专利名称：一种gps滞后时间的自适应检测方法
技术领域：
本发明涉及一种GPS滞后时间的自适应检测方法，可有效、自适应地实现GPS滞后特性检测，属于导航技术领域。
背景技术：
GPS可以在全球范围内，全天候、实时地为各种用户提供运载体的绝对位置、速度、 航向和时间信息，因其高精度定位得到了广泛的应用。但是，由于GPS解算延迟、OEM板固有延迟及数据解码传输等原因，GPS测量系统存在随机延迟的现象，在运载体转弯时由于滞后特性造成的不良影响尤为突出，而目前还没有一种有效的自适应检测GPS滞后特性的方法。发明内容
本发明的目的是为了解决GPS存在输出延迟的问题，提出一种GPS滞后特性自适应检测的方法。该方法基于DR的测量实时性和短时高精度，以航向差和速度为检测量，能够自适应地检测出GPS的滞后时间。
本发明的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，包括以下几个步骤
步骤一分别采集同一运载体的GPS测量系统和DR测量系统的测量信号，其中， GPS测量信息包括位置、航向和速度，DR测量系统包括里程仪脉冲数和陀螺角速度；
步骤二 设定GPS航向差序列检测窗口宽度及检测判别阈值，基于GPS测量航向信息和陀螺仪测量角速度信息，分别构造GPS、DR系统的航向差检测序列，在检测条件下，进行GPS滞后时间自适应检测；
步骤三设定GPS速度序列检测窗口宽度及检测判别阈值，基于GPS测量速度信息和里程仪速度信息，分别构造GPS、DR系统的速度检测序列，在检测条件下，进行GPS滞后时间自适应检测；
步骤四设定航向差检测序列窗口与速度检测序列窗口内公共历元的重合度阈值 C，若航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数大于重合度阈值C，则根据测量元件精度，设定航向差序列检测可信因子及速度序列检测可信因子，进而确定GPS 滞后时间；若航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数小于重合度阈值 C，则根据各自检测结果确定GPS滞后时间；
步骤五判断检测的GPS滞后时间是否小于零，若检测的GPS滞后时间小于零，则说明DR测量系统出现故障；若检测的GPS滞后时间大于零，则继续进行步骤二。
通过上述方法，基于惯性器件的实时输出性和短期高精度，构造GPS、DR双系统航向差检测序列和速度检测序列，能够自适应、有效地检测GPS滞后时间。
本发明的优点在于
(1)本发明利用陀螺仪、里程仪的实时输出性和短期高精度，实现对GPS的滞后特性进行自适应检测；
(2)能够准确地确定GPS滞后时间，为GPS和其他导航系统的的数据同步提供了准确的基础；
(3)本发明实现简单，计算量小，结果可靠。
图1是本发明的方法流程图加为实施例一中，175 20 时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的航向差序列的实验结果对比图2b为实施例一中，175 20 时间段内，根据本发明中航向差检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的航向信息构造的航向差序列的实验结果对比图2c为实施例一中，95 12 时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的航向差序列的实验结果对比图2d为实施例一中，95 12 时间段内，根据本发明中航向差检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的航向信息构造的航向差序列的实验结果对比图3a为实施例一中，115 13 时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的速度序列的实验结果对比图北为实施例一中，115 13 时间段内，根据本发明中速度检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的输出信息构造的速度序列的实验结果对比图3c为实施例一中，195 21 时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的速度序列的实验结果对比图3d为实施例一中，195 21 时间段内，根据本发明中速度检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的输出信息构造的速度序列的实验结果对比图如为实施例二中，20 40s时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的航向差序列的实验结果对比图4b为实施例一中，20 40s时间段内，根据本发明中航向差检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的航向信息构造的航向差序列的实验结果对比图fe为实施例二中，70 90s时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的速度序列的实验结果对比图恥为实施例二中，70 90s时间段内，根据本发明中速度检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的输出信息构造的速度序列的实验结果对比图5c为实施例二中，100 120s时间段内，根据GPS测量系统、DR测量系统原始输出信息构造的速度序列的实验结果对比图5d为实施例二中，100 120s时间段内，根据本发明中速度检测方法确定的滞后时间，GPS测量系统、DR测量系统进行数据对准后的输出信息构造的速度序列的实验结果对比图。
图6为实施例一中，GPS测量系统测量得到的车辆运行路径；
图7为实施例二中，GPS测量系统测量得到的车辆运行路径。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种GPS滞后时间的自适应检测方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤
步骤一分别采集同一运载体的GPS测量系统和DR测量系统的测量信号，其中， GPS测量信息包括位置、航向和速度，DR测量系统包括里程仪脉冲数和陀螺角速度；
步骤二 设定GPS航向差序列检测窗口宽度及检测判别阈值，基于GPS测量航向信息和陀螺仪测量角速度信息，分别构造GPS、DR系统的航向差检测序列，在一定的检测条件下，进行GPS滞后时间自适应检测，具体包括以下几个步骤；
(1)设定航向差序列检测窗口宽度及检测条件；
设定滞后检测窗口宽度为M,由于陀螺仪的输出频率通常情况下远高于GPS的输出频率，并且具有短时高精度，因此可以基于陀螺仪的测量信息进行GPS的滞后特性进行检测。当GPS速度大于一定阈值时，GPS测量的航向可信度较高，在航向角准确度较高时检测GPS是否存在滞后比较准确；在车辆转弯时，GPS的航向变化较大，滞后效应比较明显，故可选择在车辆转弯段进行GPS航向滞后检测。利用航向差序列进行GPS滞后特性检测的条件为ν (/') >= νψ _ threshold, i = k—M + \ …，k
ΣWgyro^)>ψ _ threshold, k = M ,1* M ,3* M,ii=k-M+l
其中，vgps (i)为GPS在i时刻测量的速度，i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；v^threshold为设定GPS航向可信的速度阈值；^ra(Z)为i时刻陀螺仪测量的航向角速度；V_threshold为航向存在较大幅度变化的航向阈值，通常可取为25° 35° ；
(2)判断航向角、航向角速度是否符合上述检测条件，如果符合，构造GPS测量系统航向差序列和DR测量系统航向差序列，如果不符合，则继续等待下一检测窗口内的GPS、 DR的测量数据。
GPS测量系统航向差序列Δ urgps_sequence为
\ gps —sequence = gps(Ji —Μ + gp 人k —M + 2),…，Κψgps(k)Yk = M ,2* M ,3* M,…Δ Ψ- if) = Wgvs (0 - Ψ- (i-V),i=k-M + \,-",k
其中，Δ Vgps(i)表示GPS测量得到的i时刻与i-1时刻的航向角的差值，i为GPS 的数据采集时刻，k为检测窗口边界；Vgps(i)为GPS测量得到的i时刻的航向角。
DR测量系统航向差序列Δ ￥dr_sequence为
Δ Wdr — sequence = {Δ ψ τ (k -M +1), Δ ψ τ (众一M + 2),.. .，Δ ψΛ. (^)} ,k=M,2*M,3*M,··· < .δ ΨΛγ (0 = [^i Wgyro (tyit,i=k-M+\,.、k
其中，Δ Vdr(i)为在GPS—个测量周期内陀螺仪的积分得到的航向角的变化量， i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；IfZgymU)为i时刻陀螺仪测量的航向角速度；
(3)采用航向差序列检测方法进行检测，得到GPS滞后时间；
由于GPS与陀螺仪均是对同一运载体进行测量，而陀螺仪的输出可看作实时的， 因此可以利用陀螺仪的输出检测GPS的滞后时间。只有当两序列的输出为同步时，两序列的匹配程度最高。因此，若将Δ Vgps_Sequence整体向右平移α—后，能够使得新的⑶和Δ U/dl_SeqUenCe两序列的差值的莱布尼茨范数最小，则(i—即为航向差序列检测的GPS滞后时间。航向差序列检测方法为
Δ^—叫浙膽(7；) = 0 #-Μ + 1 + Γ。),Δ 淋-Μ + 2 + Γ。),···，Δ # + Γ0)；}
k = M，2*M，3*M，…，T0 =-Tmax，--1,0,1,…，Tmax
Δ Ψ: — sequence (Τ; delay ) - Ai^dr _ sequence\ =J Σ (Δ + C—一(θ)' = minV i=k-M+\
k = M，2*M，3*M，...
其中，I I · I |F为向量的莱布尼茨范数，为将Δ u;gps_sequence 向右平移Ttl得到的新的GPS航向差序列；Tmax为GPS可能的滞后时间范围，通常取为3 k ； i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；min为由所有平移后的GPS构造的航向差序列和DR构造的航向差序列差值的莱布尼茨范数的最小值，7^>一为使上式取得最小值的Ttl 的值，即由航向差序列检测的GPS滞后时间。
步骤三设定GPS速度序列检测窗口宽度及检测判别阈值，基于GPS测量速度信息和里程仪速度信息，分别构造GPS、DR系统的速度检测序列，在一定的检测条件下，进行GPS 滞后时间自适应检测，具体包括以下几个步骤；
(1)设定速度序列检测窗口宽度及检测条件；
设定滞后检测窗口宽度为N，当车辆速度很小或者接近停车时，此时GPS和里程仪的测量值都可能存在一定的误差，因此当速度大于一定阈值时进行GPS速度滞后检测比较合适。若车辆一直勻速或接近勻速行驶，GPS是否滞后难以判断，只有当车辆进行加速、减速行驶时，可以通过两种不同的速度测量方式检测GPS是否滞后，而一段时间内速度的方差可以反映出车辆速度变化的波动情况，当方差大于一定阈值时，可以进行GPS滞后判定。 利用速度序列进行GPS滞后特性检测的条件为Vgps(/') >= ν_threshold,i = k-N+ l,k-N+ 2,---,k
\ 1 JL·1 JL·2—Σ [^(O-- Σ ^5(O)] >、—threshold,k = N,2*N,3*N,···Jy ~ ^ i=k—N+\丄、i=k—N+\
其中，i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；V_threShold为设定GPS速度可信的速度阈值；vePS (i)为i时刻GPS测量的速度；Vv _threshold为速度序列存在较大幅度变化的速度阈值，一般取为0. 8 1. 2 ；
(2)判断速度、速度方差是否符合上述检测条件，如果符合，构造GPS测量系统速度序列和DR测量系统速度序列，如果不符合，则等待下一检测窗口内的GPS、DR的测量数据。
GPS测量系统速度序列vgps_sequence为
Vgp^sequence = {vGPS (k-Ν+Ι)，vGPS (k_N+2)，...，vGPS (k)}，k = N，2*N，3*N，... DR 测量系统速度序列vto_sequence为
权利要求
1.一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一分别采集同一运载体的GPS测量系统和DR测量系统的测量信号，其中，GPS测量信息包括位置、航向和速度，DR测量系统包括里程仪脉冲数和陀螺角速度；步骤二 设定GPS航向差序列检测窗口宽度及检测判别阈值，基于GPS测量航向信息和陀螺仪测量角速度信息，分别构造GPS、DR系统的航向差检测序列，在检测条件下，进行GPS 滞后时间自适应检测；步骤三设定GPS速度序列检测窗口宽度及检测判别阈值，基于GPS测量速度信息和里程仪速度信息，分别构造GPS、DR系统的速度检测序列，在检测条件下，进行GPS滞后时间自适应检测；步骤四设定航向差检测序列窗口与速度检测序列窗口内公共历元的重合度阈值C， 若航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数大于重合度阈值C，则根据测量元件精度，设定航向差序列检测可信因子及速度序列检测可信因子，进而确定GPS滞后时间；若航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数小于重合度阈值 C，则根据各自检测结果确定GPS滞后时间；步骤五判断检测的GPS滞后时间是否小于零，若检测的GPS滞后时间小于零，则说明 DR测量系统出现故障；若检测的GPS滞后时间大于零，则继续进行步骤二。
2.根据权利要求1所述的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，步骤二具体包括以下几个步骤；(1)设定航向差序列检测窗口宽度及检测条件；设定滞后检测窗口宽度为M，利用航向差序列进行GPS滞后特性检测的条件为Vgps(/') >= νψ _threshold,i = k-M + !,·■■ ,kJ k ·Σ Ψ評(0 >Ψ — threshold,Λ = Μ,23…J=k-M+\其中，Vgps(i)为GPS在i时刻测量的速度，i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；v^threshold为设定GPS航向可信的速度阈值 ’ψ;0( )为i时刻陀螺仪测量的航向角速度；!!^threshold为航向存在较大幅度变化的航向阈值；(2)判断航向角、航向角速度是否符合上述检测条件，如果符合，构造GPS测量系统航向差序列和DR测量系统航向差序列，如果不符合，则继续等待下一检测窗口内的GPS、DR的测量数据；GPS测量系统航向差序列Δ Vgps_sequence为 Δ Wgps —sequence = {Δ ψgps (k -M +1)，Δ ψgps (k —Μ + 2\..· ,Χψ=M M β* M ,… 、δ Wgps (0 = Wgps H) - Wgps (i-r)’i=k-M + l,.-,k其中，Δ ￥gps(i)表示GPS测量得到的i时刻与i-Ι时刻的航向角的差值，i为GPS的数据采集时刻，k为检测窗口边界；Vgps⑴为GPS测量得到的i时刻的航向角；DR测量系统航向差序列Δ vdl_sequence为Δ ψ Γ — sequence = {Δ ψ Γ (k -M +1)，Δ ψ Γ (众—M + 2)，.··，Δ ψ . (Α:)}彳=Μ，2 3 *Μ,…< .Δ Ψ Γ (0 = f!, Wgyro (t)dt, i=k—M + \"、k其中，Δ Vdr(i)为在GPS—个测量周期内陀螺仪的积分得到的航向角的变化量，i为 GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界^gym袖i时刻陀螺仪测量的航向角速度；(3)采用航向差序列检测方法进行检测，得到GPS滞后时间；航向差序列检测方法为—從糾例ασ。)= ·(Δ Μ + 1 + Γ。),Δ 淋-M + 2 + r。),...，A s(A; + r0)}k = M，2*M，3*M，…，Ttl =-Tmax, -"1,0,1,…，Tmax |Δ Ψ; — sequence (Τ;—一sequenced =J Σ+) 一 Δ ^fr (θ) = mink = M，2*M，3*M，…其中，I I · I |F为向量的莱布尼茨范数，为将Δ Vgps_sequence向右平移Ttl得到的新的GPS航向差序列；Tmax为GPS可能的滞后时间范围，通常取为3 5s ； i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；min为由所有平移后的GPS构造的航向差序列和DR构造的航向差序列差值的莱布尼茨范数的最小值，为使上式取得最小值的Ttl 的值，即由航向差序列检测的GPS滞后时间。
3.根据权利要求1所述的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，步骤三具体包括以下几个步骤；(1)设定速度序列检测窗口宽度及检测条件；设定滞后检测窗口宽度为N，利用航向差序列进行GPS滞后特性检测的条件为 Vgps(/') >= ν_threshold,i = k-N+ l,k-N+ 2,---,kΣ去 Σ ^5(O)] >、—threshold,k = N,2*N,3*N,···其中，i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；V_threshold为设定GPS速度可信的速度阈值；vePS (i)为i时刻GPS测量的速度；Vv _threshold为速度序列存在较大幅度变化的速度阈值；(2)判断速度、速度方差是否符合上述检测条件，如果符合，构造GPS测量系统速度序列和DR测量系统速度序列，如果不符合，则等待下一检测窗口内的GPS、DR的测量数据；GPS测量系统速度序列Vgps_Sequence为vgps_sequence = {vGPS (k-N+1)，vGPS (k_N+2)，…，vGPS (k)}，k = N，2*N，3*N，... DR 测量系统速度序列vdr_sequence为Vdr —sequence = \vJJi - NJJi - N+2),.、VJli)lk = N 7 N 7 N,… vdr(i) = WS,i=k-N+l,k-N+2,-,k其中，i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界；V(t(i)为i时刻里程仪测量的速度；P。d(i)为i_l i时间段内里程仪测量的脉冲数；S为里程仪比例因子；(3)采用速度序列检测方法进行检测，得到GPS滞后时间；速度序列检测方法如下式所示k = M，2*M，3*M，...，T1 = -Tmaxl, -"1,0,1,…，TmaxlIv^r _se^ence(TgPS_deiay) ~Vdr _sequence\F = Σ (UO. + C—d—) —W))2 =min, kV i=k-N+\= N，2*N，3*N，…其中，Μ · I |F为向量的莱布尼茨范数，i为GPS的数据采集时刻；k为检测窗口边界； C JegMmceCQ为将Vgps_Sequence向右平移T1得到的新的GPS速度序列；Tmaxl为GPS 可能的滞后时间范围，通常取3 k ；min为由所有新测GPS构造的速度序列和DR构造的速度序列差值的莱布尼茨范数的最小值，^为由速度序列检测的GPS滞后时间。
4.根据权利要求1所述的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，步骤四具体包括以下几个步骤；步骤a、设定航向差检测序列窗口与速度检测序列窗口内公共历元的重合度阈值C，C 通常可取为M、N中较小者的75% ；步骤b、如果航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数大于重合度阈值C，进入步骤c;如果航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数不大于重合度阈值C，进入步骤d;步骤c、若航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数大于重合度阈值C，则GPS滞后时间的确定方法为 GPS测量系统的滞后时间为 τ =ClTv +a Tvgps _ delaygps _ delay 2 gps_ delay其中，α i为航向差序列检测算法的置信因子；α 2为速度序列检测算法的置信因子； Tgps delay为最终检测的GPS测量系统的滞后时间；步骤d、若航向差检测序列窗口和速度检测序列窗口内公共历元的个数不大于重合度阈值C，则GPS滞后时间的确定方法为若最近时间段内采用了航向差检测方法，则GPS的滞后时间为r—Τψgps _ delay gps _ delay若最近时间段内采用了速度检测方法，则GPS的滞后时间为J1_ Jivgps _ delay gps _ delay
5.根据权利要求2所述的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，所述的 ￥_threshold 取值为 25° 35°。
6.根据权利要求3所述的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，所述的 vvar_threshold 取值为 0. 8 1. 2。
7.根据权利要求4所述的一种GPS滞后时间的自适应检测方法，其特征在于，所述的， C取M、N中较小者的75%。
全文摘要
本发明公开了一种GPS滞后时间的自适应检测方法，该方法基于航位推算系统中惯性测量单元的测量实时性与短时高精度，在一定的检测条件下，利用GPS测量的航向信息、速度信息与航位推算系统中陀螺仪测量的航向角速度、里程仪测量的速度信息，构造GPS、DR两测量系统的航向差、速度检测序列，能够有效、自适应地检测出GPS的滞后时间。
文档编号G01S19/23GK102495415SQ201110384290
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者张晓鸥, 张海, 苌永娜 申请人:北京航空航天大学