CN112731481A - 一种定位优化方法、系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请属于导航定位技术领域，特别是涉及一种定位优化方法、系统及其应用。随着经济发展，城市建筑密度及其结构复杂性在不断提高。城市中的楼房、高架桥等高大建筑对卫星信号产生了一定程度的遮挡、反射和折射等影响，导致一般用户在利用基于位置的服务时所获取的定位结果常常会出现较大误差。本申请通过借助周边地区3D建筑等环境信息对用户GNSS接收机采集到的原始观测量进行修正，来改善密集城市地区的定位精度，提高城市峡谷环境中定位导航相关内容的服务质量。

Description

一种定位优化方法、系统及其应用

技术领域

本申请属于导航定位技术领域，特别是涉及一种定位优化方法、系统及其应用。

背景技术

定位软件是一种通过手机上的位置传感器获取手机所在的真实位置，以及将相应数据反馈给用户的一个软件。人们通常讲的GPS卫星定位，主要是指利用GPS芯片来获取位置信息。而对于WIFI及通讯芯片而言，其本身也具有位置定位的能力，这通常被人们称为WIFI定位或基站定位。对于位置传感器而言，主要有GPS卫星定位芯片、无线WIFI芯片以及GSM/CDMA通讯芯片。

随着经济发展，城市建筑密度及其结构复杂性在不断提高。城市中的楼房、高架桥等高大建筑对卫星信号产生了一定程度的遮挡、反射和折射等影响，导致一般用户在利用基于位置的服务时所获取的定位结果常常会出现较大误差。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于随着经济发展，城市建筑密度及其结构复杂性在不断提高。城市中的楼房、高架桥等高大建筑对卫星信号产生了一定程度的遮挡、反射和折射等影响，导致一般用户在利用基于位置的服务时所获取的定位结果常常会出现较大误差的问题，本申请提供了一种定位优化方法、系统及其应用。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种定位优化方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取原始卫星观测量及卫星星历数据，得到粗定位；步骤2：将所述观测量划分为若干条观测记录；步骤3：针对每一条所述观测记录，执行分析补偿算法，对所述粗定位数据进行修正；步骤4：根据所述修正结果求解接收机位置，得到精确定位。

本申请提供的另一种实施方式为：所述原始卫星观测量包括从可见卫星测得的伪距和伪距变化率；所述观测记录包括用户设备时钟汇报的时刻、卫星发出信号时卫星时钟汇报的时刻、卫星所属的系统及其编号、信号传播时间及其误差范围、伪距变化率及其误差范围、已观测到的累积伪距变化量和已观测到的累积伪距变化率的变化量。

本申请提供的另一种实施方式为：所述分析补偿算法包括如下步骤：

1)解算用户粗定位；2)获取城市模型数据；3)以所述粗定位地点为基准，结合所述城市模型数据和有观测数据的卫星进行卫星可见性分析，得到非视距传播信号，并对所述信号进行标记；4)对包含所述标记的卫星伪距测量值进行修正。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤1)采用加权最小二乘法解算用户粗定位；采取了迭代的方式，在初始位置未知的条件下，可选取地心作为初始条件；迭代进行至每个步骤解得位置的变化量在几米的范围内时即可终止，需要迭代数次得出准确的解。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤2)中的城市模型数据从带有建筑物高度标注的地图数据中生成或者直接获取带有建筑物高度标注的城市模型数据，所述城市模型数据为3D城市模型。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3)中将有观测数据的卫星记为S_i，所述用户粗定位记为L，所述3D城市模型中所有三角形面的集合记为M；由于观测记录中有对应卫星，则用户设备在客观上已经接收到了来自卫星S_i的信号，那么若连线S_i、L与M中任意三角面相交，则该卫星信号为非视距传播信号，在采集到的观测量数据中将所述信号标记出来。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤4)中所述修正包括遍历有观测数据的卫星S_i；对于所述3D城市模型M中每个三角面F_j，作所述卫星S_i、所述用户粗定位L关于所述三角面F_j对称的镜像S_i′、L′，作S_iL′与S_i′L的交点R；检验S_i、L、R是否满足：a.S_iR不与M中其他任何三角形面相交；b.RL不与M中其他任何三角面相交；若满足所述a和b的两个条件，则表明S_i到L的实际信号传播路径是经过了面F_j反射，令路径膨胀值p_i＝|S_iL|-|S_iL′|，若p_i＜0，则舍弃；遍历所有所述三角面F_j后，以求得的p_i值作为最终修正量，若解算过程中得到了多个p_i值，则取p_i的均值，并将原始伪距观测量与之相减，作为修正后的伪距观测量保存。

本申请还提供一种定位优化系统，包括全球导航卫星模块，所述全球导航卫星模块与存储单元连接，所述全球导航卫星模块与显示单元连接；所述全球导航卫星模块，用于采集卫星信号、收集卫星观测量的界面和数据的运行运算；所述存储单元，用于存储、读写数据；所述显示单元，用于提示定位结果，与用户进行交互。

本申请提供的另一种实施方式为：所述全球导航卫星模块包括导航卫星子模块和数据运行运算子模块，所述导航卫星子模块、所述数据运行运算子模块与存储单元依次连接，所述数据运行运算子模块与显示单元连接。

本申请还提供一种定位优化系统的应用，其特征在于：将所述的定位优化系统应用于移动智能终端。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种定位优化方法的有益效果在于：

本申请提供的定位优化方法，通过借助周边地区3D建筑等环境信息对用户GNSS接收机采集到的原始观测量进行修正，来改善密集城市地区的定位精度，提高城市峡谷环境中定位导航相关内容的服务质量。

本申请提供的定位优化方法，基于3D城市模型以及特定应用场景，不需要预先进行计算，而可以在用户系统上实时完成，或将观测数据导出后在其他计算机系统上完成计算。

本申请提供的定位优化系统实现只需占用用户设备上相对较小的存储空间，并能够在一定程度上改善用户设备的定位精度。

本申请提供的定位优化系统的应用，提出一种针对安卓平台的GNSS信号原始观测量的补偿技术，以及以此技术为基础的一套实现设备。本申请能够利用有高度标注的地图生成3D城市模型，并以之为依据对密集城市地区GNSS卫星信号传播中的非视距误差进行修正，在一定程度上改善定位精度。

附图说明

图1是本申请的分析补偿算法流程示意图；

图2是本申请的城市模型生成示意图示意图；

图3是本申请的非视距(NLOS)信号反射路径示意图；

图4是本申请的定位优化系统示意图；

图5是本申请的实验结果统计直方图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。

当前主流针对定位服务进行优化的技术大多从位置解算的结果入手，而非从观测量角度进行补偿。这一定程度上是由于硬件条件不具备，设备直接采取了GNSS芯片汇报的定位，或以此为基础进行滤波等操作来改善定位精度。近年来市面上已有越来越多的智能手机、平板电脑等设备搭载支持读取原始观测量的GNSS芯片，而利用到相应功能的技术方案却鲜见应用。

参见图1～5，本申请提供一种定位优化方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取原始卫星观测量及卫星星历数据，得到粗定位；步骤2：将所述观测量划分为若干条观测记录；步骤3：针对每一条所述观测记录，执行分析补偿算法，对所述粗定位数据进行修正；步骤4：根据所述修正结果求解接收机位置，并检查约束条件，得到精确定位。根据上述步骤得出的卫星位置及修正伪距，参考步骤3的方法，将伪距替换为修正后的伪距值，即可通过最小二乘法解得接收机位置。此外，由于该系统的主要应用场景为密集城市环境中手持移动智能设备的行人，在解得接收机位置后可根据城市模型中的海拔高度信息，将结果修正至地面附近的空间内。例如，可将高度限制在地面海拔+1米。

本申请主要针对使用智能手机的行人，在技术方案设计时主要考虑到的是“用户接收机须在地面附近”这一条件，用于纠正垂直方向上的误差。但该条件本身是可选项，即不对其他任何“约束条件”进行判断的情况下本申请的方案仍然具备一定程度的优化能力；另外，“约束条件”也可根据应用场合进行增减、修改，如与其他传感器协作定位等情况。在对应用场合有一定先验知识的前提下，将先验知识作为约束条件有助于减小定位误差。

进一步地，所述原始卫星观测量包括从可见卫星测得的伪距和伪距变化率；所述观测记录包括用户设备时钟汇报的时刻、卫星发出信号时卫星时钟汇报的时刻、卫星所属的系统及其编号、信号传播时间及其误差范围、伪距变化率及其误差范围、已观测到的累积伪距变化量和已观测到的累积伪距变化率的变化量。

通过安卓操作系统提供的API获取可见卫星列表以及原始GNSS观测量，并联网下载测量时的卫星星历数据。2016年后设计制造的面向智能手机、平板电脑等设备的ARM平台SoC大多支持读取GNSS原始观测量，包括从可见卫星测得的伪距、伪距变化率等应用于定位服务的信息。GPS卫星的星历由美国国家航空航天局维护公开，用于求解特定时刻的任一GPS卫星的位置。结合卫星的原始观测量及星历数据，即可解得测量时刻卫星和用户接收机位置与速度等。

本申请方案中以采样时刻为准，将获取到的观测量划分为多条“观测记录”。每条“观测记录”包含某一特定采样时刻的所有可见卫星的观测数据及设备自身的一些信息。这些信息包括且不限于用户设备时钟汇报的时刻、卫星发出信号时卫星时钟汇报的时刻、卫星所属的系统及其编号、信号传播时间及其误差范围、伪距变化率及其误差范围、已观测到的累积伪距变化量、已观测到的累积伪距变化率的变化量等。视用户设备的生产厂商和软硬件版本，可获取的信息种类可能有一定出入，但必须包含上述内容才能够完成定位以及实现本申请所述功能。例如，在2020年9月16日0时49分45秒，实验用设备观测到了来自5颗GPS卫星的信号，这些卫星的编号、观测到的伪距、伪距变化率等信息被记录下来，合称为该时刻的观测记录。

进一步地，所述分析补偿算法包括如下步骤：

1)解算用户粗定位；2)获取城市模型数据；3)以所述粗定位地点为基准，结合所述城市模型数据和有观测数据的卫星进行卫星可见性分析，得到非视距传播信号，并对所述信号进行标记；4)对包含所述标记的卫星伪距测量值进行修正。

进一步地，所述步骤1)采用加权最小二乘法解算用户粗定位；由于采取了迭代的方式，在初始位置未知的条件下，可选取地心作为初始条件；迭代进行至每个步骤解得位置的变化量在几米的范围内时即可终止，一般只需要迭代数次即可得出较为准确的解。

该粗定位可能包含较大误差，但能够提供大致位置信息，也是本申请所述系统的补偿算法所必要的。位置解算可以通过迭代求解下述方程组的方法进行。

将接收机的初始位置记为(x₀，y₀，z₀)，迭代过程中求得位置相对于初始位置的变化矢量记为(Δx_i，Δy_i，Δz_i)，那么接收机的实际位置满足x＝x₀+Δx_i，y＝y₀+Δy_i，z＝z₀+Δz_i。

其中，

上述方程组中所有上标j为可见卫星的序号，下标i为迭代次数；Pj为序号为j的卫星到接收机的伪距测量值；

为第i步卫星j到当前解算步骤中接收机的距离，由欧氏距离公式

得出；l^j为最小二乘过程的残差，为中间变量；

分别为f(x_i，y_i，z_i)＝f(x₀+Δx_i，y₀+Δy_i，z₀+Δz_i)的泰勒展开式中对x，y，z求偏导函数的一次项，为中间变量。

进一步地，所述步骤2)中的城市模型数据从带有建筑物高度标注的地图数据中生成或者直接获取带有建筑物高度标注的城市模型数据，所述城市模型数据为3D城市模型。

从公开的地图源或测绘等途径取得地图或3D城市模型。若选择使用地图输入，源数据应当至少包括建筑物轮廓顶点的经纬度、高度以及当地的地面海拔高度信息，用以生成3D城市模型信息；若选择与本系统采用格式兼容的3D城市模型，则可略过后续步骤中生成3D模型的步骤。

若输入数据源为带有高度标定的地图，获得地图数据后，记建筑物轮廓的每个顶点为V_i(i＝0，1，2，3，...)，然后依次对每个顶点V_i及其下一个顶点V_i+1执行如下操作：①在竖直方向上，将V_i，V_i+1向上平移相当于建筑高度的距离；②将三角形面V_iV_i+1V_i′和三角形面V_i+1V′_i+1V′₀存入模型数据库。特别地，当i为轮廓下标最大值时，下标取i+1＝0，使每个建筑或建筑群以一系列带状的三角面来表示。该方法生成的3D城市模型数据可以保留，以供后续同一地区直接读入，再次使用。

进一步地，所述步骤3)中将有观测数据的卫星记为S_i，用户位置(粗定位)记为L，3D城市模型中所有三角形面的集合为M。由于观测记录中有对应卫星，说明用户设备在客观上已经接收到了来自卫星S_i的信号，那么可以认为若连线S_iL与M中任意三角面相交，则该卫星信号为非视距(NLOS)传播信号，并在采集到的观测量数据中将其标记出来。

进一步地，步骤3中对卫星非视距传播状况进行了定性判断及标记。为定量求解NLOS条件下的观测误差，需在3D模型中找出这样一条传播路径。由于到达地面的GNSS信号已经十分微弱，且在建筑物表面发生反射时也会造成衰减，结合一般经验，本申请假设所有卫星信号至多经历一次反射。若卫星S_i和用户接收机位置L之间存在反射路径，发生反射的面为F，过F作点S_i、L的镜像并分别记为S_i、L，那么不难得出，S_iL′、S_iL′与F交于一点R∈F，即为信号在墙面上的反射点。

若在步骤3中检出了非视距传播信号，则对相应测量记录进行如下操作：①遍历该测量记录中的可见卫星S_i；②对于模型M中每个三角面F_j，作卫星S_i、用户位置L关于F_j对称的镜像S_i′、L′，作S_iL′与S_i′L的交点R；③检验S_i、L、R是否满足：a.S_iR不与M中其他任何三角形面相交；b.RL不与M中其他任何三角形面相交；④若满足上一步所述的两个条件，说明S_i到L的实际信号传播路径是经过了面F_j反射，令路径膨胀值p_i＝|S_iL|-|S_iL′|(若p_i＜0，则舍弃)；⑤遍历所有面F_j后，以求得的p_i值作为最终修正量(若第④步解算过程中得到了多个p_i值，则取p_i的均值)，并将原始伪距观测量与之相减，作为修正后的伪距观测量保存。

本申请方案旨在提出一种基于3D城市模型对GNSS原始观测量按照一定算法进行补偿，以达到改善定位精度目的的系统，所述的补偿算法不唯一。本申请方案所述的系统应当涵盖一个“对原始观测量进行补偿”的系统框架，尽管方案设计时采取了文中所述较为简单直接的算法，任何基于3D城市模型并且修改了原始观测量的方案应当在本专利的保护范围之内。

本申请还提供一种定位优化系统，包括全球导航卫星模块，所述全球导航卫星模块与存储单元连接，所述全球导航卫星模块与显示单元连接；所述全球导航卫星模块，用于采集卫星信号、收集卫星观测量的界面和数据的运行运算；所述存储单元，用于存储、读写数据；所述显示单元，用于提示定位结果，与用户进行交互。这里的存储单元可以为闪存。

进一步地，所述全球导航卫星模块包括导航卫星子模块和数据运行运算子模块(SoC)，所述导航卫星子模块、所述数据运行运算子模块与存储单元依次连接，所述数据运行运算子模块与显示单元连接。

SoC为用户设备的核心部件，负责包括Android操作系统和本申请所述算法的软件实现在内的所有软件运行和信息运算等处理；GNSS模块为用户设备采样GNSS卫星信号、收集GNSS卫星观测量的界面；存储设备为用户设备读写模型数据等信息的介质，通常是一颗或多颗闪存芯片；显示设备一般指液晶屏幕或OLED屏幕，负责在整个系统得出最终定位结果后提示定位结果，与用户进行交互。另外视SoC厂商的设计，GNSS模块可能会与SoC整合在同一颗芯片内，其功能保持不变。

本申请还提供一种定位优化系统的应用，将所述的定位优化系统应用于移动智能终端。

本申请在一个实际场景中进行了实验验证。通过对我院建筑分布进行大致建模，并在院区内建筑物周围选取了66个实际地点进行采样，总计获得了4400余条数据，其中有效数据4256条。在该数据集上执行本申请方案所述算法后，将优化后结果与优化前结果的定位误差进行对比，统计如图5所示。

经分析比较，本申请相比于不采用任何结果优化算法，90.3％的情况下定位精度均能获得改善，存在9.7％的情况定位精度劣化；定位误差平均减少36.94米，中位数为24.93米。可见，该方法能有效改善大多数情况下建筑物周围的定位精度。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种定位优化方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取原始卫星观测量及卫星星历数据，得到粗定位；

步骤2：将所述观测量划分为若干条观测记录；

步骤3：针对每一条所述观测记录，执行分析补偿算法，对所述粗定位数据进行修正；

步骤4：根据所述修正结果求解接收机位置，得到精确定位。

2.如权利要求1所述的定位优化方法，其特征在于：所述原始卫星观测量包括从可见卫星测得的伪距和伪距变化率；所述观测记录包括用户设备时钟汇报的时刻、卫星发出信号时卫星时钟汇报的时刻、卫星所属的系统及其编号、信号传播时间及其误差范围、伪距变化率及其误差范围、已观测到的累积伪距变化量和已观测到的累积伪距变化率的变化量。

3.如权利要求1所述的定位优化方法，其特征在于：所述分析补偿算法包括如下步骤：

1)解算用户粗定位；

2)获取城市模型数据；

3)以所述粗定位地点为基准，结合所述城市模型数据和有观测数据的卫星进行卫星可见性分析，得到非视距传播信号，并对所述信号进行标记；

4)对包含所述标记的卫星伪距测量值进行修正。

4.如权利要求3所述的定位优化方法，其特征在于：所述步骤1)采用加权最小二乘法解算用户粗定位；采取了迭代的方式，在初始位置未知的条件下，可选取地心作为初始条件；迭代进行至每个步骤解得位置的变化量在几米的范围内时即可终止，需要迭代数次得出准确的解。

5.如权利要求3所述的定位优化方法，其特征在于：所述步骤2)中的城市模型数据从带有建筑物高度标注的地图数据中生成或者直接获取带有建筑物高度标注的城市模型数据，所述城市模型数据为3D城市模型。

6.如权利要求5所述的定位优化方法，其特征在于：所述步骤3)中将有观测数据的卫星记为S_i，所述用户粗定位记为L，所述3D城市模型中所有三角形面的集合记为M；由于观测记录中有对应卫星，则用户设备在客观上已经接收到了来自卫星S_i的信号，那么若连线S_i、L与M中任意三角面相交，则该卫星信号为非视距传播信号，在采集到的观测量数据中将所述信号标记出来。

7.如权利要求6所述的定位优化方法，其特征在于：所述步骤4)中所述修正包括遍历有观测数据的卫星S_i；对于所述3D城市模型M中每个三角面F_j，作所述卫星S_i、所述用户粗定位L关于所述三角面F_j对称的镜像S_i′、L′，作S_iL与S_i′L的交点R；检验S_i、L、R是否满足：a.S_iR不与M中其他任何三角形面相交；b.RL不与M中其他任何三角面相交；若满足所述a和b的两个条件，则表明S_i到L的实际信号传播路径是经过了面F_j反射，令路径膨胀值p_i＝|S_iL|-|S_iL′|，若p_i＜0，则舍弃；遍历所有所述三角面F_j后，以求得的p_i值作为最终修正量，若解算过程中得到了多个p_i值，则取p_i的均值，并将原始伪距观测量与之相减，作为修正后的伪距观测量保存。

8.一种定位优化系统，其特征在于：包括全球导航卫星模块，所述全球导航卫星模块与存储单元连接，所述全球导航卫星模块与显示单元连接；

所述全球导航卫星模块，用于采集卫星信号、收集卫星观测量的界面和数据的运行运算；

所述存储单元，用于存储、读写数据；

所述显示单元，用于提示定位结果，与用户进行交互。

9.如权利要求8所述的定位优化系统，其特征在于：所述全球导航卫星模块包括导航卫星子模块和数据运行运算子模块，所述导航卫星子模块、所述数据运行运算子模块与存储单元依次连接，所述数据运行运算子模块与显示单元连接。

10.一种定位优化系统的应用，其特征在于：将权利要求8或9中所述的定位优化系统应用于移动智能终端。

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