一种基于全球卫星定位系统的寻北方法与流程

本发明涉及空间领域中方向定位的标定方法，具体涉及一种基于全球卫星定位系统的寻北方法。

背景技术

现有技术中，通过磁罗盘进行标定，然而采用磁罗盘指认方向时，磁罗盘容易受到周围环境影响,主要有以下两方面的误差：

1）对于山区或者磁场强度较大的户外，采用磁罗盘容易出现磁山或者其他地磁现象，而野外探险者、户外工作人员等人群，大多采用磁罗盘辨识方向，此时磁山或者地磁等容易导致磁罗盘发生真北的偏移，使得磁罗盘对于北方的指认有误，导致用户方向辨识错误，影响野外探险者的路径寻找以及户外工作人员的数据采集。而对于野外探险者等人群，一旦方向指认错误，则容易走入错误的指示路线内，严重者，则可能发生人身意外伤害。

2）磁罗盘在飞机作非匀速飞行或转弯时，会产生较大的误差，也不适宜在磁性异常地区和高经度地区使用，因此近代飞机上远读式磁罗盘已由性能较完善的陀螺磁罗盘或航向系统所取代。

由于上述缺陷，导致磁罗盘的使用过于局限，在方向判断上，误差较大，严重影响用户的使用。

技术实现要素：

为了解决现有技术出现真北偏移以及误差较大的问题，本发明提供了一种基于全球卫星定位系统的寻北方法，其具有误差小、适用范围广的特点。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于全球卫星定位系统的寻北方法，包括以下步骤：

点的选取：在行进的运动轨迹中任意选取第一点a和第二点b；

经度差和纬度差的求取：分别测量a点的经度x1、a点的纬度y1、b点的经度x2和b点的纬度y2；

根据公式（1）和（2）分别求取经度差x3和纬度差y3；

x3=x2-x1；（1）

y3=y2-y1；（2）

磁北方向的寻取：从第一点到第二点的连线为ab，在二维平面内，从磁北顺时针转动到ab形成的夹角为α；根据公式（3）可知：

tanα=x3/y3；（3）

通过x3和y3，求出α的度数；

通过在二维平面内逆时针旋转ab，使得α的度数为0°；

或通过在二维平面内时顺针旋转ab，使得α的度数为180°；

则ab连线的指向即为磁北方向。

进一步地，所述纬度差和经度差的求取步骤中；

x3=x2×cosy2-x1×cosy1。

进一步地，所述磁北方向的寻取步骤中；

当x3>0，且y3>0时，从磁北方向到ab方向形成的夹角的度数为α；

当x3>0，且y3<0时，从磁北方向到ab方向形成的夹角的度数为α+180°；

当x3<0，且y3>0时，从磁北方向到ab方向形成的夹角的度数为－α°；

当x3<0，且y3<0时，从磁北方向到ab方向形成的夹角的度数为α+180°。

进一步地，所述磁北方向的寻取步骤中；

当x1=x2，且y3>0时，则ab连线的方向为磁北方向；

当x1=x2，且y3<0时，则ab连线的反向为磁北方向。

进一步地，所述磁北方向的寻取步骤中；

当x3>0，且y1=y2时，则ab连线顺时针旋转90°为磁北方向；

当x3<0，且y1=y2时，则ab连线逆时针旋转90°为磁北方向。

进一步地，所述纬度差和经度差的求取步骤中，所述a点的经度x1、a点的纬度y1、b点的经度x2和b点的纬度y2的测量均采用纬度经度测量装置。

更进一步地，所述纬度经度测量装置为泰斗d303芯片。

进一步地，所述磁北方向的寻取步骤中，从第一点到第二点的连线为ab，所述ab的长度大于等于10m。

进一步地，所述选取点步骤中，还包括用于显示第一点a和第二点b的显示屏。

本发明的有益效果：

本发明中，巧妙结合两点之间的测量数据，同时结合夹角，实现了最后的寻北。本发明，方法简单，操作容易，辨识度高，避免了真北受磁场影响而发生的漂移现象。

本发明中，利用三角形正切值的公式，通过简单计算，结合现有技术中容易获取位置纬度和经度的特征，可以在不受磁场影响下，直接获取得到准确度高的北方方向，极大的方便了户外用户，避免误入野外错误路线途经，保证了野外路径的正确寻找。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于全球卫星定位系统的寻北方法的坐标指示图；

图2是本发明提供的泰斗d303芯片应用时的坐标指示图；

图3是本发明提供的实施例1中的坐标指示图；

图4是本发明提供的实施例2中的坐标指示图；

图5是本发明提供的实施例3中的坐标指示图；

图6是本发明提供的实施例4中的坐标指示图

图7是本发明提供的实施例5中的坐标指示图。

图8是本发明提供的实施例6中的坐标指示图。

图9是本发明提供的实施例7中的坐标指示图。

图10是本发明提供的实施例8中的坐标指示图。

图11是本发明提供的实施例7中的坐标指示图。

图12是本发明提供的实施例8中的坐标指示图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

参照附图1所示，本发明中的一种基于全球卫星定位系统的寻北方法，包括以下步骤：

第一步，点的选取：当户外人员需要寻找方向时，随意行进，然后在行进的运动轨迹中任意选取第一点a和第二点b；

此时，任意选取的两点连接形成a点指向b点的线段，其必然与正北方向形成夹角，通过一点与正北方向连接，然后将另一点与正北方向连接，形成直角三角形，为后续正北方向的寻找做准备。

第二步，纬度差和经度差的求取：分别测量a点的经度x1、a点的纬度y1、b点的经度x2和b点的纬度y2；

根据公式（1）和（2）分别求取经度差x3和纬度差y3；

x3=x2-x1；（1）

y3=y2-y1；（2）

在地球环境中，经纬度是纬度与经度的合称组成一个坐标系统，称为地理坐标系统，纬度是地球上一个地点离一根被称为本初子午线的南北方向走线以东或以西的度数。本初子午线的纬度是0°，地球上其它地点的纬度是向东到180°或向西到180°。经度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，其数值在0至90度之间。

本发明中，将纬度作为y轴，而经度为y轴，以赤道中心为0点，形成坐标系体系，进而便于后期角度的求取。

由于地球的子午线总长度大约40008km。故平均：经度1度=大约111km，经度1分=大约1.85km，经度1秒=大约30.9m。

而对于纬度，纬度的每一度被分为60角分，每一分被分为60秒。一个纬度因此一般看上去是这样的:东经23°27′30"或西经23°27′30"。更精确的纬度位置中秒被表示为分的小数，比如:东经23°27.500′，但也有使用度和它的小数的:东经23.45833°。同一经线上，经度的每个度大约相当于111km，但纬度的每个度的距离从0km到111km不等。它的距离随经度的不同而变化，等于111km乘经度的余弦。不过这个距离还不是相隔一纬度的两点之间最短的距离，最短的距离是连接这两点之间的大圆的弧的距离，它比上面所计算出来的距离要小一些。如果处于地球中间，非曲面位置，则计算时，四舍五入取中间值为：

纬度1度=大约111km，纬度1分=大约1.85km，纬度1秒=大约30.9m。

综上所述，即测量a点的经度x1、a点的纬度y1、b点的经度x2和b点的纬度y2均为具体数值，可以进行计算。

进一步地，当处于赤道、南北极以及地球表面附近时，由于地球时圆的，根据公知常识，则此时的经度需要乘以相应经度的cos值，故：

当y1≠y2时，x3=x2×cosy2-x1×cosy1。

通过地理常识可知，纬线又叫纬线圈,是正圆.在球面上,不同纬线有平行关系.不同纬度值的纬线,其长度是不一样的.赤道最长,从赤道向两极递减.任一条纬线的纬度值,其实就是这条纬线与赤道之间最短距离的弦长所对应的球心角.解简单的rt三角形,可得到纬度值为y的纬线,其半径=赤道半径xcosy赤道半径=6378km,联合上式及圆周长公式l=2x3.14x6378kmxcosy.圆周角=360度,即一条纬线的360度经度.所以,在纬度为y的纬线上,每一度经度差对应的实际距离l=（2x3.14x6378kmxcosy)/360=111.2kmxcosy,约等于110kmxcosy。

综上所述，同一纬线上两地,根据经度差计算距离:l＝经度差×110km/°×cosy（y为该纬线的纬度）。

采用本发明的方法寻北时，y3=x2×cosy2-x1×cosy1。由于ab距离较近，故y2与y1相差不会很大，此时cosy2与cosy1基本相同，故y3≈（x2-x1）×cosy2≈（x2-x1）×cosy1。

第三步，磁北方向的寻取：从第一点到第二点的连线为ab，在二维平面内，顺时针转动磁北方向，则从磁北方向到ab方向形成的夹角为α；根据公式（3）可知：

tanα=x3/y3；（3）

通过x3和y3，求出α的度数；

参照附图1可知，通过在二维平面内逆时针旋转ab，使得α的度数为0°；

或通过在二维平面内顺时针旋转ab，使得α的度数为180°；

则ab连线的指向即为磁北方向。

本实施例以及方案中，所述夹角α的度数，为从磁北方向顺时针旋转到ab方向需要的旋转度数。

对于某些导航软件等，一般显示的为从ab方向顺时针转动到磁北方向时，需要转动的角度，由于在同一平面内，故用360°-夹角α的度数即为从ab方向顺时针转动到磁北方向的旋转度数。即百度地图等显示的夹角度数，与本发明实施例中求出的α度数相加后，等于360°。

所述磁北方向的寻取步骤中；

本实施例中，当x3>0，且y3>0时，从磁北方向到ab方向顺时针旋转，需要转动的度数，即形成的夹角的度数为α；

当x3>0，且y3<0时，从磁北方向到ab方向顺时针旋转，需要转动的度数，即形成的夹角的度数为α+180°；

当x3<0，且y3>0时，从磁北方向到ab方向顺时针旋转，需要转动的度数，即形成的夹角的度数为－α；

当x3<0，且y3<0时，从磁北方向到ab方向顺时针旋转，需要转动的度数，即形成的夹角的度数为α+180°。

本实施例中，磁北方向即为正北方向，即北边的方向，与指南针指出的南边相反。

本实施例中，当x1=x2，且y3>0时，则ab处于同一经度上，此时ab连线的方向为磁北方向；

当x1=x2，且y3<0时，则ab处于同一经度上，则ab连线为正南方向，故ab连线的反向为磁北方向。

当x3>0，且y1=y2时，此时，ab在同一纬度上，则ab连线方向为从东向西，则ab连线顺时针旋转90°为磁北方向；

当x3<0，且y1=y2时，此时，ab在同一纬度上，则ab连线方向为从西向东，则ab连线逆时针旋转90°为磁北方向。

本发明及实施例中，所述磁北方向既为正北方向，通过找到正北方向，则很容易找到南边，以及东西两边方位。

本实施例中，a点的经度x1、a点的纬度y1、b点的经度x2和b点的纬度y2的测量均采用纬度经度测量装置。

优选地，所述纬度经度测量装置为泰斗d303芯片。由于泰斗d303芯片的测量精度为10cm以内，精度高，故测量时采用泰斗d303芯片。

参照附图2所示，当采用精度为10cm以内的泰斗d303芯片时，假设此时的ab指向为正北方向，此时，ab分别是以10cm为半径形成的圆，即a点和b点的最大偏差均为10cm；第一点a在y轴的最高点c和第二点b在y轴的最低点d相连，第二点b在y轴的最高点为e,则cd与ce形成夹角，此时，误差角度最大，假设夹角为1°（当度数为0度时，此时表面无偏差），根据正切表可知，tan(1°)=0.01746；即0.01746=0.2/l，则l=11.45m。即第一点a与第二点b的连线长度为11.45m。

而随着连线长度l的增加,故正切值tan越来越小,即指向正北方向的误差角度越来越小,故本实施例中,限定连线ab的长度大于等于10m,进而提高精确度。

所述选取点步骤中，还包括用于显示第一点a和第二点b的显示屏。

由于人们找北向时，一般不会走太远，即ab两点之间距离不会太远，基本走几十米就可以准确的找到正北方向，达到人们的寻北目的。

本发明及实施例中，所述的夹角α，为从正北方向在二维平面内，顺时针转动到线段ab需要的角度。

实施例1

本实施例中，某一野外探险者在野外迷路，采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线；此时，探险者任意行走一段距离，参照附图3所示，发现两点的经度值相同，即x1=x2，但是两点的纬度差为y2-y1>0，此时，探险者根据图示可知，则ab连线的方向为磁北方向。此时相当于探险者正在朝北边方向走，则南北方向一目了然。

实施例2

本实施例中，某一户外工作组在户外工作，采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线；此时，探险者任意行走一段距离，参照附图4所示，发现两点的经度值相同，即x1=x2，但是两点的纬度差为y2-y1<0，与实施例1相反，则此时户外工作组的工作人员结合本发明的方法可知，ab连线的方向为正南方向，此时需要户外工作者朝ab连线的反向走，即为磁北方向。此时相当于户外工作组正在从北走向南，即其正前方即为南方。与指南针等相比，本实施例中的方法，不受磁场影响，精确度更高。

实施例3

本实施例中，参照图5所示，某人甲在户外工作，采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，然后甲任意行走20米，走到第二点b点，测量a点的经度x1为东经108.912985°、a点的纬度y1为北纬34.240009°、b点的经度x2为东经108.913115°和b点的纬度y2为北纬34.240218°；

计算可知，则ab的经度差x3=x2-x1=0.00013，实际经度距离差x3为0.00013×111000×cos34.240009=11.929

则ab的纬度差y3=y2-y1=0.000209，纬度距离差=0.000209×111000=23m

tanα=11.929/23=0.519；通过查正切值表可知，tan(27.1°)=0.511，与0.519较为接近，故α应为27°。

本实施例中，如果忽略cos值偏差，则tanα≈0.00013×111000÷0.000209×111000≈0.622，此时α应为32°，故需要乘以cosy值进行修正。

然后通过旋转，使α为0°，即可得到磁北方向。

实施例4

参照附图6所示，本实施例中，某人甲在户外工作，采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.913141；b点的纬度y2为34.240223。

计算可知，则ab的经度差x3=x2-x1=108.913141×cos34.240223°-108.912988×cos34.240029°≈（108.913141-108.912988）×cos34.2400°=0.000153×0.826688≈0.000127；

则ab的经度距离差≈0.000127×111km；

计算可知，则ab的纬度差y3=y2-y1=34.240223-34.240029=0.000194。

则ab的纬度距离差=0.000194×111km；

根据推导可知tanα=ab的经度距离差/ab的纬度差=x3/y3≈0.000127/0.000194≈0.655。通过正切值表格可知，tan(33°)=0.64941，故α为33°。

此时，当x3>0，且y3>0时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为α；

即此时ab与磁北方向形成的夹角的度数为33°，此时将ab线段逆时针旋转33°即为正北方向，或者转动壳体，使α度数变为0°时，则为正北方向。

实施例5

参照附图7所示，本实施例中，某人丁在户外工作，采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.912916；b点的纬度y2为34.239902。

计算可知，则ab的经度差x3=x2-x1=108.912916×cos34.240223°-108.912988×34.239902°≈（108.912916-108.912988）×cos34°=-0.000072×0.82903757255504≈-0.000060；

则ab的经度距离差≈-0.000060×111km；

计算可知，则ab的纬度差y3=y2-y1=34.239902-34.240029=-0.000127

则ab的纬度距离差=-0.000127×111km；

根据推导可知tanα=ab的经度距离差/ab的纬度差=x3/y3≈（-0.000060）/（-0.000127）≈0.472。通过正切值表格可知，tan(25°)=0.46631；

由于此时x3<0，且y3<0时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为α+180°；故此时，ab与磁北方向形成的夹角应该为25°+180°=205°。

此时转动，直至α角度为0°，则即可找到正北方向。或者顺时针再旋转155°即为正北方向。

实施例6

参照附图8所示，本实施例中，某人丁在户外工作，采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.912768；b点的纬度y2为34.240085。

计算可知，则ab的经度差x3=x2-x1=108.912768×cos34.240223°-108.912988×34.239902°≈（108.912768-108.912988）×cos34°=-0.00022×0.82903757255504≈-0.0001826；

则ab的经度距离差≈-0.0001826×111km；

计算可知，则ab的纬度差y3=y2-y1=34.240085-34.240029=0.000056；

则ab的纬度距离差=0.000056×111km；

根据推导可知tanα=ab的经度距离差/ab的纬度差=x3/y3≈（-0.0001826）/0.000056≈-3.261。通过正切值表格可知，tan(73°)=3.27085；

由于此时x3<0，且y3>0，此时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为－α°；故此时，ab与磁北方向形成的夹角应该为73°。

此时，如果打开现有技术中的导航软件，则其显示的为从ab方向顺时针转动到磁北方向的度数，即为360°-73°=287°。与本发明中得出的角度之和为360°。

此时，通过逆时针转动73°或者通过平面转动，使夹角变为0°，即可找到正北方向。

实施例7

参照附图9所示，本实施例中，某人采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.913096；b点的纬度y2为34.239977。

计算可知，则ab的经度差x3=x2-x1=108.913096×cos34.240223°-108.912988×34.239902°≈（108.913096-108.912988）×cos34°=0.000108×0.82903757255504≈0.00008964；

则ab的经度距离差≈0.00008964×111km；

计算可知，则ab的纬度差y3=y2-y1=34.239977-34.240029=-0.000052；

则ab的纬度距离差=-0.000052×111km；

根据推导可知tanα=ab的经度距离差/ab的纬度差=x3/y3≈0.00008964/(-0.000052)≈-1.724。通过正切值表格可知，tan(60°)=1.73205；

由于当x3>0，且y3<0时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为α+180°；

故此时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为α+180°；故此时，ab与磁北方向形成的夹角应该为-60°+180°=120°。

此时，平面内逆时针旋转120°或者转动使得夹角变为0°即为正北方向。

实施例8

参照附图10所示，本实施例中，某人采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.912781；b点的纬度y2为34.239977。

计算可知，则ab的经度差x3=x2-x1=108.912780×cos34.240223°-108.912988×34.239902°≈（108.912781-108.912988）×cos34°=（-0.000207）×0.82903757255504≈-0.000172；

则ab的经度距离差≈-0.000172×111km；

计算可知，则ab的纬度差y3=y2-y1=34.239977-34.240029=-0.000052；

则ab的纬度距离差=-0.000052×111km；

根据推导可知tanα=ab的经度距离差/ab的纬度差=x3/y3≈（-0.000172）/(-0.000052)≈0.330。通过正切值表格可知，tan(73°)=3.307；tan(73°)=3.27085

由于当x3<0，且y3<0时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为α+180°；

故此时，ab与磁北方向形成的夹角的度数为α+180°；故此时，ab与磁北方向形成的夹角应该为73°+180°=253°。

此时，平面内逆时针旋转253°或者转动使得夹角变为0°即为正北方向。

实施例9

参照附图11所示，本实施例中，某人采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.912781；b点的纬度y2为34.240029。

此时计算可知，x3<0，且y1=y2时，故ab连线逆时针旋转90°为磁北方向。此时，参照附图11可知，ab线段的方向为至东向西，故需要顺时针转动90°，即为正北方向。

实施例10

参照附图12所示，本实施例中，某人采用本发明的方法寻找北方。此时，将泰斗d303芯片置于壳体内，同时在壳体上设置显示屏，显示屏用于显示探险者行走的路线。

甲行走前的点为第一点a点，通过泰斗d303芯片可知，a点的经度x1为108.912988；a点的纬度y1为34.240029。任意再走几步到达b点，获得b点的经度x2为108.91301；b点的纬度y2为34.240029。

此时计算可知，x3>0，且y1=y2时，故ab连线逆时针旋转90°为磁北方向。此时，参照附图11可知，ab线段的方向为至西向东，故需要逆时针转动90°，即为正北方向。

本发明中真北误差计算，本仪器采用泰斗d303芯片(定位精度可以达到10cm内)得到的m点坐标和n点坐标的最大偏差都是10cm,，m点和n点相距20米，我们通过三角公式计算mn连线的最大偏差角(atan(0.2/20)=0.6度)得到mn直线最大角度偏差小于0.6度已经够一般使用，如果需要得到更准确的精度可以增大m点和n点的距离,比如增大到100米，则最大偏差角度为(atan(0.2/100)=0.11度)。使用中，当壳体的显示屏一直在水平面上时，精确度会更高。

本发明中，为了寻北，其中，所形成的夹角α，实际为在二维平面内，从磁北方向顺时针转动到ab需要的度数。所述的磁北方向，即日常所述的正北方向。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。