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CN110542915B - 一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法 - Google Patents

一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法 Download PDF

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CN110542915B CN201910822914.9A CN201910822914A CN110542915B CN 110542915 B CN110542915 B CN 110542915B CN 201910822914 A CN201910822914 A CN 201910822914A CN 110542915 B CN110542915 B CN 110542915B
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范广伟
蔚保国
甘兴利
晁磊
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Abstract

本发明提出了一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法，首先采集室内不同位置收到的伪卫星载波相位差并建立指纹库，计算指纹库特征与当前接收识别特征的欧式距离，在最小欧式距离小于设定门限的条件下，认定最小欧式距离对应的坐标点即为接收机当前位置，若大于门限，则通过对距离最近几个点的欧式距离质心计算或前两次定位的结果预测当前的位置，本发明能够提升室内复杂环境下导航定位的精度和稳定性；且该方法仅采用一个伪卫星阵列实现，发射的伪卫星信号采用一个阵列的形式实现，便于安装，有助于解决机场、火车站和体育场等开阔室内的导航定位问题。

Description

一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法
技术领域
本发明涉及室内导航定位领域，特别适用于室内复杂环境下运动目标的伪卫星导航定位，采用基于载波相位差动态自适应滤波匹配的形式实现室内复杂环境中动态导航定位。
背景技术
室内的导航定位问题近年来一直是一个技术难题，蓝牙、WIFE采用的能量定位受多径衰减影响较大，不能准确测量观测点和发射点之间的能量衰减，导致定位精度较差，超宽带脉冲定位的方式虽然精度高，但是需要较密的布点，且发射功率较高，实际推广价值不大。因此，找到一种在室内复杂环境下可推广的室内定位方法成为当前需要解决的迫切问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对室内运动环境下的高精度导航定位问题，提供一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法实现对室内目标的实时导航定位，能够极大提升室内复杂环境下的导航定位精度。
本发明采用的技术方案为：
一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法，包括以下步骤：
(1)在室内安装伪卫星阵列，并将室内分成多个网格区域，在每个区域内采集伪卫星的载波相位差，形成载波相位差的指纹库；
(2)终端在当前区域采集伪卫星的载波相位，并计算不同伪卫星之间的载波相位差，根据载波相位差的变化率剔除存在载波相位跳变的伪卫星，计算剩余伪卫星之间的载波相位差，并取载波相位差的余弦值；
(3)计算载波相位差的余弦值与指纹库中不同区域采集的伪卫星载波相位差之间的欧式距离，并找出最小值，将最小距离与设定的门限进行比较，若小于门限，则最小值对应的区域坐标即为终端的位置坐标；若最小值大于门限，则寻找欧式距离最小的四个点；
(4)判断四个点是否相邻，若相邻则根据距离加权计算四个点坐标的几何重心，重心位置即为终端的位置坐标；若不相邻，则计算四个点与上一时刻定位点的距离，将距离值与设定门限进行比较，若均大于设定门限，则根据前两次时刻终端的定位结果推算出当前时刻终端的定位结果，否则，计算小于设定门限点的几何重心，即为终端的定位结果。
其中，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)终端在当前时刻采集当前区域内不同伪卫星之间的载波相位，则同时收到的载波相位为
Figure BDA0002188092900000021
L为在当前区域上收到的伪卫星个数；
(202)将当前时刻得到的载波相位与上一时刻的载波相位做差，得到载波相位差：
Figure BDA0002188092900000022
将每一颗伪卫星的载波相位差与设定的门限Tqth相比较，若某一颗或几颗伪卫星的载波相位差大于门限，则剔除该颗伪卫星信号，i为当前时刻；
(203)剔除异常伪卫星后，计算剩余不同伪卫星之间的载波相位差：θi＝[θi12,θi13,…θiqd…,θi(Q-1)Q]，Q为剩余伪卫星个数，θiqd表i时刻第q颗和第d颗的载波相位差值；
(204)取载波相位差的余弦值得到：
Ci＝[cos(θi12),cos(θi13),…,cos(θiqd),…,cos(θi(Q-1)Q)]。
其中，步骤(4)中根据距离加权计算四个点坐标的几何重心，具体包括以下步骤：
(401)根据剩余伪卫星的载波相位余弦值与四个点的载波相位差的欧式距离值计算每个点的权值因子ωis，即
Figure BDA0002188092900000023
Dis为剩余伪卫星的载波相位余弦值与每个点的载波相位差的欧式距离值；
(402)设定四个点的坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)，则终端的位置坐标(x0,y0)的计算公式为：
Figure BDA0002188092900000024
其中，步骤(4)中根据前两次时刻终端的定位结果推算出当前时刻终端的定位结果，具体为：
Figure BDA0002188092900000031
其中，(xi-1，yi-1)、(xi-2，yi-2)分别为前两次时刻的定位点坐标。
本发明相比现有技术的优点为:
本发明通过每次得到的特征参数与指纹库匹配实现室内复杂环境下的导航定位，解决了传统的指纹匹配方法在非标定点上定位性能可能变差，运动模式下存在定位跳点的问题，能够提升室内复杂环境下导航定位的精度和稳定性；且该方法仅采用一个伪卫星阵列实现，发射的伪卫星信号采用一个阵列的形式实现，便于安装，有助于解决机场、火车站和体育场等开阔室内的导航定位问题。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示为本发明实施例公开的一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法的流程图,具体包括如下步骤：
(1)在室内安装伪卫星阵列，并将室内分成M×N的网格，采集每个网格内所有伪卫星的载波相位差，形成M×N×K的载波相位差指纹库；
(2)终端在当前区域采集伪卫星的载波相位，并计算不同伪卫星之间的载波相位差，根据载波相位差的变化率判断是否存在载波相位的跳变，如果有一颗或多颗伪卫星与其它伪卫星的载波相位差大于设定的门限，则剔除该伪卫星，计算剩余伪卫星之间的载波相位差，并取载波相位差的余弦值；
(201)终端在当前时刻采集当前区域内不同伪卫星之间的载波相位，则同时收到的载波相位为
Figure BDA0002188092900000032
L为在当前区域上收到的伪卫星个数；
(202)将当前时刻得到的载波相位与上一时刻的载波相位做差，得到载波相位差：
Figure BDA0002188092900000041
将每一颗伪卫星的载波相位差与设定的门限Tqth相比较，若某一颗或几颗伪卫星的载波相位差大于门限，则剔除该颗伪卫星信号，i为当前时刻；
(203)剔除异常伪卫星后，计算剩余不同伪卫星之间的载波相位差：θi＝[θi12,θi13,…θiqd…,θi(Q-1)Q]，Q为剩余伪卫星个数，θiqd表i时刻第q颗和第d颗的载波相位差值；
(204)取载波相位差的余弦值得到：
Ci＝[cos(θi12),cos(θi13),…,cos(θiqd),…,cos(θi(Q-1)Q)]。
(3)与指纹库中不同区域采集的伪卫星载波相位差之间的欧式距离，定义为
Figure BDA0002188092900000042
计算载波相位差的余弦值与指纹库内每一个区域的欧式距离，得到矩阵
Figure BDA0002188092900000043
并找出最小值Di＝min(JiMN)，Tmn为指纹库中第m行第n列的载波相位差矩阵；并将最小距离与设定的门限进行比较，若小于门限，则最小值对应的区域坐标即为终端的位置坐标；若最小值大于门限，则寻找欧式距离最小的四个点；
(4)判断四个点是否相邻，若相邻则根据距离加权计算四个点坐标的几何重心，重心位置即为终端的位置坐标；
根据距离加权计算四个点坐标的几何重心，具体包括以下步骤：
(401)根据剩余伪卫星的载波相位余弦值与四个点的载波相位差的欧式距离值计算每个点的权值因子ωis，即
Figure BDA0002188092900000044
Dis为剩余伪卫星的载波相位余弦值与每个点的载波相位差的欧式距离值；
(402)设定四个点的坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)，则终端的位置坐标(x0,y0)的计算公式为：
Figure BDA0002188092900000051
若不相邻，则计算四个点与上一时刻定位点的距离，将距离值与设定门限进行比较，若均大于设定门限，则根据前两次时刻终端的定位结果推算出当前时刻终端的定位结果，否则，计算小于设定门限点的几何重心，即为终端的定位结果。具体为：
(501)首先计算当前四个点距离上一时刻定位点的距离，小于门限的点认为是真实位置附近的定位点，大于门限的定位点认为是虚假定位点，舍弃大于门限的点，计算剩余点的几何中心即为当前接收机位置；假设上次定位点位(xi-1,yi-1)，检测门限定义为thkax，两个点之间欧式距离定位为
Figure BDA0002188092900000052
其中p＝1,…,4为四个点，判断thkax与Emp关系确定当前点是否能够用来定位。
(502)若当前四个点均与之前的定位点之间的距离大于门限，则根据之前两次的定位结果推断出一个当前的定位结果，即
Figure BDA0002188092900000053
其中，(xi-1，yi-1)、(xi-2，yi-2)分别为前两次时刻的定位点坐标。
至此完成本发明的基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位。

Claims (3)

1.一种基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在室内安装伪卫星阵列，并将室内分成多个网格区域，在每个区域内采集伪卫星的载波相位差，形成载波相位差的指纹库；
(2)终端在当前区域采集伪卫星的载波相位，并计算不同伪卫星之间的载波相位差，根据不同伪卫星之间的载波相位差的变化率剔除存在载波相位跳变的伪卫星，计算剩余伪卫星之间的载波相位差，并取载波相位差的余弦值；
(3)计算剩余伪卫星之间载波相位差的余弦值与指纹库中不同区域采集的伪卫星载波相位差的余弦值之间的欧式距离，并找出最小值，将最小距离与设定的门限进行比较，若小于门限，则最小值对应的区域坐标即为终端的位置坐标；若最小值大于门限，则寻找欧式距离最小的四个点；
(4)判断四个点是否相邻，若相邻则根据距离加权计算四个点坐标的几何重心，重心位置即为终端的位置坐标；若不相邻，则计算四个点与上一时刻定位点的距离，将距离值与设定门限进行比较，若均大于设定门限，则根据前两次时刻终端的定位结果推算出当前时刻终端的定位结果，否则，计算小于设定门限点的几何重心，即为终端的定位结果；其中，根据前两次时刻终端的定位结果推算出当前时刻终端的定位结果，具体为：
Figure FDA0002944148040000011
式中，(xi-1，yi-1)、(xi-2，yi-2)分别为前两次时刻的定位点坐标。
2.根据权利要求1所述的基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)终端在当前时刻采集当前区域内不同伪卫星的载波相位，则同时收到的载波相位为
Figure FDA0002944148040000012
L为在当前区域上收到的伪卫星个数；
(202)将当前时刻得到的载波相位与上一时刻的载波相位做差，得到载波相位差：
Figure FDA0002944148040000013
将每一颗伪卫星的载波相位差与设定的门限Tqth相比较，若某一颗或几颗伪卫星的载波相位差大于门限，则剔除该颗伪卫星信号，i为当前时刻；
(203)剔除异常伪卫星后，计算剩余不同伪卫星之间的载波相位差：θi＝[θi12,θi13,…θiqd…,θi(Q-1)Q]，Q为剩余伪卫星个数，θiqd表示i时刻第q颗伪卫星和第d颗伪卫星的载波相位差值；
(204)取载波相位差的余弦值得到：
Ci＝[cos(θi12),cos(θi13),…,cos(θiqd),…,cos(θi(Q-1)Q)]。
3.根据权利要求1所述的基于载波相位欧式距离分析的室内导航定位方法，其特征在于，步骤(4)中根据距离加权计算四个点坐标的几何重心，具体包括以下步骤：
(401)根据剩余伪卫星的载波相位差余弦值与四个点的载波相位差余弦值的欧式距离值计算每个点的权值因子ωis，即
Figure FDA0002944148040000021
Dis为剩余伪卫星的载波相位差余弦值与每个点的载波相位差余弦值的欧式距离值；
(402)设定四个点的坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)，则终端的位置坐标(x0,y0)的计算公式为：
Figure FDA0002944148040000022
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