CN102183773B

CN102183773B - 一种gps设备无效漂移信号的过滤方法

Info

Publication number: CN102183773B
Application number: CN 201110063805
Authority: CN
Inventors: 罗跃军
Original assignee: Wuhan Kotei Informatics Co Ltd
Current assignee: Wuhan Zhonghai Data Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102183773A

Abstract

本发明提供了一种GPS设备无效漂移信号的过滤方法，即首先对室内或室外信号差时的静止GPS设备产生的无效漂移信号点进行识别和过滤；然后将GPS信号强弱和空间分析的结果综合利用，正确识别无效漂移点且不误删除卫星信号差的正常轨迹点。本发明在软件层面上准确判别GPS信号的有效性，在保证正常轨迹完整性的基础上最大程度过滤掉无效定位点。

Description

一种GPS设备无效漂移信号的过滤方法

技术领域

本发明属于GPS(全球定位系统)设备信号过滤算法，具体涉及GPS设备在使用过程中如何正确的识别及过滤无效信息，无效信息包括在室内或室外静止状态下不正确漂移定位信息。在GPS设备监控系统中具有应用价值。

背景技术

GPS设备利用的是一个基于军事目的开发的美国卫星系统。我们在地面用接收器接收来自卫星的坐标数据。接收装置与这些卫星互相传送信号，确定接收器所在的位置，并且计算出经度、纬度、甚至高度。凭借不断地与卫星进的信号传递，接收器能够在设定时间内采集数据，并计算出速度、距离和达到预设点的预计时间。

NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。NMEA-0183是美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)为统一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已经成为国际通用的一种格式。

对移动GPS设备进行监控是目前基于位置的服务(Location Based Service，LBS)中一种常见功能。有以下一些特性：

1.GPS设备为手持终端，可随手持者任意移动，会进入室内或信号极差地点并同时在工作。

2.监控端每隔一段时间(如一分钟)获取GPS设备的移动位置。

3.手持终端即使在GPS信号不佳的地点，如室内或室外高大建筑密集处，但由于通讯信号良好也会传输位置信号

GPS接收器如果在室内，那么由于信号屏蔽，将无法有效的接收到卫星信号，但又不会完全接受不到信号，比如在窗户处，可以部分接收到个别卫星信号，会出现较大的误差。导致定位信号点在停留点附近作无规律的漂移运动，将漂移点连接成轨迹线，视觉效果极差。即使在室外GPS设备静止状态时，在高大建筑密集或天气情况不好的地方，因为GPS信号经过多次的折、反射，造成信号误差，所获得的定位信息将发生变化，则会被误认为设备在移动。

另外一方面，在GPS设备在室外移动时，也会有卫星信号不佳的时候，但通过GPS芯片的算法，会解算出正确的位置信息，这种定位信息则被认为是有效信息。

GPS设备产生的无效信息包含以下一些特征：

1.在室内或室外信号强度差的地点长时间停留，GPS信号会发生漂移，定位信息呈现无规律或部分规律的发散状态。

2.无效定位时，传送的NMEA-0183协议中也包含正常的定位状态、卫星强度信息、速度信息、定位信息等等，有时这些信息类似于正常移动状态下的有效定位信息。

3.无效定位时，传送的NMEA-0183协议中没有特别的信息表达该定位信息无效。

如图1所示，在虚线范围中显示的GPS设备在信号不佳的地点产生的无效定位信息，这些杂乱无章的信号中，又有部分信号的轨迹看似正常。

目前大多使用的GPS无效信息过滤方法有以下几种：

1.GPS设备静止时，关闭系统不在发送定位信息，如车载导航，当车辆或进入室内时，基本是不再需要进行定位，GPS设备会停止工作，减少了无效信息的产生几率。

2.通过道路匹配的方式，将漂移的定位信息与道路网络进行匹配，超过一定阈值范围的定位点被过滤，这在一定程度上能够减少无效定位点。

3.通过卫星信号强度进行过滤，将信号强度差的定位信息过滤掉，可以过滤几乎全部的漂移点，但也会过滤正常的轨迹信号，导致轨迹断线，因为正常行车时也会有信号差的时候，如图2中虚线区域所示：

4.如果按照轨迹平滑过滤，会保留很多无效的漂移点，因为有些漂移点并不是毫无规律，从轨迹形状上看又有些像正常路径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种GPS设备无效漂移信号的过滤方法，本发明在软件层面上准确判别GPS信号的有效性，在保证正常轨迹完整性的基础上最大程度过滤掉无效定位点。

本发明所采用的技术方案是：一种GPS设备无效漂移信号的过滤方法是：首先对室内或室外信号差时的静止GPS设备产生的无效漂移信号点进行识别和过滤；然后将GPS信号强弱和空间分析的结果综合利用，正确识别无效漂移点且不误删除卫星信号差的正常轨迹点。

进一步地，所述的方法，包括以下步骤：

1)以连续的固定数目GPS点建立缓冲区；

2)通过定位方式和运动速度，过滤信号正常点；

3)对剩余GPS点按照连续性进行分段归集；

4)对归集的GPS点列进行密度分析、分布分析和角度分析，判断无效的漂移点，即不动点；

5)将不动点存入缓冲区，并根据参数设定将不动点附近的GPS信号参数较差的点设置为无效漂移点。

进一步地，所述的方法，步骤2)具体包括：

201)若GPS信号的定位方式为3D定位，并且GPS信号中速度大于设备正常状况下最小运动速度，即判定为信号正常点；

202)在步骤1)建立的GPS点缓冲区中过滤步骤201)判定的正常信号点，余下的为待判定的疑似无效漂移点。

进一步地，所述的方法，步骤4)具体包括：

401)对每个归集点列中的每一个点进行密度计算，以该点建立圆形缓冲区，计算缓冲区内GPS点的个数，作为该点的密度值，选择出密度值最大的点；

402)将步骤401)判定的密度值最大的点与上一个不动点的距离来判断该点所在点列是否是无效漂移点列，距离过短则认为点列是无效漂移点列，否则进入步骤403)；

403)判断该点的点密度是否过大，若过大则认为该点是不动点，并不判断整个点列；否则进入步骤404)；

404)通过归集点列中角度变形过大的点数目来判断此点列是否是无效漂移点列，点数目少则认为角度变形小，判断该点列是有效点列；若点列中角度变形过大的点数目过多，则此点列标记为无效漂移点列。

进一步地，所述的方法，步骤5)具体包括：

501)以各不动点为中心，一定范围为半径建立圆形缓冲区；

502)对圆形缓冲区内的GPS点的信号进行判断，通过GPS信号中的水平稀释精度、定位方式或获取卫星数来判定GPS信号质量，将GPS信号差的点标记为无效漂移点。

进一步地，所述的方法，步骤1)中的固定数目为120点。

进一步地，所述的方法，步骤201)的最小运动速度为5米/秒。

进一步地，所述的方法，步骤401)的圆形缓冲区半径为40米；步骤402)的最小距离为80米，小于此距离的点列标记为无效漂移点列；步骤403)的最大点密度为60点，超过此点密度的点判断为不动点；步骤404)中的最大变形角度为35°，最大变形角度占总点数的最大比例为1/4，若超过最大变形角度的点数超过所述最大比例，则该点列判断为无效漂移点列。

进一步地，所述的方法，步骤501)的半径范围为100米；步骤502)的水平稀释精度最大值为6，卫星数最小值为4，超过水平稀释最大精度，或卫星数小于相应最小值，或非3D定位的，判断为GPS信号差。

本发明的优点：本发明克服了背景技术所述无法正确识别和过滤无效信号的技术问题，提供了一种结合GPS信号的各种参数再加上GPS位置的空间分析的综合技术手段，既正确的确定出无效漂移点而又不会误删掉正常轨迹点，最终正确的过滤出漂移点，保证了轨迹的正确及美观。

附图说明

图1是未过滤的GPS信号图。

图2是按信号强度过滤的GPS信号图。

图3是按轨迹平滑过滤的GPS信号图。

图4是算法的核心思路示意图。

图5是GPS信号过滤算法流程示意图。

图6是本发明综合过滤后GPS信号图。

具体实施方式

本发明提供了一种GPS设备无效漂移信号的过滤方法，对位于室内或室外信号差，处于静止GPS设备产生的无效漂移信号点进行识别和过滤，该方法结合GPS信号的各种参数分析再加上GPS位置的空间分析的综合技术手段，参考了GPS参数中HDOP、定位类型、有效卫星数和对GPS定位点的密度分析、分布分析、角度分析等手段，能够正确识别无效漂移点且不误删除卫星信号差时的正常轨迹点或低速行驶时的慢飘轨迹点，是一种精准的过滤算法，能够为GPS设备提供更准确的轨迹分析，在GPS设备监控系统中具有应用价值。

下面结合具体实施方式进一步详述本发明。

对收集的GPS定位数据进行一系列相关测试结果，可以作以下判定：

判定一：当GPS信号参数中为3D定位并且速度较大时是正常信号点，不存在无效漂移点。

判定二：当被过滤的点为飘移点时方向变化很大。

判定三：漂移的点都会在真实位置周围，因此漂移点附近的点密度非常大。

过滤算法中使用了三个名词，现约束如下：

点密度：一定圆形缓冲区范围内所包含点的个数。

不动点：已被判断为无效的漂移点，GPS设备真实状态为静止。

基本距离：GPS设备正常直线运动时，两个GPS信号点之间的最短距离，其数值为GPS设备正常运行时最小速度(米/秒)除以GPS信号采集频率(次/秒)。

过滤方法的核心思路为图4所示。

基于图4的核心思路，可提出解决方案的算法步骤为：

1、对无效漂移点的判断需要对前后GPS点进行空间分析，所以需要一定数目的GPS点参与计算，那么首先是以连续的固定数目GPS点建立缓冲区。

2、对缓冲区内以GPS信号的非3D定位或速度较小为条件对GPS点进行标记，速度的判断会因为手持或车载GPS的不同而有所区别，一般GPS设备载体的最小速度来计算。

依据判定一，将肯定正常的GPS点排除在无效点的判定范围外，那么缓冲区内本应连续的GPS点，由于正常点的排除，剩余的点将呈现不连续状态，那么按照连续性进行归集，将出现多个连续的标记点段，对归集后的标记点段再进行空间分析

3、对多个连续的标记点段进行循环处理，处理步骤为4～6。

4、计算点密度的缓冲区半径(可为5～10倍的基本距离)，根据该缓冲区半径，以标记点段中的点为圆心逐个计算其点密度，得到该点列中点密度最大的点；当点密度最大的点与上一个不动点的距离小于临界值(可为缓冲区的直径)时，设定该点列为无效点列，该点密度最大的点为不动点，然后转入步骤7；若大于或等于临界值则进入步骤5；如果无上个不动点则跳过这一步，不进行该判断。

5、若密度最大点的点密度大于临界值时，该点段为无效点，该密度最大点为不动点并记录进不动点列表，若该点的点密度等于或小于该临界值则进入步骤6。

6、计算该连续的标记点段中角度变形大的点是否过多，当其中夹角大于一定临界值的点数占点段总点数的1/4或更少时，判断该标记点段为有效点。否则该点列为无效点列。

7、对不动点列表中每个不动点附近一定范围内(如20倍的基本距离)GPS点进行判断，通过HDOP(水平稀释精度)过大、非3D定位或获取卫星数少来判定GPS信号强度，信号差的标记为无效点。HDOP过大，卫星数过小的临界值以GPS芯片的说明或实际测试为准，一般情况下HDOP大于6或卫星数小于4则表示误差比较大。

GPS无效信号过滤算法如图5。

以上算法步骤中要使用多个临界值，如密度临界值和距离临界值，会因为GPS点的采集频率不同而有所区别，同时也受GPS设备载体的影响，采集的频率和设备载体的运动速度决定了点的分布密度。

实施例：

在常用的车载GPS设备进行无效漂移过滤时，可以设定设备正常状况下最小运动速度为5米/秒，当GPS采集频率为1次/秒，那么基本距离为5米。

1、以两分钟内采集的连续GPS点建立缓冲区，缓冲区中的点数为120点。

2、将3D定位，并且速度大于5米/秒的GPS点设置为正常信号点，剩余点按照连续性进行归集。

3、对多个连续的标记点段进行循环处理，处理步骤为4～6。

4、计算点密度时，是以8倍基本距离即40米为半径建立缓冲区，当最大密度点与上一个不动点的距离小于缓冲区的直径即80米时，设定点列为无效点列，否则进入(5)，如果无上个不动点则不进行该判断。

5、点密度数值如果大于缓冲区总点数的1/2(即60点)时，设定点列为无效点列，最大密度点设置为不动点，否则进入(6)。

6、计算角度变形大时，需要将GPS点分布密度与中国实际路网结合计算角度阈值，可以设置为35°，角度变形大于35°的点数目小于总点数的1/4则判定为有效点，否则为无效点。

7，通过HDOP(水平稀释精度)大于6或非3D定位或卫星数小于4，判定GPS信号差，将不动点周边20倍基本距离即100米范围内的GPS信号差的点，判定为无效漂移点。

从最终实现效果上看，该算法能够有效的判断并过滤的漂移点，一定程度上解决了GPS漂移导致的轨迹不美观的问题，从而保证了用户体验。最终过滤后的GPS采集点如图6所示。

Claims

1.一种GPS设备无效漂移信号的过滤方法，其特征在于：首先对室内或室外信号差时的静止GPS设备产生的无效漂移信号点进行识别和过滤；然后将GPS信号强弱和空间分析的结果综合利用，正确识别无效漂移点且不误删除卫星信号差的正常轨迹点；

即所述过滤方法具体包括以下步骤：

1）以连续的固定数目GPS点建立缓冲区；

2）通过定位方式和运动速度，过滤信号正常点；

3）对剩余GPS点按照连续性进行分段归集；

4）对归集的GPS点列进行点密度分析、分布分析和角度分析，判断无效漂移点列，无效漂移点列中点密度值最大的点为不动点；

5）将不动点存入不动点列表，并通过GPS信号中的水平稀释精度、定位方式或获取卫星数对不动点附近的GPS信号质量进行判断；当某点的GPS信号的水平稀释精度超过水平稀释精度最大值，或获取卫星数小于卫星数最小值，或定位方式为非3D定位的，判断其GPS信号差，将该点设置为无效漂移点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2）具体包括：

201）若GPS信号的定位方式为3D定位，并且GPS信号中速度大于设备正常状况下最小运动速度，即判定为信号正常点；

202）在步骤1）建立的GPS点缓冲区中过滤步骤201）判定的信号正常点，余下的为待判定的疑似无效漂移点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4）具体包括：

401）对每个归集点列中的每一个点进行点密度计算，以该点为圆心建立圆形缓冲区，计算缓冲区内GPS点的个数，作为该点的点密度值，选择出点密度值最大的点；

402）根据步骤401）判定的点密度值最大的点与上一个不动点的距离来判断该点所在点列是否是无效漂移点列，若距离小于最小距离则认为该点列是无效漂移点列，将该点密度值最大的点设为不动点，然后转入步骤5）；如果距离大于或等于最小距离，或者无上一个不动点，则进入步骤403）；

403）判断点密度值最大的点的点密度是否大于最大点密度，若大于则认为该点是不动点，其所在的整个点列为无效漂移点列，并转入步骤5）；否则进入步骤404)；

404）通过归集点列中角度变形过大的点数目来判断此点列是否是无效漂移点列，当超过最大变形角度的点数目占总点数的比例大于最大比例时，则此点列标记为无效漂移点列；否则认为角度变形小，判断该点列是有效点列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5）具体包括：

501）以各不动点为中心，一定范围为半径建立圆形缓冲区；

502）对圆形缓冲区内的GPS点的信号进行判断，当某点的GPS信号的水平稀释精度超过水平稀释精度最大值，或获取卫星数小于卫星数最小值，或定位方式为非3D定位的，判断其GPS信号差，将该点设置为无效漂移点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）中的固定数目为120点。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤201）的最小运动速度为5米/秒。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤401）的圆形缓冲区半径为40米；步骤402）的最小距离为80米，小于此距离的点列标记为无效漂移点列；步骤403）的最大点密度为60点，超过此点密度的点判断为不动点；步骤404）中的最大变形角度为35°，归集点列中大于最大变形角度的点数占总点数的最大比例为1/4，若归集点列中超过最大变形角度的点数占总点数的比例超过所述最大比例，则该点列判断为无效漂移点列。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤501）的半径范围为100米；步骤502）的水平稀释精度最大值为6，卫星数最小值为4。