CN1888931B - 基于gps的双星定位导航方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GPS的双星定位导航方法，具体为：将车辆的运动轨迹分割为有序相连的直线段，从该直线段中确定当前车辆所在的路段；在当前路段上建立车辆位置的约束方程，从车载GPS中接收到的两颗卫星信号中解算出需要的信息，并建立卫星观测方程；开始双星定位，联合车辆位置约束方程和卫星观测方程解算出车辆所在位置以及比例因子；在当前路段上建立车辆速度方向的约束方程，利用车载GPS的接收信息中建立两颗GPS卫星的多普勒观测方程；开始双星测速，联合车辆速度方向的约束方程和多普勒观测方程解算出车辆的运行速度；通过双星定位解算的比例因子值来确定当前车辆的状态。本发明解决了由于卫星可观测数量不足而导致GPS失效的问题，确保了GPS定位的精度。

Description

基于GPS的双星定位导航方法

技术领域

本发明涉及一种GPS定位技术领域的方法，具体是一种基于GPS的双星定位导航方法。

背景技术

全球定位系统(GPS)能够快速、准确和全天候的提供定位导航和时间基准信息，是当前主流的导航方式。基于单点的GPS定位需要四颗可见卫星，当GPS的可见星少于4颗时，GPS将降低定位精度甚至失效而不能连续定位。然而在城市环境中高楼林立，以及立体交通、桥梁的干扰都可能导致GPS可见卫星达不到标准。在上海市徐家汇地区的多次路测表明，在路段上能观测到四颗及以上卫星的情况只有60％，而观测到两颗及以上卫星的情况达到90％以上。因此双星定位系统在城市中的智能交通体系中具有很高的应用价值。

对于铁路系统来说，火车的运行是沿着已知的铁路轨迹进行的。对于一段直的铁路，该铁路的起点和终点的地理位置可以看作是已知的。如果已知。对于一段形状较复杂的铁路，可以将其看作由几段直的铁路组成，在每段直的路线中可以确通过两颗GPS卫星来确定火车的位置。城市中的公交系统与铁路系统类似，也可以看作由若干直线段组成的，只是路线要更复杂并且对精度要求更高。

经对现有技术的文献检索发现，朱喜明等在《全球定位系统》2004年04期发表的《利用三颗导航卫星进行二维定位的解算模型及其仿真解算》论文中提出了利用三颗卫星进行定位的方法，比正常GPS定位所需卫星数目少一颗。其不足之处在于，只能够用于海拔高度较低并且变化不大的地区，而且当卫星个数少于三颗的时候GPS即无法定位。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于GPS的双星定位导航方法。对于车载定位系统来说，精密数字地图是不可缺少的部分，因此可以考虑利用精密地图中的信息来辅助GPS定位。本发明采用基于数字地图信息的GPS双星定位，解决了由于卫星可观测数量不足而导致GPS失效的问题。并且该方法可以不用依赖于气压计等外部设备，而且将GPS接收机钟差作为未知参数通过方程精确求解，确保了GPS定位的精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：针对路线是确定的火车或者公交车，结合精密的数字地图判断车辆的当前路段，结合车辆的当前路段的起始点的位置信息和GPS接收机接收到的两颗观测的卫星信息从而解算出车辆当前的精确位置和速度。包括以下步骤：

a、将已确定的车辆的运动轨迹分割为有序相连的直线段，从有序相连的直线段中确定当前车辆所在的路段；

b、在当前路段上建立车辆位置的约束方程，从车载GPS中接收到的两颗卫星信号中解算出需要的信息，并建立卫星观测方程；

d、开始双星定位，联合车辆位置约束方程和卫星观测方程解算出车辆所在位置以及比例因子；

e、在当前路段上建立车辆速度方向的约束方程，利用车载GPS的接收信息中建立两颗GPS卫星的多普勒观测方程；

f、开始双星测速，联合车辆速度方向的约束方程和多普勒观测方程解算出车辆的运行速度；

g、通过双星定位解算的比例因子值来确定当前车辆的状态，包括是否倒车以及是否需要切换当前道路，如果需要切换道路，则在新的路段上重新建立车辆的位置约束方程和车辆速度方向的约束方程。

本发明中的车载GPS双星定位原理如下：

已知GPS观测方程为：

ρ＝R+cδt_RC-cδt_SV    (1)

式中ρ为伪距，由GPS接收机提供；站钟差δtRC为未知数；c为光速；星钟差δtSV可由GPS卫星广播星历求得，为已知量。R为卫星至接收机的几何距离：

$R=\sqrt{{(X_{\mathrm{RC}}\left(t_{\mathrm{RC}}\right)-X_{\mathrm{SV}}\left(t_{\mathrm{SV}}\right))}^2+{(Y_{\mathrm{RC}}\left(t_{\mathrm{RC}}\right)-Y_{\mathrm{SV}}\left(t_{\mathrm{SV}}\right))}^2+{(Z_{\mathrm{RC}}\left(t_{\mathrm{RC}}\right)-Z_{\mathrm{SV}}\left(t_{\mathrm{SV}}\right))}^2}---\left(2\right)$

其中(XRC，YRC，ZRC)是tRC时刻接收机位置的坐标，即是要求解的定位结果；而(XSV，YSV，ZSV)是tSV时刻卫星的位置，统一使用WGS-84坐标系。在GPS的定位解算方程中，总共有四个未知数，接收机的经度、纬度、高度、接收机钟差，因此GPS需要获得四颗卫星的才能进行精确定位。

由于实际中的车辆都是在道路上运行的，假设车辆在已知的直线道路上。那么可以通过车辆在道路上的比例关系K(车辆位置到道路起点的距离与整个道路长度的距离的比例)，那么可以通过道路起始点的地理位置信息来推测车辆的当前位置。因此，如果引进了车辆的当前道路的起始点地理信息，车辆当前位置的经度、纬度、高度均可以通过比例关系因子K与起始点的信息得到。因此，可以引进三个新的参数方程，和一个新的未知数：比例因子K，那么只再需要两个方程即可解算五个未知数。

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{RC}}=(X_{\mathrm{RE}}-X_{\mathrm{RS}})k+X_{\mathrm{RS}}\\ Y_{\mathrm{RC}}=(Y_{\mathrm{RE}}-Y_{\mathrm{RS}})k+Y_{\mathrm{RS}}\\ Z_{\mathrm{RC}}=(Z_{\mathrm{RE}}-Z_{\mathrm{RS}})k+Z_{\mathrm{RS}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中(XRS，YRS，ZRS)、(XRE，YRE，ZRE)分别是已知路段的起点和终点的WGS-84坐标，k是参数，描述了接收机在路段中的位置，可知：0≤k≤1且是一个未知数。

本发明中的车载GPS双星测速原理如下：

通过测定GPS接收机载波频率的多普勒频移可以求得距离变化率伪距离变化率，其包括了卫星的三维速度、接收机的三维速度和钟差率。

当车在路上行驶的时候，可以认为车的行驶方向与路的方向基本相同。因此车的三维速度与位置一样可以看作是只有一个未知量，可以将车辆的绝对速度和路的方向信息扩展为车辆的三维速度信息。因此只用对两颗卫星的伪距变化率测定，即可得到接收机的速度和接收机钟差变化率。

GPS的测速方程为：

式(4)中，

为卫星j的多普勒频移观测值，单位HZ；式中[l_jj_jk_j]是线性化后的系数，看作已知参数；λ为载波波长，即为伪距离变化率。为GPS接收机时钟钟差变化率，是未知数；为卫星j时钟的钟差变化率；C为光速；为观测卫星的速度，可以从卫星的星历中解算得到；表示车载系统的速度，其方向于与道路的方向一致，可表示为：

当车载GPS可以观测到两颗卫星时，可以得到两个GPS测速方程，再结合方程(5)中的三个方程，可以解算五个未知数：a、

从而可以得到GPS接收机的三维速度。

本发明只需在道路切换时进行地图匹配确定车辆新的行驶道路，之后组合导航系统将直接定位到道路上，自动完成地图匹配；当GPS可见卫星减少时，系统可以继续工作，可靠性得到提高；将站钟差作为未知变量求解，保证了双星导航定位的精度。对于城市中的公交车而言，可以在只观测到2颗卫星的情况下完成定位，并且可以由系统直接匹配到实际的路段上，不会偏移出路段之外。并且由于精密数字地图没有随机误差，由精密地图提供路段约束方程有利于GPS定位提高实际的定位精度。

附图说明

图1为本发明方法框图

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，如图1所示。

对于类似火车或者公交车的轨迹已知的车辆导航系统，可以将道路的轨迹的地理数据建立为通用的数据库。只要知道车辆从某已知点开始行驶的距离或者在某个具体的路段中的比例关系，即可通过数据库查询到当前的地理位置。

在火车或者公交车开始运行时，车辆处在整个轨迹中的起始位置，将以轨迹的起始点开始的直线路段作为当前路段.当车辆开始运行时，车辆是处于该路段上的，车辆的位置可以通过该直线路段的起始点位置信息和一比例因子来确定.此时，车载GPS如果能观测到四颗卫星时，按照标准GPS解算方程来定位.如果车载GPS如果只能观测到三颗卫星时，忽略车辆的高度信息或者以保存的历史值来代替当前的高度值，从而解算GPS位置.此时，车载GPS如果只能观测到两颗卫星时，建立两颗卫星的观测方程，结合当前道路的约束方程，解算出比例因子K，从而确定车辆的当前位置.

如果解算的K值不在(0，1)的范围内，标明车辆的位置已经超出当前道路的范围，需要重新评估当前道路。

所述的更新当前道路的方法，具体为：当比例因子不在(0，1)的范围内时，距离车辆的上一时刻的有效定位点最近的道路作为下一个当前道路。

所述距离车辆的上一时刻的有效定位点最近的道路，其判断方法：取该道路上所有点到上一时刻的有效定位点的距离中取最近的距离，作为该道路到上一时刻的有效定位点的距离。

如果K＞1，将上个当前路段的终点作为起始点，选择下一路段。

如果K＜0，将上个当前路段的起始点作为终点，选择下一路段。一般情况下，当车辆开始运行时，可以假设车辆是按照预定轨迹的同一方向运行的，比如火车或者公交车一般不会出现倒车的情况。因此，在实际中，只需要考虑K＞1的情况即可。考虑到不可倒车的情况，K的当前解算值必须要比上一个值要大，即更靠近当前路段的终点，如果出现K的值变小的情况，可以考虑忽略该次定位，将上一时刻的位置默认为当前的，即车辆处在停止运行状态。本发明双星定位结果总是在实际的路段上，无需传统定位后的地图匹配工作。

Claims (6)

1.一种基于GPS的双星定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将已确定的车辆的运动轨迹分割为有序相连的直线段，从有序相连的直线段中确定当前车辆所在的路段；

b、在当前路段上建立车辆位置的约束方程，从车载GPS中接收到的两颗卫星信号中解算出需要的信息，并建立卫星观测方程，通过车辆在道路上的比例关系因子k，即车辆位置到道路起点的距离与整个道路长度的距离的比例推测车辆的当前位置，因此引进了车辆的当前道路的起始点地理信息，车辆当前位置的经度X_RC、纬度Y_RC、高度Z_RC均可以通过比例关系因子k与起始点的信息得到车辆位置的约束方程：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{RC}}=(X_{\mathrm{RE}}-X_{\mathrm{RS}})k+X_{\mathrm{RS}}\\ Y_{\mathrm{RC}}=(Y_{\mathrm{RE}}-Y_{\mathrm{RS}})k+Y_{\mathrm{RS}}\\ Z_{\mathrm{RC}}=(Z_{\mathrm{RE}}-Z_{\mathrm{RS}})k+Z_{\mathrm{RS}}\end{array}\right.---\left(3\right),$

其中：(X_RS、Y_RS、Z_RS)和(X_RE、Y_RE、Z_RE)分别是已知路段的起点和终点的WGS-84坐标，描述了接收机在路段中的位置；

d、开始双星定位，联合车辆位置约束方程和卫星观测方程解算出车辆所在位置以及比例因子；

e、在当前路段上建立车辆速度方向的约束方程，利用车载GPS的接收信息中建立两颗GPS卫星的多普勒观测方程，即

表示车载系统的速度，其方向与道路的方向一致，该车辆速度方向的约束方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{g}{X}}_{\mathrm{RC}}\\ {\stackrel{g}{Y}}_{\mathrm{RC}}\\ {\stackrel{g}{Z}}_{\mathrm{RC}}\end{array}\right]=\mathrm{\α}\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{RE}}-X_{\mathrm{RS}}\\ Y_{\mathrm{RE}}-Y_{\mathrm{RS}}\\ Z_{\mathrm{RE}}-Z_{\mathrm{RS}}\end{array}\right]---\left(5\right),$

当车载GPS可以观测到两颗卫星时，可以得到两颗GPS卫星的多普勒观测方程和卫星观测方程，再结合方程(5)中的三个方程，得到GPS接收机的三维速度；

f、开始双星测速，联合车辆速度方向的约束方程和多普勒观测方程解算出车辆的运行速度；

g、通过双星定位解算的比例因子值来确定当前车辆的状态，包括是否倒车以及是否需要切换当前道路，如果需要切换道路，则在新的路段上重新建立车辆的位置约束方程和车辆速度方向的约束方程。

2.根据权利要求1所述的基于GPS的双星定位导航方法，其特征是，车辆的前进方向与道路的方向一致，只需确定绝对速率。

3.根据权利要求1所述的基于GPS的双星定位导航方法，其特征是，当车辆位置的约束方程和GPS卫星的观测方程中解算出的比例因子大于1时，车辆位置已经超出当前道路，需要更新当前道路。

4.根据权利要求3所述的基于GPS的双星定位导航方法，其特征是，所述的更新当前道路的方法，具体为：当比例因子不在(0，1)的范围内时，距离车辆的上一时刻的有效定位点最近的道路作为下一个当前道路。

5.根据权利要求4所述的基于GPS的双星定位导航方法，其特征是，所述距离车辆的上一时刻的有效定位点最近的道路，其判断方法：取该道路上所有点到上一时刻的有效定位点的距离中取最近的距离，作为该道路到上一时刻的有效定位点的距离。

6.根据权利要求1所述的基于GPS的双星定位导航方法，其特征是，双星定位结果总是在实际的路段上，无需传统定位后的地图匹配工作。