基于局部定位信息提高GPS定位精度的方法

摘要

本发明公开一种基于局部定位信息提高GPS定位精度的方法，包括如下步骤：A、获取局部定位信息。B、通过GPS单元获取全局坐标信息。C、将局部坐标转换为全局坐标。D、将全局坐标匹配到与其对应的变换后的局部坐标上，完成对全局坐标的修正。与传统GPS增强系统相比，本发明不需要已知确切位置的固定参考点如手机基站等基础设施，也不需要特殊的设备比如通信网络等共享数据，利用手机惯性导航技术或者自组织网络所提供的局部定位信息，通过一系列坐标变换提高GPS定位精度，而且易于部署应用，可以推广到室内定位等更广阔的应用中。

说明书

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于局部定位信息提高GPS定位 精度的方法。

背景技术

自1964年投入使用以来，全球定位系统（Global Positioning System， GPS）在航天航海、道路交通、工业生产、精准农业等各行各业发挥了举足轻重 的作用，甚至一度促进了众多领域的技术变革。进入21世纪以来，随着智能手 机的普及和GPS定位模块在智能手机中的集成，GPS开始走进千家万户，改变无 数智能手机用户的工作方式和生活习惯。基于位置的服务，诸如社交网络的位 置签到、基于地理位置的广告或信息推送、基于地理位置的社交网络等，已经 悄然渗透到许多普通市民的日常生活中。而GPS作为覆盖全球的定位系统，则 是其背后最有力的推动者之一。在过去的几年中，GPS以其全球覆盖的高可用性 和高可靠性等，逐渐取得了全球成千上万用户的青睐。然而，由于受到卫星数 量及位置、大气层条件、自然障碍物的屏蔽等多方面条件的影响，原始的GPS 存在较大的定位误差，无法满足一些特定场景下的应用。尽管在官方公布的数 据中，使用高质量接收器时GPS定位精度可以达到3米左右，但在普通应用中， 尤其是以手机为定位终端时，用户实际所能获取的精度则往往能在1米到20米 之间波动，具体误差取决于其所处的环境及其接收端模块等。尤为明显的是， 尽管平均误差不算大，能满足大部分的应用需求，但是GPS的单次定位误差依 然较大。

为了解决上述问题，GPS增强系统如辅助全球卫星定位系统（Assisted  Global Positioning System，AGPS）和差分全球定位系统（Difference Global  Positioning System，DGPS）等相继被提出来，用以增强GPS的精度、覆盖率、 定位耗时等。AGPS为GPS终端提供更快速的定位服务，通过已知准确位置的参 考点（如被准确定位了的手机基站等），快速地给出被定位目标的初始位置。DGPS 同样利用到已知位置的参考点，但与AGPS不同的是，DGPS对比这些参考点的准 确位置和其GPS位置之间的差异，并将这种差异通过特定的网络连接广播给被 定位目标。而被定位目标这利用这样的差异来消除GPS偏差。通过这种方式， DGPS最高能达到厘米级别的定位精度。

但是，传统的GPS增强系统包括DGPS、AGPS等都需要特殊的网络架构或者 已知准确位置的参考点如准确定位了的手机基站等，往往需要特殊的组织机构 维护运行，并且只有在世界部分地区可用，难以实现随时随地可用。随着无线 通信技术的革新，无线自组织网络和智能手机都得到了空前的发展。无线自组 织网络如无线传感网络、车辆网络等，通常被部署在野外、森林、城市等区域 以实现对自然环境等的监控。由于要获取特定地点相关的信息，位置信息在这 些无线网络的应用中显得尤为重要。过去几年，无线网络的定位技术也得到广 泛研究，大量的无线网络定位如基于测距的定位、基于非测距的定位等先后被 提出。相比于GPS，无线网络的定位技术往往能提供高精度的相对定位信息，即 定位能做到米甚至厘米级别，但是只能反映出无线网络节点之间的相对位置关 系，不具备全球坐标意义。另一方面，由于越来越多功能丰富的传感器如加速 度传感器、陀螺仪、指南针等被集成于智能手机中，基于智能手机的惯性导航 技术也被深入研究和普及推广。惯性导航技术通过捕捉智能手机用户的动作行 为，计算其位移和方向，从而计算其移动过程中的位置坐标，同样也提供了较 高精度的相对定位信息，但不具备全球坐标意义。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于局部定位信息提高GPS 定位精度的方法，其利用手机惯性导航技术或者自组织网络所提供的局部定位 信息，修正较大的GPS定位偏差，提高了GPS定位精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于局部定位信息提高GPS定位精度的方法，包括如下步骤：

A、获取局部定位信息，其中，包含n个节点的局部定位信息 L={w₁,w₂,w₃,…,w_n}，局部坐标w_j＝(u_j,v_j)，n为正整数，j为1到n之间的整数；

B、通过GPS单元获取全局坐标信息，其中，包含n个节点的全局坐标信息 G={z₁,z₂,z₃,…,z_n}，全局坐标即全球位置坐标z_j＝(x_j,y_j)与步骤A中的w_j相对应， n为正整数，j为1到n之间的整数；

C、将步骤A中的所述局部坐标转换为全局坐标；

D、将步骤B中的所述全局坐标匹配到步骤C中与其对应的变换后的局部坐 标上，完成对全局坐标的修正。

特别地，所述步骤A中局部定位信息通过手机惯性导航技术或无线自组织 网络获取。

特别地，所述步骤B还包括：将所述全局坐标转换为二维直角坐标。

特别地，所述步骤B中GPS单元的GPS接收器支持通用横墨卡托格网系统 （Universal Transverse Mercartor System,UTM）坐标。

特别地，所述步骤C具体包括：

对步骤A中的所述局部坐标进行平移、缩放及旋转处理,转换为全局坐标， 并使得所述全局坐标信息G与局部定位信息L中对应的局部坐标转换后的全局 坐标之间的残留误差的平方和最小；其中，局部定位信息L到全局坐标信息G的 变换可表示为全局坐标信息G与局部定位信息L中对应的局部坐 标转换后的全局坐标之间的残留误差为||e_j||，残留误差的平方和 表示转换到全局坐标系后的t₀表示平 移分量，s表示缩放倍数，表示旋转过的

特别地，所述步骤C中对步骤A中的所述局部坐标进行平移、缩放及旋转 处理，转换为全局坐标，具体包括：

C1、采用复数替代二维向量来表示一个二维坐标，即令w_j＝u_j+iv_j， z_j＝x_j+iy_j；将局部定位信息L和全局坐标信息G中的所有点变换为相对于其 各自质心的坐标，即$w_j^{\bar{l}}=w_j^l-{\bar{w}}_j^l,$$z_j^{\bar{g}}=z_j^g-{\bar{z}}_j^g,$其中${\bar{w}}_j^l=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{w}_j^n,$${\bar{z}}_j^g=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{z}_j^n$分 别表示局部定位信息L和全局坐标信息G的质心；

C2、计算平移分量t₀；

将全局坐标信息G与局部定位信息L中对应的局部坐标转换后的全局坐标 之间的残留误差为表示为：所有点之间残留误差的 平方和表示为：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}-\mathrm{sR}\left({\omega }_j^{\bar{l}}\right)+{\bar{t}}_0{\left|\right|}^2$

$=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|S\left|\right|}^2+2{\bar{t}}_0·\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}S+n{\left|\right|{\bar{t}}_0\left|\right|}^2$

其中，${\bar{t}}_0=t_0-{\bar{z}}_j^g+\mathrm{sR}\left({\bar{w}}_j^l\right),$$S=z_j^{\bar{g}}-\mathrm{sR}\left(w_j^{\bar{l}}\right),$$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}S=0;$

令残留误差的平方和取得最小值，由计算出 即最优解的平移分量t₀为局部定位信息L和全局坐标信息G的质 心之间的距离；

C3、根据步骤C2计算出的最优解的平移分量t₀，计算最优解的缩放倍数s；

将残留误差的平方和重述为：将其展开成s的完全 平方形式，得到：$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2{[s-F]}^2+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|}^2-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2{F}^2,$其中， $F=\frac{{\Sigma }_{j=1}^n{z}_j^{\bar{g}}·R\left({\omega }_j^{\bar{l}}\right)}{{\Sigma }_{j=1}^n{\left|\right|{\omega }_j^{\stackrel{-}{l}}\left|\right|}^2},$并且${\left|\right|R\left({\omega }_j^{\stackrel{-}{l}}\right)\left|\right|}^2={\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2;$残留误差的平方和取得最小值时，获得最优解的缩放倍数s＝F。

C4、求解最优解的旋转参数R；

当局部坐标和全局坐标共面时，全局坐标信息G与局部定位信息L对应点之 间存在夹角α_j，即有$z_j^{\bar{g}}·{\omega }_j^{\bar{l}}=\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\cos {\alpha }_j;$

当局部坐标旋转过θ角度之后，两点之间的夹角α_j也将随之减小θ；残留误 差的平方和表示为：$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2-2\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\cos ({\alpha }_j-\theta ),$计算 最大值，即计算Acosθ+Bsinθ的最大值，获得最优 解的旋转参数R；其中，$A=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\cos {\alpha }_j,$$B=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\sin {\alpha }_j;$

C5、根据获得的所述最优解的平移分量t₀、缩放倍数s、旋转参数R，获得 局部定位信息L到全局坐标信息G的变换公式并利用该变换公式 将局部坐标系中的局部坐标转换为全局坐标系中的全局坐标。

特别地，所述步骤D具体包括：

将局部定位信息L转换到全局坐标系中的局部坐标记作令j＝{1,2,…n}，将全局坐标信息G中的全局坐标匹配到与其对应的变换后 的局部坐标上，完成对全局坐标的修正。

与传统GPS增强系统相比，本发明不需要已知确切位置的固定参考点如手 机基站等基础设施，也不需要特殊的设备比如通信网络等共享数据，利用手机 惯性导航技术或者自组织网络所提供的局部定位信息，通过一系列坐标变换提 高GPS定位精度，而且易于部署应用，可以推广到室内定位等更广阔的应用中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于局部定位信息提高GPS定位精度的方法流 程图；

图2为本发明实施例提供的坐标系变换的平移示意图；

图3为本发明实施例提供的坐标系变换的缩放示意图；

图4为本发明实施例提供的坐标系变换的旋转示意图。

图5为本发明实施例提供的利用变换后的局部坐标修正全局坐标的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对 本发明作进一步说明。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于局部定位信息提高GPS 定位精度的方法流程图。

本实施例中基于局部定位信息提高GPS定位精度的方法包括如下步骤：

步骤S101、获取局部定位信息，其中，包含n个节点的局部定位信息 L={w₁,w₂,w₃,…,w_n}，局部坐标w_j＝(u_j,v_j)，n为正整数，j为1到n之间的整数。

局部定位信息可以通过手机惯性导航技术测量，也可以通过无线自组织网 络如无线传感网、车辆网络、无线局域网络等手段获得。局部定位信息提供的 是局部的、相对的定位结果，不具备全局意义。

步骤S102、通过GPS单元获取全局坐标信息，其中，包含n个节点的全局 坐标信息G={z₁,z₂,z₃,…,z_n}，全局坐标即全球位置坐标z_j＝(x_j,y_j)与步骤S101中 的w_j相对应，n为正整数，j为1到n之间的整数。

以由n个节点组成的车辆网络为例，每一个节点通过自带的GPS单元获取 不准确的全局坐标即全球位置坐标，所有节点的全局坐标集合即全局坐标信息 G={z₁,z₂,z₃,…,z_n}，全局坐标即全球位置坐标z_j＝(x_j,y_j)与步骤S101中的w_j相对 应，即每一个节点同时测得一个全局坐标和一个局部坐标。

GPS单元所提供全局坐标的是相对于地球球面的坐标，即经纬度。由于本发 明考虑的是二维平面空间，因此还需要将全局坐标转换为二维直角坐标。但是， 本实施例中GPS单元的GPS接收器支持通用横墨卡托格网系统（Universal  Transverse Mercartor System,UTM）坐标，而UTM坐标已经提供了一种平面直 角坐标，无需再进行转换，可直接应用。

步骤S103、将步骤S101中的所述局部坐标转换为全局坐标。

对步骤S101中的所述局部坐标进行平移、缩放及旋转处理,转换为全局坐 标，并使得所述全局坐标信息G与局部定位信息L中对应的局部坐标转换后的全 局坐标之间的残留误差的平方和最小；其中，局部定位信息L到全局坐标信息G 的变换可表示为全局坐标信息G与局部定位信息L中对应的局部 坐标转换后的全局坐标之间的残留误差为||e_j||，残留误差的平方和 表示转换到全局坐标系后的t₀表示平 移分量，s表示缩放倍数，表示旋转过的坐标变换的具体过程如下：

步骤S1031、采用复数替代二维向量来表示一个二维坐标，即令 w_j＝u_j+iv_j，z_j＝x_j+iy_j；将局部定位信息L和全局坐标信息G中的所有点变 换为相对于其各自质心的坐标，即$w_j^{\bar{l}}=w_j^l-{\bar{w}}_j^l,$$z_j^{\bar{g}}=z_j^g-{\bar{z}}_j^g,$其中${\bar{w}}_j^l=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{w}_j^n,$分别表示局部定位信息L和全局坐标信息G的质心。将坐标经上述处 理后方便表示二维平面的旋转。其中，局部定位信息L的质心简称局部坐标质心， 也即局部坐标系的质心；全局坐标信息G的质心简称全局坐标质心，也即全局 坐标系的质心。

步骤S1032、计算平移分量t₀；

将全局坐标信息G与局部定位信息L中对应的局部坐标转换后的全局坐标 之间的残留误差为表示为：所有点之间残留误差的 平方和表示为：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|z_j^{\bar{g}}-\mathrm{sR}\left({\omega }_j^{\stackrel{-}{l}}\right)+{\bar{t}}_0\left|\right|}^2$

$=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|S\left|\right|}^2+2{\bar{t}}_0·\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}S+n{\left|\right|{\bar{t}}_0\left|\right|}^2$

其中，${\bar{t}}_0=t_0-{\bar{z}}_j^g+\mathrm{sR}\left({\bar{w}}_j^l\right),$$S=z_j^{\bar{g}}-\mathrm{sR}\left(w_j^{\bar{l}}\right),$$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}S=0;$

令残留误差的平方和取得最小值，由计算出 即最优解的平移分量t₀为局部定位信息L和全局坐标信息G的质 心之间的距离。如图2所示，图2为本发明实施例提供的坐标系变换的平移示 意图。图中201为局部坐标，202为全局坐标，203为局部坐标质心，204为全 局坐标质心。

步骤S1033、根据步骤S1032计算出的最优解的平移分量t₀，计算最优解的 缩放倍数s；

将残留误差的平方和重述为：将其展开成s的完全 平方形式，得到：$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2{[s-F]}^2+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|}^2-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2{F}^2,$其中， $F=\frac{{\Sigma }_{j=1}^n{z}_j^{\bar{g}}·R\left({\omega }_j^{\bar{l}}\right)}{{\Sigma }_{j=1}^n{\left|\right|{\omega }_j^{\stackrel{-}{l}}\left|\right|}^2},$并且${\left|\right|R\left({\omega }_j^{\stackrel{-}{l}}\right)\left|\right|}^2={\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2;$

残留误差的平方和取得最小值时，获得最优解的缩放倍数s＝F。如图3所 示，图3为本发明实施例提供的坐标系变换的缩放示意图。图中301为缩放s倍 后的局部坐标。

步骤S1034、求解最优解的旋转参数R；

当局部坐标和全局坐标共面时，全局坐标信息G与局部定位信息L对应点之 间存在夹角α_j，即有$z_j^{\bar{g}}·{\omega }_j^{\bar{l}}=\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\cos {\alpha }_j;$

当局部坐标旋转过θ角度之后，两点之间的夹角α_j也将随之减小θ；残留误 差的平方和表示为：$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|}^2-2\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\cos ({\alpha }_j-\theta ),$计算 最大值，即计算Acosθ+Bsinθ的最大值，获得最优 解的旋转参数R；其中，$A=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\cos {\alpha }_j,$$B=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\right|z_j^{\bar{g}}\left|\right|\left|\right|{\omega }_j^{\bar{l}}\left|\right|\sin {\alpha }_j.$

对Acosθ+Bsinθ求导可得Acosθ+Bsinθ的两个极值点在Asinθ＝Bcosθ时取 得，此时显然，其中一个值最大化Acosθ+Bsinθ，另一个最小化 Acosθ+Bsinθ。如图4所示，图4为本发明实施例提供的坐标系变换的旋转示意 图。图中α全局坐标信息G与局部定位信息L对应点之间存在的夹角，θ局部坐 标旋转过的角度。

步骤S1035、根据获得的所述最优解的平移分量t₀、缩放倍数s、旋转参数 R，获得局部定位信息L到全局坐标信息G的变换公式并利用该 变换公式将局部坐标系中的局部坐标转换为全局坐标系中的全局坐标。

步骤S104、将步骤S102中的所述全局坐标匹配到步骤S103中与其对应的 变换后的局部坐标上，完成对全局坐标的修正。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的利用变换后的局部坐标修正全局 坐标的示意图。图中501为经过平移、缩放及旋转操作转换后的局部坐标。

将局部定位信息L转换到全局坐标系中的局部坐标记作令j＝{1,2,…n}，将全局坐标信息G中的全局坐标匹配到与其对应的变换后 的局部坐标上，完成对全局坐标的修正。

本发明利用手机惯性导航技术或者自组织网络所提供的局部定位信息，修 正较大的GPS定位偏差，提高了GPS定位精度。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的 技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在 本发明的保护范围内。