CN105005066B

CN105005066B - 基于Android系统的高精度定位系统和方法

Info

Publication number: CN105005066B
Application number: CN201510427611.9A
Authority: CN
Inventors: 陈大吾; 朱峰; 孙长虹; 赵博; 余张民
Original assignee: SHANGHAI BEIDOU SATELLITE NAVIGATION PLATFORM Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI BEIDOU SATELLITE NAVIGATION PLATFORM Co Ltd
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-07-20
Also published as: CN105005066A

Abstract

一种基于Android系统的高精度定位系统和方法，包括：定位增强系统和具有Android操作系统的移动终端，其中：移动终端包括：GNSS定位单元、Android操作系统、伪距差分计算单元以及人机交互单元，当移动终端内置的GPS定位无法正常工作时，伪距差分计算单元分别从定位增强系统接收差分数据、从Android操作系统接收来自GNSS定位单元的卫星原始观测数据和星历，通过差分算法获得高精度定位结果并输出至人机交互单元。本发明在伪距差分技术的基础上集成Wi‐Fi热点、基站定位和IP定位技术，在实现快速低成本的高精度手机卫星定位的同时，也确保定位的高可用性。

Description

基于Android系统的高精度定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种移动设备定位领域的技术，具体涉及一种基于Android系统的高精度定位系统和方法，基于地基增强系统和差分定位技术，在手机端获得差分数据，运行伪距差分算法，从而获得高精度定位。

背景技术

当前手机终端室外定位技术基本可分为两种，一种是基于运营商基站的定位方法，该方法利用手机对基站距离的测算来确定手机终端的位置；另一种是基于卫星(GPS、北斗、GLONASS等)定位的方法，该方法利用手机终端中的定位模块来实现定位。

基站定位技术的基本原理是：通信蜂窝基站依据通信能力，将整个通信区域划分为多个蜂窝碎片区，手机终端通过连接、测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival到达时刻)、TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)，根据该测量结果及结合三角估计算法，计算出手机终端的坐标位置；基站定位的精度主要依赖于基站蜂窝区半径，在基站密集的城市范围内，定位精度范围约在10～100米。

手机卫星定位技术的基本原理是：卫星系统播发测距信号的导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息，手机终端定位模块在接收到三颗及以上的卫星信号时，计算终端到卫星的距离，并结合三角位置交汇解算得出手机终端的位置坐标；手机卫星定位精度误差来源较多，主要受卫星星历、钟差、多路径误差等影响，普通手机终端定位精度约在10～50米。

通过对当前市场上普通手机终端定位方法及原理分析可见，普通公众移动手机终端定位精度只能达到10米及以上精度，无法满足更高精度级别的定位需求。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102387242A，公开(公告)日2012.03.21，公开了一种在手机上实现差分GPS的方法及手机，包括以下步骤：A1获取初始用户位置的坐标、当前卫星的位置和伪距的差分改正量；A2利用所述初始用户位置的坐标、当前卫星的位置和伪距的差分改正量计算用户位置的坐标改正量；A3利用所述用户位置的坐标改正量对初始用户位置的坐标进行改正得到改正后用户位置的坐标。然而，差分GPS技术源自面向测绘领域的专业应用，而手机定位主要面向大众应用，它对高精度定位的速度、成本，以及可用性都有更高的要求，但该技术并没有解决这些问题；同时，该技术也没有解决在没有卫星信号情况下手机不能定位的问题。

中国专利文献号CN102256352A，公开(公告)日2011.11.23，公开了一种基于物理层管道技术的定位方法，该定位方法在各基站之间指定发送定位数据的物理层管道；将定位数据当做业务数据输入物理层管道进行编码、调制，通过射频信道传输；接收端进行时域帧同步并提取业务数据配置参数，对携带定位数据的物理层管道进行解调；根据解调结果获取包含距离信息的序列，再对此序列进行自相关及差分计算，去除相位信息，得到传输时延的估计值，估计移动终端与各基站之间的伪距；采用到达时间定位法或到达时间差定位法确定移动终端的三维坐标位置。然而，使用该技术进行定位，其精度不高，无法实现米级精度的定位需求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺陷和不足，提出一种基于Android系统的高精度定位系统和方法，在伪距差分技术的基础上集成Wi-Fi热点、基站定位和IP定位技术，在实现快速低成本的高精度手机卫星定位的同时，也确保定位的高可用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于Android系统的高精度定位系统，包括：定位增强系统和具有Android操作系统的移动终端，其中：移动终端包括：GNSS定位单元、Android操作系统、伪距差分计算单元以及人机交互单元，当移动终端内置的GPS定位无法正常工作时，移动终端直接使用普通精度定位结果，并输出至人机交互单元。

所述的Android操作系统向伪距差分计算单元提供接口以访问GNSS定位单元并获得卫星原始观测数据和星历。

所述的定位增强系统包括：卫星观测数据采集模块、差分数据解算模块、Wi-Fi热点定位模块、基站定位模块、IP定位模块以及服务发布模块，其中：卫星观测数据采集模块采集基准站的卫星原始观测数据并输出至差分数据解算模块，差分数据解算模块根据卫星观测数据解码获得伪距值，并计算得到伪距改正数即差分数据，Wi-Fi热点定位模块、基站定位模块及IP定位模块根据其自带数据库计算得到普通精度定位结果，服务发布模块将差分数据或普通精度定位结果输出至移动终端。

本发明涉及上述系统的基于Android系统的高精度定位方法，包括以下步骤：

1)定位增强系统计算差分数据，具体步骤为：

1.1)定位增强系统的卫星观测数据采集模块每秒从基准站获得卫星原始观测数据，并转发给差分数据解算模块。

1.2)差分数据解算模块对卫星原始观测数据进行解码，获得各基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，计算出差分数据。

2)移动终端激活定位增强服务，具体步骤为：

2.1)移动终端提交移动终端号码，向定位增强系统申请激活码，增强系统通过短信发送激活码。

2.2)移动终端将激活码发送给定位增强系统，激活该用户的定位增强服务。

3)移动终端申请增强数据，具体步骤为：

3.1)移动终端通过GNSS芯片获得卫星原始观测数据，计算出基本定位信息。

3.2)移动终端读取IP地址、扫描到的WIFI热点地址、基站LAN ID及CellID等定位辅助信息。

3.3)移动终端向定位增强系统发送增强数据申请。

4)定位增强系统响应申请，具体步骤为：

4.1)定位增强系统的服务发布模块收到终端申请之后，解析出卫星定位工作状态。

4.2)当卫星定位工作状态正常，即移动终端能够观测到至少4颗卫星时，服务发布模块调用差分数据解算模块，计算出差分数据。

4.3)服务发布模块调用Wi-Fi热点定位模块、基站定位模块及IP定位模块，利用Wi-Fi热点数据库、基站地址数据库及IP地址数据库，计算出普通精度的定位结果。

4.4)服务发布模块将差分数据和普通精度定位结果发送给移动终端。

5)移动终端计算定位结果，具体步骤为：

5.1)当卫星定位工作状态正常，即移动终端能够观测到至少4颗卫星时，伪距差分计算单元计算出高精度差分定位结果，具体步骤为：

5.1.1)伪距差分计算单元收到定位增强系统返回的伪距差分数据，放入缓存。

5.1.2)伪距差分计算单元每秒读取GNSS芯片观测到的卫星观测数据。

5.1.3)伪距差分计算单元每秒采用当前秒的卫星观测数据和星历，以及缓存中最新的差分数据，运行伪距差分算法，具体步骤为：

5.1.3.1)多普勒平滑：探测观测数据中的粗差，根据信噪比和伪距、多普勒值进行平滑处理。

5.1.3.2)定位解算：计算卫星位置、高度角，并进行伪距差分计算以及卡尔曼滤波处理。

5.1.3.3)计算输出数据：进行坐标转换处理、计算参与解算卫星个数、DOP值以及速度和方向。

5.1.3.4)输出结果平滑：利用稳态滤波器，对计算的位置(经纬度数据)进行平滑处理。

5.1.3.5)静态抑制：应对手机处在低速及停止情况下的定位场景，进行静态抑制处理并得到高精度定位结果。

5.1.4)伪距差分计算单元输出高精度定位结果至人机交互单元进行显示。

5.2)当卫星定位工作状态不正常，即移动终端能够观测到的卫星少于4颗时，使用普通精度定位方式，即伪距差分计算单元根据定位增强系统返回的增强数据解析出普通精度定位结果并输出至人机交互单元进行显示。

5.3)跳转至步骤3，进行下一次定位。

技术效果

与现有技术相比，本发明公布的基于Android系统的高精度定位方法，在卫星定位正常工作，即能够观测到不少于4颗卫星的时候，能够快速以低成本获得差分数据，运行差分算法，将定位精度从10米以上提高到3～5米；在卫星定位不能工作的时候，也能够获得普通精度的定位结果，确保了定位的可用性。使用该方法获得差分数据，相对普通差分GPS减少了一次交互，高精度定位速度得到提高；同时，差分数据量也减少到普通差分GPS的一半以下，减少了数据通讯的成本。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为实施例中基于Android系统的高精度定位方法流程图。

图3为实施例中高精度差分算法逻辑图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施。

实施例1

如图1所示，本实施例包括:定位增强系统及采用Android操作系统的移动终端，其中：定位增强系统提供伪距差分数据和一般精度定位结果，采用Android操作系统的移动终端利用观测到的卫星信号及从差分服务系统获得的差分数据，运行伪距差分算法，获得高精度的定位结果；在卫星定位不能工作的时候，移动终端直接使用普通精度定位结果。

所述的定位增强系统包括：卫星观测数据采集模块、差分数据解算模块、Wi-Fi热点定位模块(含Wi-Fi热点数据库)、基站定位模块(含基站地址数据库)、IP定位模块(含IP地址数据库)，以及服务发布模块，其中：卫星观测数据采集模块采集基准站的卫星原始观测数据并输出至差分数据解算模块；差分数据解算模块对卫星观测数据进行解码，获得伪距值，并计算出伪距改正数；Wi-Fi热点定位模块、基站定位模块及IP定位模块，用于计算出一个普通精度的定位结果；服务发布模块将差分数据或普通精度定位结果发送给采用Android操作系统的移动终端。

所述的采用Android操作系统的移动终端包括：GNSS定位单元、Android操作系统、伪距差分计算单元，以及人机交互单元，其中：GNSS定位单元提供卫星原始观测数据和星历；Android操作系统提供接口供伪距差分计算单元访问GNSS定位单元；伪距差分计算单元分别从定位增强系统获取差分数据，从GNSS定位单元获取卫星原始观测数据和星历，运行差分算法，获得高精度定位结果，输出给人机交互单元；在卫星定位无法正常工作的时候，伪距差分计算单元直接将定位增强系统提供的普通精度定位结果输出给人机交互单元；人机交互单元是伪距差分计算单元定位输出结果的最终使用者。

如图2所示，上述系统按以下方式进行工作：

1)定位增强系统计算差分数据：

2)移动终端定位增强服务激活：

2.1)移动终端向定位增强系统申请激活码，增强系统通过短信发送激活码给移动终端。

2.2)移动终端将激活码发送给定位增强系统，激活该移动终端用户的定位增强服务。

3)移动终端申请位置增强数据：

3.1)伪距差分计算单元通过GNSS芯片获得卫星原始观测数据，运用单点定位算法，计算出基本定位信息。如果无法进行单点定位，即移动终端能够观测到至少4颗卫星时，在步骤3.3的增强数据编码中，将卫星定位标志置为零。

3.2)伪距差分计算单元读取定位辅助信息，包括IP地址、扫描到的WIFI热点地址、基站LAN ID及CellID。如果无法获得相关数据，则根据3.3的增强数据编码规则，不包含相关信息，或者置零。

3.3)伪距差分计算单元将基本定位信息及定位辅助信息，按照如下方式编码为增强数据申请信息：

基本定位信息包内容包括：

辅助定位信息包内容包括：

3.4)伪距差分计算单元向定位增强系统发送定位增强数据申请。

4)定位增强系统响应申请：

4.1)定位增强系统的服务发布模块收到移动终端的增强数据申请之后，解析出“卫星定位标志位”，判断卫星定位是否正常工作。

4.2如果卫星定位正常工作，则计算差分数据：

4.2.1)服务发布模块根据基本定位信息中的概要位置，选择合适的基准站。

4.2.2)服务发布模块从缓存中取得对应基准站的差分数据。

4.3)计算普通精度定位结果：

4.3.1)服务发布模块从定位辅助信息中解析WIFI热点地址、基站定位信息(LAC,CellId)，以及IP地址。

4.3.2)如果定位辅助信息中包含WIFI热点地址，则启动WIFI热点定位模块，后者根据WIFI热点地址数据库的信息，得到移动终端所在位置的地址，并跳转至步骤4.4。

4.3.2)如果定位辅助信息中不包含WIFI热点地址，则调用基站定位模块，后者根据基站信息，得到移动终端所在位置的地址，并跳转至步骤4.4。

4.3.3)如果定位辅助信息中不包含基站定位信息(数据为空)，则调用IP定位模块，后者根据IP地址信息，得到移动终端所在位置的地址。

4.4)服务发布模块将普通精度定位结果信息及差分数据按如下方式编码，产生增强信息：

一般精度位置信息包内容包括：

数据名称	类型	说明	比特数
				经度	Int32	经度的WGS-84坐标乘以10的6次方	32
纬度	Int32	纬度的WGS-84坐标乘以10的6次方	32

差分数据信息包内容包括：

4.5)服务发布模块将增强信息发送给移动终端。

5)移动终端计算定位结果

5.1)如卫星定位正常工作，则计算出高精度差分定位结果：

5.1.3)伪距差分计算单元每秒采用当前秒的卫星观测数据和星历，以及缓存中最新的差分数据，运行伪距差分算法，主要包括以下步骤：

5.1.3.1)多普勒平滑：探测观测数据中的粗差，根据信噪比和伪距、多普勒值进行平滑。

5.1.3.2)定位解算：包括卫星位置、高度角计算、伪距差分，以及卡尔曼滤波。

5.1.3.3)计算输出数据：包括坐标转换、参与解算卫星个数、DOP值，以及速度和方向等。

5.1.3.4)输出结果平滑：利用稳态滤波器，对计算的位置(经纬度数据)进行平滑。

5.1.3.5)静态抑制：处理低速及停止场景，进行静态抑制，得到最终定位结果。

5.1.4)伪距差分计算单元输出高精度定位结果。

5.1.5)跳转至步骤3.1。

5.2)如卫星定位不能正常工作，则解析出一般精度定位结果：

5.2.1)伪距差分计算单元收到定位增强系统返回增强数据。

5.2.2)伪距差分计算单元解析出一般精度定位结果。

5.2.3)伪距差分计算单元输出一般精度定位结果。

5.2.4)跳转至步骤3.1。

与现有技术相比，本发明的优势在于：针对移动终端的定位使用场景，提出了适用移动终端这种大众应用的高精度定位方法，定义了适合移动终端高精度定位的差分GPS服务方式及数据格式，在以低成本实现移动终端快速高精度定位的同时，也确保了定位的高可用性。

Claims

1.一种基于Android系统的高精度定位系统的定位方法，其特征在于，该定位系统包括包括：定位增强系统和具有Android操作系统的移动终端，其中：移动终端包括：GNSS定位单元、Android操作系统、伪距差分计算单元以及人机交互单元，当移动终端内置的GPS定位无法正常工作时，移动终端直接使用普通精度定位结果，并输出至人机交互单元；

所述的定位方法包括以下步骤：

1)定位增强系统计算差分数据；

2)移动终端激活定位增强服务；

3)移动终端申请增强数据，具体步骤包括：

3.1)移动终端通过GNSS定位单元获得卫星原始观测数据，计算出基本定位信息；

3.2)移动终端读取IP地址、扫描到的WIFI热点地址、基站LAN ID及CellID定位辅助信息；

3.3)移动终端向定位增强系统发送增强数据申请；

4)定位增强系统响应申请，具体步骤包括：

4.1)定位增强系统的服务发布模块收到移动终端的增强数据申请之后，解析出卫星定位标志位，判断卫星定位是否正常工作；

4.2如果卫星定位正常工作，则计算差分数据；

4.3)计算普通精度定位结果；

4.4)服务发布模块将普通精度定位结果信息及差分数据编码产生增强信息；

4.5)服务发布模块将增强信息发送给移动终端；

5)移动终端计算定位结果，具体步骤包括：

5.1)当卫星定位工作状态正常时，伪距差分计算单元计算出高精度差分定位结果；

5.2)当卫星定位工作状态不正常时，使用普通精度定位方式，即伪距差分计算单元根据定位增强系统返回的增强数据解析出普通精度定位结果并输出至人机交互单元进行显示；

5.3)跳转至步骤3，进行下一次定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的定位增强系统包括：卫星观测数据采集模块、差分数据解算模块、Wi-Fi热点定位模块、基站定位模块、IP定位模块以及服务发布模块，其中：卫星观测数据采集模块采集基准站的卫星原始观测数据并输出至差分数据解算模块，差分数据解算模块根据卫星观测数据解码获得伪距值，并计算得到伪距改正数即差分数据，Wi-Fi热点定位模块、基站定位模块及IP定位模块根据其自带数据库计算得到普通精度定位结果，服务发布模块将差分数据或普通精度定位结果输出至移动终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的移动终端包括：GNSS定位单元、Android操作系统、伪距差分计算单元以及人机交互单元，其中：GNSS定位单元提供卫星原始观测数据和星历；Android操作系统提供接口供伪距差分计算单元访问GNSS定位单元；伪距差分计算单元分别从定位增强系统获取差分数据，从GNSS定位单元获取卫星原始观测数据和星历，运行差分算法，获得高精度定位结果，输出给人机交互单元；在卫星定位无法正常工作的时候，伪距差分计算单元直接将定位增强系统提供的普通精度定位结果输出给人机交互单元；人机交互单元是伪距差分计算单元定位输出结果的最终使用者。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤5.1，具体包括：

5.1.1)伪距差分计算单元收到定位增强系统返回的伪距差分数据，放入缓存；

5.1.2)伪距差分计算单元每秒读取GNSS定位单元观测到的卫星观测数据；

5.1.3.1)多普勒平滑：探测观测数据中的粗差，根据信噪比和伪距、多普勒值进行平滑处理；

5.1.3.2)定位解算：计算卫星位置、高度角，并进行伪距差分计算以及卡尔曼滤波处理；

5.1.3.3)计算输出数据：进行坐标转换处理、计算参与解算卫星个数、DOP值以及速度和方向；

5.1.3.4)输出结果平滑：利用稳态滤波器，对计算的位置进行平滑处理；

5.1.3.5)静态抑制：应对移动终端处在低速及停止情况下的定位场景，进行静态抑制处理并得到高精度定位结果；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤1，具体包括：

1.1)定位增强系统的卫星观测数据采集模块每秒从基准站获得卫星原始观测数据，并转发给差分数据解算模块；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2，具体包括：

2.1)移动终端向定位增强系统申请激活码，增强系统通过短信发送激活码给移动终端；

2.2)移动终端将激活码发送给定位增强系统，激活定位增强服务。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的增强数据申请包括：11位移动终端号码、卫星定位标志、基本定位信息包、辅助定位信息包长度信息和辅助定位信息包，其中：基本定位信息包包括：空间直角坐标系坐标、地面速率和地面航向；辅助定位信息包包括：IP地址、移动终端当前位置的CellId、移动终端当前位置的Lac以及扫描到的Wifi热点的Mac地址。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的增强信息包括：一般精度位置信息包和差分数据信息包，其中：一般精度位置信息包包括：经度信息和纬度信息，差分数据信息包包括：GPS时间、卫星个数、卫星号、伪距观测值、伪距改正数和伪距改正数变化率信息。