CN113777637A - 基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，首先由定位服务器将提供辅助定位信息通过网络发送给智能终端，智能终端利用这些数据捕获卫星信号，计算出智能终端到卫星的伪距，然后智能终端通过网络将伪距信息返回给定位服务器，最后由定位服务器来计算终端位置。定位服务器将位置和地图数据信息通过网络传输到智能终端，或者在网络信号不好的情况下，智能终端进入离线模式进行定位。智能终端采用地图匹配算法，将位置信息匹配至电子地图中，发送给相应的用户平台或者服务器。本发明显著加快卫星导航系统定位速度和定位精度，增加系统灵敏度及可用性。

Description

基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，属于卫星导航定位解算技术领域。本发明主要应用于智能交通系统中。

背景技术

卫星定位具有精度高、低成本、可独立工作等优点，但在信号环境不好的条件下，数据从卫星下载到接收机需要花费数分钟、小时，甚至失败。飞速发展和日益普及的移动通信网络开发了若干利用移动通信网进行定位服务的技术，然而单纯利用网络进行定位精度较差，并且需要对有些网络进行大规模的改造。面对复杂的城市环境，单一的定位方式无法满足要求，在这种情况下，由北斗卫星导航系统与无线网络相结合而成的网络辅助北斗卫星导航系统(ABDS)应时而生，它即利用北斗系统的高精度定位特点，又结合移动通信网的普及和高覆盖率，成为了大众对定位系统的一种需求。

在智能终端导航应用领域，在智能终端拥堵和高楼林立的场景下，对智能终端定位提出了更高的要求。现有网络辅助北斗卫星导航系统ABDS采用在线辅助定位模式，智能终端快速获得辅助定位信息，该方法在遮挡及卫星信号盲区环境下可能会受到网络信号不佳的影响，在城市复杂路况下定位结果也会出现不连续不准确的情况。

发明内容

本发明需解决的技术问题是，提供一种快速定位且定位精度高的基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采取技术方案包括如下步骤：

步骤1、智能终端将本身的基站地址通过无线网络传输到定位服务器；

步骤2、定位服务器根据智能终端的大概位置传输与伪距测量相关的BD辅助信息和位置计算的辅助信息到智能终端；

步骤3、智能终端解调接收到BD原始信号后，计算智能终端到卫星的伪距；

步骤4、智能终端将伪距信息通过无线网络传输到定位服务器，定位服务器根据传来的BD伪距信息完成对BD信息的处理，并估算智能终端的位置；

步骤5、智能终端采用地图匹配算法，获得智能终端在地图上匹配位置信息，分为三个步骤，即确定误差区域、确定匹配路段和修正定位结果，具体实施方式如下：

采用概率统计法确定误差区域：利用定位方差值计算出在一定置信度下的智能终端真实位置范围，并将此范围内的所有路段作为候选的匹配路段；

采用相关系数法来确定匹配路段：在所有备选道路中选择相关性最高的一条道路，即为智能终端的真实行驶路径；

采用垂直投影法来修正定位结果：通过组合定位的定位点向匹配路段作投影，将智能终端在匹配道路上的投影点作为智能终端的当前位置。

进一步的，所述步骤2中，智能终端将辅助信息中的历书信息存储在外部存储器中，用于离线辅助工作在没有网络连接的情况下使用。

进一步的，所述步骤4中，定位服务器将智能终端的位置和地图数据信息通过无线网络传输到智能终端，同时将地图信息存储在外部存储器中，

在无网络信号时，智能终端进入离线模式，通过存储的星历参数来得到相应卫星的空间位置，并估算该智能终端的位置。

进一步的，所述步骤5采用概率统计法确定误差区域，具体如下：

利用定位方差值计算出在一定置信度下的智能终端真实位置范围，并将此定位误差椭圆范围内的所有路段作为候选的匹配路段；

将椭圆的误差范围转化成2a*2b的矩形；

将地图数据信息划分成1m*1m的网格数据，将误差范围内的网格信息道路设置为匹配路段库。

进一步的，所述步骤5采用相关系数法来确定匹配路段，具体方法如下：

利用交叉路口、拐弯路口或曲线路段的道路特性对测得的定位数据进行校正；

由相关性算法计算出智能终端导航系统定位得到的运动轨迹与i组地图行驶轨迹的相关性系数，相关性系数越大相关性越高；

如果两条道路的相关性接近相同，则计算智能终端速度方向与路段范围的接近程度，即W＝cos(ψ_BD-ψ_map)，ψ_BD和ψ_map分别是实际运动方向和地图的路段方位角，当两个角度之差大于90度时，W值为负数，W越大，则两条路线的接近程度越高；

在所有备选道路中选择相关性最高的一条道路，即为智能终端的真实行驶路径。

进一步的，所述步骤5采用垂直投影法来修正定位结果，具体如下：

在采用相关相关系数法确定了智能终端的当前行使路径上，设有转角两顶点A、B，G为测得的智能终端所在位置，过G作AB的垂线，得到投影点P，则P就为智能终端的匹配位置。

进一步的，所述步骤2中与伪距测量相关的BD辅助信息包括BD捕获辅助信息、BD定位辅助信息、BD灵敏度辅助信息、BD卫星工作状况信息，所述位置计算的辅助信息包括BD历书以及修正数据、BD星历、BD导航电文。

与现有技术对比，本发明有益效果如下：

本发明利用网络辅助定位技术，将卫星定位的高精度和无线网络的实时性高的特征进行融合，ABDS提高了捕获性能，通过移动网络提供数据给BDS接收机，如星历，历书，准确时间和卫星状态。辅助信息使接收机在恶劣信号条件下，能在数秒内计算出位置。本发明在BDS中引入无线网络的辅助作用，显著加快BDS系统定位速度，降低系统首次定位的时间，增加系统灵敏度及可用性。

本发明提供一种离线模式，智能终端将历书辅助信息存储在外部存储器中，在无线网络信号差的条件下，可以自动加载历书信息进行星况预测，实现可见卫星信号的快速捕获，提高定位速度。

本发明提供的与伪距测量相关的BD辅助信息和位置计算的辅助信息可以提升BD信号的第一锁定时间TTFF能力。

本发明提供的地图匹配算法则将定位模块输出的位置估计与地图数据库提供的道路位置信息进行比较，并通过适当的匹配模式和识别过程来确定智能终端当前的行驶路段以及在路段中的准确位置。通过地图匹配，能够较为连续和准确地得到智能终端的位置信息，改善智能终端导航系统的定位精度。不仅可以减少导航系统在硬件上的投入，而且可以提高智能终端匹配到路段上的正确率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于北斗卫星导航的无线网络辅助定位方法的总体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的技术方案进行详细说明：

本发明提供了基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法。如图1所示，本发明的基本原理是：网络向ABDS智能终端提供辅助BDS信息，这个辅助信息分为两部分，第一部分是BDS伪距测量的辅助信息，包括BDS捕获辅助信息、BDS定位辅助信息、BDS灵敏度辅助信息、BDS卫星工作状况信息等；第二部分用于计算ABDS终端位置的辅助信息，如BDS历书以及修正数据、BDS星历、BDS导航电文等。利用这些信息，智能终端可以很快地捕获卫星，接收到BDS卫星的测量信息，然后将测量信息通过无线网络发送给网络中的定位服务器，定位服务器根据接收到的卫星导航信号计算出移动终端当前所处的位置与电子地图数据一同发送出去，智能终端使用地图匹配算法将位置信息匹配至电子地图中，发送给相应的用户平台或者服务器。

作为本发明的实施例具体步骤如下：

步骤1、智能终端首先将本身的基站地址通过无线网络传输到定位服务器。当智能终端发起定位请求的时候，首先要通过电信网路的小区标号提供自己的相对位置。所述无线网络包括GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000以及5G网络。

步骤2、定位服务器根据该智能终端的大概位置传输与该伪距测量相关的BD辅助信息(BDS捕获辅助信息、BDS定位辅助信息、BDS灵敏度辅助信息、BDS卫星工作状况信息等)和位置计算的辅助信息(BDS历书以及修正数据、BDS星历、BDS导航电文等)到智能终端。

步骤3、智能终端解调接收的BD原始信号后，通过快速捕获跟踪解算得到智能终端到卫星的伪距。

步骤4、智能终端将有关信息通过网络传输到定位服务器，定位服务器根据传来的BD伪距信息完成对BD信息的处理，通过的星历参数来得到相应卫星的空间位置，并估算该智能终端的位置。需要至少4颗卫星才能做卫星定位。根据距离公式得到定位方程:

上述方程中，卫星i的三维坐标表示为(x_i,y_i,z_i)，传播速度c为光速，智能终端与卫星的时钟差为Δt、伪距为P_ci。由此方程组可以算出智能终端的时钟差和智能终端最终坐标(x,y,z)。

步骤5、智能终端采用地图匹配算法，获得智能终端在地图上匹配位置信息。

所述地图匹配算法分为三个步骤，即确定误差区域、选择匹配路段和修正定位结果，具体实施方式如下：

采用概率统计法确定误差区域：利用定位方差值计算出在一定置信度下的智能终端真实位置范围，并将此范围内的所有路段作为候选的匹配路段；

采用相关系数法来确定匹配路段：在所有备选道路中选择相关性最高的一条道路，即为智能终端的真实行驶路径；

采用垂直投影法来修正定位结果：通过组合定位的定位点向匹配路段作投影，算法最后将智能终端在匹配道路上的投影点作为智能终端的当前位置。

步骤6、智能终端可以根据需要把地图匹配位置信息发送给相应的用户平台或者服务器，使用户可以清楚地从地图上看到自己所处的道路和位置点，提高了定位性能，使定位结果更加准确、平滑。

在本发明的一些实施例中，所述步骤2中，智能终端将辅助信息中的历书信息存储在外部存储器中。离线辅助工作在没有网络连接的情况下，在启动时就立即可用，消除了连接建立的延时，下载等待时间和呼叫费用。

进一步的，所述步骤4中，定位服务器将智能终端的位置和地图数据信息通过网络传输到智能终端，同时将地图信息存储在外部存储器中。

在无网络信号时，智能终端进入离线模式，通过存储的星历参数来得到相应卫星的空间位置，并估算该智能终端的位置，提升捕获性能，使定位时间在数秒。

在本发明的一些实施例中，所述步骤5采用概率统计法确定误差区域，具体如下：

利用定位方差值计算出在一定置信度下的智能终端真实位置范围，并将此范围内的所有路段作为候选的匹配路段。假设组合定位的东向与北向的误差方差分别为

与

并且在这两个方向的误差协方差为σ_en，则定位误差椭圆的长半径a与短半径b分别等于

误差椭圆长轴相对于北向的、以弧度为单位的夹角ψ等于

其中，κ为放大倍数，对于置信度为99％的椭圆误差范围，κ可取值为3.03。

为了方便判断路段与定位误差范围之间的几何关系，将椭圆的误差范围转化成2a*2b的矩形。将地图数据信息划分成1m*1m的网格数据，将误差范围内的网格信息道路设置为匹配路段库。

在本发明的一些实施例中，所述步骤5采用相关系数法来确定匹配路段，具体方法如下：

相关性算法的原理如下：利用交叉路口、拐弯路口或曲线路段的道路特性对测得的定位数据进行校正。设定智能终端在t＝1、2、......、k，k≤N时刻内，智能终端导航系统定位得到的运动轨迹分别为S₁,S₂,……S_k,对应到电子地图中可能的行驶轨迹有i条，这i条路段的位置与航向均己知。电子地图与导航系统测量得到的相应的数据的轨迹分别为L_i1,L_i2，……,L_ik。由相关性算法计算出轨迹与i组地图数据的相关性系数，即

式中，

相关性系数ρ_i即表示导航系统测量得到的轨迹与匹配路段库某一条道路的相似性，ρ_i越大相关性越高。

如果两条道路的相关性接近相同，则计算智能终端速度方向与路段范围的接近程度，即W＝cos(ψ_BD-ψ_map)，上式中ψ_BD和ψ_map分别是实际运动方向和地图的路段方位角，当两个角度之差大于90度时，W值为负数。W越大，则两条路线的接近程度越高。在所有备选道路中选择相关性最高的一条道路，即为智能终端的真实行驶路径。

在本发明的一些实施例中，所述步骤5采用垂直投影法来修正定位结果，具体如下：

采用垂直投影法来修正定位结果。通过组合定位的定位点向匹配路段作投影，将智能终端在匹配道路上的投影点作为智能终端的当前位置。在采用相关相关系数法确定了智能终端的当前行使路径上，设有转角两顶点A、B，G为测得的智能终端所在位置，过G作AB的垂线，得到投影点P。则P就为智能终端的匹配位置。

假设A和B的东、北向坐标值分别为(x₁,y₁)与(x₂,y₂)，那么经过A和B的直线方程为：

(y₁-y₂)x+(x₂-x₁)y+(x₁y₂-x₂y₁)＝0

若点G的坐标值为(e,n)，则它在上述直线上的垂直投影点P的坐标值(x_p,y_p)为

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、智能终端将本身的基站地址通过无线网络传输到定位服务器；

步骤2、定位服务器根据智能终端的大概位置传输与伪距测量相关的BD辅助信息和位置计算的辅助信息到智能终端；

步骤3、智能终端解调接收到BD原始信号后，计算智能终端到卫星的伪距；

步骤4、智能终端将伪距信息通过无线网络传输到定位服务器，定位服务器根据传来的BD伪距信息完成对BD伪距信息的处理，并估算智能终端的位置；

步骤5、智能终端采用地图匹配算法，获得智能终端在地图上匹配位置信息，分为三个步骤，即确定误差区域、确定匹配路段和修正定位结果，具体实施方式如下：

采用概率统计法确定误差区域：利用定位方差值计算出在一定置信度下的智能终端真实位置范围，并将此范围内的所有路段作为候选的匹配路段；

采用相关系数法来确定匹配路段：在所有备选道路中选择相关性最高的一条道路，即为智能终端的真实行驶路径；

采用垂直投影法来修正定位结果：通过组合定位的定位点向匹配路段作投影，将智能终端在匹配道路上的投影点作为智能终端的当前位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，所述步骤2中，智能终端将辅助信息中的历书信息存储在外部存储器中，用于离线辅助工作在没有网络连接的情况下使用。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助定位方法，其特征在于，所述步骤4中，定位服务器将智能终端的位置和地图数据信息通过无线网络传输到智能终端，同时将地图信息存储在外部存储器中，

在无网络信号时，智能终端进入离线模式，通过存储的星历参数来得到相应卫星的空间位置，并估算该智能终端的位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，所述步骤5采用概率统计法确定误差区域，具体如下：

利用定位方差值计算出在一定置信度下的智能终端真实位置范围，并将此定位误差椭圆范围内的所有路段作为候选的匹配路段；

将椭圆的误差范围转化成2a*2b的矩形；

将地图数据信息划分成1m*1m的网格数据，将误差范围内的网格信息道路设置为匹配路段库。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，所述步骤5采用相关系数法来确定匹配路段，具体方法如下：

利用交叉路口、拐弯路口或曲线路段的道路特性对测得的定位数据进行校正；

由相关性算法计算出智能终端导航系统定位得到的运动轨迹与i组地图行驶轨迹的相关性系数，相关性系数越大相关性越高；

如果两条道路的相关性接近相同，则计算智能终端速度方向与路段范围的接近程度，即W＝cos(ψ_BD-ψ_map)，ψ_BD和ψ_map分别是实际运动方向和地图的路段方位角，当两个角度之差大于90度时，W值为负数，W越大，则两条路线的接近程度越高；

在所有备选道路中选择相关性最高的一条道路，即为智能终端的真实行驶路径。

6.根据权利要求4所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，所述步骤5采用垂直投影法来修正定位结果，具体如下：

在采用相关相关系数法确定了智能终端的当前行使路径上，设有转角两顶点A、B，G为测得的智能终端所在位置，过G作AB的垂线，得到投影点P，则P就为智能终端的匹配位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，所述步骤2中与伪距测量相关的BD辅助信息包括BD捕获辅助信息、BD定位辅助信息、BD灵敏度辅助信息、BD卫星工作状况信息，所述位置计算的辅助信息包括BD历书以及修正数据、BD星历、BD导航电文。

8.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的无线网络辅助地图匹配定位方法，其特征在于，所述无线网络包括GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000以及5G网络。

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