CN102455427B - 一种修正gps偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种修正GPS偏移的方法，首先根据移动方式过滤掉速度不合理的点，再算出用于计算当前坐标的数颗卫星之间的方位角夹角，判断夹角是否大于设定值，如果大于设定值，说明用于计算当前坐标的卫星都处在天空的局部象限内，这样算出的坐标会有幅度不定的偏移。再将近似连续的多个坐标进行加权计算，因为读取GPS端口数据的频率较快，所以加权平均后，平滑了轨迹，消除移动中偶尔出线的小范围偏移点的同时，也在最大程度上减少了人员在固定位置时定位坐标散乱的半径，最终在不改变设备，不依靠其它硬件技术的前提下，修正GPS的偏移并达到较准确的定位效果。

Description

一种修正GPS偏移的方法

技术领域

本发明涉及一种修正GPS偏移的方法，特别是一种通过加权计算修正GPS偏移的方法。

背景技术

现在信息化***应用中，GPS应用已经非常普遍，比如手持GPS智能终端设备。

在诸如数字城管***、移动警务***、执法***中，无线采集设备（及PDA或者智能手机）都是作为***核心应用而存在，而无线设备的GPS功能都是无线设备的重要组成部分，***需要依靠GPS掌握户外监督巡查员、一线交警、执法队员的位置，以及他们的行动轨迹，而户外人员也需要依靠GPS快速获取自己所处的位置，为专业工作提供技术支持。

但是当前普通手持设备的GPS精度存在很多不稳定因素，例如使用者将手持设备带入室内，将手持设备放在窗户附近，GPS能接收到半边天空的卫星，有时也能定位，但是此时的定位数据偏差很大，同一点不同时刻可能出现相差上百米的偏移；又或者使用者在高楼比较多的街道上行进，由于高楼的遮挡，行进到某一位置时，用于计算的卫星发生了改变，也会出现偏移现象。这些偏移给使用者的轨迹造成了比较大的影响，特别是当使用者在户外处于固定点没有发生移动的情况下，此时会在使用者实际所处位置周围半径若干米范围内出现杂乱无章的轨迹点，影响GPS功能的业务应用，很难让客户满意。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有GPS定位所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种修正GPS偏移的方法。

为实现上述目的，本发明修正GPS偏移的方法可采用如下技术方案：

一种修正GPS偏移的方法，该方法包括以下步骤：

（1）读取GPS端口数据，解析出当中包含的坐标、瞬时速度、已搜到卫星的数目、用于计算的卫星数目及其编号、以及这些卫星的方位角的数据，其中所述坐标包括经度及纬度；

（2）由用户设置当前速度上限值，将超过该速度上限值的瞬时速度过滤掉；

（3）设置方位角夹角上限值，并计算搜索到在任何坐标时卫星中对应的各个相邻两颗卫星之间的方位角夹角，将方位角夹角超过该方位角夹角上限值时的坐标过滤掉；

（4）设置采集坐标点中断的次数标准值，如果采集坐标点中断的次数大于该标准值，则进入步骤（5），如果采集坐标点中断的次数小于该标准值，则进入步骤（6），所述采集坐标点中断系指未能成功获取坐标点；

（5）将步骤（4）中采集的当前坐标作为最终结果输出并结束计算；

（6）对已采集的数个坐标进行加权计算，该加权计算公式为

a₁*X₁+a₂*X₂+a₃*X₃+……+a_n*X_n=X

a₁*Y₁+a₂*Y₂+a₃*Y₃+……+a_n*Y_n=Y

其中，（X，Y）表示修正后的坐标，（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）、（X₃，Y₃）……（X_n，Y_n）分别代表从前向后连续的n个坐标，n为坐标个数，（X_n，Y_n）为当前获取的坐标，a₁、a₂、a₃……a_n分别代表坐标的加权系数，n个加权系数之和等于1，

其中加权系数a_i的计算公式为

$a_i=\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_i}},1\≤i\≤n-1$

$a_i=1-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_1}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_2}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_3}}......-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_{n-1}}},i=n$

其中，n为实际用于加权计算的坐标个数；

v表示解析出的当前GPS的移动瞬时速度值；

t_i表示第i个点到当前点的时间间隔；

m用于控制加权系数a_i随v_ti变化的速率，公式如下：

$m>{\left(\frac{10}{n}\right)}^{\frac{1}{{\mathrm{vt}}_i}}$

m取最接近值，保留一位小数；

（7）输出由步骤（6）计算得到的修正后的坐标（X，Y）。

本发明修正GPS偏移的方法与现有技术相比：首先根据移动方式过滤掉速度不合理的点，再算出用于计算当前坐标的数颗卫星之间的方位角夹角，判断夹角是否大于设定值，如果大于设定值，说明用于计算当前坐标的卫星都处在天空的局部象限内，这样算出的坐标会有幅度不定的偏移。再将近似连续的n个坐标进行加权计算，因为读取GPS端口数据的频率较快，所以加权平均后，平滑了轨迹，消除移动中偶尔出线的小范围偏移点的同时，也在最大程度上减少了人员在固定位置时定位坐标散乱的半径。最终在不改变设备，不依靠其它硬件技术的前提下，修正GPS的偏移并达到较准确的定位效果。

附图说明

图1为本发明修正GPS偏移的方法的流程图。

图2为本发明修正GPS偏移的方法中举例说明卫星方位角示意图，并展现了卫星基本均匀分布的情况。

图3为本发明修正GPS偏移的方法中举例说明卫星方位角示意图，并展现了卫星集中分布在天空某一边的情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一种修正GPS偏移的方法，请结合图1所示，该方法包括以下步骤：

（1）读取GPS端口数据。

解析出当中包含的坐标、瞬时速度、已搜到卫星的数目、用于计算的卫星数目及其编号、以及这些卫星的方位角的数据，其中所述坐标包括经度X及纬度Y。

读取GPS端口数据的速率可以调整，由于对连续采集的坐标点使用了加权计算，并且舍弃速度和卫星夹角不合理或者不准确的坐标，所以采集的越密集，定位精度以及行动轨迹就会越精确，此值还会影响到前n-1个坐标和当前坐标之间的时间间隔。读取速率受限于设备本身硬件配置及能耗考虑。

（2）判断速度是否合理。

判断当前速度是否合理，过滤掉速度不合理的坐标。判断依据为用户设置的移动方式，比如步行、自行车、汽车等，不同的移动方式分别对应不同的速度上限，并由用户设置当前速度上限值，将超过该速度上限值的瞬时速度过滤掉。

（3）判断卫星方位角之间的最大夹角是否符合要求。

设置方位角夹角上限值，并计算搜索到在任何坐标时对应的卫星中各个相邻两颗卫星之间的方位角夹角，将方位角夹角超过该方位角夹角上限值时的坐标过滤掉，该方位角夹角上限值影响GPS坐标的精度和GPS定位成功性，数颗卫星之间的最大夹角的计算方法为：取出各个卫星的方位角后，先从大到小进行排序，再依次相减，最后的最小值加360减去最大值，取出差值中的最大值即为这几颗卫星之间的最大夹角。

请参阅图2及图3所示，分别演示基本分布均匀以及分布不均匀的情况。

如图2所示的卫星方位角示意图，此图为卫星基本均匀分布的情况，两相邻卫星之间的方位角最大夹角为82°。

如图3所示的卫星方位角示意图，此图为卫星集中分布在天空某一边的情况，两相邻卫星之间的方位角最大夹角为208°。

当用于计算当前坐标的数颗卫星基本均匀分布在天空中时，计算出的坐标位置是比较准确的；但是如果都位于天空同一方位时（即这些卫星之间的最大夹角大于方位角夹角上限值），计算出的坐标在很大概率上会出现偏移，过滤掉这种坐标会使定位更为准确。例如当设定方位角夹角上限值为200°时，如图3中的最大夹角208°对应的本次坐标会被过滤。

该方位角夹角上限值的设置，如果过小，那被删除的坐标点会增加，定位成功率则降低，如果设置过大，起不到过滤的效果，根据实际运行中的经验，该方位角夹角上限值一般在180°至200°。

（4）判断距上一次采集到坐标点是否已超过k次。

设置采集坐标点中断的次数标准值，并表示该标准值为参数k，所述采集坐标点中断系指未能成功获取坐标点，包括端口未读取到数据，读取的数据未定位以及读取的定位数据因为不合要求而被废弃等情况。中断数如果小于k，仍视为获得的坐标是连续的，可以使用已获得的坐标进行加权计算，进入步骤（6）；如果中断数大于k，即视为中断，不能使用已获得的坐标进行加权计算，进入步骤（5）。

该步骤中，因为GPS端口读取速率比较快，即使中间出现有未能读取到端口数据，或者读取的数据因为不合要求而被过滤的情况，但只要这种未成功获取坐标的次数不超过k，仍然认为是连续的，可以进行加权计算。以GPS端口读取速率为每秒5次，未成功获取坐标的次数不超过3次为例，连续三个坐标最多需要读取12次，而第一个坐标和第三个坐标之间的间隔次数为8次，间隔时间约为1.6秒，进行加权计算后，可以消除时间造成的数据滞后，所以仍认为是连续的。

所述采集坐标点中断的次数标准值k优选的设置为3。

（5）输出当前坐标作为最终坐标

将步骤（4）中采集的当前坐标作为最终结果输出并结束计算。

（6）对已采集的o个坐标进行加权计算。

o表示已采集的连续坐标的个数。

u表示进行加权计算的坐标个数的上限个数。

n表示实际进行加权计算的坐标的个数。

如果已采集的坐标个数o大于等于u，则取最近的u个进行计算，即n=u，每个加权系数的最大值为

如果已采集的坐标个数o小于u，则使用实际采集的o个坐标进行计算，及n=o，每个加权系数的最大值为

已采集的坐标个数o不能小于2，否则无法进行加权计算。

计算式形如：

a₁*X₁+a₂*X₂+a₃*X₃+……+a_n*X_n=X

a₁*Y₁+a₂*Y₂+a₃*Y₃+……+a_n*Y_n=Y

o≥u时，n=u；1＜o＜u时，n=o。

（X，Y）表示修正后的坐标，（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）、（X₃，Y₃）……（X_n，Y_n）分别代表从前向后连续的n个坐标，（X_n，Y_n）为当前获取的坐标，a₁、a₂、a₃……a_n分别代表坐标的加权系数，n个加权系数之和等于1，加权系数取决于这n-1个坐标和当前坐标（X_n，Y_n）之间的时间间隔（即t₁到t_n-1，以下一般称为t），以及当前的速度值v。

采用多个点进行修正的基本原理在于用之前已经采集到的坐标来修正当前坐标点，如何计算之前已采集的坐标点对当前坐标的影响力，即权重，是其中的主要问题。从理论分析，对某个坐标点而言，它与当前坐标的时间间隔t越小，权重则越大，反之，则权重减小。而当前速度v则决定了之前所有点对于当前点的影响力，速度越快，这些坐标点之间的间距越大，对当前点的修正价值越小，反之，修正价值则越大。

时间间隔t的大小主要取决从GPS端口读取数据的频率，以及允许中断的次数k，读取频率越快，时间间隔越小；允许中断的次数越大，时间间隔越大。受限于手持智能设备的硬件性能以及能耗考虑，读取速率不能无限增大，所以一般设定在每秒5次，即最小时间间隔为0.2s，考虑到一般使用者大多数工作时间都处于低速状态，这样的端口读取频率完全可以满足要求，而允许中断的次数k，设置太大，会加大坐标点之间的时间间隔，降低修正效果，设置太小，中断次数增加，起不到加权修正的效果，所以结合最小间隔为0.2s，根据实际操作经验k可以设置为3。

下面介绍加权系数的求解方法：

设坐标P₁、P₂、P₃……Pn分别为近似连续的第一个点到第n个点，加权系数分别为a₁、a₂、a₃……a_n，它们应该符合这样的关系，当时间间隔t无限趋近于0时，n个系数应当相等，同为

当速度等于0时，n个系数应当相等，同为

前面n-1个加权系数的最大值为

据以上条件进行推导：

1）三系数之和为1，得出

a₁+a₂+a₃……a_n=1

2）前n-1个坐标的加权系数最大值为同时应符合这样的关系，当t=0和v=0的时候，系数要接近

并且随着t和v的加大，系数要以指数速度减小，得出前n-1个坐标的公式为

$a_i=\frac{1}{n}*\frac{1}{m^{{\mathrm{vt}}_i}}=\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_i}},1\≤i\≤n-1$

当vt_i≈0时，

即速度或者时间间隔无限接近于0的时候，a_i约为符合定义。

其中：

v表示当前坐标点的速度。

t_i表示此坐标点与当前坐标点的时间间隔。

参数n表示实际用于加权计算的坐标个数。

参数m用于控制系数随vt_i的变化而变化的速率，它的推导过程如下：

当vt_i＞S的时候，权重值应显著减小，其中S表示能够接受的修正距离，单位米，例如当S设置为3（米）时表示，即表示和当前坐标点间距大于3（米）的坐标的加权系数应当很小，即它的加权系数

应远小于1。

通常小于10%即认为是远小于，即

转换后为

$m>{\left(\frac{10}{n}\right)}^{\frac{1}{{\mathrm{vt}}_i}}$

假设，当用于加权计算的坐标个数n为3，vt_i即可接受的修正距离S设置为3（米），代入公式，得出m＜1.4938，m取最接近的值，得出m约等于1.4。

3）结合步骤1和步骤2得出a_n的表达式如下

$a_n=1-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_1}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_2}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_3}}......-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_{n-1}}}$

当vt_i≈0时的时候，

即速度或者时间间隔无限接近于0的时候，a_n约为

符合定义。

最后总结公式如下：

$a_i=\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_i}},(1\≤i\≤n-1)$

$a_i=1-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_1}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_2}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_3}}......-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_{n-1}}},(i=n)$

n为实际用于加权计算的坐标个数；

v表示解析出的当前GPS的移动瞬时速度值；

t_i表示第i个点到当前点的时间间隔。

m用于控制系数随vt变化的速率，公式如下：

$m>{\left(\frac{10}{n}\right)}^{\frac{1}{{\mathrm{vt}}_i}}$

m取最接近值，保留一位小数。

GPS修正属于一种工程行为，实践中往往需要根据实际情况进行各种参数的调整，以上公式则为调整提供了理论依据，以及调整的方向。

（7）输出（X，Y）为最终坐标。

输出由步骤（6）计算得到的修正偏移后的坐标（X，Y）。

以上所述为本方法的理论解释，下面结合一个示例对本方法进行说明：首先设一段从手持智能终端的GPS端口读出的标准数据段：

$GPGGA,071905.000,3200.2480,N,11934.2584,E,1,07,1.4,29.8,M,6.4,M,,0000*5F

$GPGSA,A,3,09,24,21,26,15,18,05,,,,,,2.5,1.4,2.1*33

$GPGSV,3,1,12,27,71,110,36,09,68,150,39,24,67,232,38,21,58,277,36*71

$GPGSV,3,2,12,15,45,039,22,18,45,319,29,26,38,264,31,05,17,106,17*73

$GPGSV,3,3,12,22,13,303,,29,03,208,,14,03,249,,12,01,159,*7C

$GPRMC,071905.000,A,3200.2480,N,11934.2584,E,1.68,127.01,020310,,,A*70

这一段标准数据段，当中包含的主要信息有：本次定位是否成功，经纬度，速度，高度，用于计算的卫星数及卫星编号，可见的卫星数、卫星编号以及每颗可见卫星的仰角、方位角等。

（1）设定GPS端口读取频率为每秒5次，读出的某次数据如下所示：

解析本段数据，得出经度数值为11934.2584，纬度数值为3200.2480，正在用于计算的卫星数量为7，可见卫星数量为12，速度为1.68节。

（2）假设当前移动方式为步行，速度上限为5米/秒，当前速度1.68节换算后为0.86米/秒，小于速度上限，符合要求，进入步骤（3）。

（3）设置允许的最大夹角为200°，然后计算最大夹角。

从$GPGSA中得出用于计算的卫星编号为09,24,21,26,15,18,05。从$GPGSV中取出正在用于计算的卫星之间的最大夹角，根据所述卫星编号方位角依次为150、232、277、264、39、319、106，从大到小依次为319、277、264、232、150、106、39，依次相减，然后最小值加上360减去最大值，得出方位夹角依次为42、13、32、82、44、80，取出最大值为82，小于设置的200，所以该次经纬度值有效。

（4）设置允许中断的次数k为3，假设采集到本次坐标之前中断了3次，仍在近似连续的范围内，可以进入加权计算。

且在此之前已收到四个坐标，每个都是中断三次后，在第四次取得。及已采集到共5个连续坐标。

（5）对采集的m个连续坐标进行加权计算

此时m=5，设置用于加权计算的坐标个数上限u为3，m＞3，所以，实际用于加权的坐标个数n为3。所以计算式形如：

a₁*X₁+a₂*X₂+a₃*X₃=X

a₁*Y₁+a₂*Y₂+a₃*Y₃=Y

（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）、（X₃，Y₃）分别代表连续的三个坐标P₁、P₂和P₃，a₁、a₂、a₃分别代表三个加权系数，（X₃，Y₃）为当前坐标点。

P₁到P₃读取了8次数据，每次0.2秒，所以时间间隔t₁为1.6；P₂到P₃读取了4次数据，所以时间间隔t₂为0.8。

设置能够接受的修正距离S，即vt_i=3（米），n为3，根据公式

算出m取值约等于1.4。

因为t₁=1.6，t₂=0.8，当前速度v=0.86

代入公式 $a_i=\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_i}},(1\≤i\≤n-1)$

得出 $a_1=\frac{1}{3*{1.4}^{0.86*1.6}}=0.21$

$a_2=\frac{1}{3*{1.4}^{0.86*0.8}}=0.26$

根据公式 $a_i=1-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_1}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_2}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_3}}......-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_{n-1}}}$

$(i=n)$

得出 $a_3=1-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_1}}-\frac{1}{{\mathrm{nm}}^{{\mathrm{vt}}_2}}=1-0.21-0.26=0.53$

将求解出的加权系数a₁、a₂、a₃，以及最近的三个坐标P₁、P₂、P₃代入公式及可求出修正后的当前坐标，计算式如下：

0.21*X₁+0.26*X₂+0.53*X₃=X

0.21*Y₁+0.26*Y₂+0.53*Y₃=Y

（6）输出最终坐标。

Claims (4)

1.一种修正GPS偏移的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： 

（1）读取GPS端口数据，解析出当中包含的坐标、瞬时速度、已搜到卫星的数目、用于计算的卫星数目及其编号、以及这些卫星的方位角的数据，其中所述坐标包括经度及纬度； 

（2）由用户设置当前速度上限值，将超过该速度上限值的瞬时速度过滤掉； 

（3）设置方位角夹角上限值，并计算搜索到在任何坐标时卫星中对应的各个相邻两颗卫星之间的方位角夹角，将方位角夹角超过该方位角夹角上限值时的坐标过滤掉； 

（4）设置采集坐标点中断的次数标准值，如果采集坐标点中断的次数大于该标准值，则进入步骤（5），如果采集坐标点中断的次数小于该标准值，则进入步骤（6），所述采集坐标点中断系指未能成功获取坐标点； 

（5）将步骤（4）中采集的当前坐标作为最终结果输出并结束计算； 

（6）对已采集的数个坐标进行加权计算，该加权计算公式为 

a₁*X₁+a₂*X₂+a₃*X₃+……+a_n*X_n=X 

a₁*Y₁+a₂*Y₂+a₃*Y₃+……+a_n*Y_n=Y 

其中，（X，Y）表示修正后的坐标，（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）、（X₃，Y₃）……（X_n，Y_n）分别代表从前向后连续的n个坐标，n为坐标个数，（X_n，Y_n）为当前获取的坐标，a₁、a₂、a₃……a_n分别代表坐标的加权系数，n个加权系数之和等于1， 

其中加权系数a_i的计算公式为 

其中，n为实际用于加权计算的坐标个数； 

v表示解析出的当前GPS的移动瞬时速度值； 

t_i表示第i个点到当前点的时间间隔； 

m用于控制加权系数a_i随vt_i变化的速率，公式如下： 

m取最接近值，保留一位小数； 

（7）输出由步骤（6）计算得到的修正后的坐标（X，Y）。 

2.根据权利要求1所述的修正GPS偏移的方法，其特征在于：所述方位角夹角上限值为180°至200°。 

3.根据权利要求2所述的修正GPS偏移的方法，其特征在于：所述采集坐标点中断的次数标准值为3。 

4.根据权利要求1或2或3所述的修正GPS偏移的方法，其特征在于：关于步骤（6）中对已采集的数个坐标进行加权计算中，设有进行加权计算的坐标个数的上限个数u，如果已采集的坐标个数o大于等于该坐标个数的上限个数u，则取最近的u个坐标进行计算；如果已采集的坐标个数o小于该坐标个数的上限u，则使用实际采集的o个坐标进行计算；已采集的坐标个数大于等于2； 

则步骤（6）中加权计算公式进一步限定为 

a₁*X₁+a₂*X₂+a₃*X₃+……+a_n*X_n=X 

a₁*Y₁+a₂*Y₂+a₃*Y₃+……+a_n*Y_n=Y 

o≥u时，n=u；1＜o＜u时，n=o。 

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