一種基於gps偽距差分的車輛協作定位方法
2023-08-01 18:10:26 1
一種基於gps偽距差分的車輛協作定位方法
【專利摘要】本發明目的是提出一種基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法，使用低成本的標準GPS接收機來精確地估計任意輛汽車的相對位置，本發明採用偽距差分的主要動機是鄰近車輛的GPS接收機的觀測量一般會受到公共誤差的影響（如相同的對流層延遲和電離層延遲），通過差分過程，這些誤差可以抵消，因此得出的相對向量會比絕對定位更為精確；因為汽車通常不是直接連接的，GPS測量值需要通過V2V無線通信設備交換；本發明結合恆定轉彎角速度和速度（CTRV）車輛運動模型，採用無跡卡爾曼濾波器將GPS測量值與運動學傳感器測量值進行融合，來提供對目標車輛系統狀態的穩定估計，通過無跡卡爾曼濾波，即便是像偏移這類特定的傳感器誤差都可以隨時間估計出來並減小。
【專利說明】一種基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於車聯網【技術領域】，具體涉及車聯網中基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法。
【背景技術】
[0002]隨著物聯網的誕生和發展，這幾年汽車界產生一個類似的新概念——車聯網(IOV, Internet of Vehicle)。車聯網是汽車行業對於未來「互聯的汽車」的美好願景，就像20世紀80年代網際網路的出現將獨立的桌上型電腦互相聯繫在一起。車聯網的現實應用，將會改變人們未來的生活、工作方式。
[0003]車聯網是指車與車、車與路、車與人、車與傳感設備等交互，實現車輛與公眾網絡通信的動態移動通信系統。它可以通過車與車、車與人、車與路互聯互通實現信息共享，收集車輛、道路和環境的信息，並在信息網絡平臺上對多源採集的信息進行加工、計算、共享和安全發布，根據不同的功能需求對車輛進行有效的引導與監管，以及提供專業的多媒體與移動網際網路應用服務。
[0004]車聯網中最「給力」的應用為智能交通系統(ITS, Intelligent TransportationSystem)。智能交通系統將先進的信息技術、電子傳感技術、數據通訊傳輸技術、控制技術和計算機技術等有效地集成，然後將其運用在整個地面交通管理系統中，以提供大範圍的、全方位的、實時準確高效的綜合交通運輸管理服務。智能交通技術可使交通堵塞減少約60%，使短途運輸效率提高近70%，使現有道路網的通行能力提高2-3倍。
[0005]車聯網是裝載在車輛上的電子標籤通過無線識別等技術構建的一種車載自組網(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.]。車聯網具有節點特性、移動特性及數據流特性。從車聯網的體系架構[王建強，吳辰文，李曉軍.車聯網架構與關鍵技術研究[J].微計算機信息，2011，27(4):156-158.]中可以看出，車聯網使用RFID、傳感器，從物理世界獲取信息，然後將這些信息通過網絡傳到用戶或者伺服器端，為用戶提供各種各樣的服務。因為汽車是運動的，所有提供的服務都是基於位置的服務，所以定位技術是車聯網中的關鍵技術，具有很大的研究價值與工程實踐價值。
[0006]定位技術不僅可以提供各種基於位置的服務，如周邊商店、加油站、餐館等信息的查詢，還可以用於緊急情況下的救助、車輛的調度和人員管理等服務。車聯網中的定位還有一個最重要的應用就是為汽車提供導航服務。全球定位系統(GPS，GlobalPositioning System) [Kaplan E D, Hegarty C J.Understanding GPS:principles andapplications [M].Artech House Publishers, 2006.]可以為汽車用戶提供位置和速度信息。近年來，隨著GPS接收機成本的降低，GPS已成為解決車輛定位問題的標準方案，目前大多數民用汽車的定位導航設備都是基於GPS技術的。獨立式GPS可以提供的定位精度在10-20米之間，而且容易受城市環境的影響，經常有「盲區」的存在，如衛星信號被日益增多的高層建築和立體式交通阻擋，定位的精度無法保證。慣性導航系統(INS，Inertialnavigation system)是一種自主式導航系統。INS系統所產生的導航信息連續性好且對外界幹擾不敏感，但其誤差具有隨時間累積的特點，所以不適合長時間獨立定位。二者的結合——GPS/INS組合定位導航系統可以有效地解決「盲區」定位的問題，一度成為學術界研究的熱點。
[0007]GPS/INS組合定位導航系統雖然可以解決「盲區」定位的問題，但是無法將定位的絕對精度提高到車道級，不能滿足許多車輛安全應用的可靠性要求。近年來，出現了在車載自組網中進行協作定位這一較為新穎的概念。通過周期性的廣播，每輛汽車可以收集鄰近車輛的GPS信息，同時，車輛間的距離可以通過無線電測距技術測得。因此每輛汽車可以利用鄰近車輛的GPS信息和距離測量值，根據協作定位算法來調整自己的位置。
[0008]文獻[Hofmann-WellenhofB,Lichtenegger H, Collins J.GPS theory andpractice [J], 1997.]對GPS系統進行了研究，GPS系統是目前技術上最成熟、使用最廣泛的一種衛星導航定位系統，能夠便捷地提供高精度和連續的位置、速度、航向、姿態和時間信息。它是全天候運行的，通過衛星的測距和測時來提供連續的三維的位置、速度信息和精確時間。民用GPS定位精度一般在IOm左右，軍用GPS定位精度比較高，可以達到Im左右。
[0009]GPS定位技術成熟、使用廣泛，但是也存在一些不足，首先，GPS只有在視野內同時有4個衛星的情況下才能進行定位，而在城市密集區及室內遮擋環境下，無法集齊4顆衛星，因而GPS失效。其次，GPS首次定位時間比較長，在時間比較緊張的情況下可能無法滿足要求。再次，如果不以通信方式傳遞位置信息的話，GPS接收機只是實現了對自身的定位，在遇到緊急情況的時候依然無法獲得救助。
[0010]文 獻[Rogers R Μ.Applied mathematics in integrated navigationsystems[MJ.AIAA, 2003.]對INS系統進行了研究，INS系統是一種不依賴於外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統。它由兩部分組成:慣性測量單元(MU，InertialMeasurement Unit)和導航計算單兀(NCU, Navigation Computer Unit)。IMU 部分是由慣性傳感器件如陀螺儀和加速度計組成的。這些傳感器件正交地安裝在移動平臺內部，用來測量線性加速度及角速度增量。NUC部分將傳感器件的測量值進行融合，以計算汽車的位置、速度和姿態角增量，並將這些測量值從慣性參考系轉換成汽車的當地水平坐標系統。
[0011]INS系統由於不受外界電磁幹擾的影響，故能在GPS信號中斷的情況下，根據車輛運動規律，進行自主式定位。但是由於慣性器件有固定的漂移率，這樣會造成運動物體的定位誤差，這個誤差會隨時間不斷累積，因而不適合長時間獨立定位。GPS/INS組合定位導航系統可以解決「盲區」定位的問題，但是無法將定位的絕對精度提高到車道級，不能滿足許多車輛安全應用的可靠性要求。
【發明內容】
[0012]發明目的:本發明提出了一種基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法，使用低成本的標準GPS接收機來精確地估計任意輛汽車的相對位置。本發明採用偽距差分的主要動機是鄰近車輛的GPS接收機的觀測量一般會受到公共誤差的影響(如相同的對流層延遲和電離層延遲)，通過差分過程，這些誤差可以抵消，因此得出的相對向量會比絕對定位更為精確。因為汽車通常不是直接連接的，GPS測量值需要通過V2V無線通信設備交換。[0013]技術方案
[0014]基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法
[0015]一般地，GPS位置的確定是通過捕獲同一時期的多個原始GPS測量值並經過最小二乘估計處理。這些原始觀測量——通常稱為偽距——是接收天線與可見衛星的飛行時間所確定的觀測量。因地球上的位置完全是通過一個三維坐標來描述的，故理論上需要至少三個偽距來進行定位。由於接收鐘的不同步，衛星和用戶接收機之間的時間偏移也必須考慮。因此，位置的時鐘偏移需要通過第四個偽距觀測值來估計。
[0016]根據文獻[KaplanE Dj Hegarty C J.Understanding GPS:principles andapplications[M].Artech House Publishers, 2006.]，汽車 a 的 GPS 接收機與衛星 i 之間
的偽距A可以表示為:
【權利要求】
1.一種基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法，其特徵在於，包括: 使用低成本的標準GPS接收機來精確地估計任意輛汽車的相對位置；通過偽距差分抵消了由衛星造成的公共誤差；給出了車輛協作定位的無線通信系統框圖，定義了一個新的GPS原始測量值(GRM)消息，並以地理廣播尋址方式在車輛間傳輸。
2.根據權利要求1所述的一種基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法，其特徵在於，包括: (I)基於GPS偽距差分的車輛協作定位方法 本方法需要四個偽距，位置和時鐘偏移需要通過四個偽距觀測值來估計，汽車a的GPS接收機與衛星i之間的偽距次可以表示為:
【文檔編號】G01S19/23GK103472459SQ201310384373
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】宋文廣, 李大鵬, 趙璐, 趙海濤 申請人:鎮江青思網絡科技有限公司