CN105785412A

CN105785412A - 一种基于gps和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法

Info

Publication number: CN105785412A
Application number: CN201610120726.8A
Authority: CN
Inventors: 李旭; 高怀堃; 徐启敏
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明公开了一种面向车辆的快速优化选星定位方法，利用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)和北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)双模实现车辆的准确、实时定位，主要有如下步骤：通过载波信噪比值完成卫星的第一级筛选；利用误差模型校正伪距测量值；接收星历数据解算卫星位置；进行GPS及北斗双模伪距定位解算，初步求解车辆位置；计算卫星的高度角和方位角；结合第二级选星算法继续对卫星进行筛选；再次进行GPS及北斗双模伪距定位解算，最终确定车辆在当前时刻的位置；本发明的方法与传统的基于GPS或北斗的单模车辆导航定位相比，定位精度更高，系统容错性和可靠性更好。

Description

一种基于GPS和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法

技术领域

本发明涉及车辆导航定位领域，特别涉及一种面向车辆的GPS和北斗双星座快速优化选星定位方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国的机动车保有量不断增加，据统计，截至2015年，全国机动车总保有量已达2.64亿辆。机动车数量的迅速增加，加速了各种交通问题的产生，为了改善交通运输，减少交通事故的发生，近年来世界各国纷纷开发研究了新一代的交通运输系统-智能交通系统(IntelligentTransportationSystem，ITS)，旨在借助数字通讯、车辆定位、计算机网络等现代高科技来改善交通状况，合理利用道路交通，充分发挥现有道路交通潜能，提高通行能力，综合解决交通运输问题。ITS的开发研究，基本上都离不开车辆的导航定位技术，只有在车辆准确、实时定位的前提下，有效地调度指挥车辆，才能改善交通，保证车辆安全行驶。因此，从某种意义来说，车辆导航定位技术是实现道路智能化管理的关键技术之一，是ITS的核心内容。

目前应用最为广泛的车辆导航定位技术是全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，GPS能够实时的为车辆提供三维位置、速度、时间等信息，实现全球、全天候、全方位的导航定位功能。但GPS的使用会受到诸多因素的限制，例如在城市环境中，GPS信号易受到建筑物的遮挡，可见观测卫星数目减少会导致定位精度下降甚至小于四颗而无法定位；同时GPS的使用还受限于美国军方的SA政策和SD技术，SD技术能够通过基于陆地的干扰源来干扰GPS信号，从而选择性中断某一特定区域的标准定位服务。

近年来，我国开始自主发展北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)，区域系统已于2012年底完成组网并正式开通运行。作为我国新一代自主卫星导航系统，北斗系统的建成将为改变我国对GPS依赖的局面提供可能，但是由于研究起步晚于GPS，目前北斗卫星导航定位系统尚未完整建立，星座的覆盖面积较小，在轨道精度和观测数据质量方面与GPS还一定的差距，导致其定位精度不高。因此，GPS与北斗双模定位成为当前研究的热点，双模定位不必局限于单一系统，降低了对GPS的依赖程度，提高了系统安全性；同时，将GPS与北斗定位系统有机地组合起来，充分利用冗余的卫星观测信息，可以提高接收机的自主完好监测能力，保证定位结果的容错性和可靠性；此外，在GPS与北斗双星座下，可见卫星的数目显著增多，在此基础之上，结合选星算法，能够改善星座的空间分布，降低定位卫星的几何精度因子，有效提高车辆定位的精度，而传统选星算法的研究多针对于单一的GPS或北斗系统，当可见卫星数目较多时，选星算法的计算效率大大下降，从而影响定位的实时性。

由此可见，克服单一卫星导航定位系统的不足，研究基于GPS与北斗双模导航，尤其是双星座下的快速优化选星算法，提高车辆导航定位的精度与实时性，对于国内车辆导航定位乃至智能交通系统的发展都具有极其重要的意义。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种基于GPS和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法。与传统的基于GPS或北斗的单模车辆导航定位相比，本发明中的方法利用GPS和北斗双星座，显著增加可见观测卫星的数目，提高定位系统的容错性和可靠性，在可见卫星数目充分的基础上，为了提高定位精度和实时性，通过两级快速优化选星策略，对卫星进行筛选，保证参与定位解算的卫星观测数据的质量，改善双模定位的星座空间分布，降低定位卫星的水平精度因子，从而实现对于开阔区域行驶车辆的高可靠、准确、实时定位。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：首先根据车载GPS和北斗双模接收机观测到的卫星信号的载波信噪比值，剔除观测信号质量较差的卫星，完成卫星的第一级筛选；采集余下卫星的伪距测量值，根据伪距测量误差模型，对伪距进行补偿校正；然后，根据GPS和北斗卫星各自的星历数据，确定卫星的位置；根据第一级选星的结果，建立GPS和北斗双模伪距定位观测方程组，进行伪距定位解算，初步获取车辆的位置；进而，利用车辆的初步定位结果，计算卫星的高度角和方位角；接着利用卫星高度角和方位角等信息，结合第二级选星算法，继续对GPS和北斗卫星进行筛选；最后根据第二级选星的结果，确定参与定位解算的卫星，再次进行双模伪距定位解算，最终获得车辆在当前时刻的精确位置。

下面结合附图，对本发明的思路作进一步的说明：

本发明的流程如图1所示。

一种基于GPS和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法，其特征在于，在高速、无遮挡工况下，采用GPS和北斗双模定位，结合两级快速优化选星算法，提高定位精度和实时性，进而实现对于开阔区域行驶车辆的高可靠、准确、实时定位，所述算法包括以下步骤：

步骤1)通过卫星信号的载波信噪比值完成所有可见观测卫星的第一级筛选；

在当前观测历元t时刻，通过车载GPS和北斗双模接收机，采集所有可见卫星信号的载波信噪比(CarriertoNoiseDensityRatio，C/N₀)值，C/N₀的单位为分贝/赫兹(dB/Hz)，当C/N₀值较小时，表明卫星的可观测性较差，卫星信号的传播可能受到多路径效应等因素的干扰，导致其观测数据质量不佳，若将此类卫星用于定位解算，势必引起较大的定位误差，因此需要剔除信号的C/N₀值小于40dB/Hz的卫星，完成第一级选星，得到m颗GPS卫星和n颗北斗卫星；

步骤2)利用误差模型校正经初步选星后余下卫星的伪距测量值；

对于初步选星后得到的m颗GPS卫星和n颗北斗卫星，采集它们在观测历元t时刻的伪距测量值ρ^M，ρ^M的单位为米，然后根据GPS和北斗的伪距测量误差模型，计算各个卫星的伪距测量值ρ^M中的卫星的星钟误差δt^S以及卫星信号的电离层传播延时误差I和对流层传播延时误差T，δt^S、I、T均为等效距离误差，单位为米，进而对伪距测量值ρ^M进行补偿校正：

ρ＝ρ^M+δt^S-T-I

步骤3)根据卫星星历数据，确定经初步选星后余下卫星的位置；

在观测历元t，对于步骤1)中得到的m颗GPS卫星和n颗北斗卫星，分别采集GPS和北斗卫星各自的星历数据并进行星历解算，计算出各个卫星的空间位置坐标，由于GPS所采用的WGS-84坐标系(WorldGeodeticSystem1984，WGS-84)与北斗系统所采用的2000中国大地坐标系(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000)不同，需要将m颗GPS卫星的坐标转换到CGCS2000坐标系下，完成GPS卫星与北斗卫星的坐标系的统一；

步骤4)根据步骤1)第一级选星后确定的卫星组合，进行GPS和北斗双模伪距定位解算，初步求解车辆的位置；

m颗GPS卫星校正后的伪距值分别为n颗北斗卫星校正后的伪距值分别为CGCS2000坐标系下的m颗GPS卫星的坐标分别为n颗北斗卫星的坐标分别为接收机与GPS时钟的钟差为δt_GPS，接收机与北斗时钟的钟差为δt_BDS，δt_GPS与δt_BDS均为钟差的等效距离误差，单位为米；

接收机在上一观测历元t-1的定位结果为(x_t-1，y_t-1，z_t-1)，接收机在观测历元t相对于上一观测历元t-1的位置变化量为(δx_t，δy_t，δz_t)，接收机在观测历元t待解算的位置为满足对m颗GPS卫星和n颗北斗卫星建立伪距观测方程组：

分别求取m颗GPS卫星和n颗北斗卫星相对于CGCS2000坐标系三坐标轴的方向余弦，m颗GPS卫星的方向余弦为：

其中，分别为接收机上一历元位置(x_t-1，y_t-1，z_t-1)到GPS卫星坐标在CGCG2000坐标系x轴、y轴、以及z轴上的方向余弦，i＝1，2，...，m；

n颗北斗卫星的方向余弦为：

其中，分别为接收机上一历元位置坐标(x_t-1，y_t-1，z_t-1)到北斗卫星坐标在CGCS2000坐标系x轴、y轴、以及z轴上的方向余弦，j＝1，2，...，n

对伪距观测方程组进行线性化，并将结果转化为矩阵形式：

其中，分别为m颗GPS卫星到接收机上一历元位置坐标(x_t-1，y_t-1，z_t-1)的距离，分别为n颗北斗卫星到接收机上一历元位置坐标(x_t-1，y_t-1，z_t-1)的距离；

令矩阵矩阵矩阵

观测系数矩阵改正量矩阵

将上述线性化后的伪距观测方程组表示为：

B＝A·ΔX

双模伪距定位观测方程组中有五个待求的未知参数，而在观测历元t，经过第一级筛选之后的可见观测卫星的总数目为(m+n)颗，对于高速、无遮挡工况，采用GPS和北斗双模定位时，可观测卫星的总数远大于5颗，由于观测方程数大于待求的未知参数的个数，因此采用最小二乘法求解线性化后的双模伪距定位观测方程组，改正量矩阵ΔX为：

ΔX＝-(A^T·A)^-1·(A^T·B)

其中，A^T表示矩阵A的转置，(A^T·A)^-1表示矩阵(A^T·A)的逆；

通过最小二乘法解算出的改正量矩阵ΔX，计算车辆在观测历元t的位置坐标：

几何精度因子(GeometricDilutionofPrecision，GDOP)值的大小决定了在解算过程中伪距测量误差被权系数矩阵放大为定位误差的程度，通过选星算法改善卫星的几何分布，能够有效的降低GDOP值，从而提高车辆定位的精度，而在车辆的导航定位中，为了简化模型，通常可采用水平精度因子(HorizontalDilutionofPrecision，HDOP)值评价定位卫星几何分布的好坏，衡量定位解算的精度。

CGCS2000坐标系下的权系数矩阵S＝(A^T·A)^-1，令站心坐标系下的权系数矩阵为通过下式计算

其中，0_3×3为3行3列0值矩阵，M为CGCS2000坐标系与站心坐标系的转换矩阵，分别为坐标转换点的纬度和经度，M^T为矩阵M的转置；

矩阵的第一、二行对角线元素分别为s₁₁和s₂₂，通过下式计算采用m颗GPS卫星和n颗北斗卫星组合定位的HDOP值：

步骤5)根据车辆的初步定位结果，计算各卫星的高度角和方位角；

根据步骤4)得到的车辆初步定位的结果计算m颗GPS卫星和n颗北斗卫星在站心坐标系中相对于车辆的高度角和方位角，高度角和方位角的单位均为度(°)，m颗GPS卫星的高度角为方位角为n颗北斗卫星的高度角为方位角为

步骤6)利用卫星的高度角和方位角信息，结合第二级选星算法，继续对GPS和北斗卫星进行筛选；

对于开阔区域行驶的车辆，采用GPS和北斗双模定位时，经过第一级选星后，仍有较多数目的可见卫星，为了剔除其中伪距测量误差较大的卫星，进一步提高定位精度，需对可见卫星进行第二级筛选；

高度角过小的可见卫星，其信号易受到干扰，伪距测量误差将显著增大，若不剔除，势必导致较大的定位误差，因此，在第二级选星过程中，应首先排除高度角过小的卫星；

图2为第二级选星算法的流程图，如图中所示：

对于m颗GPS卫星，首先剔除高度角小于10°的卫星，若余下卫星数目小于或等于四颗，则将余下的全部GPS卫星用于步骤7)中的定位解算；

若GPS卫星数目仍大于四颗，则选出四颗GPS卫星用于步骤7)中的定位解算，GPS选星具体过程如下：

1.选出高度角最大的一颗卫星，将其编号为GPS1，GPS1号卫星的高度角为

2.选出高度角最小的一颗卫星，将其编号为GPS2，GPS2号卫星的高度角为

3.选出高度角最接近于的一颗卫星，将其编号为GPS3，GPS3号卫星的高度角为方位角为

4.选出余下的卫星中与GPS3号卫星方位角相差超过90°的所有卫星，并分别计算这些卫星与前三颗已选出的卫星进行四星组合定位时的HDOP值，然后从中选出使HDOP值最小的一颗卫星，将其编号为GPS4；若没有与GPS3号卫星方位角相差超过90°的卫星，则选取与GPS3号卫星方位角相差最大的一颗卫星，将其编号为GPS4；

对于n颗北斗卫星，首先剔除高度角小于10°的卫星，若余下卫星数目小于或等于四颗，则将余下的全部北斗卫星用于步骤7)中的定位解算；

若北斗卫星数目仍大于四颗，则选出四颗北斗卫星用于步骤7)中的定位解算，北斗选星具体过程如下：

1.选出高度角最大的一颗卫星，将其编号为BDS1，BDS1号卫星的高度角为

2..选出高度角最小的一颗卫星，将其编号为BDS2，BDS2号卫星的高度角为

3.选出高度角最接近于的一颗卫星，将其编号为BDS3，BDS3号卫星的高度角为方位角为

4.选出余下的卫星中与BDS3号卫星方位角相差超过90°的所有卫星，并分别计算这些卫星与前三颗已选出的卫星进行四星组合定位时的HDOP值，然后从中选出使HDOP值最小的一颗卫星，将其编号为BDS4；若没有与BDS3号卫星方位角相差超过90°的卫星，则选取与BDS3号卫星方位角相差最大的一颗卫星，将其编号为BDS4；

步骤7)根据第二级选星的结果再次解算车辆的位置；

根据第二级选星的结果，更新参与位置解算的GPS和北斗卫星的数目及其编号；

采用GPS和北斗双模定位能够显著增加可见观测卫星的数目，在高速、无遮挡工况下，当可见观测卫星数目充足时，经第二级选星后，共有4颗编号分别为GPS1、GPS2、GPS3、GPS4的GPS卫星和4颗编号分别为BDS1、BDS2、BDS3、BDS4的北斗卫星，采用这八颗卫星的组合，再次进行步骤4)中所述的GPS和北斗双模伪距定位解算过程，最终确定车辆在当前观测历元t的位置。

在下一历元时刻，重复上述步骤1)～步骤7)的两级快速优化选星定位过程，可以获得车辆在新时刻的位置，从而实现车辆的连续定位。

有益效果

本发明的有益效果为：

1.相比于单一采用GPS或北斗定位，本发明中基于双星座的定位方法能够显著增加可见卫星的数目，在充分利用冗余的卫星观测信息的基础上，能够有效提高车辆定位系统的容错性和可靠性；

2.本发明中的选星定位方法，通过第一级选星与第二级选星相结合，能够更加有效的筛选出伪距测量误差较小的可见卫星，改善双星座的空间分布，降低定位卫星的水平精度因子，从而提高了车辆定位的精度；

3.本发明中所采用的两级优化选星策略遵循了快速选星的原则，第二级选星算法在快速选定三颗卫星后，再通过HDOP值最小的原则选取第四颗卫星，相比于传统的选星算法，大大减少了算法的计算量，从而保证了车辆定位的实时性。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是第二级选星算法的流程图。

具体实施方式

本发明采用了车载GPS和北斗双模接收机用于输出卫星定位的原始数据，然后通过上位机进行处理，结合两级选星定位算法，实时的估计出车辆的精确位置；本实施方式接收机具体采用的是车载GPS和北斗双模接收机，具体型号例如加拿大NovAtel公司最新推出的ProPak6GNSS接收机，可输出GPS和北斗的星历以及伪距测量值等原始数据；双模接收机的天线布置在车顶的正中心位置，接收机安装在车辆质心位置，与车辆纵轴同向。

下面结合附图，对本发明的思路作进一步的说明：

本算法的流程如图1所示。

ρ＝ρ^M+δt^S-T-I

具体的伪距测量误差模型及补偿方法详见以下参考文献(王慧南.GPS导航原理与应用[M].北京科学出版社，2003.106-118)、(张华海，杨志強.GPS测量原理及应用[M].武汉测绘科技大学出版社，1998.)(张洪宇.北斗卫星导航系统定位解算算法的研究[D].哈尔滨理工大学，2015.)

具体坐标系的转换过程可详见参考文献(彭小强，高井祥，王坚.WGS-84和CGCS2000坐标转换研究[J].大地测量与地球动力学，2015，35(2)：219-221.)

步骤4)根据步骤1)中确定的卫星组合，进行GPS及北斗双模伪距定位解算，求解车辆的初步位置；

n颗北斗卫星的方向余弦为：

对伪距观测方程组进行线性化，并将结果转化为矩阵形式：

令矩阵矩阵矩阵

观测系数矩阵改正量矩阵

将上述线性化后的伪距观测方程组表示为：

B＝A·ΔX

ΔX＝-(A^T·A)^-1·(A^T·B)

其中，A^T表示矩阵A的转置，(A^T·A)^-1表示矩阵(A^T·A)的逆；

步骤5)根据车辆的初步定位结果，计算卫星的高度角和方位角；

图2为第二级选星算法的流程图，如图中所示：

步骤7)根据第二级选星的结果再次解算车辆的位置；

Claims

1.一种基于GPS和北斗双星座的车辆快速优化选星定位方法，其特征在于，在高速、无遮挡工况下，采用GPS和北斗双模定位，结合两级快速优化选星算法，提高定位精度和实时性，进而实现对于开阔区域行驶车辆的高可靠、准确、实时定位，所述方法包括如下步骤：

在当前观测历元，通过车载GPS和北斗双模接收机，采集所有可见卫星信号的载波信噪比(CarriertoNoiseDensityRatio，C/N₀)值，C/N₀的单位为分贝/赫兹(dB/Hz)，剔除信号的C/N₀值小于40dB/Hz的卫星，完成第一级选星，得到m颗GPS卫星和n颗北斗卫星；

步骤2)利用误差模型校正卫星的伪距测量值；

对于第一级选星后得到的m颗GPS卫星和n颗北斗卫星，接收卫星的伪距测量值并根据伪距测量误差模型，计算各个卫星的星钟误差、信号的电离层及对流层传播误差，进而对各卫星的伪距测量值进行校正；

步骤3)接收卫星星历数据，确定卫星的位置；

对于第一级选星后得到的m颗GPS卫星和n颗北斗卫星，采集卫星星历数据并进行星历解算，计算出各个卫星的位置，然后将m颗GPS卫星的坐标转换到2000中国大地坐标系(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000)下，完成GPS卫星与北斗卫星的坐标系的统一；

步骤4)通过GPS和北斗双模伪距定位解算，初步求解车辆的位置；

根据第一级选星的结果，对m颗GPS卫星和n颗北斗卫星建立GPS和北斗双模伪距定位观测方程组：

\{\begin{matrix} ρ_{1}^{G} = \sqrt{{(x_{1}^{G} - {\tilde{x}}_{t})}^{2} + {(y_{1}^{G} - {\tilde{y}}_{t})}^{2} + {(z_{1}^{G} - {\tilde{z}}_{t})}^{2}} + {δt}_{G P S} \\ ρ_{2}^{G} = \sqrt{{(x_{2}^{G} - {\tilde{x}}_{t})}^{2} + {(y_{2}^{G} - {\tilde{y}}_{t})}^{2} + {(z_{2}^{G} - {\tilde{z}}_{t})}^{2}} + {δt}_{G P S} \\ ... \\ ρ_{m}^{G} = \sqrt{{(x_{m}^{G} - {\tilde{x}}_{t})}^{2} + {(y_{m}^{G} - {\tilde{y}}_{t})}^{2} + {(z_{m}^{G} - {\tilde{z}}_{t})}^{2}} + {δt}_{G P S} \\ ρ_{1}^{B} = \sqrt{{(x_{1}^{B} - {\tilde{x}}_{t})}^{2} + {(y_{1}^{B} - {\tilde{y}}_{t})}^{2} + {(z_{1}^{B} - {\tilde{z}}_{t})}^{2}} + {δt}_{B D S} \\ ρ_{2}^{B} = \sqrt{{(x_{2}^{B} - {\tilde{x}}_{t})}^{2} + {(y_{2}^{B} - {\tilde{y}}_{t})}^{2} + {(z_{2}^{B} - {\tilde{z}}_{t})}^{2}} + {δt}_{B D S} \\ ... \\ ρ_{n}^{B} = \sqrt{{(x_{n}^{B} - {\tilde{x}}_{t})}^{2} + {(y_{n}^{B} - {\tilde{y}}_{t})}^{2} + {(z_{n}^{B} - {\tilde{z}}_{t})}^{2}} + {δt}_{B D S} \end{matrix}

其中，分别为m颗GPS卫星和n颗北斗卫星误差校正后的伪距值，为m颗GPS卫星在CGCS2000坐标系中的坐标，为n颗北斗卫星在CGCS2000坐标系中的坐标，δt_GPS和δt_BDS分别为接收机与GPS时钟、接收机与北斗时钟的钟差，为当前观测历元t时刻车辆在CGCS2000坐标系中的待解算的位置坐标；

将双模伪距定位观测方程组线性化，然后通过最小二乘法求解出车辆在当前观测历元t的位置坐标

步骤5)根据车辆的位置，计算各卫星的高度角和方位角；

根据步骤4)得到的车辆位置，计算m颗GPS卫星和n颗北斗卫星相对于车辆的高度角和方位角，高度角和方位角的单位均为度(°)，m颗GPS卫星的高度角为方位角为n颗北斗卫星的高度角为方位角为

步骤6)利用卫星的高度角和方位角，结合第二级选星算法，继续对GPS和北斗卫星进行筛选；

若GPS卫星数目仍大于四颗，则选出四颗GPS卫星用于步骤7)中的定位解算，选星的具体过程如下：

4.选出余下的卫星中与GPS3号卫星的方位角相差超过90°的所有卫星，并分别计算这些卫星与前三颗已选出的卫星进行四星组合定位时的HDOP值，然后从中选出使HDOP值最小的一颗卫星，将其编号为GPS4；若没有与GPS3号卫星方位角相差超过90°的卫星，则选取与GPS3号卫星方位角相差最大的一颗卫星，将其编号为GPS4；

若北斗卫星数目仍大于四颗，则选出四颗北斗卫星用于步骤7)中的定位解算，选星的具体过程如下：

2.选出高度角最小的一颗卫星，将其编号为BDS2，BDS2号卫星的高度角为

步骤7)根据第二级选星的结果再次解算车辆的位置；

根据第二级选星的结果，确定用于定位解算的GPS和北斗卫星，然后再次进行步骤4)中所述的GPS和北斗双模伪距定位解算，最终确定车辆在当前观测历元的位置。