СПОСОБ И ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ МОБИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD AND INSTRUMENT FOR MOBILE DEVICE HEIGHT DETERMINATION

Притязание на приоритет согласно 35 U.S.С.§119
Данная патентная заявка притязает на приоритет предварительной заявки №60/784,609 под названием "Улучшенное определение высоты мобильного устройства", поданной 20 марта 2006 г., права на которую принадлежат заявителю данной заявки и, таким образом, явно включена сюда посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится к мобильным устройствам и, в частности, к способу и прибору для точного определения высоты мобильного устройства.
Уровень техники
Определение позиции является важной и развивающейся особенностью сотовых телефонов и других карманных мобильных устройств. Наиболее распространенный подход к определению положения состоит во внедрении в мобильное устройство функции навигационного приемника глобальной системы позиционирования (GPS). Однако позиционирование на основе GPS имеет ограничения. Системы GPS не могут точно разрешать высоту. В некоторых более крупных и сложных устройствах, системы GPS дополнены высотомерами на основе измерения барометрического давления. Это обеспечивает значительное повышение точности высоты. Однако барометрический высотомер реагирует на изменения давления как на изменения высоты. Высотомер может выдавать неверные показания, когда человек входит или выходит из помещений и зданий, снабженных установками климат-контроля, или испытывает другие изменения давления окружающей среды. Настоящее изобретение минимизирует влияние изменений давления окружающей среды на определение высоты.
Возможность определять положение мобильного устройства, например сотового телефона, полезна в случае экстренных вызовов и для различных коммерческих целей, имеющих общее название Location Based Services (услуги на основе местоположения). Определение позиции на основе GPS базируется на определении расстояния, которое сигнал проходит от спутников GPS, поэтому оно не очень точно в средах внутри помещений и в других местах, где сигналы спутников могут блокироваться, искажаться или отражаться. Кроме того, поскольку спутники обычно находятся на большой высоте, позиция на основе GPS менее точна по высоте, чем по горизонтали. Таким образом, высотомеры на основе измерения давления были добавлены в более сложные системы GPS в прошлом. Однако добавление высотомеров не было реализовано в недорогих бытовых мобильных устройствах ввиду стоимости и размера. Существуют некоторые другие препятствия использованию этих решений, отвечающих уровню техники.
Локальное атмосферное давление может изменяться по трем причинам: изменение истинного атмосферного давления (изменения барометрического давления, связанные с погодой), изменения окружающей среды (переход в здание, где вентиляционная система поддерживает более высокое или низкое давление), и изменения высоты. Отделить эти другие эффекты для определения истинных изменений высоты трудно. Кроме того, чувствительность недорогих датчиков атмосферного давления изменяется с их температурой, поэтому изменения температуры можно по ошибке принять за изменения высоты.
Требуется решение этих проблем, которое позволило бы использовать датчики атмосферного давления в мобильных устройствах.
Сущность изобретения
Настоящие способ и прибор минимизирует влияние изменений давления окружающей среды и изменений температуры на определение высоты. Другие не решают эту проблему и считают ее ограничением для высотомеров на основе измерения давления. Данные способ и прибор предусматривают объединение информации давления с информацией от датчиков счисления пути, например акселерометров, гироскопов и датчиков геомагнитного поля, и информацией от датчиков температуры для отделения того, что составляет изменение высоты от изменения давления окружающей среды или температуры.
Простейшая реализация предусматривает использование датчиков движения для установления, покоится ли устройство. Если оно покоится, любые изменения измеренного давления должны быть связаны с окружающей средой, а не высотой, и поэтому должны использоваться для перекалибровки высотомера. Это позволяет системе автоматически минимизировать изменения барометрического давления (погодные) и температуры при измерениях высоты. Наиболее сложная реализация предусматривает алгоритмы, которые интерпретируют быстрое изменение давления, не связанное с вертикальным движением, как перемещение из одной среды в другую (например, вход в здание с подпором давления), и перекалибровывают высотомер с учетом изменения давления. Аналогично, при обнаружении вертикального ускорения скорость вертикального ускорения можно сравнивать со скоростью изменения давления и вносить соответствующие поправки в показания высоты.
Задачей настоящего изобретения является точное определение высоты мобильного устройства с учетом изменений в окружающей среде.
Преимущество настоящего изобретения состоит в простом и недорогом способе определения, какого типа изменение в окружающей среде происходит, и его отделении от изменений фактической высоты. Изобретение повышает эффективность недорогих датчиков давления, используемых в качестве датчика высоты.
Другие задачи, преимущества и признаки новизны, а также объем применимости настоящего изобретения будут изложены частично в нижеследующем подробном описании, приведенном совместно с прилагаемыми чертежами, и частично станут ясны специалистам в данной области техники по ознакомлении с нижеследующим материалом или могут быть изучены при практическом использовании изобретения. Задачи и преимущества изобретения могут быть реализованы и достигнуты посредством инструментариев и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены в описание изобретения и составляют его часть, иллюстрируют несколько вариантов осуществления настоящего изобретения и совместно с описанием служат для пояснения принципов изобретения. Чертежи предназначены только для иллюстрации предпочтительного варианта осуществления изобретения и не подлежат рассмотрению как ограничение изобретения. В чертежах:
фиг.1 - блок-схема, где изображены компоненты предпочтительного варианта осуществления;
фиг.2 - логическая блок-схема, показывающая этапы, предусмотренные для определения изменения фактической высоты типичного портативного устройства.
Подробное описание
Используемый здесь термин "мобильное устройство" означает устройство, например сотовый телефон, другое устройство беспроводной связи, портативный компьютер или другое мобильное устройство позиционирования.
0
В любом данном положении атмосферное давление обычно варьируется до 2% в зависимости от погодных условий (системы низкого давления против систем высокого давления). Локальное атмосферное давление также изменяется с высотой по экспоненциальному закону. Вблизи поверхности земли приведенная высота однородной атмосферы h равна около 9 км. Для высоты h над опорным положением давление определяется по формуле:
0
где р это атмосферное давление в опорном положении. Если бы атмосферное давление было постоянным, датчик давления можно было бы использовать для точного определения изменений высоты. Поскольку на давление влияют другие факторы, эту формулу нельзя применять непосредственно. Например, изменения давления, связанные с погодой, составляющие ±2%, эквиваленты изменению высоты на ±182 м. Очевидно, один лишь датчик давления нельзя использовать для определения высоты с разрешением в 1 м, что было бы желательно, например, для определения, на каком этаже здания находится владелец мобильного устройства.
В более сложном случае здания или помещения в зданиях могут поддерживаться под небольшим отрицательным или положительном давлении относительно улицы или других помещений, для управления потоком загрязняющих примесей или для управления нагревом и охлаждением. Например, из помещения, где поддерживается небольшое положительное давление, воздух всегда выходит при наличии отверстия или утечки. Это препятствует проникновению в него внешней пыли через отверстие. Этот метод широко используется в чистых производственных помещениях. Напротив, изолированное помещение, где, например, используются опасные испарения или биологически-опасные материалы, обычно поддерживается под немного более низким давлением, чем окружающие помещения, чтобы даже при наличии утечки воздух поступал внутрь, и опасные материалы оставались в помещении. Помимо этих специальных вариантов применения перепады давления используются в зданиях для поддержания потока нагретого или охлажденного воздуха в запланированном направлении для оптимизации контроля температуры в здании. Повышенное давление в здании также используется во избежание проникновения в здание пыли, смога или холодного воздуха при открытых дверях. Эти искусственные перепады давления обычно составляют около 0,05% от стандартного атмосферного давления, что эквивалентно изменениям высоты 4,4 м. Это гораздо меньше, чем изменения, связанные с погодой, но все же значительны по сравнению с обычной высотой этажа 3 м в здании.
В недорогих датчиках давления масштабный коэффициент (вольт/атмосфера) может варьироваться до 1% как температура изменений датчика. Это может создавать дополнительное эквивалентное изменение высоты 90 м. Поэтому без компенсации этих факторов невозможно использовать датчик давления для измерения высоты с разрешением около 1 м.
Использование датчиков давления в качестве высотомеров восходит к, по меньшей мере, первым шагам авиации, но техника всегда опиралась на информацию о текущем атмосферном давлении на уровне земли с последующей ручной компенсацией разности между измеренным давлением на уровне земли и стандартным давлением. Другие высотомеры, например, используемые путешественниками, опираются на установление пользователем высоты обратно на правильное значение всякий раз, когда он находится в известном положении. Это временно компенсирует изменения локального давления, вносимые погодой. Эти высотомеры обычно демонстрируют погрешность около 30-100 м и используются вне помещения, поэтому паразитные эффекты, обусловленные температурой и давлением окружающей среды, не столь значительны. В настоящее время нет продуктов, которые могли бы разрешать высоту в помещении и иметь разрешение менее 3 м, поэтому вопрос давлений внутри помещения остается нерешенным.
Настоящее изобретение предусматривает способ распознавания этих различных источников изменения показаний датчика давления и выявления тех изменений, которые действительно соответствуют изменению высоты. Информация от других датчиков используется для выявления источника изменения измеренного давления, как показано на фиг.1. На фиг.1 показана типичная система, входящая в состав мобильного устройства. Компоненты типичной системы включают в себя процессор 10 для сбора и манипулирования данными от различных датчиков. Процессор 10 может быть специализированным процессором или процессором общего назначения; оба варианта хорошо известны в технике. Датчики включают в себя один или несколько датчиков 12 давления, один или несколько датчиков 14 температуры и один или несколько датчиков 16 движения. Дополнительно, необходим компонент 18 памяти для хранения данных датчика для определения изменений заранее определенной окружающей среды в течение периода времени. Этот компонент, опять же, может быть специализированным или общего назначения.
На фиг.2 показана логическая блок-схема, показывающая логику, которая входит в определение изменения фактической высоты. Используемое здесь выражение "фактическая высота" означает более точную меру высоты по сравнению с полученной из предварительного измерения с помощью одного или нескольких датчиков давления. На первом этапе процесса производится измерение 20, определено ли изменение давления. Если давление не изменилось 22, система по умолчанию определяет, что высота не изменилась, и процесс повторяется, пока не будет зарегистрировано 24 изменение давления. Если зарегистрировано изменение давления, производится определение, измерили ли датчики движения перемещение 26 мобильного устройства. Если датчики движения зарегистрировали перемещение 28, на следующем этапе производится определение, произошло ли перемещение в вертикальном направлении 30. Если перемещение содержит вертикальную составляющую 32, изменение давления рассматривается как изменение 34 высоты, и процесс заканчивается 36. Если датчики движения не регистрируют никакого вертикального перемещения 56, изменение давления считается перемещением в другую среду 58, и процесс заканчивается 36 без изменения высоты.
Если датчики движения не регистрируют перемещение 38, процессор определяет, зарегистрировал ли датчик 40 температуры изменение температуры. В отсутствие изменения 42 температуры, изменение 24 давления считается изменением погодных условий 44, и процесс заканчивается 36. Поскольку изменение температуры само по себе ничего не определяет, предусмотрена дополнительная защита. При наличии изменения 46 температуры производится определение, соответствует ли скорость изменения температуры скорости изменения 48 давления. Если эти скорости изменения не согласуются 50, изменение 24 давления считается изменением погодных условий 44, и процесс заканчивается 36. Например, если известно, что показания датчика давления изменяются на 0,1% при изменении температуры на один градус, и датчик температуры выдает изменение температуры 10° за 10 минут, то показание давления должно измениться примерно на 1% за 10 минут вследствие изменения температуры. Если скорость изменения давления не равна приблизительно скорости изменения, которую должно было вызвать изменение температуры, значит изменение давления обусловлено каким-то другим фактором, а не температурой.
Если скорость изменения температуры соответствует скорости изменения давления 52, изменение давления рассматривается как изменение температуры, и датчики калибруются соответствующим образом 54, и процесс заканчивается 36.
Алгоритм можно дополнительно усовершенствовать, включив в него дополнительную информацию скорости изменения. Например, изменения, связанные с погодой, обычно происходят довольно медленно, демонстрируя постепенное изменение в течение часов, с последующей стабилизацией на новом значении. Прохождение через дверь в здание или помещение под избыточным давлением занимает порядка нескольких секунд, поэтому характеристика давления от температуры будет состоять из двух разных постоянных значений с резким переходом между ними порядка нескольких секунд. Аналогично, акселерометр, который измеряет движение в вертикальном направлении, будет демонстрировать определенное ускорение от временной характеристики. Она будет разной для человека, поднимающегося по лестнице, едущего на эскалаторе или в лифте, или поднимающегося в горы. Но в любом случае, высота, выведенная из давления, должна демонстрировать соответствующую временную характеристику. Чем лучше они согласованы, тем большую точность можно ожидать от высоты, выведенной из давления. Настоящее изобретение также можно использовать для высотомеров со встроенной температурной компенсацией, что избавляет от необходимости в датчике температуры. Датчики движения по-прежнему можно использовать для уточнения измерений высоты на основе давления.
Описанные здесь методологии можно реализовать различными средствами в зависимости от применения. Например, эти методологии можно реализовать в виде аппаратного обеспечения, программно-аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации. Для аппаратной реализации можно реализовать блоки обработки в одной или нескольких специализированных интегральных схемах (СИС), цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), устройств обработки цифровых сигналов (УОЦС), программируемых логических устройств (ПЛУ), вентильных матриц, программируемых пользователем (ППВМ), процессоров, контроллеров, микроконтроллеров, микропроцессоров, электронных устройств, других электронных блоков, предназначенных для осуществления описанных здесь функций, или их комбинаций.
Для программно-аппаратной и/или программной реализации методологии можно реализовать посредством модулей (например, процедур, функций и т.д.), которые осуществляют описанные здесь функции. Любой машинно-считываемый носитель, материально воплощающий инструкции, можно использовать в реализации описанных здесь методологий. Например, программные коды могут храниться в памяти, например памяти мобильного устройства, и выполняться процессором или микропроцессором. Память можно реализовать внутри процессора или вне процессора. Используемый здесь термин "память" относится к любому типу долгосрочной, краткосрочной, энергозависимой, энергонезависимой или другой памяти и не ограничивается никаким конкретным типом памяти или количеством блоков памяти, или типом носителя, на котором хранится память.
Хотя в этом документе шла речь о навигационной системе GPS, функция позиционирования не ограничивается этой конкретной методологией. Мобильное устройство может принимать сигналы от спутников навигационной системы Galileo (которая будет построена), ГЛОНАСС, NAVSTAR, GNSS, системы, которая использует спутники из комбинации этих систем или любой будущей спутниковой системы позиционирования ("SPS") для использования при определении положения. Используемый здесь термин SPS предусматривает также использование псевдоспутниковых систем. Технологии на основе GPS также широко используются для определения позиции мобильного устройства. Кроме того, спутниковые системы позиционирования можно использовать отдельно или совместно с наземными системами и методологиями позиционирования.
Хотя изобретение было подробно описано с конкретными ссылками на эти предпочтительные варианты осуществления, другие варианты осуществления позволяют добиться тех же результатов. Специалисты в данной области техники могут предложить вариации и модификации настоящего изобретения, и прилагаемая формула изобретения призвана охватывать все подобные модификации и эквиваленты. Полное раскрытие всех упомянутых здесь ссылок, заявок, патентов и публикаций, таким образом, включено посредством ссылки.