CN106842271B - 导航定位方法及装置 - Google Patents

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Abstract

导航定位方法及装置，所述方法包括：当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆的初始位置的导航定位信息；采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息；采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，其中，N为大于1小于4的整数；基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。上述的方案，可以在车辆无法接收到四颗卫星的GPS信号时对车辆进行导航定位。

Description

导航定位方法及装置
技术领域
本发明涉及导航技术领域，特别是涉及一种导航定位方法及装置。
背景技术
现如今，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)技术已经广泛应用于车辆的定位与导航。GPS定位系统可以确定地球上任一目标对象在任一时段的三维坐标、三维速度和准确时间。
其中，在车辆上安装GPS接收机，便能获知车辆的位置、运行速度和运行方向。但是，车载GPS接收机的定位精度会受到卫星信号状况和道路环境的影响，在一天内，不同时间及不同地区的所接收的卫星信号也会存在很大的差别，有时甚至不能接收到正常的GPS信号。当车辆无法接收到四颗卫星的GPS信号时，将无法实现车辆的导航定位。
发明内容
本发明实施例解决的技术问题是如何在车辆无法接收到四颗卫星的GPS信号时对车辆进行导航定位。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种导航定位方法，所述方法包括：
当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆的初始位置的导航定位信息；
采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息；
采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，其中，N为大于1小于4的整数；
基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。
可选地，所述车辆的初始位置的导航定位信息包括车辆的初始位置和初始航向角的信息，所述采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息，包括：
获取车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息；
根据车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置；
将所述车辆在第一坐标系的预测位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的预测位置，作为所述第一预测位置。
可选地，所述根据车辆的初始位置信息和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置，包括：
xn+1＝xn+ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)]
yn+1＝yn+ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)]
zn+1＝xn+ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]；
Figure BDA0000866516370000021
Figure BDA0000866516370000022
Figure BDA0000866516370000023
Figure BDA0000866516370000024
Figure BDA0000866516370000025
Figure BDA0000866516370000026
其中，xn+1、yn+1、zn+1分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标，xn、yn、zn分别表示第n时段车辆的三维位置坐标，ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)、ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)、ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标和第n时段车辆的三维位置坐标的三维位置差，Vx.n、Vy.n、Vz.n分别表示第n时段车辆的三维速度，ax，ay和az表示所述三轴加速计传感器测得的车辆在初始位置的三维加速度，αH.0、βW.0、γV.0分别表示车辆在初始位置的初始航向角，αH.n、βW.n、γV.n分别表示车辆在第n时段的三维航向角，T表示第n+1时段和第n时段之间的时间间隔、Ωx、Ωy、Ωz分别表示表示车辆在初始位置的三维角加速度。
可选地，所述第一坐标系为东北天坐标系，所述第二坐标系为大地坐标系。
可选地，所述将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息，包括：
L＝arctan(Y/X)
Figure BDA0000866516370000031
H＝Z/sinB-N(l-e2)，其中，(X，Y，Z)表示东北天坐标系中的位置坐标，(L，B，H)表示大地坐标系中的位置坐标，e表示自然常数。
可选地，所述将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息，包括：
Figure BDA0000866516370000032
其中，(XDi， YDi，ZDi)表示东北天坐标系中的位置坐标，(XGi，YGi，ZGi)表示大地坐标系中的位置坐标，(Δ X，ΔY，ΔZ)表示平移参数，εX、εY、εZ分别表示三维空间直角坐标转换的三个旋转角，k为预 设的尺度变化参数。
其中，当接收到两颗卫星的GPS信号时，所述采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，包括：
获取实时接收到的两颗卫星的GPS信号；
采用所述两颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；
采用所述两颗卫星中另一颗卫星的GPS信号，确定所述车辆所在的球面；
将所述车辆所在的球面与地球相交得到所述车辆所在的第一曲线，作为所述车辆的第二预测位置。
可选地，所述基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息，包括：
将所述第二预测位置上与所述第一预测位置之间具有最短距离的点，作为所述车辆的实时位置信息。
可选地，当接收到三颗卫星的GPS信号时，所述采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，包括：
采用所述三颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；
采用所述三颗卫星中剩余两颗卫星的GPS信号确定车辆所在的第一球面和第二球面；
将所述第一球面与所述第二球面进行相交得到第二曲线；
将所述第二曲线与地球相交得到车辆所在的两个交点的信息；
从所述两个交点中选取与车辆在初始位置的地表形态相匹配的点，作为所述车辆的第二预测位置信息。
可选地，所述基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息，包括：将所述第二预测位置作为所述车辆的实时位置信息。
可选地，所述方法还包括：将所述车辆的实时位置信息输出并显示在预设的地图上。
本发明实施例还提供了一种导航定位装置，其特征在于，包括：
获取单元，适于当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆的初始位置的导航定位信息；
第一确定单元，适于采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息；
第二确定单元，适于采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，其中，N为大于1小于4的整数；
定位单元，适于基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。
可选地，所述车辆的初始位置的导航定位信息包括车辆的初始位置和初始航向角的信息，所述第一确定单元适于获取车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息；根据车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置；将所述车辆在第一坐标系的预测位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的预测位置，作为所述第一预测位置。
可选地，所述第一确定单元适于采用如下的公式根据车辆的初始位置信息和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置：
xn+1＝xn+ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)]
yn+1＝yn+ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)]
zn+1＝xn+ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]；
Figure BDA0000866516370000051
Figure BDA0000866516370000052
Figure BDA0000866516370000053
Figure BDA0000866516370000054
Figure BDA0000866516370000055
Figure BDA0000866516370000056
其中，xn+1、yn+1、zn+1分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标，xn、yn、zn分别表示第n时段车辆的三维位置坐标，ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)、ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)、ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标和第n时段车辆的三维位置坐标的三维位置差，Vx.n、Vy.n、Vz.n分别表示第n时段车辆的三维速度，ax，ay和az表示所述三轴加速计传感器测得的车辆在初始位置的三维加速度，αH.0、βW.0、γV.0分别表示车辆在初始位置的初始航向角，αH.n、βW.n、γV.n分别表示车辆在第n时段的三维航向角，T表示第n+1时段和第n时段之间的时间间隔、Ωx、Ωy、Ωz分别表示表示车辆在初始位置的三维角加速度。
可选地，所述第一坐标系为东北天坐标系，所述第二坐标系为大地坐标系。
可选地，所述第一确定单元适于采用如下的公式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
L＝arctan(Y/X)
Figure BDA0000866516370000061
H＝Z/sinB-N(l-e2)，
其中，(X，Y，Z)表示东北天坐标系中的位置坐标，(L，B，H)表示大地坐标系中的位置坐标，e表示自然常数。
可选地，所述第一确定单元适于采用如下的公式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
Figure BDA0000866516370000062
其中，(XDi，YDi，ZDi)表示东北天坐标系中的位置坐标，(XGi，YGi，ZGi)表示大地坐标系中的位置坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)表示平移参数，εX、εY、εZ分别表示三维空间直角坐标转换的三个旋转角，k为预设的尺度变化参数。
可选地，当接收到两颗卫星的GPS信号时，所述第二确定单元适于获取实时接收到的两颗卫星的GPS信号；采用所述两颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；采用所述两颗卫星中另一颗卫星的GPS信号，确定所述车辆所在的球面；将所述车辆所在的球面与地球相交得到所述车辆所在的第一曲线，作为所述车辆的第二预测位置。
可选地，所述定位单元适于将所述第二预测位置上与所述第一预测位置之间具有最短距离的点，作为所述车辆的实时位置信息。
可选地，当接收到三颗卫星的GPS信号时，所述第二确定单元适于采用所述三颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；采用所述三颗卫星中剩余两颗卫星的GPS信号确定车辆所在的第一球面和第二球面；将所述第一球面与所述第二球面进行相交得到第二曲线；将所述第二曲线与地球相交得到车辆所在的两个交点的信息；从所述两个交点中选取与车辆在初始位置的地表形态相匹配的点，作为所述车辆的第二预测位置信息。
可选地，所述定位单元适于将所述第二预测位置作为所述车辆的实时位置信息。
可选地，所述装置还包括：输出显示单元，适于将所述车辆的实时位置信息输出并显示在预设的地图上。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：
上述的方案，通过车辆的初始位置的导航定位信息与接收到的两颗或者三颗卫星信号进行结合，得到车辆的实时位置信息，可以在车辆无法接收到四颗卫星的GPS信号实现车辆的导航，因此，可以提升用户的使用体验。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种导航定位方法的流程图；
图2是本发明实施例中的另一种导航定位方法的流程图；
图3是双斜线投影分析法中的投影角的示意图；
图4是本发明实施例中的采用两颗卫星中的一颗卫星的GPS信号确定第一曲线的示意图；
图5是本发明实施例中又一种导航定位方法的流程图；
图6是本发明实施例中的采用三颗卫星中的两颗卫星的GPS信号确定与地球进行相交得到两个交点的示意图；
图7是本发明实施例中的导航定位装置的结构示意图。
具体实施方式
现有技术中，通过车辆上安装的GPS接收机，便可以获知车辆的位置、运行速度和运行方向。但是，车载GPS接收机的定位精度会受到卫星信号状况和道路环境的影响，在一天内，不同时间及不同地区的所接收的卫星信号也会存在很大的差别，有时甚至不能接收到正常的GPS信号。当车辆无法接收到四颗卫星的GPS信号时，将无法实现车辆的导航定位。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例采用的技术方案通过车辆的初始位置的导航定位信息与接收到的两颗或者三颗卫星信号进行结合，以得到车辆的实时位置信息，可以在车辆无法接收到四颗卫星的GPS信号实现车辆的导航，以提升用户的使用体验。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1示出了本发明实施例中的一种导航定位方法的流程图。如图1所示在具体实施中，本发明实施例中的导航定位方法，可以包括如下的步骤：
步骤S101：当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆在初始位置的导航定位信息。
在具体实施中，所述车辆的初始位置为，车辆在无法接收到四颗卫星的GPS信号的前一时刻车辆所在的位置，也即在该时刻车辆可以正常接收到四颗卫星的GPS信号，而在下一时刻车辆失去四颗卫星中的一颗或者两颗卫星的GPS信号，此时，车辆将无法仅采用GPS信号进行导航定位。
在具体实施中，所述车辆在初始位置的导航定位信息可以包括车辆在初始位置的经度、纬度、高度和行驶方向的信息。
步骤S102：采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息。
在具体实施中，当无法仅仅采用接收到的GPS信号进行定位时，可以通过三轴加速度传感器实时测量得到的三轴加速度的信息，以及三轴陀螺仪实时测量得到的三轴角速度的信息，分别进行积分，以获取车辆在初始位置之后的特定时间段内的各个时刻与车辆的初始位置之间的位移和方向的变化，并进而得到各个时刻的位置和运动方向的信息，即车辆的第一预测位置的信息。
步骤S103：采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息。
在具体实施中，当车辆仅能接收到N颗卫星的GPS信号，且N为大于1小于4的整数时，即车辆仅能接收到两颗或者三颗卫星的GPS信号时，可以确定车辆在初始位置之后的在某个时刻所在的位置所属的曲线或者点，即车辆的第二预测位置的信息。
步骤S104：基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。
在具体实施中，将三轴加速度和三轴陀螺仪与车辆在初始位置的导航定位信息确定的第一预测位置，与N颗卫星的GPS信号确定的测量的第二预测位置进行结合，从而可以确定车辆在各个时刻的导航定位信息。
在具体实施中，本发明实施例中的导航定位方法还可以包括：
步骤S105：将所述车辆的实时位置信息输出并显示在预设的地图上。
在具体实施中，当确定车辆的实施位置信息时，可以将所确定的车辆的实时位置信息显示在预设的地图上，从而显示给用户。
下面将对在车载接收机仅可以接收到两颗卫星的GPS信号时如何确定车辆的实时位置的导航定位方法做进一步详细的介绍。
图2示出了本发明实施例中的另一种导航定位方法的流程图。请参见图2所示，本发明实施例中的导航定位方法可以包括如下的步骤：
步骤S201：获取车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息。
在具体实施中，所述车辆的初始位置和初始航向角的信息，均可以通过车辆在初始位置的导航定位信息中获取。三轴加速度传感器和三轴陀螺仪则对车辆的实施运动信息进行测量，从而得到车辆的实时三轴加速度和三轴角速度的信息。
步骤S202：根据车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置。
在具体实施中，可以通过双斜线投影分析的方法，利用三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置。
具体而言，请参见图3所示，对如图所示双斜线在三个投影面上的投影与投影轴之间的夹角也可反应空间直线的方向，我们把这些夹角称为投影角。其中，各投影角之间的满足如下的关系：
αH+βH＝90° (1)
αV+γV＝90° (2)
βW+γW＝90° (3)
其中，αV双斜线在V面上的投影与投影轴X之间的夹角，αH双斜线在H面上的投影与投影轴X之间的夹角，βH双斜线在H面上的投影与投影轴Y之间的夹角，βW双斜线在W面上的投影与投影轴Y之间的夹角，γW双斜线在W面上的投影与投影轴Z之间的夹角，γV双斜线在V面上的投影与投影轴Z之间的夹角。
因此，通过独立的三个投影角，可以来唯一确定空间的任一角度。
在具体实施中，可以通过对三轴加速传感器测量得到的三轴加速度数据进行双重积分的方式，得到相邻的第n+1时刻与第n时刻之间的三轴速度增量：
Figure BDA0000866516370000101
Figure BDA0000866516370000102
Figure BDA0000866516370000103
其中，ΔVx.n、ΔVy.n和ΔVz.n分别表示第n+1时刻与第n时刻在x轴上的速度增量，T表示相邻的第n+1时刻与第n时刻之间的时间间隔，ax，ay和az分别表示的由三轴加速计传感器测得的车辆在x轴、y轴和z轴方向上的加速度。
接着，分别对各个轴方向上的速度再次进行积分，便可以得到第n+1时刻相对于第n时刻的三轴位移增量：
Figure BDA0000866516370000111
Figure BDA0000866516370000112
Figure BDA0000866516370000113
其中，ΔSx.n+1、ΔSy.n+1和ΔSz.n+1分别表示第n+1时刻与第n时刻在x轴、y轴和z轴上的位移增量，Vx.n、Vy.n和Vz.n分别表示第n时刻x轴、y轴和z轴速度。
最后，在第n时刻的三维位置坐标的基础上，结合双斜线投影分析法，便可以得到第n+1时刻的三维位置坐标，即：
xn+1＝xn+ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)]
yn+1＝yn+ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)]
zn+1＝zn+ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)](6)
其中，xn+1、yn+1和zn+1分别表示第n+1时刻的三维位置坐标，xn、yn、zn分别表示第n时刻的三维位置坐标，γV.n、αH.n、βW.n分别表示第n时刻的三维航向角的信息。
其中，根据前面提及的双斜线投影分析法，可知γV.n、αH.n、βW.n满足：
Figure BDA0000866516370000114
Figure BDA0000866516370000115
Figure BDA0000866516370000116
其中，αH，βW，γV可用来表示在初始位置时汽车的行驶方向，αH.0，βW.0和γV.0分别表示车辆在初始位置的行驶方向，Ωx表示的是三轴陀螺仪测得的绕x轴旋转的角速度，Ωy表示的是三轴陀螺仪测得的绕y轴旋转的角速度，Ωz表示的是三轴陀螺仪测得的绕z轴旋转的角速度。
步骤S203：将所述车辆在第一坐标系的预测位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的预测位置，作为所述第一预测位置。
在具体实施中，通过三轴加速度传感器和三轴陀螺仪计算得到的各个时刻的位置信息，为第一坐标系的预测位置信息，即东北天(ENU)坐标系，而东北天坐标系与导航坐标系属于不同的坐标系。因此，需要将东北天坐标系内的预测位置转换为大地坐标系内的预测位置，作为车辆的第一预测位置。
在本发明一实施例中，可以采用如下的方式将所述车辆在东北天坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在大地坐标系内的实时位置信息，包括：
L＝arctan(Y/X)
Figure BDA0000866516370000121
H＝Z/sinB-N(l-e2) (8)
其中，(X，Y，Z)表示东北天坐标系中的位置坐标，(L，B，H)表示大地坐标系中的位置坐标，e表示自然常数。
在具体实施中，在进行不同空间直角坐标系统之间的坐标转换时，需要求出坐标系统之间的转换参数。其中，转换参数一般是利用重合点的坐标值通过一定的数学模型进行计算。当重合点数为三个以上时，可以采用布尔莎七参数法进行转换。
因此，在本发明另一实施例中，也可以采用如下的方式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
Figure BDA0000866516370000122
其中，(XDi，YDi，ZDi)表示东北天坐标系中的位置坐标，(XGi，YGi，ZGi)表示大地坐标系中的位置坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)表示平移参数，εX、εY、εZ分别表示三维空间直角坐标转换的三个旋转角，k为预设的尺度变化参数。
下面将结合步骤S204至步骤S207对如何采用两颗卫星确定车辆的第二预测位置进行介绍。
步骤S204：获取实时接收到的两颗卫星的GPS信号。
在具体实施中，当车辆行驶到GPS信号接收质量较差的区域时，车辆将无法完整接收到四颗卫星的GPS信号，此时，车载接收机可能仅可以接收到两颗卫星的GPS信号。
步骤S205：采用所述两颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差。
在具体实施中，在采用GPS信号计算车辆的当前位置的信息时，一共有四个未知参数(x、y、z)，以及所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差△tR，即接收机钟差，因此需要四个联立方程才能求解得到车辆的当前位置信息，即：
Figure BDA0000866516370000131
Figure BDA0000866516370000132
Figure BDA0000866516370000133
Figure BDA0000866516370000134
其中，d1、d2、d3和d4分别表示，(x1，y1，z1)表示第一颗卫星的GPS信号，(x2，y2，z2)分别表示表示第二颗卫星的GPS信号，(x3，y3，z3)分别表示表示第三颗卫星的GPS信号，(x3，y3，z3)表示第四颗卫星的GPS信号，(x，y，z)为车辆在当前时刻的三维位置坐标。
因此，为了消除GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差这个未知参数，可以将一颗卫星的GPS信号代入相应的公式，并可以计算得出GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差△tR。
步骤S206：采用所述两颗卫星中另一颗卫星的GPS信号，确定所述车辆所在的球面。
在具体实施中，对于上述的公式(10)可以通过消除未知数ΔtR可得到下列三元方程组：
Figure BDA0000866516370000135
Figure BDA0000866516370000136
Figure BDA0000866516370000137
对于如下方程组，应用点位测定原理可以得到：
Figure BDA0000866516370000141
Figure BDA0000866516370000142
Figure BDA0000866516370000143
Figure BDA0000866516370000144
请参见图4所示，当仅能接收到两颗卫星的GPS信号时，剩余的一颗卫星S0的GPS信号可以用于确定接收点，即车辆的位置(三维坐标)满足上述公式(12)其中之一，即可以确定一颗以该卫星为球心的球体，车辆的位置理论上应该为在所确定球体的球面B上的一点。
步骤S207：将所述车辆所在的球面与地球相交得到所述车辆所在的第一曲线，作为所述车辆的第二预测位置。
在具体实施中，因车辆位于地球E上，因此，在确定车辆所在的球面B之后，再将所述球面B与地球E进行相交得到的曲线作为车辆所在的第一曲线Q1。
步骤S208：将所述第二预测位置上与所述第一预测位置之间具有最短距离的点，作为所述车辆的实时位置信息。
在本发明一实施例中，当得到第一曲线Q1之后，可以求得第一曲线Q1上距离第一预测位置最近的点，并将所求得的点作为车辆在当前时刻的位置信息。
下面将对在车载接收机仅可以接收到三颗卫星的GPS信号时如何确定车辆的实时位置的导航定位方法做进一步详细的介绍。
图5示出了本发明实施例中的另一种导航定位方法的流程图。请参见图5所示，本发明实施例中的导航定位方法可以包括如下的步骤：
步骤S501：采用所述三颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；
步骤S502：采用所述三颗卫星中剩余两颗卫星的GPS信号确定车辆所在的第一球面和第二球面。
请参见图6所示，在具体实施中，可以采用三颗卫星中剩下两颗卫星的GPS信号分别确定两个球体S1和S2(以卫星与车辆之间的距离为半径的两个球体)，将两个球体S1和S2的球面分别作为第一球面B1和第二球面B2。
步骤S503：将所述第一球面与所述第二球面进行相交得到第二曲线。
在具体实施中，在确定了第一球面B1和第二球面B2之后，可以将第一球面B1与第二球面B2相交得到的曲线作为第二曲线Q2，车辆在当前时刻的位置为第二曲线Q2上的某一点。
步骤S504：将所述第二曲线与地球相交得到车辆所在的两个交点的信息。
在具体实施中，因车辆位于地球E上，因此，将第二曲线Q2与地球E进行相交得到的两个交点D1和D2，作为车辆在当前时刻可能所处的位置，以进一步缩小车辆的位置的搜索范围。
步骤S505：从所述两个交点中选取与车辆在初始位置的地表形态相匹配的点，作为所述车辆的第二预测位置信息。
在具体实施中，由于车辆在行驶过程中，车辆可能仅在很短的时间内无法接收到四颗卫星的GPS信号，该时间段之后，车辆将重新接收到信号质量良好的四颗卫星的GPS信号。
因此，车辆在该很短的时间内所达到的位置，与车辆的初始位置之间的距离不会太远。那么，车辆在该时间段内的各个时刻的位置的地表形态与车辆的初始位置的地表形态之间也不会有较大的变化。但是，通过将第二曲线Q2与地球E进行相交得到的两个交点D1和D2之间的距离相对较远，因此，二者之间的地表形态之间会有较大的差异。
因此，当确定两个交点D1和D2之后，可以通过将所确定的两个交点D1和D2的地表形态分别与车辆在初始位置的地表形态进行匹配，并找出与车辆的初始位置的地表形态相匹配的点D1或者D2，作为所述车辆的第二预测位置。
步骤S506：将所述第二预测位置作为所述车辆的实时位置信息。
在具体实施中，当从两个交点D1和D2中确定车辆的第二预测位置之后，便可以将所确定的点作为车辆的第二预测位置，即车辆在当前时刻的位置。
图7示出了本发明实施例中的一种导航定位装置的结构示意图。如图7所示的导航定位装置700，可以包括获取单元701、第一确定单元702、第二确定单元703和定位单元704，其中：
所述获取单元701，适于当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆的初始位置的导航定位信息。
所述第一确定单元702，适于采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息。
在具体实施中，所述第一确定单元702适于获取车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息；根据车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置；将所述车辆在第一坐标系的预测位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的预测位置，作为所述第一预测位置。
在具体实施中，所述第一确定单元702适于采用如下的公式根据车辆的初始位置信息和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置：
xn+1＝xn+ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)]
yn+1＝yn+ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)]
zn+1＝xn+ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]；
Figure BDA0000866516370000161
Figure BDA0000866516370000162
Figure BDA0000866516370000163
Figure BDA0000866516370000164
Figure BDA0000866516370000165
Figure BDA0000866516370000166
其中，xn+1、yn+1、zn+1分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标，xn、yn、zn分别表示第n时段车辆的三维位置坐标，ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)、ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)、ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标和第n时段车辆的三维位置坐标的三维位置差，Vx.n、Vy.n、Vz.n分别表示第n时段车辆的三维速度，ax，ay和az表示所述三轴加速计传感器测得的车辆在初始位置的三维加速度，αH.0、βW.0、γV.0分别表示车辆在初始位置的初始航向角，αH.n、βW.n、γV.n分别表示车辆在第n时段的三维航向角，T表示第n+1时段和第n时段之间的时间间隔、Ωx、Ωy、Ωz分别表示表示车辆在初始位置的三维角加速度。
在具体实施中，所述第一坐标系为东北天坐标系，所述第二坐标系为大地坐标系。
在具体实施中，所述第一确定单元702适于采用如下的公式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
L＝arctan(Y/X)
Figure BDA0000866516370000171
H＝Z/sinB-N(l-e2)，
其中，(X，Y，Z)表示东北天坐标系中的位置坐标，(L，B，H)表示大地坐标系中的位置坐标，e表示自然常数。
在具体实施中，所述第一确定单元702适于采用如下的公式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
Figure BDA0000866516370000172
其中，(XDi，YDi，ZDi)表示东北天坐标系中的位置坐标，(XGi，YGi，ZGi)表示大地坐标系中的位置坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)表示平移参数，εX、εY、εZ分别表示三维空间直角坐标转换的三个旋转角，k为预设的尺度变化参数。
所述第二确定单元703，适于采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，其中，N为大于1小于4的整数；
在具体实施中，当接收到两颗卫星的GPS信号时，所述第二确定单元503适于获取实时接收到的两颗卫星的GPS信号；采用所述两颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；采用所述两颗卫星中另一颗卫星的GPS信号，确定所述车辆所在的球面；将所述车辆所在的球面与地球相交得到所述车辆所在的第一曲线，作为所述车辆的第二预测位置。
所述定位单元704，适于基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。
在具体实施中，所述定位单元704适于将所述第二预测位置上与所述第一预测位置之间具有最短距离的点，作为所述车辆的实时位置信息。
在具体实施中，当接收到三颗卫星的GPS信号时，所述第二确定单元403适于采用所述三颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；采用所述三颗卫星中剩余两颗卫星的GPS信号确定车辆所在的第一球面和第二球面；将所述第一球面与所述第二球面进行相交得到第二曲线；将所述第二曲线与地球相交得到车辆所在的两个交点的信息；从所述两个交点中选取与车辆在初始位置的地表形态相匹配的点，作为所述车辆的第二预测位置信息。
在具体实施中，所述定位单元704适于将所述第二预测位置作为所述车辆的实时位置信息。
在具体实施中，如图7所示的导航定位装置700，还可以包括：
输出显示单元705，适于将所述车辆的实时位置信息输出并显示在预设的地图上。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例的方法及系统做了详细的介绍，本发明并不限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (22)

1.一种导航定位方法，其特征在于，包括：
当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆的初始位置的导航定位信息；其中，所述车辆的初始位置为：所述车辆在无法接收到四颗卫星的GPS信号的前一时刻车辆所在的位置；
采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息；
采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，其中，N为大于1小于4的整数；
基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。
2.根据权利要求1所述的导航定位方法，其特征在于，所述车辆的初始位置的导航定位信息包括车辆的初始位置和初始航向角的信息，所述采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息，包括：
获取车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息；
根据车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置；
将所述车辆在第一坐标系的预测位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的预测位置，作为所述第一预测位置。
3.根据权利要求2所述的导航定位方法，其特征在于，所述根据车辆的初始位置信息和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置，包括：
xn+1＝xn+ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)]
yn+1＝yn+ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)]
zn+1＝xn+ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]；
Figure FDA0002424851200000021
Figure FDA0002424851200000022
Figure FDA0002424851200000023
Figure FDA0002424851200000024
Figure FDA0002424851200000025
Figure FDA0002424851200000026
其中，xn+1、yn+1、zn+1分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标，xn、yn、zn分别表示第n时段车辆的三维位置坐标，ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)、ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)、ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标和第n时段车辆的三维位置坐标的三维位置差，Vx.n、Vy.n、Vz.n分别表示第n时段车辆的三维速度，ax，ay和az表示所述三轴加速计传感器测得的车辆在初始位置的三维加速度，αH.0、βW.0、γV.0分别表示车辆在初始位置的初始航向角，αH.n、βW.n、γV.n分别表示车辆在第n时段的三维航向角，T表示第n+1时段和第n时段之间的时间间隔、Ωx、Ωy、Ωz分别表示表示车辆在初始位置的三维角加速度。
4.根据权利要求2所述的导航定位方法，其特征在于，所述第一坐标系为东北天坐标系，所述第二坐标系为大地坐标系。
5.根据权利要求4所述的导航定位方法，其特征在于，所述将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息，包括：
L＝arctan(Y/X)
Figure FDA0002424851200000027
H＝Z/sinB-N(l-e2)，其中，(X，Y，Z)表示东北天坐标系中的位置坐标，(L，B，H)表示大地坐标系中的位置坐标，e表示自然常数，N为东西圆曲率半径。
6.根据权利要求4所述的导航定位方法，其特征在于，所述将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息，包括：
Figure FDA0002424851200000031
其中，(XDi，YDi，ZDi)表示东北天坐标系中的位置坐标，(XGi，YGi，ZGi)表示大地坐标系中的位置坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)表示平移参数，εX、εY、εZ分别表示三维空间直角坐标转换的三个旋转角，k为预设的尺度变化参数。
7.根据权利要求1-6任一项所述的导航定位方法，其特征在于，当接收到两颗卫星的GPS信号时，所述采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，包括：
获取实时接收到的两颗卫星的GPS信号；
采用所述两颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；
采用所述两颗卫星中另一颗卫星的GPS信号，确定所述车辆所在的球面；
将所述车辆所在的球面与地球相交得到所述车辆所在的第一曲线，作为所述车辆的第二预测位置。
8.根据权利要求7所述的导航定位方法，其特征在于，所述基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息，包括：
将所述第二预测位置上与所述第一预测位置之间具有最短距离的点，作为所述车辆的实时位置信息。
9.根据权利要求7所述的导航定位方法，其特征在于，当接收到三颗卫星的GPS信号时，所述采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，包括：
采用所述三颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；
采用所述三颗卫星中剩余两颗卫星的GPS信号确定车辆所在的第一球面和第二球面；
将所述第一球面与所述第二球面进行相交得到第二曲线；
将所述第二曲线与地球相交得到车辆所在的两个交点的信息；
从所述两个交点中选取与车辆在初始位置的地表形态相匹配的点，作为所述车辆的第二预测位置信息。
10.根据权利要求9所述的导航定位方法，其特征在于，所述基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息，包括：将所述第二预测位置作为所述车辆的实时位置信息。
11.根据权利要求1所述的导航定位方法，其特征在于，还包括：将所述车辆的实时位置信息输出并显示在预设的地图上。
12.一种导航定位装置，其特征在于，包括：
获取单元，适于当无法接收到四颗卫星的GPS信号时，获取车辆的初始位置的导航定位信息；其中，所述车辆的初始位置为：所述车辆在无法接收到四颗卫星的GPS信号的前一时刻车辆所在的位置；
第一确定单元，适于采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪测量得到的测量数据，以及所述初始位置的导航定位信息，确定车辆的第一预测位置信息；
第二确定单元，适于采用接收到的N颗卫星的GPS信号和所述车辆的初始位置的导航定位信息，确定车辆的第二预测位置信息，其中，N为大于1小于4的整数；
定位单元，适于基于车辆的第一预测位置和第二预测位置，确定车辆的实时位置信息。
13.根据权利要求12所述的导航定位装置，其特征在于，所述第一确定单元适于获取车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息；根据车辆的初始位置和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置；将所述车辆在第一坐标系的预测位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的预测位置，作为所述第一预测位置。
14.根据权利要求13所述的导航定位装置，其特征在于，所述第一确定单元适于采用如下的公式根据车辆的初始位置信息和初始航向角的信息，以及三轴加速度传感器测量得到的三轴角速度信息和三轴陀螺仪测量得到的三轴加速度信息，计算得到所述车辆在第一坐标系的预测位置：
xn+1＝xn+ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)]
yn+1＝yn+ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)]
zn+1＝xn+ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]；
Figure FDA0002424851200000051
Figure FDA0002424851200000052
Figure FDA0002424851200000053
Figure FDA0002424851200000054
Figure FDA0002424851200000055
Figure FDA0002424851200000056
其中，xn+1、yn+1、zn+1分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标，xn、yn、zn分别表示第n时段车辆的三维位置坐标，ΔSx.n+1[sin(γV.n)+cos(αH.n)、ΔSy.n+1[sin(αH.n)+cos(βW.n)、ΔSz.n+1[sin(βW.n)+cos(γV.n)]分别表示第n+1时段车辆的三维位置坐标和第n时段车辆的三维位置坐标的三维位置差，Vx.n、Vy.n、Vz.n分别表示第n时段车辆的三维速度，ax，ay和az表示所述三轴加速计传感器测得的车辆在初始位置的三维加速度，αH.0、βW.0、γV.0分别表示车辆在初始位置的初始航向角，αH.n、βW.n、γV.n分别表示车辆在第n时段的三维航向角，T表示第n+1时段和第n时段之间的时间间隔、Ωx、Ωy、Ωz分别表示表示车辆在初始位置的三维角加速度。
15.根据权利要求13所述的导航定位装置，其特征在于，所述第一坐标系为东北天坐标系，所述第二坐标系为大地坐标系。
16.根据权利要求15所述的导航定位装置，其特征在于，所述第一确定单元适于采用如下的公式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
L＝arctan(Y/X)
Figure FDA0002424851200000061
H＝Z/sinB-N(l-e2)，其中，(X，Y，Z)表示东北天坐标系中的位置坐标，(L，B，H)表示大地坐标系中的位置坐标，e表示自然常数，N为东西圆曲率半径。
17.根据权利要求15所述的导航定位装置，其特征在于，所述第一确定单元适于采用如下的公式将所述车辆在第一坐标系的实时位置信息进行坐标转换得到所述车辆在第二坐标系的实时位置信息：
Figure FDA0002424851200000062
其中，(XDi，YDi，ZDi)表示东北天坐标系中的位置坐标，(XGi，YGi，ZGi)表示大地坐标系中的位置坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)表示平移参数，εX、εY、εZ分别表示三维空间直角坐标转换的三个旋转角，k为预设的尺度变化参数。
18.根据权利要求12-17任一项所述的导航定位装置，其特征在于，当接收到两颗卫星的GPS信号时，所述第二确定单元适于获取实时接收到的两颗卫星的GPS信号；采用所述两颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；采用所述两颗卫星中另一颗卫星的GPS信号，确定所述车辆所在的球面；将所述车辆所在的球面与地球相交得到所述车辆所在的第一曲线，作为所述车辆的第二预测位置。
19.根据权利要求18所述的导航定位装置，其特征在于，所述定位单元适于将所述第二预测位置上与所述第一预测位置之间具有最短距离的点，作为所述车辆的实时位置信息。
20.根据权利要求18所述的导航定位装置，其特征在于，当接收到三颗卫星的GPS信号时，所述第二确定单元适于采用所述三颗卫星中一颗卫星的GPS信号计算得到所述GPS信号的接收时刻与发射时刻之间的时间差；采用所述三颗卫星中剩余两颗卫星的GPS信号确定车辆所在的第一球面和第二球面；将所述第一球面与所述第二球面进行相交得到第二曲线；将所述第二曲线与地球相交得到车辆所在的两个交点的信息；从所述两个交点中选取与车辆在初始位置的地表形态相匹配的点，作为所述车辆的第二预测位置信息。
21.根据权利要求20所述的导航定位装置，其特征在于，所述定位单元适于将所述第二预测位置作为所述车辆的实时位置信息。
22.根据权利要求12所述的导航定位装置，其特征在于，还包括：输出显示单元，适于将所述车辆的实时位置信息输出并显示在预设的地图上。
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