一种城市峡谷环境下用于测绘车辆的定位系统及方法与流程

本发明涉及一种城市峡谷环境下用于测绘车辆的定位系统及方法，属于无线通信技术应用、多传感器数据融合及应用领域。

背景技术：

高精度的移动测图系统(mobilemappingsystems,mms)为获取高精度地理信息和三维数字影像提供了技术保证。城市测绘车辆的导航定位模块通常采用卫星与航位推算相结合的方法，利用卫星导航系统和惯性导航系统的互补特性实现测绘车辆在城市环境下的精确定位。

以北斗为代表的全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)已经得到广泛的应用，然而，将gnss技术应用于人口密集、服务需求最为广泛的城市区域时，仍面临微弱信号捕获与跟踪、多径效应以及信号频繁遮挡和阻塞导致的连续定位失败等挑战。城市峡谷中微弱信号及卫星定位中无法避免的多径效应对定位系统的精度和可靠性影响较大，在高精度的实时动态载波相位差分(rtk)定位需求中，多径抑制成为进一步改善卫星定位精度的关键问题，特别是发生在城市移动载体上变化较剧烈的动态短多径误差，增加了卫星接收机载波环路失锁可能性。虽然惯性导航系统可以在一定程度上抑制卫星短暂失锁时定位精度的恶化，帮助卫星接收机在信号恢复时更快地完成捕获跟踪，但是卫星/惯性组合导航系统无法满足连续卫星信号失锁时的高精度定位需求。

针对卫星信号的遮挡和阻塞问题，目前的mms系统通常采用快速通过遮挡区、减小卫星失锁时间或者选择合适时段(如应对大型车辆的遮挡，选择避开车辆高峰期；应对城市绿化的遮挡，选择在枯叶期作业)等方法减弱信号遮挡的影响，限制了mms生成测绘数据的效率。城市峡谷带来的信号衰减，严重影响接收机的跟踪环路与定位解算模块的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种城市峡谷环境下用于测绘车辆的定位系统及方法，能够改善城市峡谷中测绘车辆在信号衰减、信号阻塞、动态多径条件下的定位精度、提高系统的鲁棒性。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种城市峡谷环境下用于测绘车辆的定位系统，包括：有源卫星天线模块、卫星射频接收模块、卫星基带处理模块、惯性导航模块、矢量跟踪模块、移动通信网络定位模块和组合导航模块；

所述有源卫星天线模块，用于接收卫星信号；

所述卫星射频接收模块，将卫星信号经过下变频和ad采样转化为数字中频信号，送入卫星基带处理模块；

所述卫星基带处理模块，完成本地载波与本地测距码的生成，并完成数字中频信号与本地载波、本地测距码的混频；

所述惯性导航模块，将其估计的伪距误差δρins和伪距率误差送入矢量跟踪模块，同时接收矢量跟踪模块发回的位置、速度、加速度、姿态的误差校正量；

所述矢量跟踪模块，完成惯性导航模块和卫星基带处理模块送入信息的数据融合，并为惯性导航模块和卫星基带处理模块提供校正反馈；

所述移动通信网络定位模块，将移动通信网络定位得到的位置、速度信息送入组合导航模块；

所述组合导航模块，将惯性导航模块和移动通信网络定位模块送入的位置、速度信息进行融合，得到位置、速度的最优估计，并实现移动通信网络接入与否两种工作模式及结构的切换。

进一步的，所述卫星基带处理模块通过极大似然估计单元，将数字中频信号与本地载波、本地测距码混频得到的ignss、qgnss信号转化为伪距误差δρgnss和伪距率误差

进一步的，所述惯性导航模块包括3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪。

一种用上述城市峡谷环境下用于测绘车辆的定位系统进行城市峡谷环境下测绘车辆的定位方法，该方法包括如下步骤：

(1)卫星基带信号处理模块和矢量跟踪模块共同进行卫星的捕获、跟踪、位同步、帧同步和定位解算，完成首次定位后对惯性导航模块进行初始化；

(2)完成步骤(1)后进入卫星/惯性组合导航模式，惯性导航模块根据imu给出的位置、速度信息，估计出伪距误差δρins和伪距率误差其中ins是惯性导航系统(inertialnavigationsystem)的简写，imu是惯性测量单元(inertialmeasurementunit)的简写；

(3)卫星基带处理模块将接收到的数字中频信号与本地载波和本地测距码进行混频，得到ignss、qgnss，其中i表示中频信号同相输出，q表示中频信号正交输出。通过极大似然估计，从ignss、qgnss中估计出伪距误差δρgnss和伪距率误差将δρins、与δρgnss、的差值作为ekf的观测量，表示为：

其中dρ表示δρins-δρgnss，表示η代表噪声，各参数的下标数字代表卫星通道号，ekf是扩展卡尔曼滤波器(extendedkalmanfilter)的简写，gnss是全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem)的简写；

(4)通过步骤(3)得到的位置、速度误差信息，矢量跟踪模块结合卫星星历估计出卫星信号的载波多普勒频率和伪码码相位，分别反馈到载波nco和测距码nco，形成闭环跟踪环路；其中nco是数字控制振荡器(numericallycontrolledoscillator)的简写，同时利用步骤(3)得到的位置、速度误差信息对惯性导航模块进行校正；

(5)完成步骤(4)后进入移动通信网辅助模式，组合导航模块将惯性导航模块经校正后的位置、速度，与移动通信网络定位模块得到的位置、速度进行信息融合，得到最终的位置、速度信息。

进一步的，步骤(5)中的移动通信网络辅助模式的切换，以跟踪环路所处状态为判别标准，当所有跟踪通道全部失锁且连续失锁时间超出所设阈值时，系统按照上述步骤(5)中所述进入移动通信网络辅助模式；当不满足上述条件时，系统工作在卫星/惯性组合导航模式，以经校正后的惯性导航模块输出的位置、速度作为系统最终输出。

进一步的，步骤(5)中所述的信息融合，采用卡尔曼滤波的方式来实现，以惯性导航模块和移动通信网络定位模块输出信息的差值作为观测量。

本发明的有益效果为：本发明采用基于极大似然估计的方法，从原始的导航信息i、q值中获取伪距和伪距率误差信息，避免了传统鉴相器带来的非线性问题，与传统跟踪方法相比可以在高动态、信号遮挡条件下实现更为稳定持续的跟踪，对多径误差也有一定抑制作用。在基于极大似然估计的矢量跟踪基础上加入惯性辅助信息，实现卫星/惯性的深耦合，进一步提高了卫星接收机在高动态、微弱信号、强干扰条件下的跟踪性能。移动通信网络定位则提供了在城市复杂环境下，因卫星持续失锁导致精度快速恶化时的补充方案，并实现了多源导航信息下系统结构及工作模式的智能切换，提高了系统的可靠性，保证了测绘车辆持续稳定的高精度定位。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于城市峡谷环境下测绘车辆的定位系统，包括有源卫星天线模块、卫星射频接收模块、卫星基带处理模块、惯性导航模块、矢量跟踪模块、移动通信网络定位模块和组合导航模块。

有源卫星天线模块，在接收到实际的卫星信号之后，由卫星射频接收模块将卫星信号进行下变频和ad采样转化为数字中频信号，数字中频信号在卫星基带处理模块中与本地载波、本地测距码混频生成两路信号，分别是同相支路的ignss和正交支路的qgnss，采用最大似然估计的方法可以从ignss、qgnss中估计出伪距误差δρgnss和伪距率误差同时惯性导航模块也可以根据位置、速度误差，结合星历估计出伪距误差δρins和伪距率误差将两者之差δρins-δρgnss和作为矢量跟踪模块中数据融合单元的观测量。该数据融合单元采用扩展卡尔曼滤波的方式，将滤波结果作为惯性导航系统的反馈校正量，同时结合星历构造出视距方向上的载波nco和测距码nco的校正量，形成闭环回路，构成基于最大似然估计的卫星/惯性深耦合系统，以惯性导航模块经误差校正后输出的位置、速度信息作为系统输出。惯性导航系统包括3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪，分别用于测量三维坐标系下三个方向上的线加速度和角速度。

该系统还包含了移动通信网络定位模块和组合导航模块，当卫星跟踪通道全部失锁，且持续失锁时间过长时，卫星/惯性深耦合系统的定位精度也将持续恶化。此时基于移动通信网络的定位方法可以作为补充，耦合到系统当中，将惯性导航系统提供的位置速度信息和移动通信网络定位得到的位置速度信息之间的差值作为观测量，采用卡尔曼滤波的形式进行信息融合。组合导航模块负责卡尔曼滤波算法的执行，以及移动通信网络接入与否两种工作模式及结构的切换。

如图2所示，一种用于城市峡谷环境下测绘车辆的定位方法，包括如下步骤：

(1)卫星基带信号处理模块和矢量跟踪模块共同进行卫星的捕获、跟踪、位同步、帧同步和定位解算，完成首次定位后对惯性导航系统进行初始化；

(2)完成步骤(1)后进入卫星/惯性组合导航模式，惯性导航模块根据imu给出的位置、速度信息，估计出伪距误差δρins和伪距率误差具体方法为：

其中δr和δv分别代表惯性导航系统的位置误差和速度误差，c代表光速，δtu和δtru分别代表接收机的钟差和钟漂。

(3)卫星基带信号处理模块将接收到的数字中频信号与本地载波和本地测距码进行混频，得到ignss、qgnss，其中i表示中频信号同相输出，q表示中频信号正交输出。通过极大似然估计，从ignss、qgnss中估计出伪距误差δρgnss和伪距率误差将δρins、与δρgnss、的差值作为ekf的观测量，表示为：

其中dρ表示δρins-δρgnss，表示η代表噪声，下标数字代表卫星通道号。δρgnss和满足下式关系：

其中，δτ表示测距码的码相位误差，fca是测距码的标称频率，δfd是载波多普勒偏差，f是标称载波频率。假设数字中频信号表示为

其中a表示信号幅度，c表示测距码序列，t为采样间隔，为载波初相位，fif为数字中频信号频率，fd为载波多普勒频移，τ为码相位，nk为高斯白噪声，k为采样点序号。

测距码相位误差和载波多普勒频率偏差可以通过下式得到：

其中

其中，下标p表示该信号属于即时相关支路，n表示在一个相关积分周期中采样点的个数。对测距码的一阶导数和二阶导数可以表示为

其中d表示一个测距码码片的长度。

(4)通过步骤(3)得到的位置、速度误差信息，矢量跟踪模块结合卫星星历估计出卫星信号的载波多普勒频率和伪码码相位，分别反馈到载波nco和测距码nco，形成闭环跟踪环路。同时利用步骤(3)得到的位置、速度误差信息对惯性导航模块进行校正。

(5)完成步骤(4)后进入移动通信网辅助模式，组合导航模块将惯性导航模块经校正后的位置、速度，与移动通信网络定位模块得到的位置、速度进行信息融合，得到最终的位置、速度信息。移动通信网络辅助模式的切换，以跟踪环路所处状态为判别标准，当所有跟踪通道全部失锁且连续失锁时间超出所设阈值时，系统按照步骤(5)进入移动通信网络辅助模式。当不满足上述条件时，系统工作在卫星/惯性组合导航模式，以经校正后的惯性导航模块输出的位置、速度作为系统最终输出。惯性导航模块和移动通信网络定位模块的信息融合，采用卡尔曼滤波的方式来实现，以惯性导航模块和移动通信网络定位模块输出信息的差值作为观测量。