一种基于增强型数字地图的车辆优化选星定位方法

摘要

本发明公开了一种面向城市环境的车辆优化选星定位方法，通过车载电子罗盘和轮速传感器，获取车辆的航向角和速度，粗略估计出车辆的位置，然后利用增强型三维数字地图，结合优化选星算法，有效剔除非视距卫星干扰，减弱多路径效应的影响，从而提高车载卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的定位精度，实现城市车辆的可靠、准确定位。与传统车辆卫星导航相比，本发明中的方法能够有效提高城市环境下车辆定位的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆导航定位领域，特别涉及一种面向城市环境的车辆优化选星定位 方法。

背景技术

随着国内机动车保有量的快速增加，我国的城市交通面临着日益严峻的挑战，智 能交通系统(IntelligentTransportationSystem，ITS)应运而生。ITS能够有效减少交通 事故的发生，缓解城市交通问题，而ITS的开发研究，离不开精确确的车辆导航定位，只有在 车辆准确、实时定位的前提下，才能够有效地指挥调度车辆，改善城市交通，保证车辆安全 行驶，因此，车辆导航定位技术是目前ITS研究的关键内容之一。

在车辆导航定位领域中，主要的定位方法有航位推算、惯性导航以及卫星导航。航 位推算和惯性导航主要采用低成本的车载传感器，如电子罗盘，轮速传感器、微机械陀螺仪 等来实现车辆的导航定位，由于传感器的测量误差会随时间不断的累积，通常只能保证短 时间的定位精度；目前，全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS) 在车辆定位领域的应用最为广泛，它泛指所有的卫星导航系统，技术较为成熟的有美国的 全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，俄罗斯的格洛纳斯导航系统以及中国 的北斗卫星导航系统，GNSS能够实时的为车辆提供三维位置、速度、时间等信息，实现全天 候、全方位的导航定位功能；

与传统的利用低成本车载传感器进行航位推算或者惯性导航相比，GNSS的定位精 度更高，但是，当车辆行驶在城市环境中时，由于道路两旁的高层建筑，GNSS的卫星信号易 受到遮挡和反射，多路径效应严重，若对信号反射导致的非视距卫星缺乏有效的甄别，势必 引入巨大的定位误差，因此，在城市环境下，利用GNSS实现车辆的准确定位是目前车辆导航 定位乃至ITS领域亟待解决的难题之一。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种面向城市环境的车辆优化选星定位方 法，结合增强型三维数字地图信息，有效剔除非视距卫星的干扰，减弱多路径效应的影响， 从而实现城市环境下的车辆高精度定位。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：首先根据车辆在上一时刻的位置，结 合车载电子罗盘和轮速传感器，粗略的推算出车辆在当前时刻的位置；然后，利用车载GNSS 接收机，接收卫星的星历数据并进行星历解算，得到各卫星的位置；接着，根据车辆的位置， 计算各个卫星相对于车辆的高度角和方位角；进而，根据粗略估算的车辆位置，结合增强型 三维数字地图，利用信号传播路径的几何关系，逐一甄别卫星的可见性，剔除非视距卫星； 在可见卫星数目充分的情况下，结合高度角和方位角，进一步对卫星进行筛选，利用余下的 卫星组合解算出车辆的精确位置；

下面结合附图，对本发明的思路作进一步的说明：

本算法的流程如图1所示。

一种基于增强型数字地图的车辆优化选星定位方法，其特征在于，在城市环境下， 通过增强型三维数字地图，结合优化选星算法，有效剔除非视距卫星干扰，减弱多路径效应 的影响，从而提高车载卫星导航系统的定位精度，实现城市车辆的可靠、准确定位，所述方 法包括如下步骤：

步骤1)通过车载电子罗盘测得车辆的航向角，轮速传感器测得车辆的行驶速度， 然后根据车辆在上一时刻的定位结果，通过航位推算，粗略的估计出车辆在当前时刻的位 置；

步骤2)通过车载GNSS接收机，接收卫星的星历数据，计算各卫星的位置坐标；

步骤3)根据粗略估算的车辆位置，计算各卫星相对于车辆的高度角和方位角，高 度角和方位角的单位均为度(°)，高度角的范围为0～90°，卫星的方位角以车辆沿道路行驶 的方向逆时针旋转为正，当卫星位于道路左侧时，方位角的范围为0～180°，卫星位于道路 右侧时，方位角的范围为-180°～0°；

步骤4)如图2所示，在城市环境中，由于建筑物的反射，车载GNSS接收机易接收到 非视距卫星的信号，非视距卫星的伪距测量值误差较大，若将此类卫星用于定位解算，将导 致车辆定位精度下降，因此，在优化选星定位中，需要首先剔除非视距卫星；

根据粗略估算的车辆位置，结合增强型三维数字地图，得到车辆当前行驶道路两 边建筑物的高度以及车辆与两边建筑物的距离，车辆沿道路行驶方向左侧的建筑物高度为 H_l，右侧的建筑物高度为H_r，车辆与左侧建筑物的距离为d_l，车辆与右侧建筑物的距离为d_r， H_l、H_r、d_l、d_r的单位均为米，如图3所示，对于车载GNSS接收机观测到的所有卫星，利用遍历 的方法，逐一甄别卫星的可见性，剔除非视距卫星，具体过程如下：

1.卫星的高度角为α，方位角为β，根据卫星的方位角β，判断卫星相对于车辆的方 位；

2.当卫星位于车辆沿道路行驶方向左侧时，通过卫星的方位角β、左侧建筑物的高度H_l以及车辆与左侧建筑物的距离d_l，计算卫星在车辆左侧的截止高度角θ_l，若卫星的高度角小于θ_l，即α＜θ_l，则该卫星为非视距卫星；

当卫星位于车辆沿道路行驶方向右侧时，通过卫星的方位角β、右侧建筑物的高度 H_r以及车辆与右侧建筑物的距离d_r，计算卫星在车辆右侧的截止高度角θ_r，若卫星的高度角小于θ_r，即α＜θ_r，则该卫星为非视距卫星；

3.对于GNSS接收机观测到的所有卫星，逐一甄别卫星的可见性后，剔除其中的非 视距卫星；

步骤5)经上述可见卫星的辨识后，若可见卫星数目少于四颗，则无法进行GNSS伪 距定位解算，将步骤1)中的粗略估算的车辆位置作为最终的定位结果输出；

若可见卫星数目不少于四颗且不多于六颗，则将全部卫星用于GNSS伪距定位解 算，并将解算的结果作为最终的定位结果输出；

若可见卫星数目大于六颗，则从中选出六颗卫星用于GNSS伪距定位解算，具体过 程如下：

1.首先，从可见卫星中，选出高度角最大和最小的两颗卫星；

2.然后，选出与高度角最小卫星的方位角相差最大的一颗卫星；

3.接着选出与前三颗卫星组成的四面体体积最大的一颗卫星；

4.进而，利用遍历的方法，从余下的卫星中，任选两颗与上述四颗卫星组合，分别 计算六星组合的GDOP值，然后根据GDOP值最小的原则，从这些组合中，选取使GDOP值最小的 一组作为最后的选星结果；

5.将选出的六颗卫星进行GNSS伪距定位解算，并将解算的结果作为最终的定位结 果输出。

在下一时刻，重复上述步骤1)～步骤5)的优化选星定位过程，可以获得车辆在新 时刻的位置，从而实现车辆的连续定位。

有益效果

本发明的有益效果为：

1.本发明中的优化选星定位方法，利用增强型三维数字地图信息进行可见卫星的 辨识，排除了非视距卫星对于GNSS定位的干扰，有助于提高定位精度，实现城市环境下车辆 的准确定位；

2.本发明中的方法，在完成可见卫星辨识后，针对可见卫星数目充足的情况，以快 速选星为原则，提出了进一步的优化选星策略，从而保证了城市环境下车辆定位的精度和 实时性。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是可见卫星与非视距卫星的示意图。

图3是结合数字地图信息确定卫星截止高度角的示意图。

图3中的主要符号说明：

β卫星相对于车辆的方位角

H_l车辆沿道路行驶方向左侧的建筑物高度

H_r车辆沿道路行驶方向右侧的建筑物高度

d_l车辆与左侧的建筑物的距离

θ_l车辆左侧卫星的截止高度角

具体实施方式

随着国内机动车保有量的快速增加，我国的城市交通面临着日益严峻的挑战，智 能交通系统(IntelligentTransportationSystem，ITS)应运而生。ITS能够有效减少交通 事故的发生，缓解城市交通问题，而ITS的开发研究，离不开精确确的车辆导航定位，只有在 车辆准确、实时定位的前提下，才能够有效地指挥调度车辆，改善城市交通，保证车辆安全 行驶，因此，车辆导航定位技术是目前ITS研究的关键内容之一。

在车辆导航定位领域中，主要的定位方法有航位推算、惯性导航以及卫星导航。航 位推算和惯性导航主要采用低成本的车载传感器，如电子罗盘，轮速传感器、微机械陀螺仪 等来实现车辆的导航定位，由于传感器的测量误差会随时间不断的累积，通常只能保证短 时间的定位精度；目前，全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS) 在车辆定位领域的应用最为广泛，它泛指所有的卫星导航系统，技术较为成熟的有美国的 全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，俄罗斯的格洛纳斯导航系统以及中国 的北斗卫星导航系统，GNSS能够实时的为车辆提供三维位置、速度、时间等信息，实现全天 候、全方位的导航定位功能；

与传统的利用低成本车载传感器进行航位推算或者惯性导航相比，GNSS的定位精 度更高，但是，当车辆行驶在城市环境中时，由于道路两旁的高层建筑，GNSS的卫星信号易 受到遮挡和反射，多路径效应严重，若对信号反射导致的非视距卫星缺乏有效的甄别，势必 引入巨大的定位误差，因此，在城市环境下，利用GNSS实现车辆的准确定位是目前车辆导航 定位乃至ITS领域亟待解决的难题之一。

针对现有技术的不足，本发明提出了一种面向城市环境的车辆优化选星定位方 法，结合增强型三维数字地图信息，有效剔除非视距卫星的干扰，减弱多路径效应的影响， 从而实现城市环境下的车辆高精度定位。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：首先根据车辆在上一时刻的位置，结 合车载电子罗盘和轮速传感器，粗略的推算出车辆在当前时刻的位置；然后，利用车载 GNSS接收机，接收卫星的星历数据并进行星历解算，得到各卫星的位置；接着，根据车辆的 位置，计算各个卫星相对于车辆的高度角和方位角；进而，根据粗略估算的车辆位置，结合 增强型三维数字地图，利用信号传播路径的几何关系，逐一甄别卫星的可见性，剔除非视距 卫星；在可见卫星数目充分的情况下，结合高度角和方位角，进一步对卫星进行筛选，利用 余下的卫星组合解算出车辆的精确位置；

本发明采用了车载电子罗盘用于输出车辆的航向角，轮速传感器用于输出车辆的 速度，GNSS接收机用于输出卫星定位的原始数据，然后通过上位机进行处理，结合优化选星 定位算法，连续、实时的估计出车辆的精确位置；本实施方式接收机具体采用的是轻便型车 载GNSS接收机，具体型号例如加拿大NovAtel公司最新推出的FlexPak6轻便型GNSS接收机， 可输出卫星的星历以及伪距测量值等原始数据；GNSS接收机的天线布置在车顶的正中心位 置，接收机安装在车辆质心位置，与车辆纵轴同向。

下面结合附图，对本发明的思路作进一步的说明：

本算法的流程如图1所示。

一种基于增强型数字地图的车辆优化选星定位方法，其特征在于，在城市环境下， 通过增强型三维数字地图，结合优化选星算法，有效剔除非视距卫星干扰，减弱多路径效应 的影响，从而提高车载卫星导航系统的定位精度，实现城市车辆的可靠、准确定位，所述方 法包括如下步骤：

步骤1)通过车载电子罗盘测得车辆的航向角，轮速传感器测得车辆的行驶速度， 然后根据车辆在上一时刻的定位结果，通过航位推算，粗略的估计出车辆在当前时刻的位 置；

具体的航位推算过程，可详见参考文献(胡振文，孙玉梅，邢献芳.车辆定位与导航 [M].中国铁道出版社，2009.)；

步骤2)通过车载GNSS接收机，接收卫星的星历数据，计算各卫星的位置坐标；

具体的卫星星历解算过程可详见参考文献(谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子 工业出版社，2009.)、(高成发.卫星导航定位原理与应用[M].人民交通出版社，2011.)；

步骤3)根据粗略估算的车辆位置，计算各卫星相对于车辆的高度角和方位角，高 度角和方位角的单位均为度(°)，高度角的范围为0～90°，卫星的方位角以车辆沿道路行驶 的方向逆时针旋转为正，当卫星位于道路左侧时，方位角的范围为0～180°，卫星位于道路 右侧时，方位角的范围为-180°～0°；

步骤4)如图2所示，在城市环境中，由于建筑物的反射，车载GNSS接收机易接收到 非视距卫星的信号，非视距卫星的伪距测量值误差较大，若将此类卫星用于定位解算，将导 致车辆定位精度下降，因此，在优化选星定位中，需要首先剔除非视距卫星；

根据粗略估算的车辆位置，结合增强型三维数字地图，得到车辆当前行驶道路两 边建筑物的高度以及车辆与两边建筑物的距离，车辆沿道路行驶方向左侧的建筑物高度为 H_l，右侧的建筑物高度为H_r，车辆与左侧建筑物的距离为d_l，车辆与右侧建筑物的距离为d_r， H_l、H_r、d_l、d_r的单位均为米，如图3所示，对于车载GNSS接收机观测到的所有卫星，利用遍历 的方法，逐一甄别卫星的可见性，剔除非视距卫星，具体过程如下：

1.卫星的高度角为α，方位角为β，根据卫星的方位角β，判断卫星相对于车辆的方 位；

2.当卫星位于车辆沿道路行驶方向左侧时，通过卫星的方位角β、左侧建筑物的高 度H_l以及车辆与左侧建筑物的距离d_l，计算卫星在车辆左侧的截止高度角θ_l，若卫星的高度角小于θ_l，即α＜θ_l，则该卫星为非视距卫星；

当卫星位于车辆沿道路行驶方向右侧时，通过卫星的方位角β、右侧建筑物的高度 H_r以及车辆与右侧建筑物的距离d_r，计算卫星在车辆右侧的截止高度角θ_r，若卫星的高度角小于θ_r，即α＜θ_r，则该卫星为非视距卫星；

3.对于GNSS接收机观测到的所有卫星，逐一甄别卫星的可见性后，剔除其中的非 视距卫星；

步骤5)经上述可见卫星的辨识后，若可见卫星数目少于四颗，则无法进行GNSS伪 距定位解算，将步骤1)中的粗略估算的车辆位置作为最终的定位结果输出；

若可见卫星数目不少于四颗且不多于六颗，则将全部卫星用于GNSS伪距定位解 算，并将解算的结果作为最终的定位结果输出；

若可见卫星数目大于六颗，则从中选出六颗卫星用于GNSS伪距定位解算，具体过 程如下：

1.首先，从可见卫星中，选出高度角最大和最小的两颗卫星；

2.然后，选出与高度角最小卫星的方位角相差最大的一颗卫星；

3.接着选出与前三颗卫星组成的四面体体积最大的一颗卫星；

4.进而，利用遍历的方法，从余下的卫星中，任选两颗与上述四颗卫星组合，分别 计算六星组合的GDOP值，然后根据GDOP值最小的原则，从这些组合中，选取使GDOP值最小的 一组作为最后的选星结果；

5.将选出的六颗卫星进行GNSS伪距定位解算，并将解算的结果作为最终的定位结 果输出。

其中，伪距定位解算的具体计算过程可参照文献(鲁郁.GPS全球定位接收机[M]. 电子工业出版社，2009.)，GDOP值的计算方法可参照参考文献(王惠南.GPS导航原理与应用 [M].科学出版社，2003，134-139)。

在下一时刻，重复上述步骤1)～步骤5)的优化选星定位过程，可以获得车辆在新 时刻的位置，从而实现车辆的连续定位。