CN117970399B - 一种在复杂城市环境下的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在复杂城市环境下的定位方法，包括获取不同卫星的测试数据，计算所有卫星与接收机之间的位置数据，依据位置数据生成显示卫星与接收机之间位置情况的卫星位置图；以接收机为圆心，正北方为起始方向均匀划分出若干象限；获取卫星若干历元的高度角信息以生成高度角信息队列，依据高度角信息队列区分消失卫星、遮挡卫星和有效卫星，获取遮挡卫星所在象限，通过遮挡策略确定最终遮挡面；所述最终遮挡面包括若干遮挡区，获取最终遮挡面内遮挡区数量和遮挡区内象限的数量，依据这两个数量确定环境情况。本发明能够自动识别导航场景，依据导航场景自行设定不同卫星的导航权重，实现数据层面提高导航在复杂环境下的准确性。

Description

一种在复杂城市环境下的定位方法

技术领域

本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种在复杂城市环境下的定位方法。

背景技术

全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellie System)，包括中国北斗、美国GPS、俄罗斯的GLOANASS和欧洲的GALILEO，GNSS可为用户提供全天候的三维坐标、速度信息和时间信息。终端通过解析由卫星端发射的电磁波信号，可得到卫星位置、终端与卫星的距离等信息，当同时观测到4颗及以上的卫星时，即可通过简单的几何关系，实现单点定位。GNSS终端解译出的观测值会受到各种误差源的影响，目前，关于误差的建模与抑制，主要可分为硬件层面和数据后处理。其中，硬件层面主要集中于天线的性能改良、接收机处理信号水平和接收机内部跟踪环。然而硬件层面的改良费用过高，对于终端用户而言这种成本是无法接受的。特别是在复杂城市环境导航任务中，由于上空遮蔽不同环境对GNSS信号的干扰特性有明显差异，影响导航的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种在复杂城市环境下的定位方法，能够自动识别导航场景，依据导航场景自行设定不同卫星的导航权重，实现数据层面提高导航在复杂环境下的准确性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种在复杂城市环境下的定位方法，包括步骤一，获取不同卫星的测试数据，计算所有卫星与接收机之间的位置数据，依据位置数据生成显示卫星与接收机之间位置情况的卫星位置图；

步骤二，以接收机为圆心，正北方为起始方向均匀划分出若干象限；

步骤三，获取卫星若干历元的高度角信息以生成高度角信息队列，依据高度角信息队列区分消失卫星、遮挡卫星和有效卫星，获取遮挡卫星所在象限，通过遮挡策略确定最终遮挡面；

步骤四，所述最终遮挡面包括若干遮挡区，获取最终遮挡面内遮挡区数量和遮挡区内象限的数量，依据这两个数量确定环境情况。

进一步的，所述高度角信息队列生成方法为：持续获取卫星若干历元其卫星的高度角信息，依据历元顺序依次排列高度角信息以生成该卫星的高度角信息队列；

每个卫星使用相同的方法生成对应的高度角信息队列。

进一步的，区分所述卫星种类包括：获取卫星的高度角信息队列，判断当前历元是否接收到测试数据，是，有效卫星，否，判断前一历元是否接收到测试数据，否，卫星种类与前一历元相同；是，判断前一历元的高度角是否超过第一阈值，是，遮挡卫星，否，消失卫星；

使用相同的方法确定当前历元所有卫星的种类。

进一步的，所述高度角信息队列以先进先出原理存储固定个历元的高度角信息，用于节省存储空间。

进一步的，所述遮挡策略包括：获取当前历元有效卫星和遮挡卫星所在象限，将遮挡卫星所在象限和与前后相邻象限共同构成初始遮挡面，若相邻象限内不存在有效卫星，扩大至含有效卫星的最接近象限；

融合重叠的初始遮挡面生成遮挡区，所有遮挡区共同形成最终遮挡面。

进一步的，所述环境情况包括开阔地带、局部遮挡地带、半边天遮挡地带、峡谷遮挡地带、顶部遮挡地带；

判断当前环境情况包括：确定最终遮挡面内遮挡区的数量，若遮挡区为0，为空旷环境；若遮挡面为1，判断遮挡区内象限数是否超过第二阈值，否，局部遮挡地带，是，判断遮挡区内象限数是否超过第三阈值，否，半边天遮挡地带，是，顶部遮挡地带；若遮挡面为2，峡谷遮挡地带。

进一步的，获取当前历元其有效卫星的高度角、有效卫星的信噪比和环境情况，通过联合定权策略确定每个有效卫星的定位权重，进行定位计算；

所述联合定权策略包括方差公式：

var=R^2*(a^2+(b^2/sin(el)+c^2*(10^(0.1*(snr_max-snr_rover)))))，

其中：var为方差，R为常规伪距方差参数，a为控制不同系统权比重大小的参数；b为控制高度角占权比重的参数，el为高度角；c为控制信噪比占权比重的参数，snr_max为信噪比阈值，snr_rover为接收机信噪比；

依据当前历元的环境情况、有效卫星的高度角和测试数据的信噪比调整a、b、c的参数值，进而调整有效卫星的定位权重。

进一步的，所述参数a、b、c的调整方法为：

为为开阔地带，不调整参数a、b、c的值；

为局部遮挡地带，判断遮挡区内有效卫星的高度角是否超过第一高度角阈值，否，不调整，是，判断信噪比是否超过第一信噪比阈值，否，不调整，是，提高a的值；

为半边天遮挡地带，获取所有有效卫星的高度角信息，判断卫星高度角是否超过第二高度角阈值，否，不调整卫星权重，是，提高b的值；

为峡谷遮挡地带，提高遮挡区中有效卫星其a的值，并获取非遮挡区内所有有效卫星的高度角，判断高度角是否超过第三高度角阈值，否，不调整权重，是，提高b的值；

为顶部遮挡地带，获取所有有效卫星的高度角，判断高度角是否超过第四高度角阈值，是，不调整权重，否，提高c的值。

进一步的，所述联合定权策略包括：通过IGG-III校验方差var，进一步调整有效卫星的定位权重。

进一步的，所述IGG-III校验的方法为：S1、依据方差var确定卫星权重，完成初次位置解算，以计算出每个有效卫星的残差；

S2、依据残差计算其噪声放大因子，以去除异常卫星权重；

S3、去除异常卫星权重后，重新进行位置解算，依据新计算的位置解算值计算每个有效卫星的定位权重；

S4、通过加权最小二乘法对有效卫星其权重修正后的残差进行估计，跳转至S2，进行数据循环迭代，直至有效卫星的噪声放大因子收敛或达到预定的迭代次数。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过高度角信息队列确定遮挡卫星和有效卫星，再依据遮挡卫星和有效卫星确定最终遮挡面，依据最终遮挡面确定环境内的遮挡情况，以便依据遮挡情况和不同卫星的观测值进行权改善，能够有效的提高了计算效率和定位精度。

通过IGG-III校验方差var，反向修正参数方差var的值，提高观测值的抗差性，进一步提高定位精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种在复杂城市环境下的定位方法的整体系统图；

图2是本发明的一种在复杂城市环境下的定位方法的中不同环境情况的卫星位置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种在复杂城市环境下的定位方法，如图1所示，为环境情况的识别方法，包括步骤一，获取不同卫星的测试数据，计算所有卫星与接收机之间的位置数据，依据位置数据生成显示卫星与接收机之间位置情况的卫星位置图。

以汽车在南方城市道路上行驶为例：接收机持续接收若干连续历元的测试数据，接收机每个历元可接收若干卫星的测试数据，且每个历元的卫星种类不完全相同。依据每个历元的测试数据计算出卫星与接收机之间的相对位置和位置变化情况。

步骤二，以接收机为圆心，正北方为起始方向均匀划分出若干象限。

卫星位置图可直观的显示接收机与卫星的相对位置，为方便依据卫星被遮挡情况确定遮挡面，在卫星位置图内以接收机位置为圆心，正北方向为起始位置，每间隔固定角度划分一象限，将卫星位置图划分成若干大小均匀，且为扇形结构的象限。

本申请的实施例为：卫星位置图为圆形结构，接收机位于卫星位置图的圆心，以正北方向为起始位置，每间隔30度划分一象限，可将卫星位置图均匀划分成12个扇形结构的象限。

步骤三。获取卫星的高度角信息队列，依据高度角信息队列区分消失卫星、遮挡卫星和有效卫星，获取遮挡卫星所在象限，通过遮挡策略确定最终遮挡面。

高度角信息队列的生成过程为：获取若干连续历元的卫星种类和卫星高度角信息，依据每个卫星其连续历元的高度角信息生成高度角队列。由于接收机会持续获测试数据，为节省存储空间，高度角队列内仅存储固定数量的高度角信息，高度角队列使用先进先出原理存储固定数量的高度角信息。

本申请的一个实施例为：高度角队列可存储20个高度角信息，第一个历元接收5个卫星的测试数据，将这5个卫星的高度角写入高度角队列的第一列；第二个历元接收6个卫星的测试数据，并将这6个高度角写入第二列内，同卫星的高度角信息写在同一列，新出现卫星的高度角信息另写一行。持续上述过程，当接收到第二十一个历元的测试数据后，删除第一列内的高度角信息，并将第二十一个历元获取的卫星高度角信息写入第一列内。

获取高度角信息队列中前一历元和当前历元的高度角信息、前一历元的卫星种类信息，并依据卫星种类区分策略判断当前历元的卫星种类。

卫星种类包括：消失卫星、遮挡卫星、有效卫星。为方便区分新出现卫星和遮挡卫星，将消失卫星的高度角定义成0度，被遮挡卫星的高度角标记为-1度。

高度角信息队列的实施例为：

第一行表示卫星名称，剩余行为卫星高度角。如G03卫星，代表了被遮挡的卫星，G04代表了消失的卫星，其中：其中：G表示被遮挡卫星，03或04表示卫星次序；E27代表了一直存在的卫星，其中：E表示始终存在的有效卫星，27表示卫星次序；C32代表了消失后重新出现的卫星，其中：C表示消失后重新出现的有效卫星，32表示卫星次序。

消失卫星为长时间消失的卫星，包括长时间未出现的卫星，或因高度角逐渐变小自然消失的卫星；遮挡卫星为短时间消失的卫星，包括被建筑物或山峰遮挡的卫星；有效卫星为未被遮挡卫星，能够正常接收测试数据的卫星，其中消失卫星和遮挡卫星均无法接收测试数据。

卫星种类区分策略：获取所有卫星的高度角信息队列，判断当前历元是否接收到测试数据，是，有效卫星，否，判断前一历元是否接收到测试数据，否，卫星种类与全一历元相同；是，判断前一历元的高度角是否超过第一阈值，是，遮挡卫星，否，消失卫星。

本申请的一个实施例为：第一阈值为15度，由于南北地区的地理环境不同，不同地理区域，其第一阈值不同，北方多为平原，南方多为盆地，因此北方地区的第一阈值小于南方地区的第一阈值。

第一个卫星在当前历元的高度角为20度，无论该卫星之前历元是否接收到测试数据，当前历元均定义成有效卫星。第二个卫星当前历元未接收到测试数据，但前一历元的高度角为17度，则该卫星为遮挡卫星，高度角定义成-1度。第三个当前历元未接收到测试数据，但前一历元的高度角为13度，则该卫星为消失卫星，高度角定义成0度。若前一历元和当前历元均未接收到测试数据，则当前历元的卫星总类与前一历元相同。

遮挡策略包括：确定当前历元其卫星位置图上的有效卫星和遮挡卫星，将遮挡卫星所在象限和相邻前后象限定义成初始遮挡面，判断初始遮挡面两端象限内是否有有效卫星，否，初始遮挡面扩大至含有效卫星的最接近象限，是，不扩大初始遮挡面；在融合重叠的初始遮挡面生成最终遮挡面。

步骤四，获取最终遮挡面内遮挡区数量和遮挡区内象限的数量，以确定当前环境情况。

最终遮挡面包括若干遮挡区，由于不同地理环境，遮挡区数量和遮挡区内象限的数量不同。环境情况包括开阔地带、局部遮挡地带、半边天遮挡地带、峡谷遮挡地带、顶部遮挡地带。

当前环境情况的确定方法：确定遮挡区域内遮挡区的数量，若遮挡区为0，为空旷环境；若遮挡面为1，判断遮挡区内象限数是否超过第二阈值，否，局部遮挡地带，是，判断遮挡区内象限数是否超过第三阈值，否，半边天遮挡地带是，是，顶部遮挡地带；若遮挡面为2，峡谷遮挡地带。

如图2所示，南方为多山谷和多隧道的地理环境，本申请的一个实施例为：卫星位置图包括12个象限，每个象限对应30度，第二阈值为180度，第三阈值为270度。

开阔地带对应图2中的（a），表示接收机周围无遮挡物；局部遮挡地带对应图2中的（b）和（c），表示接收机四周仅有一个遮挡物，且遮挡区域的连续角度小于180度，图2中的（b）中的遮挡物的宽度小于图2中的（c）；半边天遮挡地带对应图2中的（d），表示接收机四周的遮挡区域的连续角度超过180度，但不超过270度；顶部遮挡地带对应图2中的（e），表示接收机顶面和左右两侧都被遮挡，仅前后两侧没有被遮挡；峡谷遮挡地带对应图2中的（f），表示接收机两侧都有遮挡物。

基于上述环境识别方法的权重评定方法：获取当前历元其有效卫星的高度角、有效卫星的信噪比和环境情况，并通过联合定权策略确定每个有效卫星的定位权重，提高定位准确性。

联合定权策略包括方差公式：

var=R^2*(a^2+(b^2/sin(el)+c^2*(10^(0.1*(snr_max-snr_rover)))))，

式中，var为方差，表示有效卫星其权重的倒数，R为常规伪距方差参数，a为控制不同系统权比重大小的参数；b为控制高度角占权比重的参数，el为高度角；c为控制信噪比占权比重的参数，snr_max为信噪比阈值，snr_rover为接收机信噪比。

依据接收机所在的环境场景、卫星高度角和测试数据的信噪比调整a、b、c的参数值，以计算方差var，确定有效卫星权重，并通过IGG-III校验方差var，进一步调整有效卫星的定位权重。

IGG-III的方法为：依据方差var确定卫星权重，完成初次位置解算，以计算出每个有效卫星的残差，依据残差计算噪声放大因子，可去除异常卫星权重；

去除异常卫星权重后，重新进行位置解算，依据新计算的位置解算值计算每个有效卫星的定位权重；

通过加权最小二乘法对有效卫星其权重修正后的残差进行估计，跳转至计算噪声放大因子操作，进行数据循环迭代，直至有效卫星的噪声放大因子收敛或达到预定的迭代次数。

噪声放大因子具体计算过程为：

残差中位数：delta =1.4826* Rv_i_median ，

残差标准化：Sv_i= Rv_i/delta，

噪声放大因子：，

式中，Rv_i为残差，median表示中间值；k0为阈值下限；k1为阈值上限。

计算出每个有效卫星其残差的放大因子，当时，表示残差偏离很小，不需要调整权；当/>时，表示残差偏离较大，需要调整权；当/>时，表示残差偏离很大，异常卫星，可通过一个极大的方差来把该有效卫星的权降低到最低，从而使该卫星不参与计算。

参数a、b、c的调整方法为：设定a、b、c的初始参数值，判断当前历元的环境情况；

当前场景为开阔地带时，当前历元内所有有效卫星的参数a、b、c均使用初始参数值，不调整有效卫星的定位权重。

当前场景为局部遮挡地带时，判断遮挡区内有效卫星的高度角是否超过第一高度角阈值，否，不调整卫星权重，是，判断信噪比是否超过第一信噪比阈值，否，不调整卫星权重，是，提高参数a的值。

当前场景为半边天遮挡地带时，获取所有有效卫星的高度角信息，判断卫星高度角是否超过第二高度角阈值，否，不调整卫星权重，是，提高参数b的值。

当场景为峡谷遮挡地带时，提高遮挡区中有效卫星其参数a的权重，同时获取所有有效卫星的高度角信息，判断有效卫星的高度角是否超过第三高度角阈值，否，不调整该有效卫星权重，是，提高参数b的值。

当场景为顶部遮挡地带时，获取当前历元内有效卫星的高度角信息，判断卫星高度角是否超过第四高度角阈值，是，不调整卫星权重，否，提高参数c的值，高度角超过第四高度角阈值越多，c值越大。

参数a、b、c其值的调整范围，由工作人员依据经验设置。参数a、b、c的调整方法可提高方差var的估计准确性，降低IGG-III内抗差迭代的次数。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，包括步骤一，获取不同卫星的测试数据，计算所有卫星与接收机之间的位置数据，依据位置数据生成显示卫星与接收机之间位置情况的卫星位置图；

步骤二，以接收机为圆心，正北方为起始方向均匀划分出若干象限；

步骤三，获取卫星若干历元的高度角信息以生成高度角信息队列，依据高度角信息队列区分消失卫星、遮挡卫星和有效卫星，获取遮挡卫星所在象限，通过遮挡策略确定最终遮挡面；

步骤四，所述最终遮挡面包括若干遮挡区，获取最终遮挡面内遮挡区数量和遮挡区内象限的数量，依据这两个数量确定环境情况；

获取当前历元其有效卫星的高度角、有效卫星的信噪比和环境情况，通过联合定权策略确定每个有效卫星的定位权重，进行定位计算；

所述联合定权策略包括方差公式：

var=R^2*(a^2 + (b^2/sin(el)+c^2*(10^(0.1*(snr_max-snr_rover)))))，

其中：var为方差，R为常规伪距方差参数，a为控制不同系统权比重大小的参数；b为控制高度角占权比重的参数，el为高度角；c为控制信噪比占权比重的参数，snr_max为信噪比阈值，snr_rover为接收机信噪比；

依据当前历元的环境情况、有效卫星的高度角和测试数据的信噪比调整a、b、c的参数值，进而调整有效卫星的定位权重。

2.根据权利要求1所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述高度角信息队列生成方法为：持续获取卫星若干历元其卫星的高度角信息，依据历元顺序依次排列高度角信息以生成该卫星的高度角信息队列；

每个卫星使用相同的方法生成对应的高度角信息队列。

3.根据权利要求2所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，区分所述卫星种类包括：获取卫星的高度角信息队列，判断当前历元是否接收到测试数据，是，有效卫星，否，判断前一历元是否接收到测试数据，否，卫星种类与前一历元相同；是，判断前一历元的高度角是否超过第一阈值，是，遮挡卫星，否，消失卫星；

使用相同的方法确定当前历元所有卫星的种类。

4.根据权利要求1所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述高度角信息队列以先进先出原理存储固定个历元的高度角信息，用于节省存储空间。

5.根据权利要求1所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述遮挡策略包括：获取当前历元有效卫星和遮挡卫星所在象限，将遮挡卫星所在象限和与前后相邻象限共同构成初始遮挡面，若相邻象限内不存在有效卫星，扩大至含有效卫星的最接近象限；

融合重叠的初始遮挡面生成遮挡区，所有遮挡区共同形成最终遮挡面。

6.根据权利要求1所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述环境情况包括开阔地带、局部遮挡地带、半边天遮挡地带、峡谷遮挡地带、顶部遮挡地带；

判断当前环境情况包括：确定最终遮挡面内遮挡区的数量，若遮挡区为0，为空旷环境；若遮挡面为1，判断遮挡区内象限数是否超过第二阈值，否，局部遮挡地带，是，判断遮挡区内象限数是否超过第三阈值，否，半边天遮挡地带，是，顶部遮挡地带；若遮挡面为2，峡谷遮挡地带。

7.根据权利要求1所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述参数a、b、c的调整方法为：

为开阔地带，不调整参数a、b、c的值；

为局部遮挡地带，判断遮挡区内有效卫星的高度角是否超过第一高度角阈值，否，不调整，是，判断信噪比是否超过第一信噪比阈值，否，不调整，是，提高a的值；

为半边天遮挡地带，获取所有有效卫星的高度角信息，判断卫星高度角是否超过第二高度角阈值，否，不调整卫星权重，是，提高b的值；

为峡谷遮挡地带，提高遮挡区中有效卫星其a的值，并获取非遮挡区内所有有效卫星的高度角，判断高度角是否超过第三高度角阈值，否，不调整权重，是，提高b的值；

为顶部遮挡地带，获取所有有效卫星的高度角，判断高度角是否超过第四高度角阈值，是，不调整权重，否，提高c的值。

8.根据权利要求1所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述联合定权策略包括：通过IGG-III校验方差var，进一步调整有效卫星的定位权重。

9.根据权利要求8所述的一种在复杂城市环境下的定位方法，其特征在于，所述IGG-III校验的方法为：S1、依据方差var确定卫星权重，完成初次位置解算，以计算出每个有效卫星的残差；

S2、依据残差计算其噪声放大因子，以去除异常卫星权重；

S3、去除异常卫星权重后，重新进行位置解算，依据新计算的位置解算值计算每个有效卫星的定位权重；

S4、通过加权最小二乘法对有效卫星其权重修正后的残差进行估计，跳转至S2，进行数据循环迭代，直至有效卫星的噪声放大因子收敛或达到预定的迭代次数。