CN103968836A - 一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时序伪距差分推算移动待测载体目标位置的方法及装置，该方法及装置通过求相邻时元间两伪距间的差值，推算求得在相邻时元间行进时用户的行进步距，利用步距和行进方向角实现从已知点位置推算出行人、运动载体等用户在行进时坐标位置的变化和行进轨迹。由于两相邻时元间两伪距的相关性好，求相邻时元间两伪距间的差值时，能消去信号生成、传输和接收时产生的等长时延偏差值；同时还可以采用相间隔时元间两伪距间的差值去消除位置推算时产生的累积误差，从而使这一方法具有较高的导航定位精度。该方法及装置突破了卫星导航需要四星定位的局限性，提出了欠星定位原理及算法，弥补了航位推算存在累积误差影响精度的致命缺陷。

Description

一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的方法及装置

技术领域

本发明涉及导航定位领域，是一种利用无线电测距信号测量传输距离，实现室内外无缝导航定位的一种新方法和新的测量装置，它广泛适用于导航定位领域，特别适用于行进中的人、车辆、船舶和其它载体的定位导航领域。

背景技术

人类很早就利用天上星星的位置指引方向，并通过计量步距来计算距离，从而走向目的地。后来，因为航海的需求，欧洲人发明了船舶行进中的航位外推算法，即利用陀螺和加速度计指引方向和计程，开展船舶的位置外推，并大量应用于舰船和飞行器导航。

GPS卫星导航系统的成功研发和广泛应用开创了导航的新纪元。现在，GLONSS、北斗和Galileo等卫星导航系统又相继开展建设和应用。至今，卫星导航已广泛应用于交通、测量、电力、通信、科研以及安全、军事等众多领域，也走进了人们的日常生活之中。

GPS、北斗等GNSS卫星导航系统利用卫星的轨道位置和星载原子钟作为导航定位的位置和时频测量基准，利用测量信号从卫星至用户终端之间传输时的时间间隔来获得伪距，通过多段伪距交会，得到用户终端所在位置值的解。由于信号从产生、传输至终端接收等环节中会产生多种时延误差而影响定位精度，因此，在卫星导航系统中，构造了一系列消除误差的模型与方法。其中，最有效的方法是差分方法，包括位置差分和伪距差分两大类。它利用设置在已知位置点的基准站或参考站的基准接收机，经过伪距和位置测量后分离出误差量，当把这些误差量传送给其他用户终端，则其他用户终端可以利用这些误差量修正自身的测量值，从而获得精确的伪距值和位置座标值。根据上述差分测量原理，演绎出许多差分的应用。近几年来，人们开始更多地利用地面移动通信、地面传感网实现定位导航。但由于地面网信号传输的条件容易发生变化，建筑物的遮挡严重，特别是当信号在室内传输时，有反射、绕射等多种散射现象发生，情况就更加复杂。所以，如何消除视距误差(LOS)及非视距误差(NLOS)的影响变得更为迫切与重要。当然，也可以采用设置传统差分点的方法，但由于信号在室内传输时，信号传输的情况特别复杂，信号容易被衰减、被阻挡、被反射，产生多径现象，这时差分的效果会变差。且由于信号在室内传输时覆盖范围受限，差分点的设置数量会骤增，所以资金的投入及实施的难度都比较大。

当有了GPS等卫星导航系统以后，人们开始利用GPS等卫星导航接收终端、微惯性组件、里程计数器，并利用电子地图匹配算法，实现舰船、车辆和飞行器的位置外推应用。但是当要解决人在室内外行进中定位导航，特别当要解决人在室内行进中定位导航时，遇到的困难增大。首先是要解决步距的计量问题，一种解决办法是采用计步器，但计步器体积偏大、重量偏重，且步距计算精度也较差；另一种解决办法是采用加速度计测量得到加速度，由加速度积分得到速度，再计量出步距。这样不但要增加器件，而且在低速行进时，测量精度差，误差也较大。

发明内容

本发明的目的是，克服现有导航技术的缺陷，针对人在室内及室内外无缝导航应用时所面临的上述难题，提出了一种新的行进中利用微陀螺组件、卫星导航信号及其他无线电信号实现行进中位置外推的新方法。该方法不但适用于人在室内外行进时实现定位导航，而且也同样适用于在船舶、车辆及其他载体在定位导航时使用。

为了实现上述发明目的，本发明解决问题的技术方案是：提供一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的方法，所述时序伪距差分是指利用一颗卫星，或一个基站，或一个传感器在相邻时刻的伪距测量值的差值；其特征在于，所述推算方法包括如下步骤：

S1：对室外载体对被测量目标的时序伪距差分推算方法；

(1)若测量源S为固定的一颗静止同步卫星，或一个固定基站，或一个固定位置的传感器时，被测载体目标上的接收机在i时刻测得测量源发射的测量信号到达被测载体目标位于U_i点的时间，在i+1时刻测得测量源目标发射的测量信号到达被测载体目标位于U_i+1点的时间，由测得测量源发射的测量信号到达被测载体目标的两个位置点i,i+1的时间差，乘以电磁波传播速度便可以换算得到测量源S到达被测载体的两个距离ρ_i和ρ_i+1，将测量源S信号到达被测载体目标的两个距离ρ_i和ρ_i+1求差，并把这两个被测目标距离的差值设定为伪距差Δρ_i,i+1，同时将被测载体目标由U_i点移动至U_i+1点移动的距离设定为ΔS_i,i+1，由于被测载体目标移动的伪距差Δρ_i,i+1距离相对测量源S到达被测载体的距离来说要小得多，很小，可将被测载体目标的位置变化量计作ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosγ_i，式中γ_i为被测载体目标U_i点位置上观察测量源S到达被测目标U_i点的方位角，该方位角由被测载体目标或测量源S中的惯性组件提供；

(2)若测量源S为移动卫星，或一个移动基站，或一个移动传感器时，仍可将被测载体目标的位置变化量计作ΔS_i,i+1＝Δρ’_i,i+1/cosγ_i，式中Δρ’_i,i+1可等效于Δρ_i,i+1；

S2：室外被测载体目标的方位推算方法；

方位推算采用的计算公式为： $\left\{\begin{array}{c}{X}_{U_{i+1}}=X_{U_i}+\mathrm{\Δ}{S}_{i,i+1}\sin {\mathrm{\α}}_{i+1}\\ Y_{U_{i+1}}=Y_{U_i}+{\mathrm{\ΔS}}_{i,i+1}\cos {\mathrm{\α}}_{i+1}\end{array}\right.$

式中：X_Ui为被测载体目标在U_i点的X方向坐标，Y_Ui为被待测载体目标在U_i点的Y方向坐标，ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosβ_i/cosα_bi；式中α_bi＝α_i-α_si，其中，角α_i是被测载体目标的行进方向方位角，α_si是卫星位置方向相对被测目标的观测所处的方位角，β_i为被测载体目标观察卫星方向的仰角；

S3：对室外被测载体目标的时序伪距差分推算中的累积误差消除方法；采用电子地图匹配，或采用计算被测载体目标相近时刻观察测量源S的时序伪距差Δρ_i,j＝ρ_j-ρ_i，其中j≥i+2

S4：对室内被测载体目标的时序伪距差分推算方法；其中时序伪距差仍采用S2中的ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosβ_i/cosα_bi计算，再用电子匹配地图中的基准点和特征元素消除累积误差。

其中优选的技术方案是，所述测量源S为GPS、北斗、GNSS卫星导航系统的导航信号，或为地面移动通信基站，或为地面传感网的热点发出的定位信号，或为地面伪卫星发出的定位信号。

优选的技术方案还有，所述GPS、北斗、GNSS卫星导航系统的导航信号中的卫星至少为一颗卫星。

优选的技术方案还有，所述测量源S的测距信号包括直射信号，或反射信号，或是经绕射、散射后的非视距信号。

进一步优选的技术方案还有，所述测量源S的测距信号为折射信号、反射信号、或是经绕射、散射后的非视距信号时，要对最后的二次辐射源的位置做出判断，为此在室内定位时，要对室内电子地图上标出的窗户、门、孔信号进入的位置信息作出判断和选择。

本发明的另一个发明目的是提供一种基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置的装置，其特征在于，所述装置包括通过主板连接在一起的天线、卫星导航变频模块和基带模块、地面移动通信模块、微惯性组件、存储计算模块、电子地图模块、智能导航软件、显示屏和键盘。

其中优选的技术方案是，所述卫星导航模块中的变频模块由限幅器、LNA、滤波器及变频模块组成；所述基带模块由A/D芯片、微处理器及存储器模块组成。

优选的技术方案还有，所述微惯性组件包括指北针、微陀螺、加速度计、及垂线计中的任意一种或其任意组合。

优选的技术方案还有，所述显示器为液晶显示器，所述键盘为触屏式键盘。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：该种基于时序伪距差分推算移动待测载体目标位置方法及装置，利用时序伪距差分值可以推算求得在相邻时元间行进时用户的行进步距。这样，从初始点或已知点出发，用行进中测量得到的行进步距与行进方向角，可以推算行人、载体等用户在行进时下一点的位置坐标。由于求相邻历元间两伪距之间的差值时，能消去信号生成、传输和接收时产生的等长时延偏差值，从而能达到提高行进步距测量精度的目的。同时还可以采用相间隔时元伪距之间的差值去修正推算点的位置，从而能减小位置推算时产生的累积误差。除了用上述方法消除累积误差外，也可以用电子地图上的基准点和特征元素，对累积误差进行自动消除。这里所指的基准点、特征元素可以是窗户、电子篱笆、道路拐点、走廊中间线、门槛、传感器的位置及楼梯台阶等特征元素。这些方法解决了位置推算时存在累积误差影响精度这一致命的缺陷问题，使位置推算方法具有较高的位置推算精度。这一发明的时序伪距差分方法还可以放弃传统差分系统需要设置差分基准点及建立差分信息传输线路的要求。求时序伪距间的差值时，是求同源间相邻近时刻测量伪距之间的差值，故对时钟源的短期稳定性有要求，而对系统中各时钟源之间的时间同步要求就不严格了。总之这一方法具有设计理念清晰、系统设施较简单、信号普适性好、传统终端改动极少、导航定位精度较高、方法的适用面广等优势。

上述方法不仅适用于在二维平面内的导航，也适用于在三维空间中进行的导航定位，是一种导航领域中可广泛应用的新航位推算方法。该方法特别适用于在行进中的人、车辆、船舶等载体在低速行进和航行时导航应用。

测量伪距时，运用了求信号从源发射后经传输到达用户终端接收的时刻，利用发时、收时之间两时刻的差值，乘以电波传播速度，求得源至用户终端之间的伪距。这里的信号指GPS、北斗等GNSS卫星导航系统的导航信号，地面移动通信基站、地面传感网的热点AP等发出的定位信号，以及地面伪卫星发出的定位信号。这里采用的测距信号不但可以是直射信号，也可以是经反射、绕射等散射后的非视距信号。因为同源同路径测距信号只要求源信号在短时间内稳定，从而对源的时频的长稳性能要求以及各源之间的时频同步性要求可以比较放松。这样有利于降低终端的造价和成本，也有利于实现泛在导航定位。但定位测量时仍然要知道源的位置坐标，如果源的信号是折射信号、反射信号、多径信号等非视距信号时，要对最后的二次辐射源的位置做出判断，为此在室内定位时，要对室内电子地图上标出的窗户、门、孔等信号进入的位置信息作出判断和选择，这样有利于室内定位测步距时确定辐射波向用户辐射的方向，有利于提高行进时步距的计算精度。

所述的方法及装置突破了卫星导航至少需要四星定位的局限性，当可视卫星数目少于四颗时，甚至只有一颗时，本方法仍能实现定位，所以本方法可以作为在室外卫星导航定位时可视卫星数目少于四颗时，进行弥补性定位的一种欠星定位方法。更是根本性解决复杂室内环境下定位导航的普适性的实用方法，从而成为能实现室内外无缝导航定位的一种具有普适应用价值的实用方法。它不仅能用于人、车辆、船舶等载体在低速行进和航行时应用，而且同样能用于飞机、导弹、航天器等在高速飞行时应用。

附图说明

图1是本发明推算移动目标位置方法的行进中位置外推导航定位用户轨迹示意图；

图2是本发明推算移动目标位置装置的终端组成示意框图；

图3是本发明推算移动目标位置方法的信号源不移动时伪距差及步距示意图；

图4是本发明推算移动目标位置方法的信号源移动时伪距差及步距示意图；

图5是本发明推算移动目标位置方法的室外行进时伪距差转化为步距时的关系示意图；

图6是本发明推算移动目标位置方法的相间隔时序伪距差示意图；

图7是本发明推算移动目标位置方法的仅间隔一个点时的时序伪距差与虚拟步距示意图；

图8是本发明推算移动目标位置方法的相间隔时序伪距差与虚拟步距关系示意图；

图9是本发明推算移动目标位置方法的相邻时序伪距差推演的步距与相间隔时序伪距差推演的虚拟步距之间的相互关系示意图；

图10是本发明推算移动目标位置方法的间隔多个点时的时序伪距差推演得到的虚拟步距的示意图；

图11是本发明推算移动目标位置方法的室内行进时伪距差转化为步距时的关系示意图；

图12是本发明推算移动目标位置方法的室内定位导航行进时消除累积误差示意图；

图13是本发明推算移动目标位置方法的室内电子地图示意图；

图14是本发明推算移动目标位置方法的室内行进时定位导航用电子地图显示的行进示意图；

图15是本发明推算移动目标位置方法的行进中位置外推导航定位用户轨迹仿真图。

具体实施方式

本发明是一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的方法，所述时序伪距差分是指利用一颗卫星，或一个基站，或一个传感器在相邻时刻的伪距测量值的差值，所述推算方法包括如下步骤：

S1：对室外被测目标的时序伪距差分推算方法；

(1)若测量源S为固定的卫星，或一个基站，或一个传感器时，在i时刻测得被测载体目标信号到达U_i点的时间，在i+1时刻测得被测载体目标信号到达U_i+1点的时间，由测得被测目标到达两个点的时间i,i+1乘以电磁波传播速度得到测量源S信号到达被测目标的两个距离ρ_i和ρ_i+1，将测量源S到达两个被测目标距离的差值设定为Δρ_i,i+1，将目标由U_i点至U_i+1点移动的距离设定为ΔS_i,i+1，由于目标移动距离相对测量源S到达被测载体目标的距离很小，可将被测载体目标的位置变化量计作ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosγ_i，式中γ_i为测量源S到达被测载体目标在U_i点的方位角，该方位角由被测载体目标或测量源S中的惯性组件提供；

(2)若测量源S为移动的卫星，或一个基站，或一个传感器时，仍可将被测载体目标的位置变化量计作ΔS_i,i+1＝Δρ’_i,i+1/cosγ_i，式中Δρ’_i,i+1可等效于Δρ_i,i+1；

S2：室外被测载体目标的方位推算方法；

方位推算采用计算公式： $\left\{\begin{array}{c}{X}_{U_{i+1}}=X_{U_i}+\mathrm{\Δ}{S}_{i,i+1}\sin {\mathrm{\α}}_{i+1}\\ Y_{U_{i+1}}=Y_{U_i}+{\mathrm{\ΔS}}_{i,i+1}\cos {\mathrm{\α}}_{i+1}\end{array}\right.$

式中：XU_i为被测载体目标在U_i点的X方向坐标，YU_i为被测载体目标在U_i点的Y方向坐标，ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosβ_i/cosαbi；α其中角α_i是被测载体目标的行进方向方位角，α_si是卫星方向相对被测载体目标的观测方位角，β_i为卫星方向相对被测载体目标的仰角；

S3：对室外被测目标的时序伪距差分推算中的累积误差消除方法；采用电子地图匹配，或采用计算相近测量源S的时序伪距差Δρ_i,j＝ρ_j-ρ_i，其中j≥i+2

S4：对室内被测载体目标的时序伪距差分推算方法；其中时序伪距差仍采用S2中的ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosβ_i/cosα_bi，计算，再用电子匹配地图中的基准点和特征元素消除累积误差。

在本发明中优选的实施方案是，所述测量源S为GPS、北斗、GNSS卫星导航系统的导航信号，或为地面移动通信基站，或为地面传感网的热点发出的定位信号，或为地面伪卫星发出的定位信号。

在本发明中优选的实施方案还包括，所述GPS、北斗、GNSS卫星导航系统的导航信号中的卫星至少为一颗卫星。

在本发明中优选的实施方案还包括，所述测量源S的测距信号包括直射信号，或反射信号，或是经绕射、散射后的非视距信号。

在本发明中进一步优选的实施方案还有，所述测量源S的测距信号为折射信号、反射信号、或是经绕射、散射后的非视距信号时，要对最后的二次辐射源的位置做出判断，为此在室内定位时，要对室内电子地图上标出的窗户、门、孔信号进入的位置信息作出判断和选择。

如图2所示，本发明的另一个发明目的是提供一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的装置，所述装置包括通过主板连接在一起的天线9、卫星导航变频模块1和基带模块、地面移动通信模块2、微惯性组件3、存储计算模块4、电子地图模块5、智能导航软件6、显示屏7和键盘8。

在本发明中优选的实施方案是，所述卫星导航模块中的变频模块由限幅器、LNA、滤波器及变频模块组成；所述基带模块由A/D芯片、微处理器及存储器模块组成。

在本发明中优选的实施方案还有，所述微惯性组件包括指北针、微陀螺、加速度计、及垂线计中的任意一种或其任意组合。

在本发明中优选的实施方案还有，所述显示器维液晶显示器，所述键盘为触屏式键盘。

实施例1：时序伪距差分仿真计算

1)、仿真目的

为验证时序伪距差分方法的原理和性能，利用实测卫星和用户坐标数据进行仿真计算。

2)、仿真步骤

(1).在实际测量中选取了四个用户点，如附图15所示。用户从U1位置分别行进到U2、U3、U4。经过坐标投影后可计算得知，U1与U2、U2与U3、U3与U4之间的三个正北方向的方位角分别是：52.43°、87.90°、46.82°。

(2).选取了一颗仰角适合的GPS卫星。其在U1、U2、U3、U4时刻的三维坐标分别为：

S1＝[6085376.3118885652.92 17967531.59]

S2＝[6085133.37 18885532.38 17967735.53]

S3＝[6084890.44 18885411.85 17967939.47]

S4＝[6084647.50 18885291.31 17968143.40]

仰角为约为47.74°。

在U1、U2、U3、U4时刻的观测伪距分别为：

21712979.09029789m

21712933.89877462m

21712891.98946003m

21712848.63001625m

(3).从U1位置往U4位置推算

假定三个正北方向方位角都有1σ为1°的误差(随机赋值)。则利用时序伪距差分的原理和方法可以计算得到二维平面上的三段伪距差分别为：

Δρ21＝30.39m

Δρ32＝28.18m

Δρ43＝29.16m

进而，可以计算得到行进中的三个步距d12、d23、d34分别为：

d12＝6.12m

d23＝4.45m

d34＝2.78m

(真实的步距分别为5.87m、3.97m、3.02m)

再根据位置外推的原理和公式，可以由U1的坐标位置计算得到U2、U3、U4的二维平面坐标分别为：

U2＝[-2173902.494382996.29]

U3＝[-2173901.254382993.55]

U4＝[-2173899.844382995.97]

与真实坐标的误差大小分别为2.03m、1.76m、2.35m。

3)、仿真结论

(1).在室外环境下，本方法能够在二维平面上获得较高的精度。经过误差修正及精化计算方法之后，精度还能够进一步提高。

(2).主要的误差来源有两个。一是运动着的导航卫星。但是经过实际计算后可以发现，对实际定位的影响不大(可以修正；也可以忽略，因体现在前一时刻与下一相邻时刻的卫星至用户与用户行进轨迹之间的矢量夹角变化不大)。

二是伪距观测值的自身误差(本仿真中采用的观测伪距，其误差较大)。并且在相减后，虽然消除了大部分的等长偏差，但是可能难于消除随机误差。

(3).角度误差对推算结果的影响很小。因为，例如：sin89°和sin90°之间差异很小。

(4).本仿真中只利用了一颗GPS卫星。当卫星为2颗或者更多时，精度还能够得到有效提高。

综上所述，本方法切实有效，并且精度可以做到较高。

发明原理

本发明一种基于时序伪距差分推算移动目标位置方法及装置的原理是：

航位外推原理见附图1。它是通过在已知点，获取行进时的方向和步距后，进行几何外推的一种导航方法。其方法实现的基本条件是要获取行进时的行进方向和步距。以往步距的计量是通过加速度计积分求得的，这样需要增加器件，而且在低速行进时，测量精度偏差，误差较大。也有通过计程器获得的，例如，车轮计程器计量出车轮的旋转圈数后，乘以周长即获得行程或步距，但这类方法不适合行人手持。本发明则提出是否可以采用卫星或基站等导航系统发出的无线电信号，来求得行进步距呢？在卫星导航系统中，采用测量无线电信号从源(或虚拟源)到达用户点的时间间隔，乘以电磁波传播速度获得伪距测量值。由于信号从源出发的时间精度，用户接收机时钟的时间精度以及传播路径上环境条件的影响，时间间隔的测量精度会受到影响，时延误差较大。为此，人们采用了各种提高时间间隔测量精度的方法，以及改善和消除时延误差的方法，有的已收到了较好的效果。如GPS系统在卫星上设置了长期、短期稳定度均较好的原子钟，提供了精确的卫星轨道位置，并发明和建立了传播路径上误差修正模型与参数修正算法，提高了卫星导航定位的精度。其中最有效与较廉价的方法是差分修正方法，它利用卫星间的伪距差分可以消除接收机的时钟时延误差、电波传播时的时延误差等；利用站间的伪距差分则可以消去卫星轨道误差和时钟误差。

本发明则提出利用卫星、基站、无线局域网的热点(AP)发出的信号，通过计算同一接收单元，在相邻的不同时元接收同一源发出的无线测距信号，求得源至用户终端间的伪距后，对相邻时刻的伪距值求差值，计算出时序间的伪距差值，此差值已消去了多项误差，精度较高，且与步距有关，所以可以用来计量步距。

根据上述原理，本专利提出了一种新的步距计算方法和新的位置推算方法，从而把无线测距信号的利用推向一个新的应用高度。在时序间伪距差分计量的方法中，信号除了采用卫星导航信号以外，还可以采用地面移动通信信号、地面传感网信号以及伪卫星信号等，利用的测距信号可以是直射信号，也可以是反射、绕射等散射后的信号。发射源的位置可以是真实发射源的位置，也可以是传播路径上的再次发射源的大致位置，从而打开了测距信号利用的新途径。由于计量的伪距是同源同一接收单元的伪距值，获得的这些测量伪距值相似性好，故当两段伪距值相减时，会把许多影响测距精度的误差消去，测量精度提高。也就是说这样做可以放宽对某些器件和环境条件的要求，极有实用价值。

位置外推会积累误差，为此存在累积误差成为位置推算方法的致命弱点。本发明提供了三种消除位置累积误差的方法。其中，第一种方法是采用相间隔时元伪距之间的差值去修正推算点的位置，消除位置推算时产生的累积误差。第二种方法是采用卫星导航系统的四星定位，或多星定位的解去定期标校，也能消除位置推算时产生的累积误差。第三种方法就是利用软件，去智能判断推算点与某些基准点或特征元素之间的相对关系，进行累积误差的消除。例如，当智能手机进入大楼或房门时，就可以利用路径线、拐点或门槛，把累积误差或某一方向的累积误差消去。本发明设置的基准点和特征元素，有门槛、窗户、墙壁、栏杆、河流、路标、建筑物、电子篱笆、道路及道路拐点、走廊中间线、传感器的位置及楼梯台阶等。利用软件判断推算点与某一基准点和特征元素间的相对关系，就可以进行累积误差的消除。为此，本专利研发了能判断用户接近或到达基准线、基准点的智能判断方法及软件。

上述几种方法彻底解决了位置推算时存在累积误差影响精度这一致命的缺陷问题，使本位置推算新方法具有较高的定位导航精度。本发明的时序伪距差分方法还可以放弃传统差分系统需要设置差分基准点及建立差分信息传输线路的要求，从而使这一方法具有设计理念清晰、系统设施较简单、信号普适性好、传统终端改动量极少、导航定位精度较高、方法的适用面广等优势。

根据本发明的方法，构建了实现上述新方法的装置。其基本组成如附图2所示。在附图2中，标号1为卫星导航接收模块，标号2为地面移动通信模块，标号3为微惯性组件，标号4为微处理芯片，标号5为电子地图，标号6为智能导航软件，标号7为显示屏，标号8为键盘，标号9为天线。其中，天线可以是外置天线，也可以是内置天线。微处理芯片可以是单块的，也可以分成几块。上述器件在许多装置里都已存在，如在智能手机中，这些器件已经存在，可以直接利用，但必须要添加新的功能性软件。

这类新的差分方法突破了以往传统差分计算仅局限在单一时元里进行差分的理念，广义延拓成一种新的差分理念和方法。这种新的差分方法还放弃了传统差分系统需要设置差分基准点及建立差分信息传输线路的要求，从而使这一方法具有设计理念新颖、系统设施较简单等优势。

本发明一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的方法是：

A、室外定位时的实施方法

进行室外定位时，当导航卫星数目较少、处于非完备星座情况时，可以利用装置中的微陀螺组件，获得角度信息；可以利用卫星、基站等信号的时序伪距之间的差值即时序伪距差，通过计算得到步距。有了角度信息和步距，利用本方法便可以实现在非完备卫星星座的情况下终端位置的外推。由于在现有技术条件下已能够测量得到较为精确的角度与时序伪距差的测量值信息，为此已经能够做到在短时间内外推位置精度较高。而一旦定位条件从非完备星座情况变成完备星座情况之后，除了可以继续采用上述方法获得多个外推定位值，组合多个外推定位值，获得融合解以外，还可以采用经典的四星座或多星座的单点定位算法，对外推算法获得的位置坐标值进行校正，消除位置推算时累积的误差。故本方法可以作为室外卫星导航定位的新方法，也可以作为室外经典导航定位的辅助方法，解决在城市高楼间、峡谷沟壑里及密林丛中卫星导航用传统定位算法无法定位导航之难题。下面详细介绍位置外推新方法的具体分步实施内容：

(1)时序伪距差

本发明突破以往差分计算方法仅在一个时元里进行差分的限制，提出求解相邻时元间和相隔时元间伪距差的新理念和新方法。

假设源(如卫星或基站)的位置固定时，卫星或基站发射出导航定位信号或有测距能力的定位测量信号。这时，若在时元i时，用户终端位于U_i点，源S至用户终端间伪距的测量值为ρ_i；在时元i+1时，用户终端由U_i点位置移动至U_i+1点位置上，源S至用户终端U_i+1点的伪距观测值为ρ_i+1。这时，若由ρ_i+1减去ρ_i，便可得到两个相邻时元间的伪距差值：

Δρ_i,i+1＝ρ_i+1-ρ_i (1)

在附图3中，若在ρ_i+1上截取sk段，使sk＝ρ_i，则kU_i+1＝Δρ_i,i+1。在三角形ΔU_ikU_i+1中，两时序间用户终端的位置变化量ΔS_i,i+1为：

ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosγ_i+1 (2)

式中，γ_i+1是在面SU_iU_i+1上，SU_i+1与U_iU_i+1的夹角。由于基站离终端之间的距离较远，因此可以把γ_i近似作为γ_i+1，这时两相邻时元之间的时序位置变化量为：

ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosγ_i＝(ρ_i,i+1-ρ_i)/cosγ_i (3)

从上式(3)中可见，当两段伪距相减时，可以把传输路径中等长的传输时延偏差减去，也可以把其它共有的等长偏差部分消去，所以充分发挥了差分消除误差的作用。

当源是移动源时，则必须考虑源的移动。如源是卫星时，就需要考虑卫星的移动，故式(1)至式(3)须修正。参见附图4，若令在时元i时卫星位于S_i轨位上，S_i至用户终端的伪距测量值仍为ρ_i；而在下一观测时元i+1时，卫星移动到轨位S_i+1上，这时S_i+1至用户终端的伪距观测值为ρ_i+1。因为卫星已移动，所以必须把观测时元i+1时的伪距观测值ρ_i+1作折算。若设卫星从S_i移动S_i+1,则在三角形S_iS_i+1U_i+1中，卫星两位置S_i和S_i+1已知，即卫星两位置间的距离S_iS_i+1已知；ρ_i+1是测量值，大小也已知，现需要知道两已知边之间的夹角φ_i+1。因U_i+1点未知，角φ_i+1还不能求得。因为卫星距离终端很远，而行进步距很小，而φ′_i+1是可以求得的，故φ_i+1角可以用φ′_i+1角代替。在三角形S_iS_i+1U_i+1中，可以近似地由S_iS_i+1与ρ_i+1，与S_iS_i+1与S_i+1U_i之间的夹角φ′_i+1，按下式(4)求得ρ″_i+1。

${\mathrm{\ρ}}_{i+1}^{\′\′}=\sqrt{{\left(s_i{s}_{i+1}\right)}^2+{\mathrm{\ρ}}_{i+1}^2-2\left(s_i{s}_{i+1}\right){\mathrm{\ρ}}_{i+1}\cos {\mathrm{\φ}}_{i+1}^{\′}}---\left(4\right)$

求得的ρ″_i+1为折算伪距值，是假想的在观测时元i时，从S_i轨位上至U_i+1位置的虚拟折算伪距观测值。这时已把观测时元i+1时的伪距观测值ρ_i+1，转化为假设卫星不移动，仅有载体移动时引起的等效伪距观测值。Δρ′_i+1已标于附图4中，若在ρ″_i+1上截取S_ik′段，使S_ik′＝ρ_i，则k′U_i+1＝Δρ′_i,i+1。把折算伪距值ρ″_i+1减去ρ_i，便可得到两个相邻时元间的虚拟伪距差值

Δρ′_i,i+1＝ρ″_i+1-ρ_i (5)

我们定义Δρ′_i+1为卫星移动时两相邻时元间的虚拟时序伪距差。在三角形ΔU_ik′U_i+1中，由虚拟伪距差可以推算出用户终端的位置变化量ΔS_i,i+1为：

ΔS_i,i+1＝Δρ′_i,i+1/cosγ′_i+1 (6)

定义虚拟观测伪距与行进步距间的夹角为γ′_i+1，由于卫星离终端之间的距离较远，因此可以把γ′_i近似作为γ′_i+1，这时两相邻时元之间的时序位置变化量仍可以求得：

ΔS_i,i+1＝Δρ′_i,i+1/cosγ′_i+1＝(ρ″_i,i+1-ρ_i)/cosγ_i (7)

从上式(7)中可见，当两段伪距相减时，不但可以把传输路径中等长的传输时延偏差减去，而且也可以把其部分共有的等长偏差消去，所以能充分体现出差分消误差的作用。

上面部分的推导不仅考虑了信号源固定时的情况,而且还考虑了信号源移动时引起的影响。获得了时序伪距差后,由时序伪距差折算成步距，再加上行进方向角，就能形成新的位置推算方法。一般情况下，我们能收到n个源的伪距，所以能形成冗余解。当只有一个源的信号时，在一般情况下，也能很好实现位置推算。但当行进方向与源信号的入射方向垂直或接近垂直时，这时出现时序伪距差极小化的情况，而且难以折算出步距长，这时成为特例。

(2)位置的推算

如附图1和附图3所示，设用户从U_i点行进到U_i+1点，按照传统的航位推算法(参见附图1)，由：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{U_{i+1}}=X_{U_i}+\mathrm{\Δ}{S}_{i,i+1}\sin {\mathrm{\α}}_{i+1}\\ Y_{U_{i+1}}=Y_{U_i}+{\mathrm{\ΔS}}_{i,i+1}\cos {\mathrm{\α}}_{i+1}\end{array}\right.---\left(8\right)$

从公式(8)中可知，若已知用户位置U_i，并能测量得到用户的前进方向α_i(α_i角是前进方向与正北方向的偏角)，及行进的步距ΔS_i,i+1，这时便可以推算得到行进后的下一个位置U_i+1。这里，行进的方向角α_i可以由微惯性组件测量得到。而步距ΔS_i,i+1的测量却没有采用传统的步距计量方法，是因为传统的步距计量方法采用的是计步器或计程器。计步器体积偏大、重量偏重，难以组合到智能手机里面。在车辆导航中往往使用霍尔元件等计程器，进行车轮转速及路程的计量，但这一方法在人行进手持中也难以采用。为此本专利提出时序伪距差理念和时序伪距差计算方法，并用时序伪距差折算计量出步距，从而形成了一种新的位置推算方法。

根据上述节(1)中所述的理念和原理，定义时序间伪距差的概念及计算公式((1)至(5))，通过求相邻时元间两伪距之间的差值，推算求得在相邻时元间行进时用户的行进步距。但步距推算时，需要知道γ_i+1角或γ′_i+1角，但我们不直接测量γ_i+1角或γ′_i+1角，只是在行进的地平面上测量出行进方向的方位角α_i。下面构造利用行进方向的方位角α_i的一种基于时序伪距差分理念的位置推算的新方法。它是基于已知点位置、地平面上的行进方向角及行进步距推算出行人、载体等用户在行进时位置坐标变化和行进轨迹。由于它是通过求相邻时元间两伪距间的差值求得相邻时元间行进时用户的行进步距，两步距相减时，已消去了信号生成、传输和接收时产生的等长时延偏差值，从而达到了提高行进步距测量精度的目的，实现了行进时位置的精确外推。相关公式的推导过程介绍如下：

如附图5(a)所示，用户从U_i点行进至U_i+1点，在U_i点测得伪距ρ_i，在行进至U_i+1点时又测得伪距ρ_i+1，这时若ρ_i≤ρ_i+1，则由式(1)可得kU_i+1＝ρ_i+1-ρ_i。由于U_iU_i+1在地平面上，若把S_i投影到地面点S′_i上，则在三角形ΔU_iS'U_i+1里，得ρ_i的投影为ρ′_i，得ρ_i+1的投影为ρ′_i+1。在S'U_i+1上截取一点k′，使得S'k'＝ρ′_i，k'点实际上就是k点在平面U_iS'U_i+1上的投影点。当ρ′_i和ρ′_i+1较长时，则可视ΔU_ik'U_i+1中的∠U_ik′U_i+1为直角。则在直角三角形ΔU_ik'U_i+1中有：

ΔS_i,i+1＝k′U_i+1/cosα_bi (9)

在三角形ΔS'U_ik'中，因S'较远，故视∠S'U_ik'近似为90度，则可得

α_bi＝α_i-α_si-90° (10)

式中，角α_i是行进方向的方位角，α_si是卫星方向的观测方位角。

而在kk'U_i+1中有：

k′U_i+1＝Δρ_i,i+1cosβ_i+1 (11)

其中，β_i和β_i+1均为仰角，当S较远时，可以认为β_i与β_i+1近似相等。故ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1cosβ_i/cosα_bi (12)

有了方向角α_bi和步距ΔS_i,i+1以后，代入式(8)，便可以得到U_i+1。

但当ρ_i≥ρ_i+1，则应参阅附图5(b)所示,这时

kU_i＝ρ_i-ρ_i+1 (13)

由于U_iU_i+1在平面上，若把S_i投影到地面点S′_i上，则在三角形ΔU_iS'U_i+1里，得ρ_i的投影为ρ′_i，得ρ_i+1的投影为ρ′_i+1，在S'U_i上截取一点k′，使得S'k'＝ρ′_i+1，当ρ′_i和ρ′_i+1较长时，则可视ΔU_ik'U_i+1中的∠U_ik′U_i+1为直角。则在三角形ΔU_ik'U_i+1中有：

ΔS_i,i+1＝k′U_i+1/cosα_bi (14)

这里

α_bi＝α_i-α_si (15)

式中，角α_i是行进方向方位角，α_si是卫星方向的观测方位角。

而在三角形Δkk'U_i中有：

k'U_i＝Δρ_i,i+1cosβ_i (16)

其中，β_i为仰角。

故ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1cosβ_i/cosα_bi (17)

根据本专利的理念和上述分析和计算，可以看到本方法可以实现基于时序伪距差的行进位置推算。

(3)终端组成

为了实现上述方法，要求终端具有天线9、卫星导航变频模块和基带模块1、地面移动通信模块2、微惯性组件3、存储计算模块4、电子地图5、智能导航软件6、显示屏7和键盘8。其中，卫星导航模块的变频模块由限幅器、LNA、滤波器及变频模块等组成；基带模块由A/D芯片、微处理器及存储器等模块组成。微惯性组件可以包括指北针、微陀螺、加速度计、及垂线计等，其组成示意可参见附图2。

(4)用相间隔时元伪距间的时序伪距差值消除累积误差的方法

位置推算时会产生累积误差，为此必须要构造能定时消除累积误差的方法。本专利不但提出了采用相邻时元间的伪距差值计算步距，实现精确位置推算的方法，而且还提出了采用相间隔或相近时元间的时序伪距差值去校正推算点位置的方法，达到消除累积误差的目的，从而使本专利构建的方法趋于完整，使方法具有较高的导航定位精度。

基于时序伪距差分的行进位置外推方法，能亦步亦进的完成位置外推。由于微惯性组件获得的角度，及由相邻时元间的伪距差值推算的步距存在着误差，所以在行进位置外推一段时间以后，一定会产生累积误差，为此一定要构造消除累积误差的方法。消除累积误差的方法除了能采用地图匹配法消除累积误差以外，本方法用自身提出的时序伪距差的方法，同样可以构造消除累积误差的方法。它不像地图匹配修正累积误差方法那样，受到地图特征元素分布的局限性，只能当行进至特征元素位置时才能进行校正。而本专利提出的这种方法比较灵活，它随时都可以实行累积误差的校正。

为此，在上面已定义了相邻时元间的时序伪距差的基础上。现在将其定义外延，定义相邻或相近时元间的时序伪距差Δρ_i,i+1。现令

Δρ_i,j＝ρ_j-ρ_i j≥i+2 (18)

其实际情况示意图可参见附图6。当i为1，j为3时，则可参见附图7。下面把方法具体说明如下：

如附图6所示，令某人从点U_i行进外推至点U_i+1，从点U_i+1行进外推至点U_i+2，从点U_i+2继续行进并外推至点U_i+3......依次类推至点U_j......，直至行进外推至点U_n。在这个行进过程中，必然会产生误差累积。下面叙述行进时消除累积误差的具体做法：

为简便计，先论证只间隔一个点时的情况，这时设行进两步后，用户从点U_i经过点U_i+1至点U_i+2。这时，我们可以利用点U_i和点U_i+2之间的相邻间隔(间隔了1点)的时序伪距差

Δρ_i,i+2＝ρ_i-ρ_i+2 (19)

来校正点U_i+2的位置。为叙述方便，直接在水平投影平面上进行推导。此时，令

Δρ′_i,i+2＝ρ′_i-ρ′_i+2 (20)

或Δρ′_i,i+2＝Δρ_i,i+2cosβ_i＝(ρ_i-ρ_i+2)cosβ_i (21)

则在附图8中，在伪距ρ′_i和ρ′_i+2所组成的平面内，点U_i和点U_i+2之间的步距，记为ΔS_i,i+2

ΔS_i,i+2＝Δρ′_i,i+2/cosα_bi (22)

这里关键在于获得角α_bi，在附图8中，α_bi可由下式(23)求得

α_bi＝α_i-α_si-ψ_i+1,i+2 (23)

在式(23)中，现还需要推导角ψ_i+1,i+2，参见附图9，在三角形U_iU_i+1U_i+2中，已知两步距ΔS_i,i+1和ΔS_i+1,i+2，而夹角∠U_iU_i+1U_i+2可由下式求得

∠U_iU_i+1U_i+2＝α_i+1+θ_i+1 (24)

式(24)中θ_i+1＝180°-α_i (25)

故已知两边ΔS_i,i+1和ΔS_i+1,i+2，及夹角α_i+1+θ_i+1，可以由下式(26)计算得到ψ_i+1,i+2。

${\sin \mathrm{\ψ}}_{i+1,i+2}=\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{i,i+1}\sin ({\mathrm{\α}}_{i+1}+{\mathrm{\θ}}_{i+1})}{{\mathrm{\ΔS}}_{i+1,i+2}}$

${\mathrm{\ΔS}}_{i,i+2}=\sqrt{{\left({\mathrm{\ΔS}}_{i,i+1}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ΔS}}_{i+1,i+2}\right)}^2-2\mathrm{\Δ}{S}_{i,i+1}\·{\mathrm{\ΔS}}_{i+1,i+2}\·\cos ({\mathrm{\α}}_{i+1}+{\mathrm{\θ}}_{i+1})}---\left(26\right)$

用相间隔的、不相邻的点上的时序投影伪距差可以推算得到相间隔的、不相邻点间的虚拟步距，从而得到校正圆的半径。

采用相间隔、不相邻点间的伪距差推算得到虚拟步距修正累积误差时，还必须推算得到虚拟步距的方向角α_i,i+2，参见附图9。

α_i,i+2＝α_i-ψ_i+1,i+2 (27)

有了虚拟步距ΔS_i,i+2和虚拟步距方向角α_i,i+2，就能校验U_i+2点位置，也就是能修正累积误差。

上面推导了间隔1个点的修正累积误差的公式，理论上，也可以推导间隔多个点后再进行修正的公式。具体实施的办法可以由依次外推获得，可参阅附图10。

B、室内定位时的实施方法

在进行室内定位时，同样可以采用本专利的方法，先测量得到方向角和伪距，再求得时序伪距差计算步距，最后实现室内位置推算。下面先介绍步距计算方法。

(1)步距计算方法

根据不同观测历元间的伪距测量值，根据信号源的入射角度，将其投影到平面位置上，并计算得到时序伪距差值，其基本原理与室外定位时相似。附图11为室内位置推算时的原理示意图。E点为室内信号发射源位置，或室外卫星、基站等信号再次辐射源位置。又设用户位于U_i点，由微惯性组件得到行进方向的方位角为α_i(相对于正北)，并测得接收终端位于已知点U_i时信号的伪距值ρ_i，以及接收终端行进到U_i+1处时的信号伪距值ρ_i+1。将伪距ρ_i和ρ_i+1投影到平面上时为ρ′_i和ρ′_i+1。

若令Δρ_i,i+1＝ρ_i+1-ρ_i (28)

此时，Δρ_i,i+1即为行进中相邻历元间的时序伪距差分值。若信号为卫星导航信号，ρ_i和ρ_i+1分别为从卫星经空间传播，经建筑物反射或绕射后的、从窗户中进入房间的伪距值，则ρ_i和ρ_i+1均存在着较大的路径偏差，但由于两者有着基本相同的传播路径，故在伪距差分中可以很好地消去两者的等长偏差，而使得伪距差仍具有较高的精度。这时，若把E点投影到平面上，ρ_i和ρ_i+1投影到平面上时为ρ′_i和ρ′_i+1，在EU_i上取k点，令kE为ρ′_i+1，将k点投影到楼板上得到k′，则则得

k'U_i＝ ρ′_i- ρ′_i+1 (29)

即Δρ′_i,i+1＝ρ′_i+1-ρ′_i (30)

而k′U_i＝Δρ_i,i+1cosβ_i (31)

即Δρ′_i,i+1＝Δρ_i,i+1cosβ_i (32)

在附图11中由于行进的矢量方向ΔS_i,i+1已知，其与正北的偏角为α_i，则α_bi为

α_bi＝α_i-α_si (33)

由式(2)，可得

ΔS_i,i+1＝Δρ′_i,i+1/cosα_bi (34)

则在三角形ΔU_ik'U_i+1中，

ΔS_i,i+1＝k′U_i/cosα_bi＝Δρ_i,i+1cosβ_i/cosα_bi＝(ρ_i-ρ_i+1)cosβ_i/cosα_bi (35)

(2)用基准点和特征元素消除累积误差的方法

通过在大门入口处、房门外、门窗等处设置的基准点及特征元素，可以对行进中的接收机伪距测量值进行标校和修正。在附图12中可见，用户从1点行至4点，并准备拐弯进入房间，这时则通过地图匹配能自动将其位置从4点修正到标准点4'点上；再继续行进至5点及6点，这时，由电子地图判断其踏入房门，便把6点修正到示意图6'点上；然后，用户沿走廊从7点行至13点并拐弯，此时同理将其修正到13'点上；再沿走廊前行，至房间门口18点，判断已踏入房间的门槛，便修正到18'点；进入房门以后，沿18至22点到终点。

因此，利用电子地图中的特征点或特征线可以实现连续地修正累积误差。

本方法的作用

本发明一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的作用是：

(1)近几年来，人们广泛地用卫星导航系统进行定位导航，也开始利用地面移动通信、地面传感网实现定位导航。但由于信号在地面上传输时，建筑物的遮挡严重，传输条件容易发生变化，特别是当信号在室内传输时，有反射、绕射等多种散射现象发生，情况会更加复杂。所以，如何消除视距误差和非视距误差(NLOS)等误差的影响成为难点。由于本发明建立了时序伪距差值原理，包括相邻、相隔或相近时序间的伪距差值的原理和计量方式，因两段伪距的相似性极好，它们相减以后，不但能把两段传播路径上的等长偏差相消了，还能把传播路径中所存在的其他公共等长时延随机误差也能消去一部分了。因此，本方法能有效地解决消除传输时产生的误差，特别是解决了消除非视距偏差这一难题。

(2)本方法不但可以利用GNSS导航卫星发送的测距信号和地面基站发送的定位信号，也可以利用安装在室内的伪卫星、传感网热点发射的寄生在通信传输信号上的定位信号。也可以利用导航信号进入室内后的再次辐射信号，进行伪距测量，并通过再次辐射源位置的判断，解决室内定位问题。这样的做法把要解决反射、绕射等散射传播等难题，变成利用反射、绕射等散射传播信号的技术，解决了地面信号在复杂环境中传播时的时延误差修正问题。

(3)通过对时序伪距差及信号的入射方向与微惯性组件显示的行进方向角及已知点的位置参量的计量及换算，可以求得行进中的步距长，从而解决了行人行进时步距计算难题，构成了一种从已知位置点经行进方向和步距的计量、进行位置推算的新方法。以往所有的位置推算算法最大问题是存在累积误差问题，而本方法也同时解决了这一难题。因为采用相间隔时元间两伪距间的差值可以消除位置推算时产生的累积误差，从而使这一方法具有弥补航位推算时存在累积误差影响精度的致命缺陷，使这一方法在较长时段内具有较高的导航定位精度。

(4)这种方法对辐射源时间基准的要求降低了，因为它不要求源之间时间的严格同步，只要求源本身的时频基准具有一定的稳定度，而且主要是短稳要求，所以大大放宽了对信号时频基准的苛刻要求。

(5)本方法也可以采用设置传统差分点的方法提高精度，但由于地面信号传输情况特别复杂，差分的效果会变差；同时，由于差分信号需要通信信道传输，信号覆盖范围相对又较小，差分点的设置数量会骤增，所以需要的投入及实施的难度都比较大。而本发明抛掉了需要设置差分基准点及建立差分信息传输线路的要求，从而使系统简单、投入较少、实现较容易。

(6)本方法突破了卫星导航需要四星定位的局限性，以及精度估算也再不依赖于DOP的限制，当可视卫星数目少于四颗时，甚至只有一颗时，本方法仍能实现欠星非完备定位，并达到了较高的精度，所以可以作为当可视卫星数目少于四颗时，进行室外定位导航时的一种补充性和增强性的定位方法。更是解决室内定位导航的普适性的实用方法。

方法的讨论

本发明一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的精度分析为：

上述方法的定位精度，决定于初始点的位置精度、微惯性组件提供的方向角精度及时序伪距差的计算及转换精度。本方法还应利用间隔时序伪距差消除累积误差；或结合电子地图(见附图13和附图14)，由电子地图特征元素消除累积误差(见附图12)；或用GPS正定定位点作校正来消除累积误差，这时定位精度将更高。

根据市场上智能手机和GPS芯片能够提供的伪距及方向角精度，室内外三维定位精度能够小于1m(2σ)，达到亚米级精度。

本发明一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的讨论：

(1)这一发明突破了GPS等卫星导航需要四星定位的局限性；放弃了需要设置差分基准点及建立差分信息传输线路的要求；放宽了对信号时频基准的苛刻要求；解决了地面信号在复杂环境中传播时，时延误差特别是非视距误差的修正问题；弥补了航位推算时存在累积误差影响精度这一致命的缺陷；不要求惯性器件具有高精度，使本发明深度兼融了卫星导航、惯性导航、航位推算导航和差分导航的长处，为室外导航定位增补了新的定位手段。由时序伪距误差方法构成的行进位置推算算法，突破了GPS四星定位的限制，定位精度不受DOP的影响，可以实现欠星非完备定位。从而填补了在城市高楼间、峡谷沟壑里及密林丛中卫星导航用传统导航算法无法定位的某些场合。更为室内定位开拓出了一种适合复杂室内环境条件的精确、简单、有效的导航定位方法，从而为室内外无缝导航定位提供了一种具有普适应用价值的新方法。

(2)差分方法是GPS系统中最有效的消除误差的方法，原差分方法主要分为位置差分和伪距差分两类，其应用局限于改善单点位置解的精度。本方法发展了差分理念及方法，丰富了它的内容，扩大了它的应用。提出了不同时元间的时序伪距差分方法及应用，不同时元间指相邻时元间、相近时元间及相隔时元间。时序指不同时刻测量的时间点，时序伪距差分方法建立了测量点位置及轨迹点之间的联系。因为它采用了同一个导航信号源相邻时元、相近时元及相隔时元的伪距，进行两伪距之间的差分，两伪距相似性极好，所以有极好的消除误差的能力，包括能消除偏差和部分随机误差。时序伪距差分解可以改善GPS原单点定位解的精度，还能充分利用信号的覆盖范围，做到有信号就能定位。而且也可以单独成为一种定位解的计算方法。当它与微惯性陀螺组件结合时，时序伪距差可以转化为行进步距，从而构成行进时位置推算的新算法，解决室内外无缝导航问题。其中利用相间隔时序的伪距差，则能解决累积误差的消除难题；当再与差分气压测高或地图高程约束结合后，精度可进一步提高，可以做到室内外三维定位达到准分亚米级精度，误差小于1米(2σ)。

(3)本专利提出的方法有一定的近似性，而且时序伪距差的计算也有着一定的局限性。如当伪距突变的地方，伪距差的计算可能产生变化，所以要作智能判断和修正。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于时序伪距差分推算移动目标位置的方法，所述时序伪距差分是指利用载体对一颗卫星，或一个基站，或一个传感器在相邻时刻的伪距测量值的差值；其特征在于，所述推算方法包括如下步骤：

S1：对室外被测载体的时序伪距差分推算方法；

(1)若测量源S为固定的一颗静止同步卫星，或一个固定基站，或一个固定位置的传感器时，被测载体目标上的接收机在i时刻测得测量源发射的测量信号到达被测载体目标位置点U_i的时间，在i+1时刻测得测量源发射的测量信号到达被测载体目标位于U_i+1点的时间，由测得测量源发射的测量信号到达被测载体目标的两个位置点i,i+1的时间差，乘以电磁波传播速度便可以换算得到测量源S到达被测目标两个位置点的距离ρ_i和ρ_i+1，将测量源S到达两个被测载体目标两个位置点的距离ρ_i和ρ_i+1求差，并把这个被测目标距离的差值设定为伪距差Δρ_i,i+1，同时将被测载体目标由U_i点移动至U_i+1点的距离设定为ΔS_i,i+1，由于被测载体目标移动产生的伪距差Δρ_i,i+1距离相对测量源S到达被测载体目标的距离来说很小，可将被测载体目标的位置变化量计作ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosγ_i，式中γ_i为被测载体目标在U_i点位置上观察测量源S的方位角，该方位角由被测载体目标或测量源S中的惯性组件提供；

(2)若测量源S为移动卫星，或一个移动基站，或一个移动传感器时，仍可将被测载体被测目标的位置变化量计作ΔS_i,i+1＝Δρ’_i,i+1/cosγ_i，式中Δρ’_i,i+1可等效于Δρ_i,i+1；

S2：室外被测载体目标的方位角推算方法；

方位角推算采用的计算公式为： $\left\{\begin{array}{c}{X}_{U_{i+1}}=X_{U_i}+\mathrm{\Δ}{S}_{i,i+1}\sin {\mathrm{\α}}_{i+1}\\ Y_{U_{i+1}}=Y_{U_i}+{\mathrm{\ΔS}}_{i,i+1}\cos {\mathrm{\α}}_{i+1}\end{array}\right.$

式中：X_Ui为被测载体目标在U_i点的X方向坐标，Y_Ui为被测载体目标在U_i点的Y方向坐标，ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosβ_i/cosα_bi；式中α_bi＝α_i-α_si，其中，角α_i是被测载体目标的行进方向的方位角，α_si是被测载体目标观察卫星位置方向的方位角，β_i为被测载体目标观察卫星方向的仰角；

S3：对室外被测载体目标的时序伪距差分推算中的累积误差消除方法；采用电子地图匹配，或采用计算被测载体目标相近时刻观察测量源S的时序伪距差Δρ_i,j＝ρ_j-ρ_i，其中j≥i+2

S4：对室内被测载体目标的时序伪距差分推算方法；其中时序伪距差仍采用S2中的ΔS_i,i+1＝Δρ_i,i+1/cosβ_i/cosα_bi，计算，再用电子匹配地图中的基准点和特征元素消除累积误差。

2.如权利要求1所述的基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置方法，其特征在于：所述测量源S为GPS、北斗、GNSS卫星导航系统的导航信号，或为地面移动通信基站，或为地面传感网的热点发出的定位信号，或为地面伪卫星发出的定位信号。

3.如权利要求1所述的基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置方法，其特征在于：所述GPS、北斗、GNSS卫星导航系统的卫星至少为一颗卫星。

4.如权利要求1所述的基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置方法，其特征在于：所述测量源S的测距信号包括直射信号，或反射信号，或是经绕射、散射后的非视距信号。

5.如权利要求4所述的基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置方法，其特征在于：所述测量源S的测距信号为折射信号、反射信号、或是经绕射、散射后的非视距信号时，要对最后的二次辐射源的位置做出判断，为此在室内定位时，要对室内电子地图上标出的窗户、门、孔信号进入的位置信息作出判断和选择。

6.一种基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置的装置，其特征在于，所述装置包括通过主板连接在一起的天线、卫星导航变频模块和基带模块、地面移动通信模块、微惯性组件、存储计算模块、电子地图模块、智能导航软件、显示屏和键盘。

7.如权利要求6所述的基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置的装置，其特征在于，所述卫星导航模块中的变频模块由限幅器、LNA、滤波器及变频模块组成；所述基带模块由A/D芯片、微处理器及存储器模块组成。

8.如权利要求6所述的基于时序伪距差分推算移动被测载体目标位置的装置，其特征在于，所述微惯性组件包括指北针、微陀螺、加速度计、及垂线计中的任意一种或其任意组合。

9.如权利要求6所述的基于时序伪距差分推算移动被待测载体目标位置的装置，其特征在于，所述显示器维液晶显示器，所述键盘为触屏式键盘。