利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法
【專利摘要】利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法。本發(fā)明提供輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的虛擬高程方法，該虛擬高程方法根據(jù)城市環(huán)境下高程變化的不同特點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬高程觀測(cè)量，并將所構(gòu)建的虛擬高程觀測(cè)量與來自于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的原始觀測(cè)量相融合的方法，最終得到基于虛擬高程輔助的定位加權(quán)最小二乘解。本發(fā)明提高了城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航的定位性能，提升了衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度，適應(yīng)了導(dǎo)航的實(shí)際運(yùn)行要求。
【專利說明】利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)城市建設(shè)智能化和信息化的發(fā)展趨勢(shì)，如何進(jìn)一步提高基于衛(wèi)星導(dǎo)航的定位性能成為迫切需要解決的問題之一。由于城市環(huán)境下“峽谷效應(yīng)”的存在，衛(wèi)星幾何分布受限，定位精度仍有待于提高。基于這一考慮，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航采取了地球同步軌道衛(wèi)星、地球傾斜軌道衛(wèi)星和中軌道衛(wèi)星相配合的衛(wèi)星組網(wǎng)方案，雖然可以在一定程度上可以緩解對(duì)衛(wèi)星數(shù)目的要求，定位連續(xù)性得以加強(qiáng)，但是衛(wèi)星幾何分布仍然受限，定位性能的提升仍需借助其他手段。
[0003]目前，常用輔助增強(qiáng)城市環(huán)境下定位性能的手段包括:(I)引入其他異源或異構(gòu)導(dǎo)航傳感器，但是這種方法同時(shí)意味著導(dǎo)航系統(tǒng)成本的增加。(2)引入差分相對(duì)定位技術(shù)也可以從根本上提高用戶端定位的性能，但是衛(wèi)星幾何分布對(duì)定位性能的影響問題也沒有得到根本解決。此外，差分模式下的通信負(fù)擔(dān)問題也將成為制約其在城市環(huán)境下應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。(3)引入地圖匹配技術(shù)，在定位誤差處于一個(gè)可以接受的界限之內(nèi)時(shí)，地圖匹配與衛(wèi)星導(dǎo)航定位的幾何可以極大提高用戶水平定位的性能，但是在幾何分布較差的情況下，定位誤差急劇擴(kuò)大，地圖匹配待搜索的路徑也隨之增多，用戶端導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性難以滿足。(4)結(jié)合數(shù)字高程模型，這種方法仍受限于水平定位精度，在水平定位誤差較大時(shí)，用戶高度將被限定在一個(gè)錯(cuò)誤值上面，這種情況下甚至?xí)档陀脩舻亩ㄎ恍阅?。綜上所述，設(shè)計(jì)一種新型可應(yīng)用于城市環(huán)境下的衛(wèi)星導(dǎo)航定位輔助方法具有相當(dāng)?shù)钠惹行浴?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法，該方法根據(jù)城市環(huán)境下高程變化的不同特點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬高程觀測(cè)量，適應(yīng)了導(dǎo)航實(shí)際運(yùn)行要求，保證了用戶端導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，大大提升了衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度。
[0005]本發(fā)明的利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法包括:
[0006]步驟1，針對(duì)城市的地形特征將城市進(jìn)行劃區(qū)，根據(jù)劃分的每個(gè)區(qū)域的地形特征構(gòu)建相應(yīng)類型的虛擬高程模型，離線在城市各區(qū)域測(cè)試各類型的虛擬高程模型得到對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)；
[0007]步驟2，獲取用戶在初始靜止?fàn)顟B(tài)下的衛(wèi)星導(dǎo)航位置解，根據(jù)該衛(wèi)星導(dǎo)航位置解確定用戶在本地坐標(biāo)系的初始高，并設(shè)定初始的允許置信概率和第一次選用的虛擬高程模型；
[0008]步驟3，進(jìn)入下一導(dǎo)航歷元時(shí)刻，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收的偽距觀測(cè)量和廣播星歷數(shù)據(jù)獲得用戶定位解，其中該用戶定位解中的高度值以所述初始高為基準(zhǔn)；[0009]步驟4，根據(jù)所用的虛擬高程模型構(gòu)建虛擬高程觀測(cè)量；
[0010]步驟5，利用所述用戶定位解中的高度值減去所述虛擬高程觀測(cè)量得到用戶在本地坐標(biāo)系內(nèi)的高程增量Sh;
[0011 ] 步驟6，根據(jù)允許置信概率和相應(yīng)虛擬高程模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)設(shè)置切換門限，利用假設(shè)檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)所述高程增量Sh是否超出所述切換門限:
[0012]如果處于假設(shè)檢驗(yàn)的切換門限允許范圍內(nèi)，將所述用戶定位解作為最終定位解輸出，保持虛擬高程模型和允許置信概率不變，然后進(jìn)入步驟3 ；
[0013]如果超出假設(shè)檢驗(yàn)的切換門限允許范圍內(nèi)，則遍歷各種類型的虛擬高程模型，根據(jù)各種類型的虛擬高程模型獲得相應(yīng)的虛擬高程觀測(cè)量，利用假設(shè)檢驗(yàn)對(duì)允許置信概率和相應(yīng)的虛擬高程觀測(cè)量依次進(jìn)行擬合分布處理，獲得相應(yīng)的擬合概率，選用其中最大的擬合概率的虛擬高程模型，并將該最大的擬合概率設(shè)置為允許置信概率，然后進(jìn)入步驟4。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟4中構(gòu)建的虛擬高程觀測(cè)量相鄰歷元所對(duì)應(yīng)的高程增量為Δ h,且
[0015]Ah = cos α.cos β.Δ x+cos α.sin β.Δ y+sin α.Δ ζ, (I)
[0016]其中，α和β分別為用戶在WGS-84坐標(biāo)系中的概略緯度和經(jīng)度，Δχ、Ay、Δ ζ為用戶位置在WGS84直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)增量。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟2中設(shè)定允許置信概率為99.99 %，對(duì)應(yīng)的切換門限為y h+5 0 h。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]本發(fā)明所提出的方法并不需要高程已知，而是通過構(gòu)造虛擬高程的方法來輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位，后續(xù)將通過調(diào)整權(quán)值最大程度地抑制模型不確定性對(duì)定位性能的損害，適應(yīng)了導(dǎo)航實(shí)際運(yùn)行要求，保證了用戶端導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，大大提升了衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是運(yùn)用本發(fā)明的利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法的實(shí)施例一不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的虛擬高程方法，其包括:
[0022]步驟1，根據(jù)城市各區(qū)域的地形特征構(gòu)建各種類型的虛擬高程模型，離線在城市各區(qū)域測(cè)試對(duì)應(yīng)的虛擬高程模型，得到各虛擬高程模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，該統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ。
[0023]首先確定各區(qū)域所對(duì)應(yīng)的虛擬高程模型，然后收集相應(yīng)區(qū)域內(nèi)高程模型的觀測(cè)量，利用虛擬高程模型和其觀測(cè)量通過數(shù)值分析的方法得到包括均值和方差Oh)在內(nèi)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。
[0024]用戶在大地坐標(biāo)系中的高度值與站心坐標(biāo)系中的天定向值之間的耦合關(guān)系用虛擬高程模型表示:
[0025]Ah = cos α.cos β.Δ x+cos α.sin β.Δ y+sin α.Δ ζ, (I)[0026]其中，α和β分別為用戶在WGS-84坐標(biāo)系中的概略緯度和經(jīng)度，Λχ、Ay、Δζ為用戶位置在WGS84直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)增量。
[0027]步驟2，用戶在初始狀態(tài)獲取衛(wèi)星導(dǎo)航位置解，通過多個(gè)歷元累積進(jìn)行算術(shù)平均的方法確定用戶在用戶本地坐標(biāo)系中的高度值，并據(jù)此設(shè)定允許置信概率P，效果較佳的設(shè)定為 P = 99.99%。
[0028]這里的初始狀態(tài)就是指采用虛擬高程模型進(jìn)行輔助導(dǎo)航的初始化時(shí)刻。
[0029]用戶本地坐標(biāo)系屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)定義好的坐標(biāo)系統(tǒng)，站心坐標(biāo)系就是指用戶本地坐標(biāo)系。其本質(zhì)就是將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出的經(jīng)緯高坐標(biāo)中的高度坐標(biāo)作為用戶本地坐標(biāo)系中的初始高。
[0030]設(shè)定值取決于用戶所需要的置信概率，如果用戶要求更高或更低，可以改變這個(gè)概率值。設(shè)置為99.99%的目的是使得本文所提出的模型的置信概率高。
[0031]步驟3，進(jìn)入下一導(dǎo)航歷元時(shí)刻，提取衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出的偽距觀測(cè)量和廣播星歷數(shù)據(jù)，通過下面的式(2)進(jìn)行加權(quán)最小二乘算法可以得到用戶定位解。
[0032]步驟4，根據(jù)所應(yīng)用的虛擬高程模型構(gòu)建虛擬高程觀測(cè)量；
[0033]步驟5，利用步驟3所輸出的用戶定位解以及步驟4所輸出的虛擬高程觀測(cè)量相減，得到用戶定位解以及在站心坐標(biāo)系內(nèi)的高程增量Ah ；
[0034]所述步驟5中得到待檢測(cè)用戶定位解以及在站心坐標(biāo)系內(nèi)的高程增量Ah的方法為:
[0035]利用步驟3所輸出的原始觀測(cè)量和星歷數(shù)據(jù)建立基于衛(wèi)星導(dǎo)航的原始觀測(cè)量在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)關(guān)于位置增量的模型為
[0036]Y = G Δ X+ ε ⑵
[0037]式中，Y為衛(wèi)星導(dǎo)航所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)量，G為觀測(cè)幾何矩陣，Λ X為包含位置變化量Λχ、Ay、Λζ和用戶鐘差的向量，ε為衛(wèi)星導(dǎo)航觀測(cè)量所包含的誤差，誤差對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為°s;
[0038]將式(2)與式(I)通過加權(quán)最小二乘算法得到用戶位置的最終解。
[0039]所述加權(quán)最小二乘算法中的加權(quán)定位解所需的加權(quán)矩陣對(duì)角線元素取為所對(duì)應(yīng)衛(wèi)星偽距觀測(cè)量和虛擬高程觀測(cè)量的方差值。
[0040]步驟6，利用假設(shè)檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)步驟5中的高程增量Ah是否超出步驟2設(shè)定的所允許的置信概率P:
[0041]如果處于允許范圍內(nèi)，將待檢測(cè)用戶作為最終定位解輸出，保持虛擬高程模型不變，設(shè)定允許置信概率P = 99.99%，然后進(jìn)入步驟3，否則進(jìn)入步驟7 ；
[0042]步驟7，遍歷剩余各類型的虛擬高程模型進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，并選定對(duì)應(yīng)最大擬合概率的虛擬高程模型，將最大的擬合概率設(shè)置為允許置信概率，進(jìn)入步驟5。
[0043]在本專利中并未提出具體的虛擬高程模型，實(shí)際可構(gòu)建等高模型、斜坡模型和雙峰模型等模型。一般初始選擇為等高模型。
[0044]所述步驟7中遍歷剩余各類型的虛擬高程模型進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)的切換策略為:
[0045]確定所建立的第i類虛擬高程觀測(cè)量所對(duì)應(yīng)城市某區(qū)域S，
[0046]在該區(qū)域S收集離線測(cè)試數(shù)據(jù)，獲取在區(qū)域S應(yīng)用第i類模型時(shí)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，在線運(yùn)行中，虛擬高程觀測(cè)量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為oh，利用該均值標(biāo)準(zhǔn)差％與用戶在本地坐標(biāo)系內(nèi)的高程增量Λ!^作為統(tǒng)計(jì)檢測(cè)量，當(dāng)Ah > 411+5 011時(shí)，虛擬高程需進(jìn)行切換，否則保持原模式不變；
[0047]當(dāng)進(jìn)行切換時(shí)，可將剩余不同類型的虛擬高程觀測(cè)量依次進(jìn)行檢驗(yàn)，取假設(shè)檢驗(yàn)擬合概率最高的虛擬高程模型作為最終的虛擬高程模型。
[0048]實(shí)施例一
[0049]以城市環(huán)境下車載用戶為實(shí)施例，圖1是運(yùn)用本發(fā)明的利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法的實(shí)施例一示意圖。如圖1所示:
[0050]a.按照步驟I確定城市區(qū)域高程數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0051]b.將城市環(huán)境下的高程數(shù)據(jù)庫(kù)安裝到用戶端的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中。
[0052]c.假設(shè)用戶初始從戶外停車場(chǎng)出發(fā)，啟動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位，通過收集5個(gè)歷元時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均處理得到用戶的高度值，記為初始時(shí)刻V [0053]d.假定用戶處于等高模型A的區(qū)域，并按照步驟5中所確定的方法輸出用戶高度，以及與等高模型所確定高度之間差量Sh。
[0054]e.在實(shí)時(shí)導(dǎo)航過程中，通過累積從時(shí)刻h到當(dāng)前時(shí)刻t的用戶高度輸出值，按照步驟5到步驟7的過程確定是否需要進(jìn)行相應(yīng)的切換，如果無需切換，則繼續(xù)從d到e過程，否則，進(jìn)入步驟f。
[0055]f.將從h到t時(shí)刻所收集的高度值清空，將時(shí)刻t的高度值作為對(duì)應(yīng)區(qū)域模型的第一個(gè)高度值，并將該時(shí)刻重新記為h。
[0056]g.進(jìn)入到斜坡模型B+區(qū)域所確定的區(qū)域，按照該模型確定用戶定位輸出的高度值與斜坡模型所確定高度值之間的Sh。
[0057]h.按照步驟5到步驟7的過程確定是否需要進(jìn)行相應(yīng)的切換，如果無需切換，則按照g進(jìn)行用戶定位輸出以及高度值的收集，如果需要?jiǎng)t進(jìn)入步驟g，否則，進(jìn)入步驟i。
[0058]1.f.將從h到t時(shí)刻所收集的高度值清空，將時(shí)刻t的高度值作為對(duì)應(yīng)區(qū)域模型的第一個(gè)高度值，并將該時(shí)刻重新記為h。
[0059]j.用戶進(jìn)入等高模型A的區(qū)域，并按照權(quán)利要求4中所確定的方法輸出用戶高度，以及與等高模型所確定高度之間差量Sh。
[0060]1.由此可重復(fù)上述過程進(jìn)行相應(yīng)的切換，從而完成基于虛擬高程輔助的定位過程。
[0061]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法，其特征在于，包括: 步驟1，針對(duì)城市的地形特征將城市進(jìn)行劃區(qū)，根據(jù)劃分的每個(gè)區(qū)域的地形特征構(gòu)建相應(yīng)類型的虛擬高程模型，離線在城市各區(qū)域測(cè)試各類型的虛擬高程模型得到對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)； 步驟2，獲取用戶在初始靜止?fàn)顟B(tài)下的衛(wèi)星導(dǎo)航位置解，根據(jù)該衛(wèi)星導(dǎo)航位置解確定用戶在本地坐標(biāo)系的初始高，并設(shè)定初始的允許置信概率和第一次選用的虛擬高程模型；步驟3，進(jìn)入下一導(dǎo)航歷元時(shí)刻，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收的偽距觀測(cè)量和廣播星歷數(shù)據(jù)獲得用戶定位解，其中該用戶定位解中的高度值以所述初始高為基準(zhǔn)； 步驟4，根據(jù)所用的虛擬高程模型構(gòu)建虛擬高程觀測(cè)量； 步驟5，利用所述用戶定位解中的高度值減去所述虛擬高程觀測(cè)量得到用戶在本地坐標(biāo)系內(nèi)的高程增量Sh ； 步驟6，根據(jù)允許置信概率和相應(yīng)虛擬高程模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)設(shè)置切換門限，利用假設(shè)檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)所述高程增量Sh是否超出所述切換門限: 如果處于假設(shè)檢驗(yàn)的切換門限允許范圍內(nèi)，將所述用戶定位解作為最終定位解輸出，保持虛擬高程模型和允許置信概率不變，然后進(jìn)入步驟3 ； 如果超出假設(shè)檢驗(yàn)的切換門限允許范圍內(nèi)，則遍歷各種類型的虛擬高程模型，根據(jù)各種類型的虛擬高程模型獲得相應(yīng)的虛擬高程觀測(cè)量，利用假設(shè)檢驗(yàn)對(duì)允許置信概率和相應(yīng)的虛擬高程觀測(cè)量依次進(jìn)行擬合分布處理，獲得相應(yīng)的擬合概率，選用其中最大的擬合概率的虛擬高程模型，并將該最大的擬合概率設(shè)置為允許置信概率，然后進(jìn)入步驟4。
2.如權(quán)利要求1所述的利用虛擬高程模型輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法，其特征在于，所述步驟4中構(gòu)建的虛擬高程觀測(cè)量相鄰歷元所對(duì)應(yīng)的高程增量為Ah，且
Ah = cos α.cos β.Δ x+cos α.sin β.Δ y+sin α.Δ ζ, (I) 其中，α和β分別為用戶在WGS-84坐標(biāo)系中的概略緯度和經(jīng)度，Δζ、Ay、Δ z為用戶位置在WGS84直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)增量。
3.如權(quán)利要求1所述的輔助城市環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航定位的虛擬高程方法，其特征在于，所述步驟2中設(shè)定允許置信概率為99.99%，對(duì)應(yīng)的切換門限為μ h+5 σ h。
【文檔編號(hào)】G01S19/42GK104035112SQ201410230870
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】袁洪, 李亮, 徐穎, 袁超, 唐陽陽 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院