CN110161455A - 定位系统及定位系统构型的自主建立方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种定位系统和定位系统构型的自主建立方法。其中，定位系统包括多个定位装置，每一个定位装置接收来自其他多个定位装置的定位导航信号，联合各定位装置所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计，获得定位系统的构型。根据本申请的定位系统和定位系统构型的自主建立方法，能够自主建立定位系统的定位装置的空间位置坐标，显著简化定位系统的布设成本，缩短部署时间，具有很高的实用价值。

Description

定位系统及定位系统构型的自主建立方法

技术领域

本申请涉及定位导航领域，具体涉及一种定位系统和定位系统构型的自主建立方法。

背景技术

未来的民用和军用领域都需要安全可靠和可多样化选择的导航定位手段。尽管卫星导航系统具有覆盖范围广、全天候全天时、精度高、应用便捷、用户数量无限制等优点，并且已成为世界范围内首选的定位导航授时手段，但其受限于信号物理特性、星座布局和环境因素等影响，在一些特定使用场景下存在卫星遮挡严重、信号功率较弱、定位精度不佳、完好性和可靠性较差、抗干扰能力不足等问题。为了克服卫星导航系统在精确性、可靠性、可用性和抗干扰性等方面的不足，以满足各种军用和民用用户在任何时间、任何地点和任何环境下的定位、导航、授时(PNT)需求，迫切需要研究基于定位装置(例如伪卫星、基站、节点等)的定位系统。

这种定位系统的定位信号体制及定位原理与卫星导航系统的相近，不仅可以在卫星导航系统可用条件下与其紧密融合，为卫星导航系统提供更多的等效可见卫星；更重要的是，定位系统具备独立实现覆盖区域内高精度导航定位的能力，可以在卫星导航系统被干扰、阻断等无法使用条件下作为其区域备份导航系统。

在定位系统的独立工作模式下，定位系统布设之初，必须事先对所有定位装置的位置坐标进行精确测绘，并将此信息播发给用户，用于定位方程解算。位置坐标的测量精度将直接影响定位解算的误差大小。但是，须对定位装置的位置坐标事先测绘标定的要求大大增加了定位系统的部署时间。

应当看到，在民用和军用领域，存在着大量的应用需求，对定位系统的机动性、灵活性、快速部署提出了很高的要求，而火场、灾区、甚至外星球等不具备事先测绘条件的环境，更加限制了定位系统的使用场景。

发明内容

本申请的目的是提供一种定位系统构型的自主建立方法，能够自主建立定位系统的定位装置的空间位置坐标，能够显著简化定位系统的布设成本，缩短部署时间，具有很高的实用价值。

根据本申请的一个方面，提供了一种定位系统，其中，所述定位系统包括多个定位装置，每一个定位装置接收来自其他多个定位装置的定位导航信号，所述定位系统联合各定位装置所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计，以自主建立所述定位系统的构型。

根据本申请的另一个方面，提供了一种定位系统构型的自主建立方法，其中，所述定位系统包括多个定位装置，所述方法包括：所述多个定位装置中的每一个定位装置接收来自其他多个定位装置的定位导航信号，联合各定位装置所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计，获得所述定位系统的构型。

附图说明

图1示出了根据本申请的一种实施方式的定位系统。

图2示出了根据本申请的一种实施方式的定位系统构型的自主建立方法流程图。

图3示出了根据本申请的一种实施方式的定位系统。

图4示出了本申请的一种实施方式的包含锚点定位装置的定位系统。

具体实施方式

下面参照附图对本申请公开的定位系统构型自主建立方法进行详细说明。为简明起见，本申请各实施例的说明中，相同或类似的装置使用了相同或相似的附图标记。

图1示出了根据本申请的一种实施方式的定位系统。如图1所示，定位系统包括多个定位装置100(100-1，100-2，…，100-k)。定位装置100能够接收和发射定位导航信号(测距信号)。每一个定位装置100接收来自其他多个定位装置100的定位导航信号，定位系统联合各定位装置100所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计，从而获得所述定位系统的定位装置100的构型。

图2示出了根据本申请的一种实施方式的定位系统构型的自主建立方法流程图。如图2所示，在S10，多个定位装置中的每一个定位装置接收来自其他多个定位装置的定位导航信号；在S20，联合各定位装置所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计；在S30，获得所述定位系统的构型。

根据本申请的实施方式，能够充分利用各个定位装置所接收到的来自其他多个定位装置的定位导航信号，因此能够获得高精度的定位装置构型，还能够显著简化定位系统的布设成本，缩短部署时间，具有很高的实用价值。

根据本申请一种实施方式的定位系统构型的自主建立方法，能够根据每一个定位装置所接收到的来自其他多个定位装置的定位导航信号获得该定位装置与其他多个定位装置的测量距离，构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，获得定位系统的各定位装置的位置估计。

其中，整体映射关系包括根据各位置估计所确定的估计距离与各定位装置所获得的测量距离之间的整体误差估计函数，其中，确定各定位装置的位置估计以使得所述整体误差估计函数最小化。

图3示出了根据本申请的一种实施方式的定位系统。如图3所示，每一个定位装置100包括测距单元110，根据所接收到的来自其他多个定位装置的定位导航信号获得与其他多个定位装置的测量距离。此外，定位系统还包括构型单元200。如图3所示，构型单元200可以设置在某一个定位装置100-i中。可选地，构型单元200也可以独立设置在定位装置之外(未示出)。构型单元200构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，并根据该整体映射关系确定各定位装置的位置估计。

由于各个定位装置同时具备发射和接收定位信号的功能，因此即使位置未知，邻近的定位装置之间也可以通过测距单元110进行互相测距，以获得定位装置之间的测量距离。定位系统的构型单元200能够联合所有的测距信息，构建系统所有测量距离与各个定位装置的位置估计之间的整体映射关系，以确定各定位装置的位置估计，从而提升整体的定位精度，实现定位系统的自主构型。

各定位装置的位置估计决定了定位装置之间的估计距离。各定位装置之间的估计距离与各定位装置所获得的测量距离之间的误差反映了整体映射误差。其中，通过各定位装置的精确位置估计，能够使得根据位置估计所确定的估计距离与所获得的测量距离之间的整体误差最小。根据一种实施方式，构型单元200所构建的整体映射关系包括根据各定位装置的位置估计所确定的估计距离与各测距单元110所获得的测量距离之间的整体误差估计函数，确定各定位装置的位置估计以使得所述整体误差估计函数最小化。

不失一般性，假设在p维(例如，三维或者二维)的定位系统中包含k个定位装置，则定位系统的定位装置构型，即，定位装置的坐标集合可以表示为其中，x_i,∈{1,2,…,k}是定位装置i的位置的p维坐标矢量。坐标矢量x_i的坐标系可以是以任意方式建立的空间直角坐标系。坐标系可以是与定位装置网络有关的相对坐标系，例如，以定位装置几何中心为原点的坐标系。坐标系可以是与定位装置网络无关的绝对坐标系，例如，以地心为原点的地心地固坐标系。

定位装置100可以通过测距单元110，并根据所接收到的来自其他定位装置发射的定位导航信号，获得与发射定位装置之间的测量距离

构型单元200根据各定位装置的位置估计与各定位装置之间的估计距离的映射关系，以及各定位装置之间的估计距离与各定位装置所获得的测量距离之间的误差关系确定所述整体映射关系。

各定位装置的估计距离可以由定位装置的位置估计确定，例如定位装置100-i与定位装置100-j之间的估计距离可以表示为：

根据本申请的一种实施方式，位置估计与各定位装置之间的估计距离的映射关系可以表示为：

由于

其中表示由各定位装置的位置估计构成的位置估计矩阵，因而位置估计与各定位装置之间的估计距离的映射关系可以进一步表示为：

其中，估计距离矩阵diag(·)表示由对角线元素构成的列矢量。

根据本申请的一种实施方式，各定位装置的位置估计的确定使得根据位置估计所确定的估计距离与所获得的测量距离之间的整体误差最小。因此，根据映射关系和位置估计目标，可以得到整体误差估计函数：

其中，

其中，表示测量距离矩阵，测量距离矩阵可以由各定位装置所获得的测量距离确定。

通过优化整体误差估计函数最小化，可以获得定位系统的定位装置的整体位置估计，即，

从而，可以自主建立定位系统的构型。

测量距离缺失的情况是可能存在的。例如，在信号传播路径上存在遮挡物或者传播距离比较远的情况下，定位系统中的某些定位设备之间的导航信号无法传递或接收，从而造成这些定位设备之间的测量距离缺失。为了避免因测量距离缺失所带来的整体导航设备自主构型误差，可以设置测距缺失调整矩阵E，以使得所述未知测量距离和与其所对应的估计距离之间的误差不计入整体误差估计函数。例如，可以设置＝(e_ij),i,j∈{1,2,…,k}，其元素e_ij＝1代表定位装置100-i和定位装置100-j之间距离可测，e_ij＝0代表距离不可测。

这样，整体误差估计函数可以表示为：

其中，表示阿达马(Hadamard)乘积。

通过优化整体误差估计函数最小化，可以获得定位系统的定位装置的整体位置估计。这样，根据本申请的实施方式的定位系统及其构型自主建立方法不仅能够获得高精度的定位装置构型，且计算复杂度低，而且能够应对定位系统内部分测距信息缺失的问题，极大地提高系统在实际使用中的机动性和灵活性。

根据本申请的一种实施方式，构型单元200可以通过迭代方式，并根据整体误差估计函数最小化的目标，计算各定位装置100的位置估计，

根据一种实施方式，通过迭代方式对整体误差估计函数进行收敛解的搜索，得到的收敛解作为相对坐标系下的定位装置构型。

在迭代算法中，相对位置的更新由搜索方向P_n和搜索步长α_n决定，即，

X_n+1＝X_n+α_nP_n，

其中，每次迭代的搜索方向P_n由上一次迭代的搜索方向P_n-1和当前误差关系的梯度方向决定，即，

步长α_n则通过线搜索使得对应的X_n+1的整体误差估计尽可能地降低。

可以为迭代算法设置终止阈值。当满足迭代算法的终止条件，即搜索步长小于步长阈值，或搜索方向的范数小于方向范数阈值时，则认为自变量的当前值就是最终相对坐标系下的位置估计。

可以理解，当采用迭代算法时，初始值X₀的选择也会影响获得的整体位置估计的精度。

根据一种实施方式，初始值X₀可以设定为任意数值，例如“0”。

根据另一种实施方式，可以先根据整体误差估计函数进行直接解算，获得粗略整体位置估计，作为迭代算法的位置估计初始值，然后通过迭代算法进行优化。

当一个或多个定位装置与定位系统中的一个或多个其他定位装置之间的测量距离未知时，由于测量距离的缺失，因此不能对整体误差估计函数进行直接解算。

根据一种实施方式，所述构型单元在设置位置估计的初始值时，可以通过最短路径来对测量距离矩阵中的缺失项进行补齐。即，对于中的缺失项，寻找距离缺失的两个定位装置之间的最短路径来补全中的缺失项，以得到因而，可以根据补全后的测量距离矩阵所构建的整体误差估计函数采用中心化矩阵低秩分解法进行直接解算，获得粗略整体位置估计，作为迭代算法的位置估计初始值X₀。

可以采用中心化矩阵低秩分解法进行直接解算，例如可以是通过最小化的方式进行解算，其中中心化矩阵J＝I-11^T/，k是定位装置的数量，1是长度为k的全1向量。由于Jσ(XX^T)J＝JXX^TJ是一个低秩矩阵，因此对进行低秩分解便可以得到粗略整体位置估计，作为迭代算法的位置估计初始值X₀。

在随后的迭代计算过程中，构型单元200根据经测距缺失调整矩阵调整的整体误差估计函数，计算精确位置估计，获得定位系统的构型。

此外，定位系统的定位装置中还可以存在锚点定位装置，即，存在某些定位装置其在绝对坐标系(锚点坐标系)下的空间位置坐标已知。图4示出了本申请的一种实施方式的包含锚点定位装置的定位系统，其中，锚点定位装置100-1、100-2、100-3和100-4在锚点坐标系下的位置坐标已知。锚点坐标系例如可以是以地心为原点的地心地固坐标系。

在没有锚点定位装置的情况下，定位系统自主建立的构型可以是相对坐标系下的构型。

在存在锚点定位装置的情况下，定位系统可以自主构建绝对坐标系下的定位系统构型。

对于存在锚点定位装置的情况，根据一种实施方式，定位系统可以先获得相对坐标系下的构型，然后通过将相对坐标系下的锚点匹配到绝对坐标系下的锚点，以实现两个不同的空间直角坐标系的映射，从而获得绝对坐标系下的定位系统构型。

根据另一种实施方式，可以根据锚点定位装置在锚点坐标系下的位置坐标，构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，以获得各定位装置在锚点坐标系下的位置估计。即，在构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系时，将锚点定位装置的位置估计直接设置为锚点定位装置在锚点坐标系下的位置坐标，从而获得包含绝对坐标系下的锚点定位装置的位置坐标的各定位装置的位置估计，使得根据位置估计所确定的估计距离与所获得的测量距离之间的整体误差最小。这样，可以直接考虑带锚点的优化问题，利用优化算法使得整体误差整体误差估计函数最小化获得其他定位装置在绝对坐标系下位置估计，从而获得绝对坐标系下的定位系统构型。此外，根据本申请的实施方式，可以根据锚点定位装置在锚点坐标系下的位置坐标构建整体映射关系，直接获得各定位装置在锚点坐标系下的位置估计，而对于是否存在能够接收到来自四个或四个以上的锚点定位装置的定位导航信号的位置未知的定位装置则没有要求，从而极大地提高了系统在实际使用中的机动性和灵活性。

例如，对于存在锚点定位装置的情况，定位装置的坐标集合X可以表示为其中，a_i,∈{1,2,…,m}表示锚点定位装置在锚点坐标系下的位置坐标矢量，y_i,∈{1,2,…,k-m}表示未知定位装置的位置坐标矢量。记锚点定位装置的坐标集合为A＝[a₁…_m]^T，未知定位装置的坐标集合为Y＝[y₁…_k-m]^T，整体误差估计函数可以表示为以坐标Y为自变量的优化函数：

这样，通过优化整体误差估计函数最小化，可以直接获得定位系统的定位装置在锚点坐标系下的整体位置估计，从而获得定位系统在锚点坐标系下的构型。

根据本申请的实施方式的定位系统及其构型自主建立方法，能够充分利用各个定位装置所接收到的来自其他多个定位装置的定位导航信号，从而能够自主建立高精度的定位装置构型，且计算复杂度低。此外，还能够应对网内部分测距信息缺失的问题。根据本申请的实施方式的定位系统及其构型自主建立方法具有很高的实用价值，能够显著简化定位系统的布设成本，缩短部署时间，降低维护难度，极大地提高系统在实际使用中的机动性和灵活性。

以上参考附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (16)

1.一种定位系统，其中，所述定位系统包括多个定位装置，每一个定位装置接收来自其他多个定位装置的定位导航信号，所述定位系统联合各定位装置所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计，以自主建立所述定位系统的构型。

2.如权利要求1所述的定位系统，其中，所述定位系统中的每一个定位装置包括测距单元，所述测距单元根据所接收到的来自其他多个定位装置的定位导航信号获得与其他多个定位装置的测量距离；以及

所述定位系统还包括构型单元，所述构型单元构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，并根据所述整体映射关系确定所述各定位装置的位置估计。

3.如权利要求2所述的定位系统，其中，所述构型单元构建的整体映射关系包括根据各位置估计所确定的估计距离与各定位装置所获得的测量距离之间的整体误差估计函数，其中，所述构型单元计算各定位装置的位置估计以使得所述整体误差估计函数最小化。

4.如权利要求3所述的定位系统，其中，当所述定位系统中的一个或多个定位装置与所述定位系统中的一个或多个其他定位装置之间的测量距离未知时，所述构型单元设置测距缺失调整矩阵，使得所述未知测量距离和与其所对应的估计距离之间的误差不计入整体误差估计函数。

5.如权利要求4所述的定位系统，其中，所述构型单元通过迭代方式计算各定位装置的位置估计，并且所述构型单元在设置位置估计的初始值时，将与所述未知测量距离对应的全局最短路径距离作为测量距离补全所述未知测量距离，计算位置估计的初始值；所述构型单元在迭代计算位置估计过程中，根据通过测距缺失调整矩阵调整后的整体误差估计函数，计算精确位置估计。

6.如权利要求1所述的定位系统，其中，所述构型单元整体确定的各定位装置的位置估计是各定位装置在所述定位系统中的相对位置估计。

7.如权利要求1所述的定位系统，其中，所述定位系统包括多个锚点定位装置，所述构型单元整体确定的各定位装置的位置是各定位装置在锚点坐标系中的绝对位置估计。

8.如权利要求7所述的定位系统，其中，所述构型单元根据锚点定位装置在锚点坐标系下的位置坐标，构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，以获得各定位装置在锚点坐标系下的位置估计。

9.一种定位系统构型的自主建立方法，其中，所述定位系统包括多个定位装置，所述方法包括：所述多个定位装置中的每一个定位装置接收来自其他多个定位装置的定位导航信号，联合各定位装置所接收到的定位导航信号整体确定各定位装置的位置估计，获得所述定位系统的构型。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述每一个定位装置根据所接收到的来自其他多个定位装置的定位导航信号获得与其他多个定位装置的测量距离，构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，获得所述定位系统的各定位装置的位置估计。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述整体映射关系包括根据各位置估计所确定的估计距离与各定位装置所获得的测量距离之间的整体误差估计函数，其中，确定各定位装置的位置估计以使得所述整体误差估计函数最小化。

12.如权利要求11所述的方法，其中，当所述定位系统中的一个或多个定位装置与所述定位系统中的一个或多个其他定位装置之间的测量距离未知时，设置测距缺失调整矩阵，使得所述未知测量距离和与其所对应的估计距离之间的误差不计入整体误差估计函数。

13.如权利要求12所述的方法，其中，通过迭代方式计算各定位装置的位置估计，在设置位置估计的初始值时，将与所述未知测量距离对应的全局最短路径距离作为测量距离补全所述未知测量距离，计算位置估计的初始值；在迭代计算位置估计过程中，根据通过测距缺失调整矩阵调整后的整体误差估计函数，计算精确位置估计。

14.如权利要求9所述的方法，其中，所述整体确定的各定位装置的位置估计是各定位装置在所述定位系统中的相对位置估计。

15.如权利要求9所述的方法，其中，所述定位系统包括多个锚点定位装置，所述整体确定的各定位装置的位置是各定位装置在锚点坐标系中的绝对位置。

16.如权利要求15所述的定位方法，其中，根据锚点定位装置在锚点坐标系下的位置坐标，构建各定位装置所获得的测量距离与各定位装置的位置估计之间的整体映射关系，以获得各定位装置在锚点坐标系下的位置估计。