将压力传感器集成到GPS系统实现更高精度定位

当GPS信号较弱或暂时模糊时，压力传感器可大大增加导航系统的精度。

当GPS信号被摩天大楼或高层建筑反射时，其信号传播延迟增加，GPS接收器假设距离该卫星的距离比实际情况要大。因此，垂直和水平精度下降（见图1）。

图1：GPS信号反射和GPS接收器的真实位置。

压力传感器可用于测量气压，实现准确高度测量。如下所述，当GPS信号较弱或暂时模糊时，这些测量值可大大增加导航系统的精度。

博世Sensortec BMP085非常适合此类应用，因为其全面的封装尺寸和电气参数专门针对便携式设备和超低功耗应用。使用BMP085压力传感器，可以进行多径GPS信号检测和抑制。

图2：GPS接收器计算的位置。箭头表示最小化的偏差误差。

一种简单的方法是比较GPS卫星和BMP085之间的高度差异。如果不相关（参见图3），导航系统可以假设发生GPS信号反射并将GPS位置标记为无效。

图3：GPS高度（蓝色）确实如此由于GPS信号反射，与BMP085高度（红色）无关。这里最大垂直GPS误差约为45米。

如果可以在GPS算法中进行紧密集成，建议采用三种提高精度的方法：

找出最匹配的卫星集通过计算每个卫星组合的位置来测量压力传感器的高度。多路径信号被抑制，因为它们会将计算位置推到真实位置下方（参见图2）。

如果计算能力有限，请执行以下三步计算：

根据可用的所有卫星计算位置（参见图2）。

使用BMP085的高度数据调整垂直位置（参见图4）。非多径和多径GPS信号之间的偏差差别很大。

gnore卫星偏差过高。重新执行位置计算（参见图5）。

通过在地球表面强制计算数学上最可能的位置，降低自由度。椭圆体，由BMP085提供的高度放大。除了这会在一定程度上抑制多径信号的事实之外，如果只有三颗卫星在视野中，水平精度会显着提高。

图4：垂直位置随海拔高度而变化BMP085。箭头表示每个的最小误差。

图5：GPS接收器计算的位置，如果忽略多径GPS信号。

我们强调这样一个事实，即使没有校准，建议的方法也可以工作压力传感器到海平面的精确压力 - 只看高度变化。例如，不是找到最符合BMP085高度的卫星组，而是找到一个组合，其与上一个GPS位置的高度差最佳地匹配BMP085提供的两个相应高度之间的差异（见图6a和b） 。

图6a：由于高度差不匹配，这种卫星组合包含多径GPS信号。

图6b：当高度差匹配时，多径GPS信号是抑制。

请注意，由于天气变化，应该每分钟提供一次可靠的高度 - 通过GPS或3D地图信息 - 如果需要绝对高度，则重新校准压力传感器。

隧道中的估计

由于导航系统无法在隧道中接收GPS信号，并且重新获取最多需要15秒，因此如果交叉点位于隧道内部或之后，则需要进行距离估算。在本节中，我们建议使用BMP085作为高度计进行距离估算的方法有坡度的隧道

这种方法（见图7）涉及测量隧道入口与汽车实际高度之间的确切高度差。三维地图信息使导航系统能够准确地估计隧道中覆盖的距离。与传统的距离估计相比，基于隧道内部和内部速度相同的假设，此方法不受速度变化的影响。

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

图8：德国黑森林隧道中BMP085（红色）和GPS（蓝色）的海拔高度剖面图。

图9：海拔高度差异隧道入口和出口。

海拔差异：38米

海拔高度分辨率：0.3米

隧道长度：1100米

- 如果斜率是线性的，则距离分辨率《10 m。假设斜率恒定，可以使用以下公式估算距离分辨率：

图10：海拔高度德国斯图加特隧道中的BMP085（红色）和GPS（蓝色）的文件。

图11：隧道入口和出口之间的海拔差异。

请注意偏差在隧道入口之前由GPS和BMP085提供的高度之间是由于陡峭和树木繁茂地区的卫星能见度有限。

海拔差异：40米

海拔分辨率： 0.3 m

隧道长度：1200 m

- 如果斜率是线性的，距离分辨率《10 m。没有斜坡的隧道

没有斜坡的城市隧道里面的斜坡大多通过地下。因此，它们可能在入口之前和隧道出口之后有一个斜坡（见图12）

图12：隧道出口后的斜率。

这些斜率可以用BMP085压力传感器检测，用作高度计。因此确定隧道出口比使用GPS接收器要快得多，因为重新获取GPS信号可能需要几秒钟。

图13：滑路进入高速公路进入东京（日本）。

识别进入或离开高速公路的支路如何由于非军用GPS的水平精度差，通过非常接近的道路是难以区分的。 》如果有进入或离开高速公路的支路，BMP085通过指示道路的坡度为导航系统提供基本信息。

如果车辆在当地车道上行驶（见图13a），高度变化是相反，如果它进入高速公路（见图13b），使用BMP085压力传感器可以非常可靠地检测到高度变化。

请注意，即使GPS提供高度信息，它也不一致，准确到足以可靠地检测斜坡。

结论

GPS汽车导航系统在开阔的国家是高度可靠的，但是当他们穿越隧道或城市峡谷时，它们的准确性会受到影响，特别是当车辆出现在不同的高度时。将压力传感器集成到GPS系统中可实现精确的高度测量，当GPS信号距离较弱或暂时模糊时，可大大增加此类系统的准确性。