利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法
【专利摘要】利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法。本发明提供辅助城市环境下卫星导航定位的虚拟高程方法，该虚拟高程方法根据城市环境下高程变化的不同特点，构建相应的虚拟高程观测量，并将所构建的虚拟高程观测量与来自于卫星导航接收机的原始观测量相融合的方法，最终得到基于虚拟高程辅助的定位加权最小二乘解。本发明提高了城市环境下卫星导航的定位性能，提升了卫星导航的定位精度，适应了导航的实际运行要求。
【专利说明】利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星导航定位【技术领域】，尤其涉及一种利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市建设智能化和信息化的发展趋势，如何进一步提高基于卫星导航的定位性能成为迫切需要解决的问题之一。由于城市环境下“峡谷效应”的存在，卫星几何分布受限，定位精度仍有待于提高。基于这一考虑，我国北斗卫星导航采取了地球同步轨道卫星、地球倾斜轨道卫星和中轨道卫星相配合的卫星组网方案，虽然可以在一定程度上可以缓解对卫星数目的要求，定位连续性得以加强，但是卫星几何分布仍然受限，定位性能的提升仍需借助其他手段。
[0003]目前，常用辅助增强城市环境下定位性能的手段包括:(I)引入其他异源或异构导航传感器，但是这种方法同时意味着导航系统成本的增加。(2)引入差分相对定位技术也可以从根本上提高用户端定位的性能，但是卫星几何分布对定位性能的影响问题也没有得到根本解决。此外，差分模式下的通信负担问题也将成为制约其在城市环境下应用的关键问题之一。(3)引入地图匹配技术，在定位误差处于一个可以接受的界限之内时，地图匹配与卫星导航定位的几何可以极大提高用户水平定位的性能，但是在几何分布较差的情况下，定位误差急剧扩大，地图匹配待搜索的路径也随之增多，用户端导航定位的实时性难以满足。(4)结合数字高程模型，这种方法仍受限于水平定位精度，在水平定位误差较大时，用户高度将被限定在一个错误值上面，这种情况下甚至会降低用户的定位性能。综上所述，设计一种新型可应用于城市环境下的卫星导航定位辅助方法具有相当的迫切性。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明提供一种利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法，该方法根据城市环境下高程变化的不同特点，构建相应的虚拟高程观测量，适应了导航实际运行要求，保证了用户端导航定位的实时性和准确性，大大提升了卫星导航定位精度。
[0005]本发明的利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法包括:
[0006]步骤1，针对城市的地形特征将城市进行划区，根据划分的每个区域的地形特征构建相应类型的虚拟高程模型，离线在城市各区域测试各类型的虚拟高程模型得到对应的统计参数；
[0007]步骤2，获取用户在初始静止状态下的卫星导航位置解，根据该卫星导航位置解确定用户在本地坐标系的初始高，并设定初始的允许置信概率和第一次选用的虚拟高程模型；
[0008]步骤3，进入下一导航历元时刻，根据卫星导航接收机接收的伪距观测量和广播星历数据获得用户定位解，其中该用户定位解中的高度值以所述初始高为基准；[0009]步骤4，根据所用的虚拟高程模型构建虚拟高程观测量；
[0010]步骤5，利用所述用户定位解中的高度值减去所述虚拟高程观测量得到用户在本地坐标系内的高程增量Sh;
[0011 ] 步骤6，根据允许置信概率和相应虚拟高程模型的统计参数设置切换门限，利用假设检验的方法检验所述高程增量Sh是否超出所述切换门限:
[0012]如果处于假设检验的切换门限允许范围内，将所述用户定位解作为最终定位解输出，保持虚拟高程模型和允许置信概率不变，然后进入步骤3 ；
[0013]如果超出假设检验的切换门限允许范围内，则遍历各种类型的虚拟高程模型，根据各种类型的虚拟高程模型获得相应的虚拟高程观测量，利用假设检验对允许置信概率和相应的虚拟高程观测量依次进行拟合分布处理，获得相应的拟合概率，选用其中最大的拟合概率的虚拟高程模型，并将该最大的拟合概率设置为允许置信概率，然后进入步骤4。
[0014]进一步的，所述步骤4中构建的虚拟高程观测量相邻历元所对应的高程增量为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分别为用户在WGS-84坐标系中的概略纬度和经度，Δχ、Ay、Δ ζ为用户位置在WGS84直角坐标系中的坐标增量。
[0017]进一步的，所述步骤2中设定允许置信概率为99.99 %，对应的切换门限为y h+5 0 h。
[0018]本发明的有益效果在于:
[0019]本发明所提出的方法并不需要高程已知，而是通过构造虚拟高程的方法来辅助卫星导航定位，后续将通过调整权值最大程度地抑制模型不确定性对定位性能的损害，适应了导航实际运行要求，保证了用户端导航定位的实时性和准确性，大大提升了卫星导航定位精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是运用本发明的利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法的实施例一不意图。
【具体实施方式】
[0021]本发明的辅助城市环境下卫星导航定位的虚拟高程方法，其包括:
[0022]步骤1，根据城市各区域的地形特征构建各种类型的虚拟高程模型，离线在城市各区域测试对应的虚拟高程模型，得到各虚拟高程模型的统计参数，该统计参数包括均值μ和标准差σ。
[0023]首先确定各区域所对应的虚拟高程模型，然后收集相应区域内高程模型的观测量，利用虚拟高程模型和其观测量通过数值分析的方法得到包括均值和方差Oh)在内的统计参数。
[0024]用户在大地坐标系中的高度值与站心坐标系中的天定向值之间的耦合关系用虚拟高程模型表示:
[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分别为用户在WGS-84坐标系中的概略纬度和经度，Λχ、Ay、Δζ为用户位置在WGS84直角坐标系中的坐标增量。
[0027]步骤2，用户在初始状态获取卫星导航位置解，通过多个历元累积进行算术平均的方法确定用户在用户本地坐标系中的高度值，并据此设定允许置信概率P，效果较佳的设定为 P = 99.99%。
[0028]这里的初始状态就是指采用虚拟高程模型进行辅助导航的初始化时刻。
[0029]用户本地坐标系属于卫星导航领域内已经定义好的坐标系统，站心坐标系就是指用户本地坐标系。其本质就是将卫星导航接收机输出的经纬高坐标中的高度坐标作为用户本地坐标系中的初始高。
[0030]设定值取决于用户所需要的置信概率，如果用户要求更高或更低，可以改变这个概率值。设置为99.99%的目的是使得本文所提出的模型的置信概率高。
[0031]步骤3，进入下一导航历元时刻，提取卫星导航接收机输出的伪距观测量和广播星历数据，通过下面的式(2)进行加权最小二乘算法可以得到用户定位解。
[0032]步骤4，根据所应用的虚拟高程模型构建虚拟高程观测量；
[0033]步骤5，利用步骤3所输出的用户定位解以及步骤4所输出的虚拟高程观测量相减，得到用户定位解以及在站心坐标系内的高程增量Ah ；
[0034]所述步骤5中得到待检测用户定位解以及在站心坐标系内的高程增量Ah的方法为:
[0035]利用步骤3所输出的原始观测量和星历数据建立基于卫星导航的原始观测量在WGS-84坐标系内关于位置增量的模型为
[0036]Y = G Δ X+ ε ⑵
[0037]式中，Y为卫星导航所对应的观测量，G为观测几何矩阵，Λ X为包含位置变化量Λχ、Ay、Λζ和用户钟差的向量，ε为卫星导航观测量所包含的误差，误差对应的标准差为°s;
[0038]将式(2)与式(I)通过加权最小二乘算法得到用户位置的最终解。
[0039]所述加权最小二乘算法中的加权定位解所需的加权矩阵对角线元素取为所对应卫星伪距观测量和虚拟高程观测量的方差值。
[0040]步骤6，利用假设检验的方法检验步骤5中的高程增量Ah是否超出步骤2设定的所允许的置信概率P:
[0041]如果处于允许范围内，将待检测用户作为最终定位解输出，保持虚拟高程模型不变，设定允许置信概率P = 99.99%，然后进入步骤3，否则进入步骤7 ；
[0042]步骤7，遍历剩余各类型的虚拟高程模型进行假设检验，并选定对应最大拟合概率的虚拟高程模型，将最大的拟合概率设置为允许置信概率，进入步骤5。
[0043]在本专利中并未提出具体的虚拟高程模型，实际可构建等高模型、斜坡模型和双峰模型等模型。一般初始选择为等高模型。
[0044]所述步骤7中遍历剩余各类型的虚拟高程模型进行假设检验的切换策略为:
[0045]确定所建立的第i类虚拟高程观测量所对应城市某区域S，
[0046]在该区域S收集离线测试数据，获取在区域S应用第i类模型时的统计参数，在线运行中，虚拟高程观测量的均值和标准差分别为oh，利用该均值标准差％与用户在本地坐标系内的高程增量Λ!^作为统计检测量，当Ah > 411+5 011时，虚拟高程需进行切换，否则保持原模式不变；
[0047]当进行切换时，可将剩余不同类型的虚拟高程观测量依次进行检验，取假设检验拟合概率最高的虚拟高程模型作为最终的虚拟高程模型。
[0048]实施例一
[0049]以城市环境下车载用户为实施例，图1是运用本发明的利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法的实施例一示意图。如图1所示:
[0050]a.按照步骤I确定城市区域高程数据库。
[0051]b.将城市环境下的高程数据库安装到用户端的卫星导航接收机中。
[0052]c.假设用户初始从户外停车场出发，启动卫星导航接收机进行导航定位，通过收集5个历元时刻的数据进行算术平均处理得到用户的高度值，记为初始时刻V [0053]d.假定用户处于等高模型A的区域，并按照步骤5中所确定的方法输出用户高度，以及与等高模型所确定高度之间差量Sh。
[0054]e.在实时导航过程中，通过累积从时刻h到当前时刻t的用户高度输出值，按照步骤5到步骤7的过程确定是否需要进行相应的切换，如果无需切换，则继续从d到e过程，否则，进入步骤f。
[0055]f.将从h到t时刻所收集的高度值清空，将时刻t的高度值作为对应区域模型的第一个高度值，并将该时刻重新记为h。
[0056]g.进入到斜坡模型B+区域所确定的区域，按照该模型确定用户定位输出的高度值与斜坡模型所确定高度值之间的Sh。
[0057]h.按照步骤5到步骤7的过程确定是否需要进行相应的切换，如果无需切换，则按照g进行用户定位输出以及高度值的收集，如果需要则进入步骤g，否则，进入步骤i。
[0058]1.f.将从h到t时刻所收集的高度值清空，将时刻t的高度值作为对应区域模型的第一个高度值，并将该时刻重新记为h。
[0059]j.用户进入等高模型A的区域，并按照权利要求4中所确定的方法输出用户高度，以及与等高模型所确定高度之间差量Sh。
[0060]1.由此可重复上述过程进行相应的切换，从而完成基于虚拟高程辅助的定位过程。
[0061]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法，其特征在于，包括: 步骤1，针对城市的地形特征将城市进行划区，根据划分的每个区域的地形特征构建相应类型的虚拟高程模型，离线在城市各区域测试各类型的虚拟高程模型得到对应的统计参数； 步骤2，获取用户在初始静止状态下的卫星导航位置解，根据该卫星导航位置解确定用户在本地坐标系的初始高，并设定初始的允许置信概率和第一次选用的虚拟高程模型；步骤3，进入下一导航历元时刻，根据卫星导航接收机接收的伪距观测量和广播星历数据获得用户定位解，其中该用户定位解中的高度值以所述初始高为基准； 步骤4，根据所用的虚拟高程模型构建虚拟高程观测量； 步骤5，利用所述用户定位解中的高度值减去所述虚拟高程观测量得到用户在本地坐标系内的高程增量Sh ； 步骤6，根据允许置信概率和相应虚拟高程模型的统计参数设置切换门限，利用假设检验的方法检验所述高程增量Sh是否超出所述切换门限: 如果处于假设检验的切换门限允许范围内，将所述用户定位解作为最终定位解输出，保持虚拟高程模型和允许置信概率不变，然后进入步骤3 ； 如果超出假设检验的切换门限允许范围内，则遍历各种类型的虚拟高程模型，根据各种类型的虚拟高程模型获得相应的虚拟高程观测量，利用假设检验对允许置信概率和相应的虚拟高程观测量依次进行拟合分布处理，获得相应的拟合概率，选用其中最大的拟合概率的虚拟高程模型，并将该最大的拟合概率设置为允许置信概率，然后进入步骤4。
2.如权利要求1所述的利用虚拟高程模型辅助城市环境下卫星导航定位的方法，其特征在于，所述步骤4中构建的虚拟高程观测量相邻历元所对应的高程增量为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分别为用户在WGS-84坐标系中的概略纬度和经度，Δζ、Ay、Δ z为用户位置在WGS84直角坐标系中的坐标增量。
3.如权利要求1所述的辅助城市环境下卫星导航定位的虚拟高程方法，其特征在于，所述步骤2中设定允许置信概率为99.99%，对应的切换门限为μ h+5 σ h。
【文档编号】G01S19/42GK104035112SQ201410230870
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】袁洪, 李亮, 徐颖, 袁超, 唐阳阳 申请人:中国科学院光电研究院