CN104808226A - 一种基于协同定位的终端间定向方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协同定位的终端间定向方法。其特征在于，结合无线测距和伪距双差的定向方法。终端获取全球导航系统的卫星观测数据，从而获取卫星伪距信息，利用全球导航系统的卫星观测值和邻近终端的导航卫星观测值，建立伪距差分模型。差分伪距与无线测距测出终端间的距离相结合，建立终端间的定向方程。在共视卫星数目不同的情况下采用了不同的定向方法，获取定向结果，可在共视卫星少于4颗情况下实现终端间定向。本发明还公开了一种终端间定向装置，通过上述方法和装置，可在共视卫星少于4颗情况下实现终端间定向，因此本发明具有较高的实用价值。

Description

一种基于协同定位的终端间定向方法及其装置

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统、无线网络和车联网领域，更具体地，涉及基于全球卫星导航系统、无线测距和车联网的车辆终端间定向方法及其装置。

背景技术

当前车联网技术是汽车技术两大发展趋势之一。车联网系统，是指利用先进传感器技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术，对道路和交通进行全面感知，实现多个系统间大范围、大容量数据交互，对每一辆汽车进行交通全程控制，对每一条道路进行交通全时空控制，提供以交通效率和交通安全为主的网络与应用。其中，对每一辆汽车的全程感知是对其全程控制中的关键技术。对每一辆汽车的全程感知包括对自身位置以及周围其他汽车信息的感知。

全球定位系统(GNSS)被广泛的应用于车辆导航领域，成为了智能交通位置信息的主要来源。然而，由于城市环境下高楼林立造成卫星信号被遮挡，且多径信号严重干扰，造成GNSS定位误差高达到数十米到上百米，甚至不能够定位。低定位精度和可用性限制了GNSS系统在车辆安全、防碰撞检测等关系生命安全领域的使用。为了满足关键领域的需求，提高车辆间相对定位的能力，采用了一系列点对点测距方式。常见的测距方法主要依据无线网络信号的特点，包括接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)、到达角(Angle ofArrival，AOA)、到达时间(Time ofArrival，TOA)及到达时间差(Time Difference ofArrival，TDOA)等。然而，这些方案均无法便捷的给出方位信息。协同定位通过车辆间的伪距信息的共享，采用伪距双差的方法给出高精度的车辆间方向矢量。然而，该方法需要四颗共视卫星，限制了其应用范围。因此，对于恶劣环境下能够高效、稳定的提供车辆间方位信息的研究具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于协同定位的终端间定向方法及其装置，系统结合无线测距和伪距双差的定向方法，在伪距层面进行系统状态的融合，建立系统定向模型，在共视卫星少于4颗情况下能够实现终端间方向的测定，提高协同定位方法的适用范围，提高复杂环境下的定向性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种结合无线测距和伪距双差实现终端间定向的方法，所述方法：

通过卫星导航系统获得各卫星的观测值，并根据观测值得到初始伪距；

通过无线测距方式获取两个终端之间的相对距离；

通过无线通讯方法交换两个终端间的卫星导航数据和测距数据；

综合利用了导航卫星观测值和无线测距数据进行位置的解算；

根据共视卫星的数目动态的选择定向的方法，在二维定向、三维定向和带约束的差分定向三种方案中动态选择；

无线测距测出的车辆间距离与伪距双差给出的双差伪距构成包含车辆间仰角与方位角的双差模型，求解方程组，求得车辆间的仰角与方位角。

优选的，在共视卫星多于4颗形况下，建立卫星间双差或者三差模型方程，并构建方程组，经无线测距信息作为方位解算约束，从而得到终端间的方位信息。

优选的，在共视卫星多于2颗情况下，可以建立多个双模模型方程，构成方程组，由于三角函数的对称性，其计算值需要扩展到[0，360)的区间内，因此需要根据伪距差的特性将方位角的方位限定在180度之内，仰角的范围为[-90，90]。采用迭代求解的方式计算出方位角与仰角。

优选的，在共视卫星为2颗情况下，只能建立一个双差模型方程，考虑平直道路上，车辆间仰角较小，可以认为处于同一水平面上，即认为车辆间仰角为0度，可求得车辆间的方位角。

定位方程的求解可以通过最小二乘法、加权最小二乘法、卡尔曼滤波方法以及其他方法进行方位解算。

本发明还提供了一种结合无线测距和伪距双差实现终端间定向的装置，所述装置包括：卫星导航接收模块、无线数据传输测距模块、数据处理模块。其中，

卫星导航接收模块的主要功能是接收卫星天线的射频信号，通过射频模块转变为中频导航信号，与本地复制的伪随机码进行相关处理，从而实现对导航信号的捕获，跟踪，测量，输出导航信息及伪距、多普勒、载波相位等数据。

无线数据传输测距模块的主要功能是利用无线信号的能量、传输时间等信息提供终端间相对距离的测算工作，并利用无线网络进行数据传输，从而交换终端间的数据信息，统一参与定位过程。

数据处理模块用于处理来自卫星导航接收机的卫星观测数据和电文信息，以及来自无线数据传输测距模块的测距信息和邻近终端的卫星数据信息，通过适用的定向方法建立定向模型，并通过最小二乘、卡尔曼滤波等方案进行位置求解。

本发明所提供的一种结合无线测距和伪距双差实现终端间定向的方法及装置，从导航接收机读取卫星观测值，用于生成伪距；利用无线测距方法获得车辆终端间的相对距离；利用无线传输系统获得邻近节点的伪距信息。利用所获取的伪距、相对位置、邻近节点的伪距信息共同构建车辆定向方程，并采用最小二乘等方法进行方位信息的解算。

本发明提出的定向方法能够有效解决共视卫星不足的情况下的定向问题，通过伪距双差给出高精度的车辆间方向矢量，利用无线测距可以很方便的测出车辆间距离，可以在共视卫星少于4颗的情况下实现车辆间定向，提高协同定位方法的适用范围，因此本发明具有较高商用价值。

附图说明

图1为本发明一种基于协同定位的车辆间定向方法流程示意图；

图2为本发明实施例的装置结构示意图；

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，但本发明不局限于本实施例。

图1为本发明结合无线测距和伪距双差实现车辆终端间定向的方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤101，读取GNSS测量值和导航电文。具体为：

GNSS是指全球导航卫星定位系统(Global Navigation Staellite Systems)，包含但不限于GPS，Galileo，GLONASS和北斗系统。系统启动，卫星处理模块接收卫星信号，跟踪通道准备好测量值后，向处理器发送中断。处理器从跟踪通道读取测量值和导航电文，所述测量值包括：码测量值和载波测量值。

步骤102，获取邻近终端的GNSS测量值。具体为：

利用无线通讯系统与邻近的终端建立通讯联系，并交换两个终端的GNSS测量值信息。

步骤103，测量终端间的相对距离信息。具体为：

利用无线测距手段，测量交换GNSS测量信息的终端，得到本终端与邻近终端的相对距离信息。

步骤104，共视卫星数目的判断。具体为：

分析本终端和邻近终端的GNSS观测值信息，如果两终端能够获得来自同一颗卫星的观测数据，则表示该卫星为两终端的共视卫星，可以参与协同定位的计算；如果一颗卫星只出现在一个终端的观测值中，则该卫星非两终端的共视卫星。判断共视卫星的数目从而动态的选择合适的定位方法。

步骤105，当共视卫星只有两颗时，进行二维定向方法。具体为：

利用两颗共视卫星的测量数据，建立两个伪距双差方程或一个伪距三差方程，利用卫星方位与终端关系以及终端间相对距离信息建立定向模型。由于共视卫星少，此时假定两节点处于同一平面，即认为两节点的仰角为0度，然后求解出两终端间的方位角。

步骤106，当共视卫星有三颗时，进行三维定向方法。具体为：

利用三颗共视卫星的测量数据，建立三个伪距双差方程或两个伪距三差方程，利用卫星方位与终端关系以及终端间相对距离信息建立定向模型，此时可以直接求解出两终端间的方位角和仰角。

步骤107，当共视卫星有四颗或多余四颗时，进行带约束的协同定位方法。具体为：

通过四颗及以上共视卫星，建立协同定位方法，此时将终端间相对测距信息作为约束，从而求解出两终端间的方位角和仰角。

本发明的一个实施例如下，但本发明并不局限于这一个实现方式。

图2是本发明实施例的装置结构示意图，如图2所示，整个装置包括一个GNSS天线，一个无线测距/数据传输天线，一个GNSS接收机，一个无线测距/数据传输接收机，一个处理器。其中，GNSS接收机、无线测距/数据传输接收机与处理器组成本发明的定向电路。GNSS天线负责GNSS信号的接收，无线天线负责测距与GNSS测量值的信号接收与发送。本发明可以用本装置实现，但不局限于图2所示装置。

GNSS接收机将GNSS天线接收到的GNSS信号进行处理生成GNSS测量值，即生成导航电文，测距/数据传输接收机负责车辆间的距离测定，并且将GNSS测量值发送给附近车辆与接收附近车辆所发送的GNSS测量值，处理器对接收到自身的GNSS测量值与通过测距/数据传输接收机接收到车辆间距离与附近车辆的GNSS测量值进行处理。

具体实现为：首先，GNSS接收机以固定周期向处理器发送中断。在本实施例中，本发明在GNSS接收机中实现，但也可以由其他具体实现方式，例如：固定周期由处理器设置，并固定周期的读取GNSS接收机中的信息。在中断后，处理器从GNSS接收机中读取GNSS测量值。

如果从GNSS接收机中读取的测量值为有效卫星导航电文，则在处理器中进行导航电文的解算，解算出时间、卫星运行轨道、电离层延时等与定位相关的重要信息，并根据本地时间等信息求解出伪距。

测距/数据传输接收机以固定周期向处理器发送中断。在本实施例中，本发明在测距/数据传输接收机中实现，但也可以由其他具体实现方式，例如：固定周期由处理器设置，并固定的读取测距/数据传输接收机中的信息。在中断后，处理器从测距/数据传输接收机读取GNSS测量值与测距值，并向测距/数据传输接收机发送自身的GNSS测量值，测距/数据传输接收机通过无线天线向外播发GNSS测量值。

如果从测距/数据传输接收机中读取的GNSS测量值与距离值有效，则在处理器中对接收到的GNSS测量值进行解算，解算出时间、卫星运行轨道、电离层延时等与定位相关的重要信息，并根据本地时间等信息求解出附近点的伪距。

处理器根据从GNSS接收机解算得到的卫星信息与从测距/数据传输接收机中解算得到的卫星信息，判断公共可见卫星数目，根据公共可见卫星的数目确定定向方法，在相应的定向方法下可确定车辆间的方向。

在上述过程中：

(一)判断公共可见卫星数目。

比较从GNSS接收机解算得到的卫星信息与从测距/数据传输接收机中解算得到的卫星信息，如果卫星信息一致则表明此颗卫星公共可见，若不一致则表明是两颗不同的卫星，根据此准则对所有从GNSS接收机得到卫星信息与从测距/数据传输接收机中得到的卫星信息进行比较，得出可见公共可见卫星数目。

根据公共可见卫星数目确定定向方法。

如果公共可见卫星数目<1，则无法进行定向处理，不进行下一步处理；如果公共可见卫星数目>1，则进行进一步判断，如果公共可见卫星数目=2，则采用二维定向方法；如果公共可见卫星数目=3，则采用三维定向方法；如果公共可见卫星数目≥4，则采用带约束的协同定位方法；

(二)伪距双差方法

伪距双差的方法是基于共视卫星而言，利用对于同一颗卫星的两终端(a与b)不同的观测值计算出伪距信息，然后利用伪距的差分方式消除公共误差，其方程表示为：

$S_{\mathrm{ab}}^s=P_a^s-P_b^s=(R_{\mathrm{sa}}-R_{\mathrm{sb}})+({\mathrm{\&Delta;t}}_a-{\mathrm{\&Delta;t}}_b)+(n_{\mathrm{sa}}-n_{\mathrm{sb}})$

其中：

表示对于卫星s，车辆A与B的伪距差分；

表示卫星s与终端a之间的伪距；

表示卫星s与终端b之间的伪距；

R_sa为终端a和卫星间的真实距离；

R_sb为终端b和卫星间的真实距离；

Δt_a表示终端a的时间与GNSS标准时之间的偏差；

Δt_b表示终端b的时间与GNSS标准时之间的偏差；

n_sa为终端a的系统偏差；

n_sb为终端b其他系统偏差。

(三)二维定向方法与三维定向方法

定位方法中基于伪距双差的方法，并结合卫星仰角和方位角信息建立如下的方程：

其中：

θ_s为卫星仰角；

为卫星方位角；

θ_B是终端b相对于终端a的仰角；

为终端b相对于终端a的方位角；

r为终端a和终端b之间的相对距离。

通过多颗共视卫星，可以建立方程组，从而求解出终端b相对于终端a的仰角和方位角信息，从而求解出方位信息。

对于只有两颗星的情况下，由于方程数不足，无法同时求解仰角和方位角信息。两车之间的位置关系中，方位角是求解的重点。考虑到平直道路中，相邻较近的两个节点仰角较小，车辆A，B间基本处于一致的水平面上，可以认为为0度，从而求解方位角信息。

(四)带约束的协同定位方法

在4颗以上共视卫星的情况下采用协同定位方法求解终端间矢量关系，其方程表示为：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&RightArrow;}{r}\\ {\mathrm{\&Delta;t}}_a-{\mathrm{\&Delta;t}}_b\end{array}\right]={\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^T\left[\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}}^{s1}\\ S_{\mathrm{ab}}^{s2}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ S_{\mathrm{ab}}^{\mathrm{sn}}\end{array}\right]$

其中：

$H=\left[\begin{array}{c}-1\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{S}}_{s1a}/R_{s1a},1\\ -1\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{S}}_{s2a}/R_{s2a},1\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ -1\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{S}}_{\mathrm{sna}}/R_{s4a},1\end{array}\right];$

表示终端a和终端b对于第i颗共视卫星伪距差；

表示终端a到第i颗共视卫星的方向矢量；

表示终端a到终端b的方向矢量。

带约束的协同定位方法增加了方程解算的约束，约束信息为终端a到终端b的方向矢量的矢量长度为无线测距得到的终端a和终端b之间的相对距离。该问题可以采用最小二乘法或卡尔曼滤波等方法来求解。

以上描述了本方面的一个实施例，但仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于协同定位的终端间定向方法，其特征在于，利用全球导航系统的卫星观测值和邻近终端的导航卫星观测值，建立了伪距差分模型，同时利用终端间矢量与卫星矢量的关系建立方程，并结合无线测距信息，并对于不同数目的共视卫星采用不同的定向方法，从而实现终端间的定向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，终端获取全球导航系统的卫星观测数据，从而获取卫星伪距信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用全球导航系统的卫星观测值和邻近终端的导航卫星观测值，建立伪距差分模型。具体为：采用两终端共视卫星的数据建立了伪距差分的方法，从而消除了卫星观测值的公共误差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，差分伪距与无线测距测出终端间的距离相结合，建立了终端间的定向方程。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在共视卫星数目不同的情况下采用了不同的定向方法，获取定向结果，可在共视卫星少于4颗情况下实现终端间定向。

6.一种基于协同定位的终端间装置，其特征在于，所述装置包括：卫星导航接收模块、无线数据传输测距模块、数据处理模块；其中，

所述卫星导航接收模块，用于获取卫星观测数据；

所述无线数据传输测距模块，用于利用无线信号的能量、传输时间等信息提供终端间相对距离的测算工作，并利用无线网络进行数据传输。

所述数据处理模块，用于处理来自卫星导航接收机的卫星观测数据和电文信息，以及来自无线数据传输测距模块的测距信息和邻近终端的卫星数据信息，通过适用的定向方法建立定向模型，并通过最小二乘、卡尔曼滤波等方案进行位置求解。

7.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，终端获取全球导航系统的卫星观测数据，从而获取卫星伪距信息。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，利用全球导航系统的卫星观测值和邻近终端的导航卫星观测值，建立伪距差分模型。具体为：采用两终端共视卫星的数据建立了伪距差分的方法，从而消除了卫星观测值的公共误差。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，差分伪距与无线测距测出终端间的距离相结合，建立了终端间的定向方程。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在共视卫星数目不同的情况下采用了不同的定向方法，获取定向结果，在共视卫星少于4颗情况下可实现终端间定向。