CN101424735B - 全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法，涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统。所述方法包括：利用原始定位结果计算可变阶的拟合多项式，在信号正常时利用拟合多项式对定位结果进行平滑；在信号缺失时利用拟合多项式进行外推，以期越过信号缺失区，实现短暂的持续定位。这种方法既适用于任意类型的GPS接收机的基带处理芯片内部，也适用于以GPS基带处理芯片为核心的接收机系统。该方法能够明显地提高定位精度，减少误差，实现信号缺失下的外推，同时明显地降低定位结果延迟，保证定位结果的实时性。

Description

全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航系统领域，尤其涉及针对全球定位系统定位结果的后平滑处理及信号缺失情况下外推定位的领域。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩展频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩展信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(alamanc)。历书是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

由于各种系统误差的综合作用，接收机获得的原始定位结果存在一定相对误差。这些误差包括卫星时钟误差、星历预测误差、相对论效应、电离层效应、对流层效应、接收机噪声和多径效应。由于这些误差的存在，往往需要进一步对原始数据进行处理，以提高定位精度。一个常用的方法是对原始定位数据流进行平滑，也即低通滤波。常规的方式使用固定长度的数据进行滑动平均，虽然简单易行，但存在一些显而易见的缺点。平均所用的数据长度太短，则平均后结果方差依然很大，精度较低；平滑用的数据长度太长，平滑后结果延迟较大，降低了导航的实时性。对于高速运动的接收机，这个问题尤为明显，限制了很多导航应用。如何高效地实现高精度、低方差、小延迟的平滑是GPS接收机一个重要的研究方向。

GPS接收机经常遇到GPS信号缺失的情况，特别是在GPS接收机运动和遮挡物较多的情况下。一个典型的场合是城市中行驶的车载GPS定位接收机。行驶的车辆经常遭遇各种桥梁、建筑物、隧道等遮挡物的遮挡，使接收机无法接收到足够信噪比的GPS信号，进而出现定位中断的情况。而绝大多数情况下，这种定位中断维持的时间很短，通常在数秒到数分钟级别。由于物体运动的性质，GPS信号缺失前后接收机状态有强烈的相关性，这些相关性包括：信号缺失前后接受机位置是连续的，接收机速度不会突变，以及接收机运动方向不会突变。如何利用这些相关性，对信号缺失期间接收机位置进行外推以实现短暂的持续定位GPS接收一个重要的研究方向。现有方案多是使用卡尔曼滤波解算用户定位方程的附加效果实现这一功能，算法复杂，而且不够灵活，外推的时间短，通常仅有几秒。

发明内容

本发明目的是提供一种全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法。包括利用原始定位结果计算可变阶的拟合多项式，在信号正常时利用拟合多项式对定位结果进行平滑；在信号缺失时利用拟合多项式进行外推。

进一步，所述平滑方法包括以下步骤：

获得接收机的原始定位结果；

写入平滑缓存；

计算接收机的速度；

根据接收机速度自适应地确定数据窗的长度；

计算拟合关键点；

利用拟合关键点计算拟合多项式系数；

根据拟合多项式系数计算平滑后的定位结果。

进一步，所述平滑方法中所述数据窗的长度与接收机的速度成正比。

进一步，所述平滑方法中所述计算接收机速度的方法是载波相位法和卡尔曼滤波法。

进一步，所述平滑方法中所述拟合多项式的阶数与接收机的速度成正比。

所述信号缺失下的外推方法包含以下步骤：

检测信号是否缺失，判断是否进入外推流程；

确定是否满足外推时间；

读取拟合多项式系数；

利用拟合多项式外推定位结果。

进一步，所述信号缺失下的外推方法中所述外推时间由外推计数器决定。

进一步，所述信号缺失下的外推方法中当更新的定位原始结果和计算出的平滑值差距超过预设门限时，则认为更新是错误定位点，放弃写入平滑缓冲区的操作，将该值排除出平滑的计算过程。

进一步，所述信号缺失下的外推方法中，如果接收机可以获取额外的接收机运动状态，则如果当前运动状态和信号缺失前运动状态相差太大即终止外推。

这种定位结果平滑及信号缺失下的外推方法既适用于任意类型的GPS接收机的基带处理芯片内部，也适用于以GPS基带处理芯片为核心的接收机系统。该方法能够明显地提高定位精度，减少误差，实现信号缺失下的外推，同时明显地降低定位结果延迟，保证定位结果的实时性。该方法相对其他方法简单易用，方便灵活，复杂度大大降低。

附图说明

图1是典型的全球定位系统接收机实现定位的示意图；

图2是典型的GPS接收机定位流程；

图3是本发明针对全球定位系统定位结果的平滑方法的流程框图；

图4是信号缺失情况下定位结果外推的流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1描述了一个典型的全球定位系统接收机实现定位的示意图。已知四颗卫星的位置以及这四颗卫星发射信号到达接收机的时间，即可以计算出接收机的位置和接收机时间相对卫星星载时钟时间的误差值。应当理解，由于各种系统误差的综合作用，接收机获得的原始定位结果存在一定相对误差，这些误差包括卫星时钟误差、星历预测误差、相对论效应、电离层效应、对流层效应、接收机噪声和多径效应。由于这些误差的存在，往往需要进一步对原始数据进行处理以提高精度。一个常用的方法是对原始定位数据流进行平滑，也即低通滤波。常规的方式使用固定长度的数据进行平均，虽然简单易行，但存在一些显而易见的缺点：平滑算法过于简单，平滑效果有限。同时平滑所用的数据长度太短，则平滑后结果方差依  然很大，精度较低；平滑用的数据长度太长，平滑后结果延迟较大，降低了导航的实时性。对于高速运动的接收机，这个问题尤为明显，限制了很多导航应用。本发明提出了一种自适应数据窗长度的拟合平滑方法，能够高效地解决上述问题。

GPS系统需要至少4颗卫星才可以实现定位，(有些接收机可以利用三星卫星实现二维定位)。当由于遮挡等原因，可见卫星数目小于定位所需卫星数的最小值时，即不能继续定位。而很多情况下，这种情况仅维持数秒钟到数分钟的级别。一个典型的例子是载有GPS接收机的汽车经过一段较短的隧道。由于物体运动的性质，GPS信号缺失前后接收机状态有强烈的相关性，这些相关性包括：信号缺失前后接受机位置是连续的，接收机速度不会突变，以及接收机运动方向不会突变。现有方案多是使用卡尔曼滤 波解算用户定位方程的附加效果实现这一功能，算法复杂，而且不够灵活，外推的时间短，通常仅有几秒。本发明提出了一种利用平滑拟合方程外推定位位置的方法，方便灵活，复杂度低，和平滑结合紧密。

图2描述了一个典型的GPS接收机定位流程。通常接收机上电后进入捕获状态202，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位。这个状态下对载波频率的搜索是粗糙的，通常在数百赫兹的量级。之后进入频率牵引状态203，把本地频率牵引到和卫星载波频率相差几个赫兹的量级，同时进行比特同步。完成频率牵引后，接收机进入跟踪状态204，完成帧同步，即可以进入解调电文状态205，将载波上调制的电文解调出来用于在随后的解算状态206下计算接收机位置。

图3描述了本发明针对全球定位系统定位结果的平滑方法的细节。接收机首先通过图2所示的流程解算出接收机位置信息301。进而将该定位原始结果写入平滑缓存302，用于随后的平滑操作。该操作还包含了排除异常点的步骤。当更新的定位原始结果和计算出的平滑值差距超过预设门限时，则认为是错误定位点，放弃写入平滑缓冲区的操作，将该值排除出平滑的计算过程。该平滑缓存的长度与数据窗的最大长度相同。进一步地，计算接收机的速度303。计算接收机速度的方法有很多种，大致可以分为载波相位法，卡尔曼滤波法和定位结果差分法。定位结果差分法由于误差较大且和定位结果的误差相关，因此不推荐使用。而载波相位法和卡尔曼滤波法都能很好的满足本方法的要求。本发明的一个较优实施例使用载波相位法计算速度，本发明的另一个较优实施例使用卡尔曼滤波法同时计算接收机位置和速度。计算接收机位置301和速度303的相对顺序不是限定性的，可以调整。事实上，如上文所述，本发明的一个较优实施例利用卡尔曼滤波法同时获得接收机位置和速度信息。对于两种计算接收机速度的方法的具体细节不再赘述，本领域熟练人员都应熟悉。

进一步地，利用获得的接收机速度自适应地计算数据窗的长度304。术语“数据窗宽度”是指对原始数据流进行加窗操作获取一定长度数据过程中，所用窗的长度。数据窗的类型不是限定性的，可以是最简单的矩形窗，也可以是三角窗，汉明窗等等。自适应调整数据窗宽度的优点在于可以实现在速度较低的时候数据窗较宽，实现平滑结果较小的方差，达到较高的精度；在速度较高时数据窗较短，实现平滑结果较低的延迟。本发明的一个较优实施例使用一个一阶方程获得数据窗长度。本发明的另一个较优实施例使用一个二阶方程获得数据窗长度。本发明对计算数据窗长度的方法不是限定性的，但对接收机速度和数据窗的相对反比关系是限定性的。

进一步地，利用自适应宽度的数据窗选取该长度的数据305，进而选取拟合的关键点306。计算拟合关键点的目的在于降低拟合多项式的阶数，简化计算复杂度。关键点是根据选取点左右小区域内平滑计算获得，选取的区间通常很小。拟合多项式的阶数越高，拟合效果越好，但是计算量越大，这是一个平衡系统性能的重要方面。本发明中拟合多项式的阶数也是自适应的，自适应的依据依然是速度。速度越高，拟合多项式的阶数也越高。本发明的一个较优实施例在接收机速度高时使用最高6阶多项式进行拟合，在速度低时使用最低3阶多项式进行拟合。随后根据这些关键点进行相应阶数的拟合，计算出拟合多项式系数307。拟合多项式是定位坐标对时间的函数。拟合是在最小二乘的标准下实现的。进一步地，利用拟合多项式重新计算拟合后的定位坐标进而输出308。

图4描述了本发明在信号缺失情况下定位结果外推的流程。首先检测信号是否缺失401，如果否则进入图3所示的正常平滑402，否则外推计数器增1403。进一步地，检测计数器是否溢出404。如果溢出则退出外推程序406，如果没有溢出则继续。由于外推方法存在较大误差，通常只在短时间内有导航意义。设置计数器即是为了将外推限定在一定的时间内。进一步地，监测是否有外部终止信号405。本发明中使用的外推方法是建立在接收机状态不变的前提下的。如果有外部信息可以指示接收机当前状态，即可以判断上述前提是否依然成立。如果当前运动状态和信号缺失前运动状态差距超过预设门限即终止外推。一个典型的例子为汽车为车载GPS接收机提供的速度信息。如果外部指示速度和信号缺失前速度相差超过预设门限，则外部终止信号有效。

进一步地，读取信信号缺失前计算得到的拟合多项式系数407，利用拟 合多项式进行外推408。该外推方法和定位平滑结合紧密，不需要增加额外的计算，简单有效。

尽管本发明的方法和装置是参照GPS卫星来描述的，但应当理解，这些原理同样适用于采用假卫星(pseudolites)或卫星与假卫星的组合的定位系统。假卫星是一种基于地面的发射机，它传播调制在L频段在波信号上PN码(与GPS信号相似)，并且通常是与GPS时间同步的。每一发射机可以被赋予一个独特的PN码，从而允许由远端接收机进行识别。假卫星用在这样的情况下，即，来自轨道卫星的GPS信号缺失，如隧道、矿山、建筑物或者其他的封闭区及明显遮挡。这里所使用的术语“卫星”包括假卫星或假卫星的等效，而这里所使用的术语GPS信号包括来自假卫星或者假卫星等效的类似GPS的信号。

在前面的讨论中，本发明是参照美国全球定位系统(GPS)来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于类似的卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。所使用的术语“GPS”还包括这样一些卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。术语“GPS信号”包括来自另一些卫星定位系统的信号。

上文中，已经描述了全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域的普通技术人员，在不偏移权利要求书所限定的发明范围和精神的情况下，还可以对这些实施例作各种修改和变更。因此，说明书和附图是描述性的，而不是限定性的。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种针对全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法，其特征在于，所述方法包括：

利用原始定位结果计算可变阶的拟合多项式；

在信号正常时利用拟合多项式对定位结果进行平滑；

在信号缺失时利用拟合多项式进行外推；

其中，所述平滑方法包括以下步骤：

获得接收机的原始定位结果；

写入平滑缓存；

计算接收机的速度；

确定数据窗长度，该数据窗长度和接收机速度成反比；

计算拟合关键点，所述拟合关键点在选取点左右小区间内平滑计算获得；

利用拟合关键点计算拟合多项式系数；

根据拟合多项式系数计算平滑后的定位结果。

2.如权利要求1所述的平滑及信号缺失下的外推方法，其特征在于，所述计算接收机速度的方法是载波相位法或卡尔曼滤波法。

3.根据权利要求1所述的平滑及信号缺失下的外推方法，其特征在于：所述拟合多项式具有一阶数，该阶数与接收机的速度成正比。

4.根据权利要求1所述的平滑及信号缺失下的外推方法，其特征在于，所述信号缺失下的外推方法包含以下步骤：

检测信号是否缺失，判断是否进入外推流程；

确定是否满足外推时间；

读取拟合多项式系数；

利用拟合多项式外推定位结果。

5.如权利要求4所述的平滑及信号缺失下的外推方法，其特征在于：所述外推时间由外推计数器决定。

6.如权利要求5所述的平滑及信号缺失下的外推方法，其特征在于：所述的平滑方法中，更新的定位原始结果和计算出的平滑值差距超过预设门限时，则更新是错误定位点，放弃写入平滑缓冲区的操作，将该值排除出平滑的计算过程。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法中，接收机获取额外的接收机运动状态时，则当前运动状态和信号缺失前运动状态相差超过预设门限，即终止外推。

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