CN103760583B - 一种导航终端定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导航终端定位方法，其包括：目标导航终端与其相距一跳远的至少一辅助导航终端建立通信，并根据辅助导航终端提供的信息对辅助导航终端进行排序，与排序靠前的辅助导航终端建立通信网络；目标导航终端接收来自已建立通信网络的辅助导航终端的卫星数据；目标导航终端利用共享的卫星数据进行位置计算。本发明利用多个导航终端组网共享卫星信息，并通过对协作导航终端进行排序及共享卫星选择来提高定位导航终端的位置精度。

Description

一种导航终端定位方法

技术领域

本发明涉及通信领域的卫星导航定位信息处理。

背景技术

随着北斗导航卫星的成功发射，北斗（二代）卫星导航系统将逐步具有全球覆盖能力，并能提供高精度定位、导航和授时服务。但北斗导航系统因为采用与GPS（Global Positioning System）系统相类似的工作原理，其在应用中也将面临GPS系统中存在的诸多问题。使用GPS终端导航的司机可能都有因GPS卫星信号丢失而迷路的经历，特别是在隧道中、高架桥下或密集高楼区中。其主要原因就是在这些区域中，导航终端很难获得足够的卫星信号以实现定位。另外一种情况是在室内，即使将来北斗系统所有卫星都成功发射运行，导航终端仍可能因为获得的卫星少于四颗，而不能完成精确定位。在这些情形下，导航终端有可能获得部分卫星（少于四颗），如一颗或两颗卫星。对于只获得部分卫星的终端，如果能从其他设备处获取更多不同卫星的导航数据信息，并综合自身获得的卫星导航数据和其他相关信息，那么该终端就可能实现定位。对导航终端，如果没有固定有效的定位辅助设备，一种可行方案是导航终端从其他导航终端获取额外卫星导航数据信息。这样，相邻终端可共享卫星导航数据以互助协作获得定位。导航终端协作定位将会有广泛的应用，如室内定位、楼群间定位、战场上士兵在恶劣环境下如隧道内或隐蔽建筑物内的互助定位等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种导航终端定位方法，其能实现导航终端之间相互协作定位。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种导航终端定位方法，其包括以下步骤：

（1）目标导航终端与与其相距一跳远的至少一辅助导航终端建立通信，并根据辅助导航终端提供的信息对辅助导航终端进行排序，与排序靠前的辅助导航终端建立通信网络；

（2）目标导航终端接收来自已建立通信网络的辅助导航终端的卫星数据；

（3）目标导航终端利用来自辅助导航终端共享的卫星数据进行位置计算。

优选的，所述步骤（1）具体包括以下子步骤：

（10）目标导航终端向辅助导航终端发送请求信息，请求辅助导航终端提供信息，所述信息包括当前可见卫星数及卫星标识或所获取的原始卫星信号、终端能量、当前计算承载能力、速度和运行方向；

（11）目标导航终端根据所述信息对辅助导航终端按照预定规则进行排序；

（12）目标导航终端根据自身可见位星数量，选择排序靠前的辅助导航终端组成通信网络，以保证获取卫星数量大于或等于4。

进一步优选的，所述步骤（12）的预定规则如下：

（110）多个辅助导航终端所获取的卫星中，包含的相同的卫星数量越多的辅助导航终端的优先级越高；

（111）在条件（110）的限制下，若同一优先级的辅助导航终端为多个，同一优先级的辅助导航终端按以下规则排序：

（1110）与目标导航终端相对速度越小的辅助导航终端的优先级越高；

（1111）在条件（1110）限制下，若优先级仍相同，则与目标导航终端之间的通信信号强度越强的辅助导航终端的优先级越高；

（1112）在条件（1111）限制下，若优先级仍相同，则能量越高或计算能力越强的辅助导航终端的优先级越高。

优选的，所述步骤（2）具体包括以下子步骤：

（20）若目标导航终端与辅助导航终端之间的通信带宽大于或等于2MHz，且目标导航终端本身具有快速卫星捕获和跟踪能力以及电池能量可续航大于t秒，则辅助导航终端向目标导航终端直接提供其所接收的卫星信号数据流；

（21）若目标导航终端与辅助导航终端之间的通信带宽小于2MHz，或目标导航终端本身不具有快速卫星捕获和跟踪能力，则辅助导航终端向目标导航终端提供卫星测量数据，所述卫星测量数据包括卫星位置、卫星伪距和星历信息；

（22）辅助导航终端根据与目标导航终端的通信信号，计算相对于目标导航终端的距离、卫星信号到达方向与目标导航终端的通信信号到达方向之间的夹角，并将距离和夹角发送给目标导航终端；

其中，卫星信号数据流或者卫星测量数据与距离、夹角构成卫星数据。

进一步优选的，所述步骤（3）具体包括以下子步骤：

（30）选择卫星，卫星选择方法如下：

（300）记辅助导航终端共享卫星为S_j(j=1,2,…,K),其中K为从辅助导航终端获取的卫星的总数;

（301）记辅助导航终端排序后为T_i(i=1,2,…,M),T₁>T₂>…>T_M,其中，T_k-1>T_k,表示辅助导航终端T_k-1在被选择作为协作终端时优先级高于辅助导航终端T_k,1<k≤M;

（302）以排序后的辅助导航终端为行，所有可见卫星为列，即每个辅助导航终端为一行，每一可见卫星为一列，形成矩阵C,如果共享卫星S_j对辅助导航终端T_i是可见的，则置相应元素为1，即C(i,j)=1，否则，C(i,j)=0；

（303）所选择的卫星为： $S^{*}=\underset{S_j\mathrm{mj}=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,K}{\arg \max }\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(M-k+1)C(k,j);$

（304）将S*置于所选择的卫星集合S_s中：S_s=S_s+{S*}；

（305）如果S^*=S_m,则置C(i,m)=0,i=1,…,M，1≤m≤K;

（306)重复（303）-（305），直到所选取的卫星总数Q与目标导航终端本身可见卫星数L之和为4，即Q+L=4,并记所选取卫星为S_i’(i=1,…,Q,1≤Q≤4),其信息由相应的辅助导航终端T_k’(k=1,…,Z,1≤Z≤M)提供给目标导航终端；

(31)利用所选择的卫星进行目标导航终端位置计算，计算步骤包括：

（310）计算目标导航终端O到卫星S_i’(i=1…Q)的伪距，包括：

（3100）通过三角余弦定理，利用辅助导航终端T_k’提供的相对距离d_o,k和夹角θ_o,k,i及辅助导航终端T_k’到卫星S_i’的伪距ρ_k,i计算目标终端到卫星S_i’的伪距ρ_o,k,i，下标k表示伪距是通过辅助导航终端T_k’所提供的信息计算，k=1,…,Z:

${\mathrm{\&rho;}}_{o,k,i}=\sqrt{d_{o,k}^2+{\mathrm{\&rho;}}_{k,i}^2-2d_{o,k}{\mathrm{\&rho;}}_{k,i}\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_{o,k,i}\right)};$

（3101）分别利用Z个辅助导航终端提供的信息计算ρ_o,k,i(k=1,…,Z）；

（3102）将所计算的ρ_o,k,i进行平均,所得的结果作为最终目标导航终端O到卫星S_i’的伪距，即：

${\mathrm{\&rho;}}_{o,i}^{\&prime;}=\underset{k=1}{\overset{Z}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{o,k,i}/Z(i=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,Q).$

（311）如果目标导航终端本身可获取一定数量的卫星，则分别计算到这些卫星的伪距，再结合由（3102）计算所得的至其他卫星的伪距通过最小二乘法进行位置计算。

本发明具有如下有益效果：

利用多个导航终端组网共享卫星信息，并通过对协作导航终端进行排序及共享卫星选择来提高定位导航终端的位置精度。

具体实施方式

首先本实施例的导航终端具有以下特征：

1）导航终端除可接收卫星信号外，还具有无线通信能力。

2）导航终端具有测量包括卫星信号和其他邻近导航终端所发射的无线信号的信号到达方向能力。

3）导航终端具有测量与其他导航终端相对距离的能力。

当一定数量的导航终端处于一定区域中，比如道路中同向或返回运动的车辆，野外行进中的战斗小分队等，如果某导航终端位于导航卫星的盲区中，如某些车辆处于高架桥下或隧道中，某些战士处于战壕坑道或树林中等，则这些导航终端就可能接收不到足够有效的卫星信号，因而无法实现自身定位。因此导航终端如果能与其他邻近导航终端建立通信，并利用邻近导航终端所获取卫星的信号则可以实现协作定位。

首先定义两种终端类型：1）目标导航终端（以下简称目标终端）：指从其他导航终端处获得额外卫星导航数据并综合自身获得的位置相关数据以定位自己的终端；2）辅助导航终端（以下简称辅助终端）：指向其他导航终端提供卫星导航数据的终端（注：任一终端同时既可以为目标终端也可以为辅助终端）。

导航终端可以利用自组网技术进行组网。与一般自组网不同的是，导航终端不需要与其他任何导航终端都建立连接。一般情况下，目标终端只需要获得四颗卫星就可以计算出位置信息，但导航终端仍需要与多个（大于或等于4个）相邻导航终端进行通信，因为部分邻近导航终端也可能无法获得任何卫星信号，或几个相邻导航终端所获得的卫星信号来自同一卫星。因此，导航终端需要与多个邻近导航终端进行通信，并选择相应导航终端作为协作辅助终端。在这里，邻近导航终端是指与目标终端相距一“跳”（hop）远的相邻终端。如果这些相邻导航终端仍不能提供足够有效卫星信号，则目标终端可能需要与相距二“跳”或更远的终端进行通信以获取额外卫星信号，但这种情况下最终定位误差会增加，相应的协作方法不在本实施例的描述中。本实施例只提出导航终端与相距一“跳”（hop）远的相邻导航终端进行协作定位以提高定位精度的方法。

每一目标终端周期广播“连接请求”信号,任何辅助终端在收到请求信号后，将向该目标终端发送“应答”信号。在收到“应答”信号后，目标终端建立或更新辅助终端表，并根据收到的信号强度及其他辅助终端提供的信息包括其当前可见卫星数及卫星标识或所获取的原始卫星信号、终端能量、当前计算承载能力、速度和运行方向等对辅助终端进行排序。排序规则为：在满足一定信号强度准则情况下（具体门限由具体应用环境确定），1）几个辅助终端所获取的卫星中包含相同的卫星越多，则这几个辅助终端优先级就越高;例如，如果共有四个辅助终端T_i(i=1,2,3,4)，记S_Ti为辅助终端T_i可获取的卫星的集合，S_T1={S₁,S₂,S₃},S_T2={S₂,S₃,S₄},S_T3={S₃},S_T4={S₄},其中S_i代表卫星标识，则T₁和T₂在选择作为辅助终端时优先级将比T₃和T₄高，因为其获取卫星中包括两颗相同卫星S₂和S₃，而T₃和T₄所获取的卫星与其他辅助终端获取的卫星最多只有一颗相同；2）在1）条件限制下，同一级别的辅助终端可能会有几个，在同一级别内，按以下规则排序:（a）相对速度越小的辅助终端优先级越高;（b）若优先级仍相同，则信号强度越强的辅助终端优先级越高；（c）若优先级仍相同，则能量越高或计算能力越强的辅助终端其优先级就越高。根据辅助终端排序结果及本身所获得的卫星信号，目标终端将选择相应邻近终端作为辅助终端进行连接并在一定时间内维持连接直到下一周期再进行更新。

为实现定位，目标终端与辅助终端通过以下方式进行协作：

1）如果目标终端与辅助终端之间通信带宽大于或等于2MHz,且目标终端本身具有快速卫星捕获和跟踪能力和电池能量较高（可保证续航时间大于t秒，t由实际应用决定），则辅助终端可向目标终端直接提供所接收的卫星信号数据流。判断是否具有快速卫星捕获和跟踪能力的方法比较简单，只有预先设定好一个具有快速计算能力的硬件型号列表和计算速度较快的算法列表，只有识别到目标终端的硬件构成和装载的算法都在上述两个列表内，则判定目标终端具有快速卫星捕获和跟踪能力。

2）如果目标终端与辅助终端之间通信带宽小于2MHz，或目标终端本身不具有快速卫星捕获和跟踪能力，则辅助终端可以向目标定位终端提供卫星测量数据，所述卫星测量数据包括卫星位置和卫星距离及其他星历信息。另外，利用目标终端所发送的请求信息，辅助终端需要计算相对目标终端的距离d和卫星信号到达方向与目标终端信号到达方向之间的夹角θ，并将距离d和夹角θ发送给目标终端。

目标终端利用共享卫星数据（即卫星信号数据流和卫星测量数据）、目标终端与辅助终端的相对距离d及卫星信号和目标终端信号到达辅助终端的方向之间的夹角θ进行位置计算。

首先，目标终端进行卫星选择。卫星选择方法如下：

1)记辅助终端所提供的共享卫星为S_j(j=1,2,…,K),其中K为从辅助终端获取的卫星的总数;

2)记辅助终端排序后为T_i(i=1,2,…,M),T₁>T₂>…>T_M,这里，T_k-1>T_k,表示邻近终端T_k-1在被选择作为辅助终端时优先级高于终端T_k;

3)以排序后的辅助终端为行，并以这些辅助终端提供的所有可见卫星为列，即每个辅助终端为一行，每一可见卫星为一列，形成矩阵C。如果卫星S_j对辅助终端T_i是可见的，则置相应元素为1，即C(i,j)=1，如：

S₁S₂S₃…S_j…S_K

$C=\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ .\\ .\\ .\\ T_i\\ .\\ .\\ .\\ T_M\end{array}\left[\begin{array}{ccccccc}0& 0& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0\\ 0& 0& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0\\ 0& 0& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0\\ .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .\\ 0& 0& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 1& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0\\ .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .\\ 0& 0& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& 0\end{array}\right]$

4）卫星通过以下公式进行选择（S*为所选择的卫星）：

$S^{*}=\underset{S_j\mathrm{mj}=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,K}{\arg \max }\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(M-k+1)C(k,j)$

5)将S^*置于所选择的卫星集合S_s中：S_s=S_s+{S*}；

6）如果S^*=S_m,则置C(i,m)=0,i=1,…,M，1≤m≤K，然后再重复4）-5）步，直到所选取的卫星总数Q与目标终端本身可见卫星数L之和为4，即Q+L=4。记所选取的辅助终端提供的卫星为S_i’(i=1,…,Q,1≤Q≤4),其信息由相应的辅助终端T_k’(k=1,…,Z,1≤Z≤M)提供给目标终端。

目标终端利用所选择的卫星及本身所获取的卫星进行位置计算。因为辅助终端共享的卫星信号是由辅助终端获取的，利用这些共享的卫星信号所计算出来的到卫星的伪距实际上是辅助终端到卫星的伪距，而不是从目标终端到这些卫星的伪距。因此，目标终端需要计算到这些共享卫星的伪距。

计算从目标终端到那些共享卫星的伪距需要的信息包括：（a）辅助终端到卫星的伪距；（b)辅助终端与目标终端之间的距离d；（c）卫星信号到达辅助终端的方向和目标终端信号到达辅助终端方向之间的夹角θ。利用这些信息，通过三角余弦定理，计算出目标终端到卫星的伪距。计算目标定位终端O到卫星S_i’(i=1,…,Q)的伪距步骤如下：

（1）利用邻近辅助终端T_k’提供的相对距离d_o,k和方向角θ_o,k,i及辅助终端T_k’到卫星S_i’的伪距ρ_k,i计算目标终端到卫星S_i’的伪距ρ_o,k,i（下标k表示该伪距是通过辅助终端T_k’所提供的信息计算，k=1,…,Z）:

${\mathrm{\&rho;}}_{o,k,i}=\sqrt{d_{o,k}^2+{\mathrm{\&rho;}}_{k,i}^2-2d_{o,k}{\mathrm{\&rho;}}_{k,i}\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_{o,k,i}\right)}$

（2）分别利用Z个辅助终端提供的信息计算ρ_o,k,i(k=1,…,Z）

（3)将所计算的ρ_o,k,i进行平均,所得的结果作为最终目标定位终端O到卫星S_i’的伪距，即：

${\mathrm{\&rho;}}_{o,i}^{\&prime;}=\underset{k=1}{\overset{Z}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{o,k,i}/Z(i=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,Q).$

如果目标定位终端本身可获取一定数量的卫星，则分别计算到这些卫星的伪距，再结合由（3）计算所得的至其他卫星的伪距通过常规最小二乘法进行位置计算。

通过该方法计算的目标终端位置精度将得到提高，因为单次测量造成的误差对位置精度的影响被降低。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种导航终端定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)目标导航终端与与其相距一跳远的至少一辅助导航终端建立通信，并根据辅助导航终端提供的信息对辅助导航终端进行排序，与排序靠前的辅助导航终端建立通信网络；

(2)目标导航终端接收来自已建立通信网络的辅助导航终端的卫星数据；

(3)目标导航终端利用来自辅助导航终端共享的卫星数据进行位置计算；

所述步骤(2)具体包括以下子步骤：

(20)若目标导航终端与辅助导航终端之间的通信带宽大于或等于2MHz，且目标导航终端本身具有快速卫星捕获和跟踪能力以及电池能量可续航大于t秒，则辅助导航终端向目标导航终端直接提供其所接收的卫星信号数据流；

(21)若目标导航终端与辅助导航终端之间的通信带宽小于2MHz，或目标导航终端本身不具有快速卫星捕获和跟踪能力，则辅助导航终端向目标导航终端提供卫星测量数据，所述卫星测量数据包括卫星位置、卫星伪距和星历信息；

(22)辅助导航终端根据与目标导航终端的通信信号，计算相对于目标导航终端的距离、卫星信号到达方向与目标导航终端的通信信号到达方向之间的夹角，并将距离和夹角发送给目标导航终端；

其中，卫星信号数据流或者卫星测量数据与距离、夹角构成卫星数据。

2.如权利要求1所述的导航终端定位方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下子步骤：

(10)目标导航终端向辅助导航终端发送请求信息，请求辅助导航终端提供信息，所述信息包括当前可见卫星数及卫星标识或所获取的原始卫星信号、终端能量、当前计算承载能力、速度和运行方向；

(11)目标导航终端根据所述信息对辅助导航终端按照预定规则进行排序；

(12)目标导航终端根据自身可见卫星数量，选择排序靠前的辅助导航终端组成通信网络，以保证获取卫星数量大于或等于4。

3.如权利要求2所述的导航终端定位方法，其特征在于，所述步骤(11)的预定规则如下：

(110)多个辅助导航终端所获取的卫星中，包含的相同的卫星数量越多的辅助导航终端的优先级越高；

(111)在条件(110)的限制下，若同一优先级的辅助导航终端为多个，同一优先级的辅助导航终端按以下规则排序：

(1110)与目标导航终端相对速度越小的辅助导航终端的优先级越高；

(1111)在条件(1110)限制下，若优先级仍相同，则与目标导航终端之间的通信信号强度越强的辅助导航终端的优先级越高；

(1112)在条件(1111)限制下，若优先级仍相同，则能量越高或计算能力越强的辅助导航终端的优先级越高。

4.如权利要求1所述的导航终端定位方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下子步骤：

(30)选择卫星，卫星选择方法如下：

(300)记辅助导航终端共享卫星为S_j,S_j中的j＝1,2,…,K，其中K为从辅助导航终端获取的卫星的总数；

(301)记辅助导航终端排序后为T_i,T_i中的i＝1,2,…,M，T₁>T₂>…>T_M,其中，T_k-1>T_k,表示辅助导航终端T_k-1在被选择作为协作终端时优先级高于辅助导航终端T_k,1<k≤M；

(302)以排序后的辅助导航终端为行，所有可见卫星为列，即每个辅助导航终端为一行，每一可见卫星为一列，形成矩阵C，如果共享卫星S_j对辅助导航终端T_i是可见的，则置相应元素为1，即C(i,j)＝1，否则，C(i,j)＝0；

(303)所选择的卫星为： $S^{*}=\underset{S_j,j=1,...,K}{\arg \max }\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(M-k+1)C(k,j);$

(304)将S^*置于所选择的卫星集合S_s中：S_s＝S_s+{S^*}；

(305)如果S^*＝S_m,则置C(i,m)＝0,i＝1,…,M，1≤m≤k；

(306)重复(303)-(305)，直到所选取的卫星总数Q与目标导航终端本身可见卫星数L之和为4，即Q+L＝4,并记所选取卫星为S_i’,S_i’中的i＝1,…,Q，1≤Q≤4,其信息由相应的辅助导航终端T_k’提供给目标导航终端，T_k’中的k＝1,…,Z,1≤Z≤M；

(31)利用所选择的卫星进行目标导航终端位置计算，计算步骤包括：

(310)计算目标导航终端O到卫星S_i’的伪距，包括：

(3100)通过三角余弦定理，利用辅助导航终端T_k’提供的相对距离d_o,k和夹角θ_o,k,i及辅助导航终端T_k’到卫星S_i’的伪距ρ_k,i计算目标终端到卫星S_i’的伪距ρ_o,k,i，下标k表示伪距是通过辅助导航终端T_k’所提供的信息计算，k＝1,…,Z:

${\mathrm{\&rho;}}_{o,k,i}=\sqrt{d_{o,k}^2+{\mathrm{\&rho;}}_{k,i}^2-2d_{o,k}{\mathrm{\&rho;}}_{k,i}cos\left({\mathrm{\&theta;}}_{o,k,i}\right)};$

(3101)分别利用Z个辅助导航终端提供的信息计算ρ_o,k,i，k＝1,…,Z；

(3102)将所计算的ρ_o,k,i进行平均,所得的结果作为最终目标导航终端O到卫星S_i’的伪距，即：

${\mathrm{\&rho;}}_{o,i}^{\&prime;}=\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&rho;}}_{o,k,i}/Z.$

5.如权利要求4所述的导航终端定位方法，其特征在于，步骤(3102)之后还有以下步骤：

(311)如果目标导航终端本身可获取一定数量的卫星，则分别计算到这些卫星的伪距，再结合由(3102)计算所得的至其他卫星的伪距通过最小二乘法进行位置计算。