使用表面穿透雷达系统和广播传输监测车辆位置的制作方法

使用表面穿透雷达系统和广播传输监测车辆位置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年9月21日提交的美国临时专利申请号63/080,927的优先权和权益，并且其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
3.本发明总体上涉及车辆路线规划，尤其涉及使用表面穿透雷达(spr)系统的车辆路线规划。


背景技术：

4.已经开发了各种导航系统，为车辆驾驶员提供指定的起始位置和目的位置之间的路线规划。通常，从大型道路数据库中选择一条或多条路线。导航系统通常包括一个或多个位置确定设备，例如，全球定位系统(gps)接收机，以指示车辆相对于数据库中道路的当前位置。传统上，路线规划是基于某些用户指定的标准来执行的，例如，最短距离或最快行驶时间。在越野条件下，车辆在未铺路面的道路或轨道上行驶，这些道路或轨道可能以沙子、砾石、泥浆、雪、岩石和其他自然地形为特征，利用传统技术进行路线规划仍然具有挑战性。例如，根据条件和地形，越野行驶可能需要特别装备的车辆；然而，传统的导航技术没有考虑这些因素。
5.如美国专利号8,949,024中所述的，可以获得并分析沿车辆路径的表面和表面下特征的spr图像，以定位车辆，其全部公开内容通过引用结合于此。特别地，可以基于与先前获取的spr图像相关联的位置来建立位置。例如，可以通过图像相关或其他合适的技术将新的spr图像与先前获取的spr图像进行比较。
6.该方法可提供精确的位置信息，并且可获得速度信息。另一方面，gps系统可以使用两个gps点(位置)和gps接收机时钟(非常准确，定期与gps卫星上的原子钟同步)来报告速度。因此，需要旨在提高spr系统生成的位置信息的准确性的技术。


技术实现要素：

7.本发明的实施例利用具有探地雷达(gpr)天线阵列的spr系统来检测广播传输，并使用这些来改善定位。例如，gpr天线可以拾取am或fm无线电传输或wi-fi信号，并且可以使用这些信号来计算车辆的位置。
8.因此，在第一方面，本发明涉及一种导航系统，在各种实施例中，该导航系统包括：spr系统，包括被配置为接收spr信号和射频(rf)信号的gpr天线阵列；图像生成模块，用于将来自spr系统的信号处理成包括表面下特征的图像；rf接收模块，用于从spr系统提取rf信号；以及导航系统，用于至少部分基于rf信号、由图像生成模块生成的图像和至少一个参考spr图像来确定位置。
9.spr系统可以被配置为，如果rf发射机的位置已知，则：使用所提取的rf信号的感测功率电平来估计离rf发射机的距离；以及验证或校正基于gpr地图估计的位置。在一些实
施例中，gpr传感器阵列包括包含多个天线的水平gpr传感器阵列；spr系统可以被配置为，如果rf发射机的位置未知，则：作为地图的一部分，监测所接收的rf信号的功率电平随时间的变化，以估计车辆位置；以及基于多个天线中的至少一些天线上的到达时间差来估计rf信号的方向来源。
10.在一些实施例中，该系统还包括：从gpr天线阵列垂直移位的无线电天线，其中，gpr天线阵列上的到达时间差用于估计相对于rf发射机的位置的水平方向，并且其中，gpr天线阵列和无线电天线之间的到达时间差用于估计相对于rf发射机的位置的垂直方向。
11.在第二方面，本发明涉及一种导航方法，在各种实施例中，包括：接收spr信号和rf信号；将spr信号处理成包括表面下特征的图像；以及至少部分基于所接收的rf信号、图像和参考spr图像库来确定位置。
12.该方法可以还包括，如果rf发射机的位置已知，则：使用所接收的rf信号的感测功率电平来估计离rf发射机的距离；以及验证或校正基于gpr地图估计的位置。在一些实施例中，该方法还包括，如果rf发射机的位置未知，则：作为地图的一部分，监测所接收的rf信号的功率电平随时间的变化，以估计车辆位置；以及基于到达时间差来估计rf信号的方向来源。
13.在各种实施例中，该方法可以包括：基于gpr天线阵列上的rf信号到达时间差，来估计相对于rf发射机的位置的水平方向；以及基于gpr天线阵列和无线电天线之间的到达时间差，来估计相对于rf发射机的位置的垂直方向。例如，接收的rf信号可以用于提供粗略的位置估计，spr信号用于改进粗略的估计。
14.如本文所用，术语“基本上”是指
±
10％，在一些实施例中，是指
±
5％。在整个说明书中，对“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合示例描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个示例中。因此，短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施例”或“实施例”出现在本说明书各处，不一定都指同一示例。此外，特定的特征、结构、例程、步骤或特性可以以任何合适的方式在该技术的一个或多个示例中组合。本文提供的标题仅是为了方便，并不旨在限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。
附图说明
15.结合附图，将更容易理解前述和以下详细说明，其中：
16.图1a示意性示出了包括根据本发明的实施例的位置监测系统的示例性行驶车辆。
17.图1b示意性示出了一种替代配置，其中，位置监测系统的天线更靠近或接触路面。
18.图2示意性描述了根据本发明的实施例的示例性位置监测系统。
19.图3a-3d示意性描绘了根据本发明的实施例的位置监测系统的控制器和rf接收机模块的替代架构。
20.图4示意性示出了使用广播信号传输处理的位置监测系统的控制器的操作。
具体实施方式
21.首先参考图1a，图1a描绘了在预定路线104上行驶的示例性车辆102；车辆102设置有用于据此进行车辆导航的地形监测系统106。在各种实施例中，地形监测系统106包括spr系统108，该spr系统具有固定到车辆102前面(或任何合适的部分)的探地雷达(gpr)天线阵
列110。gpr天线阵列110通常平行于地面定向，并垂直于行进方向延伸。在替代配置中，gpr天线阵列110更靠近或接触路面(图1b)。在一个实施例中，gpr天线阵列110包括用于向道路发射gpr信号的空间上不变的天线元件的线性配置；gpr信号可以通过路面传播到表面下区域并向上反射。反射的gpr信号可以被gpr天线阵列110中的接收天线元件检测到。在各种实施例中，然后，处理和分析检测到的gpr信号，以生成沿着车辆102的轨迹的表面下区域的一个或多个spr图像(例如，gpr图像)。如果gpr天线阵列110不与表面接触，接收到的最强的回波信号可能是由路面引起的反射。因此，spr图像可以包括表面数据，即表示表面下区域与空气或局部环境的界面的数据。
22.为了定位，可将spr图像与先前为表面下区域获取和存储(例如，作为库)的spr参考图像进行比较，这些表面下区域至少部分地与限定路线的表面下区域重叠。图像比较可以是基于例如相关性的配准过程；参见例如上述’024专利和美国专利号8,786,485，其全部内容通过引用结合于此。然后，可以基于该比较来确定车辆102的位置。导航需要搜索参考图像的子集，以确定位置，并且减小该子集的大小可以提高效率。本文提供的位置信息的独立源减小该子集，提高了效率并减少了错误匹配的机会。为了减少图像查找的频率，车辆102可以配备连续记录前轮方位的传感器；结合里程表数据，这可以被控制器112用于基于先前已知的位置来执行当前位置的“航位推测”估计。如’024专利中所述，通过将当前spr图像与一个或多个先前获得的spr图像进行比较，可以进一步改进航位推测估计。
23.此外，基于获取的spr图像和spr参考图像的比较确定的位置数据可用于创建位置图，包括车辆102已行驶的路线。附加地或替代地，车辆102的位置数据可以与由现有地图(例如，谷歌地图)和/或一个或多个其他传感器或导航系统(例如，惯性导航系统(ins)、gps、声音导航和测距(sonar)系统、lidar系统、相机、惯性测量单元(imu)和辅助雷达系统)提供的数据结合使用，以引导车辆102。例如，控制器112可以将获得的spr信息定位到由gps生成的现有地图。例如，在’024专利中描述了利用spr系统进行车辆导航和定位的方法。
24.图2描绘了在车辆中实施的示例位置监测系统200，用于据此提供最佳路线。为了便于导航，spr系统200可以包括用户界面202，用户可以通过用户界面输入数据来定义路线，或者选择预定义的路线。根据路线从spr参考图像源204检索spr图像。spr系统200还包括具有gpr天线阵列110的移动spr系统206(见图1)。移动spr系统206的发射操作由控制器(例如，处理器)208控制，该控制器也接收由gpr天线阵列110检测的回波spr信号。移动spr系统206根据例如上述’024和’485专利生成路面下方的表面下区域的和/或gpr天线阵列110下面的路面的spr图像。spr图像包括代表表面下区域内和/或路面上的结构和物体的特征(例如，岩石、树根、巨砾、管道、空隙和土壤分层)以及指示表面下/表面区域中的土壤或材料属性的变化的其他特征。控制器208还包括射频(rf)接收机模块212或与其通信。
25.在各种实施例中，配准模块215将模块210提供的spr图像与从spr参考图像源204检索的spr图像进行比较，以确定车辆的位置(例如，车辆相对于路线上最近点的偏移)。在配准过程中确定的位置信息(例如，偏移数据或位置误差数据)可以被提供给转换模块218，该转换模块创建用于导航车辆的位置地图。例如，转换模块218可以生成针对车辆位置偏离路线而校正的gps数据。替代地，转换模块218可以从地图源220(例如，其他导航系统，例如，gps或地图服务)检索现有地图，然后将所获得的位置信息定位到现有地图。在一个实施例中，预定义路线的位置地图存储在系统存储器和/或控制器208可访问的存储设备中的数据
库222中。
26.在一些实施例中，由rf接收机模块212接收的信号的位置可从信号频率或内容中获得，这可有助于车辆的定位。例如，如果rf信号的频率是已知的，则转换模块218可以执行对该区域中fcc许可的发射机的简单查找(本地或经由互联网无线的方式)。例如，如果已知车辆(例如，基于gpr地图经由模块215、218)正在波士顿行驶，并且在98.5mhz处检测到强信号，则可以查找wbz发射机的位置，并且使用信号强度来估计距该位置的距离。调制解调器发射机(数字电视、蜂窝电话等)广播包含数字比特流的信号，除了数据和电信内容之外，该数字比特流还包括识别信息。该信息可以将特定的塔与其地理位置联系起来。转换模块218可以被配置为解码该比特流并且查找位置。发射机查找还可以从这种信息的公开来源或者从基于由如本文所述装备的车辆感测和上传的功率电平组装的数据库获得发射机的功率电平。
27.更一般地，rf接收机模块212可以使用gpr天线阵列110从rf发射机，例如，广播塔(例如，蜂窝(4g/gsm等)或具有固定或已知位置的wi-fi单元)，接收am或fm无线电传输或wi-fi信号。如果rf发射机的位置(在某些情况下，其功率电平)是已知的，则spr系统可以使用感测的功率电平来估计离rf发射机的距离，从而验证或校正基于gpr地图估计的位置。
28.即使rf发射机的位置是未知的，spr系统也可以监测接收到的无线电(或其他)信号的功率电平随时间的变化(在某些情况下，在阵列中的传感器上)，甚至结合近似地图，来更好地估计车辆位置；可以基于水平gpr传感器阵列中的天线上的到达时间差来估计信号的方向来源。汽车的常规无线电天线(其可以从gpr天线阵列垂直移位)可以用来进一步估计rf发射机源的位置。例如，gpr天线阵列上的到达时间差可用于估计水平方向，gpr天线阵列和车辆的无线电天线之间的到达时间差可用于估计到rf发射机源的垂直方向。或者，一个或多个其他天线可以从gpr天线阵列垂直移位，并代替车辆的无线电天线或作为其补充使用。
29.图3a示出了图2的控制器208和rf接收机模块212的示例。在图3a中，(图2的)控制器208包括gpr电路302和处理器322。除了源自tx天线324的反射gpr信号之外,(图1的)gpr天线阵列110经由接收(rx)天线304接收广播传输信号，例如，am无线电、fm无线电、wi-fi或另一rf信号。原始信号首先由第一滤波器306处理，该滤波器通过去除寄生带外信号来调节信号，然后由低噪声放大器308处理。gpr电路302接收来自低噪声放大器308的输出，以处理反射的gpr信号。混频器310还接收来自低噪声放大器308的低噪声放大信号，通过将其与来自rf可调振荡器312的信号混频来获取期望的广播传输信号，并将输出发送到第二滤波器314，第二滤波器进一步减少寄生带外信号。第二滤波器314输出到放大器316，该放大器输出到解调器318。放大器316是常规的，并且在工作频率范围周围提供合理线性的任何设计都是合适的；例如，不必是低噪声放大器。
30.模数转换器320接收来自解调器以及来自gpr电路302的输出，并将来自每一个的模拟信号转换为数字信号，以供处理器322使用。发射(tx)天线324被gpr电路用来发送gpr信号，用于spr处理。rx天线304也被gpr电路302用来接收反射的gpr信号，用于spr处理。例如，图3a的系统可以使用具有通用混合模拟/数字gpr的超外差模拟信号rf接收机。
31.图3b示出了图2的控制器208和rf接收机模块212的另一个示例。在图3b中，(图2的)控制器208包括gpr电路302和gpr处理器330。(图1的)gpr天线阵列110经由rx天线304接
收广播传输信号，例如，am无线电、fm无线电、wi-fi或另一rf信号。原始信号首先由第一滤波器306处理，然后由低噪声放大器308处理。gpr电路302接收来自低噪声放大器308的输出。第一模数转换器326也接收来自低噪声放大器308的低噪声放大信号，以将模拟信号转换成数字信号，以供rf处理器328使用。第二模数转换器320接收来自gpr电路302的输出，以将模拟信号转换成数字信号，以供gpr处理器330使用。tx天线324被gpr电路用来发送gpr信号，用于spr处理。rx天线304也被gpr电路302用来接收反射的gpr信号，用于spr处理。例如，图3b的系统可以使用具有混合模拟/数字gpr的数字rf接收机。
32.图3c示出了图2的控制器208和rf接收机模块212的另一个示例。在图3c中，(图2的)控制器208包括处理器322。(图1的)gpr天线阵列110经由rx天线304接收广播传输信号，例如，am无线电、fm无线电、wi-fi或另一rf信号。原始信号首先由滤波器306处理，然后由低噪声放大器308处理。模数转换器320从低噪声放大器308接收低噪声放大信号，以将模拟信号转换成数字信号，以供处理器322使用。处理器322输出到数模转换器332，以将来自处理器322的数字信号转换成模拟信号，放大器334可以在将放大的信号发送到tx天线324之前放大该模拟信号。tx天线324被gpr电路用来发送gpr信号，用于spr处理。rx天线304也被gpr电路302用来接收反射的gpr信号，用于spr处理。相对于图3a和3b所示的实施例，图3c的系统表示具有gpr的数字rf接收机的简化电路。
33.图3d示出了图2的控制器208和rf接收机模块212的另一个示例。在图3d中，示出了数字超外差rf接收机的处理。模数转换器rx输入336从rx天线304接收模拟输入，并将其转换成数字信号。混频器310从模数转换器rx输入336接收数字信号，将其与来自rf可调振荡器312的信号混频，并将输出发送到滤波器314。滤波器314输出到放大器316，放大器输出到解调器318。图3d示例的解调器318的下游处理可以类似于图3a所示的解调器318。
34.图4示出了使用广播信号传输处理的控制器208的操作示例。在图4中，rf信号输入402从rf处理器，例如，图3a和3c的处理器322或图3b的gpr处理器330，接收处理后的信号。地标提取模块404使用来自rf信号输入402的数据来识别rf信号的广播位置的确定位置附近的地标(例如，具有已知的或先前编目的位置的物理结构，例如，如图1所示的消防栓125)。地标提取模块404可以通过存储与特定类型的物理结构(如所提到的消防栓、交通信号、灯柱、标志等)相关联的回波信号的签名并且分析rf信号输入402的近似匹配来操作。匹配签名的幅度可以用于估计到地标的距离。或者，可以采用为对象检测和识别而编程的卷积神经网络，如在自动驾驶汽车中。
35.gpr导航滤波器406使用从地标提取模块404确定的地标以及先前地图408和gpr信号输入410，例如，图3a和3b的gpr电路302或图3c的处理器322，来提供导航信息。先前地图408可以是或包括先前存储的信息，例如，rf信号的位置、gpr信息、gps信息和车道标线层或类似信息；本质上，这是一个信号源、位置和功率电平图。例如，可以通过从互联网或政府网站上收集数据来组装，这些网站列出了这些信息，并可在服务器上下载。或者，可以通过上传许多配备spr的车辆在行驶时检测到的地标数据来生成。先前地图408可以是独立地图或者导航或自动驾驶车辆地图中的层。
36.地标提取模块404还可从先前地图408和gpr导航滤波器406接收信息，以识别地标的位置。基于地标的导航滤波器412也可以使用由地标提取模块404识别的地标来向gpr导航滤波器406提供粗略的搜索姿态，用于定位数据的额外细化。传感器融合导航滤波器414
将来自基于地标的导航滤波器412的输出与来自gpr导航滤波器406的高精度位置信息和来自其他传感器输入416的数据相结合，以生成跟踪导航滤波器的融合的高精度位置，用于在系统108中识别图1a的车辆102的当前位置。融合的高精度位置可以作为改进的搜索姿态反馈给gpr导航滤波器406，以进一步改进定位确定。
37.在车辆中实现的控制器208、图像生成模块210和rf接收机模块212可以包括在硬件、软件或二者组合中实施的一个或多个模块。对于功能被提供为一个或多个软件程序的实施例，程序可以用多种高级语言中的任何一种来编写，例如，python、fortran、pascal、java、c、c++、c#、basic、各种脚本语言和/或html。此外，软件可以用针对驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件被配置为在ibm pc或pc克隆上运行，则该软件可以用intel 80x86汇编语言来实现。软件可以包含在制造品上，包括但不限于软盘、跳跃驱动器、硬盘、光盘、磁带、prom、eprom、eeprom、现场可编程门阵列或cd-rom。使用硬件电路的实施例可以使用例如一个或多个fpga、cpld或asic处理器来实现。
38.本文使用的术语和表达用作描述性的术语和表达，而不是限制性的，并且在使用这些术语和表达时，没有排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物的意图。此外，已经描述了本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用包含本文公开的概念的其他实施例。因此，所描述的实施例在所有方面都应被认为仅仅是说明性的而非限制性的。

技术特征：
1.一种导航系统，包括：表面穿透雷达(spr)系统，包括被配置为接收spr信号和射频(rf)信号的探地雷达(gpr)天线阵列；图像生成模块，用于将来自所述spr系统的信号处理成包括表面下特征的图像；rf接收模块，用于从所述spr系统提取rf信号；以及导航系统，用于至少部分基于所述rf信号、由所述图像生成模块生成的图像和至少一个参考spr图像来确定位置。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述spr系统被配置为，如果rf发射机的位置已知，则：使用所提取的rf信号的感测功率电平来估计离所述rf发射机的距离；以及验证或校正基于gpr地图估计的位置。3.根据权利要求1所述的系统，其中：所述gpr传感器阵列包括包含多个天线的水平gpr传感器阵列；以及所述spr系统被配置为，如果所述rf发射机的位置未知，则：作为地图的一部分，监测所接收的rf信号的功率电平随时间的变化，以估计车辆位置；以及基于所述多个天线中的至少一些天线上的到达时间差来估计所述rf信号的方向来源。4.根据权利要求1所述的系统，还包括：从所述gpr天线阵列垂直移位的无线电天线，其中，所述gpr天线阵列上的到达时间差用于估计相对于所述rf发射机的位置的水平方向，并且其中，所述gpr天线阵列和所述无线电天线之间的到达时间差用于估计相对于所述rf发射机的位置的垂直方向。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述spr系统包括gpr系统。6.一种导航方法，包括：接收spr信号和射频(rf)信号；将所述spr信号处理成包括表面下特征的图像；以及至少部分地基于所接收的rf信号、所述图像和参考spr图像库来确定位置。7.根据权利要求6所述的方法，还包括，如果rf发射机的位置已知，则：使用所接收的rf信号的感测功率电平来估计离所述rf发射机的距离；以及验证或校正基于gpr地图估计的位置。8.根据权利要求6所述的方法，还包括，如果所述rf发射机的位置未知，则：作为地图的一部分，监测所接收的rf信号的功率电平随时间的变化，以估计车辆位置；以及基于到达时间差来估计所述rf信号的方向来源。9.根据权利要求6所述的方法，还包括：基于gpr天线阵列上的rf信号到达时间差，来估计相对于所述rf发射机的位置的水平方向；以及基于所述gpr天线阵列和无线电天线之间的到达时间差，来估计相对于所述rf发射机
的位置的垂直方向。10.根据权利要求6所述的方法，其中，所接收的rf信号用于提供粗略的位置估计，所述spr信号用于改进所述粗略的估计。

技术总结
一种定位系统利用探地雷达(GPR)天线阵列来检测用于改进定位的地面和地下道路特征以及广播传输。例如，GPR天线可以拾取AM或FM无线电传输或Wi-Fi信号，并且可以使用这些信号来计算或改进车辆的估计位置。计算或改进车辆的估计位置。计算或改进车辆的估计位置。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：GPR公司
技术研发日：2021.09.13
技术公布日：2023/7/22