CN102749637A

CN102749637A - 一种车载gps精确定位的实现方法

Info

Publication number: CN102749637A
Application number: CN2012102248110A
Authority: CN
Inventors: 张宜凯; 王广宇; 王宏岳
Original assignee: Xian Datang Telecom Co Ltd
Current assignee: Xian Datang Telecom Co Ltd
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明公开了一种车载GPS精确定位的实现方法，连续采集一组GPS定位数据，首先计算出距离最远的两点，然后将剩下的数据包含到一个圆内，使圆面积最小，求得圆心的坐标，离圆心最近的点即为所求的精确定位点。本发明利用平面点集的最小覆盖圆方法，对误差较大的数据进行过滤，取得最接近二维均值的数据，能够很好的解决GPS定位漂移问题，从而实现车载GPS的精确定位。

Description

一种车载GPS精确定位的实现方法

技术领域

本发明属于GPS定位技术领域，涉及一种GPS定位方法，尤其是一种车载GPS精确定位的实现方法。

背景技术

GPS是一种以卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，在全球任何地方及近地空间能够提供准确的地理位置，速度和精确的时间信息。如图1，假定卫星的位置B为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。在二维平面中，理想的情况如下图1（3）所示，三个圆相交于一点，这点就是定位的目标点。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对C/A码测得的伪距称为C/A码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个

t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，假设d_i(i=1,2,3,4)分别为分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离，△t_i(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

\sqrt[2]{{(x_{1} - x)}^{2} + {(y_{1} - y)}^{2} + {(z_{1} - z)}^{2}} + c ({vt}_{1} - {vt}_{0}) = d_{1}

\sqrt[2]{{(x_{2} - x)}^{2} + {(y_{2} - y)}^{2} + {(z_{2} - z)}^{2}} + c ({vt}_{2} - {vt}_{0}) = d_{2}

\sqrt[2]{{(x_{3} - x)}^{2} + {(y_{3} - y)}^{2} + {(z_{3} - z)}^{2}} + c ({vt}_{3} - {vt}_{0}) = d_{3}

\sqrt[2]{{(x_{4} - x)}^{2} + {(y_{4} - y)}^{2} + {(z_{4} - z)}^{2}} + c ({vt}_{4} - {vt}_{0}) = d_{4}

上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和vto为未知参数，c为光速，vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。通过求解上述四个方程组，可以得到所有未知数，所以必须测量用户至4颗卫星的伪距。这也就是为什么必须至少观测到4颗卫星才能进行三维坐标定位的原因。

目前GPS已广泛应用于交通、测绘、物流、个人导航等许多场合，利用3G和GIS等技术，最终可通过服务中心实现车辆的定位导航、防盗反劫、服务救援、远程监控、轨迹记录等功能。但由于受卫星信号强弱和其他外界干扰影响，民用GPS的定位距离一般误差是15米左右；当车辆静止时，GPS接收器收到的数据、方向、速度都在不停的跳动，从而造成车辆停止时，地图上显示随机乱跳的现象。

从GPS定位原理上分析，误差主要存在于以下几个方面：

1.卫星时钟误差

GPS系统时钟是主控站通过一组高精度的原子钟及附加设备所产生。每一颗GPS卫星也都配备一组原子钟，卫星钟与GPS系统时保持同步。卫星钟的同步是通过地面站测得的每一颗卫星的星钟相对于GPS系统时钟的偏差，计算它们的校正参数并发送给卫星，卫星接收并存储这些参数，然后通过导航电文向用户广播。用户根据这些参数修正卫星钟误差。尽管经过修正，仍然存在剩余误差，即同步误差。同步误差引起的等效测距误差为1～3米。

2.星历误差

GPS地面监测站不断的对卫星进行距离测定，确定卫星空间位置并发送往主控站。主控站将监测数据经处理后形成星历表，通过注入站注入卫星，存入卫星的内存。卫星通过电文向用户广播，用户由此计算出卫星发射信号时的空间位置。

由于受到卫星轨道摄动以及地面站的一些误差因素的影响，卫星星历表会出现一些误差，称为星历误差。另外由于用户接收到的星历并非实时的，而是由某一时刻起的推算值，这又加大了星历误差。星历误差引起的测距误差通常在2.5～7米之间。

3.多径误差

多路径效应是指GPS用户接收机除了直接接收到来自卫星的信号以外，还接收来自其它路径的该卫星的二次辐射信号，这些信号的合成，使信号特征发生变化，形成测量误差。该误差的大小和天线位置、天线附近反射体的位置性质等因素密切相关。多路径效应引起的测距误差为2～4米。

4.接收设备误差

接收机的信道硬件性能不完全一致产生信道间的信号延迟误差；对信号的处理过程，如量化过程引起的误差等统称为接收设备误差。接收设备误差引起的测距误差通常为1.2～2.2米。表2.1列出了各项误差因素引起的伪距测量误差的估算值、误差范围和总的等效误差。需要注意的是，随着GPS技术的进步，表中列出的各项误差因素对测距误差的影响会逐步减小。

上述几接收机方个方面用户端只能在面加以改进。目前，可以通过两种方法来减小误差，提高GPS定位精度：

一是采用差分GPS（DGPS——Differential GPS）技术。又叫GPS动态相对定位，就是利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。它用两台GPS接收机，将一台接收机安装在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，以提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的位置实现的。

二是通过滤波方法处理GPS接收机接收到的定位数据，将真实的状态从各种干扰中实时最优的估计出来，达到自主定位的目标。

对比以上两种技术，差分GPS技术的应用受到基站覆盖面积的限制。为了在更为广阔的区域里提供差分GPS服务，需要将多个差分基站与一个或多个主站组网，形成广域差分GPS系统（WAGPS）。但这样做的结果是造成系统庞大复杂，大大增加了投资。另外，客户端还需要添加差分信号接收机，也造成了成本的提高。因此研究提高GPS定位精度的自主式方法就显得格外重要。目前一般都应用卡尔曼滤波技术提高GPS定位精度。卡尔曼滤波通过测量结果对估计结果进行不断的修正来得到最优估计，且采用时域上的递推算法，简单易行。但使用条件要求也是比较苛刻的，进行计算的时候有可能发生计算舍入误差过大，引起滤波发散，计算结果和真实值越差越大，失去了滤波的作用，会出现定位不准确和静态漂移的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种车载GPS精确定位的实现方法，该方法采用高效的数据过滤处理方法，数据处理速度快，解决了车辆静态漂移的问题，使定位更加准确。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种车载GPS精确定位的实现方法，连续采集一组GPS定位数据，首先计算出距离最远的两点，然后将剩下的数据包含到一个圆内，使圆面积最小，求得圆心的坐标，离圆心最近的点即为所求的精确定位点。

进一步，以上采用最小覆盖圆的算法：随机取两点为直径做圆，判断剩余点是否在圆内，如果在则结束，否则，假设C_i表示当前i个满足条件点的最小覆盖圆集合，若i不在C_i-1中，则i一定在C_i-1的圆周上，递归至前i-1，已确定i在圆周上求解，同样可确定第2个点，再递归至第3层则可直接确定。

进一步的，上述具体算法如下：

设p₁，p₂…，p_n为n个点的随机顺序，C_i表示为当前i个点的最小覆盖圆集合；

S1.当加入新点p_i时如果p_i不在C_i-1里那么p_i必定在C_i的边界上；

S2.当C_i为前i个点最小覆盖圆且p在C_i的的边界上，同理加入新点p_i时如果p_i不在C_i-1里那么p_i必定在C_i的边界上，这时就包含了两个点在这个最小圆的边界上；

S3.当C_i为前i个点最小覆盖圆且有两个确定点在边界上，此时能确定圆心在边界两点的中垂线上；

S4.在线段pq左边的所有点中，找出离圆心最远的一点

，在线段qp右边所有的点中，找出离圆心最远的一点p_r；

S5.判断C(p，q，p_r)，和C(p，q)其中面积最小的即为所求圆。

本发明具有以下有益效果：

本发明的车载GPS精确定位的实现方法利用平面点集的最小覆盖圆方法，对误差较大的数据进行过滤，取得最接近二维均值的数据，能够很好的解决GPS定位漂移问题，从而实现车载GPS的精确定位。

附图说明

图1为本GPS定位示意图；

图2为本发明的GPS数据过滤示意图；

图3为本发明的计算过程示意图。

具体实施方式

本发明的该种车载GPS精确定位的实现方法为：连续采集一组GPS定位数据，首先计算出距离最远的两点，然后将剩下的数据包含到一个圆内，使圆面积最小，求得圆心的坐标，离圆心最近的点即为所求的精确定位点。

上述将剩下的数据包含到一个圆内采用最小覆盖圆的算法：随机取两点为直径做圆，判断剩余点是否在圆内，如果在则结束，否则，假设C_i表示当前i个满足条件点的最小覆盖圆集合，若i不在C_i-1中，则i一定在C_i-1的圆周上，递归至前i-1，已确定i在圆周上求解，同样确定第2个点，再递归至第3层则可直接确定。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明在用一般的滤波方法获得数据后，进一步对数据进行过滤。系统启动时连续采集一组GPS定位数据，如图2所示，采用类似多个裁判评分的方法，首先排除偏移较大的数据，然后将剩下的数据包含到一个圆内，使得圆面积最小，求得圆心的坐标，离圆心最近的点即所求的点。这个问题存在很多解法。如果采用暴力求解，需要的时间复杂为O(n³)，对于点数过多，这个算法太耗时。本发明采用最小覆盖圆的算法，对于最小圆覆盖来说，假设C_i为前i个点的解，若i不在C_i-1中，则i一定在ci的圆周上，递归至前i-1，已确定i在圆周上求解，同样可确定第2个点，再递归至第3层则可直接确定（3点确定一个圆，当然也有两点情况）。

本发明的具体步骤如下：

设p₁，p₂…，p_n为n个点的随机顺序，C_i表示为当前i个点的最小覆盖圆集合。

S1.当加入新点p_i时如果p_i不在C_i-1里那么p_i必定在C_i的边界上。

S2.当C_i为前i个点最小覆盖圆且p在C_i的的边界上，同理加入新点p_i时如果p_i不在C_i-1里那么p_i必定在C_i的边界上。这时我们就包含了两个点在这个最小圆的边界上。

S3.当C_i为前i个点最小覆盖圆且有两个确定点在边界上，此时可以确定圆心在边界两点的中垂线上，如图3。

S4.在线段pq左边的所有点中，找出离圆心最远的一点

在线段qp右边所有的点中，找出离圆心最远的一点p_r。

S5.判断C(p，q，p_r)，

和C(p，q)其中面积最小的即为所求圆。

在S2到S3过程中，因为不在直线上的三点确定一个圆，所以算法需要的时间为

或者

整个算法需要的时间为

O (n) + Σ_{3}^{n} O (1) = O (n)

当获得初始点p的位置后，对以后获得的一组数据，只需找出离点p最近的一点作为下一点，从而最小的减少了偏差。

另外，车载GPS系统也有自身的特点，如车速一般最大不超过150km/h，加速度不会超过某个值；车辆熄火时，可以强制将GPS的速度设置为0；结合GIS技术，可以将车辆强制锁定在最靠近的道路上。

Claims

1.一种车载GPS精确定位的实现方法，其特征在于，连续采集一组GPS定位数据，首先计算出距离最远的两点，然后将剩下的数据包含到一个圆内，使圆面积最小，求得圆心的坐标，离圆心最近的点即为所求的精确定位点。

2.根据权利要求1所述的车载GPS精确定位的实现方法，其特征在于，采用最小覆盖圆的算法：随机取两点为直径做圆，判断剩余点是否在圆内，如果在则结束，否则，假设C_i表示当前i个满足条件点的最小覆盖圆集合，若i不在C_i-1中，则i一定在C_i-1的圆周上，递归至前i-1，已确定i在圆周上求解，同样确定第2个点，再递归至第3层则可直接确定。

3.根据权利要求1所述的车载GPS精确定位的实现方法，其特征在于，具体算法如下：

S4.在线段pq左边的所有点中，找出离圆心最远的一点

在线段qp右边所有的点中，找出离圆心最远的一点p_r；

S5.判断C(p，q，p_r)，和C(p，q)其中面积最小的即为所求圆。