CN101398478A - 差分gps定位方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种差分GPS定位方法和系统，利用差分GPS有效区域中多台具有A－GPS功能的移动用户终端对M个可视GPS卫星共同测量的结果，联合估计各用户终端位置及差分信息，该方法包括以下步骤：各个用户终端从服务器接收GPS相关信息并且独立对可视卫星信号进行测量；各用户终端将测量结果上报给一服务器；该服务器按照多个差分GPS有效区域划分用户终端；服务器针对划分的不同区域，选择位于同一区域的N个用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及差分信息；以及服务器将用户位置信息通知用户终端。

Description

差分GPS定位方法与系统

技术领域

本发明涉及GPS定位技术，尤其涉及一种差分GPS定位方法与装置。

背景技术

GPS是一种基于卫星的定位系统，它最初由美国军方设计并受美国军方的控制，可以为任何人免费使用。这个系统是由在6个中间环形轨道上运行的24颗卫星组成，一个卫星环绕轨道运转一周的时间接近12个小时。每个卫星不断地发送关于当前时间、所有卫星的位置以及像历书(almanac)和星历(ephemeris)这样的一些相关数据信息。GPS接收器使用这种信息来计算其自身与卫星之间的距离。GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。

GPS定位的首次定位时间(TTFF)很大程度上决定于接收器的接收灵敏度，以及可见卫星的数量、每个卫星信号的强度、卫星在天空中的分布以及接收器对天空的视角。在一种不利的环境中，例如信号较弱的城市高楼间隙或者室内，某些情况下需要几分钟的时间来计算位置。这对于本地服务(LBS)或者紧急呼叫(E911)来说是不可接受的，这些情况需要一种更快的获取时间。为此，人们开发了辅助型GPS(A-GPS)来解决不利环境下的TTFF问题。

在过去的几年，在A-GPS这个关键词之下开发出了不同的概念和解决方案，其中很多是受专利保护的。这些不同的概念可以分成支持型GPS(Aided GPS)和辅助型GPS两类(Assisted GPS)。

支持型GPS通过在移动网络上发送历书、星历、粗略的位置和时间来提高TTFF。这种支持型数据可以在控制层面(control plane)上发送，或者移动网络的用户层面(user plane)上。位置的运算大多数发生在移动设备上。

辅助型GPS使得采用快速TTFF计算位置成为可能。为实现这点，利用像时间同步、更准确的位置、多普勒和频率这样的额外信息用来确定位置。这种额外信息可以通过使用移动网络控制层面的基础设备来获得，像高级前向链路三边测量(AFLT)这样的机制被用来确定移动设备的位置。这里，信号从移动设备发出，几个移动基站接收并进行测量。位置的计算可以在移动设备内发生(基于移动设备的)，或者在移动网络服务器上(基于网络的)。

基于移动设备的辅助型GPS解决方案通过移动网络接收额外的辅助GPS数据，但是在移动设备上进行位置计算。这意味着LBS或者E911服务必须从移动设备得到当前的位置。

采用基于网络的辅助型GPS解决方案，移动设备发送原始的GPS数据到移动网络中的GPS辅助服务器。这个网络服务器可以利用直接来自网络的额外辅助GPS信息来计算位置。在计算之后，位置数据被发送到接收器。LBS或者E911服务可以直接访问网络服务器的位置数据库。

用户层面方案是一种在A-GPS服务器和移动设备之间的通信都基于全IP数据链接的A-GPS系统，它利用现代无线网络的IP功能，通过IP数据网和移动定位中心(SMLC)交互辅助信息，移动终端的UE(UserEquipment)直接通过相应的标准接口实现定位信息从终端到移动定位网关(GMLC)的传递。其相应的标准由开放式移动联盟(OMA)制定，称为安全用户层面定位(SUPL)。这种方式的优点在于可以独立于无线网络部署，无需无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持，无需对无线核心网络进行改造，且与2G网络兼容，易实现，成本低，因而推广迅速。

SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到GMLC的端到端对话，实现无线定位信息传递，并通过Le接口实现与服务提供商的互通。

如图1所示，SUPL定位平台10(SLP)由SUPL定位中心11(SLC)和SUPL位置中心12(SPC)两部分组成，SUPL定位平台10和SUPL终端20(SET)之间的接口为LUP(Location User Plane)，接口采用OMA的ULP(User plane Location Protocol)协议。支持SUPL接口功能的SET具备的功能有：私密功能、安全功能、SET预备功能、辅助信息发送功能和位置计算功能等。

在SUPL中，可分为代理模式和非代理模式。

如图2所示，在代理模式下，SPC 12不再直接与SET 20通信，而是由SLC11作为代理完成SET 20和SPC 12之间的通信；另外，由于终端归属地的不同，又可分为漫游和非漫游两种情况。在这里为了便于讨论，只针对非漫游代理模式的通信过程做出分析。网络端和SET均可发起网络通信。

在图2中，信令流程如下：

(A)由SUPL代理向本地定位平台10(Home SLP，H-SLP)发送一个MLP SLIR请求消息，该消息中包含ms-id、client-id和qop等；

(B)H-SLP 10核实当前目标SET 20没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能；

(C)H-SLP 10使用WAP推送(WAP PUSH)或短消息(SMS)向SET发送一个SUPL INIT消息，该消息应该包括session-id、posmethod、SLP mode等；

(D)SET 20收到SUPL INIT后，建立与H-SLP 10通信的安全数据连接；

(E)SET 20向H-SLP 10发送一个SUPL POS INIT消息来开始一个定位会话，该消息中包含有session-id、lid、SET capabilities等，SET可能会在其中设置被请求的辅助数据；

(F)H-SLP 10根据SUPL POS INIT提供的定位协议选取相应的通信协议(RRLP/RRC/TIA-801)与SET 20进行连续的定位数据交换。

(G)当位置信息计算结束时，H-SLP 10向SET 20发送SUPL END消息通知SET定位会话结束，同时SET 20释放和H-SLP 10之间的安全IP连接和相关会话资源；

(H)H-SLP 10向SUPL代理通过发送MLP SLIA消息返回SET位置信息，同时释放所有相关的会话资源。

在非代理模式下，SPC 12将直接与SET 20进行通信。如图3所示，由SET发起的定位通信过程与代理模式区别不大，从(E)开始的步骤与图2相同，只是在最后发送SUPL END消息并释放相关资源后，整个通信过程结束。不同的是SUPL代理可与SET集成，SET首先建立与H-SLP 10的安全数据连接，而后向H-SLP发送SUPL START消息，H-SLP在核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能后，发送SUPL RESPONSE消息作为对SUPL START消息的回应。

A-GPS的好处是改善TTFF、增加灵敏性以及使可用性最大化，存在这些优点是因为接收器不再必须下载和解码来自GPS卫星的导航数据，接收器可以使用更多的时间和处理能力来跟踪GPS信号。

GPS是一种高精度卫星定位导航系统。在使用初期，它能给出高精度的定位结果。这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢。随着GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源——电离层和对流层效应。特别提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策。使卫星的轨道参数增加了很大的误差，致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。

除此以外，由于美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m。在这种情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性。

在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。

伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。

伪距差分的过程是：将一台GPS接收机安置在位置精确已知的基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

由于目前的伪距差分技术依赖于一个位置精确已知的基准站，因此当有效区域中不存在这样的基准站或者设备无法接收基准站的校正数据时，就无法进行准确的定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种差分GPS定位方法和系统，其可以利用多个具备A-GPS功能的移动终端对多个GPS卫星共同测量的结果，联合估计各用户终端位置及差分信息。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种差分GPS定位方法，包括：

a.各个用户终端从服务器接收GPS相关信息并且独立对M个可视卫星信号进行测量；

b.各用户终端将测量结果上报给一服务器；

c.该服务器按照多个差分GPS有效区域划分用户终端；

d.服务器针对步骤c中划分的不同区域，选择位于同一区域的N个用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及差分信息；

e.服务器将用户位置信息通知用户终端。

在一实施例中，在步骤d中计算各个终端的位置以及差分信息的步骤包括：建立用户终端k与卫星j之间的伪距函数，其是用户终端位置Y_k、一参考卫星差分信息Δτ_i0、各其他卫星j差分信息Δτ_j的函数，其中k＝0，1，...，(N-1)，j＝0，1，...，(M-1)；依据所述伪距函数建立第一代价函数：

$\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{kj}}^2(Y_k,{\mathrm{\Δ\τ}}_{i0},{\mathrm{\Δ\τ}}_j);$

优化该第一代价函数，获得用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及各卫星差分信息。

在另一实施例中，步骤d中计算各个终端的位置以及差分信息的步骤包括：建立用户终端k与参考卫星i₀之间以及用户终端k与卫星j之间的伪距差，其是用户终端位置Y_k、一参考卫星i₀差分信息Δτ_i0、各其他卫星j差分信息Δτ_j的函数，其中k＝0，1，...，(N-1)，j＝0，1，...，(M-1)；依据该伪距差定义第二代价函数：

$\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0,j\≠i0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{ki}0j}^2(Y_k,{\mathrm{\Δ\τ}}_{i0},{\mathrm{\Δ\τ}}_j)$

优化该第二代价函数J，获得用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及各卫星差分信息。

在计算各个终端的位置以及差分信息的步骤中，若从未进行过多接收机联合方法估计，则优化该第一或第二代价函数来估计用户终端位置以及差分信息的步骤包括：比较上报或者记录的用户终端上报的测量结果数量与一比较值，若小于该值，则按照一般GPS方法估计各个用户终端的位置，然后记录各位置Y_k；如果上报或者记录的用户终端上报的测量结果数量大于该比较值，则执行多接收机联合方法来估计各个用户终端位置以及差分信息，其包括以下步骤：

选择各用户终端k的位置估计起始位置Loc_Ok，记第n次估计的位置值为：

${\mathrm{LOC}}_n=\left[\begin{array}{c}{Y}_0\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y_{N-1}\\ {\mathrm{\Δ\τ}}_0\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Δ\τ}}_{M-1}\end{array}\right];$

计算第n-1次估计位置LOC_n-1处的代价函数J的梯度：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{{\∂Y}_0}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂J}{{\∂Y}_{N-1}}\\ \frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\Δ\τ}}_0}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\Δ\τ}}_{M-1}}\end{array}\right];$

计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，n＝1，2...，其中μ是递归运算的步长；

判断第n次估计位置Loc_n与第n-1次估计位置Loc_n-1的欧几里得距离是否小于一规定估计精度，若否则递增n后回到计算该梯度grad(J)的步骤，若是则Loc_n为对于各移动终端的位置估计；以及

记录各用户终端的估计位置以及各卫星的差分信息。

其中选择各用户终端k的位置估计起始位置的步骤中，如果非第一次估计，则以上次估计的位置作为起始位置Loc_Ok；否则，Loc_Ok为一般GPS方法估计的位置。

上述比较值为

其中M>4。

在上述计算各个终端的位置以及差分信息的步骤中，若已经进行过多接收机联合方法估计，则优化该代价函数来估计用户终端位置以及差分信息的步骤包括：

选择待定位用户终端k₀位置估计起始位置Loc_Ok0，记第n次估计的位置值为：

${\mathrm{LOC}}_n^{\′}=\left[\begin{array}{c}{Y}_{k0}\\ {\mathrm{\Δ\τ}}_0\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Δ\τ}}_{M-1}\end{array}\right];$

计算LOC’_n-1处的代价函数J梯度：

$\mathrm{grad}(J\′)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{{\∂Y}_{k0}}\\ \frac{\∂J}{{\∂\mathrm{\Δ\τ}}_0}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂J}{{\∂\mathrm{\Δ\τ}}_{M-1}}\end{array}\right]{|}_{Y_k,k\≠k0};$

计算 ${\mathrm{Loc}}_n^{\′}={\mathrm{Loc}}_{n-1}^{\′}-\mathrm{\μ}\mathrm{grad}(J\′),$ n＝1，2...，其中μ是递归运算的步长；判断Loc’_n与Loc’_n-1的欧几里得距离是否小于规定估计精度，若否则递增n后返回计算该梯度grad(J)的步骤再次计算，若是则最终的Loc_n即为对于用户终端的位置估计；以及

记录用户终端k₀位置和各卫星差分信息。

其中，选择待定位用户终端k₀的位置估计起始位置的步骤中，如果非第一次估计，则以上次估计的位置作为起始位置Loc_Ok0；否则，Loc_Ok0为一般GPS方法估计的位置。

在优化第一或第二代价函数以估计各个终端的位置以及差分信息的步骤中，还包括记录用户终端上报测量结果以及对应的上报时间；以及检测记录的测量结果，如果其存贮时间大于GPS差分信息有效期，则删除对应记录。

上述的差分GPS定位方法，还包括步骤f，服务器下发对应区域差分信息给不具备上报能力的用户终端。

本发明还提供一种差分GPS定位系统，利用差分GPS有效区域中N台具有A-GPS功能的移动用户终端对M个可视GPS卫星共同测量的结果，联合估计各用户终端位置及差分信息，该系统包括至少N个位于同一差分GPS有效区域的用户终端、位置服务器以及连接各用户终端与位置服务器的通信网络，其中各用户终端从位置服务器接收GPS相关信息并且独立对所述各可视卫星信号进行测量，以及发送该测量结果；位置服务器接收该测量结果，根据对一由用户终端位置Y_k、一参考卫星差分信息Δτ_i0、各其他卫星j差分信息Δτ_j所界定的第一代价函数 $\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{kj}}^2(Y_k,{\mathrm{\Δ\τ}}_{i0},{\mathrm{\Δ\τ}}_j)$ 或者第二代价函数 $\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0,j\≠i0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{ki}0j}^2(Y_k,{\mathrm{\Δ\τ}}_{i0},{\mathrm{\Δ\τ}}_j)$ 的优化，进行用户终端的位置估计和差分信息的估计，其中k＝0，1，...，(N-1)，j＝0，1，...，(M-1)；以及传送该估计位置与差分信息给用户终端。

上述的差分GPS定位系统中，该位置服务器包括一计算模块，用以执行对该第一代价函数和该第二代价函数的优化以估计用户终端的位置和差分信息，其包括：初始位置选择单元，确定位置估计的初始值，并向位置估计存储单元输出该初始值；位置估计存储单元，存储上次计算的位置估计值或者初始设置的位置估计值，并向梯度计算单元、更新单元输出上次的位置估计值；梯度计算单元，计算相应的代价函数的梯度值，向更新单元输出计算结果；更新单元，执行用户终端位置估计的更新，向判决单元和位置估计存储单元输出用户终端的当前时刻的位置估计值以及差分信息；判决单元，判断是否继续进行位置更新操作以及是否存储计算的位置估计值，输出存储控制给更新单元；以及测量结果存储单元，存储有效的上报GPS信号测量结果，并且删除失效的存储数据，以及输出测量结果给梯度计算单元。

上述的差分GPS定位系统中，若位置估计存储单元中存储有对应移动终端上次的位置估计值，则初始位置选择单元以上次的位置估计值作为本次位置估计的初始值，若系统中没有上次的位置估计值，则初始位置选择单元以一般GPS方法估计的位置作为本次位置估计的初始值。

本发明由于利用差分GPS有效区域中的多台具有A-GPS功能的移动终端共同测量的结果，联合差分参数，使之与现有技术相比，在没有位置精确已知的基准站的情况下，实现了差分GPS技术，提高了各个移动终端的定位精度。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是用户层面方式的A-GPS系统结构示意图。

图2是用户层面方式的代理模式的信令流程图。

图3是用户层面方式的非代理模式的信令流程图。

图4是本发明差分GPS定位系统结构示意图。

图5是本发明差分GPS定位方法一个实施例的流程图。

图6是本发明差分GPS定位方法中计算用户位置和差分信息的一个实施例的流程图。

图7是本发明差分GPS定位方法中计算用户位置和差分信息的另一个实施例的流程图。

图8是本发明中对代价函数进行优化的方法一个实施例的流程图。

图9是本发明的差分GPS定位系统中的计算单元结构框图。

具体实施方式

如图4所示，本发明差分GPS定位系统100包括多个用户终端21、一通信网络22以及一位置服务器23。各用户终端21具备A-GPS功能，可按照A-GPS流程接收GPS卫星信号并进行测量。在差分GPS有效区域中，所有用户终端0～N1的可视卫星200是一致的，设其为M个，分别记为0，1，...，(M-1)。各卫星200发射GPS信号提供给各用户终端测量。

设M个卫星中任一卫星i的位置已知为X_i＝(x_i，y_i，z_i)，其中j∈{0，1...(M-1)}。并设待定位用户终端k的位置为Y_k＝(x_k，y_k，z_k)未知。则用户终端k测量卫星i信号的传输时延为T_ki，其中对于固定卫星i的扰动τ_i在差分GPS有效区域中为未知的固定值(与用户终端无关)。设卫星i₀为参考卫星，卫星j为除参考卫星之外的其他卫星，其中i₀，j∈{0，1...(M-1)}。设光速为c。

请结合图4参考图5所示，本发明的差分GPS定位方法包括以下步骤：

首先，执行步骤201，各个用户终端21按照传统的A-GPS流程接收GPS相关信息并且独立对各可视卫星200的信号进行测量，其中测量结果包含用户终端k测量到的参考卫星i₀到达终端时间(以下称为到达时间)T_ki0，用户终端k测量到的除参考卫星i₀外的其他卫星j到达时间T_kj，则参考卫星i₀和卫星j信号到达时间差为Δt_ki0j＝T_ki0-T_kj。

一个传统的A-GPS流程例如为图1～图3所示的用户层面方案，在此不再详细描述。

随后，在步骤202，各个用户终端21按照传统A-GPS流程将测量结果通过通信网络22上报给位置服务器23。

执行步骤203，网络中的位置服务器23按照多个差分GPS有效区域划分用户终端，例如用户终端0～(N-1)被划分在同一区域。其中，差分GPS有效区域一般以城市为单位划分。

执行步骤204，位置服务器23针对步骤203中划分的不同区域，分别利用步骤203中选择的多个(例如N个)位于同一区域的用户终端21的联合信息计算各个终端21的位置Y以及各卫星差分信息Δτ_i，i＝0，1，...，(M-1)。其中所选择的用户终端21例如为0～(N-1)。

在一个实施例中，请参照图6，步骤204中计算各个终端21的位置Y以及各卫星差分信息Δτ_i的方法如下：

首先，计算卫星j信号到达用户终端k的理想无扰动时间(步骤301)。

已知理想无扰动时间为实际到达时间与扰动之间的差。设参考卫星i₀的信号到达用户终端k的理想无扰动时间为T_k。则卫星j信号到达用户终端k的理想无扰动时间为：

T_kj＝T_k+Δτ_i0-Δτ_j-Δt_kioj   ............(1)

其中Δτ_i0为为卫星0的伪距扰动(即差分信息)，Δτ_j为卫星j的伪距扰动(也是差分信息)，Δt_kioj为参考卫星i₀与卫星j的到达时间差。

其次，建立用户终端k与卫星j之间的伪距(步骤302)，它是未知参数：用户终端位置、参考卫星i₀扰动、卫星j扰动的函数，其符合以下关系：

f_kj(Y_k，Δτ_i0，Δτ_j)＝‖Y_k-X_j‖-cT_kj  ............(2)

其中‖Y_k-X_j‖为向量Y_k与X_j间的欧几里德距离。

再者，依据伪距函数(2)建立第一代价函数(步骤303)：

$\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{kj}}^2(Y_k,{\mathrm{\Δ\τ}}_{i0},{\mathrm{\Δ\τ}}_j),............\left(3\right)$

最后，在步骤304，优化第一代价函数J，获得用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及各卫星差分信息Δτ_i，包括Δτ_i0与Δτ_j。

在另一个实施例中，请参照图7，步骤204中计算各个终端21的位置Y以及各卫星差分信息Δτ_i的方法如下：

首先，计算参考卫星i₀与卫星j信号到达用户终端k的理想无扰动时间差(步骤401)。

设参考卫星i₀的信号到达用户终端k的理想无扰动时间为T_k。则卫星i₀与卫星j信号到达用户终端k的理想无扰动时间差为：

T_k-T_kj＝ΔT_kioj＝Δt_kioj-Δτ_i0+Δτ_j    ............(4)

其中ΔT_i0为参考卫星i₀的扰动(即差分信息)，Δτ_j为卫星j的扰动，Δt_kioj为参考卫星i₀与卫星j的到达时间差。

其次，建立用户终端k与参考卫星i₀之间以及用户终端k与卫星j之间的伪距差(步骤402)，它是未知参数：用户终端位置、参考卫星i₀扰动、卫星j扰动的函数，其符合以下关系：

g_ki0j(Y_k，Δτ_i0，Δτ_j)＝‖Y_k-X_io‖-‖Y_k-X_j‖-cΔT_ki0j  ............(5)

再者，依据上述伪距差函数(5)定义第二代价函数(步骤403)：

$\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0,j\≠i0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{ki}0j}^2(Y_k,{\mathrm{\Δ\τ}}_{i0},{\mathrm{\Δ\τ}}_j)............\left(6\right)$

最后，在步骤404，优化第二代价函数J，获得用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及各卫星差分信息Δτ_i，包括Δτ_i0，Δτ_j。

下面提供一种优化上述第一、第二代价函数的实施例，请参阅图8，其具体流程为：

步骤500，判断是否进行过多接收机联合方法估计。若从未进行过多接收机联合方法估计，则进入步骤502，否则进入步骤520。

在步骤502，比较上报或者记录的用户终端上报的测量结果数量与一比较值(例如为

)，若小于该值则进入步骤504，按照一般GPS方法估计各个用户终端的位置，然后进入步骤516，记录Y_k。

如果上报或者记录的用户终端上报的测量结果数量大于

则进入步骤510，执行多接收机联合方法来估计各个用户终端位置以及差分参数。该多接收机联合方法包括以下步骤：

首先在步骤511，选择各用户终端k的位置估计起始位置Loc_Ok。其中，如果非第一次估计，则以上次估计的位置作为起始位置Loc_Ok；否则，Loc_Ok为一般GPS方法估计的位置。记第n次(n＝1，2...)估计的位置值为：

${\mathrm{LOC}}_n=\left[\begin{array}{c}{Y}_0\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y_{N-1}\\ {\mathrm{\Δ\τ}}_0\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Δ\τ}}_{M-1}\end{array}\right]$

执行步骤512，计算LOC_n-1处的代价函数J(参照前述公式(3)或(6))的梯度为：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂J}{{\∂Y}_0}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂J}{{\∂Y}_{N-1}}\\ \frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\Δ\τ}}_0}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\Δ\τ}}_{M-1}}\end{array}\right]$

随后，在步骤513，计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，n＝1，2...，其中μ是递归运算的步长，取决于性能仿真。

之后，在步骤514，如果‖Loc_n-Loc_n-1‖<规定估计精度(根据应用要求给出)，最终的Loc_n即为对于各移动终端的位置估计；否则返回步骤512，使n增加1后再次进行计算，如此循环，直到满足上述停止条件。在一个实施例中，上述步骤512～514例如是从n＝1开始，进行递归计算。

步骤515，记录各卫星扰动Δτ_i，i＝0，1...(M-1)，其中包括Δτ_i0，Δτ_j。

在步骤516，记录Y_k，k＝0，1...(N-1)，然后进入步骤506。

另一方面，如果系统已经进行过多接收机联合方法估计，则执行步骤520，按照如下多接收机联合递推方法估计用户终端位置以及差分参数：

在步骤521，选择待定位用户终端k₀位置估计起始位置Loc_Ok0。其中，如果非第一次估计，则以上次估计的位置作为起始位置Loc_Ok；否则，Loc_Ok为一般GPS方法估计的位置。记第n次(n＝1，2...)估计的位置值为：

${\mathrm{LOC}}_n^{\&prime;}=\left[\begin{array}{c}{Y}_{k0}\\ {\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_0\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ {\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{M-1}\end{array}\right],$

其中由于已经进行过多接收机联合方法估计，选择同一GPS差分有效区域内的已知的其他用户终端位置Y_k(k≠k0)。

之后，执行步骤522，计算LOC’_n-1处的J’梯度：

$\mathrm{grad}(J\&prime;)=\left[\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;Y}_{k0}}\\ \frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_0}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{M-1}}\end{array}\right]{|}_{Y_k,k\&NotEqual;k0}$

之后，在步骤523，计算 ${\mathrm{Loc}}_n^{\&prime;}={\mathrm{Loc}}_{n-1}^{\&prime;}-\mathrm{\&mu;}\mathrm{grad}(J\&prime;),$ n＝1，2...，其中μ是递归运算的步长，取决于性能仿真。

步骤524，如果‖Loc_n’-Loc_n-1’‖<规定估计精度，最终的Loc_n即为对于用户终端的位置估计；否则使n增加1后返回步骤522再次计算，直到满足上述停止条件。其中估计精度根据应用要求给出。在一个实施例中，上述步骤512～514例如是从n＝1开始，进行递归计算，因此使最后获得的位置估计Loc_n满足精度要求。

步骤525，记录Δτ_i，i＝0，1...(M-1)，其中包括Δτ_i0，Δτ_j。

步骤526，记录用户终端k₀位置Y_k0，然后进入步骤506。

在步骤506，记录用户终端上报测量结果以及对应的上报时间，接着执行步骤508，检测记录的测量结果，如果其存贮时间大于GPS差分参数有效期(由GPS系统性质决定，一般为10分钟)，则删除对应记录。应当指出，步骤506及508并不限于在此处执行，还可以在步骤510、520之前执行。

在获得了各个终端21的位置Y以及各卫星的差分信息Δτ_i之后，执行步骤205，位置服务器23按照传统A-GPS流程通知各用户终端或者其他服务器用户位置信息。

作为本发明的一个可选实施例，在步骤205之后，还包括执行步骤206，位置服务器23按照传统A-GPS流程下发对应区域差分信息给用户终端，例如其他不具有上报能力的用户终端N-N1。

此外，本发明提供一可以实现上述差分GPS定位方法的系统，请参阅图4和图9所示，本发明的差分GPS定位系统系统包括：具有测量上报功能的用户终端21，包括0-(N-1)共计N个；无线通信网络22；以及位置服务器23。

假设用户终端0-(N-1)是位于同一差分GPS有效区域，则其具有共同的可视卫星0-(M-1)，这些卫星200发射GPS信号以提供各个用户终端测量。

用户终端0-(N-1)接收完成测量GPS卫星信号并且通过通信网络22上报位置服务器23。同时，用户终端0-(N-1)也可以接收位置服务器23的各种辅助数据以及独立进行定位。用户终端例如是具有A-GPS接收机的移动电话。

通信网络22连接用户终端21与位置服务器23，完成用户终端21和位置服务器23之间的数据传递功能。通信网络22例如是移动通信网络。

位置服务器23经由通信网络22与各用户终端21进行数据传递，完成用户终端0-(N-1)的位置估计和差分参数的估计功能，并且进行用户终端21所需数据的传送，例如位置估计和差分参数。

此外，本系统还可包括不具有测量上报功能的用户终端N-N1，它们可以接收位置服务器23的各种辅助数据(包括差分信息)，独立进行定位。

上述这些部件被配置成可执行上述的步骤201～206。下面描述各部件的工作过程。

各个用户终端0-(N-1)按照传统的A-GPS流程(如用户层面方式)接收GPS相关信息并且独立对各可视卫星0-(M-1)的信号进行测量，其中设用户终端k测量到的参考卫星i₀到达时间为T_ki0，设用户终端k测量到的除参考卫星i₀外的其他卫星j到达时间为T_kj，且设参考卫星i₀和卫星j信号到达时间差为Δt_ki0j＝T_ki0-T_kj。

之后，各个用户终端21按照传统A-GPS流程将测量结果通过通信网络22上报给位置服务器23。

通信网络22中的位置服务器23按照多个差分GPS有效区域划分用户终端，其中用户终端0～(N-1)被划分在同一区域。位置服务器23针对步骤203中划分的不同区域，分别利用N个位于同一区域的用户终端0～(N-1)的联合信息计算各个终端0～(N-1)的位置Y以及各卫星的差分信息Δτ_i，i＝0，1...(M-1)。

在获得了各个终端的位置Y以及差分信息Δτ_i之后，位置服务器23按照传统A-GPS流程将用户位置信息通知给各用户终端0～(N-1)或者其他服务器。此外，位置服务器23还可按照传统A-GPS流程下发区域差分信息给其他不具有上报能力的用户终端N-N1。

位置服务器23计算各个终端21的位置Y以及各卫星差分信息Δτ_i的方法可以采用图6、图7所示方式。其中，位置服务器23包含一计算模块60，用以执行对计算式(3)、(6)所表示的第一、第二代价函数的优化。

如图6所示，计算模块60包括初始位置选择单元601、位置估计存储单元602、梯度计算单元603、更新单元604、判决单元605以及测量结果存储单元606。上述各部件被配置以执行图5所示计算流程。

其中，在步骤511，初始位置选择单元601确定位置估计的初始值，并向更新单元604输出该初始值。其中若位置估计存储单元602中存储有对应移动终端上次的位置估计值，则初始位置选择单元601以上次的位置估计值作为本次位置估计的初始值LOC_Ok，若系统中没有上次的位置估计值，则初始位置选择单元601以一般GPS方法(如步骤504)估计的位置作为本次位置估计的初始值LOC_Ok。

位置估计存储单元602存储上次计算的位置估计值Loc_n-1(步骤515、516或步骤525、526的计算结果)，或者初始设置的位置估计值LOC_Ok，并向梯度计算单元603、更新单元604输出上次的位置估计值。

梯度计算单元603按照步骤512或522计算相应的代价函数J的梯度值grad(J)，向更新单元604输出计算结果。

更新单元604按照步骤513或523完成用户终端位置估计的更新，向判决单元605和位置估计存储单元602输出用户终端当前时刻的位置估计值Y_k(或Y_k0)以及差分信息Δτ_i。

判决单元605按照步骤514或者524判断是否继续进行位置更新操作以及是否存储计算的位置估计值，输出存储控制给更新单元604。

测量结果存储单元606存储有效的上报GPS信号测量结果(步骤506)，如参考卫星i₀与卫星j的到达时间差Δt_kioj，并且删除失效的存储数据(步骤508)，输出测量结果给梯度计算单元603。

本发明由于利用差分GPS有效区域中的多台具有A-GPS功能的移动终端共同测量的结果，联合差分参数，使之与现有技术相比，在没有位置精确已知的基准站的情况下，实现了差分GPS技术，提高了各个移动终端的定位精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1、差分GPS定位方法，利用差分GPS有效区域中多台具有A-GPS功能的移动用户终端对M个可视GPS卫星共同测量的结果，联合估计各用户终端位置及差分信息，其特征在于，所述方法包括：

a.各个用户终端从服务器接收GPS相关信息并且独立对可视卫星信号进行测量；

b.各用户终端将测量结果上报给一服务器；

c.该服务器按照多个差分GPS有效区域划分用户终端；

d.服务器针对步骤c中划分的不同区域，选择位于同一区域的N个用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及差分信息；

e.服务器将用户位置信息通知用户终端。

2、如权利要求1所述的差分GPS定位方法，其特征在于，步骤d中，计算各个终端的位置以及差分信息的步骤包括：

建立用户终端k与卫星j之间的伪距函数，其是用户终端位置Y_k、一参考卫星差分信息Δ τ_i0、各其他卫星j差分信息Δ τ_j的函数，其中k＝0，1，...，(N-1)，j＝0，1，...，(M-1)；

依据所述伪距函数建立第一代价函数：

$\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_{\mathrm{kj}}^2(Y_k,{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{i0},{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_j);$

优化该第一代价函数，获得用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及各卫星差分信息。

3、如权利要求1所述的差分GPS定位方法，其特征在于，步骤d中，计算各个终端的位置以及差分信息的步骤包括：

建立用户终端k与参考卫星i₀之间以及用户终端k与卫星j之间的伪距差，其是用户终端位置Y_k、一参考卫星i₀差分信息Δ τ_i0、各其他卫星j差分信息Δ τ_j的函数，其中k＝0，1，...，(N-1)，j＝0，1，...，(M-1)；

依据该伪距差定义第二代价函数：

$\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0,j\&NotEqual;i0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_{k_i{0}_j}^2(Y_k,{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{i0},{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_j)$

优化该第二代价函数J，获得用户终端的联合信息计算各个终端的位置以及各卫星差分信息。

4、如权利要求2或3所述的差分GPS定位方法，其特征在于，若从未进行过多接收机联合方法估计，则优化该代价函数来估计用户终端位置以及差分信息的步骤包括：

比较上报或者记录的用户终端上报的测量结果数量与一比较值，若小于该值，则按照一般GPS方法估计各个用户终端的位置，然后记录各位置Y_k；

如果上报或者记录的用户终端上报的测量结果数量大于该比较值，则执行多接收机联合方法来估计各个用户终端位置以及差分信息，其包括以下步骤：

选择各用户终端k的位置估计起始位置Loc_0k，记第n次估计的位置值为：

${\mathrm{LOC}}_n=\left[\begin{array}{c}{Y}_0\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ Y_{N-1}\\ {\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_0\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ {\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{M-1}\end{array}\right];$

计算第n-1次估计位置LOC_n-1处的代价函数J的梯度：

$\mathrm{grad}\left(J\right)=\left[\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;Y}_0}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;Y}_{N-1}}\\ \frac{\&PartialD;J}{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_0}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{M-1}}\end{array}\right];$

计算Loc_n＝Loc_n-1-μgrad(J)，n＝1，2...，其中μ是递归运算的步长；

判断第n次估计位置Loc_n与第n-1次估计位置Loc_n-1的欧几里得距离是否小于一规定估计精度，若否则递增n后回到计算该梯度grad(J)的步骤，若是则Loc_n为对于各移动终端的位置估计；

记录各用户终端的估计位置以及各卫星的差分信息。

5、如权利要求4所述的差分GPS定位方法，其特征在于，选择各用户终端k的位置估计起始位置的步骤中，如果非第一次估计，则以上次估计的位置作为起始位置Loc_0k；否则，Loc_0k为一般GPS方法估计的位置。

6、如权利要求4所述的差分GPS定位方法，其特征在于，该比较值为其中M>4。

7、如权利要求2或3所述的差分GPS定位方法，其特征在于，若已经进行过多接收机联合方法估计，则优化该代价函数来估计用户终端位置以及差分信息的步骤包括：

选择待定位用户终端k₀位置估计起始位置Loc_0k0，记第n次估计的位置值为：

${\mathrm{LOC}}_n^{\&prime;}=\left[\begin{array}{c}{Y}_{k0}\\ {\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_0\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ {\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{M-1}\end{array}\right];$

计算LOC’_n-1处的代价函数J梯度：

$\mathrm{grad}(J\&prime;)=\left[\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;Y}_{k0}}\\ \frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_0}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \frac{\&PartialD;J}{{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{M-1}}\end{array}\right]{|}_{Y_k,k\&NotEqual;k0};$

计算 ${\mathrm{Loc}}_n^{\&prime;}={\mathrm{Loc}}_{n-1}^{\&prime;}-\mathrm{\&mu;}\mathrm{grad}(J\&prime;),$ n＝1，2...，其中μ是递归运算的步长；

判断Loc’_n与Loc’_n-1的欧几里得距离是否小于规定估计精度，若否则递增n后返回计算该梯度grad(J)的步骤再次计算，若是则最终的Loc_n即为对于用户终端的位置估计；

记录用户终端k₀位置和各卫星差分信息。

8、如权利要求7所述的差分GPS定位方法，其特征在于，选择待定位用户终端k₀的位置估计起始位置的步骤中，如果非第一次估计，则以上次估计的位置作为起始位置Loc_0k0；否则，Loc_0k0为一般GPS方法估计的位置。

9、如权利要求4或7所述的差分GPS定位方法，其特征在于，还包括：

记录用户终端上报测量结果以及对应的上报时间；以及

检测记录的测量结果，如果其存贮时间大于GPS差分信息有效期，则删除对应记录。

10、如权利要求1所述的差分GPS定位方法，其特征在于，还包括步骤f，服务器下发对应区域差分信息给不具备上报能力的用户终端。

11、一种差分GPS定位系统，利用差分GPS有效区域中N台具有A-GPS功能的移动用户终端对M个可视GPS卫星共同测量的结果，联合估计各用户终端位置及差分信息，其特征在于，该系统包括至少N个位于同一差分GPS有效区域的用户终端、位置服务器以及连接各用户终端与位置服务器的通信网络，其中：

各用户终端从位置服务器接收GPS相关信息并且独立对所述各可视卫星信号进行测量，以及发送该测量结果；

位置服务器接收该测量结果，根据对一由用户终端位置Y_k、一参考卫星差分信息Δτ_i0、各其他卫星j差分信息Δτ_j所界定的第一代价函数 $\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_{\mathrm{kj}}^2(Y_k,{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{i0},{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_j)$ 或者第二代价函数 $\min J=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0,j\&NotEqual;i0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_{k_i{0}_j}^2(Y_k,{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_{i0},{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}_j)$ 的优化，进行用户终端的位置估计和差分信息的估计，其中k＝0，1，...，(N-1)，j＝0，1，...，(M-1)；以及传送该估计位置与差分信息给用户终端。

12、如权利要求11所述的差分GPS定位系统，其特征在于，该位置服务器包括一计算模块，用以执行对该第一代价函数和该第二代价函数的优化以估计用户终端的位置和差分信息，该计算模块包括：

初始位置选择单元，确定位置估计的初始值，并向位置估计存储单元输出该初始值；

位置估计存储单元，存储上次计算的位置估计值或者初始设置的位置估计值，并向梯度计算单元、更新单元输出上次的位置估计值；

梯度计算单元，计算相应的代价函数的梯度值，向更新单元输出计算结果；

更新单元，执行用户终端位置估计的更新，向判决单元和位置估计存储单元输出用户终端的当前时刻的位置估计值以及差分信息；

判决单元，判断是否继续进行位置更新操作以及是否存储计算的位置估计值，输出存储控制给更新单元；

测量结果存储单元，存储有效的上报GPS信号测量结果，并且删除失效的存储数据，以及输出测量结果给梯度计算单元。

13、如权利要求12所述的差分GPS定位系统，其特征在于，若位置估计存储单元中存储有对应移动终端上次的位置估计值，则初始位置选择单元以上次的位置估计值作为本次位置估计的初始值，若系统中没有上次的位置估计值，则初始位置选择单元以一般GPS方法估计的位置作为本次位置估计的初始值。

Images