一種gps滯後時間的自適應檢測方法

2023-05-07 15:58:16 4

專利名稱：一種gps滯後時間的自適應檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，可有效、自適應地實現GPS滯後特性檢測，屬於導航技術領域。
背景技術：
GPS可以在全球範圍內，全天候、實時地為各種用戶提供運載體的絕對位置、速度、 航向和時間信息，因其高精度定位得到了廣泛的應用。但是，由於GPS解算延遲、OEM板固有延遲及數據解碼傳輸等原因，GPS測量系統存在隨機延遲的現象，在運載體轉彎時由於滯後特性造成的不良影響尤為突出，而目前還沒有一種有效的自適應檢測GPS滯後特性的方法。發明內容
本發明的目的是為了解決GPS存在輸出延遲的問題，提出一種GPS滯後特性自適應檢測的方法。該方法基於DR的測量實時性和短時高精度，以航向差和速度為檢測量，能夠自適應地檢測出GPS的滯後時間。
本發明的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，包括以下幾個步驟
步驟一分別採集同一運載體的GPS測量系統和DR測量系統的測量信號，其中， GPS測量信息包括位置、航向和速度，DR測量系統包括裡程儀脈衝數和陀螺角速度；
步驟二 設定GPS航向差序列檢測窗口寬度及檢測判別閾值，基於GPS測量航向信息和陀螺儀測量角速度信息，分別構造GPS、DR系統的航向差檢測序列，在檢測條件下，進行GPS滯後時間自適應檢測；
步驟三設定GPS速度序列檢測窗口寬度及檢測判別閾值，基於GPS測量速度信息和裡程儀速度信息，分別構造GPS、DR系統的速度檢測序列，在檢測條件下，進行GPS滯後時間自適應檢測；
步驟四設定航向差檢測序列窗口與速度檢測序列窗口內公共曆元的重合度閾值 C，若航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數大於重合度閾值C，則根據測量元件精度，設定航向差序列檢測可信因子及速度序列檢測可信因子，進而確定GPS 滯後時間；若航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數小於重合度閾值 C，則根據各自檢測結果確定GPS滯後時間；
步驟五判斷檢測的GPS滯後時間是否小於零，若檢測的GPS滯後時間小於零，則說明DR測量系統出現故障；若檢測的GPS滯後時間大於零，則繼續進行步驟二。
通過上述方法，基於慣性器件的實時輸出性和短期高精度，構造GPS、DR雙系統航向差檢測序列和速度檢測序列，能夠自適應、有效地檢測GPS滯後時間。
本發明的優點在於
(1)本發明利用陀螺儀、裡程儀的實時輸出性和短期高精度，實現對GPS的滯後特性進行自適應檢測；
(2)能夠準確地確定GPS滯後時間，為GPS和其他導航系統的的數據同步提供了準確的基礎；
(3)本發明實現簡單，計算量小，結果可靠。


圖1是本發明的方法流程圖加為實施例一中，175 20 時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的航向差序列的實驗結果對比圖2b為實施例一中，175 20 時間段內，根據本發明中航向差檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的航向信息構造的航向差序列的實驗結果對比圖2c為實施例一中，95 12 時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的航向差序列的實驗結果對比圖2d為實施例一中，95 12 時間段內，根據本發明中航向差檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的航向信息構造的航向差序列的實驗結果對比圖3a為實施例一中，115 13 時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖北為實施例一中，115 13 時間段內，根據本發明中速度檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖3c為實施例一中，195 21 時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖3d為實施例一中，195 21 時間段內，根據本發明中速度檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖如為實施例二中，20 40s時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的航向差序列的實驗結果對比圖4b為實施例一中，20 40s時間段內，根據本發明中航向差檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的航向信息構造的航向差序列的實驗結果對比圖fe為實施例二中，70 90s時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖恥為實施例二中，70 90s時間段內，根據本發明中速度檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖5c為實施例二中，100 120s時間段內，根據GPS測量系統、DR測量系統原始輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖5d為實施例二中，100 120s時間段內，根據本發明中速度檢測方法確定的滯後時間，GPS測量系統、DR測量系統進行數據對準後的輸出信息構造的速度序列的實驗結果對比圖。
圖6為實施例一中，GPS測量系統測量得到的車輛運行路徑；
圖7為實施例二中，GPS測量系統測量得到的車輛運行路徑。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟
步驟一分別採集同一運載體的GPS測量系統和DR測量系統的測量信號，其中， GPS測量信息包括位置、航向和速度，DR測量系統包括裡程儀脈衝數和陀螺角速度；
步驟二 設定GPS航向差序列檢測窗口寬度及檢測判別閾值，基於GPS測量航向信息和陀螺儀測量角速度信息，分別構造GPS、DR系統的航向差檢測序列，在一定的檢測條件下，進行GPS滯後時間自適應檢測，具體包括以下幾個步驟；
(1)設定航向差序列檢測窗口寬度及檢測條件；
設定滯後檢測窗口寬度為M,由於陀螺儀的輸出頻率通常情況下遠高於GPS的輸出頻率，並且具有短時高精度，因此可以基於陀螺儀的測量信息進行GPS的滯後特性進行檢測。當GPS速度大於一定閾值時，GPS測量的航向可信度較高，在航向角準確度較高時檢測GPS是否存在滯後比較準確；在車輛轉彎時，GPS的航向變化較大，滯後效應比較明顯，故可選擇在車輛轉彎段進行GPS航向滯後檢測。利用航向差序列進行GPS滯後特性檢測的條件為ν (/') >= νψ _ threshold, i = k—M + \ …，k
ΣWgyro^)>ψ _ threshold, k = M ,1* M ,3* M,ii=k-M+l
其中，vgps (i)為GPS在i時刻測量的速度，i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；v^threshold為設定GPS航向可信的速度閾值；^ra(Z)為i時刻陀螺儀測量的航向角速度；V_threshold為航向存在較大幅度變化的航向閾值，通常可取為25° 35° ；
(2)判斷航向角、航向角速度是否符合上述檢測條件，如果符合，構造GPS測量系統航向差序列和DR測量系統航向差序列，如果不符合，則繼續等待下一檢測窗口內的GPS、 DR的測量數據。
GPS測量系統航向差序列Δ urgps_sequence為
\ gps —sequence = gps(Ji —Μ + gp 人k —M + 2),…，Κψgps(k)Yk = M ,2* M ,3* M,…Δ Ψ- if) = Wgvs (0 - Ψ- (i-V),i=k-M + \,-",k
其中，Δ Vgps(i)表示GPS測量得到的i時刻與i-1時刻的航向角的差值，i為GPS 的數據採集時刻，k為檢測窗口邊界；Vgps(i)為GPS測量得到的i時刻的航向角。
DR測量系統航向差序列Δ ￥dr_sequence為
Δ Wdr — sequence = {Δ ψ τ (k -M +1), Δ ψ τ (眾一M + 2),.. .，Δ ψΛ. (^)} ,k=M,2*M,3*M,··· < .δ ΨΛγ (0 = [^i Wgyro (tyit,i=k-M+\,.、k
其中，Δ Vdr(i)為在GPS—個測量周期內陀螺儀的積分得到的航向角的變化量， i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；IfZgymU)為i時刻陀螺儀測量的航向角速度；
(3)採用航向差序列檢測方法進行檢測，得到GPS滯後時間；
由於GPS與陀螺儀均是對同一運載體進行測量，而陀螺儀的輸出可看作實時的， 因此可以利用陀螺儀的輸出檢測GPS的滯後時間。只有當兩序列的輸出為同步時，兩序列的匹配程度最高。因此，若將Δ Vgps_Sequence整體向右平移α—後，能夠使得新的⑶和Δ U/dl_SeqUenCe兩序列的差值的萊布尼茨範數最小，則(i—即為航向差序列檢測的GPS滯後時間。航向差序列檢測方法為
Δ^—叫浙膽(7；) = 0 #-Μ + 1 + Γ。),Δ 淋-Μ + 2 + Γ。),···，Δ # + Γ0)；}
k = M，2*M，3*M，…，T0 =-Tmax，--1,0,1,…，Tmax
Δ Ψ: — sequence (Τ; delay ) - Ai^dr _ sequence\ =J Σ (Δ + C—一(θ)' = minV i=k-M+\
k = M，2*M，3*M，...
其中，I I · I |F為向量的萊布尼茨範數，為將Δ u;gps_sequence 向右平移Ttl得到的新的GPS航向差序列；Tmax為GPS可能的滯後時間範圍，通常取為3 k ； i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；min為由所有平移後的GPS構造的航向差序列和DR構造的航向差序列差值的萊布尼茨範數的最小值，7^>一為使上式取得最小值的Ttl 的值，即由航向差序列檢測的GPS滯後時間。
步驟三設定GPS速度序列檢測窗口寬度及檢測判別閾值，基於GPS測量速度信息和裡程儀速度信息，分別構造GPS、DR系統的速度檢測序列，在一定的檢測條件下，進行GPS 滯後時間自適應檢測，具體包括以下幾個步驟；
(1)設定速度序列檢測窗口寬度及檢測條件；
設定滯後檢測窗口寬度為N，當車輛速度很小或者接近停車時，此時GPS和裡程儀的測量值都可能存在一定的誤差，因此當速度大於一定閾值時進行GPS速度滯後檢測比較合適。若車輛一直勻速或接近勻速行駛，GPS是否滯後難以判斷，只有當車輛進行加速、減速行駛時，可以通過兩種不同的速度測量方式檢測GPS是否滯後，而一段時間內速度的方差可以反映出車輛速度變化的波動情況，當方差大於一定閾值時，可以進行GPS滯後判定。 利用速度序列進行GPS滯後特性檢測的條件為Vgps(/') >= ν_threshold,i = k-N+ l,k-N+ 2,---,k
\ 1 JL·1 JL·2—Σ [^(O-- Σ ^5(O)] >、—threshold,k = N,2*N,3*N,···Jy ~ ^ i=k—N+\丄、i=k—N+\
其中，i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；V_threShold為設定GPS速度可信的速度閾值；vePS (i)為i時刻GPS測量的速度；Vv _threshold為速度序列存在較大幅度變化的速度閾值，一般取為0. 8 1. 2 ；
(2)判斷速度、速度方差是否符合上述檢測條件，如果符合，構造GPS測量系統速度序列和DR測量系統速度序列，如果不符合，則等待下一檢測窗口內的GPS、DR的測量數據。
GPS測量系統速度序列vgps_sequence為
Vgp^sequence = {vGPS (k-Ν+Ι)，vGPS (k_N+2)，...，vGPS (k)}，k = N，2*N，3*N，... DR 測量系統速度序列vto_sequence為
權利要求
1.一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟步驟一分別採集同一運載體的GPS測量系統和DR測量系統的測量信號，其中，GPS測量信息包括位置、航向和速度，DR測量系統包括裡程儀脈衝數和陀螺角速度；步驟二 設定GPS航向差序列檢測窗口寬度及檢測判別閾值，基於GPS測量航向信息和陀螺儀測量角速度信息，分別構造GPS、DR系統的航向差檢測序列，在檢測條件下，進行GPS 滯後時間自適應檢測；步驟三設定GPS速度序列檢測窗口寬度及檢測判別閾值，基於GPS測量速度信息和裡程儀速度信息，分別構造GPS、DR系統的速度檢測序列，在檢測條件下，進行GPS滯後時間自適應檢測；步驟四設定航向差檢測序列窗口與速度檢測序列窗口內公共曆元的重合度閾值C， 若航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數大於重合度閾值C，則根據測量元件精度，設定航向差序列檢測可信因子及速度序列檢測可信因子，進而確定GPS滯後時間；若航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數小於重合度閾值 C，則根據各自檢測結果確定GPS滯後時間；步驟五判斷檢測的GPS滯後時間是否小於零，若檢測的GPS滯後時間小於零，則說明 DR測量系統出現故障；若檢測的GPS滯後時間大於零，則繼續進行步驟二。
2.根據權利要求1所述的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，步驟二具體包括以下幾個步驟；(1)設定航向差序列檢測窗口寬度及檢測條件；設定滯後檢測窗口寬度為M，利用航向差序列進行GPS滯後特性檢測的條件為Vgps(/') >= νψ _threshold,i = k-M + !,·■■ ,kJ k ·Σ Ψ評(0 >Ψ — threshold,Λ = Μ,23…J=k-M+\其中，Vgps(i)為GPS在i時刻測量的速度，i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；v^threshold為設定GPS航向可信的速度閾值 』ψ;0( )為i時刻陀螺儀測量的航向角速度；!!^threshold為航向存在較大幅度變化的航向閾值；(2)判斷航向角、航向角速度是否符合上述檢測條件，如果符合，構造GPS測量系統航向差序列和DR測量系統航向差序列，如果不符合，則繼續等待下一檢測窗口內的GPS、DR的測量數據；GPS測量系統航向差序列Δ Vgps_sequence為 Δ Wgps —sequence = {Δ ψgps (k -M +1)，Δ ψgps (k —Μ + 2\..· ,Χψ=M M β* M ,… 、δ Wgps (0 = Wgps H) - Wgps (i-r)』i=k-M + l,.-,k其中，Δ ￥gps(i)表示GPS測量得到的i時刻與i-Ι時刻的航向角的差值，i為GPS的數據採集時刻，k為檢測窗口邊界；Vgps⑴為GPS測量得到的i時刻的航向角；DR測量系統航向差序列Δ vdl_sequence為Δ ψ Γ — sequence = {Δ ψ Γ (k -M +1)，Δ ψ Γ (眾—M + 2)，.··，Δ ψ . (Α:)}彳=Μ，2 3 *Μ,…< .Δ Ψ Γ (0 = f!, Wgyro (t)dt, i=k—M + \"、k其中，Δ Vdr(i)為在GPS—個測量周期內陀螺儀的積分得到的航向角的變化量，i為 GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界^gym袖i時刻陀螺儀測量的航向角速度；(3)採用航向差序列檢測方法進行檢測，得到GPS滯後時間；航向差序列檢測方法為—從糾例ασ。)= ·(Δ Μ + 1 + Γ。),Δ 淋-M + 2 + r。),...，A s(A; + r0)}k = M，2*M，3*M，…，Ttl =-Tmax, -"1,0,1,…，Tmax |Δ Ψ; — sequence (Τ;—一sequenced =J Σ+) 一 Δ ^fr (θ) = mink = M，2*M，3*M，…其中，I I · I |F為向量的萊布尼茨範數，為將Δ Vgps_sequence向右平移Ttl得到的新的GPS航向差序列；Tmax為GPS可能的滯後時間範圍，通常取為3 5s ； i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；min為由所有平移後的GPS構造的航向差序列和DR構造的航向差序列差值的萊布尼茨範數的最小值，為使上式取得最小值的Ttl 的值，即由航向差序列檢測的GPS滯後時間。
3.根據權利要求1所述的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，步驟三具體包括以下幾個步驟；(1)設定速度序列檢測窗口寬度及檢測條件；設定滯後檢測窗口寬度為N，利用航向差序列進行GPS滯後特性檢測的條件為 Vgps(/') >= ν_threshold,i = k-N+ l,k-N+ 2,---,kΣ去 Σ ^5(O)] >、—threshold,k = N,2*N,3*N,···其中，i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；V_threshold為設定GPS速度可信的速度閾值；vePS (i)為i時刻GPS測量的速度；Vv _threshold為速度序列存在較大幅度變化的速度閾值；(2)判斷速度、速度方差是否符合上述檢測條件，如果符合，構造GPS測量系統速度序列和DR測量系統速度序列，如果不符合，則等待下一檢測窗口內的GPS、DR的測量數據；GPS測量系統速度序列Vgps_Sequence為vgps_sequence = {vGPS (k-N+1)，vGPS (k_N+2)，…，vGPS (k)}，k = N，2*N，3*N，... DR 測量系統速度序列vdr_sequence為Vdr —sequence = \vJJi - NJJi - N+2),.、VJli)lk = N 7 N 7 N,… vdr(i) = WS,i=k-N+l,k-N+2,-,k其中，i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界；V(t(i)為i時刻裡程儀測量的速度；P。d(i)為i_l i時間段內裡程儀測量的脈衝數；S為裡程儀比例因子；(3)採用速度序列檢測方法進行檢測，得到GPS滯後時間；速度序列檢測方法如下式所示k = M，2*M，3*M，...，T1 = -Tmaxl, -"1,0,1,…，TmaxlIv^r _se^ence(TgPS_deiay) ~Vdr _sequence\F = Σ (UO. + C—d—) —W))2 =min, kV i=k-N+\= N，2*N，3*N，…其中，Μ · I |F為向量的萊布尼茨範數，i為GPS的數據採集時刻；k為檢測窗口邊界； C JegMmceCQ為將Vgps_Sequence向右平移T1得到的新的GPS速度序列；Tmaxl為GPS 可能的滯後時間範圍，通常取3 k ；min為由所有新測GPS構造的速度序列和DR構造的速度序列差值的萊布尼茨範數的最小值，^為由速度序列檢測的GPS滯後時間。
4.根據權利要求1所述的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，步驟四具體包括以下幾個步驟；步驟a、設定航向差檢測序列窗口與速度檢測序列窗口內公共曆元的重合度閾值C，C 通常可取為M、N中較小者的75% ；步驟b、如果航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數大於重合度閾值C，進入步驟c;如果航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數不大於重合度閾值C，進入步驟d;步驟c、若航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數大於重合度閾值C，則GPS滯後時間的確定方法為 GPS測量系統的滯後時間為 τ =ClTv +a Tvgps _ delaygps _ delay 2 gps_ delay其中，α i為航向差序列檢測算法的置信因子；α 2為速度序列檢測算法的置信因子； Tgps delay為最終檢測的GPS測量系統的滯後時間；步驟d、若航向差檢測序列窗口和速度檢測序列窗口內公共曆元的個數不大於重合度閾值C，則GPS滯後時間的確定方法為若最近時間段內採用了航向差檢測方法，則GPS的滯後時間為r—Τψgps _ delay gps _ delay若最近時間段內採用了速度檢測方法，則GPS的滯後時間為J1_ Jivgps _ delay gps _ delay
5.根據權利要求2所述的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，所述的 ￥_threshold 取值為 25° 35°。
6.根據權利要求3所述的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，所述的 vvar_threshold 取值為 0. 8 1. 2。
7.根據權利要求4所述的一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，其特徵在於，所述的， C取M、N中較小者的75%。
全文摘要
本發明公開了一種GPS滯後時間的自適應檢測方法，該方法基於航位推算系統中慣性測量單元的測量實時性與短時高精度，在一定的檢測條件下，利用GPS測量的航向信息、速度信息與航位推算系統中陀螺儀測量的航向角速度、裡程儀測量的速度信息，構造GPS、DR兩測量系統的航向差、速度檢測序列，能夠有效、自適應地檢測出GPS的滯後時間。
文檔編號G01S19/23GK102495415SQ201110384290
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月28日 優先權日2011年11月28日
發明者張曉鷗, 張海, 萇永娜 申請人:北京航空航天大學