一种多基站卫星差分定位和惯导组合的车辆精准定位方法与流程

本发明是一种涉及卫星实时差分技术、惯性导航、数据融合和无线宽带数据通信的精确定位方法，可连续为车辆提供高精度的定位服务。

背景技术：

智能交通系统将先进电子信息技术应用于交通运输中，实现高效增值的服务，其中很多业务都是以车辆位置信息为基础的，因此定位系统是智能交通系统中一个基础平台。 智能交通系统可以使用卫星定位导航系统，通过天基卫星为地面车辆提供位置服务。 目前，装配在车辆上的GNSS(卫星定位导航）接收机只能依靠自身接收卫星信号来完成单点定位（SPP），其位置信息精度通常在几米到十几米之间。这种级别的精度只可以用于普通导航以及对精度要求不高的业务。但是智能交通中越来越多的新业务要求至少亚米级的定位精度，比如精细道路交通管理、车辆车道级定位、安全辅助驾驶、车路协同、自动驾驶等，目前使用的这种定位方法的定位精度就存在显著不足。

驾驶员在高速驾驶过程中如果出现疲劳或者注意力不集中的情况，很容易发生事故。在安全辅助驾驶方面，如果能够提供移动车辆的精确位置，将有助于更安全的驾驶行为，降低事故发生率。先进的智能交通系统在车辆防碰撞提醒、变道危险提醒、车距危险提醒等安全辅助驾驶方面和自动驾驶辅助导航中有着越来越高的需求，而这些应用均要求能够稳定实时的获得至少亚米级甚至更高精度的定位服务，所以目前车辆使用的SPP卫星定位平台无法达到安全驾驶方面的性能要求。

RTK（实时动态）技术是一种为动态终端提供精密定位的卫星差分定位技术，在本发明中，RTK指基于伪距或者载波相位测量值的一种相对定位的差分技术，能够获得高达厘米级的定位精度。在RTK差分中，基准站把伪距和载波相位测量值发送给移动站，而移动站利用这些数据，结合本地伪距和载波相位观测量进行差分运算，从而获得移动站的高精度位置信息。

伪距差分也是一种卫星实时差分定位技术，能够提供高达分米级的定位精度。在伪距差分中，基准站广播伪距差分校正量，移动站利用伪距差分校正量对本地接收机的伪距测量值进行校准，然后按照SPP的方法计算移动站的PVT（位置、速度和时间）信息。

虽然卫星差分定位可以给车辆提供高精度的定位服务，但是如果单独依赖卫星差分定位，仍然存在一个缺陷：由于该系统完全依赖卫星信号，所以只能在卫星信号良好的开阔地带运行，一旦车辆进入隧道、高架桥或者“城市峡谷”中， 卫星信号被建筑物、桥梁或者隧道所阻挡，车辆将很难获得精确的定位信息。此外，宽带无线通信在传输信号的过程中也可能出现数据丢包等间歇性中断的情况，这时移动车辆将无法获得基站发送的差分数据，这也会导致车辆不能获得精确的定位信息。因此在上述情况下，该系统都难以在整个路段上为车辆提供无缝的高精度定位服务。

惯性导航系统（INS）是以陀螺和加速度计作为传感器件的导航解算系统，该系统根据陀螺和加速度计的测量值解算出载体在导航坐标系中的速度、位置和姿态信息。惯性导航系统是一种不依赖于外部信息的自主式导航系统，可全天候工作，提供位置、速度和航向等数据，数据更新率高、短期精度和稳定性好，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。但是INS的缺陷在于其输出的位置误差会随着时间而积累。

当卫星信号被阻挡或者无线数据传输中断的情况发生时，这种间歇性中断的状态持续时间通常较短，一般为几十毫秒到几分钟之间。在这种短时间内，INS系统提供的连续位置和速度信息可以保持很高的精确度。

惯性导航系统和卫星定位系统具有很强的互补特性。利用其各自的优点，卫星差分定位系统和惯性导航系统可以构建一个组合型差分定位导航系统，为车辆提供连续无缝的高精度定位导航服务，当卫星信号接收和无线通信状态良好的时候，由卫星差分定位系统和INS共同完成车辆的精准定位导航，当卫星信号或者无线通信出现短暂中断的时候，由INS继续提供连续的高精度定位和速度信息。

申请人曾于2016年8月19日申请了名为“一种基于惯性导航和卫星差分定位的车辆精准定位方法”（申请号为201610686099.4）的发明专利，首次提到将差分定位和惯导组合系统用于车辆精准定位。 在该发明中，基站以相同的数据更新频率把差分数据的广播给所有车辆，但是实际上，不同速率的车辆对于差分数据的需求是不一样的，不同道路环境下的行驶车辆对差分数据的需求也是不一样的。另外，在该发明中，移动端只采用了一个基准站的数据，执行的是单基站的差分定位。 但是实际上，车辆会常常处于多个基准站共同覆盖的区域，如果移动端能够对多个基准站完成多基站联合差分定位解算，可以改善定位精度和稳定性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是： 针对智能交通中业务需求和现有系统不足，提供一种能够满足车辆分米级至厘米级定位要求的无缝定位系统，该系统融合了惯性导航、卫星实时差分定位技术、数据融合和无线宽带通信网络，能够满足车辆在多种复杂道路环境下的高精度定位问题，为车辆提供车道级的连续定位导航服务。

本发明要解决的另一个技术问题是：车辆主动访问周边基站以获得所需差分数据，并且可根据自身需求实时动态调整基站差分数据的发送更新频率。

本发明要解决的另一个技术问题是： 车辆收到两个以及两个以上基准站差分数据的时候，可以采用数据融合的方式对多个基准站的差分数据实现多基站联合差分定位解算。

本作者查阅了现有发明专利以及技术文献资料，还没有出现类似本发明的技术方案。本发明所采用的技术方案是：

一种用于获取行驶车辆精确位置、速度信息的定位导航方法，融合了卫星实时差分定位、惯性定位导航、数据融合以及无线宽带数据通信系统，其特征在于：该系统包括基准站部分和移动端部分，基准站部分安装在基站上，产生差分数据，响应移动端的数据请求，并把本地差分数据和本地基站的高精度位置信息发送给相应的移动端，移动端部分则安装在车辆上，能够接收一个或者两个以上基站的差分数据，完成多基站联合差分定位算法，能够实时调整基准站发送差分数据的更新频率，实现精确的差分定位，其中：

基准站部分包括一个GNSS基准站接收机，负责产生差分数据，差分数据包含伪距差分校正量、伪距观测值和载波相位观测值；

基准站部分还包括一个无线宽带通信模，负责和移动端的数据通信，把基准站的差分数据以及高精度位置信息发送给对应的移动端；

移动端部分包括一个无线宽带通信模块，负责和基准站建立数据通信，可同时访问一个或者多个基站，并接收一个或者多个基站端的差分数据，并把相应差分数据转发给组合定位系统；

移动端部分还包括一个组合定位系统，由GNSS差分定位系统和惯性导航系统组成，接收无线宽带通信模块转送的基站差分数据， 完成数据融合、差分定位以及和惯性导航的组合结算，最后输出车辆的定位信息；

基准站部分具有可识别的通信ID，移动端部分被分配一个可识别的ID，实时获取周边可访问基站的ID，并根据需求主动访问基站以获取差分数据。

所述的基准站部分，其特征在于：GNSS基准站接收机已知本地基站的高精度位置信息，实时接收GPS、GLONASS、北斗或者Galileo的一个或者多个导航系统卫星信号，获得伪距观测量以及载波相位观测量，同时基于本地已知的高精度位置信息计算出伪距差分校正量。

所述的基准站部分，其特征在于：GNSS基准站接收机发送给无线宽带通信模块的数据包含了基站高精度位置信息，也包含了伪距观测量、载波相位观测量，或者伪距差分校正量，其中：

当载波相位和伪距观测量可用时，GNSS基准站接收机把载波相位和伪距观测量发送给宽带通信模块；

当载波相位和伪距观测量不可用，而伪距差分校正量可用时，GNSS基准站接收机把伪距差分校正量发送给宽带通信模块。

所述的基准站部分，其特征在于：GNSS基准站接收机和宽带通信模块之间进行数据传输基于特定的数据编码格式，可以采用RTCM，也可以采用其他格式。

所述的基准站部分，其特征在于：无线宽带通信模块是具备宽带无线通信功能的系统，可以采用3G或者4G通用标准系统，或者超过4G速率标准的宽带无线通信系统，也可以采用自主设计的宽带无线通信系统，接收来自移动端的数据请求，和移动端建立无线通信，并按照移动端设定的发送更新频率把差分数据和本地基准站位置持续发送给相应的移动端。

所述的移动站部分，其特征在于：无线宽带通信模块采用和基站无线宽带通信模块相同的收发系统，负责访问基站并获取其差分数据和基站高精度位置信息，可同时访问多个基站并接收多个基站的数据，其中：

如果没有接收到基站的差分信息，需要通知组合定位系统；

如果接收到一个基站或者多个基站的差分数据，把数据转发给组合定位系统。

所述的移动站部分，其特征在于：组合定位系统由GNSS差分定位系统和惯性导航系统耦合在一起，对两部分的数据进行融合处理，输出移动端的定位信息。

所述的移动站部分，其特征在于：惯性导航系统包括陀螺仪和加速度计传感器，分别测量移动端的角速率和加速度矢量，并执行惯性导航算法，。

所述的移动站部分，其特征在于：组合定位系统中的GNSS接收单元可实时接收GPS、GLONASS、北斗或者Galileo的一个或者多个导航系统卫星信号，同时获得多个基站的差分数据，其中：

GNSS差分定位系统无法接收卫星信号或者无法接收到三颗以上卫星信号时，组合定位系统由惯性导航系统输出车辆的定位信息；当GNSS差分定位系统可以接收到三颗以上卫星信号时，而没有收到基站的差分信息的时候，GNSS差分定位系统执行单点定位算法；当无线宽带通信模块接收到多个基站的差分信息和同时本地移动端收到三颗以上GNSS卫星信号的时候，GNSS差分定位系统（3-1）执行多基站联合差分定位算法；

GNSS/INS组合算法模块将GNSS差分定位系统和惯性导航系统的输出结合执行组合定位算法，对INS的速度、位置以及传感器误差进行最优估计，获得INS的误差校正量，并反馈回惯性导航系统，其中惯性导航单元计算出当前时刻移动端的定位信息。

所述的移动站部分，其特征在于：根据自身需求实时动态调整基准站的差分数据发送更新频率。

本发明的有益效果是：发明融合了惯性导航、卫星实时差分技术和无线宽带数据通信技术，不仅能够为移动终端提供高精度的位置和速度信息，也能够解决当卫星信号被阻挡或者无线通信链路间歇性中断情况下难以获得高精度位置数据的难题。本发明可以构建一个无缝覆盖的精确定位系统，在复杂的道路环境中为车辆提供实时稳定的分米级或者厘米级的定位服务，为智能交通中越来越多的创新业务提供基础定位数据支持。本发明中，移动端根据自身速度决定数据更新频率，提高了系统定制化程度，同时移动端可以对多个基站发送的数据进行数据融合，能够更好的利用多基站的数据。

通过获得高精度的定位信息，能够将移动车辆定位到具体的车道。在安全辅助驾驶方面就能够实现基于车道级超速提醒、违规驾驶提醒、弯道减速提醒等应用；在智能精确导航方面就可以提供车道级导航、合理及时的变道提醒等应用；在自动驾驶和控制方面，能够实现车道级的速度控制、安全驾驶辅助控制等应用。

附图说明

图1为本实例的系统部署和工作图。

图2为本实例的系统结构框架。

图3为本实例中移动端组合定位系统结构框架。

图4为本实例中移动端的主体流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本实例的系统部署和工作图， 基站1-1和基站1-3是设置在道路附近的基准站，可为移动端1-2提供差分定位数据。多个基站之间的覆盖区域是重叠的，可以实现无缝覆盖道路，在图1中，基站1-1和基站1-3的覆盖区域是有一定重叠的。每个基站具有唯一可访问的通信ID，以及自身的空间位置坐标。基准站负责接收GNSS卫星信号，并产生伪距差分校正量、伪距和载波相位观测量等用于差分定位的数据。基站装配有无线收发系统，可接收来自车辆移动端的访问。每个基站可与周边多个移动端建立数据通信。

移动端1-2安装在车辆上，被分配有一个可识别的ID，实时获取附近可供访问的基站ID。移动端1-2可接收GNSS卫星信号，当需要实现高精度差分定位的时候，移动端1-2访问附近的基准站以获取所需差分数据，然后输出移动端1-2的精确定位信息。

当移动站处在两个以及两个以上基站同时覆盖的区域时，可以访问并接收多个基站以获取这些基站的差分数据。在图1中，当移动端1-2行驶到基站1-1和基站1-3覆盖重叠区域时，移动端1-2选择同时访问基站1-1和基站1-3 以获取两个基站的差分数据，然后执行多基站联合差分定位解算得到移动端1-2的位置信息。需要说明的是，在这种情况下，移动端1-2也可以仅选择一个基站的差分数据，并完成差分定位，这时在移动端其实就等价为单基站差分定位，因此这只是多基站差分定位的一种特殊形式。

图2展示了本实例的系统框架，包括基准站部分2-1和移动端部分2-6。基准站部分2-1装在基站上，包括一个GNSS基准站接收机2-2和无线宽带通信模块2-3，GNSS接收机2-2配置成基准站工作模式。本发明中的基准站工作模式是指GNSS接收系统接收导航卫星信号，并负责计算出用于差分定位的数据，这些数据可供移动端访问。基准站接收机2-2已经存储了本地基站的高精度位置信息，此位置可以在部署时通过精密测量技术事先获取。

GNSS基准站接收机2-2可以是单频点或者多频点的多模卫星接收机。因为目前有GPS、GLONASS、北斗或者Galileo四种卫星系统，如果是单频点单模接收机，则GNSS接收机2-2只能接收其中的单个卫星系统的信号。如果是多频点的多模接收机，GNSS接收机2-2可以接收到两个或者两个以上卫星系统的信号。接收机2-2根据接收的信号计算出当前可见卫星的伪距和载波相位等观测量。

为计算伪距差分校正量，接收机2-2通过卫星接收天线2-4实时接收卫星信号，并根据实时接收到的卫星信号估算基站1-1的位置信息，接收机2-2把基站1-1已知的精确位置信息和当前估算出来的位置做比较，计算出伪距差分校正量，计算方法如下：

其中是基于已知精确位置信息而求得接收机和卫星之间的距离，是基于估算位置而求得接收机和卫星之间的距离， 即为伪距差分校正量。

当载波相位和伪距观测量可用时，接收机2-2把载波相位和伪距观测量发送给宽带通信模块2-3。当载波相位和伪距观测量不可用，而伪距差分校正量可用时，接收机2-2把伪距差分校正量发送给宽带通信模块2-3。

接收机2-2发送给宽带通信模块2-3的数据格式可以采用国际标准格式，也可以自定义，在本实例中，接收机2-2把数据按照RTCM编码打包发送给宽带通信模块2-3，再经天线2-5发送给移动端。

宽带通信模块2-3可使用无线3G或者4G的数据网络，也可使用其他宽带通信网络，其速率达到4G或者超过4G的标准。宽带通信模块2-3具有唯一可识别的通信ID，和移动端的进行数据通信，接收来自移动端的访问请求，把基准站的差分数据以及高精度位置信息发送给移动端。

移动端部分2-6安装在车辆上，包括一个组合定位系统2-8和无线宽带通信模块2-7。通信模块2-7配置有和通信模块2-3相同的通信系统，被分配一个可识别的通信ID，通过天线2-9和基站通信。移动端部分2-6实时获取周边基站的通信ID。当移动端2-6需要基准站的差分数据时，通信模块2-7向基准站发起请求，并和通信模块2-3进行数据通信，把接收到的基准站差分数据按原格式发送给组合定位系统2-8。

移动端2-6可以根据自身需求实时的调整基站的差分数据发送更新频率。在本实例中，移动端2-6根据自身速度来决定差分数据更新频率，分为两档，当速度高于60公里时速时，移动端2-6以10Hz以上的频率来获取基站的差分数据， 当速度低于60公里时速时，移动端2-6以5Hz以下的频率来获取基站的差分数据。

当移动端2-6附近有基准站可供访问时，无线宽带通信模块2-7获得该基准站的差分数据，送入组合定位系统2-8。组合定位系统2-8可以接收卫星信号，计算出来本地移动端2-6的伪距和载波相位观测量，同时结合基准站的差分数据，完成实时差分定位。

如果移动端2-6处于多基准站同时覆盖的区域时，无线宽带通信模块2-7可以同时访问两个或者两个以上的基准站，因此获得两个或者两个以上基准站的差分数据以及对应的基准站位置，并把这些数据送入组合定位系统2-8。在组合定位系统2-8模块中，移动端对多个基准站的差分数据执行多基站联合差分定位解算。需要说明的是，在这种情况下，无线宽带通信模块2-7也可以仅仅选择一个基准站的差分数据，同样可实现差分定位解算，这时，移动端2-6其实就转化为单基站差分定位，这只是多基站差分定位的一种特殊形式，

移动端组合定位系统2-8主要由一个具备差分定位功能的GNSS接收机和一个INS惯性导航系统组成。本实例给出了基于闭环松耦合构成的移动端组合定位系统，其结构图如图3所示包含了一个GNSS差分定位系统3-1和一个INS惯性导航系统3-2。需要说明的是，由GNSS和INS的组合方式并不限于本实例所述，除了本实例外，还可以采用紧耦合、深耦合等方式。闭环结构是指被估算的位置、速度和姿态误差反馈给INS系统，被用来校正INS的定位解。差分数据控制单元3-4和无线宽带通信模块2-7通信，负责发起对基准站的差分数据需求，接收基准站的差分数据，并根据接收到的差分数据的类型进行处理，将基准站差分送入GNSS差分解算和融合单元3-5中。移动端GNSS信号接收单元3-3负责接收卫星信号，可以是单频点或者多频点的多模卫星接收模块，同基准站接收机2-2具备相同的卫星信号接收功能，完成卫星信号的捕获、跟踪以及解码等基带信号处理， 获取本地移动端的伪距、载波相位和卫星星历等数据，并将这些数据送入GNSS差分解算和融合单元3-5中。

GNSS差分解算和融合单元3-5的功能主要包括：根据车辆所处的状态执行相应的GNSS定位解算，根据不同类型的差分数据执行相应的卫星差分算法，对多个基准站的差分数据执行多基站联合差分定位算法：

如果差分数据中包含基准站的载波相位和伪距观测量时，差分数据控制单元3-4选择将基准站的载波相位和伪距观测量送入差分解算和融合单元3-5中，执行RTK差分算法；

如果载波相位和伪距观测量不可用，而伪距差分校准量可用的时候，差分数据控制单元3-4选择将伪距差分校准量送入解算和融合单元3-5中，执行伪距差分算法。伪距差分算法的主要解算过程如下：伪距差分解算主要是利用基准站发送的伪距差分校正量对本地的伪距测量值进行修正，即，其中为移动端原始伪距观测值，为经过修正后的伪距观测值。基于修正后的伪距观测值，移动端的GNSS完成后续单点定位解算；

当GNSS差分解算和融合单元3-5接收到多个基准站的差分数据时，执行多基站联合差分定位算法。本实例给出一种较为直观的多基站联合差分定位算法，首先移动端分别针对接收到的每个基准站完成相应的差分定位，假设得到N个移动端位置以及估计的方差, ，则多基站联合差分定位的线性最优估计值可表达为

（1a）

（1b）

（1c）

其中,,。

当（1）式中N=1时，其结果就等价于单基站差分定位，因此单基站差分定位可视为多基站联合差分定位解算的一个特例。这里需要说明的是，多基站联合差分定位算法并不仅限于本实例给出的算法。

如果载波相位、伪距观测量和伪距差分校准量都不可用时，发送标记信号给差分解算和融合单元3-5，差分解算和融合单元3-5使用移动端GNSS信号接收单元3-3的数据执行单点定位算法。

差分解算和融合单元3-5将计算结果输入GNSS/INS组合算法单元3-8中。

惯性导航系统3-2由惯性测量单元（IMU）3-6和惯性导航单元3-7组成， IMU3-6包括一组陀螺仪和加速度计传感器，分别测量移动端的角速率和加速度矢量，并将这组角速率和加速度矢量发给惯性导航单元3-7。

组合算法单元3-8将解算和融合单元3-5和惯性导航单元3-7的算法结果进行数据融合处理，通过扩展卡尔曼滤波对INS的速度、位置、姿态以及传感器误差进行最优估计，把INS的误差校正量反馈给惯性导航单元3-7。

惯性导航单元3-7负责在没有收到卫星信号时，依据IMU的测量值持续输出移动端的定位信息。惯性导航单元3-7也依据组合算法单元3-8的反馈来修正移动端的位置和速度信息，此时，使用误差校正量以及当前时刻的角速率和加速度测量值，并根据上一个时刻的位置数据，输出当前时刻移动端的位置、速度和姿态等定位信息，同时将其送入组合算法模块3-8。

移动端的主要程序流程如图4所示。移动端的GNSS接收机持续接收GNSS信号4-1，以及IMU测量移动端的角速度和加速度4-3。移动端的GNSS接收机是否跟踪到四颗以上（包含四颗）的卫星4-2。如果没有跟踪到足够数量的卫星，说明移动端可能被周围物体遮挡、或者进入隧道等，导致无法接收到卫星信号。在这种情况下，移动端依靠INS系统的惯性导航算法4-4输出车辆的定位信息。

如果移动端的GNSS接收机能够接收到四颗以上（包含四颗）的卫星，则移动端进一步判断能否完成差分定位4-5， 其判断的依据为是否收到基准站的差分数据。 如果没有收到差分数据，则进行本地单点定位4-6，将其位置和速度信息送入GNSS/INS组合算法4-7中计算出位置和速度修正量，该修正量反馈回惯性导航算法4-4，对INS的计算结果进行修正，并输出车辆的定位信息。如果移动端收到来自基准站的差分数据，进一步判断是否收到两个以上基准站数据4-10，如果仅仅收到一个基准站的差分数据，则完成单基站差分定位解算4-11，并将位置和速度信息送入GNSS/INS组合算法4-7中计算出位置和速度修正量，该修正量反馈回惯性导航算法4-4，对INS的计算结果进行修正，并输出车辆的定位信息。如果收到两个或者两个以上的基准站差分数据，则进入多基站差分融合解算4-13，其位置和速度信息送入GNSS/INS组合算法4-7中计算出位置和速度修正量，该修正量反馈回惯性导航算法4-4，对INS的计算结果进行修正，并输出定位信息。

不论是单基站差分定位解算4-11还是多基站差分融合解算4-13， 其计算出来速度信息会被用来确定差分数据的更新频率4-12。 移动端把数据更新频率反馈给基准站，基准站根据设定好的更新频率持续发送差分数据，移动端负责接收差分数据4-9。当移动端需要更改数据更新频率的时候，会将新的更新频率发送给基准站， 基准站则根据新的更新频率持续发送差分数据，直到移动端再次改变差分数据的发送更新频率，或者关闭和基准站之间的通信。

因此，本发明能够为车辆实现连续无缝的精准实时定位导航，同时根据自身需求，主动调整差分数据的更新频率。 车辆在处于多个基准站的重叠覆盖区间时，可以同时接收多个基准站的差分数据，充分利用多基站发送来的差分数据，进行数据融合处理，实现移动端的差分定位，提高系统的稳健性以及定位精度。