CN104459619A - Gps卫星信号盲区运用的车辆定位方法及车辆定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法及车辆定位装置，首先，CDMA网络和GSM网络混合定位算法输出运矿车初步的位置信息；然后得到DR系统的定位信息；最后计算机系统分配移动通信网络、DR系统两个系统定位的权值，得到运矿车最终的定位结果。上述方法综合考虑偏远地区的实际情况，利用移动通信网络、DR系统两种定位方法，克服了GNSS模块信号被遮挡不能正常定位的情况，解决了通过移动网络定位精度低、DR系统长期精度差的问题，同时解决了由于矿区单一通信网络覆盖不全导致数据无法发送的问题，既节约了成本和运营费用，系统的后期维护和升级也相对简单。

Description

GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法及车辆定位装置

技术领域

本发明涉及车辆定位导航领域，特别地，涉及一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法及车辆定位装置。

背景技术

GPS卫星定位系统在全球范围内得到了广泛的应用，但由于GPS系统至少同时观测4颗GPS卫星才能定位，山区高山、密集的树木、隧道经常会遮蔽GPS信号，导致在偏远地区，尤其是矿区的很多位置，GPS系统不能正常工作。

航位推算(Dead reckoning，DR)定位，是根据已知当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置的技术。它通过陀螺仪、加速度计等传感器传来的信号推算出车辆的行驶距离、速度及行驶方向。在短时间内，这种方法定位精度较高，且定位快速，不受外部环境的影响和干扰，但因为新的位置是用之前的位置推导出来，在推导过程中的误差值会被累加，因此它的错误率会随着时间而成长，导致长期精度差。

而自建网络定位、采用测距等方法进行定位，这些算法都是基于专用网络，广泛使用有不少限制，一次投入成本高，而且定位精度也不高。

目前利用现有无线通信网络定位方法应用也非常多，方法简单，但是定位精度不强，需要进一步提高。还有把GPS定位和移动通信系统结合来解决定位问题，或者，卫星定位与航位推算组合定位，但均以GPS作为主要定位手段，当车辆进入卫星盲区时间较长时，就无法准确连续定位。

发明内容

本发明目的在于提供一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法及车辆定位装置，以解决在GPS卫星信号盲区，GSM、CDMA通信基站数量有限的环境中，车辆无法精准定位的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，包括步骤：

A、利用GSM网络、CDMA网络信号中至少一个的到达时间差计算车辆的预估位置：

基于GSM/CDMA网络信号的位置计算方程：

R_i,j＝cΔτ_i＝R_i-R_j   (1)

$R_i=\sqrt{{(X_i-x_n)}^2+{(Y_i-y_n)}^2}i=1,...,n---\left(2\right)$

${(R_{i,1}+R_1)}^2=R_{i,1}^2+2R_{i,1}{R}_1+R_1^2---\left(3\right)$

其中，(X_i,Y_i)第i个基站的坐标，(x_n,y_n)为定位模块的待测坐标，R_i为定位模块到第i个基站的距离，c为电播传播速度，Δτ_i为所测得的定位模块到两基站的时间差；R_i,j是定位模块到第i、j两基站的距离差。

B、利用航位推算定位方法计算车辆的位移S_n和方位角α_n，n-1表示n的上一时刻；

C、根据步骤B求得的位移S_n和方位角α_n，以前一时刻车辆位置(x_n-1，y_n-1)为起点，求得当前时刻的车辆位置(x′_n，y′_n)；

x′_n＝S_n×|cosα_n|   (6)

y′_n＝S_n×|sinα_n|   (7)

S_n为n-1时刻到n时刻位移，α_n为n时刻方位角；

D、利用步骤A求得的预估位置，步骤C求得的车辆位置，在同一坐标平面内，分配步骤A的预估位置和步骤C的预估位置权重，得到车辆准确预估位置(x₀，y₀)；

准确预估位置的计算公式：

$x_0={\∂}_1{x}_n+{\∂}_2{x}_n^{\′}---\left(8\right)$

$y_0={\∂}_1{y}_n+{\∂}_2{y}_n^{\′}---\left(9\right)$

为权重， ${\∂}_1=0.1~0.5,{\∂}_2=0.5~0.9;$ 当x_n＝x′_n或y_n＝y′_n时， ${\∂}_1={\∂}_2=0.5.$

优选的，在步骤A之前还包括：

步骤A1：判断GSM网络、CDMA网络信号是否正常，选择正常通信的信号进行步骤A的计算。

优选的，在步骤A1中，当GSM网络、CDMA网络中的任意一种网络无信号时，自动切换另一种网络信号。

优选的，步骤A中，Fang算法利用3个基站对车辆进行二维位置定位；为简化计算，将三个基站置于特定坐标系统：基站1(0，0)、基站2(X₂，0)、基站3(X₃，Y₃)；式(3)简化为：

$-2R_{\mathrm{2,1}}{R}_1=R_{\mathrm{2,1}}^2-X_2^2+2X_2{X}_n---\left(4\right)$

$-2R_{\mathrm{2,1}}{R}_1=R_{\mathrm{3,1}}^2-(X_3^2+Y_3^2)+2X_3{X}_n+2Y_3{Y}_n---\left(5\right)$

通过计算可以得出式(5)的根：X_n、Y_n，即得到定位模块提高精度后的预估位置(x_n,y_n)。

优选的，步骤B利用航位推算定位方法计算运矿车的具体方法为：

①计算车辆方向在采样间隔时间内的变化值：

α_n＝α_n-1+ω·dt

其中，α_n为当前时刻的运动方位角，α_n-1为上一时刻的运动方位角，ω为传感器测得的角速度，dt为采样时间间隔；

②计算车辆速度在采样间隔时间内的变化值：

V_n＝V_n-1+a·dt

其中，V_n为当前时刻的速度，V_n-1为上一时刻的速度，a为传感器测得的线加速度；

③计算车辆位移在采样间隔时间内的变化值：

S_n＝S_n-1+V_n-1·dt。

优选的，所述车辆为运矿车。

本发明还提供了运用上述一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法的车辆定位装置，包括：

航位推算单元，用于测量车辆的角速度和线加速度，计算出车辆运行方向的角度和速度，采样时间间隔与定位单元采样时间间隔一致；

GSM/CDMA单元，用于发射GSM/CDMA信号到相邻的基站，将基站检测信号的到达时间传送到定位单元；将航位推算单元得到的数据传送至通信网络；

定位单元，用于接收各个GSM/CDMA单元传送的基站所检测到的信号到达时间，在信号到达时间真实有效时，通过到达时间计算出信号到达相邻基站的时间差；根据基站位置和TDOA构造定位方程组，解方程组计算GSM/CDMA单元位置。

优选的，定位单元还用于在定位方程组存在多个解时，通过CDMA网络和GSM网络的混合定位算法自动判定基站数量与距离，当CDMA网络和GSM网络可见基站数均大于3个时，优先利用CDMA网络信号到达时间差的定位方法；选择距离定位终端最近的3个基站，利用Fang算法计算出最终的单点坐标(x，y)为正确的解。

优选的，航位推算单元包括单轴陀螺仪和单向加速度计：

单轴陀螺仪，用于测量车辆的角速度，计算出运矿车运行方向的角度；

单向加速度计，用于测量车辆的线加速度，计算出运矿车的速度；

GSM/CDMA单元还用于将单轴陀螺仪、单向加速度计的数据传送至相对应的通信网络。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于移动通信网络定位，不仅融合了CDMA网络和GSM网络的混合定位，还涉及单向陀螺仪与单向加速度计组合导航的方法。

首先，CDMA网络和GSM网络混合定位算法输出运矿车初步的位置信息；通过CDMA网络和GSM网络的混合定位算法自动判定基站数量与距离，当可见基站数均大于3个时，优先利用CDMA网络信号到达时间差(TDOA)定位方法，利用Fang算法计算出最终的单点坐标(x，y)；第二步，单轴陀螺仪指示运矿车的运动方向、单轴加速度计指示运矿车的线加速度，与陀螺仪采样时间间隔一样，得到在采样间隔时间内的位移变化；在移动通信网络定位的单点坐标基础上，推算单轴陀螺仪和单轴加速度计的测量值，得到DR系统的定位信息第三步，计算机系统分配移动通信网络、DR系统两个系统定位的权值，得到运矿车最终的定位结果。

上述方法综合考虑偏远地区的实际情况，利用移动通信网络、DR系统两种定位方法，克服了GNSS模块信号被遮挡不能正常定位的情况，解决了通过移动网络定位精度低、DR系统长期精度差的问题，同时解决了由于矿区单一通信网络覆盖不全导致数据无法发送的问题，既节约了成本和运营费用，系统的后期维护和升级也相对简单。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的系统结构框架图；

图2是本发明优选实施例的方法流程示意图；

图3是本发明优选实施例的位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，所述车辆可以为运矿车，该定位方法包括步骤：

A、利用GSM网络、CDMA网络信号中至少一个的到达时间差计算车辆的预估位置：

基于GSM/CDMA网络信号的位置计算方程：

R_i,j＝cΔτ_i＝R_i-R_j   (1)

$R_i=\sqrt{{(X_i-x_n)}^2+{(Y_i-y_n)}^2}i=1,...,n---\left(2\right)$

${(R_{i,1}+R_1)}^2=R_{i,1}^2+2R_{i,1}{R}_1+R_1^2---\left(3\right)$

其中，(X_i,Y_i)第i个基站的坐标，(x,y)为定位模块的待测坐标，R_i为移动台到第i个基站的距离，c为电播传播速度，Δτ_i为所测得的移动站到两基站的时间差。

根据数学中的几何原理可知：若平面上的一个动点到两个定点的距离差为一常数，则这个动点的轨迹就是一组双曲线，通过3个基站即可求解两条相交的双曲线，确定定位模块的位置。

Fang算法利用3个基站对MS进行二维位置定位。为简化计算，可将三个基站置于特定坐标系统：基站1(0，0)、基站2(x₂，0)、基站3(x₃，y₃)。

式(3)简化为：

$-2R_{\mathrm{2,1}}{R}_1=R_{\mathrm{2,1}}^2-X_2^2+2X_2{X}_n---\left(4\right)$

$-2R_{\mathrm{2,1}}{R}_1=R_{\mathrm{3,1}}^2-(X_3^2+Y_3^2)+2X_3{X}_n+2Y_3{Y}_n---\left(5\right)$

通过计算可以得出式(5)的根：x、y，即得到定位模块提高精度后的预估位置(x_n，y_n)。

B、利用航位推算定位方法计算车辆的位移S_n和方位角α_n-1，n-1表示n的上一时刻；

C、根据步骤B求得的位移S_n和方位角α_n，以上一时刻车辆位置(x_n-1，y_n-1)为起点，求得当前时刻的车辆位置(x′_n，y′_n)；

x′_n＝S_n×|cosα_n|   (6)

y′_n＝S_n×|sinα_n|   (7)

S_n为n-1时刻到n时刻的位移，α_n为n时刻方位角。

D、在同一坐标平面内，分配步骤A的预估位置和步骤C的当前位置权重，得到车辆准确预估位置(x₀，y₀)；

预估位置的计算公式：

$x_0={\∂}_1{x}_n+{\∂}_2{x}_n^{\′}---\left(6\right)$

$y_0={\∂}_1{y}_n+{\∂}_2{y}_n^{\′}---\left(7\right)$

为权重，以最小二乘法为工具，建立指标权重确定模型， ${\∂}_2=0.5~0.9;$ 当x_n＝x′_n或y_n＝y′_n时， ${\∂}_1={\∂}_2=0.5.$

优选地，在步骤A之前还包括步骤A1，以选择当前环境信号最优的无线通信网络：

步骤A1：判断GSM网络、CDMA网络信号是否正常，选择正常通信的信号进行步骤A的计算。

在步骤A1中，当GSM网络、CDMA网络中的任意一种通信无信号时，自动采用另一种网络信号。

优选地，步骤B利用航位推算定位方法计算运矿车的具体方法为：

①计算车辆方向在采样间隔时间内的变化值：

α_n＝α_n-1+ω·dt

其中，α_n为当前时刻的运动方位角，α_n-1为上一时刻的运动方位角，ω为传感器测得的角速度，dt为采样时间间隔；

②计算车辆速度在采样间隔时间内的变化值：

V_n＝V_n-1+a·dt

其中，V_n为当前时刻的速度，V_n-1为上一时刻的速度，a为传感器测得的线加速度；

③计算车辆位移在采样间隔时间内的变化值：

S_n＝S_n-1+V_n-1·dt。

如图3所示，A、B、C、D为TODA测量值定位的双曲线交点，A、B、C、D所包围的区域即为无线通信网络定位的误差区域。S1为运矿车前一次准确定位的位置；S1-S2′箭线：箭头方向为通过航位推算出的运矿车运动方向、箭线的长度为一次采样间隔运矿车运行的距离(路程)；S2为本方法TDOA提高定位精度后，运矿车准确预估位置。S3按本方法分配S2、S2′权重后得出的运矿车最终计算位置。

本发明还提供了运用上述一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法的车辆定位装置，包括：

航位推算单元101，用于测量车辆的角速度和线加速度，计算出车辆运行方向的角度和速度，采样时间间隔与定位单元103的采样时间间隔一致；采样时间间隔可为1s；

GSM/CDMA单元102，用于发射GSM/CDMA信号到相邻的基站，接收基站检测信号并将基站检测信号的到达时间传送到定位单元103；将航位推算单元101得到的数据传送至通信网络；

定位单元103，用于接收各个GSM/CDMA单元传送的基站所检测到的信号到达时间，在信号到达时间真实有效时，通过到达时间计算出信号到达相邻基站的时间差；根据基站位置和TDOA构造定位方程组，解方程组计算GSM/CDMA单元位置。

定位单元还用于在定位方程组存在多个解时，通过CDMA网络和GSM网络的混合定位算法自动判定基站数量与距离，当CDMA网络和GSM网络可见基站数均大于3个时，优先利用CDMA网络信号到达时间差(TDOA)定位方法；选择距离定位终端最近的3个基站，利用Fang算法计算出最终的单点坐标(x，y)为正确的解。

定位单元还用于根据GSM/CDMA单元的历史位置判断GSM网络/CDMA网络定位是否有效，如果有效，则计算出该网络的定位位置。

优选地，航位推算单元101包括单轴陀螺仪104和单向加速度计105：

单轴陀螺仪104，用于测量车辆的角速度，计算出车辆运行方向的角度；

单向加速度计105，用于测量车辆的线加速度，计算出运矿车的速度。

则GSM/CDMA单元102还用于将单轴陀螺仪104、单向加速度计105的数据传送至相对应的通信网络。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，其特征在于，包括步骤：

A、利用GSM网络、CDMA网络信号中至少一个的到达时间差计算车辆的预估位置：

基于GSM/CDMA网络信号的位置计算方程：

R_i,j＝cΔτ_i＝R_i-R_j   (1)

$R_i=\sqrt{{(X_i-x_n)}^2+{(Y_i-y_n)}^2},i=1,...,n---\left(2\right)$

${(R_{i,1}+R_1)}^2=R_{i,1}^2+2R_{i,1}{R}_1+R_1^2---\left(3\right)$

其中，(X_i,Y_i)第i个基站的坐标，(x_n,y_n)为定位模块的待测坐标，R_i为定位模块到第i个基站的距离，c为电播传播速度，Δτ_i为所测得的定位模块到两基站的时间差；R_i,j是定位模块到第i、j两基站的距离差；

B、利用航位推算定位方法计算车辆的位移S_n和方位角α_n，n-1表示n的上一时刻；

C、根据步骤B求得的位移S_n和方位角α_n，以前一时刻车辆位置(x_n-1，y_n-1)为起点，求得当前时刻的车辆位置(x′_n，y′_n)；

x′_n＝S_n×|cosα_n|   (6)

y′_n＝S_n×|sinα_n|   (7)

S_n为n-1时刻到n时刻位移，α_n为n时刻方位角；

D、利用步骤A求得的预估位置，步骤C求得的车辆位置，在同一坐标平面内，分配步骤A的预估位置和步骤C的预估位置权重，得到车辆准确预估位置(x₀，y₀)；

准确预估位置的计算公式：

$x_0={\∂}_1{x}_n+{\∂}_2{x}_n^{\′}---\left(8\right)$

$y_0={\∂}_1{y}_n+{\∂}_2{y}_n^{\′}---\left(9\right)$

为权重， ${\∂}_1=0.1~0.5,{\∂}_2=0.5~0.9;$ 当x_n＝x′_n或y_n＝y′_n时， ${\∂}_1={\∂}_2=0.5.$

2.根据权利要求1所述的一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，其特征在于，在步骤A之前还包括：

步骤A1：判断GSM网络、CDMA网络信号是否正常，选择正常通信的信号进行步骤A的计算。

3.根据权利要求2所述的一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，其特征在于，在步骤A1中，当GSM网络、CDMA网络中的任意一种网络无信号时，自动切换另一种网络信号。

4.根据权利要求1所述的一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，其特征在于，

步骤A中，Fang算法利用3个基站对车辆进行二维位置定位；为简化计算，将三个基站置于特定坐标系统：基站1(0，0)、基站2(X₂，0)、基站3(X₃，Y₃)；式(3)简化为：

$-2R_{\mathrm{2,1}}{R}_1=R_{\mathrm{2,1}}^2-X_2^2+2X_2{X}_n---\left(4\right)$

$-2R_{\mathrm{2,1}}{R}_1=R_{\mathrm{3,1}}^2-(X_3^2+Y_3^2)+2X_3{X}_n+2Y_3{Y}_n---\left(5\right)$

通过计算可以得出式(5)的根：X_n、Y_n，即得到定位模块提高精度后的预估位置(x_n,y_n)。

5.根据权利要求1所述的一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，其特征在于，步骤B利用航位推算定位方法计算运矿车的具体方法为：

①计算车辆方向在采样间隔时间内的变化值：

α_n＝α_n-1+ω·dt

其中，α_n为当前时刻的运动方位角，α_n-1为上一时刻的运动方位角，ω为传感器测得的角速度，dt为采样时间间隔；

②计算车辆速度在采样间隔时间内的变化值：

V_n＝V_n-1+a·dt

其中，V_n为当前时刻的速度，V_n-1为上一时刻的速度，a为传感器测得的线加速度；

③计算车辆位移在采样间隔时间内的变化值：

S_n＝S_n-1+V_n-1·dt。

6.根据权利要求1所述的一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法，其特征在于，所述车辆为运矿车。

7.运用上述权利要求1-6任一项所述的一种在GPS卫星信号盲区运用的车辆定位方法的车辆定位装置，其特征在于，包括：

航位推算单元，用于测量车辆的角速度和线加速度，计算出车辆运行方向的角度和速度，采样时间间隔与定位单元采样时间间隔一致；

GSM/CDMA单元，用于发射GSM/CDMA信号到相邻的基站，将基站检测信号的到达时间传送到定位单元；将航位推算单元得到的数据传送至通信网络；

定位单元，用于接收各个GSM/CDMA单元传送的基站所检测到的信号到达时间，在信号到达时间真实有效时，通过到达时间计算出信号到达相邻基站的时间差；根据基站位置和TDOA构造定位方程组，解方程组计算GSM/CDMA单元位置。

8.根据权利要求7所述的车辆定位装置，其特征在于，定位单元还用于在定位方程组存在多个解时，通过CDMA网络和GSM网络的混合定位算法自动判定基站数量与距离，当CDMA网络和GSM网络可见基站数均大于3个时，优先利用CDMA网络信号到达时间差的定位方法；选择距离定位终端最近的3个基站，利用Fang算法计算出最终的单点坐标(x，y)为正确的解。

9.根据权利要求7所述的车辆定位装置，其特征在于，航位推算单元包括单轴陀螺仪和单向加速度计：

单轴陀螺仪，用于测量车辆的角速度，计算出运矿车运行方向的角度；

单向加速度计，用于测量车辆的线加速度，计算出运矿车的速度；

GSM/CDMA单元还用于将单轴陀螺仪、单向加速度计的数据传送至相对应的通信网络。