本發(fā)明涉及一種基于城市三維地圖的地面數(shù)字電視廣播與導(dǎo)航衛(wèi)星混合粒子濾波定位方法，屬于無(wú)線定位的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)、智能移動(dòng)終端技術(shù)及無(wú)人汽車等技術(shù)的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)成為了最熱門的服務(wù)需求之一。在室外開(kāi)闊的空間中，成熟的衛(wèi)星定位系統(tǒng)被用于各種需要定位服務(wù)信息的場(chǎng)合中。然而大部分時(shí)間里，人們的定位活動(dòng)都發(fā)生在衛(wèi)星定位系統(tǒng)受限的城市環(huán)境中，人們不再滿足于只能在室外開(kāi)闊的空間享有定位信息服務(wù)，對(duì)復(fù)雜的城市環(huán)境中定位信息的需求變得越來(lái)越強(qiáng)烈。但是由于在高樓聳立的市區(qū)所能觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)目和衛(wèi)星的幾何圖形結(jié)構(gòu)都很難達(dá)到精確定位的要求。除此之外，電磁波在傳播過(guò)程中，由于城市中樓宇眾多，信號(hào)只能以反射、折射、散射等方式傳播，從而帶來(lái)額外的非視距誤差。因此在城市中僅僅依靠衛(wèi)星導(dǎo)航顯然無(wú)法滿足人們對(duì)位置信息的需求。

使用衛(wèi)星信號(hào)在高樓林立的城市地區(qū)進(jìn)行定位，由于周圍建筑物的遮擋，通常會(huì)面臨單一定位衛(wèi)星星座可見(jiàn)衛(wèi)星不足和接收機(jī)與可見(jiàn)衛(wèi)星間幾何分布差的問(wèn)題。GDOP是衡量衛(wèi)星定位精度的一個(gè)重要指標(biāo)。幾何分布越好，GDOP值就越小，定位精度就越高。DTMB信號(hào)的引入可以使定位系統(tǒng)的GDOP變小，且取值滿足實(shí)際定位的需求。利用DTMB信號(hào)和導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行混合定位，可以在彌補(bǔ)導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量不足的同時(shí)很好的改善定位系統(tǒng)在城市地區(qū)的幾何分布情況。

在城市環(huán)境下，由于障礙物阻擋引起的多徑干擾和非視距誤差以及蜂窩通信系統(tǒng)中“遠(yuǎn)近效應(yīng)”引起的多址干擾都極大地影響移動(dòng)定位的精度，其中NLOS誤差是最為關(guān)鍵的要素之一。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，平均定位誤差隨著NLOS誤差的增加呈線性增長(zhǎng)。與系統(tǒng)誤差相比，NLOS誤差會(huì)給定位結(jié)果帶來(lái)更大的消極影響。NLOS誤差較嚴(yán)重時(shí)可產(chǎn)生幾十米的定位誤差。要保證定位結(jié)果的正確性，應(yīng)該選擇避開(kāi)存在NLOS誤差的范圍，或者選擇補(bǔ)償NLOS誤差。

目前，很多研究在嘗試同時(shí)使用城市3D地圖與陀螺儀等一些運(yùn)動(dòng)傳感設(shè)備來(lái)獲取城市中目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。當(dāng)接收機(jī)從能夠被正確定位的位置移動(dòng)到受干擾的位置時(shí)，這些研究可以根據(jù)其運(yùn)動(dòng)向量對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行一定的校正。但這些研究仍存在很多缺陷，如在可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量太少時(shí)校正隨時(shí)間變差的問(wèn)題，接收機(jī)靜止在受干擾的位置時(shí)無(wú)法定位的問(wèn)題等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于城市三維地圖的地面數(shù)字電視廣播與導(dǎo)航衛(wèi)星混合粒子濾波定位方法，克服了城市中高樓林立的地形在精度衰減因子方面的不利影響，實(shí)現(xiàn)在眾多障礙物的城市環(huán)境中高效精確的定位。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

該方法使用DTMB信號(hào)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，利用城市3D地圖構(gòu)建定位信號(hào)的NLOS誤差修正地圖，并使用粒子濾波補(bǔ)償NLOS誤差，有效提高惡劣信道環(huán)境下的定位精度，具體步驟為：

(1)依據(jù)城市三維地圖和定位信號(hào)發(fā)射源的實(shí)時(shí)位置構(gòu)建定位區(qū)域內(nèi)定位信號(hào)的NLOS誤差修正地圖；

(2)計(jì)算各個(gè)定位信號(hào)發(fā)射源到接收機(jī)的偽距并解算出初步的定位結(jié)果；

(3)根據(jù)初步定位結(jié)果在其附近生成采樣區(qū)域并使用重要性概率密度生成采樣粒子；

(4)利用地圖優(yōu)化粒子生成的區(qū)域，根據(jù)NLOS修正地圖查詢各個(gè)粒子位置的NLOS誤差補(bǔ)償值，計(jì)算補(bǔ)償后的觀測(cè)結(jié)果以及誤差和權(quán)重；

(5)根據(jù)權(quán)重進(jìn)行重采樣，得出定位結(jié)果的最優(yōu)估計(jì)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的定位信號(hào)包括導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)和DTMB信號(hào)，導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)射源為運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航衛(wèi)星，DTMB信號(hào)的發(fā)射源為固定的電視塔。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的定位信號(hào)的NLOS誤差修正地圖記錄城市各個(gè)位置導(dǎo)航信號(hào)和DTMB信號(hào)的NLOS誤差值。NLOS誤差Dis_NLOS的計(jì)算公式為：

其中α是觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的仰角，β是反射位置到衛(wèi)星的仰角，h為衛(wèi)星到地面高度，Dis_direct是觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的直線距離，DiS_multi是觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的折射距離。

導(dǎo)航衛(wèi)星的NLOS誤差值的更新周期設(shè)為1分鐘，DTMB信號(hào)的NLOS誤差值無(wú)需頻繁更新。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的步驟(3)中的采樣粒子根據(jù)重要性概率密度來(lái)生成，通常情況下，當(dāng)NLOS較弱時(shí)，其對(duì)定位結(jié)果的影響在10米以內(nèi)，而NLOS較強(qiáng)時(shí)，其對(duì)定位結(jié)果的影響在60米以內(nèi)。因此采樣粒子60％分布在狀態(tài)點(diǎn)10米范圍內(nèi)，其余粒子分布在狀態(tài)點(diǎn)60米范圍內(nèi)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的步驟(4)中排優(yōu)化粒子生成的區(qū)域，是在生成采樣粒子時(shí)，利用城市三維地圖排除樓宇區(qū)域的粒子，縮小實(shí)際采樣面積。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的步驟(4)中的權(quán)重取決于測(cè)量誤差，即觀測(cè)值與狀態(tài)值間的誤差。觀測(cè)值是根據(jù)修正后的偽距計(jì)算得到的定位結(jié)果，可表示為觀測(cè)向量Z＝(x_GPS，y_GPS，z_GPS)，狀態(tài)值是粒子的位置坐標(biāo)，可表示為狀態(tài)向量X＝(x，y，z)，設(shè)誤差的測(cè)度函數(shù)為r，則：

其中，σ為定位結(jié)果在x，y，z方向上誤差的方差。使用NLOS誤差修正地圖的權(quán)重w表示為：

γ代表不完全Gamma函數(shù)，Γ代表Gamma函數(shù)。若一個(gè)粒子的測(cè)量誤差越小，則這個(gè)粒子的權(quán)重就越大。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的步驟(5)的具體過(guò)程為：檢查權(quán)重最高者的誤差，如果誤差小于閾值則算法結(jié)束，如果誤差偏大且迭代次數(shù)少于4次，則以權(quán)重最高者為中心以重要性概率密度生成采樣粒子進(jìn)行重采樣并重復(fù)(4)、(5)步，如果誤差偏大且迭代次數(shù)大于4次，則以初步的定位結(jié)果為中心擴(kuò)大粒子生成范圍，均勻生成采樣粒子進(jìn)行重采樣并重復(fù)(4)、(5)步至誤差小于閾值或迭代至8次。

本發(fā)明提出的定位方法與已有的技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.相對(duì)于單獨(dú)使用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行定位，本方法引入了DTMB信號(hào)輔助定位。在城市地區(qū)，能夠有效地彌補(bǔ)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目不足的同時(shí)很好地改善定位系統(tǒng)的幾何分布情況。DTMB信號(hào)輔助定位能彌補(bǔ)樓宇間可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目不足導(dǎo)致無(wú)法定位的缺陷，并克服城市中高樓林立的地形在精度衰減因子方面的不利影響。

2.相對(duì)于DTMB信號(hào)輔助導(dǎo)航衛(wèi)星定位的方法，本方法采用三維粒子濾波的方法補(bǔ)償NLOS誤差，實(shí)現(xiàn)在眾多障礙物的城市環(huán)境中仍可對(duì)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行可靠定位。該方法能夠準(zhǔn)確有效地在惡劣的信道環(huán)境下完成定位，定位結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于城市三維地圖的地面數(shù)字電視廣播與導(dǎo)航衛(wèi)星混合粒子濾波定位方法的流程圖；

圖2為NLOS誤差產(chǎn)生原理示意圖；

圖3為導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)NLOS誤差的影響示意圖；

圖4為測(cè)量結(jié)果不存在NLOS誤差時(shí)本方法的運(yùn)行效果示意圖；

圖5為測(cè)量結(jié)果存在NLOS誤差時(shí)本方法的運(yùn)行效果示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明所述的方法作詳細(xì)闡述。

如圖1所示，基于城市三維地圖的地面數(shù)字電視廣播與導(dǎo)航衛(wèi)星混合粒子濾波定位方法，具體過(guò)程為：

(1)依據(jù)城市三維地圖和定位信號(hào)發(fā)射源的實(shí)時(shí)位置構(gòu)建定位區(qū)域內(nèi)定位信號(hào)NLOS誤差修正地圖。

根據(jù)定位信號(hào)發(fā)射源的實(shí)時(shí)位置，利用城市3D地圖分別計(jì)算出導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)與DTMB信號(hào)到地圖上各個(gè)位置點(diǎn)的實(shí)際傳播距離與直線距離的差值，即NLOS誤差值。圖2顯示了導(dǎo)航衛(wèi)星定位過(guò)程中NLOS誤差產(chǎn)生的原理，由于建筑物遮擋，信號(hào)只能通過(guò)反射到達(dá)相同的位置，其傳播路徑變長(zhǎng)。NLOS誤差Dis_NLOS的計(jì)算為：

其中α是觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的仰角，β是反射位置到衛(wèi)星的仰角，h為衛(wèi)星到地面高度，Dis_direct是觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的直線距離，Dis_multi是觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的折射距離。

由于導(dǎo)航衛(wèi)星圍繞地球規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，則觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的距離也在不停地變化，因此需要對(duì)NLOS誤差值進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。圖3顯示了衛(wèi)星移動(dòng)1分鐘后對(duì)同樣位置NLOS誤差的影響。以GPS衛(wèi)星為例，其運(yùn)行周期約為12小時(shí)，則α，β每分鐘減小約0.5°，同時(shí)，h每分鐘減小約147km。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，1分鐘后NLOS誤差的變化在1.2m左右。因此，導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的NLOS誤差值的更新周期設(shè)置為1分鐘，既保證精度又保證有足夠的時(shí)間更新NLOS誤差值。而對(duì)于DTMB信號(hào)，由于其發(fā)射源電視塔的位置長(zhǎng)期固定，它的NLOS誤差值在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持不變，不需頻繁更新。

(2)計(jì)算各個(gè)定位信號(hào)發(fā)射源到接收機(jī)的偽距并解算出初步的定位結(jié)果。

利用接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)與DTMB信號(hào)，計(jì)算導(dǎo)航信號(hào)到接收機(jī)的偽距與DTMB信號(hào)到接收機(jī)的偽距，利用該偽距解算出初步的定位結(jié)果。

(3)根據(jù)初步定位結(jié)果在其附近生成采樣區(qū)域并使用重要性概率密度生成采樣粒子。

在初步定位結(jié)果附近生成采樣區(qū)域，散布采樣粒子，各個(gè)粒子的位置坐標(biāo)可表示為狀態(tài)向量X＝(x，y，z)。引入重要性概率密度，保證生成的采樣粒子中60％分布在狀態(tài)點(diǎn)10米范圍內(nèi)，其余粒子分布在狀態(tài)點(diǎn)60米范圍內(nèi)。在某些極端情況NLOS誤差范圍可達(dá)150米，因此這種情況下，生成采樣粒子 的范圍將改為150米，同時(shí)均勻生成采樣粒子。

(4)利用地圖排優(yōu)化粒子生成的區(qū)域，根據(jù)NLOS修正地圖查詢各個(gè)粒子位置的NLOS誤差補(bǔ)償值，計(jì)算補(bǔ)償后的觀測(cè)結(jié)果以及誤差和權(quán)重。

對(duì)比城市三維地圖與采樣粒子的生成區(qū)域，若生成區(qū)域中包含建筑物部分，則將該部分粒子剔除。根據(jù)各個(gè)粒子狀態(tài)向量X的坐標(biāo)查詢NLOS誤差修正地圖，用相應(yīng)的誤差修正值修正測(cè)量偽距，再根據(jù)修正后的偽距計(jì)算出觀測(cè)結(jié)果，該結(jié)果表示為向量Z＝(x_GPS，y_GPS，z_GPS)。

由于測(cè)量誤差的存在，定位結(jié)果在x，y，z方向上均存在一定誤差。這兩個(gè)誤差彼此相互獨(dú)立，均呈正態(tài)分布，且有著相同的方差σ。通過(guò)概率論推導(dǎo)，如果定位結(jié)果正確，且σ＝1時(shí)，測(cè)量位置與實(shí)際位置間的距離誤差的平方呈自由度為3的卡方分布。所以設(shè)誤差的測(cè)度函數(shù)為r，則有：

使用NLOS誤差修正地圖的權(quán)重w，可以表示為：

其中，γ代表不完全Gamma函數(shù)，Γ代表Gamma函數(shù)。根據(jù)以上公式計(jì)算得出權(quán)重值，若一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)值與粒子的狀態(tài)值間的誤差更接近合理區(qū)間，則這個(gè)粒子點(diǎn)就權(quán)重更大。

(5)根據(jù)權(quán)重進(jìn)行重采樣，得出定位結(jié)果的最優(yōu)估計(jì)。

檢查權(quán)重最高者的誤差，如果誤差小于閾值則算法結(jié)束，如果誤差偏大且迭代次數(shù)少于4次，則以權(quán)重最高者為中心以重要性概率密度生成采樣粒子進(jìn)行重采樣并重復(fù)(4)、(5)步，如果誤差偏大且迭代次數(shù)大于4次，則以初步的定位結(jié)果為中心擴(kuò)大粒子生成范圍，均勻生成采樣粒子進(jìn)行重采樣并重復(fù)(4)、(5)步至誤差小于閾值或迭代至8次。

圖4和圖5示意性地展示了不同情況下，本發(fā)明方法的運(yùn)行情況。圖4是測(cè)量結(jié)果不存在NLOS誤差時(shí)的情況，陰影區(qū)域代表受NLOS誤差影響的區(qū)域。此時(shí)1號(hào)，2號(hào)粒子均未對(duì)偽距進(jìn)行修正，所以其觀測(cè)結(jié)果一致如圖4中所示，此時(shí)1號(hào)粒子更接近觀測(cè)點(diǎn)，所以它的權(quán)重大于2號(hào)粒子。而3號(hào)粒子對(duì)偽距進(jìn)行了一定的修正，但由于修正錯(cuò)誤，其定位結(jié)果偏差巨大，所以可認(rèn)為它的權(quán)重比1號(hào)粒子小。圖5是測(cè)量結(jié)果存在NLOS誤差時(shí)的情況，陰影區(qū)域代表受NLOS誤差影響的區(qū)域。此時(shí)1號(hào)，2號(hào)粒子均未對(duì)偽距進(jìn)行修正，所以其觀測(cè)結(jié)果一致如圖5中所示，此時(shí)1號(hào)粒子更接近觀測(cè)點(diǎn)，所以它的權(quán)重大于2號(hào)粒子。而3號(hào)粒子對(duì)偽距進(jìn)行了一定的修正，由于修正正確，它與觀測(cè)結(jié)果間距離最小，權(quán)重最大。

以上只是對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，并非用以限制本專利的實(shí)施應(yīng)用，凡為本發(fā)明等效實(shí)施，均應(yīng)包含于本專利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。