[發(fā)明專利]基于卡爾曼濾波的GPS單點(diǎn)定位系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410741562.1
• 申請日: 2014-12-09
• 公開（公告）號(hào): CN105738931A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李冰
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱米米米業(yè)科技有限公司
• 主分類號(hào): G01S19/42
• 分類號(hào): G01S19/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種衛(wèi)星定位方法，特別涉及的是一種基于卡爾曼濾波的GPS單點(diǎn)定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)

全球定位系統(tǒng)(簡稱GPS)是美國國防部于1973年開始建立的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)初建立的主要目的是為了給海陸空運(yùn)載工具提供導(dǎo)航和定位服務(wù)。經(jīng)過20年的不斷發(fā)展，耗費(fèi)了數(shù)百億美元，于1994年3月10日將24顆衛(wèi)星全部部署完畢。10多年的軍用、民用導(dǎo)航定位實(shí)踐證明，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)能在全球98%以上的范圍內(nèi)同時(shí)向多個(gè)用戶提供全天候、高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。

在日常生活中，大部分的GPS定位應(yīng)用都是采用相對定位。由于相對定位忽略了復(fù)雜的誤差因素,所以定位方程解算起來比較快速，在定位精度要求不是很高的日常生活中，這種定位方式無疑即節(jié)約了時(shí)間，又保證了定位精度。但是采用相對定位方式進(jìn)行定位時(shí)，必須把一臺(tái)放在已知點(diǎn)上的接收機(jī)作為基準(zhǔn)接收機(jī),這無疑增加了定位的成本，而且還使操作變的復(fù)雜。另外由于影響定位精度的誤差(如對流層延遲誤差)等這些誤差會(huì)隨著接收機(jī)和衛(wèi)星的距離的增加而逐漸的變得不相關(guān),所以必須通過延遲接收機(jī)的觀測時(shí)間來使定位的精度達(dá)到預(yù)期的精度。這些缺點(diǎn)大大限制了GPS相對定位的使用范圍。對于這個(gè)問題，1997年美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的zumbeger等人提出了一種有效的解決方案,即非差精密單點(diǎn)定位方法。

傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位需要已知接收機(jī)觀測到的偽距值、利用導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算出的衛(wèi)星坐標(biāo)以及衛(wèi)星時(shí)鐘的改正數(shù),才能進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位的優(yōu)點(diǎn)是采集和處理數(shù)據(jù)比較簡單,用戶只需用一臺(tái)GPS接收機(jī)就能獲得其在WGS--84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。但是由于受到接收機(jī)觀測到的偽距的精度、利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得的衛(wèi)星位置的精度以及衛(wèi)星時(shí)鐘的精度的影響,傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位精度不是很高，所以傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位只能用于一些低精度的領(lǐng)域中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明以得到定位的最佳估計(jì)為目的，主要研究GPS單點(diǎn)定位的方法以及卡爾曼濾波技術(shù)，以有效提高定位的估計(jì)精度。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

首先建立GPS定位的卡爾曼濾波模型和方程式，之后進(jìn)行卡爾曼濾波遞推計(jì)算。在每一個(gè)定位歷元過程中，卡爾曼濾波器首先利用狀態(tài)方程來對接收機(jī)當(dāng)前的位置、速度、GPS接收機(jī)時(shí)鐘差來進(jìn)行預(yù)測；然后，依據(jù)這一狀態(tài)先驗(yàn)估計(jì)值和衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星位置和速度，卡爾曼濾波器就能夠預(yù)測GPS接收機(jī)對各顆衛(wèi)星的偽距和多普勒頻移值，這些測量預(yù)測值和接收機(jī)的實(shí)際測量值之差又形成了測量殘余；最后，卡爾曼濾波器通過對測量殘余進(jìn)行處理就能夠得到系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)值的校正量以及校正以后的最優(yōu)估計(jì)值。

在利用卡爾曼濾波進(jìn)行測速、定位時(shí)需要建立合理、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)模型，不準(zhǔn)確的載體運(yùn)動(dòng)模型將會(huì)導(dǎo)致濾波在計(jì)算過程中產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象。常速模型和常加速模型是卡爾曼濾波常用的兩種運(yùn)動(dòng)模型，其中常速模型是最理想化、最簡單的一種運(yùn)動(dòng)模型。在本發(fā)明中采用常速模型，根據(jù)誤差觀測方程，自主推導(dǎo)出卡爾曼濾波的基本模型如下：

卡爾曼濾波模型可以概括為：

狀態(tài)方程：=+(1)

觀測方程：=HX+(2)

式中：（0，），（0，）為系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲

=(3)

=(4)

狀態(tài)方程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

=(5)

干擾矩陣為

=(6)

T為數(shù)據(jù)采樣間隔；

系數(shù)矩陣為

=(7)

在上式中：

=，=,=；

=。

附圖說明

圖1為GPS定位的卡爾曼濾波算法流程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1，圖1為GPS定位的卡爾曼濾波算法流程。首先建立GPS定位的卡爾曼濾波模型和方程式，之后進(jìn)行卡爾曼濾波遞推計(jì)算。在每一個(gè)定位歷元過程中，卡爾曼濾波器首先利用狀態(tài)方程來對接收機(jī)當(dāng)前的位置、速度、GPS接收機(jī)時(shí)鐘差來進(jìn)行預(yù)測；然后，依據(jù)這一狀態(tài)先驗(yàn)估計(jì)值和衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星位置和速度，卡爾曼濾波器就能夠預(yù)測GPS接收機(jī)對各顆衛(wèi)星的偽距和多普勒頻移值，這些測量預(yù)測值和接收機(jī)的實(shí)際測量值之差又形成了測量殘余；最后，卡爾曼濾波器通過對測量殘余進(jìn)行處理就能夠得到系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)值的校正量以及校正以后的最優(yōu)估計(jì)值。