CN112946708B - 一种提高北斗导航系统定位精度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高北斗导航系统定位精度的方法及系统，所述方法包括：计算参考点的位置，并以参考点为原点，建立局部坐标；对接收器提供的位置数据进行坐标转换，转换到局部坐标；利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；将局部坐标中当前时刻的位置的新坐标值进行坐标反变化，得到全局坐标系中当前时刻的该位置的坐标值。本发明提出了一种基于方向和速度平均的有效位置确定方法，该方法使用纬度，经度和速度值来估计位置，而无需计算大量以前的数据。

Description

一种提高北斗导航系统定位精度的方法及系统

技术领域

本发明涉及北斗导航定位领域，具体涉及一种提高北斗导航系统定位精度的方法及系统。

背景技术

北斗卫星导航定位系统是国家信息基础设施之一，是实现社会信息化的重要工具。北斗系统的应用涉及到国家各个领域。北斗系统作为一种新的卫星导航定位系统，有明显的技术优势，但也有一定的应用缺陷和不足。

北斗系统在推广应用过程中受到了许多因素的制约,一方面系统用户终端设备价格昂贵，一是目前系统本身所采用的有源定位技术体制，二是终端设备生产量少、关键元器件依赖进口使生产成本居高不下；另一方面，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。北斗导航系统三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。而且，北斗系统包括其他导航系统的最大的劣势在于同步静止轨道的缺乏，因为同步静止轨道的数量是有限的，美国GPS导航系统率先占领了一段轨道，使北斗导航系统无法在无法使用，卫星和地球就处于相对运动，这样在算法上就非常复杂也会影响到精度。

在北斗导航系统中，移动性，可靠性和准确性仍是具有挑战性的问题。通常，在95％的读数中，经度和纬度坐标的误差为10-15米。另外，位置精度可能会因不同的误差源而降低，例如多径效应，大气效应，时钟误差，舍入误差和接收器噪声。

在实际应用中，定位算法利用北斗导航系统接收器接收的数据，该数据会遭受定位误差和实际路径的波动。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种新的有效方法，能够提高标准北斗导航系统导航的定位精度。所提出的方法使用准确的参考点和长期平均，方向坐标，速度和距离估算定位精度，并通过坐标平移减少舍入误差，并进行无效数据检查。在实际实验中，比较了所提出的方法和其他现有方法的性能。实验结果表明，该方法通过减少了北斗导航系统接收器的真实数据的明显数据误差，试验表明提高了4-10米的精度，并且在定位精度方面优于其他方法。

为实现上述目的，本发明提出了一种提高北斗导航系统定位精度的方法，所述方法包括：

计算参考点的位置，并以参考点为原点，建立局部坐标；

对接收器提供的位置数据进行坐标转换，转换到局部坐标；

利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；

将局部坐标中当前时刻的位置的新坐标值进行坐标反变化，得到全局坐标系中当前时刻的该位置的坐标值。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：对接收器接收的数据进行检查，滤除无效数据。

作为上述方法的一种改进，所述计算参考点的位置，具体包括：

获取接收器提供的参考点的多个纬度和经度，计算参考点的纬度平均值AVG_x和经度平均值AVG_y：

其中，x_i和y_i是第i个纬度和经度，N是测量次数；

则参考点的坐标值为(AVG_x，AVG_y)。

作为上述方法的一种改进，所述利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；具体包括：

x_n-1和y_n-1是接收器提供的第n-1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n和y_n是接收器提供的第n时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n+1和y_n+1是接收器提供的第n+1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值，则第n+1时刻的位置的新坐标值为X'_n+1和Y'_n+1为：

其中，

其中，(X'_n,Y'_n)为第n个时刻位置的新坐标值，V_n和V_n-1是第n时刻和第n-1时刻的速度值；当n＝1时，x_n-1＝0,y_n-1＝0，即为参考点；X'_n＝x_n,Y'_n＝y_n。

本发明还提供了一种提高北斗导航系统定位精度的系统，所述系统包括：

参考点计算模块，用于计算参考点的位置，并以参考点为原点，建立局部坐标；

坐标转换模块，用于对接收器提供的位置数据进行坐标转换，转换到局部坐标；

位置估计模块，用于利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；

反坐标变换模块，用于将局部坐标中当前时刻的位置的新坐标值进行反坐标变换，得到全局坐标系中当前时刻的该位置的坐标值。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：过滤模块，用于对接收器接收的数据进行检查，滤除无效数据。

作为上述系统的一种改进，所述计算参考点的位置，具体包括：

获取接收器提供的参考点的多个纬度和经度，计算参考点的纬度平均值AVG_x和经度平均值AVG_y：

其中，x_i和y_i是第i个纬度和经度，N是测量次数；

则参考点的坐标值为(AVG_x，AVG_y)。

作为上述系统的一种改进，所述位置估计模块的具体实现过程为：

x_n-1和y_n-1是接收器提供的第n-1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n和y_n是接收器提供的第n时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n+1和y_n+1是接收器提供的第n+1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值，则第n+1时刻的位置的新坐标值为X'_n+1和Y'_n+1为：

其中，

其中，(X'_n,Y'_n)为第n个时刻位置的新坐标值，V_n和V_n-1是第n时刻和第n-1时刻的速度值；当n＝1时，x_n-1＝0,y_n-1＝0，即为参考点；X'_n＝x_n,Y'_n＝y_n。

本发明的优势在于：

1、本发明提出了一种基于方向和速度平均的有效位置确定方法，该方法使用纬度，经度和速度值来估计位置，而无需计算大量以前的数据；

2、本发明的方法通过采用运动平均，速度和航路点之间的距离来减少定位误差。为了提高定位精度，提出的方法集中在以下三个问题上：(a)确定更准确的参考点；(b)使用坐标平移过程减少舍入误差；以及(c)估计航路点的方向平均和速度平均；确定准确的参考点可在后续步骤中提供更准确的计算；定向平均前后的坐标平移，以计算纬度(X')和经度(Y')减少了舍入误差；最后，所提出的方法计算对应于局部坐标的新坐标位置的X'和Y'。

附图说明

图1为北斗导航系统结构示意图；

图2为卫星和北斗导航系统接收机的基本方向示意图；

图3为本发明的方法的流程图；

图4为全局坐标和局部坐标之间的坐标转换关系的示意图；

图5为使用所提出的模型计算位置的样本示意图；

图6为使用本发明的方法的仿真结果示意图；

图7(a)为本发明的方法与递归平均、ARMA插值方法的纬度值比较示意图；

图7(b)为本发明的方法与递归平均、ARMA插值方法的经度值比较示意图；

图8(a)为使用本发明所提出的方法进行的实验1中6个点的纬度值改善的详细视图；

图8(b)为使用本发明所提出的方法进行的实验2中6个点的纬度值改善的详细视图；

图8(c)为使用本发明所提出的方法进行的实验3中6个点的纬度值改善的详细视图；

图8(d)为使用本发明所提出的方法进行的实验4中6个点的经度改善的详细视图；

图8(e)为使用本发明所提出的方法进行的实验5中6个点的经度值改善的详细视图；

图8(f)为使用本发明所提出的方法进行的实验6中6个点的经度值改善的详细视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

北斗导航系统通过测量从卫星到北斗导航系统接收器的信号传播延迟来确定目标的位置。北斗导航系统结构包括三个空间、控制和用户部分，如图1所示。

北斗导航系统操作原理是基于在接收器和卫星之间的距离的范围内的测量使用传播延迟和光速。基本公式为：

D＝T_延迟+V_光速                      (1)

北斗导航系统接收机的定位值是根据从卫星接收到的信号计算得出的。图2显示了卫星和北斗导航系统接收机的基本方向。另外，通过

其中C是光速，T是北斗导航系统卫星发射信号的时间(这些时间作为发射信息的一部分提供给接收器)，t是接收来自北斗导航系统卫星的信号的时间，X，Y和Z是北斗导航系统卫星的坐标。接收机同时求解这些方程式，以确定x，y，z和t_c，其中x，y和z分别是接收机的坐标，t_c是北斗导航系统接收器时钟的时间校正。

本发明提出了一种基于方向和速度平均的有效位置确定方法，该方法使用纬度，经度和速度值来估计实际位置，而无需计算大量以前的数据，这些数据包括过去时间戳位置的坐标位置值。

如图3所示，本发明的方法通过采用运动平均，速度和航路点之间的距离来减少定位误差。为了提高定位精度，提出的方法集中在以下三个问题上：(a)确定更准确的参考点；(b)使用坐标平移过程减少舍入误差；以及(c)估计航路点的方向平均和速度平均。确定准确的参考点可在后续步骤中提供更准确的计算。定向平均前后的坐标平移，以计算纬度X'和经度Y'减少了舍入误差。最后，所提出的方法计算对应于局部坐标的新坐标位置的X'和Y'。

步骤1)过滤无效数据

检查有效数据：连接的卫星数，纬度和经度值来过滤来自接收器的北斗导航系统的无效数据。

步骤2)获取准确的参考点

来自接收器的北斗导航系统数据可能会在每个时间戳上波动。需要一个准确的起始位置，它将作为进一步估计的参考点。为了获得参考点，使用多次平均值，对固定位置数据执行该平均，以确定接收器的参考位置。为了进行多次平均，需要长时间收集固定位置的位置和时间数据，并使用(3)计算纬度和经度的多次平均值。此多次平均值在后续步骤中用作参考点：

其中x_i是参考点的第i次纬度数据，y_i是参考点的第i次经度数据，N是测量的次数。

步骤3)坐标转换

坐标平移将坐标中心位置重新定位到原始中心[0,0]以外的任何位置，并且坐标位置由新坐标中心测量。通常，全局定位中的点由三个坐标值表示，包括纬度(N或S)，经度(E或W)和高程，并且坐标值以度，分和秒表示。坐标平移的主要动机是减少舍入误差，以便更精确地确定位置。北斗导航系统中的数据计算通常使用从实际数据转换而来的十进制形式的值，这会导致舍入误差。四舍五入导致小数点后丢失一些数字；在新点估计期间，此损耗最大程度地影响了纬度或经度的秒测量。

坐标值以度，分和秒为单位，基于全局坐标中心[0，0]。坐标平移将坐标中心从[0，0]重定位到任何所需的局部坐标中心。因此，将相对于本地坐标中心计算当前导航区域中的所有位置。例如，假设地球上的位置(P)具有坐标值[N35°32'38.760”，E129°15'21.24”]。将坐标中心[0，0]平移(重新定位)到局部点[N35°，E129°]之后，位置(P)的坐标值将从[N32'38.760”，E15'21.24”]转化为本地坐标中心。图4显示全局坐标和局部坐标之间的坐标转换关系。

步骤4)计算X'和Y'的平均方向

建立方向平均模型，该模型用于估计局部坐标中的新坐标值。建立的模型根据从北斗导航系统接收器收集的转换后的坐标数据计算新的坐标值。方向的计算使用了过去和现在的速度和距离。在每个步骤中，都会确定当前和最后两个航路点的坐标值以及这些航路点之间的速度。这些值用于计算从一个点到下一个点的方向角以及这些台阶之间的距离。计算出的方向角值和距离值用于在每次迭代中计算新位置。

图5显示了使用所提出的模型计算位置的样本。点P₀,P₁,...,P₈是原始航路点，而V₀,V₁,...,V₈是速度。系统计算从P₀到P₁以及从P₁到P₂的方向角和距离，然后通过组合方向和平均距离来计新航路点P₂'，其中平均距离是用上一个点的实际距离和速度计算出来的。在此模型中，第一点，起点P₀是通过多次平均计算得出的参考点。以此方法依次估计新的航路点P₂',P₃',...,P₈'。

图5中的黑色实线是原始路径，灰色实线是估计的路径，虚线表示三个相应点的两个角度的组合方向。等式(4)代表用于位置值(X′和Y′)的估计过程：

其中

在(4)中，X'和Y'是新的估计坐标，x和y是真实的平移坐标值，V是位置数据的速度，D是计算出的距离。

本发明还提出了一种提高北斗导航系统定位精度的系统，所述系统包括：

参考点计算模块，用于计算参考点的位置，并以参考点为原点，建立局部坐标；

坐标转换模块，用于对接收器提供的位置数据进行坐标转换，转换到局部坐标；

位置估计模块，用于利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；

反坐标变换模块，用于将局部坐标中当前时刻的位置的新坐标值进行反坐标变换，得到全局坐标系中当前时刻的该位置的坐标值。

在实验中，在汽车顶部安装了一个接收器，使用带有模拟软件的笔记本电脑作为数据处理终端来计算和绘制Google Maps中的数据。北斗导航系统接收器和笔记本电脑之间的通信使用了带有串行USB转换器的串行端口。表1描述了接收器规格：

表1：

在固定地点和车辆行进时收集数据。在不同的位置进行了几次实验。图6显示了使用所提出的方法的实验结果，其中黑色圆圈代表从北斗导航系统接收器接收的真实数据，黑叉代表使用所提出的方法处理的数据。

如前所述，北斗导航系统接收器在95％的读数中具有10–15米的误差(不同误差源的组合)。从所提方法的误差分析中，在行驶时获得了4–10米的改进。

将所提出的方法与现在普遍采用的的递归平均值方法和ARMA插值方法进行比较。在不同的地方进行了几次实验。表2总结了六个实验的结果。图7(a)和图7(b)显示了三种方法的比较结果。在几个不同的实验中，观察到递归平均方法在定位精度上有很大的提高，但是估计的路点却不在道路上，因为纬度和经度的递归平均会在曲线方式上产生更多的误差。另一方面，ARMA插值具有两个系数参数，这些参数会影响新估计点的准确性。总体而言，所提出的方法在定位方面优于其他方法。

表2：本发明方法和递归平均值方法和ARMA插值方法的数据对比

图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)和图8(f)显示了使用所提出的模型进行的实验中6个点的经度和纬度值改善的更详细视图(实验1.2.3选取的纬度分量，实验3.4.5选取的经度分量)。X轴表示在实验的数据点，Y为坐标值，其中(*)线表示来自BD接收器的实验数据坐标分量值，(-)线表示本发明所提出的方法的所处理后数据的分量值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种提高北斗导航系统定位精度的方法，所述方法包括：

计算参考点的位置，并以参考点为原点，建立局部坐标；

对接收器提供的位置数据进行坐标转换，转换到局部坐标；

利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；

将局部坐标中当前时刻的位置的新坐标值进行坐标反变化，得到全局坐标系中当前时刻的该位置的坐标值；

所述利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；具体包括：

x_n-1和y_n-1是接收器提供的第n-1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n和y_n是接收器提供的第n时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n+1和y_n+1是接收器提供的第n+1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值，则第n+1时刻的位置的新坐标值为X'_n+1和Y_n'₊₁为：

其中，

其中，(X'_n,Y_n')为第n个时刻位置的新坐标值，V_n和V_n-1是第n时刻和第n-1时刻的速度值；当n＝1时，x_n-1＝0,y_n-1＝0，即为参考点；X'_n＝x_n,Y_n'＝y_n。

2.根据权利要求1所述的提高北斗导航系统定位精度的方法，其特征在于，所述方法还包括：对接收器接收的数据进行检查，滤除无效数据。

3.根据权利要求1所述的提高北斗导航系统定位精度的方法，其特征在于，所述计算参考点的位置，具体包括：

获取接收器提供的参考点的多个纬度和经度，计算参考点的纬度平均值AVG_x和经度平均值AVG_y：

其中，x_i和y_i是第i个纬度和经度，N是测量次数；

则参考点的坐标值为(AVG_x，AVG_y)。

4.一种提高北斗导航系统定位精度的系统，其特征在于，所述系统包括：

参考点计算模块，用于计算参考点的位置，并以参考点为原点，建立局部坐标；

坐标转换模块，用于对接收器提供的位置数据进行坐标转换，转换到局部坐标；

位置估计模块，用于利用前两个时刻的位置数据和速度数据，估计局部坐标中的当前时刻的位置的新坐标值；

反坐标变换模块，用于将局部坐标中当前时刻的位置的新坐标值进行反坐标变换，得到全局坐标系中当前时刻的该位置的坐标值；

所述位置估计模块的具体实现过程为：

x_n-1和y_n-1是接收器提供的第n-1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n和y_n是接收器提供的第n时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值；x_n+1和y_n+1是接收器提供的第n+1时刻的位置数据转换到局部坐标系的坐标值，则第n+1时刻的位置的新坐标值为X'_n+1和Y_n'₊₁为：

其中，

其中，(X'_n,Y_n')为第n个时刻位置的新坐标值，V_n和V_n-1是第n时刻和第n-1时刻的速度值；当n＝1时，x_n-1＝0,y_n-1＝0，即为参考点；X'_n＝x_n,Y_n'＝y_n。

5.根据权利要求4所述的提高北斗导航系统定位精度的系统，其特征在于，所述系统还包括：过滤模块，用于对接收器接收的数据进行检查，滤除无效数据。

6.根据权利要求5所述的提高北斗导航系统定位精度的系统，其特征在于，所述计算参考点的位置，具体包括：

获取接收器提供的参考点的多个纬度和经度，计算参考点的纬度平均值AVG_x和经度平均值AVG_y：

其中，x_i和y_i是第i个纬度和经度，N是测量次数；

则参考点的坐标值为(AVG_x，AVG_y)。

Images