CN107942350A - 增强城市环境中gnss终端定位效果的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，将GNSS终端接收到的卫星星空图等分为2n个象限(如4、8、16、32等，可根据不同的处理策略和应用场景选取不同的划分策略)，并根据卫星的方位角，统计每个象限中的卫星数，进行场景识别与处理。本发明立足于增强城市环境中GNSS终端定位效果，对一些特殊场景进行特征提取，如开阔场景、单边遮挡场景；并对这些特征通过各个指标进行量化，在识别这些场景的基础上针对性地提出相应的处理策略，改善城市复杂环境中GNSS终端定位精度。

Description

增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法。
背景技术
全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellie System)，包括中国北斗、美国GPS、俄罗斯的GLOANASS和欧洲的GALILEO可为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息。终端通过解析由卫星端发射的电磁波信号，可得到卫星位置、终端与卫星的距离等信息，当同时观测到4颗及以上的卫星时，即可通过简单的几何关系，实现单点定位。
GNSS终端解译出的观测值会受到各种误差源的影响，主要包括：卫星钟差、卫星轨道误差、电离层误差、对流层误差、接收机钟差、多路径效应等。
两个距离较近的终端同时收到的观测值受到的大气延迟以及卫星钟差、轨道误差等具有时空相关性，可通过两者相减，来削弱甚至消除上述部分误差，从而提高终端定位精度。网络RTK/RTD就是基于上述原理发展而来的技术。通过向终端播发已知精密位置的差分数据，辅助终端提升定位精度。
城市环境复杂多样，对于GNSS终端定位来讲，既有较为开阔的场景，更多的是建筑物、树木等的遮挡场景。特别地，由于城市中高楼林立，高架也随处可见，定位终端很容易处于一边遮挡的环境中。显然，在这种场景中，终端很容易出现定位漂移的现象。目前高精度终端定位设备为了保障定位精度，通过一些指标，会舍弃很多“质量不好”的观测量，所以在一些城市环境无法定位，而目前的消费级终端设备在这些场景中，由于无法完全排除多路径对观测量的影响，很容易出现定位漂偏的现象。特别地，沿着人行道，基本都是高楼、高架，终端很容易处于单边遮挡的场景，而在这些场景中，很容易出现结果向一边漂移。显然，在较为空旷的场景中，观测量较多，而且卫星分布较优，我们应该尽可能的利用“好的观测值”进行定位，去除掉质量较差的观测量对于定位结果的影响，但是在遮挡环境中，能跟踪到的卫星数有限，为了保证有足够的卫星数成功定位，不能简单去掉“质量不好”的观测量，另外，对于单边遮挡这种场景，被挡的那一面的观测值较少，当较少的观测值较优时，我们要加强该观测值对于终端定位结果的影响，当该观测值被多次反射受多路径影响较为严重时，我们要减轻其对于定位结果的影响。所以针对城市复杂多样的程序，终端需要智能地识别一些特殊场景，从而针对性地采取一些措施，从而增强终端在城市各种场景中的定位效果。
发明内容
本发明立足于增强城市复杂环境中GNSS定位效果，基于场景识别，解决了GNSS终端定位精度的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，将GNSS终端接收到的卫星星空图等分为2n个象限，n至少为1，并根据卫星的方位角，统计每个象限中的卫星数，进行场景识别与处理。
进一步地，所述场景识别包括开阔场景识别和单边遮挡场景识别。
进一步地，进行开阔场景识别时具体包括以下步骤：
通过SNR和高度角对卫星观测值进行筛选，剩余的卫星数若少于预先设定的阈值，则不是开阔场景，进行后续场景识别；
否则，进行下述判断；将卫星星空图等分为8个象限，如果至少7个象限中都有符合SNR和高度角要求的卫星，则为开阔场景；
若只有6个象限中有符合SNR和高度角要求的卫星，则将卫星星空图等分为4个象限，若4个象限中全部有符合SNR和高度角要求的卫星，则为开阔场景，其余情况，均不是开阔场景，进行后续场景识别。
进一步地，在开阔场景下，通过SNR和高度角筛选的卫星观测值进行终端定位。
进一步地，进行单边遮挡场景识别时具体包括以下步骤：
以北方向开始，每隔作为起始方位角，顺时针累加180°范围内的卫星数；
求得最大卫星数后，即可识别出“遮挡面”；
根据“非遮挡面”的卫星分布特征以及“遮挡面”两边的卫星数的对比关系，辅助优化“遮挡面”两边卫星观测值对于终端定位结果的贡献权比关系。
进一步地，单边遮挡场景包括单边遮挡且遮挡面卫星分布在两侧的场景和单边遮挡且遮挡面卫星分布在中间的场景，在两种单边遮挡场景中分别识别出关键卫星。
进一步地，单边遮挡且遮挡面卫星分布在中间的场景中，遮挡面一边卫星数较少的卫星即为关键卫星。
进一步地，单边遮挡场景的处理方法具体包括以下步骤：对关键卫星的观测值进行质量判断；如果观测值进行质量好，加大所述观测值对于终端定位结果的影响程度。
进一步地，对关键卫星的观测值进行质量判断的依据包括SNR、高度角和残差。
进一步地，通过调整关键卫星的观测值与其它卫星的观测值以及先验信息的权比关系来加大所述观测值对于终端定位结果的影响程度。
本发明的有益效果在于，提高了GNSS终端定位精度。
附图说明
图1是定位终端接收到的卫星分布星空图。
图2是卫星分布样例一。
图3是卫星分布样例二。
图4是卫星分布样例三。
图5是卫星分布样例四。
图6是卫星分布样例五。
具体实施方式
本发明立足于增强城市环境中GNSS终端定位效果，对一些特殊场景进行特征提取，如开阔场景、单边遮挡场景；并对这些特征通过各个指标进行量化，在识别这些场景的基础上针对性地提出相应的处理策略，改善城市复杂环境中GNSS终端定位精度。
下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，将GNSS终端接收到的卫星星空图等分为2n个象限(如4、8、16、32等，可根据不同的处理策略和应用场景选取不同的划分策略)，并根据卫星的方位角，统计每个象限中的卫星数，据此进行下述场景的识别与处理。
(一)开阔场景识别及处理策略
1、场景识别
通过较高的SNR(Signal Noise Ratio，信噪比，如35、40等)以及高度角(20°、25°等)对观测值进行筛选，剩余的卫星数若少于预先设定的阈值(如7颗等，具体视应用场景和定位精度而定)，则不是开阔场景，退出当前逻辑，进行后续场景识别。否则，进行下述判断：将星空图等分8个象限，如果至少7个象限中都有经上述条件筛选后的高质量卫星，则为开阔场景；若只有6个象限中有卫星，则将星空图等分4个象限，若4个象限中全部有卫星，则为开阔场景，其余情况，均不是开阔场景，进行后续场景的识别。
2、开阔场景处理方法
开阔场景下，通过SNR和高度角选择“质量高”的观测值进行定位，预先避免质量不好的观测值对于定位精度的影响。
(二)单边遮挡场景识别及处理策略
1、场景识别
以北方向开始，每隔作为起始方位角，顺时针累加180°范围内的卫星数。求得最大卫星数后，即可识别出“遮挡面”。根据非遮挡面的卫星分布特征以及“遮挡面”两边的卫星数的对比关系，辅助优化“遮挡面”两边观测值对于终端定位结果的贡献权比关系，防止被“非遮挡面”一边的观测值拉偏的情形。具体实现细节如下(本发明实施例中以16个象限为例)：
(1)根据卫星方位角，分别统计16个象限的卫星数，得到一个大小为16的数组sat_num[16]，其中该数组下标以0开始，亦即，sat_num[0]代表第1象限的卫星数，以此类推。为方便描述，下文用该数组的下标代表其所对应的象限。以图2(样例一)为例，各象限卫星数如下表：
象限 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
卫星数 0 1 2 0 1 0 3 0 0 2 0 0 0 0 0 0
(2)循环依次计算180°内的卫星总数，同样得到一个大小为16的数组sum_sat_num[16]。
计算方式如下：
其中：sat_num[k]＝sat_num[k-16]，ifk≥16
(3)找出180°内卫星总数数组sum_sat_num[16]的最大值max_sat_num，与总卫星数total_sat_num的比值max_sat_ratio＝max_sat_num/total_sat_num超过一定的阈值threshold(如70％、75％、80％等，可根据具体的实现策略及应用场景，确定不同的阈值)，即可认为是单边遮挡场景，同时最大卫星数的下标No_max(即：sum_sat_num[No_max]＝max_sat_num)，可确定遮挡面的方位角。如图2-图5，样例中的遮挡面都是象限3的起始方位角所确定的直线(sum_sat_num[2]＝8为sum_sat_num[16]数组中的最大值)。
(4)根据遮挡面的方位角，可确定最靠近“遮挡面”的四个象限。图2至图5中的遮挡面的临近四个象限为：第2象限(idx_shield_start_last＝1)、第3象限(idx_shield_start_next＝2)、第10象限(idx_shield_end_last＝9)、第11象限(idx_shield_end_next＝10)。据此可根据下述场景判断条件，进入各自的场景处理逻辑：
(A)场景1(单边遮挡且遮挡面卫星分布在两侧)：非遮挡面卫星数远多于遮挡面卫星数，即max_sat_ratio＞threshold，而且遮挡面卫星分布在两侧，即max_sat_num+sat_num[idx_shield_start_last]+sat_num[idx_shield_end_next]＝total_sat_num。如图2、图3、图4。如果sat_num[idx_shield_start_last]！＝0而且sat_num[idx_shield_end_next]＝＝0，如图2，那么分布在idx_shield_start_last和idx_shield_end_last象限中的卫星即为“关键卫星”；如果sat_num[idx_shield_start_last]＝＝0而且sat_num[idx_shield_end_next]！＝0，如图3，同样地，分布在idx_shield_start_next和idx_shield_end_next象限中的卫星为“关键卫星”；如果sat_num[idx_shield_start_last]！＝0而且sat_num[idx_shield_end_next]！＝0，如图4，类似地，分布在idx_shield_start_last和idx_shield_end_next象限中的卫星即为“关键卫星”，对上述识别出的关键卫星的观测值按照下文介绍的“单边遮挡场景中关键卫星观测值的处理方法”进行。
(B)场景2(单边遮挡且遮挡面卫星分布在中间)：非遮挡面卫星数远多于遮挡面卫星数，即max_sat_ratio＞threshold，且不满足场景1的判定阈值，那么就属于该场景。遮挡面一边卫星数较少的卫星即为“关键卫星”，按照下文介绍的“单边遮挡场景中关键卫星观测值的处理方法”进行。
2、单边遮挡场景中关键卫星观测值的处理方法
首先对经过上述场景分析满足要求的“关键卫星”的观测值进行质量判断，判断依据包括但不局限于SNR、高度角、残差等。如果判定其质量较好，可通过加大该观测值对于定位结果的影响程度，防止定位结果漂偏的现象。具体可通过调整这些“关键卫星”观测值与其它观测值以及先验信息的权比关系来实现。特别地，在卡尔曼滤波中，如果采用先验信息对当前观测值进行筛选，当该关键卫星观测值没有通过相应的筛选条件时，需要进行先验信息的修正。
3、遮挡面不唯一的处理方法
如图6所示，虽然属于上述“单边遮挡且遮挡面卫星分布在两侧”的场景，但是遮挡面不唯一。需要对每个“遮挡面”临近四个象限内的卫星观测值按照上述方式循环进行处理。同样地，对于其他遮挡面不唯一的情形，依每个遮挡面两侧卫星的分布情况按照上述场景判断，依次循环进行。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，将GNSS终端接收到的卫星星空图等分为2n个象限，n至少为1，并根据卫星的方位角，统计每个象限中的卫星数，进行场景识别与处理。
2.如权利要求1所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，所述场景识别包括开阔场景识别和单边遮挡场景识别。
3.如权利要求2所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，进行开阔场景识别时具体包括以下步骤：
通过SNR和高度角对卫星观测值进行筛选，剩余的卫星数若少于预先设定的阈值，则不是开阔场景，进行后续场景识别；
否则，进行下述判断；将卫星星空图等分为8个象限，如果至少7个象限中都有符合SNR和高度角要求的卫星，则为开阔场景；
若只有6个象限中有符合SNR和高度角要求的卫星，则将卫星星空图等分为4个象限，若4个象限中全部有符合SNR和高度角要求的卫星，则为开阔场景，其余情况，均不是开阔场景，进行后续场景识别。
4.如权利要求3所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，在开阔场景下，通过SNR和高度角筛选的卫星观测值进行终端定位。
5.如权利要求2所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，进行单边遮挡场景识别时具体包括以下步骤：
以北方向开始，每隔作为起始方位角，顺时针累加180°范围内的卫星数；
求得最大卫星数后，即可识别出“遮挡面”；
根据“非遮挡面”的卫星分布特征以及“遮挡面”两边的卫星数的对比关系，辅助优化“遮挡面”两边卫星观测值对于终端定位结果的贡献权比关系。
6.如权利要求5所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，单边遮挡场景包括单边遮挡且遮挡面卫星分布在两侧的场景和单边遮挡且遮挡面卫星分布在中间的场景，在两种单边遮挡场景中分别识别出关键卫星。
7.如权利要求6所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，单边遮挡且遮挡面卫星分布在中间的场景中，遮挡面一边卫星数较少的卫星即为关键卫星。
8.如权利要求6所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，单边遮挡场景的处理方法具体包括以下步骤：对关键卫星的观测值进行质量判断；如果观测值进行质量好，加大所述观测值对于终端定位结果的影响程度。
9.如权利要求8所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，对关键卫星的观测值进行质量判断的依据包括SNR、高度角和残差。
10.如权利要求8所述的一种增强城市环境中GNSS终端定位效果的方法，其特征在于，通过调整关键卫星的观测值与其它卫星的观测值以及先验信息的权比关系来加大所述观测值对于终端定位结果的影响程度。
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