CN103018758A - 基于gps/ins/agps的移动差分基站方法 - Google Patents

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申冲
徐元
祝雪芬
方琳
李庆华
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本发明涉及一种基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，属于车辆导航定位技术领域。包括以下步骤：首先在部分车辆上安装GPS/INS/AGPS组合导航系统，利用组合导航系统得到车辆位置信息，再将此位置信息与通过AGPS得到的卫星位置信息进行计算，得到车辆与观测到的每颗卫星之间的真实距离，将此真实距离与GPS接收机测量得到的卫星伪距做比较，得到观测到的每颗卫星的伪距改正数，最后将卫星伪距改正数广播给其它只载有普通GPS接收机的车辆，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去接收到的卫星伪距改正数，再利用改正后的卫星信息进行位置解算，得到高精度的车辆定位结果。该方法能有效地提高车辆导航定位精度。

Description

基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法
技术领域
本发明涉及一种基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，属于车辆导航定位技术领域。
背景技术
随着交通事业的不断发展，交通需求不断增长，单纯依靠增加道路面积和提高路网总体容量已经不能有效地解决日益严重的交通问题。智能交通系统的提出为解决道路问题提供了新的思路，即不仅应该修建更多的交通基础设施，而且要采用先进的信息、电子、系统工程等高科技手段来对道路网络进行更有效地控制和管理，以便更大限度的发挥现有道路系统的交通效率。在智能交通系统中，关键问题是要准确地知道车辆当前所在位置。进入90年代以来，随着计算机和通信技术的飞速发展，车辆导航定位系统开始进入真正的实用阶段。特别是美国全球定位系统（GPS）的建立，为全球范围内的用户提供了一种廉价、实用的定位手段，使得车辆导航定位系统的发展进入了高潮。
由于GPS具有成本低、便携式、易与其他传感器或通信设备进行融合等特点，因此以GPS为主的车辆定位系统目前几乎占据了全部的市场。但是GPS也有其缺点，精度不够高是其主要不足之一。普通GPS接收机由于受到卫星钟差、电离层误差、大气层误差、多路径误差等影响，其定位精度为30米左右，远远不能满足车道级定位的需求。为了提高GPS的定位精度，差分GPS随之产生。差分GPS（DGPS, Differential GPS）首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准站，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端（GPS导航仪），对用户端的测量数据进行修正，消除卫星钟差、电离层误差、对流层误差等公共误差，以提高GPS定位精度。根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。其中，伪距差分是目前应用最广的一种技术。其原理为：在基准站上的接收机已知自身的精确位置信息，并可求得它至可见卫星的距离，然后将此计算出的距离与GPS接收机测得的含有误差的测量值加以比较，求出该测距误差并将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距，最后，用户利用改正后的伪距来解算出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。但是，DGPS在实际工程应用中也有其显著缺点，如：一、DGPS接收机价格远高于普通GPS接收机，无法在车载导航应用中得到推广；二、由于DGPS的基准站往往距用户端较远，当用户端工作在原理DGPS基准站的环境时，其差分校正效果会下降。
惯性导航系统（INS, Inertial navigation system）是基于惯性传感器的自主式导航系统，它利用惯性传感器测量运动的角速度和加速度，经计算确定车辆位置，实现车辆的自主定位。但惯性元件的漂移误差和标定误差将使累积误差随着时间逐渐积累，最终达到无法忍受的程度，而且目前高精度的INS系统价格高昂，很难在车载导航系统中得到推广。多传感器融合技术的出现极大的推动了车载定位技术的发展，利用多传感器融合技术，将低精度的GPS和INS组合在一起，即能得到高精度的组合导航定位结果。
AGPS（辅助全球定位系统）技术已在手机导航中得到了广泛的应用，其工作原理包括以下六步：一、AGPS手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器；二、位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等）到手机；三、该手机的AGPS模块根据辅助信息（以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力）接收GPS原始信号；四、手机在接收到GPS原始信号后解调信号，计算手机到卫星的伪距（伪距为受各种GPS误差影响的距离），并将有关信息通过网络传输到位置服务器；五、位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备（如差分GPS基准站）的辅助信息完成对GPS信息的处理，并估算该手机的位置六、位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。由以上步骤可知，AGPS通过位置服务器可以得到与手机位置相关的GPS辅助信息，包括GPS星历和俯仰角。因此，在已知某一点位置精确坐标的情况下，便可根据AGPS得到的卫星星历计算得到该点与卫星之间的真实距离。将得到的真实距离与GPS卫星接收机测得的卫星伪距作比较，即可得到卫星伪距测量误差。
随着车联网技术的发展，车与车之间的通信技术越来越成熟。通过无线传输技术，车辆与车辆之间可以实时的交换位置、速度等信息。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提出了一种基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，该方法在部分车辆（如公交车）上安装GPS/INS/AGPS组合导航系统及无线传输装置，利用GPS/INS组合导航系统得到高精度的车辆位置信息，同时利用AGPS得到实时的真实卫星位置信息，然后将高精度的车辆位置信息与真实卫星位置信息进行计算，得到车辆与卫星之间的真实距离，将此真实距离与GPS接收机测量得到的卫星伪距作比较，得到普通GPS接收机的卫星伪距改正数。最后装有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆利用无线传输技术将得到的卫星伪距改正数广播给附件只载有普通GPS接收机的车辆，以消除普通GPS接收机的测量误差。该方法能够有效地克服电离层误差、对流层误差对普通GPS接收机的影响，在成本增加不大的情况下显著地提高普通GPS接收机的定位精度。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案： 
一种基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，包括下列步骤：
（1）载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆利用数据融合方法得到高精度的车辆位置信息；
（2）利用步骤（1）中得到的高精度车辆位置信息和AGPS提供的实时卫星位置信息进行计算，得到车辆与接收到的每颗卫星之间的准确距离；
（3）将步骤（2）中得到的车辆与接收到的每颗卫星之间的准确距离与GPS接收机测量的卫星伪距做比较，得到卫星伪距改正数；
（4）载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆将步骤（3）中得到的卫星伪距改正数以及每颗卫星的信噪比利用无线通信技术进行传播；
（5）只载有普通GPS接收机的车辆得到载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数和每颗卫星的信噪比，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去卫星伪距改正数，再利用改正后的卫星信息进行位置解算，便可得到的车辆定位结果。
步骤（1）中所述数据融合方法包含卡尔曼滤波、粒子滤波，以及基于卡尔曼和粒子滤波的改进数据融合算法。
步骤（1）中所述GPS/INS/AGPS组合导航系统，其组合方式为位置速度误差紧耦合方式。
步骤（4）中所述无线传输技术采用IEEE 802.11a通信标准协议。
该方法的差分方式为伪距差分。
步骤（5）中所述只载有普通GPS接收机的车辆得到载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去该卫星伪距改正数，如果只载有普通GPS的车辆对于每颗卫星只接收到一个由GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，则直接对卫星伪距星系进行校正；如果只载有普通GPS的车辆对于每颗卫星同时接收到两个以上的不同的载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，则以加权求平均值的方法计算得到最后的改正数，其加权平均方法如下所示：
Figure 887602DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 189271DEST_PATH_IMAGE002
为最终的卫星伪距改正数，
Figure 238260DEST_PATH_IMAGE003
为不同载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的同一颗卫星的伪距改正数，
Figure 563062DEST_PATH_IMAGE004
为不同载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的同一颗卫星的信噪比，n为自然数。
本发明的有益效果如下：
（1）   本发明综合利用组合导航技术及无线通信技术，相较于传统的差分GPS基准站，本发明建立了移动差分GPS基准站。
（2）   本发明建立的移动差分GPS基准站适用范围广，能有效改善传统差分GPS基准站距离过远时造成的精度下降问题。
（3）   相较于传统的差分GPS，本发明建立的“移动”差分GPS成本低廉，易于推广。
附图说明
图1为基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法路上示意图。 
图2为基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1为基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法路上示意图，如图所示，由于公交车在城市中数量较多、活动范围广泛，且几乎平均分配于各个街道上，故一般将GPS/INS/AGPS组合定位系统安装在公交车上。安装有GPS/INS/AGPS组合导航系统的公交车同时配备无线通信传输设备，该设备可将解算后得到的卫星伪距改正数以及每颗卫星的SNR值进行广播，广播给附近的只载有普通GPS接收机的车辆。
图2为基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法的原理框图，如图所示，其中，
Figure 119815DEST_PATH_IMAGE005
为INS输出的车辆位置信息，
Figure 10410DEST_PATH_IMAGE006
为GPS输出的车辆位置信息，
Figure 745148DEST_PATH_IMAGE007
为数据融合滤波器输出的INS位置误差校正值，为GPS/INS组合导航系统输出的车辆位置信息，
Figure 150645DEST_PATH_IMAGE009
为通过AGPS得到的卫星位置信息，
Figure 161327DEST_PATH_IMAGE010
为GPS接收机测量得到的卫星伪距信息，
Figure 316233DEST_PATH_IMAGE011
为每颗卫星的信噪比数值，
Figure 350048DEST_PATH_IMAGE012
为利用GPS/INS组合导航输出的车辆位置和AGPS得到的卫星位置解算出的车辆与卫星之间的真实距离，
Figure 61652DEST_PATH_IMAGE013
为卫星伪距改正数。GPS与INS的组合方式采用紧耦合方式。只载有普通GPS的车辆接收和
Figure 691796DEST_PATH_IMAGE011
，对自身的GPS接收机测得的卫星伪距信息进行校正，以便得到高精度的导航定位结果。当只载有普通GPS接收机的车辆得到载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去该卫星伪距改正数，如果只载有普通GPS的车辆对于每颗卫星只接收到一个由GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，则直接对卫星伪距星系进行校正；如果只载有普通GPS的车辆对于每颗卫星同时接收到两个以上的不同的载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，则以加权求平均值的方法计算得到最后的改正数，其加权平均方法如下所示：
Figure 275224DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 711891DEST_PATH_IMAGE002
为最终的卫星伪距改正数，
Figure 634847DEST_PATH_IMAGE003
为不同载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的同一颗卫星的伪距改正数，为不同载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的同一颗卫星的信噪比，n为自然数。
本发明的原理是：GPS伪距差分定位是应用最广泛的一种GPS差分定位方法，其原理是在GPS基准站上观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离，再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度，伪距差分方法能够得到米级的定位精度。伪距差分GPS由于其定位精度高，目前已得到了广泛应用。但是伪距差分GPS的工程化应用也有其局限性，具体表现为：一、差分GPS价格较高，不利于商业推广；二、为了更好的获得卫星信号，差分GPS基准台往往建于空旷的郊外地区，距离差分GPS用户端比较远，当用户端工作在远离DGPS基准站的环境时，其差分校正效果会下降。本发明利用差分GPS的概念，首先在部分车辆（如公交车）上安装GPS/INS/AGPS组合导航系统，利用GPS/INS组合导航系统得到高精度的车辆位置信息，再将此位置信息与通过AGPS得到的卫星位置信息进行计算，得到车辆与观测到的每颗卫星之间的真实距离，将此真实距离与GPS接收机测量得到的卫星伪距做比较，便可得到观测到的每颗卫星的伪距改正数，最后将卫星伪距改正数广播给其它只载有普通GPS接收机的车辆，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去接收到的卫星伪距改正数，再利用改正后的卫星信息进行位置解算，便可得到高精度的车辆定位结果。

Claims (6)

1.一种基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆利用数据融合方法得到高精度的车辆位置信息；
（2）利用步骤（1）中得到的高精度车辆位置信息和AGPS提供的实时卫星位置信息进行计算，得到车辆与接收到的每颗卫星之间的准确距离；
（3）将步骤（2）中得到的车辆与接收到的每颗卫星之间的准确距离与GPS接收机测量的卫星伪距做比较，得到卫星伪距改正数；
（4）载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆将步骤（3）中得到的卫星伪距改正数以及每颗卫星的信噪比利用无线通信技术进行传播；
（5）只载有普通GPS接收机的车辆得到载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数和每颗卫星的信噪比，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去卫星伪距改正数，再利用改正后的卫星信息进行位置解算，便可得到的车辆定位结果。
2.根据权利要求1中所述的基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，其特征在于：步骤（1）中所述数据融合方法包含卡尔曼滤波、粒子滤波以及基于卡尔曼和粒子滤波的改进数据融合算法。
3.根据权利要求1中所述的基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，其特征在于：步骤（1）中所述GPS/INS/AGPS组合导航系统，其组合方式为位置速度误差紧耦合方式。
4.根据权利要求1中所述的基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，其特征在于：步骤（4）中所述无线传输技术采用IEEE 802.11a通信标准协议。
5.根据权利要求1中所述的基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，其特征在于：该方法的差分方式为伪距差分。
6.根据权利要求1中所述的基于GPS/INS/AGPS的移动差分基站方法，其特征在于：步骤（5）中所述只载有普通GPS接收机的车辆得到载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，并在普通GPS接收机计算的卫星伪距信息的基础上减去该卫星伪距改正数，如果只载有普通GPS的车辆对于每颗卫星只接收到一个由GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，则直接对卫星伪距星系进行校正；如果只载有普通GPS的车辆对于每颗卫星同时接收到两个以上的不同的载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的卫星伪距改正数，则以加权求平均值的方法计算得到最后的改正数，其加权平均方法如下所示：
其中，
Figure 990551DEST_PATH_IMAGE002
为最终的卫星伪距改正数，为不同载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的同一颗卫星的伪距改正数，
Figure 435624DEST_PATH_IMAGE004
为不同载有GPS/INS/AGPS组合导航系统的车辆传播的同一颗卫星的信噪比，n为自然数。
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