CN101101328A - Gps终端设备上矫正gps定位信号偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，包括接收相应的GPS定位数据、进行三维计算操作得到当前位置的定位数据信息、结合前两次的有效定位数据进行当前定位数据的有效性判断、根据结果将其丢弃或者作为有效数据判断是否存在误差、根据判断结果直接输出或者进行矫正处理后输出并显示在GPS终端设备上。采用该种GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，使异常数据不会对正常数据造成影响，提高了GPS定位的准确率；同时对于在可接受范围内但有偏差的数据进行矫正，提高了整体性能，使得误差范围从十米以上缩小到三米以内，扩大了GPS定位系统的使用范围，给人们的生产和生活带来了很大的便利。

Description

GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法

技术领域

本发明涉及GPS定位技术领域，特别涉及GPS终端设备定位误差校正技术领域，具体是指一种GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法。

背景技术

现代生活中，GPS定位系统已经越来越广泛的被应用，而现有技术中，GPS的基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户的GPS终端设备接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。但是由于信号传播的问题，接收机等等因素的影响会造成某些数据出现的偏差，从而可能导致定位的方向、运动速度等等的不准确，一般误差在十米以上，这样就使得GPS定位系统的优势大打折扣，无法充分满足某些场合的特定需要，给人们的生产和生活带来了很大的便利。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够判断并丢弃异常数据、在规定范围内矫正数据、定位准确率高、整体性能较好、适用范围较为广泛的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法。

为了实现上述的目的，本发明的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法如下：

该GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)GPS终端设备进行系统初始化操作；

(2)卫星周期性地发送GPS定位数据；

(3)GPS终端设备接收相应的GPS定位数据；

(4)根据该GPS定位数据进行三维计算操作，得到当前位置的定位数据信息；

(5)系统提取出前两次的有效定位数据，并结合所述的当前位置的定位数据信息进行当前定位数据的有效性判断操作；

(6)如果当前位置的定位数据信息不是有效数据，则将其作为异常数据丢弃，并重新等待接收下一次GPS定位数据；

(7)如果当前位置的定位数据信息是有效数据，则判断该定位数据信息是否存在误差；

(8)如果不存在误差，则系统直接输出该当前位置的定位数据信息；

(9)如果存在误差，则系统进行该定位数据的矫正处理操作，并输出矫正定位数据信息；

(10)系统将输出的定位数据信息显示在GPS终端设备上。

所述的三维计算操作为：

根据以下方程组计算出GPS终端设备的当前位置的定位数据信息(x，y，z)和GPS终端设备的系统时间t：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=d_1^2=C^2{(t-t_{01})}^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2={d_2^2}_{}{=C}^2{(t-t_{02})}^2\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=d_3^2=C^2{(t-t_{03})}^2\\ {(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2=d_4^2=C^2{(t-t_{04})}^2\end{array}\right.$

其中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别为各个卫星的位置数据信息，d₁、d₂、d₃、d₄分别为各个卫星的位置与GPS终端设备的当前位置之间的距离，C为速度常量，t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄分别为各个卫星的时间。

所述的当前定位数据的有效性判断操作包括以下步骤：

(1)根据以下公式得到误差矫正量K：

K＝(X₀-X₂)(Y₁-Y₂)-(X₁-X₂)(Y₀-Y₂)

其中(X₀，Y₀)、(X₁，Y₁)为前两次的有效定位数据的经纬度坐标信息，(X₂，Y₂)为当前定位数据的经纬度坐标信息；

(2)如果|K|大于系统预设的误差范围G₁，则返回当前位置的定位数据信息不是有效数据的结果；

(3)反之，则返回当前位置的定位数据信息是有效数据的结果。

所述的判断该定位数据信息是否存在误差包括以下步骤：

(1)如果误差矫正量G₂＜|K|≤G₁，则返回该定位数据为存在误差的有效数据的结果；

(2)如果误差矫正量0≤|K|≤G₂，则返回该定位数据为不存在误差的有效数据的结果；

其中G₂为误差矫正控制常量。

所述的进行定位数据的矫正处理操作为：

根据以下公式得到矫正定位数据的经纬度坐标信息P_D(X_D，Y_D)：

X_D＝K_XX-θ_rK_XY+X_T，Y_D＝θ_rK_YX+K_YY+Y_T

其中，(X，Y)为实际得到的定位数据的经纬度坐标信息，θ_r是矫正角度差，K_X和K_Y分别是经度和纬度的矫正放大因子，X_T和Y_T分别是经度和纬度的矫正位移因子。

采用了该发明的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，由于GPS终端设备系统将接收到的定位数据信息后经过多次三维计算得到多组数据，然后经过数据有效性判断，将异常数据丢弃，并对其他有效数据根据矫正算法进行矫正后输出，从而使异常数据不会对正常数据造成影响，提高了GPS定位的准确率；同时该发明的方法对于在可接受范围内但有偏差的数据进行矫正，不仅提高了GPS定位的效果，而且提高了整体性能，使得误差范围从十米以上缩小到三米以内，扩大了GPS定位系统的使用范围，给人们的生产和生活带来了很大的便利。

附图说明

图1为本发明的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法的卫星与GPS终端设备位置关系示意图。

图2为本发明的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法的工作流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1和图2所示，该GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，包括以下步骤：

(1)GPS终端设备进行系统初始化操作；

(2)卫星周期性地发送GPS定位数据；

(3)GPS终端设备接收相应的GPS定位数据；

(4)根据该GPS定位数据进行三维计算操作，得到当前位置的定位数据信息，该三维计算操作为：根据以下方程组计算出GPS终端设备的当前位置的定位数据信息(x，y，z)和GPS终端设备的系统时间t：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=d_1^2=C^2{(t-t_{01})}^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=d_2^2=C^2{(t-t_{02})}^2\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=d_3^2=C^2{(t-t_{03})}^2\\ {(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2=d_4^2=C^2{(t-t_{04})}^2\end{array}\right.$

其中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别为各个卫星的位置数据信息，d₁、d₂、d₃、d₄分别为各个卫星的位置与GPS终端设备的当前位置之间的距离，C为速度常量，t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄分别为各个卫星的时间；

(5)系统提取出前两次的有效定位数据，并结合所述的当前位置的定位数据信息进行当前定位数据的有效性判断操作，该有效性判断操作包括以下步骤：

(a)根据以下公式得到误差矫正量K：

K＝(X₀-X₂)(Y₁-Y₂)-(X₁-X₂)(Y₀-Y₂)，

其中(X₀，Y₀)、(X₁，Y₁)为前两次的有效定位数据的经纬度坐标信息，(X₂，Y₂)为当前定位数据的经纬度坐标信息；

(b)如果|K|大于系统预设的误差范围G₁，则返回当前位置的定位数据信息不是有效数据的结果；

(c)反之，则返回当前位置的定位数据信息是有效数据的结果；

(6)如果当前位置的定位数据信息不是有效数据，则将其作为异常数据丢弃，并重新等待接收下一次GPD定位数据；

(7)如果当前位置的定位数据信息是有效数据，则判断该定位数据信息是否存在误差，包括以下步骤：

(a)如果误差矫正量G₂＜|K|≤G₁，则返回该定位数据为存在误差的有效数据的结果；

(b)如果误差矫正量0≤|K|≤G₂，则返回该定位数据为不存在误差的有效数据的结果；

其中G₂为误差矫正控制常量，并可以根据精度和性能要求的不同而进行调节；

(8)如果不存在误差，则系统直接输出该当前位置的定位数据信息；

(9)如果存在误差，则系统进行该定位数据的矫正处理操作，并输出矫正定位数据信息，该矫正处理操作为：根据以下公式得到矫正定位数据的经纬度坐标信息P_D(X_D，Y_D)：

X_D＝K_XX-θ_rK_XY+X_T，Y_D＝θ_rK_YX+K_YY+Y_T

其中，(X，Y)为实际得到的定位数据的经纬度坐标信息，θ_r是矫正角度差，K_X和K_Y分别是经度和纬度的矫正放大因子，X_T和Y_T分别是经度和纬度的矫正位移因子；

(10)系统将输出的定位数据信息显示在GPS终端设备上。

在实际应用当中，本发明的方法的技术原理为：

用户接收到信息后经过多次三维计算得到多组数据，然后经过矫正算法，将异常数据丢弃，对其他有效数据进行校正，然后进行输出。

在实际的GPS定位系统中，定位信号数据误差的来源有以下几个方面：

●与卫星有关的误差

●与信号传播有关的误差

●与接收机有关的误差

●其它误差

在矫正算法中，为了得出一个普遍适用的数学模型，可以将每个点假设为一个数学参量。将得到的数据的每个点当作一个向量P_D，而该点的数据在实际中则当作向量P。

此外，我们假设一个参量M，通过这个参量可将P_D与P进行换算，即

P_D＝MP(1)

这里的M是一个转换矩阵，也是我们要研究的对象。如果能得到转换矩阵M中相关的数值，那么给定任一点T，我们就可换算出它的确切的对应点P_D。

现在假设任一点都与实际位置上的某点相对应，但要经过旋转、移位和放大处理。

如果按经度和纬度将每个点用(X，Y)两个坐标来表示，则所有的点都可通过以下方程式来表达：

P_D＝[X_D，Y_D]＝[R_Dcosθ_D，R_Dsinθ_D]

P＝[X，Y]＝[Rcosθ_D，Rsinθ_D]

如果两点之间存在一个角度差异，为了进行补偿，要进行旋转处理，即θ_r＝θ_D-θ，θ_r是角度差。这样便可得到一个中间点：

P′＝[Rcos(θ+θ_r)，R(θ+θ_r)]

将每个点的X坐标和Y坐标以不同的因子放大，得到K_X和K_Y。考虑放大因子可以得到以下方程式，它更准确地描述了点与点之间的对应关系：

P″＝[K_XRcos(θ+θ_r)，K_YRsin(θ+θ_r)]

最后，加上位移因子X_T和Y_T，得到点与点之间的对应方程式：

P_D＝[K_XRcos(θ+θ_r)+X_T，K_YR(θ+θ_r)+Y_T]    方程式5

为了将方程式5再次变换以求取方程式中的未知量，假设点与点之间有一个角度差θr，但这一角度极小，因此sinθ_R≈θ_r，而cosθ_r≈1.0。根据这一假设我们得出另两个十分有用的近似方程式：

cos(θ+θ_r)≈(cosθ-θ_rsinθ)

sinθ+θ_r)≈(sinθ+θ_rcosθ)

通过以下组合，方程式5可重新表示为：

P_D＝[K_XRcosθ-θ_rK_XRsinθ+X_T，K_YRsinθ+θ_rK_YRcosθ+Y_T]    方程式6

方程式6的优点在于，它采用点坐标。上述方程式也可转换为：

P_D＝[K_XX-θ_rK_XY+X_T，K_YY+θ_rK_YX+Y_T]    方程式7

方程式7利用本发明中原先的假设(即实际情况中的放大、旋转和位移因子均为常量)，除X和Y之外，上述方程式右边的各项均为常量。

通过采用更方便的方式表达X_D和Y_D坐标，我们可以得到各点之间的对应关系方程式：

X_D＝AX+BY+C

Y_D＝DX+EY+F

可见，只有当两点间角度差非常小时，才可运用上述公式。

对于校准矩阵，本发明在实际应用当中，需要选取3个点来收集校准信息。两个点是前两个获得的矫正后的点，一个是待矫正点，只需这3个点就可得到校准数据。

在经过了若干步中间数学推导步骤后，可以得出最后结论，将K作为各方程式的公分母，便可得出未知量：

K＝(X₀-X₂)(Y₁-Y₂)-(X₁-X₂)(Y₀-Y₂)

在此，根据判断|K|的大小，本发明就能推断出这个值是否可以接受。在误差的接受的容限内，使用者可以根据情况调整|K|的大小来进行校正，如果超出范围作为异常数据丢弃。经此校准算法后，能有效提高数据精度，提升GPS整体性能，精确范围从十米以上缩小到三米以内。

采用了上述的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，由于GPS终端设备系统将接收到的定位数据信息后经过多次三维计算得到多组数据，然后经过数据有效性判断，将异常数据丢弃，并对其他有效数据根据矫正算法进行矫正后输出，从而使异常数据不会对正常数据造成影响，提高了GPS定位的准确率；同时该发明的方法对于在可接受范围内但有偏差的数据进行矫正，不仅提高了GPS定位的效果，而且提高了整体性能，使得误差范围从十米以上缩小到三米以内，扩大了GPS定位系统的使用范围，给人们的生产和生活带来了很大的便利。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1、一种GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)GPS终端设备进行系统初始化操作；

(2)卫星周期性地发送GPS定位数据；

(3)GPS终端设备接收相应的GPS定位数据；

(4)根据该GPS定位数据进行三维计算操作，得到当前位置的定位数据信息；

(5)系统提取出前两次的有效定位数据，并结合所述的当前位置的定位数据信息进行当前定位数据的有效性判断操作；

(6)如果当前位置的定位数据信息不是有效数据，则将其作为异常数据丢弃，并重新等待接收下一次GPS定位数据；

(7)如果当前位置的定位数据信息是有效数据，则判断该定位数据信息是否存在误差；

(8)如果不存在误差，则系统直接输出该当前位置的定位数据信息；

(9)如果存在误差，则系统进行该定位数据的矫正处理操作，并输出矫正定位数据信息；

(10)系统将输出的定位数据信息显示在GPS终端设备上。

2、根据权利要求1所述的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，其特征在于，所述的三维计算操作为：

根据以下方程组计算出GPS终端设备的当前位置的定位数据信息(x，y，z)和GPS终端设备的系统时间t：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=d_1^2=C^2{(t-t_{01})}^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=d_2^2=C^2{(t-t_{02})}^2\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=d_3^2=C^2{(t-t_{03})}^2\\ {(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2=d_4^2=C^2{(t-t_{04})}^2\end{array}\right.$

其中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别为各个卫星的位置数据信息，d₁、d₂、d₃、d₄分别为各个卫星的位置与GPS终端设备的当前位置之间的距离，C为速度常量，t₀₁、t₀₂、t₀₃、t₀₄分别为各个卫星的时间。

3、根据权利要求1或2所述的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，其特征在于，所述的当前定位数据的有效性判断操作包括以下步骤：

(1)根据以下公式得到误差矫正量K：

K＝(X₀-X₂)(Y₁-Y₁)-(X₁-X₂)(Y₀-Y₂)，

其中(X₀，Y₀)、(X₁，Y₁)为前两次的有效定位数据的经纬度坐标信息，(X₂，Y₂)为当前定位数据的经纬度坐标信息；

(2)如果|K|大于系统预设的误差范围G₁，则返回当前位置的定位数据信息不是有效数据的结果；

(3)反之，则返回当前位置的定位数据信息是有效数据的结果。

4、根据权利要求3所述的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，其特征在于，所述的判断该定位数据信息是否存在误差包括以下步骤：

(1)如果误差矫正量G₂＜|K|≤G₁，则返回该定位数据为存在误差的有效数据的结果；

(2)如果误差矫正量0≤|K|≤G₂，则返回该定位数据为不存在误差的有效数据的结果；

其中G₂为误差矫正控制常量。

5、根据权利要求3所述的GPS终端设备上矫正GPS定位信号偏移的方法，其特征在于，所述的进行定位数据的矫正处理操作为：

根据以下公式得到矫正定位数据的经纬度坐标信息P_D(X_D，Y_D)：

X_D＝K_XX-θ_rK_XY+X_T，Y_D＝θ_rK_YX+K_YY+Y_T

其中，(X，Y)为实际得到的定位数据的经纬度坐标信息，θ_r是矫正角度差，K_X和K_Y分别是经度和纬度的矫正放大因子，X_T和Y_T分别是经度和纬度的矫正位移因子。

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