CN113865776A - 协助室内导航的分布式气压计网络 - Google Patents

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Abstract

一种导航设备包括压力传感器、无线电装置、包括程序指令的存储器以及控制器，所述控制器可操作地被连接到所述压力传感器、无线电装置和存储器，并且所述控制器被配置成执行所述程序指令以：（i）从多个信标中的参考信标接收至少一个信号，（ii）基于所接收到的至少一个信号而确定参考关系曲线校正，以及（iii）基于所述参考关系曲线校正以及来自压力传感器的信号而确定导航设备的高度。

Description

协助室内导航的分布式气压计网络
本申请要求2013年3月15日提交的、序列号为61/792,166的美国临时申请的优先权权益，所述美国临时申请的公开内容作为一个整体通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开内容涉及用于确定高度的方法和***，并且具体地涉及一种将高度计校准到参考压力以供室内导航***使用的方法和***。
背景技术
高度计被用于确定在参考平面、通常为平均海平面或标准海平面以上的高度。一种类型的高度计基于大气压力的测量结果来确定高度。该类型的高度计称作压力高度计（pressure altimeter）或气压高度计（barometric altimeter）。大气压力是用于确定高度的适当媒介，因为随着高度增加，大气压力以已知的速率减小。
大气压力受包括天气的锋面（weather fronts）和温度的因素所影响；因此，在每次使用之前，压力高度计都被校准或对准到与已知高度相对应的参考压力。例如，飞行中的航空器中的压力高度计定期地被调整到本地海平面压力，以便实现适当准确的高度读取。
当将确定高度的压力高度计用作室内导航***的部分时，压力高度计应当被校准到受信任的参考压力以及尽可能接近于导航站点的相关联的已知高度。气象站、学校和机场通常被用作受信任的且可靠的参考压力和已知高度的源。成问题地，受信任的数据的这些源往往距离室内导航站点足够远，使得在所述导航站点处的大气压力不同于在源地处的大气压力。另外，在一些情形中，如与在建筑物以内的压力相比，大气压力在建筑物以外是不同的。压力中的差异往往由例如与建筑物相关联的加热、通风和冷却设备（“HVAC”）引起。因此，以上所述的大气压力中的差异通常导致被不适当校准的压力高度计，所述被不适当校准的压力高度计生成不准确的室内导航结果。
因此，值得期望的是提供一种用于确定合适的参考压力和相关联的已知高度来校准压力高度计以与室内导航***一起使用的方法和***。
发明内容
根据本公开内容的一个实施例，导航设备包括压力传感器、无线电装置、包括程序指令的存储器以及控制器，所述控制器可操作地被连接到所述压力传感器、无线电装置和存储器并且被配置成执行所述程序指令以从多个信标中的参考信标接收至少一个信号、基于所接收到的至少一个信号而确定参考关系曲线校正以及基于以下各项而确定导航设备的高度：（i）参考关系曲线校正，以及（ii）来自压力传感器的信号。
根据本公开内容的另一示例性实施例，一种确定导航设备的高度的方法包括：利用导航设备从多个信标中的参考信标接收至少一个信号；利用导航设备的控制器基于所接收到的至少一个信号而确定参考关系曲线校正；以及利用控制器通过使用以下各项来确定导航设备的高度：（i）参考关系曲线校正，以及（ii）来自导航设备的压力传感器的信号。
附图说明
通过参考以下的详细描述和附图，上述特征和优点以及其他的特征和优点对于本领域普通技术人员而言应当变得更加显而易见，在所述附图中：
图1是包括压力高度计的导航设备的框图；
图2是多级室内导航站点及其周围区域的框图，所述框图没有按比例示出；
图3是图示了操作图1的导航设备的方法的流程图；以及
图4是描绘了大气压力与高度的关系曲线的曲线图。
具体实施方式
为了促进对本公开内容的原理的理解，现在将参考在附图中图示的以及在以下书面说明中描述的实施例。可以理解的是，并没有由此意图对本公开内容的范围的任何限制。进一步可以理解的是，本公开内容包括对所图示的实施例的任何变更和修改，并且包括本公开内容的原理的另外的应用，如一般会被本公开内容所关于的领域中的技术人员所想到的那样。
如图1中所示，导航设备100包括显示器104、输入设备108、无线电装置112和高度计116，其中的每一个都被连接到控制器120。导航设备100通常是蜂窝式电话、智能电话、平板计算机等等。在一些实施例中，导航设备100是专用的电子导航工具。
显示器104是液晶显示器，其被配置成显示文本、图像以及其他可直观理解的数据。在另一实施例中，显示器104是如由本领域普通技术人员所期望的任何显示器，其包括但不限于有源矩阵有机发光二极管显示器。
输入设备108是应用在显示器104上的触摸屏。输入设备108被配置成响应于用户的手指或触控笔的接触。输入设备108被配置成使得用户能够录入文本数据并且操纵在显示器104上所示出的对象。在另一实施例中，输入设备108是键盘或被配置成生成输入信号的任何设备，如由本领域普通技术人员所期望的那样。
也称作无线发射器和接收器的无线电装置112可操作地被连接到控制器120并且被配置成经由蜂窝式网络、无线局域网（“Wi-Fi”）、个人局域网和/或任何其他无线网络而无线地发送和接收电子数据。因此，无线电装置112与任何期望的无线通信标准或协议相兼容，所述无线通信标准或协议包括但不限于IEEE 802.11、IEEE 802.15.1（“蓝牙”）、全球移动通信***（“GSM”）以及码分多址（“CDMA”）。因此，在至少一些实施例中，无线电装置112包括GPS接收器和/或用其他方法被配置成通过使用卫星导航***（诸如全球定位***（“GPS”））而接收信号并且确定其在地球上的位置。
高度计116包括压力传感器124并且可操作地被连接到控制器120。高度计116被配置成通过感测在靠近导航设备的区域中的大气/气压压力而基于导航设备100的目前的高度生成电信号。高度计116进一步被配置成利用已知的参考大气压力以及与所述已知的参考大气压力相关联的已知高度而被校准（或被对准）。高度计116包括电子电路（未示出），所述电子电路被配置成基于在以下各项之间的已知关系来计算其目前的高度：（i）所感测到的大气压力，（ii）已知的参考大气压力，以及（iii）与已知的参考大气压力相关联的已知高度。
控制器120至少包括处理器（未示出）以及存储器122，所述存储器122被配置成存储程序指令（即软件）。控制器120可操作地被连接到存储器122并且被配置成执行所述程序指令，以用于操作连接到那里的组件、诸如显示器104、输入设备108、无线电装置112以及高度计116。特别地，控制器120被配置成使显示器104示出导航设备100位于其中的地区的地图并且显示导航设备的高度。
电源（未示出）向控制器120和连接到那里的组件供应电力。在一个实施例中，电源是电池，诸如锂离子电池或任何其他电池，如由本领域普通技术人员所期望的那样。
在工作中，导航设备100被配置成通过使用所选的信标来校准高度计（其细节在下文被描述），所述所选的信标很可能基于导航设备的当前位置而供给可用于导航设备的最准确的参考大气压力和参考高度。
参考图2，描绘了示例性环境200，所述示例性环境200包括四层的建筑物204、左侧的蜂窝电话塔208、右侧的蜂窝电话塔212、学校216和机场220。环境200处于可以访问因特网224的位置中。示例性的数据服务器228被示为连接到因特网224。
建筑物204是示例性的多层建筑物，诸如办公大厦、医院、政府建筑物、商业购物中心或其中用户期望来自导航设备100的室内导航协助的任何其他结构。建筑物204包括位于该建筑物的第一楼层上的Wi-Fi热点232以及位于该建筑物的第四楼层上的另一Wi-Fi热点236。热点232、236使得导航设备100能够经由有线或无线的连接而连接到因特网224。
每个热点232、236都包括气压计单元240、244，所述气压计单元240、244被配置成感测在热点周围的地区中的大气压力。特别地，热点232测量建筑物204的第一楼层上的大气压力，并且热点236测量该建筑物的第四楼层上的大气压力。气压计单元240、244至少灵敏得足以确定在建筑物204的第一楼层和第四楼层（近似十米的高度差异）之间的大气压力中的差异。热点232、236近似实时地无线广播如由气压计单元240、244自主地且连续地感测到的大气压力。
蜂窝电话塔208包括气压计单元248，所述气压计单元248被配置成感测在蜂窝电话塔208周围的地区中的大气压力。蜂窝电话塔208是通常的蜂窝式通信塔，只是蜂窝电话塔208除发送和接收蜂窝式信号以外还近似实时地广播由气压计单元248所感测到的大气压力。
蜂窝电话塔212包括气压计单元252，所述气压计单元252被配置成感测在蜂窝电话塔212周围的地区中的大气压力。蜂窝电话塔212是通常的蜂窝式通信塔，只是蜂窝电话塔212除发送和接收蜂窝式信号以外还近似实时地广播由气压计单元252所感测到的大气压力。蜂窝电话塔212位于比蜂窝电话塔208更远离建筑物204处。例如，蜂窝电话塔208位于距离建筑物204三千米处，而蜂窝电话塔212位于距离建筑物204六千米处。
学校216是通常包括因特网连接的气象站的结构的例子。特别地，学校216包括气压计单元256，所述气压计单元256被配置成感测在学校周围的地区中的大气压力。气压计单元256被连接到因特网224，并且由气压计单元所感测到的大气压力近似实时地被上传到因特网服务器。学校216位于比蜂窝电话塔212更远离建筑物204处。例如，学校216位于距离建筑物204近似十千米处。
机场220是通常包括因特网连接的气象站的结构的另一例子。机场220包括气压计单元260，所述气压计单元260被配置成感测在机场周围的地区中的大气压力。气压计单元260被连接到因特网224，并且由气压计单元所感测到的大气压力近似实时地被上传到因特网服务器。机场220位于比学校256更远离建筑物204处。例如，机场220位于距离建筑物204近似十五千米处。
在图2的示例性环境200中，导航设备100被定位在建筑物204的第四楼层上。为了在建筑物204内充当导航设备100，导航设备确定他位于该建筑物的哪一楼层上，并且然后他在显示器104上显示该楼层的楼层平面图以及用户在该特定楼层上的位置。为了确定导航设备100当前位于哪一楼层上，该导航设备100将其目前的高度与每个楼层的已知高度进行比较；因此，高度计116被准确地校准通常是合乎需要的。
如图3中所示，导航设备100使用方法300，所述方法300被存储在存储器122中或在因特网224（图2）上，以校准高度计116。在框304中，导航设备100从附近的信标无线地接收广播信号。术语“信标”(如本文中所使用的那样)指的是这样一种设备：所述设备对包括至少大气压力数据的信号进行广播。在图2的环境200中，左侧蜂窝塔208、右侧蜂窝塔212、第一楼层热点232和第四楼层热点236是信标。而且，在至少一个实施例中，学校216和机场220是被考虑的信标，因为他们收集的大气压力数据经由到因特网224的连接而是可得到的。
接下来在框308中，导航设备100通过确定这些信标中的哪一个最靠近导航设备而确定所选的信标。如由本领域普通技术人员所期望的那样，导航设备通过使用任意距离确定方法来确定在他自身与每个信标之间的距离。示例性的距离确定方法包括通过使用对于每个信标的GPS位置的导航设备100的GPS定位来确定导航设备100的位置数据。这些信标的位置数据通常被存储在数据服务器228中，所述数据服务器228可以由无线电装置112查询或用其他方法通过因特网224而是可得到的。另一示例性的距离确定方法包括使用基于广播无线信号的信标的信号强度的算法。可替换地，在另一实施例中，用户通过查看如在显示器104上所示的可用信标并且然后使用输入设备108来选定所选的信标而选定所选的信标。在示例性的环境200中，所选的信标是第四楼层热点236，因为该信标最接近于导航设备100的位置。
在确定了所选的信标之后，接下来在框312中，导航设备100接收由所选的信标广播的参考压力数据。因为所选的信标是最靠近于导航设备100的信标，所以由所选的信标广播的压力数据提供最佳的可用的参考大气压力数据。
在框316中，接下来导航设备100确定与由所选的信标广播的参考大气压力相对应的参考高度。为了确定参考高度，导航设备100从广播信号接收信标的“名称”，通过使用无线电装置112而与数据服务器228建立通信链路，并且然后经由到因特网224的无线连接而查询数据服务器228（或另一位置服务，诸如谷歌地图（Google Map））。数据服务器228包括针对所选的信标的参考高度数据。导航设备100下载针对所选的信标的参考高度数据并且将所述数据用作参考高度。
接下来，在框320中并且参照图4，在已经确定了参考压力和相对应的参考高度之后，导航设备100校准高度计116。如本文中所使用的那样，术语“校准”和“对准”包括确定图4的曲线图上的参考关系曲线的定位。举例来说，示出了与示例性的“低”大气压力时期相对应的关系以及与示例性的“高”大气压力时期相对应的关系。为了解释清楚，曲线之间的压力方面的差异在图4中被放大。导航设备100通过将参考关系曲线与该曲线图上的与参考压力和参考高度相对应的点“对准”而校准高度计。在一个实施例中，导航设备100确定至少一个压力因子，所述至少一个压力因子在本文中也称作曲线校正，其用于将参考关系曲线缩放或偏移成与参考压力和参考高度对准。
在校准了高度计116之后，导航设备100准备好确定其目前的高度以及用户在建筑物204之内的位置，所述位置包括用户（和导航设备）位于其上的楼层。基于参考关系曲线校正以及由压力传感器124（其提供设备压力数据）所感测到的压力来确定导航设备100的目前的高度。
方法300导致与使用源自远离导航设备100的位置的参考大气压力和参考高度的校准方法相比更准确地被校准的高度计116。例如，不是执行方法300，导航设备100而是可能已经查询了因特网224，以接收如由机场260所确定的参考大气压力和参考高度。然而，机场260位于距离导航设备100许多千米处，并且很可能的是，由于局部气象状况（以及其他因素），大气压力在建筑物204处至少轻微不同，由此导致不太准确地被校准的高度计。
另外，当在与导航设备100相同的内部空间中测量参考大气压力时，方法300导致非常准确地被校准的高度计116，因为参考大气压力解释了通过如打开的窗户和加热、通风以及冷却设备（即HVAC设备）这样的事物所引起的室内压力波动的原因。
此外，方法300通常导致与通过使用群体感知（crowd sensing）而校准的高度计相比更准确地被校准的高度计116。在群体感知中，要被校准的传感器依赖于来自被构建到其用户自愿决定广播（包括大气压力的）传感器数据的消费者设备中的传感器的数据。这些设备的性能和位置通常没有被审核或被认证，并且因此来自这些源的数据的准确性是有问题的并且不适合用于室内导航。
在另一实施例中，信标对来自位于远离广播信标处的气压计单元的大气压力进行广播。例如，右侧的蜂窝电话塔212如果没有被装备有气压计单元252的话则可以广播位于学校216处的气压计单元256的大气压力数据。在该情形中，导航设备100查询因特网224以确定气压计单元256的定位和高度，而不是确定蜂窝电话塔212的定位和高度。
在又一实施例中，信标将大气压力数据传输到数据服务器228，而不是将大气压力数据直接广播到导航设备100。在这个实施例中，导航设备100从数据服务器228接收参考大气压力和参考高度。
虽然已经在附图和前述描述中详细图示并描述了本公开内容，但是所述附图和前述描述相称地应当被视为说明性的而非限制性的。可以理解的是，仅仅优选实施例已被呈现，并且落在本公开内容的精神范围内的所有改变、修改和另外的应用都期望得到保护。

Claims (20)

1.一种具有高度计的导航设备，其包括：
压力传感器；
无线电装置；
包括程序指令的存储器；以及
控制器，所述控制器可操作地被连接到所述压力传感器、无线电装置和存储器，并且被配置成执行所述程序指令以：
接收从多个信标中的通过确定哪个信标最靠近导航设备而被选作为参考信标的信标所广播的至少一个信号，来自所述参考信标的所述信号包括最佳的可用的参考大气压力数据，并且确定与由所述参考信标所广播的所述最佳的可用的参考大气压力数据相对应的参考高度；
基于所接收的所述至少一个信号确定参考关系曲线校正，其中所述参考关系曲线校正包括通过将参考关系曲线与图上的与最佳的可用的参考大气压力数据和参考高度相对应的点对准来校准所述高度计，其中所述参考关系曲线描述了所述高度与所述大气压力之间的关系，
以及
基于以下各项而确定导航设备的高度：（i）经校正的参考关系曲线，以及（ii）来自所述压力传感器的压力信号。
2.根据权利要求1所述的导航设备，其中，来自参考信标的所述至少一个信号还包括参考高度数据。
3.根据权利要求1所述的导航设备，其中，所述控制器还被配置成执行所述程序指令以：
通过使用无线电装置而与数据服务器建立通信链路；
查询数据服务器以确定参考信标的参考高度；
通过通信链路而从数据服务器获得参考高度数据；以及
基于参考高度数据而确定参考关系曲线校正。
4.根据权利要求1所述的导航设备，还包括：
可操作地被连接到所述控制器的显示器，
其中所述控制器还被配置成执行所述程序指令以：
在显示器上显示多个信标的信标列表，以及
参考多个信标中的被导航设备的用户选为参考信标的信标。
5.根据权利要求1所述的导航设备，其中，所述控制器还被配置成执行所述程序指令以：
计算多个信标中的每个信标距导航设备的距离；以及
选择多个信标中的最靠近导航设备的信标作为所述参考信标。
6.根据权利要求5所述的导航设备，其中，所述控制器还被配置成执行所述程序指令以：
确定导航设备的设备位置数据；
通过使用无线电装置而与数据服务器建立通信链路；
查询数据服务器以确定多个信标中的每个信标的位置；
通过通信链路而从数据服务器获得信标位置数据；以及
基于设备位置数据和信标位置数据而计算多个信标中的每个信标距导航设备的距离。
7.根据权利要求6所述的导航设备，其中：
无线电装置包括GPS接收器；以及
其中所述控制器还被配置成执行所述程序指令以基于由所述GPS接收器所接收到的信号而确定设备位置数据。
8.根据权利要求1所述的导航设备，其中，所述控制器还被配置成执行所述程序指令以基于参考关系曲线校正而对高度公式进行缩放。
9.根据权利要求1所述的导航设备，其中，所述控制器还被配置成执行所述程序指令以：
根据来自导航设备的压力传感器的信号而确定设备压力数据；以及
基于经缩放的高度公式和设备压力数据而计算导航设备的高度。
10.根据权利要求9所述的导航设备，其中，来自导航设备的压力传感器的信号基于气压压力。
11.一种确定导航设备的高度的方法，所述导航设备包括高度计，所述方法包括：
接收从多个信标中的通过确定哪个信标最靠近导航设备而被选作为参考信标的信标所广播的至少一个信号，来自所述参考信标的所述信号包括最佳的可用的参考大气压力数据并且确定与由参考信标所广播的最佳的可用的参考大气压力数据相对应的参考高度；
基于所接收的所述至少一个信号确定参考关系曲线校正，其中所述参考关系曲线校正包括通过将参考关系曲线与图上的与最佳的可用的参考大气压力数据和参考高度相对应的点对准来校准所述高度计，其中所述参考关系曲线描述了所述高度与所述大气压力之间的关系；
以及
基于以下各项而确定所述导航设备的高度：（i）经校正的参考关系曲线，以及（ii）来自压力传感器的压力信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，来自参考信标的所述至少一个信号还包括参考高度数据。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过使用所述导航设备而与数据服务器建立通信链路；
查询数据服务器以确定参考信标的参考高度；
通过所述通信链路而从数据服务器获得参考高度数据；以及
基于参考高度数据而确定参考关系曲线校正。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述导航设备的显示器上显示多个信标的信标列表；以及
参考多个信标中的被导航设备的用户选为参考信标的信标。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
确定多个信标中的每个信标距所述导航设备的距离；以及
选择多个信标中的最靠近所述导航设备的信标。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定每个信标的距离包括：
确定所述导航设备的设备位置数据；
通过使用所述导航设备而与数据服务器建立通信链路；
查询数据服务器以确定多个信标中的每个信标的位置；
通过通信链路而从数据服务器获得信标位置数据；以及
基于设备位置数据和信标位置数据而计算多个信标中的每个信标距所述导航设备的距离。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于参考关系曲线校正而对高度公式进行缩放。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括：
根据来自所述导航设备的压力传感器的信号而确定设备压力数据；以及
基于被缩放的高度公式和设备压力数据而计算所述导航设备的高度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，来自所述导航设备的压力传感器的信号基于气压压力。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，用户通过使用所述导航设备的触摸屏而选择多个信标中的参考信标。
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