將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

當(dāng)GPS信號(hào)較弱或暫時(shí)模糊時(shí)，壓力傳感器可大大增加導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

當(dāng)GPS信號(hào)被摩天大樓或高層建筑反射時(shí)，其信號(hào)傳播延遲增加，GPS接收器假設(shè)距離該衛(wèi)星的距離比實(shí)際情況要大。因此，垂直和水平精度下降（見圖1）。

圖1：GPS信號(hào)反射和GPS接收器的真實(shí)位置。

壓力傳感器可用于測(cè)量氣壓，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高度測(cè)量。如下所述，當(dāng)GPS信號(hào)較弱或暫時(shí)模糊時(shí)，這些測(cè)量值可大大增加導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

博世Sensortec BMP085非常適合此類應(yīng)用，因?yàn)槠淙娴姆庋b尺寸和電氣參數(shù)專門針對(duì)便攜式設(shè)備和超低功耗應(yīng)用。使用BMP085壓力傳感器，可以進(jìn)行多徑GPS信號(hào)檢測(cè)和抑制。

圖2：GPS接收器計(jì)算的位置。箭頭表示最小化的偏差誤差。

一種簡單的方法是比較GPS衛(wèi)星和BMP085之間的高度差異。如果不相關(guān)（參見圖3），導(dǎo)航系統(tǒng)可以假設(shè)發(fā)生GPS信號(hào)反射并將GPS位置標(biāo)記為無效。

圖3：GPS高度（藍(lán)色）確實(shí)如此由于GPS信號(hào)反射，與BMP085高度（紅色）無關(guān)。這里最大垂直GPS誤差約為45米。

如果可以在GPS算法中進(jìn)行緊密集成，建議采用三種提高精度的方法：

找出最匹配的衛(wèi)星集通過計(jì)算每個(gè)衛(wèi)星組合的位置來測(cè)量壓力傳感器的高度。多路徑信號(hào)被抑制，因?yàn)樗鼈儠?huì)將計(jì)算位置推到真實(shí)位置下方（參見圖2）。

如果計(jì)算能力有限，請(qǐng)執(zhí)行以下三步計(jì)算：

根據(jù)可用的所有衛(wèi)星計(jì)算位置（參見圖2）。

使用BMP085的高度數(shù)據(jù)調(diào)整垂直位置（參見圖4）。非多徑和多徑GPS信號(hào)之間的偏差差別很大。

gnore衛(wèi)星偏差過高。重新執(zhí)行位置計(jì)算（參見圖5）。

通過在地球表面強(qiáng)制計(jì)算數(shù)學(xué)上最可能的位置，降低自由度。橢圓體，由BMP085提供的高度放大。除了這會(huì)在一定程度上抑制多徑信號(hào)的事實(shí)之外，如果只有三顆衛(wèi)星在視野中，水平精度會(huì)顯著提高。

圖4：垂直位置隨海拔高度而變化BMP085。箭頭表示每個(gè)的最小誤差。

圖5：GPS接收器計(jì)算的位置，如果忽略多徑GPS信號(hào)。

我們強(qiáng)調(diào)這樣一個(gè)事實(shí)，即使沒有校準(zhǔn)，建議的方法也可以工作壓力傳感器到海平面的精確壓力 - 只看高度變化。例如，不是找到最符合BMP085高度的衛(wèi)星組，而是找到一個(gè)組合，其與上一個(gè)GPS位置的高度差最佳地匹配BMP085提供的兩個(gè)相應(yīng)高度之間的差異（見圖6a和b） 。

圖6a：由于高度差不匹配，這種衛(wèi)星組合包含多徑GPS信號(hào)。

圖6b：當(dāng)高度差匹配時(shí)，多徑GPS信號(hào)是抑制。

請(qǐng)注意，由于天氣變化，應(yīng)該每分鐘提供一次可靠的高度 - 通過GPS或3D地圖信息 - 如果需要絕對(duì)高度，則重新校準(zhǔn)壓力傳感器。

隧道中的估計(jì)

由于導(dǎo)航系統(tǒng)無法在隧道中接收GPS信號(hào)，并且重新獲取最多需要15秒，因此如果交叉點(diǎn)位于隧道內(nèi)部或之后，則需要進(jìn)行距離估算。在本節(jié)中，我們建議使用BMP085作為高度計(jì)進(jìn)行距離估算的方法有坡度的隧道

這種方法（見圖7）涉及測(cè)量隧道入口與汽車實(shí)際高度之間的確切高度差。三維地圖信息使導(dǎo)航系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地估計(jì)隧道中覆蓋的距離。與傳統(tǒng)的距離估計(jì)相比，基于隧道內(nèi)部和內(nèi)部速度相同的假設(shè)，此方法不受速度變化的影響。

圖7：測(cè)量具有斜率的隧道中的距離。以下示例（圖8，9，10和11）演示了此方法的效率。

圖8：德國黑森林隧道中BMP085（紅色）和GPS（藍(lán)色）的海拔高度剖面圖。

圖9：海拔高度差異隧道入口和出口。

海拔差異：38米

海拔高度分辨率：0.3米

隧道長度：1100米

- 如果斜率是線性的，則距離分辨率《10 m。假設(shè)斜率恒定，可以使用以下公式估算距離分辨率：

圖10：海拔高度德國斯圖加特隧道中的BMP085（紅色）和GPS（藍(lán)色）的文件。

圖11：隧道入口和出口之間的海拔差異。

請(qǐng)注意偏差在隧道入口之前由GPS和BMP085提供的高度之間是由于陡峭和樹木繁茂地區(qū)的衛(wèi)星能見度有限。

海拔差異：40米

海拔分辨率： 0.3 m

隧道長度：1200 m

- 如果斜率是線性的，距離分辨率《10 m。沒有斜坡的隧道

沒有斜坡的城市隧道里面的斜坡大多通過地下。因此，它們可能在入口之前和隧道出口之后有一個(gè)斜坡（見圖12）

圖12：隧道出口后的斜率。

這些斜率可以用BMP085壓力傳感器檢測(cè)，用作高度計(jì)。因此確定隧道出口比使用GPS接收器要快得多，因?yàn)橹匦芦@取GPS信號(hào)可能需要幾秒鐘。

圖13：滑路進(jìn)入高速公路進(jìn)入東京（日本）。

識(shí)別進(jìn)入或離開高速公路的支路如何由于非軍用GPS的水平精度差，通過非常接近的道路是難以區(qū)分的。 》如果有進(jìn)入或離開高速公路的支路，BMP085通過指示道路的坡度為導(dǎo)航系統(tǒng)提供基本信息。

如果車輛在當(dāng)?shù)剀嚨郎闲旭偅ㄒ妶D13a），高度變化是相反，如果它進(jìn)入高速公路（見圖13b），使用BMP085壓力傳感器可以非常可靠地檢測(cè)到高度變化。

請(qǐng)注意，即使GPS提供高度信息，它也不一致，準(zhǔn)確到足以可靠地檢測(cè)斜坡。

結(jié)論

GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)在開闊的國家是高度可靠的，但是當(dāng)他們穿越隧道或城市峽谷時(shí)，它們的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響，特別是當(dāng)車輛出現(xiàn)在不同的高度時(shí)。將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)精確的高度測(cè)量，當(dāng)GPS信號(hào)距離較弱或暫時(shí)模糊時(shí)，可大大增加此類系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。