CN107300710A - 一种实现定位的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种实现定位的方法及装置,包括:对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;定位信息包括:用户位置和用户速度。本发明实施例技术方案中,通过拟合获得定位函数信息确定用户位置变化信息,减少了定位信息的计算量,降低了计算定位信息的功耗,确定用户位置变化信息更为平滑,与用户运动轨迹的更为相符,提升了定位效果。
Description
技术领域
本发明涉及但不限于定位技术,尤指一种实现定位的方法及装置。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)在人们的日常生活中发挥着越来越不可替代的重要作用,尤其在导航、定时、测绘等领域得到越来越多的应用,如、车载导航可以规划出行路线,桥梁建设可以利用GNSS来实现高精度测绘等等。目前,全球卫星导航系统主要包括美国的全球定位系统(GPS)、中国的北斗系统(BDS,BeiDou Navigation Satellite System)、俄罗斯的全球导航卫星定位系统(GLONASS),以及欧洲的伽利略(GALILEO,Galileo SatelliteNavigation System)系统。在中国和亚太地区,GPS和北斗系统应用较为广泛;北斗系统近年来多次发射卫星,已在亚洲板块投入使用。
GPS导航系统主要包括:捕获、跟踪、同步和定位解算等几部分构成。定位解算作为定位过程的最后一个环节,直接输出用户的坐标,其性能的好坏会影响定位结果的准确性。定位解算可以细分为:卫星坐标计算、卫星速度的计算、伪距的计算以及最终的伪距定位、定速、定时等。
在相关技术中,GPS导航系统中接收机的定位是通过三角学原理来实现的;卫星n(n代表第n颗可见卫星)到接收机的实际距离可以通过式(1)计算获得:
式(1)中,x=[x,y,z]T是接收机位置坐标向量,x(n)=[x(n),y(n),z(n)]T是通过导航信息计算得到的卫星n的位置坐标向量。在实际的定位过程中,接收机测量得到误差校正后的伪距测量值
式(2)中,δtu是接收机与卫星之间的钟差,δt(n)、I(n)、T(n)分别是卫星的钟差、电离层延时和对流层延时,作为伪距ρ(n)的误差校正量;基于式(1)和式(2)可以获得定位方程式式(3):
式(3)的方程组中,每个定位方程分别对应不同的可见卫星,方程中包含(x,y,z)和δtu4个未知量;如果接收机有4颗可见卫星以及对应的测量获得的误差校正后的伪距测量值则式(3)至少由4个方程组成,接收机可以求解出式(3)中的未知量,从而实现GPS定位、定时。如果接收机有大于4颗可见卫星时,式(3)中的方程个数大于未知数的个数,式(3)为无解的超定方程组。相关技术中,借助最小二乘法来求解超定方程组,图1为相关技术中最小二乘法的方法流程图,如图1所示,
步骤100、获得卫星坐标、误差校正后的伪距测量值;卫星坐标为根据导航电文计算得到的卫星坐标。
步骤101、接收机设置初始位置坐标;本步骤中,首次定位需要设置接收机初始位置坐标,作为最小二乘法的初始解,一般情况下我们将接收机初始坐标设置为0即可。每次定位的初值可以采用上次的定位结果。
步骤102、通过设置的初始位置坐标、卫星坐标、误差校正后的伪距测量值构建定位方程式;处理过程中将定位方程式转换为矩阵形式;
步骤103、利用最小二乘法公式求解定位方程式;
步骤104、更新定位方程式的根;
步骤105、判定定位方程式的根是否收敛;如果定位方程式的根收敛,执行步骤106;如果定位线性方程式的根不收敛,返回步骤102;
步骤106、输出用户位置的位置坐标。
式(3)线性化后可以写成矩阵相乘的式(4):
G[Δx Δy Δz Δδtu]T=b 式(4)
式(4)中,矩阵G可以写成式(5):
矩阵G中,通过式(6)表示,
式(7)的矩阵b是校正误差后伪距测量值减去第(k-1)次计算得到的实际距离r(n)(xk-1)和卫星与接收机钟差δtu,k-1得到的:
式(4)利用最小二乘法可以求出解为:
[Δx Δy Δz Δδtu]T=(GTG)-1GTb 式(8)
将上述解Δx叠加到第(k-1)次迭代结果上,即可得到第k次迭代的结果。此时再计算||Δx||,若小于之前设置的门限值,那么可以判定牛顿迭代算法已经收敛到了所需精度,第k次迭代的结果可以作为用户位置的位置坐标输出。用户的运动速度同样可以利用最小二乘法求解,将卫星坐标替代为卫星速度,伪距测量值替代为伪距变化率测量值即可,在此不作赘述。定速方程式中的矩阵G与定位方程中的矩阵G一致,所以一般选择先定位后定速。
上述相关技术中,一般要求接收机每隔预设周期完成一次定位解算过程,一般的,预设时长为1秒;解算过程包括卫星位置的计算、校正误差后伪距测量值的计算和利用最小二乘法进行定位解算。在可见卫星数量较多时(N≥10),矩阵G以及G-1求解过程计算量很大(10阶以上矩阵求逆)。复杂的计算过程造成接收机功耗过大、计算时间超过1秒等问题,无法满足定位过程中对功耗、时间的要求。另外,即使仅考虑高斯白噪声的影响,采用上述方法获得的定位结果也十分粗糙,坐标误差在零值附近上下跳跃,与用户运动轨迹不符,影响定位效果。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种实现定位的方法及装置,能够降低定位过程中的功耗,满足定位的时间要求。
为了达到本发明目的,本发明提供了一种实现定位的方法,包括:
对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;
根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;
所述定位信息包括:用户位置和用户速度。
可选的,时间间隔为:
时长相等的间隔、或时长不等的间隔。
可选的,以时间间隔内的两个时刻的定位信息拟合定位函数信息包括:
对预设的每一时间间隔,以每一时间间隔的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息通过采用插值法拟合获得该时间间隔对应的所述定位函数信息。
可选的,插值法包括:拉格朗日差值法、埃尔米特Hermite插值法。
可选的,确定用户位置变化信息包括:
对预设的每一时间间隔,
在拟合的所述定位函数信息中,通过计算该时间间隔内的一个或一个以上定位时刻的用户位置信息确定时间间隔内的所述用户位置变化信息。
可选的,该方法之前还包括:
采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的时间间隔内的两个或两个以上时刻的所述定位信息。
另一方面,本发明实施例方法还提供一种实现定位的装置,包括:拟合单元和确定单元;其中,
拟合单元用于,对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;
确定单元用于,根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;
所述定位信息包括:用户位置和用户速度。
可选的,拟合单元具体用于:
对预设的每一时间间隔,以每一时间间隔的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息通过采用插值法拟合获得该时间间隔对应的所述定位函数信息;或,
对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个以上时刻的定位信息拟合该时间间隔对应的所述定位函数信息。
可选的,确定单元具体用于,
对预设的每一时间间隔,
在拟合的定位函数信息中,通过计算该时间间隔内的一个或一个以上定位时刻的用户位置信息,确定时间间隔内的所述用户位置变化信息。
可选的,该装置还包括计算单元,用于采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的两个或两个以上时刻的所述定位信息。
与相关技术相比,本申请技术方案包括:对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;定位信息包括:用户位置和用户速度。本发明实施例技术方案中,通过拟合获得定位函数信息确定用户位置变化信息,减少了定位信息的计算量,降低了计算定位信息的功耗,确定用户位置变化信息更为平滑,与用户运动轨迹的更为相符,提升了定位效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为相关技术中最小二乘法的方法流程图;
图2为本发明实施例实现定位的方法的流程图;
图3为本发明实施例实现定位的装置的结构框图;
图4为本发明应用示例的方法流程图;
图5为本发明应用示例与相关技术获得的用户位置变化信息的效果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
发明人分析发现:虽然接收机在每个时刻的位置坐标都需要计算,但是相关技术中复杂的计算过程是有可能避免的:在用户运动过程中,由于惯性定律的存在,接收机的位置在WGS-84(World Geodetic System 1984)坐标系中各个方向上随时间的变化应该是平滑的曲线,即在一段时间内用户运动呈线性变化;本发明实施例,用户运动是平缓的运动,平缓运动是指加速度0.1g以内的运动。
图2为本发明实施例实现定位的方法的流程图,如图2所示,包括:
步骤200、对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;这里,定位信息包括:用户位置和用户速度。
可选的,本发明实施例方法中,时间间隔可以是时长相等的间隔,也可以是时长不等的间隔。
需要说明的是,在平缓运动的定位过程中,时间间隔一般为相关技术中,完成一次定位解算的预设周期的2~10倍,加速度越大,时间间隔取值越小。
可选的,以时间间隔内的两个时刻的定位信息拟合定位函数信息包括:
对预设的每一时间间隔,以每一时间间隔的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息通过采用插值法拟合获得该时间间隔对应的定位函数信息。
可选的,插值法可以包括:拉格朗日差值法、埃尔米特(Hermite)插值法。
需要说明的是,如果每一个时间间隔在时间上是连续的,则每一时间间隔的定位函数信息可以构成用户运动的分段函数。
步骤201、根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;
可选的,确定用户位置变化信息包括:
对预设的每一时间间隔,
在拟合的定位函数信息中,通过计算该时间间隔内的一个或一个以上定位时刻的用户位置信息确定时间间隔内的所述用户位置变化信息。
需要说明的是,这里,定位时刻可以是以预设周期为间隔确定的时刻,如果时间间隔为5秒(S),预设周期为1S,则定位时刻除了起始时刻和终止时刻还包括:2S、3S和4S三个时刻。
本发明实施例,步骤200方法之前还包括:
采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息。
需要说明的是,定位方程式和定速方程式为相关技术中使用的方程式,为本领域技术人员的公知常识,在此不再赘述。
本发明实施例技术方案中,通过拟合获得定位函数信息确定用户位置变化信息,减少了定位信息的计算量,降低了计算定位信息的功耗,确定用户位置变化信息更为平滑,与用户运动轨迹的更为相符,提升了定位效果。
图3为本发明实施例实现定位的装置的结构框图,如图3所示,包括:拟合单元和确定单元;其中,
拟合单元用于,对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;
确定单元用于,根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;
定位信息包括:用户位置和用户速度。
可选的,拟合单元具体用于:
对预设的每一时间间隔,以每一时间间隔的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息通过采用插值法拟合获得该时间间隔对应的定位函数信息;或,
对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个以上时刻的定位信息拟合该时间间隔对应的定位函数信息。
可选的,确定单元具体用于,
对预设的每一时间间隔,
在拟合的定位函数信息中,通过计算该时间间隔内的一个或一个以上定位时刻的用户位置信息,确定时间间隔内的用户位置变化信息。
本发明实施例装置还包括计算单元,用于采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的两个或两个以上时刻的定位信息。
以下通过应用示例对本发明方法进行清楚详细的说明,应用示例仅用于陈述本发明,并不用于限定本发明方法的保护范围。
应用示例
本应用示例以等长的间隔作为时间间隔、以初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息作为拟合定位函数信息的两个定位信息;以Hermite插值法中的两点三次Hermite插值法进行定位函数信息的拟合,图4为本发明应用示例的方法流程图,如图4所示,包括:
步骤400、将导航过程根据时间间隔进行划分;
步骤401、采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息;
步骤402、对预设的每一时间间隔,以计算获得的时间间隔内的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息采用两点三次Hermite插值法拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;
步骤403、根据拟合的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息。
本应用示例中,用户做平缓运动,假设时间间隔的初始时刻和终止时刻分别为tk-1和tk;在tk-1和tk时刻,通过定位方程式和定速方程式可求得用户位置的坐标向量分别为xk-1=(xk-1,yk-1,zk-1)、xk=(xk,yk,zk):用户速度分别为vk-1=(vx,k-1,vy,k-1,vz,k-1)和vk=(vx,k,vy,k,vz,k)。采用两点三次Hermite插值法可以拟合获得定位函数信息为式(9),通过带入定位时刻的数值可以获得[tk-1,tk]的每一个时刻的用户位置变化信息;
本应用示例,每一时间间隔内只需要采用定位方程式和定速方程式进行初始时刻和终止时刻的定位信息的计算;对于其他定位时刻可以采用拟合的定位函数信息获得用户位置变化信息,减少了定位信息的计算次数,采用定位函数信息获得用户位置变换信息,曲线更为平滑,符合平缓运动的变化。另外,每一时间间隔之间如果连续,导航过程中用户位置变化信息可以整合为一个由多个时间间隔的定位函数信息构成的分段函数。
通过公式(9)完成插值后,Hermite插值的余项可以通过式(10)表示:
需要说明的是,式(10)存在的条件是:在运动方向上,用户轨迹的4阶导数存在;其中ξ∈[tk-1,tk]。平缓运动的用户运动模型中,用户运动轨迹的4阶导数应该很小趋近于0,这个特性可以使得余项的数值也很小;采用等间隔的两点三次Hermite插值法对运动轨迹进行估计,若不考虑插值公式引入的计算量,那么用户定位解算过程中,每一时间间隔(时间间隔包含T个时刻)的计算量将减少为2/T,如果导航过程中每一时间间隔相连续,则计算量将进一步减少至1/T,定位解算时间缩短,用户位置变化信息也更加平滑。图5为本发明应用示例与相关技术获得的用户位置变化信息的效果对比图,如图5所示,在仅考虑高斯白噪声的条件下,采用采用定位方程式和定速方程式计算获得的用户位置变化信息和采用两点三次Hermite插值法处理后获得的用户位置变化信息的对比;该图以WGS-84坐标系中X轴方向上的定位偏移为例进行说明,由于Y轴和Z轴结果类似,在此不做赘述;用户进行平缓运动,可见卫星数量为10颗,横坐标描述的是时间(单位:秒),纵坐标描述的是定位偏移量(单位:米)。实线描述的是采用定位方程式和定速方程式计算的用户位置变化信息与用户实际坐标的偏差值;可以看出,该方法在WGS-84坐标系的X轴方向上定位误差在1m以内,但误差在零值上下跳跃,曲线呈现出突兀的峰值;虚线是采用两点三次Hermite插值法获得的用户位置变化信息与用户实际坐标的偏移量,该曲线峰值也在1m以内,但是明显更加光滑,峰值点更少。不难看出,相比采用采用定位方程式和定速方程式计算的用户位置变化信息,Hermite插值对用户位置估计的偏差更小,偏差的曲线更平滑。
虽然本发明所揭露的实施方式如上,但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下,可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种实现定位的方法,其特征在于,包括:
对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;
根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;
所述定位信息包括:用户位置和用户速度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述时间间隔为:
时长相等的间隔、或时长不等的间隔。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述以时间间隔内的两个时刻的定位信息拟合定位函数信息包括:
对预设的每一时间间隔,以每一时间间隔的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息通过采用插值法拟合获得该时间间隔对应的所述定位函数信息。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述插值法包括:拉格朗日差值法、埃尔米特Hermite插值法。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定用户位置变化信息包括:
对预设的每一时间间隔,
在拟合的所述定位函数信息中,通过计算该时间间隔内的一个或一个以上定位时刻的用户位置信息确定时间间隔内的所述用户位置变化信息。
6.根据权利要求1~5任一项所述的方法,其特征在于,该方法之前还包括:
采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的时间间隔内的两个或两个以上时刻的所述定位信息。
7.一种实现定位的装置,其特征在于,包括:拟合单元和确定单元;其中,
拟合单元用于,对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个或两个以上时刻的定位信息拟合每一时间间隔相应的定位函数信息;
确定单元用于,根据拟合的每一时间间隔的定位函数信息确定对应的每一时间间隔内用户位置变化信息;
所述定位信息包括:用户位置和用户速度。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述拟合单元具体用于:
对预设的每一时间间隔,以每一时间间隔的初始时刻的定位信息和终止时刻的定位信息通过采用插值法拟合获得该时间间隔对应的所述定位函数信息;或,
对预设的每一时间间隔,以时间间隔内的两个以上时刻的定位信息拟合该时间间隔对应的所述定位函数信息。
9.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述确定单元具体用于,
对预设的每一时间间隔,
在拟合的定位函数信息中,通过计算该时间间隔内的一个或一个以上定位时刻的用户位置信息,确定时间间隔内的所述用户位置变化信息。
10.根据权利要求7~9任一项所述的装置,其特征在于,该装置还包括计算单元,用于采用定位方程式和定速方程式分别计算每一时间间隔对应的两个或两个以上时刻的所述定位信息。
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