CN113311462A - 模拟gnss信号抵近广播的定位方法 - Google Patents

Abstract

本公开是一种模拟GNSS信号抵近广播的定位方法，涉及智能交通、自动驾驶和智能汽车技术领域。将精准时钟同步的模拟GNSS信号发射器群固定设置安装在道路区域，不间断地向道路及附近有效定位区域进行模拟GNSS无线电信号的抵近广播，同样精准时钟同步的GNSS移动定位接收器测量计算与各发射器的距离，并根据各发射器的准确空间位置信息，解算自身空间位置。本方法减小或消除了传统GNSS定位中复杂因素造成的各种误差，系统设计简单实用，能够准确、快速、实时、可靠、全天候、抗干扰、抗冲击、低成本地实现智能交通和自动驾驶所要求的实时精准定位。

Description

模拟GNSS信号抵近广播的定位方法

技术领域

本发明涉及智能交通、自动驾驶和智能汽车技术领域。

背景技术

世界范围内，现有的整体城市形态，从空间结构到用途区划，从交通工具到交通系统，均由农耕与前工业的文明形态而历史性地自然演变至今，其空间结构与用途区划的形成源于城市聚居和工商业规模集中的同质化粗放性延伸扩大，其交通工具与交通系统的形成源于马车架构和小城镇生活交通形态的惯例性演变，大城市病不断蔓延、日益严重。相对于工业时代后高容积率集约型的现代大规模城市文明，相对于信息时代后突飞猛进的自动化数字化智能化技术手段，当前的城市形态缺乏层级跃迁性的协同创新，秩序导向和效率优化的城市系统架构设计相对滞后，传统的空间结构、用途区划、交通工具、交通系统等各方面协同要素的理念技术进步相对缓慢。

中国的城市形态，从规划设计到建设维护，从交通工具到系统管理，一直跟随在西方后面亦步亦趋，但继续学习复制西方文明的路在许多方面已经基本走到极限，新形势要求我们勇敢开拓出新路——世界范围内没有先例的路，无论在设计思想层面还是在科技工程层面。

提升交通系统效率和增进人类自由福祉，是城市文明创新的永恒追求，为此，近些年来，人们不断推进城市规划、基础设施、交通工具、交通方式、管理体系等各方面的创新，协同融合以带来城市文明层级跃迁的趋势渐显。

本发明作为下一代城市文明的系列发明之一，着重尝试在基础设施和交通工具方面进行设计思想与科技工程的创新。

发明内容

高可靠性的实时准确定位是智能车辆进行自动驾驶时安全攸关的核心功能要求之一，为提高适应性和准确度，当前的智能车辆往往采用多传感器融合的定位技术方案，将普通GNSS定位、差分GNSS定位(载波相位差分RTK)、惯性导航定位、激光雷达高精地图特征匹配定位、视觉高精地图特征匹配定位等技术方案混合使用，进行各种不同的组合。每一种方案的单独应用都有其弱点即不适用的场景，而多方案的融合应用既使系统设计复杂、可靠性降低，又使得系统成本高昂而难以适应民用市场，相关产品难以建立有利润的商业模式，也使得具备自动驾驶功能的智能汽车长期难以市场化普及，智能交通的时代迟迟难以到来。

普通GNSS定位受星历数据误差、卫星时钟误差、相对论效应、电离层影响、对流层影响、多径效应、接收器时钟误差、卫星星座遮挡等因素的影响，定位误差普遍较大。受多普勒频移因素影响，一些移动定位接收器设备在冷启动时需要搜索频率空间和码延迟空间，然后下载解码卫星周内时间和星历数据等，首次定位时间较长，启动慢。对于传统GNSS系统，火箭发射成本高，卫星在太空极大温差恶劣条件下工作，系统设备生命周期相对较短，更换维修相对困难，还需要地面控制站等运控支持，系统综合成本相对较高。由于信号传输距离远，卫星信号发射需要相对较高的功率，地面信号接收设备却仍需应对强度大幅度衰减后的信号，敏感度常常欠佳，技术方案中不得不付出信号放大与验证纠错等相关技术成本。

差分GNSS定位(载波相位差分RTK)技术方案的定位误差能够得到显著减小，定位准确度较高，但是仍然严苛地要求对卫星尽量无遮挡的开敞空间，卫星遮挡常使得测量精度因子DOP不理想，并且仍难以修正多径效应所致误差，因此，难以实现对包括隧道道路、桥下道路、密林道路、峡谷道路、山间道路、旁边高楼林立的城市道路等在内的连续道路的无缝全覆盖定位。实现原理上，差分GNSS定位(载波相位差分RTK)技术方案需要地面基准站或基准站网络提供的差分修正数据服务，地面基准站网络密度越高，定位修正精度越高，差分GNSS定位运营服务的综合成本也相应越高。同时，对地面基准站网络数据服务器与移动定位接收器之间的差分修正数据传输的实时性、稳定性、传输速率等要求较高，而车辆常需穿梭于隧道、桥下、密林、峡谷、山间、高楼之间等复杂环境，当前包括4G无线通讯在内的数据传输能力难以确保足够的实时、稳定和可靠。对于一些大规模服务的差分GNSS定位网络RTK服务商，其地面基准站网络的数据并不直接发送给用户移动定位接收器，而是将所有地面基准站原始数据发送给系统控制中心，而后根据移动定位接收器的单点概略定位，由控制中心计算机自动选择最佳的一组地面基准站并根据其数据计算综合误差，然后通知用户数据中心将此差分修正数据发送给移动定位接收器，此过程常常带来一定的延迟，使得实时定位其实难以真正实时，或者导致定位误差增大。另外，作为高精度测距技术手段，载波相位观测也常因外部干扰、卫星失锁等种种因素而不能满足高可靠性要求。因此，目前已有的与GNSS相关的技术方案均难以达到智能汽车安全自动驾驶的实时定位所严格要求的准确性、稳定性、可靠性和连续性。

惯性导航定位的定位准确度随时间推移而下降，误差不断累积。定位准确度较高的精密惯性导航设备成本极高，不适合民用车辆定位。

激光雷达高精地图特征匹配定位、视觉高精地图特征匹配定位的定位准确度较高，但是可靠性不足，最大障碍在于恶劣天气环境导致传感器能见度低甚至失效，不具备全天候工作能力，另外均有一定随机概率因为杂物污渍遮挡、环境标志物定位特征的灭失变化、纹理模糊失真混淆、颠簸扰动、传感器错误等复杂随机原因而导致实时定位准确度下降甚至定位功能失效。同时，高精地图信息量相对较大，采集、存储、分发的数据量也较大，对采集、存储、分发的相关数字设备与传输网络的要求相对较高，系统设计逻辑和机器执行逻辑也容易淹没在数据的海洋中不得要领反而造成各种动摇甚至冲突，由此形成的不同传感器结合高精地图进行特征匹配定位的复杂系统，硬件软件系统成本和数据运营维护成本均相对高昂，抗干扰、抗冲击、抗环境变化的能力不足，稳定性和可靠性均达不到要求。

由于智能车辆的实时精准定位与其精准控制紧密相关，对安全行驶至关重要，因此是智能交通系统的核心子系统之一，而由于智能车辆与智能交通的设计目标为普及型民用，因此，我们在系统设计时，需追求准确、快速、实时、可靠、全天候、抗干扰、抗冲击、低成本。前述各方案及其各种组合，难以全面满足要求。

为应对这些技术挑战，本发明采用的技术方法可以被通俗形象地粗略理解为“将GNSS卫星固定安装在路灯杆上进行无线电信号的抵近广播”，具体技术方法如下：将模拟GNSS信号发射器群固定设置安装在道路区域，发射器群不间断地向道路及附近区域中无信号遮挡和无多径反射的有效定位区域进行模拟GNSS无线电信号的抵近广播，GNSS移动定位接收器测量计算接收器与发射器群各发射器之间的各自距离，结合各发射器各自的准确空间位置，解算出接收器的准确空间位置；向GNSS移动定位接收器预先传输精准的同步时钟信息和信号可及的每个发射器的准确空间位置信息，以固定不变的每个发射器的准确空间位置信息取代传统GNSS定位方法中根据星历计算出的不断变动的卫星空间位置信息；发射器群里各发射器以通讯的方式保持精准时钟同步；对广播的无线电信号进行加密以增进安全性；远程对各发射器的无线电信号进行设置调整。

对应地，本发明将带来如下有益效果。

由于信号发射器群不是高速飞行在宇宙空间中的卫星，而是设置安装在道路区域的抵近的固定设备，距离交通参与者、道路、人行道等相对较近，无线电信号穿越对流层的影响极其微小，其信号传播路径在电离层以下从而自然不受电离层影响，信号发射器和接收器的相对运动速度较小则相对论效应和多普勒频移的影响极其微小，因此，相对于传统的普通GNSS定位方法，本发明遭遇的对流层影响、电离层影响、相对论效应、多普勒频移等误差因素影响大幅降低，相应误差大幅减小。此外，相对于传统GNSS系统，信号发射器群的工作环境相对温和，安装与运维成本相对较低，系统设备生命期相对较长，综合成本相对降低，且信号强度衰减极小，既可以减轻发射器的发射功率负担、降低发射器功耗，又可以提高接收器的敏感度、降低接收器技术方案中信号放大与验证纠错等相关技术成本。

信号从发射器至接收器的传输路线位于道路及其附近区域的上空开敞区域，发射器群的安装位置和信号发射方向经过因地制宜的妥善设计，可以使得信号无遮挡、无反射地直线传播至道路及其附近有效定位区域的接收器，确保测量精度因子DOP较为理想，减小或消除多径效应影响，并使得可覆盖的有效定位区域尽量大，而对受具体条件限制而无法排除信号遮挡和多径反射的区域将不设置为有效定位区域。在隧道道路、桥下道路、密林道路、峡谷道路、山间道路等难以开敞接收传统GNSS卫星信号的道路进行道路区域的发射器抵近设置安装，以及在旁边高楼林立容易导致卫星遮挡和多径效应的城市道路进行道路区域的发射器抵近设置安装，将使得传统GNSS定位系统常常遭遇的卫星信号遮挡、测量精度因子DOP不理想、多径效应等误差因素影响大幅降低或消除，实现各种道路条件的无缝全覆盖准确定位，定位连续性较好。相对于数量有限的传统GNSS卫星，模拟GNSS信号发射器可以数量更多、更加密集，接收器在同一时间有条件锁定更多的发射器，可以显著增加系统冗余。

精准的同步时钟信息以及信号可及的每个发射器的准确空间位置信息，可以被预先传输给接收器，接收器在解算定位时将以固定不变的每个发射器的准确空间位置信息取代传统GNSS定位方法中根据星历计算出的不断变动的常常包含误差的卫星空间位置信息，发射器群里各发射器以通讯的方式保持精准时钟同步。相比于传统GNSS系统，发射器和接收器之间、发射器与发射器之间的距离均较小，发射器和接收器之间、发射器与发射器之间的时钟同步误差将极其微小，因此，相对于传统的普通GNSS定位方法，本发明遭遇的星历数据误差、卫星时钟误差、接收器时钟误差等误差因素影响大幅降低，相应误差大幅减小。

由于上述各种传统GNSS定位方法的传统误差因素影响得到大幅降低或消除，因此，不再需要使用旨在减小传统误差的差分GNSS定位(载波相位差分RTK)技术方案，无需差分数据，没有差分信号处理与传输的延迟，不再需要支付对应成本。本发明的定位准确度将相对较高，信息传输与计算方法的复杂度显著降低，移动定位接收器的初始化耗时与解算耗时都可大幅缩短，实时性更佳，更稳定可靠。

相比于惯性导航定位，由于移动定位接收器不间断地接收信号、不间断地解算并刷新定位，因此定位准确度将一直保持较高水平。

相比于激光雷达高精地图特征匹配定位、视觉高精地图特征匹配定位，本发明能够取得同样较高的定位准确度，却不存在杂物污渍遮挡、环境标志物定位特征的灭失变化、纹理模糊失真混淆、颠簸扰动、传感器错误等复杂随机原因而导致实时定位准确度下降甚至定位功能失效的风险，也不再受困于数据量巨大的高精地图，不再需要对应的采集、存储、分发的设备与网络，系统设计逻辑和机器执行逻辑更加简单而可靠，硬件软件系统成本和数据运营维护成本相对较低，同时仍将保持传统GNSS系统适用于各种复杂恶劣天气和能见度的全天候工作能力，受天气条件影响较小，抗干扰、抗冲击、抗环境变化的能力较强，稳定性可靠性较高。

由于传统GNSS系统在数十年的发展中已经形成久经考验的成熟产业，无论是发射设备还是接收设备，无论是制造设备还是运维设备，均厂商众多，价格相对低廉，硬件体积普遍较小，功耗普遍较低，工艺、性能、产量与质量上普遍较为成熟稳定，供应可及性与可选择性较好，因此，本发明对应的系统成本将相对较低，简单实用，可靠性高，易于集成或更换，方案成熟，产品生命周期长，平实拙朴，适宜大规模民用普及。

综上，本发明将准确、快速、实时、可靠、全天候、抗干扰、抗冲击、低成本地实现道路及其附近有效定位区域的智能交通参与者实时准确定位，将推动具备自动驾驶功能的智能车辆尽快市场化普及，以智能车辆大量普及为必要特征的未来智能交通也将因此能够早日到来。

本文中所述的“GNSS”，是指全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem)，泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，全球系统例如美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo、中国北斗卫星导航系统，区域系统例如日本QZSS，增强系统例如美国WAAS(广域增强系统)、欧洲EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)、日本MSAS(多功能运输卫星增强系统)，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

本文中的所述“抵近”，是指本发明中的信号发射器群于道路区域固定设置安装，其无线电广播至定位接收器的距离，相比于太空轨道中卫星无线电广播至地面定位接收器的距离而言，相对极小，因此称为“抵近”。

具体实施方式

本发明适用于对各种道路交通参与者进行准确定位，尤其适用于智能车辆的自动驾驶功能所需的道路范围内的实时准确定位。本发明也适用于其他各种智能交通参与者，以及各种在有效定位区域里有准确定位测量相关需求的其他情况。

如前所述，本发明采用的技术方法可以被通俗形象地粗略理解为“将GNSS卫星固定安装在路灯杆上进行无线电信号的抵近广播”，实施例如下。将模拟GNSS信号发射器群设置安装在道路临空上方与侧方的便于信号向道路及其附近区域抵近传输且无遮挡无反射的适当位置，例如道路旁边的立杆上、道路上空的龙门架上、隧道的拱顶拱腰位置、桥下道路上方桥梁的边沿下沿位置、道路旁高楼朝向道路侧的外墙高处等，因地制宜地妥善设计发射器的设置安装位置和信号发射方向，严格保证设置安装相关的结构物、构筑物与安装部件的坚固稳定的物理连接，安装完毕后准确测量记录发射器群里各发射器的空间位置。使用时，发射器不间断向道路及其附近区域广播模拟GNSS信号，当具备自动驾驶功能的智能车辆明确规划路途后，其定位功能模块可以沿途收到信号可及的信号发射器自身以无线电信号发送的本发射器准确空间位置数据，也可以预先通过数据通讯收到规划路途沿线的各发射器的准确空间位置数据。在行驶过程中，车辆定位接收器不间断地锁定与其几何构型最佳、测量精度因子DOP最为理想的若干发射器，与GNSS定位原理一致地，测量计算出接收器与各发射器的距离，结合各发射器的准确空间位置，实时解算出车辆在道路中的准确位置。

一个实施例如下。模拟GNSS信号发射器可以在GPS L1频率进行广播，其发射功率经过妥善设计，使有效定位区域内的信号强度显著高于真正的卫星GPS信号，从而使标准的传统民用GPS接收器芯片或模块在适当的硬件软件设置后即可轻松捕获较强信号并解算定位，而不会与真正的卫星GPS信号相互混淆干扰。

一个实施例如下。智能车辆进入某交通段时，通过无线通讯的方式，将其定位接收器与交通段内所有发射器的时钟数据进行精准同步，交通段内的各发射器时钟也定期通过有线通讯或无线通讯的方式进行精准同步。

一个实施例如下。可以对广播的无线电信号进行加密以增进安全性，防止其他来源的模拟GNSS信号对用户定位造成错误干扰甚至对智能车辆造成欺骗劫持。

一个实施例如下。可以通过有线通讯或无线通讯的方式，远程对各发射器的无线电信号进行设置调整，例如将信号模拟的卫星定位系统从GPS调整到北斗系统。

一个实施例如下。有效定位区域内的人行道上的行人，可以凭借其手持智能设备的普通GNSS定位功能取得较高精度的定位，从而引导自动驾驶的智能车辆准确地停靠在其身旁的路边。

一个实施例如下。在道路及其附近有效定位区域的路面、路基、桥面、桥梁、水坝、岸堤、建筑等构筑物相关需求位置，使用固定设置安装的定位接收设备，对沉降、位移、形变等数据进行监测，以实现对道路、桥梁、水坝、岸堤、建筑等构筑物的地质性沉降和物理性形变的监测或报警。

一个实施例如下。在道路及其附近有效定位区域的相关需求位置，使用固定设置安装的定位接收设备，对地震形变、地质位移和大陆板块运动进行监测。

Claims (6)

1.一种定位方法，其特征是：将模拟GNSS信号发射器群固定设置安装在道路区域，发射器群不间断地向道路及附近区域中无信号遮挡和无多径反射的有效定位区域进行模拟GNSS无线电信号的抵近广播，GNSS移动定位接收器测量计算接收器与发射器群各发射器之间的各自距离，结合各发射器各自的准确空间位置，解算出接收器的准确空间位置。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：向GNSS移动定位接收器预先传输精准的同步时钟信息。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：向GNSS移动定位接收器预先传输信号可及的每个发射器的准确空间位置信息，以固定不变的每个发射器的准确空间位置信息取代传统GNSS定位方法中根据星历计算出的不断变动的卫星空间位置信息。

4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：发射器群里各发射器以通讯的方式保持精准时钟同步。

5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：对广播的无线电信号进行加密以增进安全性。

6.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：远程对各发射器的无线电信号进行设置调整。