一种针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法及其应用设备的制作方法

专利名称：一种针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法及其应用设备的制作方法
技术领域：
本发明所要提出的技术方案涉及卫星定位系统(包括GPS全球定位系统、 GLONASS和Galileo等)在车载定位导航技术领域的应用。具体而言涉及一种 针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法及其应用设备。
背景技术：
卫星定位和导航技术已经具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定 位的能力。它以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定 位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，
在民用上己经成为继蜂窝移动通信(GSM)、互联网之后的全球第三个IT经济
新增长点。
对于基于卫星定位系统的导航定位系统，其定位情况决定于头顶天空视界 的是否空旷，接收到卫星信号是否清晰有效。所以，在车辆或用户接收机经过 对卫星有遮挡的建筑或树木等时，或者是卫星信号受到较强的干扰时，导航系 统就不能正常工作。此时，导航定位系统就不输出用户位置、运动方向、速度 等运动状态信息。
其一，这对于连续显示用户定位信息的导航定位系统来说，用户使用相当 不方便。例如，使用导航定位系统的车辆如果在城市的高楼密集区每经过几幢 高楼或者从高架下穿过，就会停止定位几秒，甚至几十秒；如此用户的导航定 位就常常是断断续续的。
其二，如果这段时间没有定位信息输出，在重新定位后，之前末次可定位 时的定位位置已经很可能和当前位置有较大的差别。如果用存储着的末次定位 情况参与当前位置的计算，并进行滤波，获得当前运动状态，由于这个较大的 误差，会影响当前位置计算的精确度，另外计算滤波得到正确位置的所需时间 也较长。
这种由于建筑、树木遮挡或卫星信号在某块区域受到干扰产生的无法定位
往往是短时间的，但是在车载定位中出现频率很高，尤其是在建筑物林立的城 市或者树木较多的郊区。因此，为了给用户一个光滑的连续位置定位和轨迹， 为了使定位计算的精确度进一步提高，有效的减少这种频发的短时期内的失去 定位对整个定位导航情况的负面影响，由系统自发补充导航系统不能正常获得 定位时期的用户位置状况就显得十分重要。

发明内容
本发明的第一个目的是提供一种针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方 法。该方法能够在由于卫星信号受干扰或缺失而无法定位期间，通过对卫星定 位失效前用户位置、运动方向、速度等运动状态变化的相关数据进行分析处理， 并即时输出所要定位的目标当前比较连续的用户位置、运动方向和速度等当前 运动状态，从而在短期内实现对定位目标的虚拟定位。
具体应用时该方法可以在卫星信号受干扰或缺失时，依然能够在一定程度 上确定静止或移动中车辆当前位置和运动趋势。
本发明的另一个目的是提供一种为实现上述发明方法的应用设备。
根据上述发明目的所提供的技术方案具体如下
一种针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，该方法在卫星信号阻断或 受干扰时对跟踪目标进行定位推测，其特征在于，所述步骤依次包括
(1) 在失去有效定位能力时，采集失去定位之前一段时间内的多个有效的用 户位置、运动方向、速度和加速度等数据的步骤
(2) 预先设定的几套基本运动模型，利用步骤(l)中的记录数据根据所设定的
运动模型计算推断得出所定位的目标当前的运动趋势的步骤；
(3) 根据步骤(2)所判定的运动状态和趋势，对位置、速度做一定权重的增量，
从而惯性推断出当前的用户位置、运动方向和速度的步骤；
(4) 结合步骤(3)的计算结果，输出用户位置、运动方向和速度的当前惯性推
断结果的步骤。
上述方法中，步骤(l)中采集的数据可以为目标失去定位之前3到5个均匀 时间点的位置的地球直角三维坐标、速度的地球大地坐标和用户的海拔等。 上述方法中，步骤(2)中所涉及的预先设定运动模型根据目标在被定位中所
会发生的实际情况包括直线匀速运动、减速、加速、转弯、圆形轨道等多种在 车载定位和导航中常见的运动模型。
上述方法中，步骤(3)中权重由运动趋势的类型、失去有效定位能力的时间 长短等来决定。
根据上述方法再进一步具体实现过程中，当卫星信号阻断或受干扰时间稍 长时，可以分成几个时间段来处理虚拟定位，每个时间段里运动趋势的权重、 输出当前用户虚拟运动状态的速率和采用的运动模型都按一定规律改变。
这里所指的权重最开始的时间段里运动趋势的权重比较大，之后的时间段 里可设置权重越来越小。
这里所指的输出当前用户虚拟运动状态的速率其变化为最开始的时间段， 输出速率比较大；之后的时间段里，速率可逐渐减小；即设定在最开始的几秒 内，像正常定位时那样每秒输出一次用户位置速度等信息；在之后的几个时间 段内，可以每三到四秒输出一次用户运动状态信息；再后的时间段，以更小的 频率输出一次。
这里所指的采用的运动模型按一定规律改变，即失去定位时间越长，可以 将运动模型转换为越简单的运动模型。
另外， 一种为实现上述发明方法的应用设备，该设备是一种提供的车辆当 前位置和运动状态的自动获得装置，其特征在于，包括
用于解调有效卫星信号以及控制用户位置的计算的卫星导航定位系统处 理模块，；
与其相连接的
用来计算定位失效前所提供的关于定位目标的有效的用户位置、运动方 向、速度和加速度等数据的计算单元；
用于把经过计算单元处理的车辆定位信息传送给位置信息显示设备或车 辆导航设备的输出通讯接口 ；
用于根据当前接收机被遮挡情况，判断是否需要采用虚拟惯性定位的虚拟 定位判断设备
以及与虚拟定位判断设备相连接的
用于存储记录失去定位之前和进行虚拟定位的当前时刻之前的有效用户
速度和位置等数据的存储器件；
用于接收卫星信号的输入通讯接口。
本发明所提出的技术方案利用定位失效前的数据计算，推断出该定位目标 的有效运动状态延续，使得系统定位导航更加连续、接近现实；另外，针对每 种不同的基本运动模型，对惯性推断采取不同比重，保证惯性推断的结果和之 前运动的延续有最合适的比例，更加正确。
在这一过程中，车载定位和导航系统的用户可以尽量连续地看到其位置情 况，即惯性推断的虚拟位置，并且该位置与用户的正确位置误差不大。
还需指出的是由于本发明方法而采用虡拟位置的用户运动状态参与重新 定位后的滤波，比不用该方法以刚失去定位处的运动状态参与滤波，要更接近 现实用户的正确位置，也大大地提高了多次滤波获得精确用户位置的时间和精 确度。
另外，本发明方法所需计算量非常小，甚至比直接用卫星信号计算结果的 运算量相差甚远，使得本发明的操作无需占用很多系统资源，又快捷有效。
另外，本发明的应用设备充分发挥和实现了本发明方法的功能，保证了接 收机能根据当前卫星信号情况，选择进行虚拟定位信息的惯性推断，又保证了 历史有效定位信息的存储，以及根据这些存储信息进行的虚拟定位信息的惯性 推断有计算单元的有效运算，也保证了最终有效定位结果的流畅实时输出。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。


图1为本发明所述方法在实施过程中的具体流程图。
图2为实现本发明方法所制备的应用设备的结构图。
图3为本发明方法实际应用在车辆穿过小隧道的实施例中的示意图。
图4为本发明方法实际应用在车辆行驶圆弧轨迹的实施例中的示意图。
具体实施例方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
根据发明内容中所描述的，本发明所述的针对卫星定位失效而采取的虚拟 定位方法，如图1所示，主要步骤如下
第一步先判断是否卫星信号阻断而导致无法定位，若是的话则开始读出 存储的所被定位目标的之前的有效运动信息，若不是则推出惯性推断，终止整 个过程；
第二步然后分析并确定运动模型，并推断当前目标当前的运动状态，接 着输出、存储虚拟惯性推断的当前运动状态
第三步最后判断是否需要继续惯性推断，若果是则根据具体情况，改变 运动模型、权重、输出频率等再重新开始执行第二步。
一般来说通常具体的实现过程如下
当判断得，目前已经失去有效定位能力时，读出存储的失去定位之前一段 时间内的多个有效的用户位置、运动方向、速度和加速度等数据。例如，可记 录之前的3到5个均匀时间点的位置的地球直角三维坐标、速度的地球大地坐 标和用户的海拔等。
利用上个步骤中记录的数据，根据设定的几套基本运动模型，计算推断得 出当前的运动趋势。由于这种失去定位是短时期的，所以运动趋势的推断往往 和正确的用户运动趋势相差不大。对于每种运动模型和趋势要采取针对性的用 户运动的推断。例如，当记录的几个时间点的速度方向和大小基本相当，可采 用卫星定位和导航使用中非常常见的直线匀速运动模型(例如在穿过小型隧道 或从天桥下经过时为该情况)，推断接着用户会以某个速度继续直线运动。另 外，如果记录的几个时间点的速度方向基本一致，大小逐渐减小，则可采用减 速的运动模型(例如在高架遮挡下遇到红灯减速多为该情况)，推断接收机以 继续减小的速度运动。此外，还有加速、转弯、圆形轨道等多种在车载定位和 导航中常见的运动模型。此外，还应根据该车载定位和导航系统所应用地域、 路况和车辆情况等状况，增加或减少实际应用中的常见运动模型的设定。
根据前一步骤中判定的运动状态和趋势，对位置、速度做一定权重的增量， 惯性推断出当前的用户位置、运动方向和速度。这一权重，可由运动趋势的类 型、失去有效定位能力的时间长短等来决定。例如，在直线匀速运动模型下， 外推的速度可采用比实际速度略小的值，这样既便在失去定位时实际运动速度
少量的变小，虚拟匀速直线运动也不会过头。再例如，在减速的运动模型下， 推断运动的位移权重要控制的不能太大，这样既便在遮挡情况下实际车辆进行 转弯等变向动作时，虚拟运动也不会按之前的直线方向运动过头。
最后结和前个步骤的计算结果，输出用户位置、运动方向和速度的当前惯 性推断结果。
本发明所提出的技术方案利用定位失效前的数据计算，推断出该定位目标
的有效运动状态延续，使得系统定位导航更加连续、接近现实；另外，针对每
种不同的基本运动模型，对惯性推断采取不同比重，保证惯性推断的结果和之 前运动的延续有最合适的比例，更加正确。
在这一过程中，车载定位和导航系统的用户可以尽量连续地看到其位置情 况，即惯性推断的虚拟位置，并且该位置与用户的正确位置误差不大。
还需指出的是由于本发明方法而采用虚拟位置的用户运动状态参与重新 定位后的滤波，比不用该方法以刚失去定位处的运动状态参与滤波，要更接近 现实用户的正确位置，也大大地提高了多次滤波获得精确用户位置的时间和精 确度。
此外，本发明方法所需计算量非常小，甚至比直接用卫星信号计算结果的 运算量相差甚远，使得本发明的操作无需占用很多系统资源，又快捷有效。
当然，该方法可以进一步变化的使用。即，如果卫星信号阻断或受干扰时 间稍长，可以分成几个时间段来处理虚拟定位，每个时间段里运动趋势的权重、 输出当前用户虚拟运动状态的速率和采用的运动模型都可以按一定规律改变。
就权重来说，最开始的时间段里运动趋势的权重比较大，之后的时间段里 可设置权重越来越小。这样可以减少当失去卫星信号的时间越长，所采用的运 动模型偏离实际用户运动情况越大的影响。
输出当前用户虚拟运动状态的速率在每个时间段里的改变则有利于系统
应对各种不同路境。例如，最开始的时间段，输出速率比较大；之后的时间段 里，速率可逐渐减小。具体举例来说，可以设定在最开始的几秒内，像正常定 位时那样每秒输出一次用户位置速度等信息；在之后的几个时间段内，可以每 三到四秒输出一次用户运动状态信息；再后的时间段，以更小的频率输出一次。 如此，输出速率减慢后，在某个输出间隔内，如果一旦恢复定位，那就较快的
重新采用恢复定位之后的正确定位，而这个输出间隔内的虚拟定位都不输出， 这样就大大减少了输出的虚拟定位和实际位置发生方向上的错误的可能。而这 些实际时间段具体可根据汽车行驶中常发生的路况和常发生的信号遮挡的时 间长短而设置。例如，可考虑城市中经过高楼群常见遮挡时间、穿过小隧道的 时间、过四车道高架的时间和驶过过江隧道的时间等的具体值，以及哪些出现 频率较高等。
另外，采用的运动模型也可以按一定规律改变。 一般来说，失去定位时间 越长，可以将运动模型转换为越简单的运动模型。例如，在加速模型中，经过 一定时间，可以转换为某个比进入加速模型之前速度略大的匀速i莫型。
在进行虚拟定位时，对运动趋势的权重、输出当前用户虚拟运动状态的速 率和采用的运动模型都可以按一定规律改变，如此，可以应变现实中更加复杂 的，更加长时间的卫星信号阻断或失去的情况，是对本发明第一方面的自发推 断的方法进一步变化的使用。
下面列举几个具体事例来说明。
(-)车辆穿过小隧道的实例说明。
如图3所示，当汽车穿过小隧道(一般为一百米以内)时，大约有几秒到
十几秒没有办法接收到卫星信号，因此至少在这段时间内无法有效定位。 但是，分析汽车进入小隧道前一个时间段的运动状态，通常为直线运动，
速度变化不大。根据图3，进入隧道前(C点开始进入隧道，失去卫星信号) 的两个相等时间段时记录下的汽车运动状态(本例中采用两个时间段来估计运 动模型，具体使用本发明时可根据需要和条件自行设置采用,几个时间段和每个 时间段的长短):A点时汽车的速度为v, ，B点时的速度为^ ， C点时的速度为vc 。 v,、 ^和^方向和大小相当，则惯性推断汽车进入小隧道后的运动也为直线运
动(因为该类隧道比较短)，其速度大小^采用"(^+3 +&)。 *为权重，在该
实例中，可采用略小于l的实数。
如此，当汽车继续在没有信号，实际不能定位的小隧道中运动，就由其进 入隧道前的运动状态，推断出汽车在以速度v继续做虚拟的直线运动，并不断 输出显示当前的虚拟位置、方向和速度等运动情况；同时，这些计算结果也存
储着，结合重新定位后位置进行滤波计算正确用户位置。直到汽车在出隧道后 的O点重新定位(此时，假设惯性推断的汽车位置为D点)，系统便不再采用
虚拟输出，而输出直接由卫星信号计算得到的精确用户位置。
在这一过程中，车载定位和导航系统的用户在无法定位的CD段也可以连
续地看到其位置情况和运动情况，并且与其实际位置和运动情况差别不大。
同时，采用该方法，用D点的用户位置等运动状态参与重新定位后的滤波， 比用刚失去定位处的C点的运动状态参与滤波，更接近0点现实用户的正确位 置，也大大地提高了多次滤波获得精确用户位置的时间和精确度。 该实例在城市中常常出现，驶过小型隧道，或者穿过天桥，又或者经过一片高 楼密集区，都可以用实例这种方式处理失去卫星定位的情况；甚至在经过一片 枝叶茂盛的树林亦是如此。该方法的惯性推断的所需计算量非常小，又快捷、 有效、精确。
(二)车辆按圆形轨迹行驶的实例说明
如图4所示，当汽车的行驶在高架的圆弧匝道部分的时候，如果经过被上 层高架遮挡的部分，本发明的方法也可以自动根据之前的定位情况，选择采用 圆弧轨迹运动模型，以推断卫星信号被阻断时的汽车行驶情况。具体分析和推 断情况如下。
当汽车在高架的圆弧匝道部分或者某些大桥的园环引桥部分上受到高处 的高架桥面或旁边建筑物遮挡时，大约也有十几秒或更多时间卫星信号被阻 断，在这段时间内无法有效定位。
于是，分析汽车被遮挡前几个时间段的运动状态，可知速度一般在数值上变化 不大。根据图4， 0点开始进入隧道，失去卫星信号。根据记录下的被遮挡前 的三个相等时间段的汽车运动状态(本例中采用三个时间段来估计运动模型， 具体实施时可以做相应调整)A点、B点、C点和0点时汽车的速度分别为^、 ^、 vc和v。，速度和与正东方的夹角分别为^、 &、 ^和e。。 Vy4、 vs、 Vc和V。 大小相当，而速度与正东方的夹角几乎为等差数列，即^-&、 ^-4和^-^ 大小也相当；或者通过判断这三个时间段各自的位移情况，即AB、 BC、 CD和 DO的长短相当，以及AB、 BC、 CD和DO和正东方的夹角为等差数列。则判断汽
车行驶推断采用圆弧的运动模型，并且惯性推断汽车失去信号后的运动也是继 续做圆弧运动。则惯性推断汽车进入小隧道后的速度也为直线运动(因为该类 隧道比较短)，其速度V的大小可用"V。。 /t为权重，在该实例中，也可采用略 小于1的实数。
如此，当汽车在圆环桥面上行驶，但被旁边和上层桥面遮挡没有信号时， 就由其进入信号被阻隔前的运动状态，模糊推断出汽车在做匀速的虚拟圆弧轨 迹的运动，并继续在一定时间段内显示并存储着当前的虚拟位置、方向和速度 等运动情况。直到汽车开出遮挡地区，并重新定位，系统便不再进行虚拟推断， 而是结合最后几次虚拟定位和当前的卫星定位重新滤波计算精确用户位置，并 输出。
另外这里为了清楚明白地举例，本例中的虚拟圆弧运动比较简单、粗糙。 在实际设计中，根据本发明第一方面中的基本思想和本发明第三方面的变化应 用，可以对虚拟推断的时间段、权重等发明进行变化，使虚拟推断更贴合常见
实际情况。
上述实例在国内很多高架交通发达的大中型城市中常常出现，行驶在高架 的圆弧匝道部分或者某些大桥的园环引桥部分，都可以用实例里这种方法处理 失去卫星定位的情况。可以看出该方法的惯性推断可以有效、准确的适用大多 数的这类情况。
另外，对于为实现上述方法所制备的应用设备，如图2所示，包括 用于解调有效卫星信号以及控制用户位置的计算的卫星导航定位系统处 理模块，；
与其相连接的
用来计算定位失效前所提供的关于定位目标的有效的用户位置、运动方 向、速度和加速度等数据的计算单元；
用于把经过计算单元处理的车辆定位信息传送给位置信息显示设备或车 辆导航设备的输出通讯接口；
用于根据当前接收机被遮挡情况，判断是否需要采用虚拟惯性定位的虚拟 定位判断设备
以及与虚拟定位判断设备相连接的
用于存储记录失去定位之前和进行虚拟定位时当前时刻之前的有效用户
速度和位置等数据的存储器件；
用于接收卫星信号的输入通讯接口。
采用上述技术方案的本发明的应用设备充分发挥和实现了本发明方法的 功能，保证了接收机能根据当前卫星信号情况，选择进行虚拟定位信息的惯性 推断，又保证了历史有效定位信息的存储，以及根据这些存储信息进行的虚拟 定位信息的惯性推断有计算单元的有效运算，也保证了最终有效定位结果的流 畅实时输出。
以上是本发明的实施方式之一，对于本领域内的一般技术人员，不花费创 造性的劳动，在上述实施例的基础上可以做多种变化，同样能够实现本发明的 目的。但是，这种变化显然应该在本发明的权利要求书的保护范围内。
权利要求
1、一种针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，该方法在卫星信号阻断或受干扰时对跟踪目标进行定位推测，其特征在于，所述步骤依次包括(1)在失去有效定位能力时，采集失去定位之前一段时间内的多个有效的用户位置、运动方向、速度和加速度等数据的步骤(2)预先设定的几套基本运动模型，利用步骤(1)中的记录数据根据所设定的运动模型计算推断得出所定位的目标当前的运动趋势的步骤；(3)根据步骤(2)所判定的运动状态和趋势，对位置、速度做一定权重的增量，从而惯性推断出当前的用户位置、运动方向和速度的步骤；(4)结合步骤(3)的计算结果，输出用户位置、运动方向和速度的当前惯性推断结果的步骤。
2、 根据权利要求1的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，步骤(l)中采集的数据可以为目标失去定位之前3到5个均匀时间点的位 置的地球直角三维坐标、速度的地球大地坐标和用户的海拔等。
3、 根据权利要求1的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，步骤(2)中所涉及的预先设定运动模型根据目标在被定位中所会发生的实 际情况包括直线匀速运动、减速、加速、转弯、圆形轨道等多种在车载定位和 导航中常见的运动模型。
4、 根据权利要求1的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，步骤(3)中权重由运动趋势的类型、失去有效定位能力的时间长短等来决 定。
5、 根据权利要求1的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，该方法在实施过程中，当卫星信号阻断或受干扰时间稍长时，可以分成 几个时间段来处理虚拟定位，每个时间段里运动趋势的权重、输出当前用户虚 拟运动状态的速率和采用的运动模型都按一定规律改变。
6、 根据权利要求5的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，所述时间段中的运动趋势的权重最开始的时间段里运动趋势的权重比较 大，之后的时间段里可设置权重越来越小。
7、 根据权利要求5的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，所述时间段中的输出当前用户虚拟运动状态的速率其变化为最开始的时间段，输出速率比较大；之后的时间段里，速率可逐渐减小；即设定在最开始 的几秒内，像正常定位时那样每秒输出一次用户位置速度等信息；在之后的几 个时间段内，可以每三到四秒输出一次用户运动状态信息；再后的时间段，以 更小的频率输出一次。
8、 根据权利要求5的针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法，其特征 在于，所述时间段中的采用的运动模型按一定规律改变，即失去定位时间越长， 可以将运动模型转换为越简单的运动模型。
9、 一种为实现权利要求1所述方法的应用设备，该设备是一种提供的车 辆当前位置和运动状态的自动获得装置，其特征在于，包括用于解调有效卫星信号以及控制用户位置的计算的卫星导航定位系统处 理模块，；与其相连接的用来计算定位失效前所提供的关于定位目标的有效的用户位置、运动方 向、速度和加速度等数据的计算单元；用于把经过计算单元处理的车辆定位信息传送给位置信息显示设备或车 辆导航设备的输出通讯接口 ；用于根据当前接收机被遮挡情况，判断是否需要采用虚拟惯性定位的虚拟 定位判断设备以及与虚拟定位判断设备相连接的用于存储记录失去定位之前和进行虚拟定位时当前时刻之前的有效用户 速度和位置等数据的存储器件；用于接收卫星信号的输入通讯接口 。
全文摘要
本发明公开了一种针对卫星定位失效而采取的虚拟定位方法及其应用设备。上述技术方案基于卫星定位系统(包括GPS全球定位系统、GLONASS和Galileo等)，该发明方法是在卫星定位系统于短时期内无法定位时，根据失去定位之前的有效接收机位置、运动方向、速度等信息，由系统自动推断当前的接收机位置、运动方向、速度等运动状态，以保证导航系统不能正常获得定位时期依然保持连续输出接收机定位情况。另外，本发明还提供为实现该方法所制备的应用设备，这样通过实际的技术手段来更好地推广应用该技术方法。
文档编号G01S19/14GK101114018SQ20071004446
公开日2008年1月30日 申请日期2007年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者刘春晖, 张达文, 李兴仁, 峻 杨, 杨一茜, 林锦麟, 金荣伟 申请人:上海华龙信息技术开发中心