CN1455268A

CN1455268A - 一种基于地图匹配的卫星定位误差处理方法

Info

Publication number: CN1455268A
Application number: CN 03114580
Authority: CN
Inventors: 刘光炳斌; 余志勇
Original assignee: External Technology Service Department No2 College Of Artillery Engineering
Current assignee: External Technology Service Department No2 College Of Artillery Engineering
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2003-11-12

Abstract

本发明涉及一种基于地图匹配的卫星定位误差处理方法。利用GPS对定位区域内的四个不在一条线上的点进行实地测量，获取实测值，并与矢量地图对应点上的经纬度值进行比较，求取定位精度的横向和纵向偏差，依此进行修正，有效消除GPS定位的系统误差和矢量地图制作的人工误差，在降低成本的同时提高了定位精度。该法无需传输差分定位信息的通信系统设备，减少中间环节，速度快，精度高，具有明显的经济和社会效益及应用前景。

Description

一种基于地图匹配的卫星定位误差处理方法

技术领域

本发明属于卫星定位测量技术领域，涉及一种基于地图匹配的卫星定位误差处理方法。

背景技术

全球卫星定位系统(GPS)是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术发展起来的具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全天候优势的导航定位、定时、测速系统，由空间卫星定位系统、地面监控系统、用户接收系统三大子系统构成。已广泛应用于军事和民用等众多领域。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。汽车导航监控系统是在GPS的基础上发展起来的一门新技术。它由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号(三颗以上)，得到该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。近年来，基于GPS和地图匹配的车辆管理系统在公交车辆、出租车的管理和调度，警车、救护车、运钞车的跟踪与监控，豪华轿车的自主导航与防盗等方面得到了广泛应用。大范围的车辆管理系统涉及的有GPS定位、数据通信、地图显示、数据管理等许多方面。国内的科研机构也投入了很大的人力物力进行开发，取得了较好的效果。

用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。对于车载导航监控系统，实时获得车辆的准确位置是最基本要求。

由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正和减少这两者间的误差，实时获得车辆的准确位置，目前使用的方法主要包括：推测航法技术(Dead-Reckoning)、无线导航技术(RadioNavigation，如：GPS、SignPost等)、地图匹配技术(Map-Matching)等。其中，无线导航技术依赖于外界设备，其定位精度或受无线网覆盖面积的限制(如：Sign Post)，或受定位信号精确度的影响(如：GPS)；推测导航技术的精确度则受方向探测仪及车速脉冲设备精度的限制，且其存在积累误差，即随着车辆行驶距离的增加，误差越来越大。地图匹配(Map-Matching，简称MM)是一种通过软件方法和相应的匹配电路，校正无线导航或推测航法定位误差的技术，即将其他定位方法(如GPS、推测航法等)测得的车辆位置或行驶轨迹，与车载的电子地图道路数据相比较、匹配，找到车辆所在的道路，计算出车辆在道路上的位置，进而校正其他定位手段的误差。该技术以模式识别理论为依据，基于“车辆始终行驶在道路上”的假设，通过找到车辆所在的道路，计算出准确的车辆位置。避免了以上两种定位技术无法克服的局限性。与以上两种定位技术配合使用，能够极大地提高车辆定位精度，减小定位误差。地图匹配电路通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。除了用地图匹配技术减少汽车定位误差以外，还需要提高汽车导航定位的精度，通常采用差分GPS技术。差分有正向差分和反向差分，正向差分有正向伪距差分和正向相位差分。反向差分一般有反向伪距差分和反向位置差分。经过差分处理和修正，它能在一定范围内有效地改正由于卫星钟差、电离层和对流层的延迟而产生的误差。反向位置差分的原理如图1所示，先由流动台实时提取卫星定位的3维坐标和参加定位的卫星号，再通过Modem和无线电台，把这些参数发送回监控中心。监控计算机提取流动站的卫星号后，在监测站观测文件中提取相应的星历和伪距进行位置计算。当基准站和流动站距离相近时(≤100Km)，电离层、对流层对基准站和流动站的定位误差影响相关性较大。因此差分后，卫星钟残差、卫星轨道误差以及大气层折射误差的影响，在动态相对定位中都可得到有效的消除或减弱。所以经过反向位置差分后，可获得较高的相对精度。利用反向位置差分一般的精度在±5m左右。但是，利用位置反向差分，必须满足以下条件：(1)监控中心GPS接收机的通道数应大于流动台的通道数；(2)基准站GPS接收机灵敏度要高于流动站GPS接收机；(3)基准站天线应安装于比较开阔的地方，实时接收到的卫星信号能包含流动台接收到的卫星信号。这样才能可靠地进行位置反向差分。而我国目前利用这种技术还不能完全满足上述条件，比日、比如：基准站和流动站的建立数量和位置有受到限制，实时接收到的卫星信号尚不能完全包含流动台接收到的卫星信号。道路比较狭窄或有树木遮挡时，定位精度较低。对于小区域的车辆导航监控系统，监控车辆少，成本要求低，建立专用GPS差分站效率较低等。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷和实际问题，本发明的目的在于，提供一种基于地图匹配的卫星定位误差处理方法，以达到无需在小区域范围内建立专用GPS差分站，从而减少GPS导航监控系统的成本，在不增加频点的情况下满足系统对定位精度的要求。

本发明基于地图匹配的卫星定位误差处理技术，即利用GPS对定位区域内的四个不在一条线上的点进行实地测量，获取实测值，并与矢量地图对应点上的经纬度值进行比较，求取定位精度的横向和纵向偏差，依此进行修正，从而有效地消除了GPS定位的系统误差和矢量地图制作的人工误差，在降低成本的同时大大提高了定位精度。

其特征在于：基于地图匹配的卫星定位误差处理技术的四点定位模型建模过程如下：

1、如图2所示，在矢量地图上选取不在同一条线上的四个定位点A、B、C和D，得到四点在显示器上的像素坐标，依次为：(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)，(X₃，Y₃)和(X₄，Y₄)。

2、对A、B、C和D四个点进行实地测量，获取GPS实测值(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)和(x₄，y₄)。

3、计算

K_{X_{i, j}} = \frac{(X_{i} - X_{j})}{(x_{i} - x_{j})}, K_{Y_{i, j}} = \frac{(Y_{i} - Y_{j})}{(y_{i} - y_{j})},

其中：i、j＝1、2、3、4，且i≠j。

4、得到横向偏差

K_{X} = \underset{i, j}{Σ} K_{X_{i, j}} / n

和纵向偏差

K_{Y} = \underset{i, j}{Σ} K_{Y_{i, j}} / n,

其中：

n = C_{4}^{2}

。

5、对于任意的GPS实测位置(x，y)，我们可以得到该点的像素坐标(X，Y)，其中：X＝kK_Xx，Y＝kK_Yy，k为矢量地图缩放系数。依此进行修正，我们就将接收到的带有系统误差的GPS值转换为相对矢量地图的精确的显示值，从而大大消除了GPS定位的系统误差，提高了定位精度。

附图说明

图1反向位置差分原理图

图2实测位置及路线示意图

图3软件实现主程序流程图

具体实施方式

基于本发明的GPS导航监控系统主要由GPS导航、微处理器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。具体实施方式为(结合图2、3)：

1、在相应区域(对应于矢量地图)内确定四个定位点A、B、C和D。选点原则是：该点在地图上必须是一个标识点(比如大地基准点、道路的交叉点等)，同时是我们所能实测的精确点，且尽可能位于地图的边缘位置；

2、利用GPS对已选的四点进行实际测量，获取实测数据；

3、将1、2所得的参数数据输入模型，加载矢量地图；

4、由微处理器完成匹配模型的初始运算，并保存横向偏差和纵向偏差的修正值；

5、GPS导航装置实时接收GPS定位信息，经微处理器运算，由LCD显示完成GPS精确定位。发明实施效果

本发明已经成功运用于西安市建设银行运钞车的定位监控系统和导弹旅战术后勤指挥自动化系统的导航监控子系统。从使用的结果看，对于1∶200000的民用地图及1∶50000的军用地图，在1KM范围内分别达到了优于5m和1m的精度。

综上所述，我们提出的基于地图匹配的卫星定位误差处理技术无需传输差分定位信息的通信系统设备，减少了常规方法的中间环节，速度快，精度高，具有明显的经济和社会效益，因此，本发明在GPS导航监控技术领域中将有着广泛的应用前景。

Claims

1、一种基于地图匹配的卫星定位误差处理技方法，即利用GPS对定位区域内点进行实地测量，获取实测值，并与矢量地图对应点上的经纬度值进行比较，求取定位精度的横向和纵向偏差，依此进行修正，其特征在于：基于地图匹配的卫星定位误差处理技术的四点定位模型建模过程如下：

(1)在矢量地图上选取不在同一条线上的四个定位点A、B、C和D，得到四点在显示器上的像素坐标，依次为：(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)，(X₃，Y₃)和(X₄，Y₄)。

(2)对A、B、C和D四个点进行实地测量，获取GPS实测值(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)和(x₄，y₄)。

(3)计算

K_{X_{i, j}} = \frac{(X_{i} - X_{j})}{(x_{i} - x_{j})}, K_{Y_{i, j}} = \frac{(Y_{i} - Y_{j})}{(y_{i} - y_{j})},

其中：i、j＝1、2、3、4，且i≠j。

(4)得到横向偏差

K_{X} = \underset{i, j}{Σ} K_{X_{i, j}} / n

和纵向偏差

K_{Y} = \underset{i, j}{Σ} K_{Y_{i, j}} / n,

其中：

n = C_{4}^{2}

。

(6)对于任意的GPS实测位置(x，y)，我们可以得到该点的像素坐标(X，Y)，其中：X＝kK_Xx，Y＝kK_Yy，k为矢量地图缩放系数。依此进行修正，我们就将接收到的带有系统误差的GPS值转换为相对矢量地图的精确的显示值，从而大大消除了GPS定位的系统误差，提高了定位精度。