基于城市三维地图的地面数字电视广播与导航卫星混合粒子滤波定位方法与流程

本发明涉及一种基于城市三维地图的地面数字电视广播与导航卫星混合粒子滤波定位方法，属于无线定位的技术领域。

背景技术：

近年来，随着无线通信技术、智能移动终端技术及无人汽车等技术的快速发展，基于位置的服务成为了最热门的服务需求之一。在室外开阔的空间中，成熟的卫星定位系统被用于各种需要定位服务信息的场合中。然而大部分时间里，人们的定位活动都发生在卫星定位系统受限的城市环境中，人们不再满足于只能在室外开阔的空间享有定位信息服务，对复杂的城市环境中定位信息的需求变得越来越强烈。但是由于在高楼耸立的市区所能观测到的卫星数目和卫星的几何图形结构都很难达到精确定位的要求。除此之外，电磁波在传播过程中，由于城市中楼宇众多，信号只能以反射、折射、散射等方式传播，从而带来额外的非视距误差。因此在城市中仅仅依靠卫星导航显然无法满足人们对位置信息的需求。

使用卫星信号在高楼林立的城市地区进行定位，由于周围建筑物的遮挡，通常会面临单一定位卫星星座可见卫星不足和接收机与可见卫星间几何分布差的问题。GDOP是衡量卫星定位精度的一个重要指标。几何分布越好，GDOP值就越小，定位精度就越高。DTMB信号的引入可以使定位系统的GDOP变小，且取值满足实际定位的需求。利用DTMB信号和导航卫星信号进行混合定位，可以在弥补导航卫星数量不足的同时很好的改善定位系统在城市地区的几何分布情况。

在城市环境下，由于障碍物阻挡引起的多径干扰和非视距误差以及蜂窝通信系统中“远近效应”引起的多址干扰都极大地影响移动定位的精度，其中NLOS误差是最为关键的要素之一。相关研究发现，平均定位误差随着NLOS误差的增加呈线性增长。与系统误差相比，NLOS误差会给定位结果带来更大的消极影响。NLOS误差较严重时可产生几十米的定位误差。要保证定位结果的正确性，应该选择避开存在NLOS误差的范围，或者选择补偿NLOS误差。

目前，很多研究在尝试同时使用城市3D地图与陀螺仪等一些运动传感设备来获取城市中目标的准确位置。当接收机从能够被正确定位的位置移动到受干扰的位置时，这些研究可以根据其运动向量对定位结果进行一定的校正。但这些研究仍存在很多缺陷，如在可见卫星数量太少时校正随时间变差的问题，接收机静止在受干扰的位置时无法定位的问题等。

技术实现要素：

本发明提出一种基于城市三维地图的地面数字电视广播与导航卫星混合粒子滤波定位方法，克服了城市中高楼林立的地形在精度衰减因子方面的不利影响，实现在众多障碍物的城市环境中高效精确的定位。

实现本发明的技术方案如下：

该方法使用DTMB信号辅助卫星导航信号，利用城市3D地图构建定位信号的NLOS误差修正地图，并使用粒子滤波补偿NLOS误差，有效提高恶劣信道环境下的定位精度，具体步骤为：

(1)依据城市三维地图和定位信号发射源的实时位置构建定位区域内定位信号的NLOS误差修正地图；

(2)计算各个定位信号发射源到接收机的伪距并解算出初步的定位结果；

(3)根据初步定位结果在其附近生成采样区域并使用重要性概率密度生成采样粒子；

(4)利用地图优化粒子生成的区域，根据NLOS修正地图查询各个粒子位置的NLOS误差补偿值，计算补偿后的观测结果以及误差和权重；

(5)根据权重进行重采样，得出定位结果的最优估计。

进一步地，本发明所述的定位信号包括导航卫星信号和DTMB信号，导航信号的发射源为运动的导航卫星，DTMB信号的发射源为固定的电视塔。

进一步地，本发明所述的定位信号的NLOS误差修正地图记录城市各个位置导航信号和DTMB信号的NLOS误差值。NLOS误差Dis_NLOS的计算公式为：

其中α是观测点到卫星的仰角，β是反射位置到卫星的仰角，h为卫星到地面高度，Dis_direct是观测点到卫星的直线距离，DiS_multi是观测点到卫星的折射距离。

导航卫星的NLOS误差值的更新周期设为1分钟，DTMB信号的NLOS误差值无需频繁更新。

进一步地，本发明所述的步骤(3)中的采样粒子根据重要性概率密度来生成，通常情况下，当NLOS较弱时，其对定位结果的影响在10米以内，而NLOS较强时，其对定位结果的影响在60米以内。因此采样粒子60％分布在状态点10米范围内，其余粒子分布在状态点60米范围内。

进一步地，本发明所述的步骤(4)中排优化粒子生成的区域，是在生成采样粒子时，利用城市三维地图排除楼宇区域的粒子，缩小实际采样面积。

进一步地，本发明所述的步骤(4)中的权重取决于测量误差，即观测值与状态值间的误差。观测值是根据修正后的伪距计算得到的定位结果，可表示为观测向量Z＝(x_GPS，y_GPS，z_GPS)，状态值是粒子的位置坐标，可表示为状态向量X＝(x，y，z)，设误差的测度函数为r，则：

其中，σ为定位结果在x，y，z方向上误差的方差。使用NLOS误差修正地图的权重w表示为：

γ代表不完全Gamma函数，Γ代表Gamma函数。若一个粒子的测量误差越小，则这个粒子的权重就越大。

进一步地，本发明所述的步骤(5)的具体过程为：检查权重最高者的误差，如果误差小于阈值则算法结束，如果误差偏大且迭代次数少于4次，则以权重最高者为中心以重要性概率密度生成采样粒子进行重采样并重复(4)、(5)步，如果误差偏大且迭代次数大于4次，则以初步的定位结果为中心扩大粒子生成范围，均匀生成采样粒子进行重采样并重复(4)、(5)步至误差小于阈值或迭代至8次。

本发明提出的定位方法与已有的技术相比，有以下优点：

1.相对于单独使用卫星导航信号进行定位，本方法引入了DTMB信号辅助定位。在城市地区，能够有效地弥补可见卫星数目不足的同时很好地改善定位系统的几何分布情况。DTMB信号辅助定位能弥补楼宇间可见卫星数目不足导致无法定位的缺陷，并克服城市中高楼林立的地形在精度衰减因子方面的不利影响。

2.相对于DTMB信号辅助导航卫星定位的方法，本方法采用三维粒子滤波的方法补偿NLOS误差，实现在众多障碍物的城市环境中仍可对静态或动态目标进行可靠定位。该方法能够准确有效地在恶劣的信道环境下完成定位，定位结果更加准确可靠。

附图说明

图1为本发明基于城市三维地图的地面数字电视广播与导航卫星混合粒子滤波定位方法的流程图；

图2为NLOS误差产生原理示意图；

图3为导航卫星运动对NLOS误差的影响示意图；

图4为测量结果不存在NLOS误差时本方法的运行效果示意图；

图5为测量结果存在NLOS误差时本方法的运行效果示意图。

具体实施方式

结合附图及实施例，对本发明所述的方法作详细阐述。

如图1所示，基于城市三维地图的地面数字电视广播与导航卫星混合粒子滤波定位方法，具体过程为：

(1)依据城市三维地图和定位信号发射源的实时位置构建定位区域内定位信号NLOS误差修正地图。

根据定位信号发射源的实时位置，利用城市3D地图分别计算出导航卫星信号与DTMB信号到地图上各个位置点的实际传播距离与直线距离的差值，即NLOS误差值。图2显示了导航卫星定位过程中NLOS误差产生的原理，由于建筑物遮挡，信号只能通过反射到达相同的位置，其传播路径变长。NLOS误差Dis_NLOS的计算为：

其中α是观测点到卫星的仰角，β是反射位置到卫星的仰角，h为卫星到地面高度，Dis_direct是观测点到卫星的直线距离，Dis_multi是观测点到卫星的折射距离。

由于导航卫星围绕地球规律的运动，则观测点到卫星的距离也在不停地变化，因此需要对NLOS误差值进行实时更新。图3显示了卫星移动1分钟后对同样位置NLOS误差的影响。以GPS卫星为例，其运行周期约为12小时，则α，β每分钟减小约0.5°，同时，h每分钟减小约147km。通过计算发现，1分钟后NLOS误差的变化在1.2m左右。因此，导航卫星信号的NLOS误差值的更新周期设置为1分钟，既保证精度又保证有足够的时间更新NLOS误差值。而对于DTMB信号，由于其发射源电视塔的位置长期固定，它的NLOS误差值在较长时间内保持不变，不需频繁更新。

(2)计算各个定位信号发射源到接收机的伪距并解算出初步的定位结果。

利用接收机接收导航信号与DTMB信号，计算导航信号到接收机的伪距与DTMB信号到接收机的伪距，利用该伪距解算出初步的定位结果。

(3)根据初步定位结果在其附近生成采样区域并使用重要性概率密度生成采样粒子。

在初步定位结果附近生成采样区域，散布采样粒子，各个粒子的位置坐标可表示为状态向量X＝(x，y，z)。引入重要性概率密度，保证生成的采样粒子中60％分布在状态点10米范围内，其余粒子分布在状态点60米范围内。在某些极端情况NLOS误差范围可达150米，因此这种情况下，生成采样粒子 的范围将改为150米，同时均匀生成采样粒子。

(4)利用地图排优化粒子生成的区域，根据NLOS修正地图查询各个粒子位置的NLOS误差补偿值，计算补偿后的观测结果以及误差和权重。

对比城市三维地图与采样粒子的生成区域，若生成区域中包含建筑物部分，则将该部分粒子剔除。根据各个粒子状态向量X的坐标查询NLOS误差修正地图，用相应的误差修正值修正测量伪距，再根据修正后的伪距计算出观测结果，该结果表示为向量Z＝(x_GPS，y_GPS，z_GPS)。

由于测量误差的存在，定位结果在x，y，z方向上均存在一定误差。这两个误差彼此相互独立，均呈正态分布，且有着相同的方差σ。通过概率论推导，如果定位结果正确，且σ＝1时，测量位置与实际位置间的距离误差的平方呈自由度为3的卡方分布。所以设误差的测度函数为r，则有：

使用NLOS误差修正地图的权重w，可以表示为：

其中，γ代表不完全Gamma函数，Γ代表Gamma函数。根据以上公式计算得出权重值，若一个点的观测值与粒子的状态值间的误差更接近合理区间，则这个粒子点就权重更大。

(5)根据权重进行重采样，得出定位结果的最优估计。

检查权重最高者的误差，如果误差小于阈值则算法结束，如果误差偏大且迭代次数少于4次，则以权重最高者为中心以重要性概率密度生成采样粒子进行重采样并重复(4)、(5)步，如果误差偏大且迭代次数大于4次，则以初步的定位结果为中心扩大粒子生成范围，均匀生成采样粒子进行重采样并重复(4)、(5)步至误差小于阈值或迭代至8次。

图4和图5示意性地展示了不同情况下，本发明方法的运行情况。图4是测量结果不存在NLOS误差时的情况，阴影区域代表受NLOS误差影响的区域。此时1号，2号粒子均未对伪距进行修正，所以其观测结果一致如图4中所示，此时1号粒子更接近观测点，所以它的权重大于2号粒子。而3号粒子对伪距进行了一定的修正，但由于修正错误，其定位结果偏差巨大，所以可认为它的权重比1号粒子小。图5是测量结果存在NLOS误差时的情况，阴影区域代表受NLOS误差影响的区域。此时1号，2号粒子均未对伪距进行修正，所以其观测结果一致如图5中所示，此时1号粒子更接近观测点，所以它的权重大于2号粒子。而3号粒子对伪距进行了一定的修正，由于修正正确，它与观测结果间距离最小，权重最大。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。