CN102680994B - 室外定位方法和定位接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室外定位方法和定位接收机，属于定位领域。所述方法包括：定位接收机接收到至少两个基站和至少两个卫星的信号，建立第一关系式，将至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并计算出平面插值模型的插值参数；根据第二关系式和平面插值模型的插值参数，计算出定位接收机的水平坐标。本发明通过结合卫星导航系统和地面移动网络进行联合定位，同时加入气压测高计进行辅助，实现了定位信号的全域覆盖以及定位源更优的几何分布，在维持卫星导航系统原有伪距测量误差不变的前提下，利用平面插值模型间接估测有效抑制了地面网络带来的非视距误差，大幅提高了定位精度，为用户提供更为准确的位置信息。

Description

室外定位方法和定位接收机

技术领域

本发明涉及定位领域，特别涉及一种室外定位方法和定位接收机。

背景技术

随着人们物质生活水平的不断提高，越来越多的人们对自身以及周围事物的位置信息产生了强烈的依赖性。目前，卫星定位系统可以在户外实现定位精度，向用户提供高质量的位置服务，然而在大型楼宇之间，城市峡谷及密林空间中，由于卫星信号衰减严重甚至无法到达，导致单独利用卫星导航系统的定位精度较低或无法完成定位。

目前，地面广播/通信网覆盖范围较广，能够在上述苛刻的室外环境下为用户提供足够的基站信息完成定位，然而地面网络存在严重的多径以及非视距效应，导致了定位精度的严重衰减，因此单独利用地面网络进行定位不能够满足精确性需求。

现有技术采用LOS（Line of Sight，视距）信号消除非视距误差，首先测量得到所有TOA（Time of Arrival，到达时间）值和TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）值，采用非视距识别技术分析判断出所有TOA值和TDOA值中哪些是视距环境下的测量值，哪些是非视距环境下的测量值，然后只采用视距下的测量值进行定位。该方法的关键在于根据NLOS（Non Line of Sight，非视距）信号和LOS信号的某些特性上的差异，正确判断出NLOS信号和LOS信号，如根据测量信号的方差，识别出NLOS信号和LOS信号，该方法在既存在LOS，又存在NLOS的情况下有效。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有技术只存在NLOS时无法实现定位，且检测非视距信号消除非视距误差的能力有限，在实际应用过程中存在很多的不确定因素导致无法实现定位。

发明内容

为了抑制非视距误差的影响，实现室外环境下的精确定位，本发明实施例提供了一种室外定位方法和定位接收机。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种室外定位方法，所述方法包括：

定位接收机接收到至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号建立第一关系式，所述第一关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差为未知数；

将所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将所述第一关系式等效为第二关系式，所述第二关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述平面插值模型的插值参数为未知数；

获取与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据所述三个标校点接收到的所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型建立第三关系式，所述第三关系式中只有所述平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出所述平面插值模型的插值参数；

根据所述第二关系式和所述平面插值模型的插值参数，计算出所述定位接收机的水平坐标。

其中，所述定位接收机接收到两个基站和两个卫星的信号，所述根据接收到的信号建立的第一关系式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c={\mathrm{\ρ}}_{b1}-{\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+{\mathrm{nlos}}_1-{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c={\mathrm{\ρ}}_{s1}-{\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}\right.$

其中，所述TDOA_b表示第一基站测距信号与第二基站测距信号到达定位接收机的时间差，TDOA_s表示第一卫星测距信号与第二卫星测距信号到达定位接收机的时间差，c表示光速，ρ_b1为第一基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_b2为第二基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s1为第一卫星与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s2为第二卫星与定位接收机之间的实测伪距；(x_s1,y_s1,z_s1)、(x_s2,y_s2,z_s2)分别为第一卫星和第二卫星的站心坐标，(x_b1,y_b1,z_b1)、(x_b2,y_b2,z_b2)分别为第一基站和第二基站的站心坐标，h为定位接收机的高度，(x,y)为定位接收机的水平坐标，nlos₁-nlos₂为第一基站、第二基站与定位接收机间的非视距误差之差。

其中，所述定位接收机接收到两个基站和两个卫星的信号，所述第二关系式具体为：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+\mathrm{ax}+\mathrm{by}+c\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}$

其中，ax+by+c为平面插值模型，a,b,c为平面插值模型的插值系数。

其中，所述根据所述三个标校点接收到的所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型，建立的所述第三关系式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_1\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_1)}^2+{(y_{b1}-y_1)}^2+{(z_{b1}-h_1)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_1)}^2+{(y_{b2}-y_1)}^2+{(z_{b2}-h_1)}^2}+{\mathrm{ax}}_1+{\mathrm{by}}_1+c\\ {\mathrm{TDOA}}_2\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_2)}^2+{(y_{b1}-y_2)}^2+{(z_{b1}-h_2)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_2)}^2+{(y_{b2}-y_2)}^2+{(z_{b2}-h_2)}^2}+{\mathrm{ax}}_2+{\mathrm{by}}_2+c\\ {\mathrm{TDOA}}_3\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_3)}^2+{(y_{b1}-y_3)}^2+{(z_{b1}-h_3)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_3)}^2+{(y_{b2}-y_3)}^2+{(z_{b2}-h_3)}^2}+{\mathrm{ax}}_3+{\mathrm{by}}_3+c\end{array}\right.$

其中，TDOA₁、TDOA₂和TDOA₃为第一基站测距信号与第二基站测距信号分别到达三个标校点的时间差，(x₁,y₁,h₁)、(x₂,y₂,h₂)和(x₃,y₃,h₃)分别为与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点。

其中，所述定位接收机接收到两个基站和两个卫星的信号，根据接收到的信号建立如下的第四关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{b1}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{\ρ}}_{s1}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\\ {\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\end{array}\right.$

其中，ρ_b1为第一基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_b2为第二基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s1为第一卫星与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s2为第二卫星与定位接收机之间的实测伪距；(x_b1,y_b1,z_b1)、(x_b2,y_b2,z_b2)分别为第一基站和第二基站的站心坐标，(x_s1,y_s1,z_s1)、(x_s2,y_s2,z_s2)分别为第一卫星和第二卫星的站心坐标，h为定位接收机的高度，(x,y)为定位接收机的水平坐标，c表示光速，δt_b为基站与定位接收机的钟差，δt_s为卫星与定位接收机之间的钟差，nlos₁和nlos₂分别为第一基站、第二基站与定位接收机之间的非视距误差；

将所述第四关系式进行处理后得到如下的第一关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c={\mathrm{\ρ}}_{b1}-{\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+{\mathrm{nlos}}_1-{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c={\mathrm{\ρ}}_{s1}-{\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}\right.$

其中，所述TDOA_b表示第一基站测距信号与第二基站测距信号到达定位接收机的时间差，TDOA_s表示第一卫星测距信号与第二卫星测距信号到达定位接收机的时间差，nlos₁-nlos₂为第一基站、第二基站与定位接收机间的非视距误差之差。

其中，所述根据所述第二关系式和所述平面插值模型的插值参数，计算出所述定位接收机的水平坐标，具体包括：

展开泰勒级数得到所述第二关系式的线性关系式；

根据牛顿迭代法和最小二乘法对所述线性关系式进行求解，计算出所述定位接收机的水平坐标。

其中，所述定位接收机的高程通过气压测高计测得。

另一方面，提供了一种定位接收机，所述定位接收机包括：

关系模块，用于接收至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号建立第一关系式，所述第一关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差为未知数；

等效模块，用于将所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将所述关系模块中的所述第一关系式等效为第二关系式，所述第二关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述平面插值模型的插值参数为未知数；

第一计算模块，用于获取与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据所述三个标校点接收到所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型建立第三关系式，所述第三关系式中只有所述平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出所述平面插值模型的插值参数；

第二计算模块，用于根据所述等效模块得到的所述第二关系式和所述第一计算模块得到的所述平面插值模型的插值参数，计算出所述定位接收机的水平坐标。

其中，所述定位接收机还包括数据库，所述数据库用于预存与所述定位接收机距离在预设范围内的至少三个标校点；

相应地，所述第一计算模块包括获取单元、建立单元和计算单元；

所述获取单元，用于根据所述数据库获取与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点；

所述建立单元，用于根据所述三个标校点接收到所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型建立第三关系式，所述第三关系式中只有所述平面插值模型的插值参数为未知数；

所述计算单元，用于计算出所述平面插值模型的插值参数。

其中，所述定位接收机还包括气压测高计，用于测量出所述定位接收机的高程。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过结合卫星导航系统和地面网络进行联合定位，同时加入气压测高计进行辅助，实现了定位信号的全域覆盖以及定位源更优的几何分布，在维持卫星导航系统原有伪距测量误差不变的前提下，利用平面插值模型间接估测有效抑制了地面网络带来的非视距误差，同时完善整个系统中定位源的几何分布，大幅减小几何精度衰减因子，从而大幅提高了定位精度，为用户提供更为准确的位置信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中提供的室外定位方法流程图；

图2是本发明实施例2中提供的室外定位方法流程图；

图3是本发明实施例2中提供的定位接收机的所处环境示意图；

图4是本发明实施例3中提供的定位接收机的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例提供了一种室外定位方法，所述方法包括：

步骤101：定位接收机接收到至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号建立第一关系式，第一关系式中包括定位接收机的高程，且只有定位接收机的水平坐标和至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差为未知数；

步骤102：将至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将第一关系式等效为第二关系式，第二关系式中包括定位接收机的高程，且只有定位接收机的水平坐标和平面插值模型的插值参数为未知数；

步骤103：获取与定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据三个标校点接收到至少两个基站的信号和平面插值模型建立第三关系式，第三关系式中只有平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出平面插值模型的插值参数；

步骤104：根据第二关系式和平面插值模型的插值参数，计算出位接收机的水平坐标。

本发明实施例提供的方法，通过结合卫星导航系统和地面移动网络进行联合定位，用于实现高精度的室外定位。地面移动网络的辅助有效实现了定位信号的全域覆盖，避免了单独利用卫星导航系统在城市峡谷、密林和室内无法完成定位的情况发生；且利用卫星导航系统、非视距平面插值模型以及气压测高计等提供高精度伪距测量方程和辅助信息，有效抑制了地面网络带来的非视距误差，大幅提高定位精度；同时，卫星导航系统与地面网络的结合可以降低几何精度衰减因子，为高精度室外定位技术的实现提供必要保障。

实施例2

参见图2，本发明实施例提供了一种室外定位方法，所述方法包括：

步骤201：定位接收机接收到至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号首先建立第四关系式；

其中，本发明实施例中的第一、第二、第三、第四等只是为了区分各个关系式所采用的代码，并不对所述关系式本身进行限定。本发明实施例中，定位接收机接收到卫星数大于等于2的卫星信号和基站数大于等于2的基站信号，根据接收到的信号建立如下的关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{b1}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_2\\ ......\\ {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{bi}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bi}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{bi}}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_i\\ {\mathrm{\ρ}}_{s1}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\\ {\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\\ .......\\ {\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sj}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{sj}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{sj}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{sj}}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\end{array}\right.$

其中，i，j均为大于2的整数，ρ_b1、ρ_b2……ρ_bi分别为第一基站、第二基站……第i基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s1、ρ_s2……ρ_sj分别为第一卫星、第二卫星……第j卫星与定位接收机之间的实测伪距；(x_b1,y_b1,z_b1)、(x_b2,y_b2,z_b2)……(x_bi,y_bi,z_bi)分别为第一基站、第二基站……第i基站的站心坐标，(x_s1,y_s1,z_s1)、(x_s2,y_s2,z_s2)……(x_sj,y_sj,z_sj)分别为第一卫星、第二卫星……第j卫星的站心坐标，h为定位接收机的高度，(x,y)为定位接收机的水平坐标，c表示光速，δt_s为卫星与定位接收机之间的钟差，nlos₁、nlos₂……nlos_i分别为第一基站、第二基站……第i基站与定位接收机之间的非视距误差。

具体地，该步骤中以定位接收机接收到2颗卫星和2个基站的信号为例进行说明，如图3所示，根据接收到基站A,B和卫星C,D的信号，建立的第四关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{b1}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{\ρ}}_{s1}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\\ {\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\end{array}\right.$

其中，ρ_si(i=1,2)为卫星C,D与定位接收机之间的实测伪距，ρ_bi(i=1,2)为基站A,B与定位接收机之间的实测伪距；h为定位接收机的高度；c表示光速，取299792458m/s；δt_b为基站与定位接收机的钟差，且不同基站与定位接收机之间的钟差相同，δt_s为卫星与定位接收机之间的钟差，且不同卫星与定位接收机之间的钟差相同；nlos_i(i=1,2)为基站（A,B）与定位接收机之间的非视距误差；(x_si,y_si,z_si)(i=1,2)为卫星的站心坐标，且z_si为卫星相对于站心坐标平面的高度；(x_bi,y_bi,z_bi)(i=1,2)为基站的站心坐标，且z_bi为基站相对于站心坐标平面的高度，(x,y)为定位接收机的水平坐标。

上述第四关系式中，卫星位置、基站位置、实测伪距和定位接收机的高度可以预先测得，如ρ_si(i=1,2)、ρ_bi(i=1,2)、z_si(i=1,2)、z_bi(i=1,2)和定位接收机的高度h均可由气压测高计测得。也就是说上述第四关系式中，只有(x,y)、δt_b、δt_s、nlos_i(i=1,2)为未知数。

步骤202：对第四关系式进行处理后得到如下的第一关系式：

具体地，定位接收机接收到卫星数大于等于2的卫星信号和基站数大于等于2的基站信号，对上述步骤建立的关系式进行处理后得到如下的关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_{\mathrm{bi}}\·c={\mathrm{\ρ}}_{b1}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{bi}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bi}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{bi}}-h)}^2}+{\mathrm{nlos}}_1-{\mathrm{nlos}}_i\\ i=\mathrm{1,2},...,n\\ {\mathrm{TDOA}}_{\mathrm{sj}}\·c={\mathrm{\ρ}}_{s1}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sj}}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{sj}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{sj}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{sj}}-h)}^2}\\ j=\mathrm{1,2},...,m\end{array}\right.$

其中，所述TDOA_bi表示第i基站测距信号与第i+1基站测距信号到达定位接收机的时间差，TDOA_sj表示第j卫星测距信号与第j+1卫星测距信号到达定位接收机的时间差，n为参与定位的基站个数，m为参与定位的卫星个数。

根据图3，定位接收机接收到2颗卫星和2个基站的信号时，第一关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c={\mathrm{\ρ}}_{b1}-{\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+{\mathrm{nlos}}_1-{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c={\mathrm{\ρ}}_{s1}-{\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}\right.$

其中，TDOA_b表示基站A测距信号与基站B测距信号到达定位接收机的时间差，TDOA_s表示卫星C测距信号与卫星D测距信号到达定位接收机的时间差，nlos₁-nlos₂为基站A,B与定位接收机间的非视距误差之差。

可见，通过将上述第四关系式变形为第一关系式，消除了系统钟差。

步骤203：将至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将第一关系式等效为第二关系式，该第二关系式中包括定位接收机的高程，且只有定位接收机的水平坐标和平面插值模型的插值参数为未知数；

针对该步骤，将至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差nlos₁-nlos_i等效为平面插值模型ax_i+by_i+c(i=1,2,3)，a,b,c为平面插值模型的插值系数。

定位接收机接收到卫星数大于等于2的卫星信号和基站数大于等于2的基站信号时，等效后为如下的关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_{\mathrm{bi}}\·c=\sqrt{{(x_{\mathrm{bi}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bi}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{bi}}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b(i+1)}-x)}^2+{(y_{b(i+1)}-y)}^2+{(z_{b(i+1)}-h)}^2}+a_{i}x+b_{i}y+c_i\\ i=\mathrm{1,2},...,n\\ {\mathrm{TDOA}}_{\mathrm{sj}}\·c=\sqrt{{(x_{\mathrm{sj}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{sj}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{sj}}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s(j+1)}-x)}^2+{(y_{s(j+1)}-y)}^2+{(z_{s(j+1)}-h)}^2}\\ j=\mathrm{1,2},...,m\end{array}\right.$

此时，计算出平面插值模型的插值参数，即可进一步计算出定位接收机的水平坐标。下面以定位接收机接收到2颗卫星和2个基站的信号时，对计算平面插值模型的插值参数的具体步骤进行详细说明，当然，本领域人员可以理解，在定位接收机接收到大于2颗卫星和大于2个基站的信号时，计算上述关系式中的平面插值模型的插值参数相似，此处不再赘述。

根据图3，定位接收机接收到2颗卫星和2个基站的信号时，第二关系式如下：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+\mathrm{ax}+\mathrm{by}+c\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}$

此时，完成了将基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型的操作。

步骤204：获取与定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据三个标校点接收到至少两个基站的信号和平面插值模型建立第三关系式，第三关系式中只有平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出平面插值模型的插值参数；

具体地，本发明实施例预设数据库，该数据库保存了标校点坐标及标校点到不同基站的TDOA值，定位接收机的粗略位置可以为之前预存在数据库中的定位坐标，也可以通过所测得的TDOA进行匹配，从而在预存的数据库中查找与该定位接收机距离较近的三个标校点的坐标：(x₁,y₁,h₁)、(x₂,y₂,h₂)和(x₃,y₃,h₃)。其中，查找与该定位接收机距离较近的标校点的坐标时，可以预设一个范围，在数据库中与定位接收机距离在该预设范围内的标校点则视为距离较近的标校点。

其中，定位接收机接收到2个基站的信号时，将上述三个标校点的坐标分别代入上述第二关系式得到如下的第三关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_1\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_1)}^2+{(y_{b1}-y_1)}^2+{(z_{b1}-h_1)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_1)}^2+{(y_{b2}-y_1)}^2+{(z_{b2}-h_1)}^2}+{\mathrm{ax}}_1+{\mathrm{by}}_1+c\\ {\mathrm{TDOA}}_2\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_2)}^2+{(y_{b1}-y_2)}^2+{(z_{b1}-h_2)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_2)}^2+{(y_{b2}-y_2)}^2+{(z_{b2}-h_2)}^2}+{\mathrm{ax}}_2+{\mathrm{by}}_2+c\\ {\mathrm{TDOA}}_3\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_3)}^2+{(y_{b1}-y_3)}^2+{(z_{b1}-h_3)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_3)}^2+{(y_{b2}-y_3)}^2+{(z_{b2}-h_3)}^2}+{\mathrm{ax}}_3+{\mathrm{by}}_3+c\end{array}\right.$

其中，(x_bi,y_bi,z_bi)(i=1,2)为基站的站心坐标，(x_i,y_i,h_i)(i=1,2,3)为与定位接收机距离最近的三个标校点，TDOA_i(i=1,2,3)为基站A测距信号与基站B测距信号到达三个标校点的时间差，ax_i+by_i+c(i=1,2,3)为平面插值模型，上述第三关系式中，只有插值系数a,b,c三个未知数，求解上述第三关系式即可解出a,b,c的值。

步骤205：根据第二关系式和平面插值模型的插值参数，计算出位接收机的水平坐标。

具体地，将上述步骤204计算出的a,b,c值代入上述步骤203中的第二关系式，此时只有(x,y)为未知数，求解该第四关系式即可得到定位接收机的坐标(x,y)。

本发明实施例中对上述第四关系式的求解方式有多种，本发明实施例不对具体的求解方式进行限定，一般的求解方式可以首先通过泰勒级数展开实现方程组的线性化，然后利用牛顿迭代法和最小二乘法进行求解，若初值设定较为合理，则收敛速度也很快，计算复杂度较低，从而求解出定位接收机的坐标(x,y)。

实际应用中，定位误差等于精度衰减因子和伪距测量误差的乘积，在伪距测量误差相同的情况下，卫星和基站几何分布的不同也会对定位精度产生显著的影响。

表1三种情况下精度衰减因子的比较表

精度因子（DOP）	卫星导航系统	地面移动网络	卫星导航系统+地面移动网络
				几何精度因子GDOP	9.2	15.5	2.8
水平精度因子HDOP	6.2	11.8	2.2
				垂直精度因子VDOP	3.5	8.3	1.1
位置精度因子PDOP	7.1	14.5	2.4

时间精度因子TDOP

5.8

5.4

1.5

实验证明，本发明实施例提供的室外定位方法进行定位后，可以大幅降低精度衰减因子，如表1所示，在伪距测量误差相同的前提下，定位精度相对于卫星导航系统将提高69.57%，相对于地面移动网络将提高81.94%，是相当可观的。

本发明实施例提供的方法，通过结合卫星导航系统和地面移动网络进行联合定位，用于实现高精度的室外定位。地面移动网络的辅助有效实现了定位信号的全域覆盖，避免了单独利用卫星导航系统在城市峡谷、密林和室内无法完成定位的情况发生；且利用卫星导航系统、非视距平面插值模型以及气压测高计等提供高精度伪距测量方程和辅助信息，有效抑制了地面网络带来的非视距误差，大幅提高定位精度；同时，卫星导航系统与地面网络的结合可以降低几何精度衰减因子，为高精度室外定位技术的实现提供必要保障。

实施例3

参见图4，本发明实施例提供了一种定位接收机，所述定位接收机包括关系模块301、等效模块302、第一计算模块303和第二计算模块304；

关系模块301，用于接收至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号建立第一关系式，第一关系式中包括定位接收机的高程，且只有定位接收机的水平坐标和至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差为未知数；

等效模块302，用于将至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将关系模块301中的第一关系式等效为第二关系式，第二关系式中包括定位接收机的高程，且只有定位接收机的水平坐标和平面插值模型的插值参数为未知数；

第一计算模块303，用于获取与定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据三个标校点接收到至少两个基站的信号和平面插值模型建立第三关系式，第三关系式中只有平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出平面插值模型的插值参数；

第二计算模块304，用于根据等效模块302得到的第二关系式和第一计算模块得到的平面插值模型的插值参数，计算出位接收机的水平坐标。

其中，参见图5，该定位接收机还包括数据库305，与第一计算模块303相连接，数据库用于预存与定位接收机距离在预设范围内的至少三个标校点；

相应地，第一计算模块303包括获取单元3031、建立单元3032和计算单元3033；

获取单元3031，用于根据数据库获取与定位接收机距离在预设范围内的三个标校点；

建立单元3032，用于根据三个标校点接收到至少两个基站的信号和平面插值模型建立第三关系式，第三关系式中只有平面插值模型的插值参数为未知数；

计算单元3033，用于计算出平面插值模型的插值参数。

其中，定位接收机还包括气压测高计，用于测量出定位接收机的高程。

本发明实施例提供的定位接收机，通过结合卫星导航系统和地面移动网络进行联合定位，用于实现高精度的室外定位。地面移动网络的辅助有效实现了定位信号的全域覆盖，避免了单独利用卫星导航系统在城市峡谷、密林和室内无法完成定位的情况发生；且利用卫星导航系统、非视距平面插值模型以及气压测高计等提供高精度伪距测量方程和辅助信息，有效抑制了地面网络带来的非视距误差，大幅提高定位精度；同时，卫星导航系统与地面网络的结合可以降低几何精度衰减因子，为高精度室外定位技术的实现提供必要保障。

需要说明的是：上述实施例提供的室外定位装置在室外定位业务时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的室外定位装置与室外定位方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室外定位方法，其特征在于，所述方法包括：

定位接收机接收到至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号建立第一关系式，所述第一关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差为未知数；

将所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将所述第一关系式等效为第二关系式，所述第二关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述平面插值模型的插值参数为未知数；

获取与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据所述三个标校点接收到的所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型建立第三关系式，所述第三关系式中只有所述平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出所述平面插值模型的插值参数；

根据所述第二关系式和所述平面插值模型的插值参数，计算出所述定位接收机的水平坐标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位接收机接收到两个基站和两个卫星的信号，所述根据接收到的信号建立的第一关系式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c={\mathrm{\ρ}}_{b1}-{\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+{\mathrm{nlos}}_1-{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c={\mathrm{\ρ}}_{s1}-{\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}\right.$

其中，所述TDOA_b表示第一基站测距信号与第二基站测距信号到达定位接收机的时间差，TDOA_s表示第一卫星测距信号与第二卫星测距信号到达定位接收机的时间差，c表示光速，ρ_b1为第一基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_b2为第二基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s1为第一卫星与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s2为第二卫星与定位接收机之间的实测伪距；(x_s1,y_s1,z_s1)、(x_s2,y_s2,z_s2)分别为第一卫星和第二卫星的站心坐标，(x_b1,y_b1,z_b1)、(x_b2,y_b2,z_b2)分别为第一基站和第二基站的站心坐标，h为定位接收机的高度，(x,y)为定位接收机的水平坐标，nlos₁-nlos₂为第一基站、第二基站与定位接收机间的非视距误差之差。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述定位接收机接收到两个基站和两个卫星的信号，所述第二关系式具体为：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+\mathrm{ax}+\mathrm{by}+c\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}$

其中，ax+by+c为平面插值模型，a,b,c为平面插值模型的插值系数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述三个标校点接收到的所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型，建立的所述第三关系式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_1\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_1)}^2+{(y_{b1}-y_1)}^2+{(z_{b1}-h_1)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_1)}^2+{(y_{b2}-y_1)}^2+{(z_{b2}-h_1)}^2}+{\mathrm{ax}}_1+{\mathrm{by}}_1+c\\ {\mathrm{TDOA}}_2\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_2)}^2+{(y_{b1}-y_2)}^2+{(z_{b1}-h_2)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_2)}^2+{(y_{b2}-y_2)}^2+{(z_{b2}-h_2)}^2}+{\mathrm{ax}}_2+{\mathrm{by}}_2+c\\ {\mathrm{TDOA}}_3\·c=\sqrt{{(x_{b1}-x_3)}^2+{(y_{b1}-y_3)}^2+{(z_{b1}-h_3)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x_3)}^2+{(y_{b2}-y_3)}^2+{(z_{b2}-h_3)}^2}+{\mathrm{ax}}_3+{\mathrm{by}}_3+c\end{array}\right.$

其中，TDOA₁、TDOA₂和TDOA₃为第一基站测距信号与第二基站测距信号分别到达三个标校点的时间差，(x₁,y₁,h₁)、(x₂,y₂,h₂)和(x₃,y₃,h₃)分别为与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位接收机接收到两个基站和两个卫星的信号，根据接收到的信号建立如下的第四关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{b1}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_b+{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{\ρ}}_{s1}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\\ {\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}+c\·{\mathrm{\δt}}_s\end{array}\right.$

其中，ρ_b1为第一基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_b2为第二基站与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s1为第一卫星与定位接收机之间的实测伪距，ρ_s2为第二卫星与定位接收机之间的实测伪距；(x_b1,y_b1,z_b1)、(x_b2,y_b2,z_b2)分别为第一基站和第二基站的站心坐标，(x_s1,y_s1,z_s1)、(x_s2,y_s2,z_s2)分别为第一卫星和第二卫星的站心坐标，h为定位接收机的高度，(x,y)为定位接收机的水平坐标，c表示光速，δt_b为基站与定位接收机的钟差，δt_s为卫星与定位接收机之间的钟差，nlos₁和nlos₂分别为第一基站、第二基站与定位接收机之间的非视距误差；

将所述第四关系式进行处理后得到如下的第一关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{TDOA}}_b\·c={\mathrm{\ρ}}_{b1}-{\mathrm{\ρ}}_{b2}=\sqrt{{(x_{b1}-x)}^2+{(y_{b1}-y)}^2+{(z_{b1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{b2}-x)}^2+{(y_{b2}-y)}^2+{(z_{b2}-h)}^2}+{\mathrm{nlos}}_1-{\mathrm{nlos}}_2\\ {\mathrm{TDOA}}_s\·c={\mathrm{\ρ}}_{s1}-{\mathrm{\ρ}}_{s2}=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-h)}^2}-\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-h)}^2}\end{array}\right.$

其中，所述TDOA_b表示第一基站测距信号与第二基站测距信号到达定位接收机的时间差，TDOA_s表示第一卫星测距信号与第二卫星测距信号到达定位接收机的时间差，nlos₁-nlos₂为第一基站、第二基站与定位接收机间的非视距误差之差。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二关系式和所述平面插值模型的插值参数，计算出所述定位接收机的水平坐标，具体包括：

展开泰勒级数得到所述第二关系式的线性关系式；

根据牛顿迭代法和最小二乘法对所述线性关系式进行求解，计算出所述定位接收机的水平坐标。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位接收机的高程通过气压测高计测得。

8.一种定位接收机，其特征在于，所述定位接收机包括：

关系模块，用于接收至少两个基站和至少两个卫星的信号，根据接收到的信号建立第一关系式，所述第一关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差为未知数；

等效模块，用于将所述至少两个基站与定位接收机间的非视距误差之差等效为平面插值模型，并将所述关系模块中的所述第一关系式等效为第二关系式，所述第二关系式中包括所述定位接收机的高程，且只有所述定位接收机的水平坐标和所述平面插值模型的插值参数为未知数；

第一计算模块，用于获取与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点，根据所述三个标校点接收到所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型建立第三关系式，所述第三关系式中只有所述平面插值模型的插值参数为未知数，并计算出所述平面插值模型的插值参数；

第二计算模块，用于根据所述等效模块得到的所述第二关系式和所述第一计算模块得到的所述平面插值模型的插值参数，计算出所述定位接收机的水平坐标。

9.如权利要求8所述的定位接收机，其特征在于，所述定位接收机还包括数据库，所述数据库用于预存与所述定位接收机距离在预设范围内的至少三个标校点；

相应地，所述第一计算模块包括获取单元、建立单元和计算单元；

所述获取单元，用于根据所述数据库获取与所述定位接收机距离在预设范围内的三个标校点；

所述建立单元，用于根据所述三个标校点接收到所述至少两个基站的信号和所述平面插值模型建立第三关系式，所述第三关系式中只有所述平面插值模型的插值参数为未知数；

所述计算单元，用于计算出所述平面插值模型的插值参数。

10.如权利要求8所述的定位接收机，其特征在于，所述定位接收机还包括气压测高计，用于测量出所述定位接收机的高程。

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