CN101813759B - 对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，包括：接收机解算出自身的原始定位结果，将该原始定位结果写入数据缓存，并获取自身的速度、速度方向角和加速度；接收机根据定位点之间的相对位移量、接收机的速度和加速度判断该原始定位结果是否为异常值，如果为异常值则修复该异常值，如果为正常值则维持原始定位结果不变；接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，如果接收机处于低速运动模式，则对原始定位结果进行平滑处理；如果接收机处于直线运动模式，则对原始定位结果进行直线拟合处理；如果接收机处于曲线运动模式，则对原始定位结果进行曲线拟合处理。本发明能够明显地提高定位精度，减少误差，提升用户体验。

Description

对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法

技术领域

本发明涉及基于全球定位系统(例如GPS系统)的接收机技术领域，尤其涉及一种基于模式选择的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法。

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率信号。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、星钟数据龄期、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。

接收机的最终定位误差包括接收机的测量误差、接收机系统误差以及GPS系统的系统误差。由于各种误差的综合作用，接收机获得的原始定位结果存在一定相对误差。这些误差包括接收机跟踪环的测量误差、截断效应误差、接收机内部延迟误差、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后续处理。一个常用的方法是对原始定位数据流进行平滑(低通滤波)。常规的方式使用单一运动模式进行平滑，虽然简单易行，但存在一些显而易见的缺点。

由于对原始定位点不分情况地使用固定阶数进行低通滤波，当使用低阶低通滤波时，平滑后结果方差依然较大，精度较低；当使用高阶低通滤波时，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，限制了很多应用。如何高效的实现高精度、低方差、小延迟的平滑是GPS接收机一个重要的研究方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，以使经过后续数据处理的定位结果更平滑，更贴近实际接收机运动情况，同时明显降低定位结果延迟，保证定位结果的实时性，提升用户体验。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，该方法包括：

步骤1：接收机解算出自身的原始定位结果，将该原始定位结果写入数据缓存，并获取自身的速度、速度方向角和加速度；

步骤2：接收机根据定位点之间的相对位移量、接收机的速度和加速度判断该原始定位结果是否为异常值，如果为异常值则修复该异常值，如果为正常值则维持原始定位结果不变；

步骤3：接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，如果接收机处于低速运动模式，则执行步骤4；如果接收机处于直线运动模式，则执行步骤5；如果接收机处于曲线运动模式，则执行步骤6；

步骤4：对原始定位结果进行平滑处理，结束；

步骤5：对原始定位结果进行直线拟合处理，结束；

步骤6：对原始定位结果进行曲线拟合处理。

上述方案中，步骤1中所述接收机解算出自身的原始定位结果，具体包括：接收机上电后进入捕获状态，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位；之后进入频率牵引状态，将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，完成帧同步，然后进入解调电文状态，将载波上调制的电文解调出来，然后进入解算状态解算出自身的原始定位结果。

上述方案中，步骤1中所述接收机获取自身的速度和速度方向角通过采用速度计获得，或者通过采用定位结果差分法、载波相位法或卡尔曼法计算获得；步骤1中所述接收机获取自身的加速度通过采用速度计获得，或者通过采用速度差分法计算获得，或者通过采用经验值估计获得。

上述方案中，步骤2中所述接收机判断该原始定位结果是否为异常值，具体包括：检测异常值计数器是否为零，如果为零，则记录当前速度值作为初速度；计算异常值检测判决量和异常值检测判决门限，判断异常值检测判决量是否大于异常值检测判决门限，如果是，则判定当前定位点为异常值，计数器增1；如果不是，判定当前定位点为正常值，计数器归零。

上述方案中，所述异常值检测判决量由定位点之间的相对位移量计算得出，所述异常值检测判决门限值由初速度、加速度以及在当前定位时刻之前已连续去除的异常值个数计算得出。

上述方案中，步骤2中所述接收机修复该异常值，是接收机对该异常值进行处理，去除其异常性。

上述方案中，步骤2中所述接收机去除异常值的异常性，是接收机利用上一时刻正确定位点的正常值取代该异常值，或者是接收机利用当前时刻正确定位点的正常值与上一时刻正确定位点的正常值之间的加权平均值取代该异常值。

上述方案中，步骤3中所述接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，是通过判断接收机当前时刻运动速度、相邻时刻运动速度以及二者之间的方向角差值实现的。

上述方案中，步骤3中所述接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，具体包括：接收机判断自身的运动速度是否小于速度阈值，如果是，则判定接收机处于低速运动模式；如果不是，则计算相邻几个定位点之间的方向角差值，判断方向角差值是否都小于角度阈值，如果是，则判定接受机处于直线运动模式；如果不是，则判定接收机处于曲线运动模式。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，能够明显地提高定位精度，减少误差，使经过后续数据处理的定位结果更平滑，更贴近实际接收机运动情况，同时明显降低定位结果延迟，保证定位结果的实时性，提升用户体验。

2、利用本发明，可以改善各种定位系统的输出定位效果。测试表明能够明显地提高定位精度，减少误差，使经过后续数据处理的定位结果更平滑，更贴近实际接收机运动情况，同时明显地降低定位结果延迟，保证定位结果的实时性。

附图说明

图1是现有典型的全球定位系统接收机实现定位的示意图；

图2是现有典型的GPS接收机定位流程图；

图3是本发明基于模式选择的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法流程图；

图4是本发明对全球定位系统定位结果异常值的检测方法的细节示意图；

图5是本发明判断接收机运动模式的细节示意图。

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时间的误差值。应当理解，由于各种误差的综合作用，接收机获得的原始定位结果存在一定系统误差。这些误差包括接收机跟踪环的测量误差、截断效应误差、接收机内部延迟误差、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。一个常用的方法是对原始定位数据流进行平滑(低通滤波)。

常规的方式对原始定位点不分情况地直接平滑，虽然简单易行，但存在一些显而易见的缺点。由于对原始定位点不分情况地使用固定阶数进行低通滤波，当使用低阶低通滤波时，平滑后结果方差依然较大，精度较低；当使用高阶低通滤波时，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，限制了很多应用。本发明提出了一种基于模式选择的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，能够有效地解决上述问题。

图2描述了一个典型的GPS接收机定位流程。图2所示过程是从接收机上电初始化201开始，直至解算出用户位置206结束。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，随后进入解算状态206解算出自身的原始定位结果。

图3描述了本发明基于模式选择的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法流程图。术语“异常值”是指与接收机真实位置相比误差超过导航定位等应用要求的定位结果。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。进而将该结果写入数据缓存302，用以之后的数据处理操作。该数据缓存的长度与拟合时所需数据的最大长度相同。

进一步地，获取接收机的速度和加速度303。接收机的速度和速度的方向角既可以通过外部设备如速度计获得，也可以通过接收机计算获得。计算接收机速度及其方向角的方法有很多种，一般可以选择定位结果差分法、载波相位法和卡尔曼法。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及其方向角，本发明的另一个较优实施例使用卡尔曼方法同时计算接收机位置和速度及其方向角。接收机的加速度计算方法既可以采用比较精确的数值计算法，比如速度差分法，也可以跟据实际经验估计加速度的最大值。本发明的一个较优实施例是根据城市交通状况和接收机载体的最大可能加速度对加速度进行估计。

进一步地，检测定位点是否为异常值304。本发明中异常值检测判决量应该由定位点之间的相对位移量计算得出。异常值判决门限由初速度、加速度和当前定位时刻之前已连续去除的异常值个数(即计数器数值计算出两个定位点之间可能的最大位移量)计算得出。

进一步地，如果定位点为异常值，则修复异常值305，如果定位点为正常值，维持原来的定位结果不变。本发明的一个较优实施例是用上一时刻正确定位点取代该异常值输出。本发明的另一个较优实施例是以当前时刻定位点与上一时刻正确定位点之间的加权平均值取代这个异常值的输出。

进一步地，判断接收机的运动模式306。本发明将接收机的运动模式分为低速运动模式、直线运动模式和曲线运动模式。其中低速运动模式是指接收机以较低时速运动的模式；直线运动模式和曲线运动模式都是接收机速度较快的运动模式，其中直线运动模式是指接收机运动轨迹为直线时的运动模式，曲线运动模式是指接收机的运动轨迹为曲线的运动模式。

进一步地，根据不同的运动模式分别对定位结果进行相应的后续数据处理307。当接收机处于低速运动模式时，采用简单的平均实现平滑处理。当接收机处于低速运动模式时，由于速度较低，时间延迟相对较小，因此采用较为简单的数据处理方法，降低运算量，提高运算速度。

当接收机处于直线运动模式时，利用直线拟合的方法对定位结果进行后续处理，以避免由于运动速度较快，简单的数据处理方法带来的较大的时间延迟。常规的直线拟合方法为利用线性模型y＝ax+b拟合已知点，即确定两个参数a和b使得剩余平方和最小，即线性回归的方法。这种方法只是将定位点和所拟合线性函数的y坐标之差的平方和极小化，实际应用效果并不理想。本发明采用以定位点到所拟合直线的距离的平方和最小化为约束对定位点进行直线拟合。在平面上能够用如下方程唯一的表示一条直线

c+n₁x+n₂y＝0， $n_1^2+n_2^2=1$

单位向量(n₁，n₂)正交于这条直线。一个点在这条直线上当且仅当它的坐标(x，y)满足第一个方程。另一方面，如果P＝(x_p，y_p)是不在直线上的点，计算

r＝c+n₁x_p+n₂y_p

则|r|是它到这条直线的距离，因此如果想要确定一条直线，使给定点到它距离的平方和最小，即求解一个约束的最小二乘问题

$\left|\right|r\left|\right|=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^2=\min$

满足 $\left(\begin{array}{ccc}1& x_{p1}& y_{p1}\\ 1& x_{p2}& y_{p2}\\ .& .& .\\ \text{.}& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ 1& x_{\mathrm{pm}}& y_{\mathrm{pm}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}c\\ n_1\\ n_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ r_m\end{array}\right)$ 和 $n_1^2+n_2^2=1$

其中，(x_P1，y_P1)，(x_P2，y_P2)…(x_Pm，y_Pm)是存储在数据缓存中用来进行直线拟合的一组已知定位点。

当接收机处于曲线运动状态时，采用曲线拟合的方法对定位结果进行数据处理，以适应接收机速度较快且运动轨迹为曲线的运动特征，避免较大的时间延迟，提高定位精度，使定位结果更符合接收机的实际运动情况。常用的拟合方法包括用最小二乘法拟合多项式和切比雪夫意义下的最佳多项式拟合。本发明的一个较优实施例采用最小二乘法拟合3阶多项式，根据数据缓存中的已知点(x_P1，y_P1)，(x_P2，y_P2)…(x_Pm，y_Pm)来拟合目标多项式P₃(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³。本发明的另一个较优实施例采用切比雪夫意义下的最佳3阶多项式拟合，根据数据缓存中的已知点(x_P1，y_P1)，(x_P2，y_P2)…(x_Pm，y_Pm)求多项式P₃(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³，使得在m个给定点上的的偏差最大值为最小，即 $\underset{0\≤i\≤m-1}{\max }|P_3\left(x_i\right)-y_i|=\min .$

图4描述了针对全球定位系统定位结果的异常值检测方法流程，该图描述了检测方法的细节，该流程是图3描述的整体流程的一部分。首先检测异常值计数器是否为0(步骤401)，异常值计数器代表在当前定位时刻之前已经连续去除的异常值个数。如果为0，记录当前速度值作为初速度402。

进一步地，计算异常值检测判决量403。本发明中粗检测判决量应该由定位点之间的相对位移量计算得出。本发明的一个较优实例是以本次定位点和上一个经过修复的定位点之间的相对位移作为判决量，例如 $L_1=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2},$ 本发明的另一个较优实例是为了减少计算量避免开方计算，取L₁ ²为判决量。其中：

L₁为粗检测异常值的判决量；

x，y，z为本次定位结果在ECEF坐标系下的坐标；

x₀，y₀，z₀，为上一个经过检测处理的定位点在ECEF坐标系下的坐标。

进一步地，计算异常值判决门限404。异常值判决门限由初速度、加速度和(当前定位时刻之前已连续去除的异常值个数(即异常值计数器数值)计算出两个定位点之间可能的)最大位移量计算得出。本发明使用

${\mathrm{Th}}_1=V_0\×(\mathrm{count}+1)+\frac{1}{2}a\×{(\mathrm{count}+1)}^2+a\×(\mathrm{count}+1).$

其中：Th₁为粗检测异常值的判决门限；

V₀为初速度，a为加速度；

count为当前定位时刻之前已连续去除的异常值个数，即异常值计数器数值。

进一步地，判断异常值检测判决量是否大于异常值检测判断门限405。判决量大于异常值检测判断门限时直接将该定位点视为异常值406。小于异常值检测判决门限时判定定位点为正常值408。

进一步地，如果定位点为异常值，计数器增1(步骤407)。如果定位点为正常值，计数器归为0(步骤409)。

图5描述了判断接收机运动模式的方法的流程，该图描述了模式选择方法的细节，该流程是图3描述的整体流程的一部分。首先判断接收机速度是否小于速度阈值501，速度阈值通过统计接收机在城市中的运动情况的统计结果得出，应当使接收机速度小于这个速度阈值时，即使采用简单的平滑处理，定位结果的时间延迟也能满足导航定位的要求。本发明的一个较优实施例采用速度阈值为5km/h。当接收机速度小于速度阈值时，判定接收机处于低速运动模式502，当大于速度阈值时，计算当前定位点和之前相邻3个定位点之间的方向角的绝对差值503，作为判断接收机是否处于曲线运动模式的判决量，因为当接收机的运动轨迹为直线时，方向角不变或变化很小，即方向角之间的绝对差值为0或很小；当接收机的运动轨迹为曲线时，方向角为变化的，方向角之间的绝对差值较大。

进一步地，判断方向角的绝对差值是否小于角度阈值504。角度阈值通过分别统计接收机以直线轨迹行驶和曲线轨迹行驶时的角度差得出，本发明的一个较优实施例采用1度作为角度阈值。当方向角的绝对差值小于角度阈值时，判定接收机处于直线运动模式505，当大于角度阈值时判定接收机处于曲线运动模式506。

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频段载波信号上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后处理方法的系统和细节。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域熟练人员，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。

Claims (9)

1.一种对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：接收机解算出自身的原始定位结果，将该原始定位结果写入数据缓存，并获取自身的速度、速度方向角和加速度；

步骤2：接收机根据定位点之间的相对位移量、接收机的速度和加速度判断该原始定位结果是否为异常值，如果为异常值则修复该异常值，如果为正常值则维持原始定位结果不变；

步骤3：接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，如果接收机处于低速运动模式，则执行步骤4；如果接收机处于直线运动模式，则执行步骤5；如果接收机处于曲线运动模式，则执行步骤6；

步骤4：对原始定位结果进行平滑处理，结束；

步骤5：对原始定位结果进行直线拟合处理，结束；

步骤6：对原始定位结果进行曲线拟合处理。

2.根据权利要求1所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，步骤1中所述接收机解算出自身的原始定位结果，具体包括：

接收机上电后进入捕获状态，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位；之后进入频率牵引状态，将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，完成帧同步，然后进入解调电文状态，将载波上调制的电文解调出来，然后进入解算状态解算出自身的原始定位结果。

3.根据权利要求1所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，

步骤1中所述接收机获取自身的速度和速度方向角通过采用速度计获得，或者通过采用定位结果差分法、载波相位法或卡尔曼法计算获得；

步骤1中所述接收机获取自身的加速度通过采用速度计获得，或者通过采用速度差分法计算获得，或者通过采用经验值估计获得。

4.根据权利要求1所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，步骤2中所述接收机判断该原始定位结果是否为异常值，具体包括：

检测异常值计数器是否为零，如果为零，则记录当前速度值作为初速度；计算异常值检测判决量和异常值检测判决门限，判断异常值检测判决量是否大于异常值检测判决门限，如果是，则判定当前定位点为异常值，计数器增1；如果不是，判定当前定位点为正常值，计数器归零。

5.根据权利要求4所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，所述异常值检测判决量由定位点之间的相对位移量计算得出，所述异常值检测判决门限值由初速度、加速度以及在当前定位时刻之前已连续去除的异常值个数计算得出。

6.根据权利要求1所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，步骤2中所述接收机修复该异常值，是接收机对该异常值进行处理，去除其异常性。

7.根据权利要求6所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，步骤2中所述接收机去除异常值的异常性，是接收机利用上一时刻正确定位点的正常值取代该异常值，或者是接收机利用当前时刻正确定位点的正常值与上一时刻正确定位点的正常值之间的加权平均值取代该异常值。

8.根据权利要求1所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，步骤3中所述接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，是通过判断接收机当前时刻运动速度、相邻时刻运动速度以及二者之间的方向角差值实现的。

9.根据权利要求1或8所述的对全球定位系统原始定位结果进行后续处理的方法，其特征在于，步骤3中所述接收机根据速度和速度方向角判断自身的运动模式，具体包括：

接收机判断自身的运动速度是否小于速度阈值，如果是，则判定接收机处于低速运动模式；如果不是，则计算相邻几个定位点之间的方向角差值，判断方向角差值是否都小于角度阈值，如果是，则判定接受机处于直线运动模式；如果不是，则判定接收机处于曲线运动模式。

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