專利名稱：空間定位系統中提高定位精度的方法
技術領域：
本發明涉及一種空間定位處理方法，尤其涉及一種全球定位系統(GPS，GlobalPositioning System)中提高空間定位精度的方法。
背景技術：
空間定位技術已經在多個領域得到廣泛的應用。GPS是目前最為成熟的定位系統。空間定位技術的典型應用包括導航定位以及空間參數采集定位。
當應用于數據采集定位時，空間定位設備(如GPS接收機)協同參數采樣設備在物理空間移動，由采樣設備對感興趣的參數進行采樣。參數采樣值以及每個采樣點對應的空間坐標和采樣時刻值被記錄下來，形成采樣記錄。在很多情況下，參數采樣頻率高于(甚至遠高于)空間定位設備的空間坐標有效更新頻率。例如，常用的GPS接收機一般每秒更新1次空間坐標信息，而在1秒的時間內，參數采樣設備可能已經在空間移動相當一段距離并完成了多次的參數采樣。這樣就導致在新的坐標信息到來之前所獲得的所有采樣記錄，雖然它們實際上(以一定的方式)分布于采樣移動路徑上，卻都被賦以最后一次獲得的空間坐標，也即記錄下來的這些數據點都聚集到了同一個空間位置上。這種現象稱之為空間聚集效應。空間聚集效應是采樣記錄的空間定位精度存在欠缺的表征。當空間坐標作為采樣記錄的重要屬性的時候，空間聚集效應就會嚴重地限制采樣記錄的空間分辨率，從而影響到采樣記錄的有效性和有用性。
減弱空間聚集效應的常規方法是采用具有更高的坐標更新頻率的空間定位設備。如果能夠保證空間定位設備的采樣速率不低于參數采樣速率，空間聚集效應可以得到有效消除。但是這種硬件升級的方法具有兩大弱點。首先，采用具有更高的坐標更新頻率的空間定位設備需要進行硬件投資，這必將大大地增加經濟成本。此外，如果參數采樣速率很高，則甚至無法從當前市場上獲得具有相應的空間坐標更新頻率的空間定位設備。
發明內容
針對上述現有空間定位設備(尤其是GPS定位設備)所存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種通過有效消除空間聚集效應來提高空間定位精度的低成本的、簡單高效的方法。
本發明是這樣實現的一種空間定位系統中提高空間定位精度的方法，空間定位設備及參數采樣設備置于待定位的運動物體上，參數采樣設備的更新頻率大于所述空間定位設備的空間坐標更新頻率，具體包括以下步驟(1)為載有空間定位設備和采樣設備的運動物體建立空間運動模型，以正確描述該運動物體在定位設備坐標更新周期時間尺度上的運動狀態；(2)參數采樣設備按設定的頻率進行參數采樣，以采樣數據及所述空間定位設備測定的空間坐標組合為“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”元素，并組成“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”集合，該集合關于“采樣時刻”有序；該集合中，以空間坐標為準建立子集，即空間坐標相同的連續的一組元素構成一個子集；提取出每個子集所對應的空間坐標和該子集的起始采樣時刻，得到“空間坐標-采樣時刻”元素并以此元素構成“空間坐標-采樣時刻”集合；(3)根據“空間坐標-采樣時刻”集合中的值對序列，以及所采用的空間運動模型，重新推算出“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”集合中，每一采樣時刻所對應的空間坐標，更新原所記錄的空間坐標。
(4)若為載有空間定位設備和采樣設備的運動物體建立關于運動空間范圍和運動速度(也包括加速度等速度的各階導數)的約束條件，可以在第(3)步偵測出空間定位數據異常或錯誤情況，并對其進行適當處理，以進一步提高空間定位精度。
本發明通過設置空間運動模型來描述待測定位置物體的運動軌跡，并根據采樣記錄的空間坐標和采樣時刻信息，重新計算發生空間聚集效應的所有記錄的空間坐標，從而有效地消除空間聚集效應，從統計上提高了定位精確度。本發明的空間運動模型是描述參數采樣設備空間運動模式的數學模型，其輸入參數是提取自原始采樣記錄的“空間坐標-采樣時刻”值對序列，可對期間任意指定的時刻輸出空間坐標。該模型不必描述采樣運動過程中的整體運動模式，而只描述每兩個更新空間坐標之間的局部運動的典型模式，能較好地模擬實際運動模式，實現精確定位的效果。
本發明不需要增加硬件成本即可實現精確定位的效果，與同精度設備相比，節約了成本。本發明既適用于參數采樣后進行精度修正后處理，也適用于實時處理系統。
圖1是本發明的處理流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
首先對參數采集的相關集合進行說明。采樣設備采集的“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”集合記為C≡{r1，r2，...，rn，...，rN}，其中，rn(n＝1，2，..，N)為集合C的以時間為序的元素，rn包括有空間坐標屬性p、采樣時刻屬性t，以及其它屬性g(如參數本身的采樣值)，rn≡(p，t，g)。
若存在一組在原集合C中順序連續的且具有相同空間坐標屬性的采樣記錄，則可以判斷出有空間聚集效應的存在，將這樣的一組元素組成一個子集。為了統一標記和處理集合C，以空間坐標屬性為標準對整個集合進行劃分，這樣，子集中的記錄數最小值允許為1(無空間聚集效應發生時)。C中的每個子集記為Cm={rm,1,rm,2,...,rm,Nm}]]>={(pm,tm,1,gm,1)(pm,tm,2,gm,2),...,(pm,tm,Nm,gm,Nm)}]]>其中tm，1，tm，2，...，tm，Nm為子集Cm中各采樣元素的時間屬性。并且有Cm≡{C1，C2，...，Cm，...，CM}。由于采樣記錄總數是固定的，因此有N=Σm=1MNm.]]>顯然，M≤N一定成立(等號僅僅在一種特殊情況下才成立，即Cm元素個數均為1，即沒有空間聚集效應發生的情況)。
空間定位平均誤差用δ表示，其是指單個采樣記錄的平均定位誤差，由兩部分組成，即空間定位設備固有的平均定位誤差δ0，以及由于空間聚集效應所致的平均誤差0.5×(v/fupdate)，即有δ＝δ0+0.5×(v/fupdate)。其中，空間定位設備固有的平均定位誤差δ0是一個獨立的常量或變量，與空間坐標更新頻率以及參數采樣頻率無關。v是采樣設備的平均移動速度，或者說單位時間內平均移動距離；fupdate是空間定位設備的坐標更新頻率，或者說是單位時間內空間定位設備對空間坐標的更新次數。
空間聚集效應即指子集Cm中的所有采樣記錄具有相同的坐標屬性pm，這是由于空間定位設備的坐標更新頻率fupdate相對于參數采樣頻率fsample的有限性造成的(當fupdate＜fsample時)。子集Cm的統一坐標屬性顯然不能正確描述由該子集起始時刻到結束時刻之間采樣設備的連續移動軌跡。要降低這種因fupdate的有限性造成的采樣記錄空間定位誤差，可通過引入空間運動模型來降低。由δ＝δ0+0.5×(v/fupdate)可知，如果坐標更新頻率fupdate趨于無窮大，空間定位平均誤差的v/fupdate項就會趨于0。現有方法只能通過采用更先進的空間定位設備，在一定程度提高fupdate。但是這需要增加硬件成本投入，并且也只能夠將fupdate提高到一個有限的值，這顯然在技術上很難達到。
本發明正是通過引入空間運動模型來克服上述不足的。引入空間運動模型后，本發明的空間定位平均誤差δ可表示為δ′＝δ0+δmodel+0.5×(v/fupdate′)其中，δmodel是取決于空間運動模型準確性的平均誤差項。引入空間運動模型后，是能夠計算獲得任一個時刻的空間位置的，因此位置更新頻率fupdate′相當于無窮大，即δ‾′=δ‾0+δ‾model+0.5×(v‾/fupdate′)fupdate′→∞=δ‾0+δ‾0′.]]>本發明的空間運動模型應該在統計上符合于實際情況，據此模型推算出兩次坐標更新之間(如從子集Cm的位置pm到Cm+1的位置pm+1)所有采樣記錄的空間分布，較之于原始記錄的聚集狀態更近于實際，從而可以在統計上改進空間定位的精度。
引入空間運動模型后，空間定位平均誤差δ′已經消除了對于空間定位設備的坐標更新頻率的依賴性，但新引入了取決于采樣運動模型準確性的誤差項δmodel。但只要采樣運動模型與實際狀況足夠接近，誤差項δ0′就能夠足夠小。即只要δmodel＜0.5×(v/fupdate)，即可達到空間定位精度改進的效果。可以證明該不等式成立的條件是δmodel＜α×
。其中α是參數采樣頻率fsample與空間定位設備的有效位置更新速率fupdate之比，即α＝fsample/fupdate(本發明僅考慮α＞1的情況)。每個子集Cm由一組共Nm(Nm≥1)個元素組成，記N為Cm子集中元素個數的平均值。在移動采樣過程中，相鄰子集的位置更新之平均距離記為d。d/N表示相鄰采樣點的平均間距。為達到改善空間定位精度的目的，空間運動模型應該滿足條件式δmodel＜α×
。其物理意義是，在統計平均的意義上，空間運動模型的平均誤差必須小于相鄰采樣平均間距的α倍。
以車載GPS地面定位設備的應用來詳細說明本發明的流程。這種情況下，空間定位設備是GPS接收機。汽車在運動過程中，GPS接收機周期性地(通常以1秒左右為更新周期)更新當前位置坐標，而其它參數采樣設備則以更高的采樣頻率(例如每秒幾十個采樣以上)進行參數采集。所采集的參數，連同最近一次得到的GPS位置坐標，被記錄到相應文件中。GPS位置坐標的每兩次更新之間，參數采樣已經發生多次，因此，所記錄到文件中的記錄數據，發生了明顯的空間聚集效應，可以應用本發明來提高定位精度。
在GPS接收機的空間坐標更新周期(1秒左右)內，大部分情況下可以認為汽車進行勻速直線運動；很少的情況在作變速或曲線運動；其運動速度的變化應當是連續的，并基本符合單調多階速度。
描述此種情況下運動物體在相鄰坐標更新周期內運動狀況的空間運動模型，為“n階速度模型”。該空間運動模型滿足以下條件每兩個相鄰空間坐標更新期間，物體運動的幾何軌跡(在所采用的坐標系中)可表達為線性方程(如直角坐標系中的直線)；每兩個相鄰空間坐標更新期間內的任一時刻，物體移動距離對時間0階至n階導數均存在并且平滑(具有連續性)，其高于n階的導數為0。特別地，對于n取0的情形，該速度模型的物理意義是每兩個相鄰坐標之間物體運動速度v是常量；對于n取1的情形，每兩個空間坐標更新期間加速度a是常量，速度則線性連續變化；依次類推。n階速度模型基本計算公式為d=Σj=0nv(j)j+1(Δt)j,]]>(j＝0，...，n)其中，d為運動距離，v為速度，t為時間，v(j)是速度v的第j(j＝0，...，n)階導數，Δt為運動時間。
如圖1所示，本發明首先按前述方式建立集合C、子集Cm。再提取出每個子集Cm所對應的空間坐標和起始采樣時刻，得到“空間坐標-采樣時刻”值對序列{(pm，tm，1)}。計算所有距離d(pm，pm+1)并構造關于各階速度vm(j)的方程組，有
{d(pm,pm+1)=Σj=0nvm(j)j+1(Δtm)j},]]>(m＝1，2，...，M-1)其中Δtm＝t(m+1，1)-t(m，1)。
當n取0時，方程組簡化為{d(pm，pm+1)＝vm·Δtm}，(m＝1，2，...，M-1)遞推計算各階速度vm(j)并偵測數據異常。可根據采樣移動載體(汽車)的性能指標，得出其最高速度和最大加速度。并以此作為判斷依據。
當n≥1時，由于各階導數在邊界上應連續，有邊界條件方程組{vm(j)|t=tm+1,1=vm+1,1(j)},]]>(j＝1，2，..，n；m＝1，2，...，M-1)根據上述兩方程組，可對所有的m＝1，2，...，M-1以及(j＝0，..，n)遞推解出vm(j)。注意到當階數n≥1時，方程的數量不夠，還需要給出起算子集合(Cm)的速度各階導數(v(j)，j＝1，...，n)的初始值。起算子集合是指可連續應用前述方程組的一組子集合中的第1個子集合。如m＝1對應的子集合是起算子集合。當在計算過程中偵測到數據異常時，將終止遞推，從下一個子集合(即新的起算子集合)重新開始遞推計算。起算子集合的各階導數的初始值，可以采用“低階估算遞推法”估算和遞推得到。該方法首先采用0階速度模型計算得各子集合的平均速度，估算出子集合的加速度初始值，繼而推導出更高階速度導數的初始值。
重新計算子集Cm中各采樣記錄的空間坐標，并偵測數據異常。如，汽車必須在道路上進行行駛，如果計算過程中發現汽車的位置離開了道路，就說明出現了記錄數據錯誤或者異常，對該數據進行相應修正即可。對所有的m＝1，2，..，M-1以及j＝0，...，n遞推解出vm(j)之后，由式{d(pm，pm+1)＝vm·Δtm}計算出每個子集Cm(m＝1，2，...，M)中各個采樣記錄rm，i(i＝2，3，...，Nm)相對于該集合中第1個記錄rm，1的直線前進距離dm，i。由記錄點rm，1的空間坐標pm和記錄點rm，i和rm，1的直線距離dm，i，可以重新推算出rm，i的“正確”空間坐標p(m，i)(i＝2，3，...Nm)。并用計算出的空間坐標分別代替原來在空間上聚集于同一點的位置坐標pm。
若為載有空間定位設備和采樣設備的運動物體建立關于運動空間范圍和運動速度(也包括加速度等速度的各階導數)的約束條件，本發明可以偵測出空間定位數據異常或錯誤情況，并對其進行適當處理，以進一步提高空間定位精度。本例的約束條條可包括1.采樣移動速度(對時間的)第j階導數的最大值vmax(j)。通常只取采樣移動最大速度vmax和最大加速度amax已經足夠。該約束條件可以根據采樣移動載體的性能指標(如汽車載體的最高速度和最大加速度)給定，也可以根據經驗給定。
2.采樣移動的空間范圍S。該范圍可以以枚舉的方式指定，也可以以封閉表達式指定，或是兩者的組合。如，汽車必須在道路上進行行駛，如果計算過程中發現汽車的位置離開了道路，就說明出現了記錄數據錯誤或者異常。可以結合地理信息數據來實現該約束。
例如，當GPS衛星信號很差或者衛星失鎖時，其所給出的位置信息就會有很大誤差，其所在空間位置不滿足空間范圍約束條件，或由其導出的采樣移動速度不滿足速度約束條件的概率就會增大。因此這樣的位置信息不能作為空間運動模型的有效輸入。對于這種情況，可將此記錄數據點標記為無效，也可以結合之前計算出的汽車速度，來估算該期間汽車可能的速度及空間位置，以盡量避免誤用無效數據帶來的精度誤差。
本領域技術人員應當理解，空間運動模型的設置可根據所攜定位設備的實際運動情況而分別設定，只要保證其δmodel小于0.5αd/N即可。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本發明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種空間定位系統中提高空間定位精度的方法，空間定位設備及參數采樣設備置于待定位的運動物體上，參數采樣設備的更新頻率大于所述空間定位設備的空間坐標更新頻率，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)為載有空間定位設備和采樣設備的運動物體建立空間運動模型，以正確描述該運動物體在定位設備坐標更新周期時間尺度上的運動狀態；(2)參數采樣設備按設定的頻率進行參數采樣，以采樣數據及所述空間定位設備測定的空間坐標組合為“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”元素，并組成“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”集合，該集合關于“采樣時刻”有序；該集合中，以空間坐標為準建立子集，即空間坐標相同的連續的一組元素構成一個子集；提取出每個子集所對應的空間坐標和該子集的起始采樣時刻，得到“空間坐標-采樣時刻”元素并以此元素構成“空間坐標-采樣時刻”集合；(3)根據“空間坐標-采樣時刻”集合中的值對序列，以及所采用的空間運動模型，重新推算出“空間坐標-采樣時刻-采樣參數”集合中，每一采樣時刻所對應的空間坐標，更新原所記錄的空間坐標。
2.根據權利要求1所述的空間定位系統中提高空間定位精度的方法，其特征在于，所述空間運動模型是以以下條件為基礎的在統計的意義上，所述空間運動模型平均誤差必須小于相鄰采樣點平均間距0.5×(d/N)的α倍，這里α是參數采樣設備的采樣頻率與空間定位設備的空間坐標更新頻率之比值，N為所述“空間坐標-采樣參數”子集中采樣參數個數的平均值，d為相鄰子集的空間坐標之間的距離。
3.根據權利要求2所述的空間定位系統中提高空間定位精度的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟還可以為載有空間定位設備和采樣設備的運動物體建立關于運動空間范圍或運動速度的約束條件，偵測出空間定位數據異常或錯誤情況并處理，以進一步提高空間定位精度。
4.根據權利要求3所述的全球定位系統中提高空間定位精度的方法，其特征在于，所述的約束條件具體指根據所述運動物體設定空間運動模型的運動速度閾值和加速度閾值，若計算出的運動速度或加速度超出了相應閾值，則重新計算該空間運動模型的運動速度。
5.根據權利要求3所述的全球定位系統中提高空間定位精度的方法，其特征在于，所述的約束條件具體指如果計算出的空間坐標超出了所述運動物體路線范圍，則對該空間坐標進行修正。
全文摘要
本發明公開了一種空間定位系統中提高定位精度的方法，包括以下步驟為載有空間定位設備和采樣設備的運動物體建立符合約束準則的空間運動模型，以模擬該運動物體在定位設備坐標更新周期時間尺度上的運動狀態；以采樣數據及定位設備測定的空間坐標組合為“空間坐標－采樣時刻－采樣參數”元素，并組成關于采樣時刻的有序集合，該集合中，以空間坐標為準建立子集，即空間坐標相同的連續的一組元素構成一個子集；提取出每個子集所對應的空間坐標和該子集的起始采樣時刻，得到“空間坐標－采樣時刻”元素并構成“空間坐標－采樣時刻”集合根據“空間坐標－采樣時刻”集合中的值對序列和空間運動模型重新推算“空間坐標－采樣時刻－采樣參數”集合中每一采樣時刻的空間坐標。本發明提高了定位精度和節約了成本。
文檔編號G01S5/14GK1928585SQ20051009827
公開日2007年3月14日 申請日期2005年9月5日 優先權日2005年9月5日
發明者俞勝兵 申請人:中興通訊股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
