CN105277961A - 一种基于三点精准定位的导航系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三点精准定位的导航系统及导航方法，涉及导航领域。该系统包括：移动终端、基站、无线热点设备、卫星系统和中央控制系统，移动终端分别与所述基站和无线热点设备无线双向通信。该方法包括：通过基站或无线热点设备，获取移动终端发送的信息数据；获取任意三个已知卫星到所述移动终端的距离，根据三维空间的距离公式，列出3个方程，然后求解3个方程，得到移动终端的三维位置；将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航。本发明能够通过无线通信的方式通知他人并报告发生跌倒的位置或走失迷路的精确位置，在人们日常生活定位，做到快速、精准、有效的定位，使人们得到及时的帮助和救助。

Description

一种基于三点精准定位的导航系统及导航方法

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种基于三点精准定位的导航系统及导航方法。

背景技术

在日常生活中，便携式的道路实时导航和监控越来越受到人们的普遍关注。如何使用移动导航精准定位技术，让定位变得更加轻便、更加准确和可靠已成为人们越来越强烈的需求。以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位等功能，能为各类静止或高速运动的用户提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精准定位等多种服务。但是，现有基于三点精准定位的导航方法仅能广泛应用于道路导航定位系统，在公共区域内人们发生走失迷路或危险性跌倒、或遭绑架等紧急问题，无法得到精准定位人所处的位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三点精准定位的导航系统及导航方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明所述基于三点精准定位的导航系统，该系统包括：移动终端、基站、无线热点设备、卫星系统和中央控制系统，所述移动终端分别与所述基站和所述无线热点设备无线双向通信；

所述移动终端，通过网络通信将信息数据传给基站；

所述基站，向在基站发出的电磁波的有效范围内的移动终端自动建立通信连接；

所述无线热点设备，在无线热点设备的无线信号覆盖区域，建立与所述移动终端的无线通讯连接；

所述卫星系统，存储各个卫星的位置信息，并发送给中央控制系统；

所述中央控制系统，通过接收基站和/或无线热点设备发送的移动终端信息数据和卫星位置信息，计算移动终端与至少三个卫星间的距离，根据三维空间的距离公式，得到所述移动终端的三维位置，将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航；

所述信息数据包括移动终端的通话时间、被叫的对象信息、移动终端中应用的无线应用协议、移动终端的地理位置信息。

优选地，移动终端中应用的无线应用协议包括GSM协议、GPRS协议和DMA协议。

优选地，所述无线热点设备工作时采用的2.4ghz频段。

本发明所述基于三点精准定位的导航系统的导航方法，该方法包括：

S1，通过基站或无线热点设备，获取移动终端发送的信息数据；

S2，获取任意三个已知卫星到所述移动终端的距离，根据三维空间的距离公式，列出3个方程，然后求解3个方程，得到所述移动终端的三维位置；

S3，将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航。

优选地，步骤S2，具体按照下述步骤实现：

设移动终端所在的点位测点，测点的三维坐标为(x，y，z)，获取三个与测点A存在关联的三个卫星的三维坐标，测点与三个已经卫星之间的线段长离分别为ρ₁，ρ₂和ρ₃，设ρ₁＝ρ₂，列出三个观测方程(1)：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_1=2d_1+2{\mathrm{\ρ}}_1\\ G_2=d_1+d_2+{\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2\\ G_3=H={\[x^2+y^2+{(Z+N_e{e}^2\sin L)}^2\]}^{1/2}-N_e\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中，所述G₁、G₂、G₃分别表示三个卫星应答询问信号之后的观测量，d₁和d₂分别表示分别地面中心站到第一卫星和第二的距离，L表示移动终端所在的维度，N_e表示测站点卯酉圈的曲率半径，e表示椭球的偏心率，Z表示地球坐标系Z轴的量值；

将观测方程(1)改写为方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{G_1}{2}-d_1={\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-z)}^2}\\ G_2-\frac{G_1}{2}-d_2={\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-z)}^2}\\ G_3={\[x^2+y^2+{(z+N_e{e}^2\sin L)}^2\]}^{1/2}-N_e\end{array}\right.---\left(2\right);$

设测站点的估计值为x₀＝(x₀,y₀,z₀)，因此，测站点矢量可表示方程组(3)：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_0+\mathrm{\Δ}x\\ y=y_0+\mathrm{\Δ}y\\ z=z_0+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.---\left(3\right)$

设 $f_i(x,y,z)=\sqrt{{(x_{si}-x)}^2+{(y_{si}-y)}^2+{(z_{si}-z)}^2}$ 为式(4)，i＝1，2；f_i(x,y,z)表示编号为i的卫星在任意时刻的位置，x_si、y_si和z_si表示编号为i的卫星的坐标矢量，△x，△y，△z分别表示测站点的三维坐标系上x、y、z三个方向的估计值；

对式(4)进行泰勒级数展开，并去掉高次项得式(5)：

f_i(x，y，z)＝f_i(x₀+Δx，y₀+Δy，z+Δz)＝f_i(x，y₀，z₀)+a_i1Δx+a_i2Δy+a_i3Δz(5)

将式(5)代入方程(2)，得先行方程式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}\mathrm{\Δ}x+a_{12}\mathrm{\Δ}y+a_{13}\mathrm{\Δ}z=\frac{G_1}{2}-d_1-f_1(x_0,y_0,z_0)\\ a_{21}\mathrm{\Δ}x+a_{22}\mathrm{\Δ}y+a_{23}\mathrm{\Δ}z=G_2-\frac{G_1}{2}{d}_2-f_2(x_0,y_0,z_0)\\ a_{31}\mathrm{\Δ}x+a_{32}\mathrm{\Δ}y+a_{33}\mathrm{\Δ}z=H-f_3(x_0,y_0,z_0)\end{array}\right.---\left(6\right);$

根据式(6)构建矩阵(7)：

Aδx＝δp

$A=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right),\mathrm{\δ}x={(\mathrm{\Δ}x,\mathrm{\Δ}y,\mathrm{\Δ}z)}^T$

$\mathrm{\δ}p=\left\{\begin{array}{c}\frac{G_1}{2}-d_1-f_1(x_0,y_0,z_0)\\ G_2-\frac{G_1}{2}-d_2-f_2(x_0,y_0,z_0)\\ H-f_3(x_0,y_0,z_0)\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δp}}_1\\ {\mathrm{\Δp}}_2\\ {\mathrm{\Δp}}_3\end{array}\right\}---\left(7\right)$

如果A^-1存在，则Aδx＝δp分解可得：δx＝A^-1δP，则可得到新的估计值x＝x₀+δx，将新的估计值作为测站估计点进行迭代计算，直到当δx＜ε时，停止计算，得到测点的三维坐标，其中，ε为常数；

其中α₁₁、α₁₂、α₁₃、α₂₁、α₂₂、α₂₃、α₃₁、α₃₂和α₃₃表示泰勒级数算法值，H表示测站点大地高，△p₁、△p₂和△p₃表示实际测得距离分别与三个卫星到接收机天线的几何距离的差值，p表示的是地球表面上的任意点。

优选地，步骤S3中，将移动终端的三维位置坐标通过十进制转换法来换算经纬度。

本发明的有益效果是：

本发明是以移动导航系统为主的多种卫星导航系统结合、与卫星遥感系统和卫星通信系统及数据链结合、室外定位与室内定位结合、与光学、人工、惯导等传统定位导航技术结合、与地面台站定位导航结合、虚拟技术与现实应用结合，在网络技术、软件平台技术、数据库技术和地理信息系统包括真三维技术等先进手段支持下，以日常生活及紧急救援救助为基础，充分发挥三点精准定位的优势，建设适应各种复杂环境和应用环境、三点精准定位移动导航应用系统，为人们日常生活提供更好的服务，同时成为卫星导航系统移动应用的服务方向。

本发明中移动设备作为精准定位工具时，能够通过无线通信的方式通知他人并报告发生跌倒的位置或走失迷路的精确位置，在人们日常生活(购物、公园、医院等)定位，做到快速、精准、有效的定位，使人们得到及时的帮助和救助。

附图说明

图1是本发明所述基于三点精准定位的导航系统的结构示意图；

图2是本发明所述基于三点精准定位的导航方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

参照图1，本实施例中所述一种基于三点精准定位的导航系统，该系统包括：移动终端、基站、无线热点设备、卫星系统和中央控制系统，所述移动终端分别与所述基站和所述无线热点设备无线双向通信；所述移动终端，通过网络通信将信息数据传给基站；所述基站，向在基站发出的电磁波的有效范围内的移动终端自动建立通信连接；所述无线热点设备，在无线热点设备的无线信号覆盖区域，建立与所述移动终端的无线通讯连接；所述卫星系统，存储各个卫星的位置信息，并发送给中央控制系统；所述中央控制系统，通过接收基站和/或无线热点设备发送的移动终端信息数据和卫星位置信息，计算移动终端与至少三个卫星间的距离，根据三维空间的距离公式，得到所述移动终端的三维位置，将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航；所述信息数据包括移动终端的通话时间、被叫的对象信息、移动终端中应用的无线应用协议、移动终端的地理位置信息。

其中，本实施例中所述移动终端中应用的无线应用协议包括GSM协议、GPRS协议和DMA协议中的一种。

其中，所述无线热点设备工作时采用的2.4ghz频段。

参照图2，本实施例所述基于三点精准定位的导航系统的导航方法，该方法包括：

S1，通过基站或无线热点设备，获取移动终端发送的信息数据；

S2，获取任意三个已知卫星到所述移动终端的距离，根据三维空间的距离公式，列出3个方程，然后求解3个方程，得到所述移动终端的三维位置；

S3，将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航，其中，将移动终端的三维位置坐标通过十进制转换法来换算经纬度。

其中，步骤S2，具体按照下述步骤实现：

设移动终端所在的点位测点，测点的三维坐标为(x，y，z)，获取三个与测点A存在关联的三个卫星的三维坐标，测点与三个已经卫星之间的线段长离分别为ρ₁，ρ₂和ρ₃，设ρ₁＝ρ₂，列出三个观测方程(1)：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_1=2d_1+2{\mathrm{\ρ}}_1\\ G_2=d_1+d_2+{\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2\\ G_3=H={\[x^2+y^2+{(Z+N_e{e}^2\sin L)}^2\]}^{1/2}-N_e\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中，所述G₁、G₂、G₃分别表示三个卫星应答询问信号之后的观测量，d₁和d₂分别表示分别地面中心站到第一卫星和第二的距离，L表示移动终端所在的维度，N_e表示测站点卯酉圈的曲率半径，e表示椭球的偏心率，Z表示地球坐标系Z轴的量值；

将观测方程(1)改写为方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{G_1}{2}-d_1={\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(x_{s1}-x)}^2+{(y_{s1}-y)}^2+{(z_{s1}-z)}^2}\\ G_2-\frac{G_1}{2}-d_2={\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(x_{s2}-x)}^2+{(y_{s2}-y)}^2+{(z_{s2}-z)}^2}\\ G_3={\[x^2+y^2+{(z+N_e{e}^2\sin L)}^2\]}^{1/2}-N_e\end{array}\right.---\left(2\right);$

设测站点的估计值为x₀＝(x₀,y₀,z₀)，因此，测站点矢量可表示方程组(3)：

$\{\begin{array}{c}x=x_0+\mathrm{\Δ}x\\ y=y_0+\mathrm{\Δ}y\\ z=z_0+\mathrm{\Δ}z\end{array}---\left(3\right)$

设 $f(x,y,z)=\sqrt{{(x_{si}-x)}^2+{(y_{si}-y)}^2+{(z_{si}-z)}^2}$ 为式(4)，i＝1，2；f_i(x,y,z)表示编号为i的卫星在任意时刻的位置，x_si、y_si和z_si表示编号为i的卫星的坐标矢量，△x，△y，△z分别表示测站点的三维坐标系上x、y、z三个方向的估计值；

对式(4)进行泰勒级数展开，并去掉高次项得式(5)：

f_i(x，y，z)＝f_i(x₀+Δx，y₀+Δy，z+Δz)＝f_i(x，y₀，z₀)+a_i1Δx+a_i2Δy+a_i3Δz(5)

将式(5)代入方程(2)，得先行方程式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}\mathrm{\Δ}x+a_{12}\mathrm{\Δ}y+a_{13}\mathrm{\Δ}z=\frac{G_1}{2}-d_1-f_1(x_0,y_0,z_0)\\ a_{21}\mathrm{\Δ}x+a_{22}\mathrm{\Δ}y+a_{23}\mathrm{\Δ}z=G_2-\frac{G_1}{2}{d}_2-f_2(x_0,y_0,z_0)\\ a_{31}\mathrm{\Δ}x+a_{32}\mathrm{\Δ}y+a_{33}\mathrm{\Δ}z=H-f_3(x_0,y_0,z_0)\end{array}\right.---\left(6\right);$

根据式(6)构建矩阵(7)：

Aδx＝δp

$A=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right),\mathrm{\δ}x={(\mathrm{\Δ}x,\mathrm{\Δ}y,\mathrm{\Δ}z)}^T$

$\mathrm{\δ}p=\left\{\begin{array}{c}\frac{G_1}{2}-d_1-f_1(x_0{y}_0,z_0)\\ G_2-\frac{G_1}{2}-d_2-f_2(x_0,y_0,z_0)\\ H-f_3(x_0,y_0,z_0)\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δp}}_1\\ {\mathrm{\Δp}}_2\\ {\mathrm{\Δp}}_3\end{array}\right\}---\left(7\right)$

如果A^-1存在，则Aδx＝δp分解可得：δx＝A^-1δP，则可得到新的估计值x＝x₀+δx，将新的估计值作为测站估计点进行迭代计算，直到当δx＜ε时，停止计算，得到测点的三维坐标，其中，ε为常数；

其中α₁₁、α₁₂、α₁₃、α₂₁、α₂₂、α₂₃、α₃₁、α₃₂和α₃₃表示泰勒级数算法值，H表示测站点大地高，△p₁、△p₂和△p₃表示实际测得距离分别与三个卫星到接收机天线的几何距离的差值，p表示的是地球表面上的任意点。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明是以移动导航系统为主的多种卫星导航系统结合、与卫星遥感系统和卫星通信系统及数据链结合、室外定位与室内定位结合、与光学、人工、惯导等传统定位导航技术结合、与地面台站定位导航结合、虚拟技术与现实应用结合，在网络技术、软件平台技术、数据库技术和地理信息系统包括真三维技术等先进手段支持下，以日常生活及紧急救援救助为基础，充分发挥三点精准定位的优势，建设适应各种复杂环境和应用环境、三点精准定位移动导航应用系统，为人们日常生活提供更好的服务，同时成为卫星导航系统移动应用的服务方向。

本发明中移动设备作为精准定位工具时，能够通过无线通信的方式通知他人并报告发生跌倒的位置或走失迷路的精确位置，在人们日常生活(购物、公园、医院等)定位，做到快速、精准、有效的定位，使人们得到及时的帮助和救助。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于三点精准定位的导航系统，其特征在于，该系统包括：移动终端、基站、无线热点设备、卫星系统和中央控制系统，所述移动终端分别与所述基站和所述无线热点设备无线双向通信；

所述移动终端，通过网络通信将信息数据传给基站；

所述基站，向在基站发出的电磁波的有效范围内的移动终端自动建立通信连接；

所述无线热点设备，在无线热点设备的无线信号覆盖区域，建立与所述移动终端的无线通讯连接；

所述卫星系统，存储各个卫星的位置信息，并发送给中央控制系统；

所述中央控制系统，通过接收基站和/或无线热点设备发送的移动终端信息数据和卫星位置信息，计算移动终端与至少三个卫星间的距离，根据三维空间的距离公式，得到所述移动终端的三维位置，将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航；

所述信息数据包括移动终端的通话时间、被叫的对象信息、移动终端中应用的无线应用协议、移动终端的地理位置信息。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，移动终端中应用的无线应用协议包括GSM协议、GPRS协议和DMA协议。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述无线热点设备工作时采用的2.4ghz频段。

4.一种依据权利要求1-3任意一个所述基于三点精准定位的导航系统的导航方法，其特征在于，该方法包括：

S1，通过基站或无线热点设备，获取移动终端发送的信息数据；

S2，获取任意三个已知卫星到所述移动终端的距离，根据三维空间的距离公式，列出3个方程，然后求解3个方程，得到所述移动终端的三维位置；

S3，将三维位置换算成经纬度和海拔高度，并发送给需求方，完成定位导航。

5.根据权利要求4所述导航方法，其特征在于，步骤S2，具体按照下述步骤实现：

设移动终端所在的点位测点，测点的三维坐标为(x，y，z)，获取三个与测点A存在关联的三个卫星的三维坐标，测点与三个已经卫星之间的线段长离分别为ρ₁，ρ₂和ρ₃，设ρ₁＝ρ₂，列出三个观测方程(1)：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_1=2d_1+2{\mathrm{\ρ}}_1\\ G_2=d_1+d_2+{\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2\\ G_3=H={\[x^2+y^2+{\left(Z+N_e{e}^2\sin L\right)}^2\]}^{1/2}-N_e\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中，所述G₁、G₂、G₃分别表示三个卫星应答询问信号之后的观测量，d₁和d₂分别表示分别地面中心站到第一卫星和第二的距离，L表示移动终端所在的维度，N_e表示测站点卯酉圈的曲率半径，e表示椭球的偏心率，Z表示地球坐标系Z轴的量值；

将观测方程(1)改写为方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{G_1}{2}-d_1={\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{\left(x_{s1}-x\right)}^2+{\left(y_{s1}-y\right)}^2+{\left(z_{s1}-z\right)}^2}\\ G_2-\frac{G_1}{2}-d_2={\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{\left(x_{s2}-x\right)}^2+{\left(y_{s2}-y\right)}^2+{\left(z_{s2}-z\right)}^2}\\ G_3={\[x^2+y^2+{\left(z+N_e{e}^2\sin L\right)}^2\]}^{1/2}-N_3\end{array}\right.---\left(2\right);$

设测站点的估计值为x₀＝(x₀,y₀,z₀)，因此，测站点矢量可表示方程组(3)：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_0+\mathrm{\Δ}x\\ y=y_0+\mathrm{\Δ}y\\ z=z_0+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.---\left(3\right)$

设 $f_i(x,y,z)=\sqrt{{(x_{si}-x)}^2+{(y_{si}-y)}^2+{(z_{si}-z)}^2}$ 为式(4)，i＝1，2；f_i(x,y,z)表示编号为i的卫星在任意时刻的位置，x_si、y_si和z_si表示编号为i的卫星的坐标矢量，△x，△y，△z分别表示测站点的三维坐标系上x、y、z三个方向的估计值；

对式(4)进行泰勒级数展开，并去掉高次项得式(5)：

f_i(x，y，z)＝f_i(x₀+Δx，y₀+Δy，z+Δz)＝f_i(x，y₀，z₀)+a_i1Δx+a_i2Δy+a_i3Δz(5)

将式(5)代入方程(2)，得先行方程式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}\mathrm{\Δ}x+a_{12}\mathrm{\Δ}y+a_{13}\mathrm{\Δ}z=\frac{G_1}{2}-d_1-f_1\left(x_0,y_0,z_0\right)\\ a_{21}\mathrm{\Δ}x+a_{22}\mathrm{\Δ}y+a_{23}\mathrm{\Δ}z=G_2-\frac{G_1}{2}{d}_2-f_2\left(x_0,y_0,z_0\right)\\ a_{31}\mathrm{\Δ}x+a_{32}\mathrm{\Δ}y+a_{33}\mathrm{\Δ}z=H-f_3\left(x_0,y_0,z_0\right)\end{array}\right.---\left(6\right);$

根据式(6)构建矩阵(7)：

Aδx＝δp

$A=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right),\mathrm{\δ}x={\left(\mathrm{\Δ}x,\mathrm{\Δ}y,\mathrm{\Δ}z\right)}^T$

$\mathrm{\δ}p=\left\{\begin{array}{c}\frac{G_1}{2}-d_1-f_1\left(x_0,y_0,z_0\right)\\ G_2-\frac{G_1}{2}-d_2-f_2\left(x_0,y_0,z_0\right)\\ H-f_3\left(x_0,y_0,z_0\right)\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δp}}_1\\ {\mathrm{\Δp}}_2\\ {\mathrm{\Δp}}_3\end{array}\right\}---\left(7\right)$

如果A^-1存在，则Aδx＝δp分解可得：δx＝A^-1δP，则可得到新的估计值x＝x₀+δx，将新的估计值作为测站估计点进行迭代计算，直到当δx＜ε时，停止计算，得到测点的三维坐标，其中，ε为常数；

其中α₁₁、α₁₂、α₁₃、α₂₁、α₂₂、α₂₃、α₃₁、α₃₂和α₃₃表示泰勒级数算法值，H表示测站点大地高，△p₁、△p₂和△p₃表示实际测得距离分别与三个卫星到接收机天线的几何距离的差值，p表示的是地球表面上的任意点。

6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，步骤S3中，将移动终端的三维位置坐标通过十进制转换法来换算经纬度。