CN105068098A - 一种确定移动载体位置信息和速度的方法及接收机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种确定移动载体位置信息和速度的方法及接收机。接收机在第M历元获取N个卫星的观测信息，在N小于第一阈值的情况下，接收机分别确定出移动载体在第M历元的运动轨迹信息和速率，并根据移动载体在第M历元的运动轨迹信息、速率、以及N个卫星的观测信息，得到移动载体在第M历元的位置信息和速度。本发明实施例将运动轨迹与速率相分离，分别确定出移动载体的运动轨迹信息和速率，使得移动载体的位置信息约束于运动轨迹和速率，进而根据通过将运动轨迹信息、速率以及观测信息相结合得到移动载体的位置信息，结果更接近于现实情况。

Description

一种确定移动载体位置信息和速度的方法及接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种确定移动载体位置信息和速度的方法及接收机。

背景技术

动态导航一直是导航涉及的最重大应用领域，包括机动车辆、飞机、船舶的导航。由于卫星导航系统具有全球覆盖、终端体积小、定位精度高、使用方便等众多优势，还能比较灵活方便地与惯性器件、地磁计等组合，解决移动载体的导航问题，所以广泛应用于移动载体的导航之中。

一般情况下，GPS定位系统中，接收机通常需要获取至少四颗卫星的观测信息来完成对移动载体的定位。在可视情况较差的情况下，接收机如果没有获取到足够的观测信息，则需要对移动载体的运动状态进行预测。

目前，卫星导航定位应用领域中，以移动载体为机动车辆为例，一种预测方法是对前多历元的数据采用多项式拟合轨迹和速度并预测机动车辆下一时刻的运动状态，然而，在机动车辆驾驶过程中，这种预测方式与现实道路的形状以及人类本身的驾驶方式不相符，需要采用更符合机动车辆运行轨迹的函数进行拟合。另一种预测方法是对多历元处理的方法就是卡尔曼算法，对多历元数据差分或对拟合函数进行微分，获取机动车辆当前的运动状态，预测和滤波下一个时刻的运动状态。然而，由于导航定位领域中的卡尔曼滤波器均为离散型，相当于在一个历元时间内采用匀速或匀加速路线约束，如果相邻历元间隔范围内机动车辆存在转向，卡尔曼滤波算法将获得较差的结果。

综上，目前亟需一种确定移动载体位置信息和速度的方法来准确地预测移动载体的运动状态。

发明内容

本发明实施例提供一种确定移动载体位置信息和速度的方法及接收机，用以确定移动载体的位置信息，完成对移动载体运动状态的预测。

本发明实施例提供的一种确定移动载体位置信息和速度的方法，包括：

接收机在第M历元获取N个卫星的观测信息；M、N均为大于等于1的整数；

在N小于第一阈值的情况下，所述接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息；

所述接收机根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率；

所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

较佳地，所述接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息，包括：

所述接收机根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，进而确定所述P个历元的转角和；

若所述P个历元的转角和小于等于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为直线；若所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线。

较佳地，所述接收机确定所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线，包括：

所述接收机获取第M-P-1历元至第M-1历元中各个历元对应的转角和；其中，一个历元对应的转角和是指第1历元至该历元中的各个历元的转角之和；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现减少的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第一方向的弧线；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现增加的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第二方向的弧线。

较佳地，所述接收机根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，包括：

所述接收机通过以下方式确定所述P个历元中的第i历元的转角：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arccos \left(\frac{V_i\&CenterDot;V_{i+1}}{\left|V_i\right|\left|V_{i+1}\right|}\right)\mathrm{sgn},\left\{\begin{array}{ccc}if& V_i\&times;V_{i+1}>0& \mathrm{sgn}=-1\\ if& V_i\&times;V_{i+1}<0& \mathrm{sgn}=1\end{array}\right.$

其中，θ_i为所述第i历元的转角；V_i表示第i历元的速度，V_i+1表示第i+1历元的速度。

较佳地，所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度，包括：

所述接收机根据获取到的N个卫星的观测信息，得到N个导航定位方程式；

所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息和所述第M历元的速率，得到预测定位方程式；

所述接收机将所述N个导航定位方程式和预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

较佳地，所述接收机将所述N个导航定位方程式和所述预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度，包括：

所述接收机将所述预测定位方程式和所述N个导航定位方程式进行结合，得到的观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}GT=b+{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ S_M=f\left(S_{M-P-1},...,S_{M-1},g\left(|V{|}_{M-P-1},...,|V_{M-1}|,\mathrm{\&Delta;}t\right),\mathrm{\&Delta;}t\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right.$

其中，GT＝b+ε₁是根据所述N个导航定位方程式得到的，T为卫星导航设定的参数，G为所述卫星导航设定的参数的系数矩阵，b是线性化后的残差，ε₁表示导航定位方程式的误差；

S_M＝f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)+ε₃为所述预测定位方程式，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度；Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为路程轨迹方程的误差，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1，...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数；

所述接收机通过求解所述观测方程，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

本发明实施例提供一种接收机，包括：

获取观测信息模块，用于在第M历元获取N个卫星的观测信息；M、N均为大于等于1的整数；

确定运动轨迹信息模块，用于在N小于第一阈值的情况下，根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息；

确定速率模块，用于根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率；

预测位置信息和速度模块，用于根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

较佳地，所述确定运动轨迹信息模块具体用于：

根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，进而确定所述P个历元的转角和；

若所述P个历元的转角和小于等于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为直线；若所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线。

较佳地，所述确定运动轨迹信息模块具体用于：

获取第M-P-1历元至第M-1历元中各个历元对应的转角和；其中，一个历元对应的转角和是指第1历元至该历元中的各个历元的转角之和；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现减少的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第一方向的弧线；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现增加的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第二方向的弧线。

较佳地，所述确定运动轨迹信息模块具体用于：

通过以下方式确定所述P个历元中的第i历元的转角：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arccos \left(\frac{V_i\&CenterDot;V_{i+1}}{\left|V_i\right|\left|V_{i+1}\right|}\right)\mathrm{sgn},\left\{\begin{array}{ccc}if& V_i\&times;V_{i+1}>0& \mathrm{sgn}=-1\\ if& V_i\&times;V_{i+1}<0& \mathrm{sgn}=1\end{array}\right.$

其中，θ_i为所述第i历元的转角；V_i表示第i历元的速度，V_i+1表示第i+1历元的速度。

较佳地，所述预测位置信息和速度模块具体用于：

根据获取到的N个卫星的观测信息，得到N个导航定位方程式；

根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息和所述第M历元的速率，得到预测定位方程式；

将所述N个导航定位方程式和预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

较佳地，所述预测位置信息和速度模块具体用于：

将所述预测定位方程式和所述N个导航定位方程式进行结合，得到的观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}GT=b+{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ S_M=f\left(S_{M-P-1},...,S_{M-1},g\left(|V{|}_{M-P-1},...,|V_{M-1}|,\mathrm{\&Delta;}t\right),\mathrm{\&Delta;}t\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right.$

其中，GT＝b+ε₁是根据所述N个导航定位方程式得到的，T为卫星导航设定的参数，G为所述卫星导航设定的参数的系数矩阵，b是线性化后的残差，ε₁表示导航定位方程式的误差；

S_M＝f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)+ε₃为所述预测定位方程式，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度；Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为路程轨迹方程的误差，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数；

通过求解所述观测方程，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

本发明的上述实施例中，接收机在第M历元获取N个卫星的观测信息，在N小于第一阈值的情况下，接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息，从而使确定出的移动载体的运动轨迹更符合实际情况；接收机根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率，从而使得确定的速率更加准确；接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、速率、以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。本发明实施例将运动轨迹与速率相分离，分别确定出移动载体的运动轨迹信息和速率，使得移动载体的位置信息约束于运动轨迹和速率，进而根据通过将运动轨迹信息、速率以及观测信息相结合得到移动载体的位置信息和速度，结果更接近于现实情况。在卫星可视情况差且缺乏其它传感器的条件下，采用上述运动轨迹的约束方式，从最大程度上结合历史信息完成对移动载体下一个时刻的位置信息和速度的预测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的确定移动载体位置信息和速度的方法示意图；

图2a-图2b为本发明实施例中机动车辆的不同运动轨迹示意图；

图3为本发明实施例中机动车辆沿弧线运动的轨迹示意图；

图4a-图4c为本发明实施例中移动载体实际运动轨迹和预测运动轨迹的示意图；

图5为本发明实施例提供的接收机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例可适用于多种卫星定位系统，如全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS系统)、北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，简称BDS)等可用于向接收机提供位置信息的卫星系统。

本发明实施例中的移动载体可以为机动车辆、飞机、船舶或其它需要进行导航定位的载体。

图1为本发明实施例提供的一种确定移动载体位置信息和速度的方法示意图，该方法包括步骤101至步骤104：

步骤101，接收机在第M历元获取N个卫星的观测信息；

步骤102，在N小于第一阈值的情况下，所述接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息；

步骤103，所述接收机根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率；

步骤104，所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率、以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

本发明实施例中的速度是矢量，是位移与位移所用时间的比值，有方向；速率是标量，是路程与路程所用时间的比值，无方向。速率是物体运动的快慢，即速率是速度的大小或等价于路程的变化率。

具体地，在步骤101中，接收机在第M历元获取到N个卫星的观测信息。通常情况下，如果接收机得到至少四颗卫星的观测信息，则可直接根据四颗卫星的观测信息按定位解算方法进行定位计算，计算出移动载体的位置信息；如果接收机得到不足四颗卫星的观测信息，则无法按定位解算方法进行定位计算或者按定位解算方法进行定位计算的结果不够准确。本发明实施例正是针对接收机得到不足四颗卫星的观测信息的情形，提供一种准确确定移动载体位置信息和速度的方法，因此，可设置第一阈值为4。

在步骤102中，移动载体的运动轨迹可以为沿直线运动，也可以为沿弧线运动。以移动载体为机动车辆为例，机动车辆可以沿直线行驶(例如，在笔直的道路上行驶)，也可以沿弧线行驶(例如，在弯道上行驶，或在路口拐弯行驶)。

如图2a-2b所示，为本发明实施例中机动车辆的不同运动轨迹示意图。在图2a中，机动车辆沿直线运动，假设机动车辆在第i历元的速度为V1，在第i+k历元的速度为V2，此时V1与V2之间的夹角为0，即机动车辆在第i历元相对于第i+k历元的转角为0。在图2b中，机动车辆沿弧线运动，假设机动车辆在第i历元的速度为V3，在第i+k历元的速度为V4，此时V3与V4之间具有一定的夹角，该夹角即为机动车辆在第i历元相对于第i+k历元的转角。i，k均为大于等于1的整数。

本发明实施例中，为方便描述，移动载体在第i历元的转角即为移动载体在第i-1历元相对于第i历元的转角。

可选地，在步骤102中，所述接收机通过以下方式确定所述P个历元中的第i历元的转角：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arccos \left(\frac{V_{i-1}\&CenterDot;V_i}{\left|V_{i-1}\right|\left|V_i\right|}\right)\mathrm{sgn},\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{if}& V_{i-1}\&times;V_i>0& \mathrm{sgn}=-1\\ \mathrm{if}& V_{i-1}\&times;V_i<0& \mathrm{sgn}=1\end{array}\right.$ ......公式(1)

其中，θ_i为所述第i历元的转角；V_i-1表示第i-1历元的速度，V_i表示第i历元的速度。

可选地，为方便计算的连贯性，一种确定p个历元的转角和的方式为：

在移动载体进入运动状态后，接收机在第1历元根据移动载体在第1历元的速度，得到第1历元的转角；接收机在第2历元根据移动载体在第2历元的速度，得到第2历元的转角，并将第2历元的转角与第1历元的转角进行叠加，得到第1历元和第2历元的转角和S_1-2；接收机在第3历元根据移动载体在第3历元的速度，得到第3历元的转角，并将第3历元的转角与第1历元和第2历元的转角和S_1-2进行叠加，得到第1历元至第3历元的转角和S_1-3；以此类推，接收机在第i历元根据移动载体在第i历元的速度，得到第i历元的转角，并将第i历元的转角与第1历元和第i-1历元的转角和进行叠加，得到第1历元至第i历元的转角和S_1-i。为方便描述，本发明实施例中，第i历元对应的转角和即为第1历元至第i历元中的各个历元的转角之和。因此，第M历元相邻的前P个历元的转角和即为第M-1历元对应的转角和与第M-P-1历元对应的转角和的差值。

本发明实施例中，通过判断第M-1历元对应的转角和与第M-P-1历元对应的转角和函数的变化来确定机动车辆的运动轨迹，即，以相邻一个历元转角或相邻数个转角和函数之差与第二阈值作比较，相邻历元个数取决于卫星观测采样频率，第二阈值一般设定为2-3倍卫星定向中的误差，具体的判断依据为：(1)如果P个历元的转角和小于等于第二阈值，则说明机动车辆在第M历元处于沿直线运动状态；(2)如果P个历元的转角和大于第二阈值，则说明机动车辆在第M历元处于沿弧线运动状态。

进一步地，以机动车辆为例，当机动车辆沿弧线运动状态时，如图3所示，可包括沿弧线1的方向做弧线运动和沿弧线2的方向做弧线运动。本发明实施例中，为进一步区分机动车辆沿弧线1的方向运动或沿弧线2的方向运动，可根据第M-P-1历元至第M-1历元对应的转角和的变化情况来确定。结合上述公式(1)中对转角的一种计算方式，根据转角和的变化来确定运动轨迹的具体区分依据可以为：(1)如果从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现出减少的状态，则机动车辆沿弧线1的方向运动(即，沿机动车辆前进方向右转)；(2)如果从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现出增加的状态，则机动车辆沿弧线2的方向运动(即，沿机动车辆前进方向左转)。

需要说明的是，上述区分依据是与各个历元的转角的计算方式相结合而得到的，仅为示例性说明。如果对转角的计算方式发生变化，则上述区分依据也会随之做出相应的调整，本发明实施例对此不做具体限定。

采用上述方式，如果确定出机动车辆沿直线运动，则可直接采用直线方程进行拟合。

由于圆曲线或缓和曲线是道路建设转弯处常设的曲线形式，这类曲线的设置充分考虑了机动车辆转弯以及人类操作特点，是用来拟合和预测机动车辆轨迹最佳曲线。圆曲线是目标转向按轨迹呈匀速变化，缓和曲线转向按轨迹的变化速率可以设定为对称的两端为零中间为峰值的函数。因此，如果确定出机动车辆沿弧线运动，则可按圆曲线方程进行拟合，在仅考虑二维平面的情况下，圆曲线存在三个参数，圆心坐标(xy)和半径R，三个参数初始化参数(x₀y₀)和R₀可以通过简单的几何关系获取，线性化方程如下：

(x-x₀)dx+(y-y₀)dy-R₀dR＝0……公式(2)

通过如上方式，利用圆曲线和直线之间的相互组合完成机动车辆的轨迹约束。

步骤103和104中，接收机根据获取到的N个卫星的观测信息，得到N个导航定位方程式，其中，一个导航定位方程式如下：

${\mathrm{d\&rho;}}_0=\frac{X_{s1}-X_0}{R_0}dx+\frac{Y_{s1}-Y_0}{R_0}dy+\frac{Z_{s1}-Z_0}{R_0}dz+{\mathrm{cd\&tau;}}_0+\mathrm{\&epsiv;}$ ……公式(3)

(X₀Y₀Z₀)表示初始用户坐标，(X_s1Y_s1Z_s1)表示卫星的坐标，(dxdydz)表示用户真实位置和初始位置的差，表示用户初始化坐标到卫星的距离，dρ₀＝ρ-R₀，表示卫星观测值ρ与R₀的差值，dτ₀表示接收机钟差，ε表示其它误差和。

其它导航定位方程式与上述类似，此处不再列出。

接收机可根据机动车辆在所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定出机动车辆的运动状态为匀速运动或加速运动或减速运动，进而得到移动载体在第M历元的速率方程式，如下：

|V_M|＝g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)+ε₂……公式(4)

其中，|V_M|为第M历元的速率，|V|_M-P-1,...,|V_M-1|分别为第M-P-1历元至第M-1历元的速率，Δt为相邻历元的时间间隔，ε₂为该速率方程的残差，g()表示速率变化函数。

接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息和所述第M历元的速率，得到预测定位方程式，如下：

S_M＝f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)+ε₃……公式(5)

其中，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度；Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为该路程轨迹方程的误差，误差ε₃的概率统计信息可以根据历史历元自适应计算得到，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数，即在圆曲线或直线轨迹的基础上，代入速率变化函数和时间，即可预测到移动载体在第M历元的初始位置信息和速度。

本发明实施例中，接收机将上述流程轨迹方程式和N个导航定位方程式进行结合，得到观测方程，进而采用加权最小二乘法，得到移动载体在第M历元的位置信息。具体地，本发明实施例中通过引入位置信息和速度的预测函数，增加了额外的用于计算移动载体位置信息的方程式，可以在一定程度上弥补卫星数的不足和滤波导航参数的作用。

由导航定位方程式和预测定位方程式组合而成的观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}GT=b+{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ S_M=f\left(S_{M-P-1},...,S_{M-1},g\left(|V{|}_{M-P-1},...,|V_{M-1}|,\mathrm{\&Delta;}t\right),\mathrm{\&Delta;}t\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right.$ ……公式(6)

其中，GT＝b+ε₁是根据N个导航定位方程式得到的，T为卫星导航设定的参数，G为卫星导航设定的参数的系数矩阵，b是线性化后的残差，ε₁表示导航定位方程式的误差，误差ε¹的概率统计信息可以根据经验得到，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度；Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为该路程轨迹方程的误差，误差ε₃的概率统计信息可以根据历史历元自适应计算得到，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数。

其中，最小二乘扩充矩阵如下：

$\begin{array}{cc}\left[\begin{array}{c}G\\ E\end{array}\right]T=\left[\begin{array}{c}b\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right],& \left\{\begin{array}{cc}n=m& E(n,m)=1\\ n\&NotEqual;m& E(n,m)=0\end{array}\right.\end{array}$ ……公式(7)

权矩阵为 $P=\left[\begin{array}{cc}1./{\mathrm{\&epsiv;}}_1^2& 0\\ 0& 1./{\mathrm{\&epsiv;}}_3^2\end{array}\right];$

权矩阵中的./表示矩阵每个对角线上的值等于1除以数组中对应每个元素。

本发明实施例中，由于预测模型本身有一定的误差，所以预测的位置信息和速度也存在误差，而卫星观测方程也存在误差，所以采用加权最小二乘对这些方程进行联合解算，权重取自于观测或预测误差，卫星观测方程误差可以取自经验误差公式，预测方程误差取自自适应估计过程，即采用前预测值和前解算值差值的统计标准差作为误差。

本发明实施例提供的方法可以应用于正常和复杂环境下的卫星定位导航。接收机在第M历元观测到N个卫星，接收机会根据运动载体的历史历元信息对载体轨迹和速率进行分析，并预测本历元的速度和信息，结合预测的位置，速度信息和卫星观测方程实现联合解算，当N小于第一阈值时表明卫星观测数不足，预测定位方程式的引入能够弥补卫星观测数不足并实现滤波解算结果作用。

本发明实施例将运动轨迹与速率相分离，分别确定出移动载体的运动轨迹信息和速率，使得移动载体的位置信息约束于运动轨迹和速率，进而根据通过将运动轨迹信息、速率以及观测信息相结合得到移动载体的位置信息，结果更接近于现实情况。在卫星可视情况差且缺乏其它传感器的条件下，采用上述运动轨迹的约束方式，从最大程度上结合历史信息完成对移动载体下一个时刻的位置信息和速度的预测。

图4a为移动载体实际运行轨迹示意图，图4b为采用本发明实施例中的方法预测得到的移动载体运行轨迹示意图，图4c为采用卡尔曼算法预测得到的移动载体运行轨迹示意图。通过图4a和图4b可看出，采用本发明实施例中的方法预测得到的移动载体运行轨迹与移动载体实际运行轨迹具有较高的吻合度；通过图4b和图4c可看出，采用本发明实施例中的方法预测得到的移动载体运行轨迹相比于采用卡尔曼算法预测得到的移动载体运行轨迹更加平滑，定位精度更高，更符合实际情况。因此，本发明实施例采用的确定移动载体位置信息和速度的方法更适合于拟合实际情况下的移动载体的运行轨迹，而且在一定程度上提高了定位精度。尤其是，当移动载体做转弯运动时，本发明实施例具有更高的预测精度。

针对上述方法流程，本发明实施例还提供一种接收机，该接收机的具体内容可以参照上述方法实施。

图5为本发明实施例提供的接收机的结构示意图，该接收机包括：

获取观测信息模块501，用于在第M历元获取N个卫星的观测信息；M、N均为大于等于1的整数；

确定运动轨迹信息模块502，用于在N小于第一阈值的情况下，根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息；

确定速率模块503，用于根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率；

预测位置信息和速度模块504，用于根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

较佳地，所述确定运动轨迹信息模块502具体用于：

根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，进而确定所述P个历元的转角和；

若所述P个历元的转角和小于等于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为直线；若所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线。

较佳地，所述确定运动轨迹信息模块502具体用于：

获取第M-P-1历元至第M-1历元中各个历元对应的转角和；其中，一个历元对应的转角和是指第1历元至该历元中的各个历元的转角之和；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现减少的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第一方向的弧线；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现增加的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第二方向的弧线。

较佳地，所述确定运动轨迹信息模块502具体用于：

通过以下方式确定所述P个历元中的第i历元的转角：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arccos \left(\frac{V_i\&CenterDot;V_{i+1}}{\left|V_i\right|\left|V_{i+1}\right|}\right)\mathrm{sgn},\left\{\begin{array}{ccc}if& V_i\&times;V_{i+1}>0& \mathrm{sgn}=-1\\ if& V_i\&times;V_{i+1}<0& \mathrm{sgn}=1\end{array}\right.$

其中，θ_i为所述第i历元的转角；V_i表示第i历元的速度，V_i+1表示第i+1历元的速度。较佳地，所述预测位置信息和速度模块504具体用于：

根据获取到的N个卫星的观测信息，得到N个导航定位方程式；

根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息和所述第M历元的速率，得到预测定位方程式；

将所述N个导航定位方程式和预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

较佳地，所述预测位置信息和速度模块504具体用于：

将所述预测定位方程式和所述N个导航定位方程式进行结合，得到的观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}GT=b+{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ S_M=f\left(S_{M-P-1},...,S_{M-1},g\left(|V{|}_{M-P-1},...,|V_{M-1}|,\mathrm{\&Delta;}t\right),\mathrm{\&Delta;}t\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right.$

其中，GT＝b+ε₁是根据所述N个导航定位方程式得到的，T为卫星导航设定的参数，G为所述卫星导航设定的参数的系数矩阵，b是线性化后的残差，ε₁表示导航定位方程式的误差；S_M为第M历元对应的路程，即第M-1历元至第M历元移动载体的路程；

S_M＝f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)+ε₃为所述预测定位方程式，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为路程轨迹方程的误差，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数；

通过求解所述观测方程，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

从上述内容可以看出：

本发明实施例中，接收机在第M历元获取N个卫星的观测信息，在N小于第一阈值的情况下，接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息，从而使确定出的移动载体的运动轨迹更符合实际情况；接收机根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率，从而使得确定的速率更加准确；接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、速率、以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。本发明实施例将运动轨迹与速率相分离，分别确定出移动载体的运动轨迹信息和速率，使得移动载体的位置信息约束于运动轨迹和速率，进而根据通过将运动轨迹信息、速率以及观测信息相结合得到移动载体的位置信息，结果更接近于现实情况。在卫星可视情况差且缺乏其它传感器的条件下，采用上述运动轨迹的约束方式，从最大程度上结合历史信息完成对移动载体下一个时刻的位置信息和速度的预测。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种确定移动载体位置信息和速度的方法，其特征在于，包括：

接收机在第M历元获取N个卫星的观测信息；M、N均为大于等于1的整数；

在N小于第一阈值的情况下，所述接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息；

所述接收机根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率；

所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收机根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息，包括：

所述接收机根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，进而确定所述P个历元的转角和；

若所述P个历元的转角和小于等于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为直线；若所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接收机确定所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线，包括：

所述接收机获取第M-P-1历元至第M-1历元中各个历元对应的转角和；其中，一个历元对应的转角和是指第1历元至该历元中的各个历元的转角之和；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现减少的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第一方向的弧线；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现增加的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第二方向的弧线。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接收机根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，包括：

所述接收机通过以下方式确定所述P个历元中的第i历元的转角：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arccos \left(\frac{V_i\&CenterDot;V_{i+1}}{\left|V_i\right|\left|V_{i+1}\right|}\right)\mathrm{sgn},\left\{\begin{array}{ccc}if& V_i\&times;V_{i+1}>0& \mathrm{sgn}=-1\\ if& V_i\&times;V_{i+1}<0& \mathrm{sgn}=1\end{array}\right.$

其中，θ_i为所述第i历元的转角；V_i表示第i历元的速度，V_i+1表示第i+1历元的速度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度，包括：

所述接收机根据获取到的N个卫星的观测信息，得到N个导航定位方程式；

所述接收机根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息和所述第M历元的速率，得到预测定位方程式；

所述接收机将所述N个导航定位方程式和预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收机将所述N个导航定位方程式和所述预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度，包括：

所述接收机将所述预测定位方程式和所述N个导航定位方程式进行结合，得到的观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}GT=b+{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ S_M=f\left(S_{M-P-1},...,S_{M-1},g\left(|V{|}_{M-P-1},...,|V_{M-1}|,\mathrm{\&Delta;}t\right),\mathrm{\&Delta;}t\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right.$

其中，GT＝b+ε₁是根据所述N个导航定位方程式得到的，T为卫星导航设定的参数，G为所述卫星导航设定的参数的系数矩阵，b是线性化后的残差，ε₁表示导航定位方程式的误差；

S_M＝f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)+ε₃为所述预测定位方程式，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度；Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为路程轨迹方程的误差，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数；

所述接收机通过求解所述观测方程，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

7.一种接收机，其特征在于，包括：

获取观测信息模块，用于在第M历元获取N个卫星的观测信息；M、N均为大于等于1的整数；

确定运动轨迹信息模块，用于在N小于第一阈值的情况下，根据与所述接收机对应的移动载体在所述第M历元相邻的前P个历元的运动轨迹信息，确定所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息；

确定速率模块，用于根据所述移动载体在所述前P个历元的速率，确定所述移动载体在第M历元的速率；

预测位置信息和速度模块，用于根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息、第M历元的速率以及所述N个卫星的观测信息，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

8.如权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述确定运动轨迹信息模块具体用于：

根据所述移动载体在所述P个历元中各个历元的速度，确定所述移动载体在所述P个历元中各个历元的转角，进而确定所述P个历元的转角和；

若所述P个历元的转角和小于等于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为直线；若所述P个历元的转角和大于第二阈值，则确定所述移动载体的运动轨迹为弧线。

9.如权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述确定运动轨迹信息模块具体用于：

获取第M-P-1历元至第M-1历元中各个历元对应的转角和；其中，一个历元对应的转角和是指第1历元至该历元中的各个历元的转角之和；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现减少的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第一方向的弧线；

若从第M-P-1历元对应的转角和至第M-1历元对应的转角和呈现增加的状态，则确定所述移动载体的运动轨迹为沿第二方向的弧线。

10.如权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述确定运动轨迹信息模块具体用于：

通过以下方式确定所述P个历元中的第i历元的转角：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arccos \left(\frac{V_i\&CenterDot;V_{i+1}}{\left|V_i\right|\left|V_{i+1}\right|}\right)\mathrm{sgn},\left\{\begin{array}{ccc}if& V_i\&times;V_{i+1}>0& \mathrm{sgn}=-1\\ if& V_i\&times;V_{i+1}<0& \mathrm{sgn}=1\end{array}\right.$

其中，θ_i为所述第i历元的转角；V_i表示第i历元的速度，V_i+1表示第i+1历元的速度。

11.如权利要求7所述的接收机，其特征在于，所述预测位置信息和速度模块具体用于：

根据获取到的N个卫星的观测信息，得到N个导航定位方程式；

根据所述移动载体在第M历元的运动轨迹信息和所述第M历元的速率，得到预测定位方程式；

将所述N个导航定位方程式和预测定位方程式进行结合，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。

12.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，所述预测位置信息和速度模块具体用于：

将所述预测定位方程式和所述N个导航定位方程式进行结合，得到的观测方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}GT=b+{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ S_M=f\left(S_{M-P-1},...,S_{M-1},g\left(|V{|}_{M-P-1},...,|V_{M-1}|,\mathrm{\&Delta;}t\right),\mathrm{\&Delta;}t\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_3\end{array}\right.$

其中，GT＝b+ε₁是根据所述N个导航定位方程式得到的，T为卫星导航设定的参数，G为所述卫星导航设定的参数的系数矩阵，b是线性化后的残差，ε₁表示导航定位方程式的误差；

S_M＝f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)+ε₃为所述预测定位方程式，S_M为第M历元对应的位置信息和速度；S_M-P-1为第M-P-1历元对应的位置信息和速度；S_M-1为第M-1历元对应的位置信息和速度；Δt为相邻历元的时间间隔，ε₃为路程轨迹方程的误差，g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt)表示速率变化函数，f(S_M-P-1,...,S_M-1,g(|V|_M-P-1,...,|V_M-1|,Δt),Δt)表示根据第M历元的运动轨迹信息得到的预测函数；

通过求解所述观测方程，得到所述移动载体在第M历元的位置信息和速度。