[发明专利]全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航系统领域，尤其涉及针对全球定位系统定位结果的后平滑处理及信号缺失情况下外推定位的领域。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩展频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩展信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(alamanc)。历书是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

由于各种系统误差的综合作用，接收机获得的原始定位结果存在一定相对误差。这些误差包括卫星时钟误差、星历预测误差、相对论效应、电离层效应、对流层效应、接收机噪声和多径效应。由于这些误差的存在，往往需要进一步对原始数据进行处理，以提高定位精度。一个常用的方法是对原始定位数据流进行平滑，也即低通滤波。常规的方式使用固定长度的数据进行滑动平均，虽然简单易行，但存在一些显而易见的缺点。平均所用的数据长度太短，则平均后结果方差依然很大，精度较低；平滑用的数据长度太长，平滑后结果延迟较大，降低了导航的实时性。对于高速运动的接收机，这个问题尤为明显，限制了很多导航应用。如何高效地实现高精度、低方差、小延迟的平滑是GPS接收机一个重要的研究方向。

GPS接收机经常遇到GPS信号缺失的情况，特别是在GPS接收机运动和遮挡物较多的情况下。一个典型的场合是城市中行驶的车载GPS定位接收机。行驶的车辆经常遭遇各种桥梁、建筑物、隧道等遮挡物的遮挡，使接收机无法接收到足够信噪比的GPS信号，进而出现定位中断的情况。而绝大多数情况下，这种定位中断维持的时间很短，通常在数秒到数分钟级别。由于物体运动的性质，GPS信号缺失前后接收机状态有强烈的相关性，这些相关性包括：信号缺失前后接受机位置是连续的，接收机速度不会突变，以及接收机运动方向不会突变。如何利用这些相关性，对信号缺失期间接收机位置进行外推以实现短暂的持续定位GPS接收一个重要的研究方向。现有方案多是使用卡尔曼滤波解算用户定位方程的附加效果实现这一功能，算法复杂，而且不够灵活，外推的时间短，通常仅有几秒。

发明内容

本发明目的是提供一种全球定位系统定位结果的平滑及信号缺失下的外推方法。包括利用原始定位结果计算可变阶的拟合多项式，在信号正常时利用拟合多项式对定位结果进行平滑；在信号缺失时利用拟合多项式进行外推。

进一步，所述平滑方法包括以下步骤：

获得接收机的原始定位结果；

写入平滑缓存；

计算接收机的速度；

根据接收机速度自适应地确定数据窗的长度；

计算拟合关键点；

利用拟合关键点计算拟合多项式系数；

根据拟合多项式系数计算平滑后的定位结果。

进一步，所述平滑方法中所述数据窗的长度与接收机的速度成正比。

进一步，所述平滑方法中所述计算接收机速度的方法是载波相位法和卡尔曼滤波法。

进一步，所述平滑方法中所述拟合多项式的阶数与接收机的速度成正比。

所述信号缺失下的外推方法包含以下步骤：

检测信号是否缺失，判断是否进入外推流程；

确定是否满足外推时间；

读取拟合多项式系数；

利用拟合多项式外推定位结果。