，而是也可在基于相同原理的无线电定位系统(例如，GL0NASS系统或GALILEO系统) 的接收器中使用，且可延伸到本发明可适用于的其它未来无线电定位系统。在原始GPS无线电定位系统的情况下，操作GPS卫星(也指示为宇宙飞船或SV) 中的每一者在分别参考为“Li”和“L2”且位于1572. 42MHz和1227. 60MHz的两个载波频率 下发射导航无线电信号。Ll和L2载波由两个数字测距代码序列调制，所述两个数字测距代 码序列称为C/A(粗捕获)代码和P(Y)代码，后者主要限于美国政府和军队。由商用GPS接收器使用的C/A代码在Ll和L2载波中调制。对于每一 GPS卫星 唯一的C/A代码是伪随机Gold代码，其包括1023个位或“码片”的重复，其中转变速率为 1.023MHz，且所述代码通常简称为PRN。C/A代码因此每毫秒自身重复。测距代码序列与共 用精确时间参考(由每一卫星上装载的精确时钟保持且与主时钟同步的“GPS时间”)同步。 使用C/A代码的PSK调制的效果是在IMHz的带宽上扩展经调制的信号的频谱。Ll和L2载波两者进一步携载50bps导航消息——NAV代码。所述导航消息含有 GPS卫星的坐标(作为时间的函数)、时钟校正和大气数据，以及其它信息。通过每当NAV 位为“1”时反转C/A代码的逻辑值且否则使其保持不变来对NAV消息进行编码。为了捕获这些代码和执行位置确定，GPS接收器针对每一所接收的卫星产生C/A 代码的一局部复本——PRN代码，其被调整为在接近于1. 023MHz的频率下运行的局部NC0。 随后将所述代码时间移位、在接收器的相关引擎中与接收到的信号相关，且在可根据噪声 电平而或长或短的时间内集成，直到针对特定值的时间移位获得相关值的峰值为止，所述 特定值的时间移位取决于接收器与卫星之间的距离。实现最优相关所需的时间移位量(或伪距离)是卫星与GPS接收器之间的距离的 指示。GPS的内部时钟通常受到相对于GPS卫星时钟的较大误差的影响。为了解决此误差， GPS接收器必须捕获至少四个卫星以提供位置确定，包括三个空间坐标χ、y、ζ和时间t。
GPS接收器试图在不太清楚或不知道卫星信号的位置的情况下在相位偏移-多普 勒位移空间中定位足够数目的卫星信号的阶段通常称为“捕获”状态。由于宇宙飞船和接收 器的运动的缘故，所以一旦找到峰值，其多普勒频率和相位偏移便不断改变。在“追踪”状 态下，系统必须跟随相关峰值的漂移，以便提供有效的位置确定。随GPS和其它GNSS系统出现的一个问题是信号强度(其对于地球表面上的GPS 信号通常为_130dBmW)在每当天空的视线受到阻碍时(且特别是在建筑物内)进一步衰减 时变得过弱。所达到的电平远远低于噪声底限，因此只能通过使用统计技术来接收所述信 号，且因此需要更多处理能力。在GPS信号接收质量较差且因此信噪比(SNR)过高的区域 (也叫做城市峡谷)中，GPS信号可能丢失。为了克服此问题，已提出无缝导航系统，以便处理暂时无法获得GPS信号的情况。第W02004/070号国际专利申请案揭示了一种基于紧密GPS/INS集成的导航解决 方案，其中卡尔曼(Kalman)滤波器处理来自相关传感器系统(例如惯性测量单元或IMU) 和GPS的数据，所述数据先前已通过共用时钟单元同步。此解决方案确实提供了导航的更 好的准确性和弹性，但另一方面其内在地意味着用于同步的大量硬件额外开销，且需要大 量处理能力。此解决方案因此不适合处理能力和空间有限的小型便携式装置。第US6876945号美国专利申请案提供了集成INS/GPS系统的另一实例，其中惯性 测量单元(IMU)与超声波多普勒速度测量传感器(UVM)之间的耦合在无法获得GPS信号时 提供了改进的无缝导航能力。UVM用以在GPS信号丧失期间辅助IMU,以便跟上集成导航系 统的准确性水平。此解决方案然而未使用任何视觉装置作为用于GPS辅助的备用数据供应
ο因此需要提供一种导航系统和方法，其在效率方面克服了上文提及的现有技术的 问题，且使用视觉装置。
发明内容
本发明的目标是充分利用可用资源为导航方法和系统提供更好的弹性。本发明的另一目标是提供一种使用从相机导出的位置数据的导航方法和系统。根据本发明，借助于在便携式装置中计算导航信息的方法来实现这些目标，所述 便携式装置包括经布置以从多个导航卫星接收导航信号的GNSS接收器，且包括用以从所 述导航信号中提取GNSS位置信息的GNSS处理器。所述GNSS接收器还经布置以从相机模 块获得图像数据。所述方法包括以下步骤-从相机模块导出一组位置信息；-将相机导出的位置信息提供到导航处理器；-使用所述组相机导出的位置信息和所述导航信号来产生GNSS接收器的位置确 定；-基于所述产生的位置确定来计算导航信息。还通过用于相机辅助的GNSS导航的装置来实现这些目标，所述装置包括相机模 块和GNSS模块，其通过接口连接到导航软件使用的导航备用模块。根据本发明的装置和方法提供一种无缝导航系统，其在GPS信号较弱或无法获得 时具备备用位置信息供应器，且其在处理能力方面的要求有限。其可容易地在现有的具备
4相机的便携式装置(如新一代移动电话)中集成和使用。
将借助对实施例的描述来更好地理解本发明，所述描述是以实例方式给出且由图 式加以说明，图式中图1展示根据本发明的包括GNSS、相机和补充导航模块的系统的逻辑视图；图2展示根据本发明常规和相机辅助的导航阶段的状态图。
具体实施例方式本发明是指一种在如图1上描述的便携式装置或主机系统101上运行的导航系统 和相关导航方法。主机系统101含有GNSS接收器104，优选为GPS接收器104，其集成RF 前端106 (其接收由卫星发送的导航信号112)和GNSS处理器105。GNSS接收器104可为 蜂窝式电话、PDA(便携式数字助理)等等中的模块；然而其也可以是可插拔模块中，所述可 插拔模块可借助于适当的总线连接到代管装置101，例如为GPS PC卡。根据图1上说明的优选实施例，“GPS接收器” 104通过通信接口 107耦合到主机 系统的相机模块102。将相机模块102描绘为具有其镜头113 ；其还含有传感器103，例如 CXD图像传感器或CMOS图像传感器。接口 107不但用于相机模块102与GNSS接收器模块104之间的连接；其还将模块 102、104两者连接到所谓的导航备用模块111。根据本发明的导航备用模块111是一借助 于常规卫星导航信号112以外的其它定位输入来源，在常规卫星导航信号112无法提供合 适且可靠的定位时辅助导航软件110的导航过程的模块。所述导航备用模块优选含有例如 监视卫星信号的信号强度的传感器管理器单元108，以及负责处理传感器数据输出且导出 位置信息的绘制模块109。根据本发明，除了卫星信号112以外使用的输入来源是由相机模块103提供的图 像数据。主要处理图像数据输出以便知道含有GNSS接收器104的便携式装置101目前是在 移动还是静止不动。可例如从相机模块记录的图像序列中导出一组位置信息，其于是允许 基于那些图像序列估计运动速度。虽然此导出位置信息的步骤据推测是由所谓的绘制模块 109实行，但对于运行图像数据处理算法的物理位置没有限制，且也可设想此算法可在嵌入 在相机模块102中的硬件上运行，这意味着绘制模块109在此情况下将以物理方式包含在 相机模块中。因此，从硬件实施方案的角度来看，图1上说明的实施例不应被认为是限制性 的，其用途主要是展示功能与模块之间的逻辑划分。从图像输出中导出位置信息的另一选择也可为使用地标特征。当在图像上辨认出 地标时(例如，由于图像处理算法提取所需的特征)，所提取的地标特征可允许检索精确位 置，只要此特征已与精确位置或地理坐标相关联即可，这例如是因为先前已辨认出地标并 使其与GPS确定的位置确定相关联。在此情况下，导出位置信息的步骤可简单地在于以存 储在装置101的存储器中(可能直接存储在相机模块102中)的一组已知位置绘制所提取 的特征。为了效率起见，用位置坐标绘制地标的步骤可离线进行。为了节省电力的目的，可能仅在GPS接收器104开启时执行地标特征辨认，而地标 特征可包含在当GPS接收器104关闭时已由相机拍摄的图像中。
导出一组位置信息(例如运动速度、方向)的步骤是提供与对于螺旋仪和加速计 或任何惯性测量单元的类似种类的辅助。所提议的辅助解决方案可能不会达到由惯性传感 器提供的精确度；然而，其有效率地利用现有资源，且不需要额外硬件，特别是当代管接收 器的装置已包含图像传感器时(经常是这种情况)。基于图像的辅助在功能上也容易使用， 仅有的要求是代管相机的装置101不是放在口袋里或任何其无法拍摄图像快照的地方。已从相机模块102导出的所述组位置信息被馈入到导航处理器，所述导航处理器 可为GNSS接收器104的GNSS处理器105 (例如DSP)，但此并非必须。在不同的实施例中， 其例如可为主机系统101的处理器，其通过共用总线连接到相机和GNSS模块102、104两 者。所述导航处理器使用所述组相机导出的信息和导航信号112两者，以便计算GNSS接收 器104的位置确定或位置坐标。用于定位过程的两组可获得的信息提供信息冗余，这给出 了最大的灵活性，从而增强系统的可靠性和弹性，例如在只能间歇性地获得GNSS导航信号 112的情况下。因此，所述组相机导出的位置信息既能用作备用信息又能用作补充信息。图2展示状态图，其说明根据本发明的方法的优选实施例，重点突出其弹性。一旦 导航开始(步骤201)，GNSS接收器104便进入信号捕获模式(步骤202)。在此步骤期间， 可在独立模式下(例如使用先前提到的地标)校准相机(步骤203)。也可能基于从卫星导 航信号112导出的基于卫星的位置信息来执行校准步骤203。GNSS接收器104与相机模块 102之间的耦合206允许考虑到所计算的基于GNSS的位置确定来处理相机导出的信息，并 执行所需的绘制和调整。在可在此阶段期间独立计算位置坐标的意义上，用于校准的耦合206的模式优选 是宽松的。根据图2上说明的优选实施例，GNSS组定位信息胜过相机导出的信息，因而校 准步骤203用虚线绘制，以便展示相机导航辅助处在被动模式。然而，也可能考虑相机模 块102和GNSS接收器根据紧密模式而耦合，且可在根据由模块102、104中的任一者提供的 最准确且可靠的信息来选择性地调整定位位置确定时，执行相互校准以便增强结果的准确 性。基于图像的辅助因此可如此被用以交叉检验从卫星信号导出的位置。根据图2的视图，导航过程在模式210中开始，其中仅使用GNSS信号来实行定位 过程(步骤202)。步骤204对应于选择性激活导航处理器中对相机导出的位置信息的使 用。当从所述多个导航卫星对所述导航信号112的接收较差或缺乏时，可进行此激活，由此 可提前确定阈值，例如SNR比的特定水平。所述激活可例如由传感器管理模块108触发，所 述传感器管理模块108执行导航模式中的切换(步骤207)，且开始阶段211，其中相机导出 的位置信息由导航处理器有效地使用。在此模式211中，当不再能获得卫星信号112时，相机辅助的导航可进入航位推测 (dead-reckoning)模式(未说明)。但是需要根据GNSS接收器104的运动的连贯性(其 需要保持均勻)来确认航位推测模式。因此，从相机模块102导出一组位置信息的步骤205 可包括功率管理特征，其具有用于航位推测模式的休眠模式循环。只要未检测到速度或方 向的变化，相机模块102就保持处在休眠模式。例如传感器管理模块108进行的激活需要更 多处理(例如，来自绘制模块109)，以用于在遵循GNSS接收器104的路径的同时导出位置 信息。根据本发明的此航位推测备用导航特征在步行运动的情况下或对于室内使用(其中 信号接收一般比户外差)可能相当有用。如下一段落中解释，当相机模块102辨认出例如 房间的相同环境时对位置未改变的指示是用于在重新开始新的信号捕获阶段时帮助GNSS
6导航过程的一则有用信息。例如当捕获且可靠地追踪到足够数目的卫星信号时，可撤消相机辅助模式。将切 换回去之前的检验步骤说明为与之前基于卫星信号112质量追踪使用的选择性激活步骤 204相同。在导航模式已切换回(步骤208)GNSS常规模式之后，另一阶段210'开始，其中 只使用卫星导航信号112。对于此新阶段210'，相机辅助阶段211将已允许基于所述组相 机导出的位置信息限制用于对卫星信号112的新捕获(步骤202')的搜索空间，且因此在 搜索过程中提供辅助，其将减少如此做所需的捕获时间和处理能力两者。虽然捕获时间的 此增加已在航位推测步骤或就在相机辅助步骤之后重点突出，但将明白此类帮助也可从导 航过程一开始201提供，且更具体来说未必在模式切换207、208之后提供。还将明白，箭头210、210'、211对应于其中有效地使用或不使用相机辅助的导航 模式的时间序列；反馈循环分别仅指示每一阶段中的锁定。所揭示的方法和导航系统用于容易地共同集成到任何具备相机的便携式装置 (像配备有GPS接收器的新一代移动电话)中。然而，针对硬件实施方案说明的实例不应被 认为在结构选择方面有限制性。所属领域的技术人员将容易理解，接口 107、模块108、109 和处理器105不应被解释为在电路选择以及所支持的标准和通信协议方面具有任何限制。 还可设想考虑一种解决方案，其中执行导航方法所需的模块大部分是基于软件而不是基于 硬件，从而使得与导航软件的协作更加容易。确切地说，提供这样的软件模块将是有利的其启动将执行从相机模块102导出 位置信息的步骤205以及相机辅助导航过程中涉及且在本文献中早先提到的任何步骤(包 含GNSS接收器104的位置确定产生和导航信息的计算)。可例如作为随GPS模块配送的导 航软件111的外接附件(add-on)来供应此模块。本发明不限于前述实例，而是在随附权利要求书的范围内允许若干变化形式和实 施例。所述相机可用来例如根据对道路图案的辨认来检测移动，例如用于通过辨认白线的 位置来检测路线的变化。本发明既不限于单个相机的情况，也不限于单镜头成像系统的情 况。本发明的方法还包含使用立体成像系统的情况。根据本发明的另一变化形式，从相机模块导出的位置信息不需要形成图像。例如 在驾驶时，相机可能会检测到环境光的突然变化，并推断出车辆已进入隧道或离开隧道。此 相机导出的位置信息可用来改进位置确定和计算导航信息。参考元件列表
101主机系统102相机模块103相机传感器(例如，CCD)104GNSS接收器模块105GNSS处理器
权利要求
一种在便携式装置(101)中计算导航信息的方法，所述装置(101)包括GNSS接收器(104)，其中所述GNSS接收器(104)经布置以从多个导航卫星接收导航信号(112)，且包括GNSS处理器(105)，用以从所述导航信号(112)中提取GNSS位置信息，所述GNSS接收器(104)进一步经布置以从相机模块(102)获得数据，所述方法包括以下步骤从所述相机模块(102)导出一组位置信息(205)；将所述组相机导出的位置信息提供到导航处理器；使用所述组相机导出的位置信息和所述导航信号来产生所述GNSS接收器(104)的位置确定；基于所述产生的位置确定来计算导航信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从由所述相机模块(102)记录的图像序列获得所 述组相机导出的位置信息，且所述方法包括根据所述图像序列估计所述接收器的运动的步骤。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中根据所述组相机导出的位置信 息与所述GNSS接收器(104)的均勻运动的一致性来确认航位推测位置估计模式。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括基于所述组相机导出 的位置信息来限制用于捕获从所述多个导航卫星接收的所述导航信号(112)的搜索空间 的步骤。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中当从所述多个导航卫星对所述 导航信号(112)的所述接收较差或缺乏时，选择性地激活(204)在所述导航处理器中对所 述组相机导出的位置信息的使用。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在来自所述相机模块 (102)的所述图像数据中辨认地标特征的步骤，其中所述从所述相机模块导出所述组相机 导出的位置信息(205)的步骤在于检索所述地标特征的先前已知位置。
7.根据前述权利要求所述的方法，其中仅在所述GNSS接收器(104)开启时执行所述辨 认地标特征的步骤，所述地标特征包含在当所述GNSS接收器关闭时由所述相机模块(102) 拍摄的先前图像中。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述从所述相机模块(102)导 出一组位置信息的步骤(205)包含功率管理特征。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括校准(203)所述组相 机导出的位置信息的步骤。
10.根据权利要求10所述的方法，其中通过耦合(206)到从接收自所述多个导航卫星 的所述导航信号(112)导出的基于卫星的位置信息来执行所述校准步骤。
11.一种计算机程序产品，其用于实行根据前述权利要求中任一权利要求所述的步骤。
12.一种用于相机辅助的GNSS导航的装置，其包括相机模块(102)和GNSS模块(104)， 所述相机模块(102)和GNSS模块(104)通过接口(107)连接到由实行根据权利要求1到 10中任一权利要求所述的步骤的导航软件(110)使用的导航备用模块(111)。
13.根据权利要求12所述的装置，所述导航备用模块(111)进一步包括用于管理所述 相机模块(102)和所述GNSS模块(104)的传感器(103、106)的传感器管理模块(108)。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中所述导航处理器是所述GNSS处理器(105)。
全文摘要
本发明提供一种在便携式装置中计算导航信息的方法，所述便携式装置包括经布置以从多个导航卫星接收导航信号的GNSS接收器，和用以从所述导航信号中提取GNSS位置信息的GNSS处理器。所述GNSS接收器还经布置以从相机模块获得图像数据。所述方法包括以下步骤从所述相机模块导出一组位置信息；将所述相机导出的位置信息提供到导航处理器；使用所述组相机导出的位置信息和所述导航信号产生所述GNSS接收器的位置确定；基于所述产生的位置确定计算导航信息。
文档编号G01S19/48GK101952737SQ200880124958
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者朱利安·比勒什 申请人:高通股份有限公司
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