CN113311458A - 一种室内伪卫星指纹匹配与载波相位测距组合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内伪卫星指纹匹配与载波相位测距组合定位方法，使用观测量特征匹配定位法作为载波相位定位方法的补充，利用观测量特征对室内环境进行区域划分，根据观测量特征指纹匹配法完成终端的粗略定位，将观测量特征指纹匹配结果作为初值输入到载波相位定位方法中，来初始化载波相位定位中的整周模糊度初值，并约束载波相位定位的定位结果。该方法解决了伪卫星室内定位结果过渡依赖于载波相位定位的问题，使定位结果更加可靠稳定。

Description

一种室内伪卫星指纹匹配与载波相位测距组合定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内伪卫星指纹匹配与载波相位测距组合定位方法，属于无线电导航定位技术领域。

背景技术

在室内环境中，用户接收机采用单一的定位方式都存在着各种问题。由于室内伪距精度较差，伪距单点定位结果基本不可用；载波相位测距单点定位方式虽然精度比较高，但是因伪距单点定位无法给与初值导致整周模糊度初始化问题，而且接收机很容易受到室内复杂环境影响导致周跳的产生，无法及时的恢复导致载波相位定位结果不连续，定位稳定性较差；伪卫星特征指纹匹配定位方法属于非测距式定位方法，它受环境影响相对较弱，定位结果精度最高可达亚米级定位，可用于一般的定位场景，但无法应用于高精度定位需求。

因此，需要将伪卫星多种定位方法进行组合，使其能够使用室内复杂环境的定位需求。

发明内容

技术问题：为解决室内伪卫星高精度、高稳定性的室内定位问题，提出一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法。该方法将观测量特征指纹匹配定位方法与载波相位定位法进行组合，利用观测量特征指纹匹配定位结果来初始化载波相位定位中的整周模糊度初值，并约束载波相位定位的定位结果，可以为接收机终端提供可靠的高精度定位服务。

技术方案：

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种室内伪卫星指纹匹配与载波相位测距组合定位方法，包括以下步骤：

步骤1：原始观测量信息获取；

步骤2：特征指纹匹配定位；

步骤3：载波相位定位算法初始化；

步骤4：载波相位定位；

步骤5：约束定位结果；

步骤6：输出定位结果。

进一步地，步骤1中所述原始观测量信息获取是用户接收机在接收到伪卫星导航信号后，会提供各伪卫星的原始观测量信息，包含伪距测量值、载波相位测量值、载噪比测量值、积分多普勒测量值。

进一步地，步骤2中所述特征指纹匹配定位是由于室内观测量特征离线指纹库提前已经建立，故接收机处于待测室内环境中时，依据当前得到的观测量信息可以得到特征指纹匹配定位结果。

进一步地，步骤3中所述载波相位定位算法初始化是在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化：

第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时，这种情况接收机只能依靠其他定位方式辅助进行定位，基于观测量特征指纹匹配定位结果对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位目的；

第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围，这时候初值的给定除了基于观测量特征指纹匹配定位结果外，还可以依据周跳前的定位结果；

载波相位模糊度N_i的固定基于其双差平方值

伪卫星载波相位观测方程如式(1)所示：

载波双差平方值如式(2)所示：

将式(1)带入式(2)并线性化，得载波双差平方观测方程的线性表达式(3)：

上面3个式中，s_i为第i颗伪卫星的位置，s_j为第j颗伪卫星的位置，u_k为地面接收机位置，

分别为伪卫星s_i、s_j接收机u_k之间的载波相位观测量，

两个载波相位观测量的双差平方值，N_i为模糊度，λ为波长，f_c为频率，δt_i、

分别为伪卫星和接收机钟差，

为随机噪声，α_ij、β_ij分别为附有模糊度的参数、附有伪卫星钟差的参数，b为系数，

为线性项，

为附有伪卫星、接收机坐标和随机误差的参数项；

通过以上方法，消去伪卫星钟差、接收机钟差，基于初始值固定载波相位的初始模糊度。

进一步地，步骤4中所述载波相位定位是在初始化整周模糊度后，依据当前观测量信息进行持续的跟踪定位。

进一步地，步骤5中所述约束定位结果是利用特征指纹匹配得到的定位结果和积分多普勒观测量性信息对载波相位输出的结果进行约束，判断两种定位结果可靠性，并反馈回载波相位定位算法中判断载波相位是否有周跳现象，若产生周跳需要对载波相位定位算法进行重新初始化。

进一步地，步骤6中所述输出定位结果是按照可靠性判断结果输出定位结果，若载波相位定位算法结果可靠，输出约束后的载波相位定位结果；若载波相位定位结果存在问题，则输出约束后的观测量特征指纹匹配定位结果。

进一步地，所述步骤5中，在对伪卫星室内定位输出结果进行组合和约束的过程中，采用加权卡尔曼滤波算法将前面输入的各定位方法产生的定位结果根据输入的约束条件达到自适应调整权重的目的，具体方法如下：

输入参量为基于载波相位测距定位方法得到的定位结果X₁＝[x₁，y₁]和基于观测量特征指纹匹配得到的定位结果X₂＝[x₂，y₂]；选取观测量为Z＝[x₁，y₁，x₂，y₂]，构造状态方程：

X_k＝f_k(X_k-1)+W_k (4)

式中：X_k、X_k-1分别为k、k-1时刻状态定位结果，f_k为状态转移函数，W_k为根据k状态定位结果调整的滤波权值；

融合定位***状态初始值为：

式中，P、Q、R分别为***状态估计误差的协方差阵、***噪声协方差阵、观测噪声协方差阵，δ_x1 ²、δ_y1 ²、δ_s1 ²、δ_s2 ²分别表示测距定位中x、y的方差，测距定位和指纹定位的方差，σ_x ²、σ_y ²表示指纹定位结果位置坐标的方差；

在给出初始条件后根据加权卡尔曼滤波算法迭代计算获取最后的定位结果。

进一步地，所述可靠性判断的依据是载波相位短时间内是否产生周跳及两种定位结果的距离差值是否超过一定阈值。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明使用观测量特征匹配定位法作为载波相位定位方法的补充，利用观测量特征对室内环境进行区域划分，然后根据观测量特征匹配法完成终端的粗略定位，并作为初值输入到载波相位定位方法中。该方法解决了伪卫星室内定位结果过渡依赖于载波相位定位的问题，使定位结果更加可靠稳定。

附图说明

图1为室内伪卫星组合定位整体设计框架；

图2为室内伪卫星组合定位算法流程。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的实施过程。

如图1所示，本实施例中所述一种室内伪卫星指纹匹配与载波相位测距组合定位方法，包括以下步骤：

步骤1：原始观测量信息获取。用户接收机在接收到伪卫星导航信号后，会提供各伪卫星的原始观测量信息，主要包含伪距测量值ρ、载波相位测量值φ、载噪比测量值C/N₀、多普勒频移测量值f_D；

步骤2：特征指纹匹配定位。由于室内观测量特征离线指纹库Fn提前已经建立，故接收机处于待测室内环境中时，依据当前得到的观测量信息可以得到特征指纹匹配定位结果；

步骤3：载波相位定位算法初始化。依据特征指纹匹配定位算法得出的定位结果虽然精度一般，但是稳定性比较好，可作为初值提供给载波相位定位算法中，为其初始化整周模糊度提供初值参考；

本实施例中，在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化，第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时。这种情况接收机只能依靠其他定位方式辅助进行定位，基于观测量特征指纹匹配定位结果可以对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位目的。第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围。这时候初值的给定除了基于观测量特征指纹匹配定位结果外，还可以依据周跳前的定位结果。由于室内环境复杂多变，接收机发生周跳频繁，更需要逐步更新可靠的定位备选结果辅助作为初值，辅助后续的载波相位高精度定位方法。

对于室内伪卫星载波相位定位结果需要利用伪卫星观测量特征指纹定位结果和多普勒频移获取的速度信息进行约束。其中观测量特征指纹定位结果虽然精度不高，但是稳定性好，可以与实际定位结果进行对比，判断载波相位定位的稳定性；多普勒频移推测出来的速度信息作为定位结果的范围约束；以观测量特征指纹定位结果为核心，以多普勒频移测量推测出速度位移偏量为半径阈值，确定定位结果的约束范围，对载波相位定位结果进行约束。若定位结果在这一范围内，表明载波相位定位结果可信，否则需要重新对载波相位定位算法进行初始化。

步骤4：载波相位测距定位。载波相位测距定位算法在初始化整周模糊度后，依据当前观测量信息进行持续的跟踪定位，载波相位定位算法可提供高精度定位结果输出；

步骤5：约束定位结果。利用特征指纹匹配得到的定位结果和积分多普勒观测量性信息对载波相位输出的结果进行约束，判断两种定位结果可靠性。并反馈回载波相位定位算法中判断载波相位是否有周跳现象，若产生周跳需要对载波相位定位算法进行重新初始化。

本实施例中，室内伪卫星组合定位方法中同时会有载波相位定位和观测量特征指纹定位两种定位结果。需要按照可靠性判断结果输出定位结果，可靠性判断的依据是载波相位短时间内是否产生周跳及两种定位结果的距离差值是否超过一定阈值，本文设定的判定距离阈值为1米。若载波相位定位算法结果可靠，输出约束后的载波相位定位结果；若载波相位定位结果存在问题，则输出约束后的观测量特征指纹匹配定位结果。

步骤6：输出定位结果。按照可靠性判断结果输出定位结果，若载波相位定位算法结果可靠，输出约束后的载波相位定位结果；若载波相位定位结果存在问题，则输出约束后的观测量特征指纹匹配定位结果。

进一步的，步骤3中，载波相位初值确定方法

在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化，第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时。这种情况接收机只能依靠其他定位方式辅助进行定位，基于观测量特征指纹匹配定位结果可以对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位目的。第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围。这时候初值的给定除了基于观测量特征指纹匹配定位结果外，还可以依据周跳前的定位结果。由于室内环境复杂多变，接收机发生周跳频繁，更需要逐步更新可靠的定位备选结果辅助作为初值，辅助后续的载波相位高精度定位方法。

载波相位模糊度N_i的固定基于其双差平方值

伪卫星载波相位观测方程如式(1)所示：

载波双差平方值如式(2)所示：

将式(1)带入式(2)并线性化，可得载波双差平方观测方程的线性表达式(3)：

上面3个式中，s_i为第i颗伪卫星的位置，s_j为第j颗伪卫星的位置，u_k为地面接收机位置，

分别为伪卫星s_i、s_j接收机u_k之间的载波相位观测量，

两个载波相位观测量的双差平方值，N_i为模糊度，λ为波长，f_c为频率，δt_i、

分别为伪卫星和接收机钟差，

为随机噪声。α_ij、β_ij分别为附有模糊度的参数、附有伪卫星钟差的参数，b为系数，

为线性项，

为附有伪卫星、接收机坐标和随机误差的参数项。

通过以上方法，消去伪卫星钟差、接收机钟差，基于初始值固定载波相位的初始模糊度。

进一步的，步骤5中，卡尔曼滤波组合定位算法

在对伪卫星室内定位输出结果进行组合和约束的过程中，采用加权卡尔曼滤波算法可以将前面输入的各定位方法产生的定位结果根据输入的约束条件达到自适应调整权重的目的。其中，输入参量为基于载波相位测距定位方法得到的定位结果和基于观测量特征指纹匹配得到的定位结果；权重控制参量为多普勒速度、周跳探测结果、两种定位结果的绝对差值、区域范围等；输出参量为组合后的定位结果。其中，输入参量为基于载波相位测距定位方法得到的定位结果X₁＝[x₁,y₁]和基于观测量特征指纹匹配得到的定位结果X₂＝[x₂,y₂]；选取观测量为Z＝[x₁,y₁,x₂,y₂]，构造状态方程：

X_k＝f_k(X_k-1)+W_k (4)

式中：W_k为根据k状态定位结果调整的滤波权值。

融合定位***状态初始值为：

式中，δ_x1 ²、δ_y1 ²、δ_s1 ²、δ_s2 ²分别表示测距定位中x、y的方差，测距定位和指纹定位的方差，σ_x ²、σ_y ²表示指纹定位结果位置坐标的方差。

在给出初始条件后根据加权卡尔曼滤波算法迭代计算获取最后的定位结果。

进一步的，步骤6中，定位结果策略

室内伪卫星组合定位方法中同时会有载波相位定位和观测量特征指纹定位两种定位结果。需要按照可靠性判断结果输出定位结果，可靠性判断的依据是载波相位短时间内是否产生周跳及两种定位结果的距离差值是否超过一定阈值。若载波相位定位算法结果可靠，输出约束后的载波相位定位结果；若载波相位定位结果存在问题，则输出约束后的观测量特征指纹匹配定位结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1：原始观测量信息获取；

步骤2：特征指纹匹配定位；

步骤3：载波相位定位算法初始化；

步骤4：载波相位定位；

步骤5：约束定位结果；

步骤6：输出定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，步骤1中所述原始观测量信息获取是用户接收机在接收到伪卫星导航信号后，会提供各伪卫星的原始观测量信息，包含伪距测量值、载波相位测量值、载噪比测量值、积分多普勒测量值。

3.根据权利要求1所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，步骤2中所述特征指纹匹配定位是由于室内观测量特征离线指纹库提前已经建立，故接收机处于待测室内环境中时，依据当前得到的观测量信息可以得到特征指纹匹配定位结果。

4.根据权利要求1所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，步骤3中所述载波相位定位算法初始化是在载波相位定位算法中，有两种情况下需要对载波相位定位算法进行整周模糊度的初始化：

第一种情况是室内定位初始状态，当接收机初始进入室内环境中还未进行定位时，这种情况接收机只能依靠其他定位方式辅助进行定位，基于观测量特征指纹匹配定位结果对其进行初始化，从而使载波相位整周模糊度获得一个初值，然后逐渐收敛达到高精度定位目的；

第二种情况是接收机载波相位产生周跳后，周跳现象会造成载波相位定位的不连续，再次进行整周模糊度估计及载波相位定位结果收敛时需要一个初值进行约束搜索范围，这时候初值的给定除了基于观测量特征指纹匹配定位结果外，还可以依据周跳前的定位结果；

载波相位模糊度N_i的固定基于其双差平方值

伪卫星载波相位观测方程如式(1)所示：

载波双差平方值如式(2)所示：

将式(1)带入式(2)并线性化，得载波双差平方观测方程的线性表达式(3)：

上面3个式中，s_i为第i颗伪卫星的位置，s_j为第j颗伪卫星的位置，u_k为地面接收机位置，

分别为伪卫星s_i、s_j接收机u_k之间的载波相位观测量，

两个载波相位观测量的双差平方值，N_i为模糊度，λ为波长，f_c为频率，δt_i、

分别为伪卫星和接收机钟差，

为随机噪声，α_ij、β_ij分别为附有模糊度的参数、附有伪卫星钟差的参数，b为系数，

为线性项，

为附有伪卫星、接收机坐标和随机误差的参数项；

通过以上方法，消去伪卫星钟差、接收机钟差，基于初始值固定载波相位的初始模糊度。

5.根据权利要求1所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，步骤4中所述载波相位定位是在初始化整周模糊度后，依据当前观测量信息进行持续的跟踪定位。

6.根据权利要求1所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，步骤5中所述约束定位结果是利用特征指纹匹配得到的定位结果和积分多普勒观测量性信息对载波相位输出的结果进行约束，判断两种定位结果可靠性，并反馈回载波相位定位算法中判断载波相位是否有周跳现象，若产生周跳需要对载波相位定位算法进行重新初始化。

7.根据权利要求1所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，步骤6中所述输出定位结果是按照可靠性判断结果输出定位结果，若载波相位定位算法结果可靠，输出约束后的载波相位定位结果；若载波相位定位结果存在问题，则输出约束后的观测量特征指纹匹配定位结果。

8.根据权利要求1或6所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，所述步骤5中，在对伪卫星室内定位输出结果进行组合和约束的过程中，采用加权卡尔曼滤波算法将前面输入的各定位方法产生的定位结果根据输入的约束条件达到自适应调整权重的目的，具体方法如下：

输入参量为基于载波相位测距定位方法得到的定位结果X₁＝[x₁,y₁]和基于观测量特征指纹匹配得到的定位结果X₂＝[x₂,y₂]；选取观测量为Z＝[x₁,y₁,x₂,y₂]，构造状态方程：

X_k＝f_k(X_k-1)+W_k (4)

式中：X_k、X_k-1分别为k、k-1时刻状态定位结果，f_k为状态转移函数，W_k为根据k状态定位结果调整的滤波权值；

融合定位***状态初始值为：

式中，P、Q、R分别为***状态估计误差的协方差阵、***噪声协方差阵、观测噪声协方差阵，δ_x1 ²、δ_y1 ²、δ_s1 ²、δ_s2 ²分别表示测距定位中x、y的方差，测距定位和指纹定位的方差，σ_x ²、σ_y ²表示指纹定位结果位置坐标的方差；

在给出初始条件后根据加权卡尔曼滤波算法迭代计算获取最后的定位结果。

9.根据权利要求6所述的一种基于观测量特征指纹匹配与载波相位测距的组合定位方法，其特征在于，所述可靠性判断的依据是载波相位短时间内是否产生周跳及两种定位结果的距离差值是否超过一定阈值。

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