CN105319566A - 一种协同定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同定位方法和装置。协同定位的方法利用导航卫星信号获取观测值，通过通讯网络进行数据交互，获取附近终端测量的观测值；利用两个终端的观测值进行协同计算，获得终端间的关系矢量；利用终端间的矢量关系将邻近终端的伪距转化为本地的伪距信息；利用本地和转化的观测值信息进行位置解算。同时，本发明提出了一种基于该方法的装置，从而提高定位精度。

Description

一种协同定位方法及装置

技术领域

本发明涉及全球卫星导航、通信网络、车辆网领域，更具体地，涉及基于全球卫星导航系统以及车联网系统联合进行定位的方法及其装置。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)已经广泛的应用于我们生活的各个方面，其重要性不言而喻。全球导航卫星数目少，一般在24到35颗左右，然而其覆盖范围涉及到全球。因此在导航系统设计之初主要规划于无遮挡的环境下。在无信号遮挡的环境下给出高精度的定位结果。然而，随着全球定位系统应用范围的扩大，大量信号严重遮挡的环境下也需要给出较为精确的定位结果。

导航接收机的定位精度取决于两个方面：信号测量精度与卫星分布几何因子。在信号遮挡的情况下，卫星分布的几何因子变大，从而影响到了接收机的定位精度。为此需要采用各种手段来优化卫星分布的几何因子。目前常用的方案是接受多个卫星系统的信号，通过增加卫星数目来解决卫星几何分布问题，然而该方法需要增加接收机的成本。随着车辆网的兴起。终端之间能够进行相互通信，可以利用地面终端间的数据交互，构建地面的分布网络。从而利用地面的分布情况进行卫星观测值的转化，从而隐式扩大卫星数目，不需要增加接收机成本，成为了未来研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于协同定位的方法和装置，能够利用终端间的相互通信，优化卫星分布，更好的约束误差范围，从而提高系统的定位精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种协同定位的方法，所述方法：

利用导航卫星信号获取测量值；

通过通讯网络进行数据交互，获取附近终端测量的测量值；

利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量；

利用终端间的矢量关系将邻近终端的测量值转化为本地的测量值；

利用本地和转化的测量值信息进行位置解算。

优选的，获取邻近终端测量的测量值包括：通过无线通讯等手段进行数据交互，获取邻近终端的测量值。其中，测量值包括伪距信息，载波相位测量值，多普勒测量值等信息。

优选的，利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量，包括：利用两个终端的测量值采用差分方法，采用最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系。

优选的，利用终端间的矢量关系将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息，包括：采用矢量映射关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息。

优选的，利用本地和转化的测量值信息进行位置解算，包括：利用本地和转化的测量值信息建立位置解算方程组，利用最小二乘法或卡尔曼方法计算终端的位置。

本发明还提供了一种基于协同定位方法的装置，所述装置包括：卫星导航接收模块、无线数据传输模块、数据处理模块，其中：

卫星导航接收模块，用于获取卫星观测数据；

无线数据传输模块，用于利用无线网络进行数据传输，进行相邻终端的数据交互；

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，进行协同定位计算和最后的终端位置解算。

优选的，无线数据传输模块功能包括：通过无线通讯等手段进行数据交互，获取邻近终端的测量值。其中，测量值包括伪距信息，载波相位测量值，多普勒测量值等信息。

优选的，数据处理模块的功能包括：利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量，包括：利用两个终端的测量值采用差分方法，采用最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系。

优选的，数据处理模块的功能包括：利用终端间的矢量关系将邻近终端的伪距转化为本地的测量值信息，包括：采用矢量映射关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息。

优选的，相干累加模块功能包括：数据处理模块的功能包括：利用本地和转化的测量值信息进行位置解算，包括：利用本地和转化的测量值信息建立位置解算方程组，利用最小二乘法或卡尔曼方法计算终端的位置。

本发明提出的协同定位方法和装置能够通过数据共享来优化卫星分布，从而更好的约束误差范围，提高系统的定位精度。

附图说明

为了更加清楚的说明本发明实施例中的技术方法，下面将对实施例描述中所需的附图做一下简单介绍：

图1为本发明协同定位的流程示意图；

图2为本发明实施例的装置结构框图；

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。

如图1所示，本发明提供了信号捕获方法的一个实施例，所述方法包括以下步骤：

步骤101，读取GNSS测量值、电文，即：利用GNSS接收机捕获卫星信号，并从卫星信号中获取GNSS测量值和导航电文。其中，测量值包括伪距信息，载波相位测量值，多普勒测量值等信息。

步骤102，获取附近终端的GNSS测量值。首先利用无线传输设备与邻近终端进行通信，从而与邻近终端进行数据交互，获取邻近终端的测量值信息。其中，测量值包括伪距信息，载波相位测量值，多普勒测量值等信息。

步骤103，解算终端间的矢量关系。利用两个终端的测量值采用差分方法，采用最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系。其中，差分方法可以选用单差模型、双差模型以及三差模型。

步骤104，利用矢量关系优化伪距信息。利用终端间的矢量关系将邻近终端的伪距转化为本地的伪距信息，包括：采用矢量映射关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息。同时，也可以利用矢量关系优化本地的伪距信息，得到更加准确的伪距测量值。

步骤105，计算终端位置。利用本地和转化的测量值信息进行位置解算，包括：利用本地和转化的测量值信息建立位置解算方程组，利用最小二乘法或卡尔曼方法计算终端的位置。

通过以上的步骤，可以能够通过数据共享来优化卫星分布，从而更好的约束误差范围，提高系统的定位精度。

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，一个无线数据传输天线，一个GNSS接收机，一个无线数据传输模块，一个处理器。其中，GNSS接收机、无线数据传输模块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，生成导航电文。数据传输接收机负责发送与接收附近车辆所发送的GNSS测量值，处理器对接受到数据进行处理。

具体实现为：利用导航卫星信号获取测量值，通过通讯网络进行数据交互，获取附近终端测量的测量值；利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量；利用终端间的矢量关系将邻近终端的伪距转化为本地的伪距信息；利用本地和转化的测量值信息进行位置解算。

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。如果采用网络辅助模式，可以通过网络获取导航电文，以及电离层、对流层等修正值。

数据传输模块以固定周期向处理器发送中断。在本实施例中，本发明在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，并固定的读取数据传输模块中的信息。在中断后，处理器从数据传输模块读取GNSS测量值与测距值，并利用数据传输模块向邻近终端发送自身的GNSS测量值，数据传输模块通过无线天线向外播发GNSS测量值。

处理器功能包括：利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量，包括：利用两个终端的测量值采用差分方法，采用最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系；然后，利用终端间的矢量关系将邻近终端的伪距转化为本地的伪距信息，包括：采用矢量映射关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息；最后，利用本地和转化的测量值信息进行位置解算，包括：利用本地和转化的测量值信息建立位置解算方程组，利用最小二乘法或卡尔曼方法计算终端的位置。

在上述过程中：

(一)协同计算方法

建立伪距双差模型。伪距双差的方法是基于共视卫星而言，利用观测同一颗卫星的两终端(a与b)不同的测量值计算出伪距信息，然后利用伪距的差分方式消除公共误差，其方程表示为：

$S_{\mathrm{ab}}^s=P_a^s-p_b^s=(R_{\mathrm{sa}}-R_{\mathrm{sb}})+({\mathrm{\Δt}}_a-{\mathrm{\Δt}}_b)+(n_{\mathrm{sa}}-n_{\mathrm{sb}})$

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。

其中共视卫星判断采用如下方法：比较从GNSS接收机解算得到的卫星信息与从数据传输模块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数据传输模块中得到的卫星信息进行比较，得出可见公共可见卫星数目。

利用四颗以上的卫星建立四个单差模型，通过最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系。

在4颗以上共视卫星的情况下可以建立方程组，表示如下：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{r}\\ {\mathrm{\Δt}}_a-{\mathrm{\Δt}}_b\end{array}\right]={\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^T\left[\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}}^{s1}\\ S_{\mathrm{ab}}^{s2}\\ .\\ .\\ .\\ S_{\mathrm{ab}}^{\mathrm{sn}}\end{array}\right]$

其中：

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

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的矢量。

该问题可以采用最小二乘法或卡尔曼滤波等方法来求解。利用以上方程可以得到终端a到终端b的方向矢量。

(二)测量值信息转化方法

由于两个终端与卫星构成三角关系，卫星位置固定，可以利用三角矢量关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地测量值信息。

以伪距信息转化为例，在三角关系中，

$\stackrel{\→}{r}={\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{sb}}-{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{sa}}$

表示终端a到终端b的矢量；

表示卫星s到终端b的矢量；

表示卫星s到终端b的矢量。

利用以上关系式和计算的到的终端a到终端b的矢量，可以将终端b的测量值转化为终端a的测量值。

(三)位置解算方程组

类似于传统的卫星位置解算方程，在传统方程关系中增加利用矢量位置转化而来的测量值信息，建立统一的解算方程，表示如下：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ t\end{array}\right]={\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^T\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}^1\\ {\mathrm{\ρ}}^2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ρ}}^n\\ w^1\\ .\\ .\\ .\\ w^n\end{array}\right]$

其中：

$H=\left[\begin{array}{c}-1\·{\stackrel{\→}{S}}_{s1a}/R_{s1a},1\\ -1\·{\stackrel{\→}{S}}_{s2a}/R_{s2a},1\\ .\\ .\\ .\\ -1\·{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{sna}}/R_{s4a},1\\ -1\·{\stackrel{\→}{S}}_{s1a}^w/R_{s1a},1\\ -1\·{\stackrel{\→}{S}}_{s2a}^w/R_{s2a},1\\ .\\ .\\ .\\ -1\·{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{sna}}^w/R_{s4a},1\end{array}\right];$

其中：

表示终端a到第i颗卫星的方向矢量；

表示转化后等效的终端a到第i颗卫星的方向矢量；

ρ′表示本地测量值第i颗卫星的伪距信息；

w′表示转化后的第i颗卫星的伪距信息；

x，y，z，t为终端的位置坐标和时间偏差。

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，凡在本发明的方法之内所作的修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种协同定位的方法，其特征在于，包括，利用导航卫星信号获取测量值，通过通讯网络进行数据交互，获取附近终端测量的测量值；利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量；利用终端间的矢量关系将邻近终端的测量值转化为本地的测量值信息；利用本地和转化的测量值信息进行位置解算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取邻近终端测量的测量值包括：通过无线通讯等手段进行数据交互，获取邻近终端的测量值。其中，测量值包括伪距信息，载波相位测量值，多普勒测量值等信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量，包括：利用两个终端的测量值采用差分方法，采用最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用终端间的矢量关系将邻近终端的测量值转化为本地的测量值信息，包括：采用矢量映射关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用本地和转化的测量值信息进行位置解算，包括：利用本地和转化的测量值信息建立位置解算方程组，利用最小二乘法或卡尔曼方法计算终端的位置。

6.一种基于协同定位方法的装置，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；

所述无线数据传输模块，用于利用无线网络进行数据传输，进行相邻终端的数据交互；

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，进行协同定位计算和最后的终端位置解算。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，无线数据传输模块功能包括：通过无线通讯等手段进行数据交互，获取邻近终端的测量值。其中，测量值包括伪距信息，载波相位测量值，多普勒测量值等信息。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，数据处理模块的功能包括：利用两个终端的测量值进行协同计算，获得终端间的关系矢量，包括：利用两个终端的测量值采用差分方法，采用最小二乘法或卡尔曼方法计算车辆间的矢量关系。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，数据处理模块的功能包括：利用终端间的矢量关系将邻近终端的伪距转化为本地的伪距信息，包括：采用矢量映射关系，将邻近终端的测量值信息转化为本地的测量值信息。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，数据处理模块的功能包括：利用本地和转化的测量值信息进行位置解算，包括：利用本地和转化的测量值信息建立位置解算方程组，利用最小二乘法或卡尔曼方法计算终端的位置。