一种手机agps定位的方法
一种手机agps定位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种AGPS定位系统中的定位算法，尤其涉及一种手机AGPS定位的分 析方法。
【背景技术】
[0002] 随着AGPS思想的产生，相应的AGPS定位算法出现，但是定位算法中需要接收时刻 时间偏差小于l〇〇us，距离近似位置小于10km。对于蜂窝手机定位来说，在市区环境中用户 与基站位置的距离都能满足距离小于l〇km的要求。接收机接收时刻的时间偏差受传输网 络的影响，有时会出现接收时刻时间偏差远远超过l〇〇us的现象，需要重新分析并确定定 位算法。2000年Syr jarinne提出了导航电文互相关方法，该方法首先利用辅助信息重建导 航电文数据，然后将重建的导航电文数据与接收的卫星信号进行互相关操作，由此恢复完 整的信号发射时刻，最后采用传统定位算法解算接收机位置。这种方法导致定位时间长，在 微弱信号环境里运算量大，并且由于检测互相关峰值的虚警率太高，导致该方法难于应用。 随后增强型三角测量方法被提出，该方法利用信号发射时刻中的已知部分和未知部分间的 关系，给出了求解信号发射时刻的近似公式，并对五颗以上的观测卫星建立了定位解算迭 代方程，然而该迭代方程是否收敛得不到理论证明。参考文献中提出了基于模糊度搜索的 AGPS算法，存在问题是搜索过程中运算量较大，并且需要接收五颗以上卫星才能实现定位。
[0003] 虽然AGPS定位已得到了一定程度的应用，可其中的定位算法却存在着一些问题： 1)没有对现有定位算法进行全面的分析并诊断出存在的全部问题；2)增加未知数来解决 信号发射时刻模糊度的问题，需要5颗卫星以上的信号；3)采用搜索算法解决信号发射时 刻模糊度的问题，需要大量的运算量。
[0004] 该专利采用模糊失真理论与多项式拟合方法消除传统定位算法中的一场定位偏 差与现行定位偏差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种手机AGPS定位的方法。
[0006] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0007] 本发明包括以下步骤：
[0008] (1)因为基站位置与接收机位置较近，所以利用信号从卫星到基站的传输时间作 为信号到接收机的传输时间，最大不会超过〇. 02335ms，因此把这个当作信号到接收机的传 输时间，进行伪距恢复的基础；
[0009] (2)由于在伪距恢复过程中，产生了定位结果较大的偏差，达到几百公里。本专利 采用模糊失真理论消除该定位偏差；采用相对于基站仰角最大卫星到基站的传输时间作为 这颗卫星到接收机的传输时间；
[0010]
[0012] 其中fax(ei为仰角最大的卫星传输时间，为仰角最大的卫星传输的码片， <为各个卫星的传输码片值；将经过K平移量后尤代替cU十算信号从各卫星到接收机传 输时间；
[0013] (3)由于参考时刻偏差的不确定性，造成发射信号时刻偏差，从而影响卫星发射测 量信号时的位置，产生定位偏差；在位置解算过程中采用多项式拟合或其它的数学方法消 除该定位偏差；％ (i = 0, 1，2)代表三个未知数，pn(x)为目标函数；
[0015] 产生一个-1000~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有 参考时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标 函数值；以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参 考时刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算， 得到两个目标函数值；以上两个步骤在三
[0016] 个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未知系数的值。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 本发明是一种手机AGPS定位的方法，与现有技术相比，本发明采用去除异常定位 偏差与线性定位偏差算法。异常定位偏差在参考时刻偏差的某个区域出现，一旦出现，定位 偏差达到几百公里。采用模糊失真理论方法消除异常定位偏差。线性定位偏差随着参考时 刻偏差的增大而增大。参考时刻偏差的增大与定位解算中的目标函数有关，目标函数随参 考时间的偏差呈现二次相关性。通过多项式拟合目标函数曲线，确定最低点的值校正参考 时间，从而消除线性定位偏差。
【附图说明】
[0019]图1是本发明定位偏差与参考时刻偏差的关系图；
[0020] 图2是本发明异常定位偏差与参考时刻偏差的关系图；
[0021] 图3是本发明线性定位偏差与参考时刻偏差的关系图；
[0022] 图4是本发明钟差分别位于-ls、〇S、ls的整毫秒内出现异常定位结果的个数图；
[0023] 图5是本发明有参考时刻偏差的传输原理图；
[0024] 图6是本发明接收时刻在整毫秒内不同时刻变化时的接收数据分析图；
[0025] 图7是本发明仰角最大的卫星相对于基站与接收机的距离图；
[0026] 图8是本发明整码片平移后定位偏差随参考时刻偏差变化情况图；
[0027] 图9是本发明第2组数据线性定位偏差图；
[0028] 图10是本发明线性定位均偏差图；
[0029] 图11是本发明参考时刻偏差1ms内定位均偏差变化情况；
[0030] 图12是本发明目标函数随参考时刻偏差（-1~Is)的变化图；
[0031] 图13是本发明目标函数随参考时刻偏差（-100~100ms)的变化图；
[0032]图14是本发明-1~Is之间的随机数作为参考时刻偏差拟合的目标函数图；
[0033] 图15是本发明180组数据定位100次的平均偏差图；
[0034] 图16是本发明第50次180组数据定位偏差图；
[0035] 图17是本发明无附加参考时刻偏差时的定位偏差图；
[0036] 图18是本发明100次测试参考时刻偏差均值与第50次测试对比图；
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0038] 本发明包括以下步骤：
[0039] (1)因为基站位置与接收机位置较近，所以利用信号从卫星到基站的传输时间作 为信号到接收机的传输时间，最大不会超过〇. 02335ms，因此把这个当作信号到接收机的传 输时间，进行伪距恢复的基础；
[0040] (2)由于在伪距恢复过程中，产生了定位结果较大的偏差，达到几百公里。本专利 采用模糊失真理论消除该定位偏差；采用相对于基站仰角最大卫星到基站的传输时间作为 这颗卫星到接收机的传输时间；
[0043] 其中纟广(0)为仰角最大的卫星传输时间，CT(S)为仰角最大的卫星传输的码片， <为各个卫星的传输码片值；将经过K平移量后之代替 < 计算信号从各卫星到接收机传 输时间；
[0044] (3)由于参考时刻偏差的不确定性，造成发射信号时刻偏差，从而影响卫星发射测 量信号时的位置，产生定位偏差；在位置解算过程中采用多项式拟合或其它的数学方法消 除该定位偏差；％ (i = 0, 1，2)代表三个未知数，pn(x)为目标函数；
[0046] 产生一个-1000~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有 参考时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标 函数值；以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参 考时刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算， 得到两个目标函数值；以上两个步骤在三
[0047] 个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未知系数的值。
[0048] 定位结果分析：
[0049] 使用实验室研制定位设备（定位芯片为SiRFstarlll GSD3t)对算法进行测试，接 收机天线放在某楼顶上（四层楼，旁边还有其它楼），从8:30~20:30共12个小时，每个4 分钟测试一次，共进行180组测试，并从中得出定位所需的数据。对AGPS定位算法进行定位 性能分析。真实位置为NovAtel公司高性能接收机定位结果的平均值，炜度39. 959103° N， 经度116. 352853° E，高度56. 3m，认为是测量位置的真实位置，作为衡量定位结果的参考 点。定位结果的经炜度与中心的距离，根据所在的真实位置确定转化式，将经炜度转化为了 米制。
[0051] 式中（X，Y)是折算后的位置相对于真实位置米制水平方向偏差值，（B，L)为定位 结果的经炜度。
[0052] 如图1至图4所示：当参考时刻偏差在0. 5ms整数倍左右，约为
[0054] 时，定位结果异常，误差较大，误差达到200km以上，这部分与整毫秒钟差关系不 大，在某些相邻的整毫秒部分出现跳变点。
[0055] 当参考时刻偏差满足
[0057] 时，随着参考时刻偏差的变大，定位结果的精度变低。定位结果偏差与整毫秒偏差 基本呈线性关系。
[0058] 参考时刻偏差从0到Is的每个整ms中，定位结果的异常的个数不一定相同，对 于某一次测量来说，定位结果的异常个数会随着接收机整ms钟差不同有所不同，从整体来 说，在每个整ms内定位结果异常数都在13~27个范围之内。
[0059] 从以上结论中可以得出，AGPS定位系统中采用这种定位算法，对接收机时间精确 性的要求比较高，不能超过0. 49ms，对于一般的接收机来说，这样的精度是无法达到的，需 要采取其它措施对接收机精度进行补偿，比如通过得到辅助数据及传输数据的延迟对接收 机精度进行补偿。对辅助数据中时间的误差与传输时间的时间偏差精度要求较高，不能超 过 0. 49ms。
[0060] 定位偏差
[0061] 当接收机的钟差不能控制在0. 49ms以内时，定位结果可能会出现非常多大的偏 差，可以达到300km的定位偏差，无论对那个应用领域，这样的定位偏差都是无法接收的。 这部分内容分析的是AGPS定位系统中，随着参考时刻偏差的变化而引起的定位偏差。对于 电离层、对流层、相对论效应引起的定位偏差没有进行分析，相应的参考资料中进行了详细 的分析。
[0062] 定位偏差种类
[0063] 从图1、图3中可以看出，定位偏差主要有两类，一类为线性定位偏差，比如图3中 的偏差；另一类为异常定位偏差，比如图1的中间异常窄带处和图2中异常定位偏差的变化 情况。图2与图3显示这两部分偏差范围明显不同。
[0064] 异常定位偏差
[0065] 异常定位偏差是参考时刻偏差约满足式（2)，就会出现异常定位偏差。异常定位偏 差的变化没有明显的规律，偏差很大（见图2)，所以称这部分偏差为异常定位偏差。在定位 时要严格控制参考时刻偏差在〇. 49ms内，才会避免这类误差出现。
[0066] 线性定位偏差
[0067] 线性定位偏差是参考时刻偏差满足式（3)，出现的定位偏差为线性定位偏差。线性 定位偏差变化相对缓慢（见图3)，随着参考时刻偏差的变化而呈线性变化，参考时刻偏差 越大，定位偏差越大。参考时刻偏差从-Is~Is变化时，三个方向上的定位偏差呈线性变 化。东向偏差是从负的最大到正的最大线性变化，北向偏差和高度偏差是从正的最大到负 的最大变化，并且相对于参考时刻偏差为零的点偏差基本对称。
[0068] 定位偏差来源
[0069] 异常定位偏差在接收机每个整毫秒的偏差内都可能出现，线性定位偏差随着参考 时刻整毫秒偏差的变大而线性增大，分析这两类误差是怎么产生的。
[0070] 异常定位偏差来源
[0071] 从图2中可以看出，当参考时刻偏差在某一时刻区间时，基本都会出现异常定位 偏差。参考时刻偏差在每个整毫秒内的异常定位偏差的码片个数在13~27之间（见图 4)。分析产生这种现象的原因，考察参考时刻偏差在0~1022整码片之间变化的信号传 输时间，以图1中的数据为例，分别选取了钟差为0、300、505、510、515、700个整码片六个点 进行分析。其中钟差为〇就是接收机不存在钟差，得到的传输时间是信号从卫星到接收机 传输时间的真实值。300、700个整码片钟差处在只有线性定位偏差区域，505、510、515个整 码片点处在异常定位偏差区域（见表1)。
[0072] 表1不同的码片偏差计算得到的信号传输时间/ms
[0074] 从表1可以得出以下结论：
[0075] 当参考时刻偏差为零时，接收时刻信号从卫星到接收机的传输时间是信号真实的 传输时间。
[0076] 当参考时刻偏差为300码片时，接收时刻信号从卫星到接收机的传输时间比信号 真实的传输时间都多〇. 2932ms (300码片的时间）。当参考时刻偏差为700码片时，接收时 刻信号从卫星到接收机的传输时间与信号真实的传输时间相比，卫星对应的传输时间都少 0? 3157ms (323码片的时间）
[0077] 当参考时刻偏差为505码片时，接收时刻信号从卫星到接收机的传输时间与信号 真实的传输时间相比，第3、8、11、19、28号卫星对应的传输时间都增加0.4936ms (505码片 的时间），第17、25、27号卫星对应的传输时间都减少0. 5064ms(相当于518码片的时间）； 当参考时刻偏差为510码片时，第3、19、28号卫星对应的传输时间都增多0. 4985ms (510码 片时间），第8、11、17、25、27号卫星对应的传输时间都减少0. 5015ms (513码片时间）；当 参考时刻偏差为515码片时，第3、19号卫星对应的传输时间多0. 5034ms (515码片时间）， 第8、11、17、25、27、28号卫星少 0.49661118(508 码片时间）。
[0078] 卫星位置的变化随着参考时刻偏差的变化而变化，在线性定位偏差中已经分析卫 星位置的变化随着参考时刻偏差的变大而增大，lms内的钟差造成的卫星位置的偏离对定 位偏差的影响很小，相对于异常定位偏差忽略不计。当从卫星到移动台的传输时间同时增 大或减小时，不会出现异常定位偏差，比如偏差为300、700码片。这样的偏差被解算为钟 差。
[0079] 当参考时刻偏差分别为505、510、515、520码片时，出现异常定位偏差。在每个时 刻计算出的信号从卫星到接收机的传输时间有的增加、有的减少，这样传输时间的变化不 能转化到参考时刻偏差上，出现了异常定位偏差。其中钟差为505码片、510码片和515码 片的传输时间的变化情况各不相同，钟差为505码片时，5颗卫星信号的传输时间增多，3颗 卫星信号减少；钟差为510码片时，3颗卫星型号的传输时间增多，5颗卫星信号的传输时间 减少；钟差为515码片时，2颗卫星信号的传输时间增多，6颗卫星信号的传输时间减少。由 于在钟差（505、510和515码片）不同的接收时刻，存在着信号传输时间变化情况（5个增 多，3个增多和2个增多）的不一致，在这几个钟差之间，出现较大的跳跃点，定位偏差的变 化较大。
[0080] 线性定位偏差来源
[0081] 这类定位偏差是参考时刻偏差的存在而使得卫星在发射接收信号时的时间不确 定性造成的。接收机接收卫星信号时刻为t,，真实时间（GPS时）为t,+Vt,。接收机时钟快， Vt/0 ;接收机时钟慢，Vt,>0。卫星运行速度约为3.9km/s，基本都是切向运行，法线方向上 的速度很小，不影响伪距计算。接收机在接收时亥Uk，得到整码片与碎码片，根据计算卫星 位置，接收时刻的卫星信号从图5中点1时刻发射的。因为接收机有钟差存在，计算出的卫 星信号是点2时刻发射的，计算出卫星到基站的信号传输时间，得到信号从卫星到接收机 传输时间。
[0082] 计算出的传输时间是卫星从点1时刻 发送信号到接收机的传输时间。由于接收机 存在钟差，所有卫星在点1真实时刻（GPS时）就无法知道，在解算接收机位置时使用的卫 星位置是根据接收机接收时刻十算得到的。偏离卫星发射接收机接收得到的信号的发 射位置，结果就产生了线性定位偏差。这类偏差是与参考时刻偏差基本上呈线性关系变化， 钟差越大，定位偏差越大。
[0083] 消除异常定位偏差
[0084] AGPS定位系统带来的定位偏差来源，一类是异常定位偏差，另一类是线性定位偏 差。这两类定位偏差都是由参考时刻偏差造成的，只要接收机存在钟差，就有线性定位偏 差，随着钟差的增大而变大，基本呈线性关系（见图3)。只有当参考时刻偏差满足时，才会 出现异常定位偏差，出现异常定位偏差的范围内，偏差与参考时刻偏差的变化没有比例关 系，相对于线性定位偏差来说，异常定位偏差非常大（见图1)。异常定位偏差是由于信号从 卫星到接收机传输时间变化不一致（有的增加，有的减少）造成的。
[0085] 边界模糊处理
[0086] 当接收机接收信号的参考时刻在图6中时刻2与时刻3之间时，按照上边的方法 求出的就会出现错乱（见表1)。
[0087] 当参考时刻偏差Vt,>0. 49ms时，接收时刻无法知道GPS准确时间，接收信号的时 刻随机平均的分布在GPS时间整毫秒中的各个位置，tt,与t b的最大时间差0. 02335ms，卫 星信号的传输时间出现错乱的最大区域为图6中的时刻2~3区域中，出现异常定位偏 差的比率是4. 67%。
[0088] 当接收机接收时刻处在图6中时刻2与时刻3之间时，产生异常定位偏差。在时 刻1和时刻2、时刻3与时刻4之间都不会出现异常定位偏差。当接收机存在0. 49ms以上 的钟差时，接收时刻就有可能落入时刻2与时刻3之间，就会产生异常定位偏差，一旦产生 异常定位偏差，定位偏差就会达到l〇〇km或更高，这样的结果对于定位来说没有意义。
[0089] 接收机在时刻i接收到的整码片与接收机在时刻j接收的整码片满足
[0091] 当接收机接收时刻处在时刻2与时刻3之间时，选取合适的K值对每个卫星的整 码片进行移动，能够各卫星的整码片移动到相当于在时刻1与时刻2、时刻3与时刻4之间 的时刻接收到的整码片与碎码片，这个过程在这里称为整码片平移。
[0092] 确定平移量
[0093] 参考时刻偏差是个未知数，仅凭接收时刻接收卫星信号的整码片，无法确定码片 平移量，考虑使用其它的隐含信息来确定平移量。
[0094] 接收机能接收到信号的任何一颗卫星到基站的信号传输时间作为这个卫星到接 收机的信号传输时间，都不会超过〇. 02335ms的传输偏差，卫星相对于基站的仰角越大，卫 星到基站的信号传输时间与到接收机的传输时间越接近。所以采用相对于基站仰角最大卫 星到基站的传输时间作为这颗卫星到接收机的传输时间（见图7)。
[0098] 将经过K平移量后代替计算信号从各卫星到接收机传输时间。
[0099] 由整码片平移计算过程的公式可以知道，整码片平移处理只是在接收机整毫秒钟 差内进行移动，足可以使参考时刻偏差满足，在这个范围内不会产生异常定位偏差。通过整 码片平移消除异常定位偏差，这类偏差也是AGPS定位中最大的偏差问题。使得当参考时刻 偏差大于0. 49ms时，不会出现异常定位偏差。
[0100] 定位算法性能
[0101] 图8表明了定位偏差随参考时刻偏差的增大而变大，与图1、图3对比可以看出，改 进的AGPS定位算法只存在线性定位偏差。从图中可以看出，相对于参考时刻偏差在每个毫 秒内来说，线性定位偏差几乎相同。
[0102] 表2线性定位均偏差随钟差的变化
[0104] 从图1与图8对比可以看出，经过整码片平移技术处理的AGPS定位算法，消除了 异常定位偏差。定位结果中，一旦出现异常定位偏差，定位结果有百公里以上的定位偏差。 当接收机定位时，又不能判断出本次定位是否是出现异常定位偏差的定位结果，很难保证 定位精度。线性定位偏差是随着参考时刻偏差的增大而线性变大（见图8、图9、图10)，当 参考时刻偏差为l〇〇ms时，180次定位的线性定位均偏差为：44. 002m(东向）、23. 410m(北 向）、41. 237m(高度）。参考时刻偏差越小，定位精度越高（见表2)。参考时刻偏差在lms内 为0ms时，定位均偏差最小，为lms时，定位均偏差最大，线性定位均偏差随着参考时刻偏差 的增大而变大。其中最大的定位偏差为3. 858m。当参考时刻偏差异常定位偏差超过0. 49ms 时，定位偏差就有可能达到几百公里。当能将参考时刻偏差控制在100ms以内时，经过整码 片平移后各个方向上的最大平均定位偏差为44. 002m，与异常定位偏差相比相差104的数 量级。而这时的参考时刻偏差为l〇〇ms，相对于出现异常定位偏差的钟差大于0. 49ms来说， 相差200多倍。因此，边界模糊技术消除了异常定位偏差，提高了定位精度。线性定位偏差 与参考时刻偏差呈线性关系，降低线性定位偏差，需要提高接收机时钟精度，或者采用其它 方法校正参考时刻偏差，提高接收机时间的准确性。
[0105] 消除线性定位偏差
[0106] AGPS定位系统带来的定位偏差来源，一类是线性定位偏差，另一类是异常定位偏 差。这两类定位偏差都是有参考时刻偏差造成的，只要接收机存在钟差，就有线性定位偏 差，随着钟差的增大而变大，基本呈线性关系（见图3)。根据异常定位偏差来源，采用整 码片平移技术消除了异常定位偏差。线性定位偏差虽然没有异常定位偏差大，当参考时 刻偏差为Is时，180组定位数据东向、北向和高度三个方向上的平均线性定位偏差分别为 444. 009m、228. 377m和402. 740m(见表2)，定位偏差较大，多数用户都是无法忍受的。本节 研宄消除线性定位偏差的方法。
[0107] 分析与线性定位偏差相关联的因素
[0108] 从图8~图11四个分析图显示了线性定位偏差随参考时刻偏差呈现出的线性变 化规律。在定位性能分析中存在两个前提条件：1)已知参考时刻偏差；2)接收机的真实位 置。或者知道其中的一个条件可以近似推算另一个。这样就可以根据图形中的关系确定最 小线性定位偏差点，提高定位精度，也可以准确地确定参考时刻偏差。为了分析定位性能才 给出接收位置的准确位置。然而实际上接收机在定位之前并不知道所在的准确位置。
[0109] 当接收机时间无法准确确定时，前面的定位方法只能近似地消除整毫秒以内的参 考时刻偏差。经过式（4)整码片平移之后，得到卫星到测站的伪距，并进行接收机位置的解 算，最后得到其中的时间差未知数小于lms，这样得到的时间的未知数并非是传统定位算法 中的参考时刻偏差。利用前面的方法无法消除整毫秒以上的参考时刻偏差，也就无法消除 线性定位偏差。
[0110] 在位置解算的过程中，大多数情况下是解超定方程组并且采用迭代的方式解方程 组，在得到最终方程组的解时存有残差，残差平方和也就是目标函数值。
[0111] 从图12中的变化曲线可以看出，目标函数随参考时刻偏差的变化呈现出二次曲 线关系。图13进一步考察了小范围参考时刻偏差时目标函数的变化关系，也是呈现二次曲 线关系。从而考虑建立目标函数与参考时刻偏差的二次曲线模型。
[0112] 拟合目标函数的二次曲线
[0113]由目标函数与参考时刻偏差的二次曲线关系，建立目标函数的二次模型
[0115] 二次模型曲线中有aji = 0, 1，2)三个待确定的未知系数，所以在图12的曲线中 需要至少三个曲线上的已知点才能确定三个未知系数。在位置解算的过程中，虽然不知道 定位结果的偏差，但可以由每次定位结果得到目标函数值，所以只要随机确定三个相差不 大的接收机时刻，得到目标函数，就能确定三个未知系数，从而拟合出二次曲线。拟合二次 曲线的步骤如下：
[0116] 产生一个-100 0~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有 参考时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标 函数值；
[0117] 以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参 考时刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算， 得到两个目标函数值；
[0118] 以上两个步骤在三个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未知系数的 值。
[0119] 对这两个钟差分别拟合目标函数的二次曲线，得到曲线图形如图14所示，图形中 产生的两个随机数为787ms和-179ms。从图形中可以看出，这两个图形的形状相似，只是最 小值的位置不同。
[0120] 100次均值一项为随机产生100个-1000ms~1000ms之间的数，分别附加到接收 时刻上得到新的接收时刻值，最后计算的结果值平均。表3中可以看出求得的目标函数二 次曲线系数a非常接近，只是相差0. 0002,进一步说明了不同参考时刻偏差拟合的目标函 数的二次曲线形状基本相同。对100个随机的参考时刻偏差进行运算结果中，二次曲线系 数a的平均值为0. 2516,系数范围为0. 2516±0. 0001，相对变化区间为±0.03975%。说明 了对每个随机参考时刻偏差进行目标函数的拟合得到的曲线形状具有很好的一致相似性。
[0121] 表3对不同钟差拟合目标函数得到各个指标：
[0124] 消除线性定位偏差
[0125] 从图14中曲线看出，目标函数曲线形状相似，当随机数分别为787和-179时，目 标函数的最小值约在-787位置和179位置处。表3中数据显示钟差为787ms时，目标函数 的最低点为-790. 5681ms，钟差为-179ms时最低点为175. 7104ms，说明与随机钟差具有相 关性。考察产生其它的随机数也存在这样的关系，可以得出结论，目标函数的最低点处横坐 标值是与参考时刻偏差密切相关具有普遍性。
[0126] 根据定位解算中的目标函数与参考时刻偏差的关系，消除线性定位偏差，步骤如 下。
[0127] 由拟合的目标函数二次曲线，可以确定目标函数最低点处对应的横坐标值，将这 个值加到接收机接收时刻上得到新的接收机接收时刻值；
[0128] 利用新的接收机接收时刻值，按照前面的定位方法进行位置解算，得到定位位置。
[0129] 这个定位位置为消除了线性定位偏差的定位位置。
[0130] 定位算法性能
[0131] 从定位精度、参考时刻偏差和算法运算量三个方面分析定位算法性能。
[0132] 定位精度
[0133] 表3说明采用目标函数二次拟合方法最终得到的定位结果具有较好的一致性。取 100个随机数作为参考时刻偏差，进行100次定位取东向偏差、北向偏差和垂向偏差的平均 值。将图15、图16与图17对比，说明采用三点拟合目标函数，然后得到参考时刻偏差，消除 参考时刻偏差，然后再进行位置解算的方法可行，性能较好。
[0134] 从表4中看到，对180组数据全部100次定位东向、北向、垂向和水平方向上的平 均偏差统计值分别为2. 360m、4. 072m、3. 560m和5. 049m，与第50次定位统计值2. 356m、 4. 068m、3. 562m和5. 044m的相比，相差不大，最大相差为水平方向上的平均偏差0. 005m，这 个具体数据值说明了消除线性定位偏差方法具有可行性与稳定性。
[0135] 与没有附加参考时刻偏差的定位结果相比定位偏差略不同。用全部100次定位结 果的统计值相比，东向定位偏差大了 〇. 268m、北向偏差大了 0. 350m、垂向偏差小了 0. 258m、 水平偏差大了 〇. 499m。没有超过0. 5m的，说明当接收机存在Is以内的钟差时，采用消除 线性定位偏差的算法完全可以得到较好的定位结果，与表2中的参考时刻偏差为Is时的 东向、北向和垂向定位偏差444. 009m、228. 377m、402. 740m相比，定位精度有了非常大的改 进。
[0136] 取整3s来度量，作为参考时刻偏差范围进行测试。表4中给出了全部100次解算 和第50解算时东向、北向、垂向和水平方向定位结果的统计值，与钟差在Is以内相比，各个 方向上定位偏差相差不到〇. lm。说明这种消除线性定位偏差算法适用于存在参考时刻偏差 的AGPS定位算法中。
[0137] 参考时刻偏差
[0138] 表3中列出了随机数为787、-179和0时得到的原始数据钟差分别 为-3. 5681ms、-3. 2896ms和-3. 2752ms，最大相差为0. 2909ms，相差不大，说明算法解算得 到钟差结果相一致。从图18中可以看出100次平均值和其中一次的测试得到的钟差值具 有一致性。
[0139] 表4不同的定位算法的均偏差
[0141] 消除线性定位偏差的算法不仅消除了线性定位偏差，提高了定位精度，而且能够 将参考时刻偏差校正在3ms左右。
[0142] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种手机AGPS定位的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 因为基站位置与接收机位置较近，所以利用信号从卫星到基站的传输时间作为信 号到接收机的传输时间，最大不会超过〇. 02335ms，因此把这个当作信号到接收机的传输时 间，进行伪距恢复的基础； (2) 由于在伪距恢复过程中，产生了定位结果较大的偏差，达到几百公里。本专利采用 模糊失真理论消除该定位偏差；采用相对于基站仰角最大卫星到基站的传输时间作为这颗 卫星到接收机的传输时间；其中为仰角最大的卫星传输时间，c：ax(e>为仰角最大的卫星传输的码片，< 为 各个卫星的传输码片值；将经过K平移量后&代替Ct计算信号从各卫星到接收机传输时 间； (3) 由于参考时刻偏差的不确定性，造成发射信号时刻偏差，从而影响卫星发射测量信 号时的位置，产生定位偏差；在位置解算过程中采用多项式拟合或其它的数学方法消除该 定位偏差；％ (i = 0, 1，2)代表三个未知数，pn(X)为目标函数；产生一个-1000~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有参考 时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标函数 值；以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参考时 刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算，得到 两个目标函数值；以上两个步骤在三个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未 知系数的值。
【专利摘要】本发明公开了一种手机AGPS定位的分析方法，本发明采用去除异常定位偏差与线性定位偏差算法。异常定位偏差在参考时刻偏差的某个区域出现，一旦出现，定位偏差达到几百公里。采用模糊失真理论方法消除异常定位偏差。线性定位偏差随着参考时刻偏差的增大而增大。参考时刻偏差的增大与定位解算中的目标函数有关，目标函数随参考时间的偏差呈现二次相关性。通过多项式拟合目标函数曲线，确定最低点的值校正参考时间，从而消除线性定位偏差。
【IPC分类】G01S19/42
【公开号】CN104898141
【申请号】CN201510116333
【发明人】李吉忠, 刘太联
【申请人】青岛农业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月17日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种AGPS定位系统中的定位算法，尤其涉及一种手机AGPS定位的分 析方法。
【背景技术】
[0002] 随着AGPS思想的产生，相应的AGPS定位算法出现，但是定位算法中需要接收时刻 时间偏差小于l〇〇us，距离近似位置小于10km。对于蜂窝手机定位来说，在市区环境中用户 与基站位置的距离都能满足距离小于l〇km的要求。接收机接收时刻的时间偏差受传输网 络的影响，有时会出现接收时刻时间偏差远远超过l〇〇us的现象，需要重新分析并确定定 位算法。2000年Syr jarinne提出了导航电文互相关方法，该方法首先利用辅助信息重建导 航电文数据，然后将重建的导航电文数据与接收的卫星信号进行互相关操作，由此恢复完 整的信号发射时刻，最后采用传统定位算法解算接收机位置。这种方法导致定位时间长，在 微弱信号环境里运算量大，并且由于检测互相关峰值的虚警率太高，导致该方法难于应用。 随后增强型三角测量方法被提出，该方法利用信号发射时刻中的已知部分和未知部分间的 关系，给出了求解信号发射时刻的近似公式，并对五颗以上的观测卫星建立了定位解算迭 代方程，然而该迭代方程是否收敛得不到理论证明。参考文献中提出了基于模糊度搜索的 AGPS算法，存在问题是搜索过程中运算量较大，并且需要接收五颗以上卫星才能实现定位。
[0003] 虽然AGPS定位已得到了一定程度的应用，可其中的定位算法却存在着一些问题： 1)没有对现有定位算法进行全面的分析并诊断出存在的全部问题；2)增加未知数来解决 信号发射时刻模糊度的问题，需要5颗卫星以上的信号；3)采用搜索算法解决信号发射时 刻模糊度的问题，需要大量的运算量。
[0004] 该专利采用模糊失真理论与多项式拟合方法消除传统定位算法中的一场定位偏 差与现行定位偏差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种手机AGPS定位的方法。
[0006] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0007] 本发明包括以下步骤：
[0008] (1)因为基站位置与接收机位置较近，所以利用信号从卫星到基站的传输时间作 为信号到接收机的传输时间，最大不会超过〇. 02335ms，因此把这个当作信号到接收机的传 输时间，进行伪距恢复的基础；
[0009] (2)由于在伪距恢复过程中，产生了定位结果较大的偏差，达到几百公里。本专利 采用模糊失真理论消除该定位偏差；采用相对于基站仰角最大卫星到基站的传输时间作为 这颗卫星到接收机的传输时间；
[0010]
[0012] 其中fax(ei为仰角最大的卫星传输时间，为仰角最大的卫星传输的码片， <为各个卫星的传输码片值；将经过K平移量后尤代替cU十算信号从各卫星到接收机传 输时间；
[0013] (3)由于参考时刻偏差的不确定性，造成发射信号时刻偏差，从而影响卫星发射测 量信号时的位置，产生定位偏差；在位置解算过程中采用多项式拟合或其它的数学方法消 除该定位偏差；％ (i = 0, 1，2)代表三个未知数，pn(x)为目标函数；
[0015] 产生一个-1000~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有 参考时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标 函数值；以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参 考时刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算， 得到两个目标函数值；以上两个步骤在三
[0016] 个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未知系数的值。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 本发明是一种手机AGPS定位的方法，与现有技术相比，本发明采用去除异常定位 偏差与线性定位偏差算法。异常定位偏差在参考时刻偏差的某个区域出现，一旦出现，定位 偏差达到几百公里。采用模糊失真理论方法消除异常定位偏差。线性定位偏差随着参考时 刻偏差的增大而增大。参考时刻偏差的增大与定位解算中的目标函数有关，目标函数随参 考时间的偏差呈现二次相关性。通过多项式拟合目标函数曲线，确定最低点的值校正参考 时间，从而消除线性定位偏差。
【附图说明】
[0019]图1是本发明定位偏差与参考时刻偏差的关系图；
[0020] 图2是本发明异常定位偏差与参考时刻偏差的关系图；
[0021] 图3是本发明线性定位偏差与参考时刻偏差的关系图；
[0022] 图4是本发明钟差分别位于-ls、〇S、ls的整毫秒内出现异常定位结果的个数图；
[0023] 图5是本发明有参考时刻偏差的传输原理图；
[0024] 图6是本发明接收时刻在整毫秒内不同时刻变化时的接收数据分析图；
[0025] 图7是本发明仰角最大的卫星相对于基站与接收机的距离图；
[0026] 图8是本发明整码片平移后定位偏差随参考时刻偏差变化情况图；
[0027] 图9是本发明第2组数据线性定位偏差图；
[0028] 图10是本发明线性定位均偏差图；
[0029] 图11是本发明参考时刻偏差1ms内定位均偏差变化情况；
[0030] 图12是本发明目标函数随参考时刻偏差（-1~Is)的变化图；
[0031] 图13是本发明目标函数随参考时刻偏差（-100~100ms)的变化图；
[0032]图14是本发明-1~Is之间的随机数作为参考时刻偏差拟合的目标函数图；
[0033] 图15是本发明180组数据定位100次的平均偏差图；
[0034] 图16是本发明第50次180组数据定位偏差图；
[0035] 图17是本发明无附加参考时刻偏差时的定位偏差图；
[0036] 图18是本发明100次测试参考时刻偏差均值与第50次测试对比图；
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0038] 本发明包括以下步骤：
[0039] (1)因为基站位置与接收机位置较近，所以利用信号从卫星到基站的传输时间作 为信号到接收机的传输时间，最大不会超过〇. 02335ms，因此把这个当作信号到接收机的传 输时间，进行伪距恢复的基础；
[0040] (2)由于在伪距恢复过程中，产生了定位结果较大的偏差，达到几百公里。本专利 采用模糊失真理论消除该定位偏差；采用相对于基站仰角最大卫星到基站的传输时间作为 这颗卫星到接收机的传输时间；
[0043] 其中纟广(0)为仰角最大的卫星传输时间，CT(S)为仰角最大的卫星传输的码片， <为各个卫星的传输码片值；将经过K平移量后之代替 < 计算信号从各卫星到接收机传 输时间；
[0044] (3)由于参考时刻偏差的不确定性，造成发射信号时刻偏差，从而影响卫星发射测 量信号时的位置，产生定位偏差；在位置解算过程中采用多项式拟合或其它的数学方法消 除该定位偏差；％ (i = 0, 1，2)代表三个未知数，pn(x)为目标函数；
[0046] 产生一个-1000~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有 参考时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标 函数值；以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参 考时刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算， 得到两个目标函数值；以上两个步骤在三
[0047] 个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未知系数的值。
[0048] 定位结果分析：
[0049] 使用实验室研制定位设备（定位芯片为SiRFstarlll GSD3t)对算法进行测试，接 收机天线放在某楼顶上（四层楼，旁边还有其它楼），从8:30~20:30共12个小时，每个4 分钟测试一次，共进行180组测试，并从中得出定位所需的数据。对AGPS定位算法进行定位 性能分析。真实位置为NovAtel公司高性能接收机定位结果的平均值，炜度39. 959103° N， 经度116. 352853° E，高度56. 3m，认为是测量位置的真实位置，作为衡量定位结果的参考 点。定位结果的经炜度与中心的距离，根据所在的真实位置确定转化式，将经炜度转化为了 米制。
[0051] 式中（X，Y)是折算后的位置相对于真实位置米制水平方向偏差值，（B，L)为定位 结果的经炜度。
[0052] 如图1至图4所示：当参考时刻偏差在0. 5ms整数倍左右，约为
[0054] 时，定位结果异常，误差较大，误差达到200km以上，这部分与整毫秒钟差关系不 大，在某些相邻的整毫秒部分出现跳变点。
[0055] 当参考时刻偏差满足
[0057] 时，随着参考时刻偏差的变大，定位结果的精度变低。定位结果偏差与整毫秒偏差 基本呈线性关系。
[0058] 参考时刻偏差从0到Is的每个整ms中，定位结果的异常的个数不一定相同，对 于某一次测量来说，定位结果的异常个数会随着接收机整ms钟差不同有所不同，从整体来 说，在每个整ms内定位结果异常数都在13~27个范围之内。
[0059] 从以上结论中可以得出，AGPS定位系统中采用这种定位算法，对接收机时间精确 性的要求比较高，不能超过0. 49ms，对于一般的接收机来说，这样的精度是无法达到的，需 要采取其它措施对接收机精度进行补偿，比如通过得到辅助数据及传输数据的延迟对接收 机精度进行补偿。对辅助数据中时间的误差与传输时间的时间偏差精度要求较高，不能超 过 0. 49ms。
[0060] 定位偏差
[0061] 当接收机的钟差不能控制在0. 49ms以内时，定位结果可能会出现非常多大的偏 差，可以达到300km的定位偏差，无论对那个应用领域，这样的定位偏差都是无法接收的。 这部分内容分析的是AGPS定位系统中，随着参考时刻偏差的变化而引起的定位偏差。对于 电离层、对流层、相对论效应引起的定位偏差没有进行分析，相应的参考资料中进行了详细 的分析。
[0062] 定位偏差种类
[0063] 从图1、图3中可以看出，定位偏差主要有两类，一类为线性定位偏差，比如图3中 的偏差；另一类为异常定位偏差，比如图1的中间异常窄带处和图2中异常定位偏差的变化 情况。图2与图3显示这两部分偏差范围明显不同。
[0064] 异常定位偏差
[0065] 异常定位偏差是参考时刻偏差约满足式（2)，就会出现异常定位偏差。异常定位偏 差的变化没有明显的规律，偏差很大（见图2)，所以称这部分偏差为异常定位偏差。在定位 时要严格控制参考时刻偏差在〇. 49ms内，才会避免这类误差出现。
[0066] 线性定位偏差
[0067] 线性定位偏差是参考时刻偏差满足式（3)，出现的定位偏差为线性定位偏差。线性 定位偏差变化相对缓慢（见图3)，随着参考时刻偏差的变化而呈线性变化，参考时刻偏差 越大，定位偏差越大。参考时刻偏差从-Is~Is变化时，三个方向上的定位偏差呈线性变 化。东向偏差是从负的最大到正的最大线性变化，北向偏差和高度偏差是从正的最大到负 的最大变化，并且相对于参考时刻偏差为零的点偏差基本对称。
[0068] 定位偏差来源
[0069] 异常定位偏差在接收机每个整毫秒的偏差内都可能出现，线性定位偏差随着参考 时刻整毫秒偏差的变大而线性增大，分析这两类误差是怎么产生的。
[0070] 异常定位偏差来源
[0071] 从图2中可以看出，当参考时刻偏差在某一时刻区间时，基本都会出现异常定位 偏差。参考时刻偏差在每个整毫秒内的异常定位偏差的码片个数在13~27之间（见图 4)。分析产生这种现象的原因，考察参考时刻偏差在0~1022整码片之间变化的信号传 输时间，以图1中的数据为例，分别选取了钟差为0、300、505、510、515、700个整码片六个点 进行分析。其中钟差为〇就是接收机不存在钟差，得到的传输时间是信号从卫星到接收机 传输时间的真实值。300、700个整码片钟差处在只有线性定位偏差区域，505、510、515个整 码片点处在异常定位偏差区域（见表1)。
[0072] 表1不同的码片偏差计算得到的信号传输时间/ms
[0074] 从表1可以得出以下结论：
[0075] 当参考时刻偏差为零时，接收时刻信号从卫星到接收机的传输时间是信号真实的 传输时间。
[0076] 当参考时刻偏差为300码片时，接收时刻信号从卫星到接收机的传输时间比信号 真实的传输时间都多〇. 2932ms (300码片的时间）。当参考时刻偏差为700码片时，接收时 刻信号从卫星到接收机的传输时间与信号真实的传输时间相比，卫星对应的传输时间都少 0? 3157ms (323码片的时间）
[0077] 当参考时刻偏差为505码片时，接收时刻信号从卫星到接收机的传输时间与信号 真实的传输时间相比，第3、8、11、19、28号卫星对应的传输时间都增加0.4936ms (505码片 的时间），第17、25、27号卫星对应的传输时间都减少0. 5064ms(相当于518码片的时间）； 当参考时刻偏差为510码片时，第3、19、28号卫星对应的传输时间都增多0. 4985ms (510码 片时间），第8、11、17、25、27号卫星对应的传输时间都减少0. 5015ms (513码片时间）；当 参考时刻偏差为515码片时，第3、19号卫星对应的传输时间多0. 5034ms (515码片时间）， 第8、11、17、25、27、28号卫星少 0.49661118(508 码片时间）。
[0078] 卫星位置的变化随着参考时刻偏差的变化而变化，在线性定位偏差中已经分析卫 星位置的变化随着参考时刻偏差的变大而增大，lms内的钟差造成的卫星位置的偏离对定 位偏差的影响很小，相对于异常定位偏差忽略不计。当从卫星到移动台的传输时间同时增 大或减小时，不会出现异常定位偏差，比如偏差为300、700码片。这样的偏差被解算为钟 差。
[0079] 当参考时刻偏差分别为505、510、515、520码片时，出现异常定位偏差。在每个时 刻计算出的信号从卫星到接收机的传输时间有的增加、有的减少，这样传输时间的变化不 能转化到参考时刻偏差上，出现了异常定位偏差。其中钟差为505码片、510码片和515码 片的传输时间的变化情况各不相同，钟差为505码片时，5颗卫星信号的传输时间增多，3颗 卫星信号减少；钟差为510码片时，3颗卫星型号的传输时间增多，5颗卫星信号的传输时间 减少；钟差为515码片时，2颗卫星信号的传输时间增多，6颗卫星信号的传输时间减少。由 于在钟差（505、510和515码片）不同的接收时刻，存在着信号传输时间变化情况（5个增 多，3个增多和2个增多）的不一致，在这几个钟差之间，出现较大的跳跃点，定位偏差的变 化较大。
[0080] 线性定位偏差来源
[0081] 这类定位偏差是参考时刻偏差的存在而使得卫星在发射接收信号时的时间不确 定性造成的。接收机接收卫星信号时刻为t,，真实时间（GPS时）为t,+Vt,。接收机时钟快， Vt/0 ;接收机时钟慢，Vt,>0。卫星运行速度约为3.9km/s，基本都是切向运行，法线方向上 的速度很小，不影响伪距计算。接收机在接收时亥Uk，得到整码片与碎码片，根据计算卫星 位置，接收时刻的卫星信号从图5中点1时刻发射的。因为接收机有钟差存在，计算出的卫 星信号是点2时刻发射的，计算出卫星到基站的信号传输时间，得到信号从卫星到接收机 传输时间。
[0082] 计算出的传输时间是卫星从点1时刻 发送信号到接收机的传输时间。由于接收机 存在钟差，所有卫星在点1真实时刻（GPS时）就无法知道，在解算接收机位置时使用的卫 星位置是根据接收机接收时刻十算得到的。偏离卫星发射接收机接收得到的信号的发 射位置，结果就产生了线性定位偏差。这类偏差是与参考时刻偏差基本上呈线性关系变化， 钟差越大，定位偏差越大。
[0083] 消除异常定位偏差
[0084] AGPS定位系统带来的定位偏差来源，一类是异常定位偏差，另一类是线性定位偏 差。这两类定位偏差都是由参考时刻偏差造成的，只要接收机存在钟差，就有线性定位偏 差，随着钟差的增大而变大，基本呈线性关系（见图3)。只有当参考时刻偏差满足时，才会 出现异常定位偏差，出现异常定位偏差的范围内，偏差与参考时刻偏差的变化没有比例关 系，相对于线性定位偏差来说，异常定位偏差非常大（见图1)。异常定位偏差是由于信号从 卫星到接收机传输时间变化不一致（有的增加，有的减少）造成的。
[0085] 边界模糊处理
[0086] 当接收机接收信号的参考时刻在图6中时刻2与时刻3之间时，按照上边的方法 求出的就会出现错乱（见表1)。
[0087] 当参考时刻偏差Vt,>0. 49ms时，接收时刻无法知道GPS准确时间，接收信号的时 刻随机平均的分布在GPS时间整毫秒中的各个位置，tt,与t b的最大时间差0. 02335ms，卫 星信号的传输时间出现错乱的最大区域为图6中的时刻2~3区域中，出现异常定位偏 差的比率是4. 67%。
[0088] 当接收机接收时刻处在图6中时刻2与时刻3之间时，产生异常定位偏差。在时 刻1和时刻2、时刻3与时刻4之间都不会出现异常定位偏差。当接收机存在0. 49ms以上 的钟差时，接收时刻就有可能落入时刻2与时刻3之间，就会产生异常定位偏差，一旦产生 异常定位偏差，定位偏差就会达到l〇〇km或更高，这样的结果对于定位来说没有意义。
[0089] 接收机在时刻i接收到的整码片与接收机在时刻j接收的整码片满足
[0091] 当接收机接收时刻处在时刻2与时刻3之间时，选取合适的K值对每个卫星的整 码片进行移动，能够各卫星的整码片移动到相当于在时刻1与时刻2、时刻3与时刻4之间 的时刻接收到的整码片与碎码片，这个过程在这里称为整码片平移。
[0092] 确定平移量
[0093] 参考时刻偏差是个未知数，仅凭接收时刻接收卫星信号的整码片，无法确定码片 平移量，考虑使用其它的隐含信息来确定平移量。
[0094] 接收机能接收到信号的任何一颗卫星到基站的信号传输时间作为这个卫星到接 收机的信号传输时间，都不会超过〇. 02335ms的传输偏差，卫星相对于基站的仰角越大，卫 星到基站的信号传输时间与到接收机的传输时间越接近。所以采用相对于基站仰角最大卫 星到基站的传输时间作为这颗卫星到接收机的传输时间（见图7)。
[0098] 将经过K平移量后代替计算信号从各卫星到接收机传输时间。
[0099] 由整码片平移计算过程的公式可以知道，整码片平移处理只是在接收机整毫秒钟 差内进行移动，足可以使参考时刻偏差满足，在这个范围内不会产生异常定位偏差。通过整 码片平移消除异常定位偏差，这类偏差也是AGPS定位中最大的偏差问题。使得当参考时刻 偏差大于0. 49ms时，不会出现异常定位偏差。
[0100] 定位算法性能
[0101] 图8表明了定位偏差随参考时刻偏差的增大而变大，与图1、图3对比可以看出，改 进的AGPS定位算法只存在线性定位偏差。从图中可以看出，相对于参考时刻偏差在每个毫 秒内来说，线性定位偏差几乎相同。
[0102] 表2线性定位均偏差随钟差的变化
[0104] 从图1与图8对比可以看出，经过整码片平移技术处理的AGPS定位算法，消除了 异常定位偏差。定位结果中，一旦出现异常定位偏差，定位结果有百公里以上的定位偏差。 当接收机定位时，又不能判断出本次定位是否是出现异常定位偏差的定位结果，很难保证 定位精度。线性定位偏差是随着参考时刻偏差的增大而线性变大（见图8、图9、图10)，当 参考时刻偏差为l〇〇ms时，180次定位的线性定位均偏差为：44. 002m(东向）、23. 410m(北 向）、41. 237m(高度）。参考时刻偏差越小，定位精度越高（见表2)。参考时刻偏差在lms内 为0ms时，定位均偏差最小，为lms时，定位均偏差最大，线性定位均偏差随着参考时刻偏差 的增大而变大。其中最大的定位偏差为3. 858m。当参考时刻偏差异常定位偏差超过0. 49ms 时，定位偏差就有可能达到几百公里。当能将参考时刻偏差控制在100ms以内时，经过整码 片平移后各个方向上的最大平均定位偏差为44. 002m，与异常定位偏差相比相差104的数 量级。而这时的参考时刻偏差为l〇〇ms，相对于出现异常定位偏差的钟差大于0. 49ms来说， 相差200多倍。因此，边界模糊技术消除了异常定位偏差，提高了定位精度。线性定位偏差 与参考时刻偏差呈线性关系，降低线性定位偏差，需要提高接收机时钟精度，或者采用其它 方法校正参考时刻偏差，提高接收机时间的准确性。
[0105] 消除线性定位偏差
[0106] AGPS定位系统带来的定位偏差来源，一类是线性定位偏差，另一类是异常定位偏 差。这两类定位偏差都是有参考时刻偏差造成的，只要接收机存在钟差，就有线性定位偏 差，随着钟差的增大而变大，基本呈线性关系（见图3)。根据异常定位偏差来源，采用整 码片平移技术消除了异常定位偏差。线性定位偏差虽然没有异常定位偏差大，当参考时 刻偏差为Is时，180组定位数据东向、北向和高度三个方向上的平均线性定位偏差分别为 444. 009m、228. 377m和402. 740m(见表2)，定位偏差较大，多数用户都是无法忍受的。本节 研宄消除线性定位偏差的方法。
[0107] 分析与线性定位偏差相关联的因素
[0108] 从图8~图11四个分析图显示了线性定位偏差随参考时刻偏差呈现出的线性变 化规律。在定位性能分析中存在两个前提条件：1)已知参考时刻偏差；2)接收机的真实位 置。或者知道其中的一个条件可以近似推算另一个。这样就可以根据图形中的关系确定最 小线性定位偏差点，提高定位精度，也可以准确地确定参考时刻偏差。为了分析定位性能才 给出接收位置的准确位置。然而实际上接收机在定位之前并不知道所在的准确位置。
[0109] 当接收机时间无法准确确定时，前面的定位方法只能近似地消除整毫秒以内的参 考时刻偏差。经过式（4)整码片平移之后，得到卫星到测站的伪距，并进行接收机位置的解 算，最后得到其中的时间差未知数小于lms，这样得到的时间的未知数并非是传统定位算法 中的参考时刻偏差。利用前面的方法无法消除整毫秒以上的参考时刻偏差，也就无法消除 线性定位偏差。
[0110] 在位置解算的过程中，大多数情况下是解超定方程组并且采用迭代的方式解方程 组，在得到最终方程组的解时存有残差，残差平方和也就是目标函数值。
[0111] 从图12中的变化曲线可以看出，目标函数随参考时刻偏差的变化呈现出二次曲 线关系。图13进一步考察了小范围参考时刻偏差时目标函数的变化关系，也是呈现二次曲 线关系。从而考虑建立目标函数与参考时刻偏差的二次曲线模型。
[0112] 拟合目标函数的二次曲线
[0113]由目标函数与参考时刻偏差的二次曲线关系，建立目标函数的二次模型
[0115] 二次模型曲线中有aji = 0, 1，2)三个待确定的未知系数，所以在图12的曲线中 需要至少三个曲线上的已知点才能确定三个未知系数。在位置解算的过程中，虽然不知道 定位结果的偏差，但可以由每次定位结果得到目标函数值，所以只要随机确定三个相差不 大的接收机时刻，得到目标函数，就能确定三个未知系数，从而拟合出二次曲线。拟合二次 曲线的步骤如下：
[0116] 产生一个-100 0~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有 参考时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标 函数值；
[0117] 以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参 考时刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算， 得到两个目标函数值；
[0118] 以上两个步骤在三个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未知系数的 值。
[0119] 对这两个钟差分别拟合目标函数的二次曲线，得到曲线图形如图14所示，图形中 产生的两个随机数为787ms和-179ms。从图形中可以看出，这两个图形的形状相似，只是最 小值的位置不同。
[0120] 100次均值一项为随机产生100个-1000ms~1000ms之间的数，分别附加到接收 时刻上得到新的接收时刻值，最后计算的结果值平均。表3中可以看出求得的目标函数二 次曲线系数a非常接近，只是相差0. 0002,进一步说明了不同参考时刻偏差拟合的目标函 数的二次曲线形状基本相同。对100个随机的参考时刻偏差进行运算结果中，二次曲线系 数a的平均值为0. 2516,系数范围为0. 2516±0. 0001，相对变化区间为±0.03975%。说明 了对每个随机参考时刻偏差进行目标函数的拟合得到的曲线形状具有很好的一致相似性。
[0121] 表3对不同钟差拟合目标函数得到各个指标：
[0124] 消除线性定位偏差
[0125] 从图14中曲线看出，目标函数曲线形状相似，当随机数分别为787和-179时，目 标函数的最小值约在-787位置和179位置处。表3中数据显示钟差为787ms时，目标函数 的最低点为-790. 5681ms，钟差为-179ms时最低点为175. 7104ms，说明与随机钟差具有相 关性。考察产生其它的随机数也存在这样的关系，可以得出结论，目标函数的最低点处横坐 标值是与参考时刻偏差密切相关具有普遍性。
[0126] 根据定位解算中的目标函数与参考时刻偏差的关系，消除线性定位偏差，步骤如 下。
[0127] 由拟合的目标函数二次曲线，可以确定目标函数最低点处对应的横坐标值，将这 个值加到接收机接收时刻上得到新的接收机接收时刻值；
[0128] 利用新的接收机接收时刻值，按照前面的定位方法进行位置解算，得到定位位置。
[0129] 这个定位位置为消除了线性定位偏差的定位位置。
[0130] 定位算法性能
[0131] 从定位精度、参考时刻偏差和算法运算量三个方面分析定位算法性能。
[0132] 定位精度
[0133] 表3说明采用目标函数二次拟合方法最终得到的定位结果具有较好的一致性。取 100个随机数作为参考时刻偏差，进行100次定位取东向偏差、北向偏差和垂向偏差的平均 值。将图15、图16与图17对比，说明采用三点拟合目标函数，然后得到参考时刻偏差，消除 参考时刻偏差，然后再进行位置解算的方法可行，性能较好。
[0134] 从表4中看到，对180组数据全部100次定位东向、北向、垂向和水平方向上的平 均偏差统计值分别为2. 360m、4. 072m、3. 560m和5. 049m，与第50次定位统计值2. 356m、 4. 068m、3. 562m和5. 044m的相比，相差不大，最大相差为水平方向上的平均偏差0. 005m，这 个具体数据值说明了消除线性定位偏差方法具有可行性与稳定性。
[0135] 与没有附加参考时刻偏差的定位结果相比定位偏差略不同。用全部100次定位结 果的统计值相比，东向定位偏差大了 〇. 268m、北向偏差大了 0. 350m、垂向偏差小了 0. 258m、 水平偏差大了 〇. 499m。没有超过0. 5m的，说明当接收机存在Is以内的钟差时，采用消除 线性定位偏差的算法完全可以得到较好的定位结果，与表2中的参考时刻偏差为Is时的 东向、北向和垂向定位偏差444. 009m、228. 377m、402. 740m相比，定位精度有了非常大的改 进。
[0136] 取整3s来度量，作为参考时刻偏差范围进行测试。表4中给出了全部100次解算 和第50解算时东向、北向、垂向和水平方向定位结果的统计值，与钟差在Is以内相比，各个 方向上定位偏差相差不到〇. lm。说明这种消除线性定位偏差算法适用于存在参考时刻偏差 的AGPS定位算法中。
[0137] 参考时刻偏差
[0138] 表3中列出了随机数为787、-179和0时得到的原始数据钟差分别 为-3. 5681ms、-3. 2896ms和-3. 2752ms，最大相差为0. 2909ms，相差不大，说明算法解算得 到钟差结果相一致。从图18中可以看出100次平均值和其中一次的测试得到的钟差值具 有一致性。
[0139] 表4不同的定位算法的均偏差
[0141] 消除线性定位偏差的算法不仅消除了线性定位偏差，提高了定位精度，而且能够 将参考时刻偏差校正在3ms左右。
[0142] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种手机AGPS定位的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 因为基站位置与接收机位置较近，所以利用信号从卫星到基站的传输时间作为信 号到接收机的传输时间，最大不会超过〇. 02335ms，因此把这个当作信号到接收机的传输时 间，进行伪距恢复的基础； (2) 由于在伪距恢复过程中，产生了定位结果较大的偏差，达到几百公里。本专利采用 模糊失真理论消除该定位偏差；采用相对于基站仰角最大卫星到基站的传输时间作为这颗 卫星到接收机的传输时间；其中为仰角最大的卫星传输时间，c：ax(e>为仰角最大的卫星传输的码片，< 为 各个卫星的传输码片值；将经过K平移量后&代替Ct计算信号从各卫星到接收机传输时 间； (3) 由于参考时刻偏差的不确定性，造成发射信号时刻偏差，从而影响卫星发射测量信 号时的位置，产生定位偏差；在位置解算过程中采用多项式拟合或其它的数学方法消除该 定位偏差；％ (i = 0, 1，2)代表三个未知数，pn(X)为目标函数；产生一个-1000~1000的随机数，以毫秒为单位加到接收机接收时刻上得到带有参考 时刻偏差的新接收时刻，新接收时刻作为一个接收时刻进行位置解算，得到一个目标函数 值；以新接收机时刻为基础，分别将接收机时刻向前与向后推移ls，得到两个带有参考时 刻偏差（参考时刻偏差可以为零）的接收时刻，以这两个接收时刻进行两次位置解算，得到 两个目标函数值；以上两个步骤在三个接收时刻得到三个目标函数值，确定a，b，c三个未 知系数的值。
【专利摘要】本发明公开了一种手机AGPS定位的分析方法，本发明采用去除异常定位偏差与线性定位偏差算法。异常定位偏差在参考时刻偏差的某个区域出现，一旦出现，定位偏差达到几百公里。采用模糊失真理论方法消除异常定位偏差。线性定位偏差随着参考时刻偏差的增大而增大。参考时刻偏差的增大与定位解算中的目标函数有关，目标函数随参考时间的偏差呈现二次相关性。通过多项式拟合目标函数曲线，确定最低点的值校正参考时间，从而消除线性定位偏差。
【IPC分类】G01S19/42
【公开号】CN104898141
【申请号】CN201510116333
【发明人】李吉忠, 刘太联
【申请人】青岛农业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月17日
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