一种基于gps伪距差分的车辆协作定位方法
【专利摘要】本发明目的是提出一种基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法，使用低成本的标准GPS接收机来精确地估计任意辆汽车的相对位置，本发明采用伪距差分的主要动机是邻近车辆的GPS接收机的观测量一般会受到公共误差的影响（如相同的对流层延迟和电离层延迟），通过差分过程，这些误差可以抵消，因此得出的相对向量会比绝对定位更为精确；因为汽车通常不是直接连接的，GPS测量值需要通过V2V无线通信设备交换；本发明结合恒定转弯角速度和速度（CTRV）车辆运动模型，采用无迹卡尔曼滤波器将GPS测量值与运动学传感器测量值进行融合，来提供对目标车辆系统状态的稳定估计，通过无迹卡尔曼滤波，即便是像偏移这类特定的传感器误差都可以随时间估计出来并减小。
【专利说明】一种基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于车联网【技术领域】，具体涉及车联网中基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法。
【背景技术】
[0002]随着物联网的诞生和发展，这几年汽车界产生一个类似的新概念——车联网(IOV, Internet of Vehicle)。车联网是汽车行业对于未来“互联的汽车”的美好愿景，就像20世纪80年代互联网的出现将独立的台式电脑互相联系在一起。车联网的现实应用，将会改变人们未来的生活、工作方式。
[0003]车联网是指车与车、车与路、车与人、车与传感设备等交互，实现车辆与公众网络通信的动态移动通信系统。它可以通过车与车、车与人、车与路互联互通实现信息共享，收集车辆、道路和环境的信息，并在信息网络平台上对多源采集的信息进行加工、计算、共享和安全发布，根据不同的功能需求对车辆进行有效的引导与监管，以及提供专业的多媒体与移动互联网应用服务。
[0004]车联网中最“给力”的应用为智能交通系统(ITS, Intelligent TransportationSystem)。智能交通系统将先进的信息技术、电子传感技术、数据通讯传输技术、控制技术和计算机技术等有效地集成，然后将其运用在整个地面交通管理系统中，以提供大范围的、全方位的、实时准确高效的综合交通运输管理服务。智能交通技术可使交通堵塞减少约60%，使短途运输效率提高近70%，使现有道路网的通行能力提高2-3倍。
[0005]车联网是装载在车辆上的电子标签通过无线识别等技术构建的一种车载自组网(VANET, Vehicular Ad hoc Network)[Toor Y, Muhlethaler P, Laouiti A.Vehicle ad hocnetworks:Applications and related technical issues[J].Communications Surveys &Tutorials, IEEE, 2008, 10(3):74-88.]。车联网具有节点特性、移动特性及数据流特性。从车联网的体系架构[王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，2011，27(4):156-158.]中可以看出，车联网使用RFID、传感器，从物理世界获取信息，然后将这些信息通过网络传到用户或者服务器端，为用户提供各种各样的服务。因为汽车是运动的，所有提供的服务都是基于位置的服务，所以定位技术是车联网中的关键技术，具有很大的研究价值与工程实践价值。
[0006]定位技术不仅可以提供各种基于位置的服务，如周边商店、加油站、餐馆等信息的查询，还可以用于紧急情况下的救助、车辆的调度和人员管理等服务。车联网中的定位还有一个最重要的应用就是为汽车提供导航服务。全球定位系统(GPS，GlobalPositioning System) [Kaplan E D, Hegarty C J.Understanding GPS:principles andapplications [M].Artech House Publishers, 2006.]可以为汽车用户提供位置和速度信息。近年来，随着GPS接收机成本的降低，GPS已成为解决车辆定位问题的标准方案，目前大多数民用汽车的定位导航设备都是基于GPS技术的。独立式GPS可以提供的定位精度在10-20米之间，而且容易受城市环境的影响，经常有“盲区”的存在，如卫星信号被日益增多的高层建筑和立体式交通阻挡，定位的精度无法保证。惯性导航系统(INS，Inertialnavigation system)是一种自主式导航系统。INS系统所产生的导航信息连续性好且对外界干扰不敏感，但其误差具有随时间累积的特点，所以不适合长时间独立定位。二者的结合——GPS/INS组合定位导航系统可以有效地解决“盲区”定位的问题，一度成为学术界研究的热点。
[0007]GPS/INS组合定位导航系统虽然可以解决“盲区”定位的问题，但是无法将定位的绝对精度提高到车道级，不能满足许多车辆安全应用的可靠性要求。近年来，出现了在车载自组网中进行协作定位这一较为新颖的概念。通过周期性的广播，每辆汽车可以收集邻近车辆的GPS信息，同时，车辆间的距离可以通过无线电测距技术测得。因此每辆汽车可以利用邻近车辆的GPS信息和距离测量值，根据协作定位算法来调整自己的位置。
[0008]文献[Hofmann-WellenhofB,Lichtenegger H, Collins J.GPS theory andpractice [J], 1997.]对GPS系统进行了研究，GPS系统是目前技术上最成熟、使用最广泛的一种卫星导航定位系统，能够便捷地提供高精度和连续的位置、速度、航向、姿态和时间信息。它是全天候运行的，通过卫星的测距和测时来提供连续的三维的位置、速度信息和精确时间。民用GPS定位精度一般在IOm左右，军用GPS定位精度比较高，可以达到Im左右。
[0009]GPS定位技术成熟、使用广泛，但是也存在一些不足，首先，GPS只有在视野内同时有4个卫星的情况下才能进行定位，而在城市密集区及室内遮挡环境下，无法集齐4颗卫星，因而GPS失效。其次，GPS首次定位时间比较长，在时间比较紧张的情况下可能无法满足要求。再次，如果不以通信方式传递位置信息的话，GPS接收机只是实现了对自身的定位，在遇到紧急情况的时候依然无法获得救助。
[0010]文 献[Rogers R Μ.Applied mathematics in integrated navigationsystems[MJ.AIAA, 2003.]对INS系统进行了研究，INS系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。它由两部分组成:惯性测量单元(MU，InertialMeasurement Unit)和导航计算单兀(NCU, Navigation Computer Unit)。IMU 部分是由惯性传感器件如陀螺仪和加速度计组成的。这些传感器件正交地安装在移动平台内部，用来测量线性加速度及角速度增量。NUC部分将传感器件的测量值进行融合，以计算汽车的位置、速度和姿态角增量，并将这些测量值从惯性参考系转换成汽车的当地水平坐标系统。
[0011]INS系统由于不受外界电磁干扰的影响，故能在GPS信号中断的情况下，根据车辆运动规律，进行自主式定位。但是由于惯性器件有固定的漂移率，这样会造成运动物体的定位误差，这个误差会随时间不断累积，因而不适合长时间独立定位。GPS/INS组合定位导航系统可以解决“盲区”定位的问题，但是无法将定位的绝对精度提高到车道级，不能满足许多车辆安全应用的可靠性要求。
【发明内容】
[0012]发明目的:本发明提出了一种基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法，使用低成本的标准GPS接收机来精确地估计任意辆汽车的相对位置。本发明采用伪距差分的主要动机是邻近车辆的GPS接收机的观测量一般会受到公共误差的影响(如相同的对流层延迟和电离层延迟)，通过差分过程，这些误差可以抵消，因此得出的相对向量会比绝对定位更为精确。因为汽车通常不是直接连接的，GPS测量值需要通过V2V无线通信设备交换。[0013]技术方案
[0014]基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法
[0015]一般地，GPS位置的确定是通过捕获同一时期的多个原始GPS测量值并经过最小二乘估计处理。这些原始观测量——通常称为伪距——是接收天线与可见卫星的飞行时间所确定的观测量。因地球上的位置完全是通过一个三维坐标来描述的，故理论上需要至少三个伪距来进行定位。由于接收钟的不同步，卫星和用户接收机之间的时间偏移也必须考虑。因此，位置的时钟偏移需要通过第四个伪距观测值来估计。
[0016]根据文献[KaplanE Dj Hegarty C J.Understanding GPS:principles andapplications[M].Artech House Publishers, 2006.]，汽车 a 的 GPS 接收机与卫星 i 之间
的伪距A可以表示为:
【权利要求】
1.一种基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法，其特征在于，包括: 使用低成本的标准GPS接收机来精确地估计任意辆汽车的相对位置；通过伪距差分抵消了由卫星造成的公共误差；给出了车辆协作定位的无线通信系统框图，定义了一个新的GPS原始测量值(GRM)消息，并以地理广播寻址方式在车辆间传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法，其特征在于，包括: (I)基于GPS伪距差分的车辆协作定位方法 本方法需要四个伪距，位置和时钟偏移需要通过四个伪距观测值来估计，汽车a的GPS接收机与卫星i之间的伪距次可以表示为:
【文档编号】G01S19/23GK103472459SQ201310384373
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】宋文广, 李大鹏, 赵璐, 赵海涛 申请人:镇江青思网络科技有限公司