阅读说明：本技术 一种基于5g通信的车辆间协同导航定位方法 (5G communication-based collaborative navigation positioning method between vehicles ) 是由 施闯 辜声峰 宋伟 唐卫明 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于5G通信的车辆间协同导航定位方法,包括：获取各5G基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值；估计各5G基站的单天静态坐标以及所述5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第一固定值；获取对应的5G基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值；获取所述5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第二固定值,进而获得所述5G基站的不含模糊度参数的测相伪距观测值；车辆获取高精度位置信息及周边车辆位置信息；车辆间建立D2D通讯,实现所述中心车辆与其周边车辆协同导航定位。本发明以GNSS高精度定位为基础,结合5G通信D2D技术,实现了车辆间的高精度协同定位。(The invention discloses a 5G communication-based collaborative navigation positioning method between vehicles, which comprises the following steps: acquiring a first fixed value of double-difference ambiguity of a common-view satellite between each 5G base station pair; estimating a single-day static coordinate of each 5G base station and a first fixed value of non-difference integer ambiguity of the 5G base station and each tracking satellite thereof; acquiring a second fixed value of double-difference ambiguity of the common-view satellite between the corresponding 5G base station pairs; acquiring a second fixed value of non-difference integer ambiguity between the 5G base station and each tracking satellite thereof, and further acquiring a phase measurement pseudorange observation value of the 5G base station without ambiguity parameters; the vehicle acquires high-precision position information and peripheral vehicle position information; D2D communication is established among the vehicles, and the center vehicle and the surrounding vehicles are cooperatively navigated and positioned. The invention realizes the high-precision cooperative positioning between vehicles by combining the 5G communication D2D technology on the basis of GNSS high-precision positioning.)

一种基于5G通信的车辆间协同导航定位方法

技术领域

本发明属于基于GNSS导航定位领域，尤其涉及一种以高精度位置信息为基础，结合5G通信D2D技术的车辆间协同定位方法。

背景技术

在人工智能、大数据的推动下，传统车企与科技公司之间的合作越来越紧密，车联网与自动驾驶车辆实现量产日趋普及将成为出行领域的新趋势，而各互联网与科技巨头在车辆网与自动驾驶等布局已初见成效。工信部于2017年发布的《智能网联汽车技术路线图》进一步推动了国内车联网与自动驾驶行业的发展。《中国制造2025》也给出了智能网联汽车的发展目标，以明确我国自动驾驶技术阶段提升的趋势，加速我国智能网联汽车产业发展，拉近我国与国外自动驾驶和车联网技术的差距，尽快实现弯道超车。

另一方面，随着5G技术的商业化，将带来新一代显示技术的放飞，并有望实现真正意义上的万物互联。特别是通过将5G关键技术之一：终端直通(Device-to-Device，D2D)与车联网相结合，有望极大提高数据传输效率与可靠性，降低数据传输时延，进而推动车联网和自动驾驶的发展。

汽车安全是车联网和自动驾驶可持续发展的重大课题，而实现车辆与车辆之间的高精度协同定位是实现车辆与车辆之间的主动避障，提升汽车驾驶安全的关键，急需突破。

发明内容

为此，本发明提供了一种以GNSS高精度定位为基础，结合5G通信D2D技术的车辆间高精度协同定位方法。

本发明提供了一种基于5G通信的车辆间协同导航定位方法，利用搭载GNSS接收机的5G基站实现搭载GNSS接收机且具有5G通信模块的车辆间的协同导航定位，所述方法包括如下步骤：

S1：按照狄洛尼三角网划分原则，建立5G基站网络拓扑结构并将其存储于每个5G基站；

S2：在静态模式下，获取基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值，每个基站对由5G基站网络拓扑结构的三角网连线的任意两端上的一对5G基站组成；

S3：利用非差精密单点定位技术及非差模糊度固定技术PPP-AR，估计获取每个5G基站的单天静态坐标以及该5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第一固定值；

S4：基于基站对两端的5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值，获取该基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值；

S5：对步骤S2中获取的基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值与步骤S4中获取的对应的基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值作相等判定，若相等，则继续步骤S6；否则取消5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第二固定值标记，将其重新作为未知参数，返回步骤S3重新估计该5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值，直至通过相等判定；

S6：将每个5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值同时也标记为该5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第二固定值，并作为已知值带入该5G基站的相位观测值，进而获得该5G基站的不含模糊度参数的测相伪距观测值；

S7：每个车辆基于其GNSS接收机观测数据以及其接入的5G基站的测相伪距观测值，然后以所述5G基站为参考站，以所述车辆与所述5G基站共同可见卫星中仰角最大的卫星为参考星，组成双差观测值，按照动态模式进行基线解算，获取所述车辆的位置信息，并将其回传至所述5G基站；

S8：每个5G基站收集接入该5G基站以及所有接入包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站的车辆的位置信息，获取以每个车辆为中心车辆，其一定半径范围内的周边车辆的位置信息，并将其报告至该中心车辆及其周围车辆；

S9：每个中心车辆获知其周边车辆的位置信息后，直接以5G通讯中D2D技术，建立该中心车辆与其周边车辆之间的通讯联系；

S10：每个中心车辆时刻与相距最近的5G基站联系，进行数据更新以及传输，实时更新其周边车辆的位置信息，实现该中心车辆与其周边车辆间协同导航定位。

进一步，步骤S2具体过程包括：

根据步骤S1中建立的5G基站网络拓扑结构，每个5G基站收集其GNSS接收机观测数据，并收集每个包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站的GNSS接收机观测数据，选择该5G基站为参考站、该5G基站与包含其的三角网连线的另一端5G基站共视卫星中仰角最大的卫星为参考星，组成双差观测值，按照静态模式对所有基站对进行基线解算，获取基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值，

其中，双差观测方程为：

式中，

表示在5G基站和共视卫星间求差得到的载波相位双差观测值；

表示卫地距在5G基站和共视卫星间求双差；

表示整周模糊度在5G基站和共视卫星间求双差；

分别表示电离层和对流层误差在5G基站和共视卫星间求双差；f和c分别表示信号频率和光速。

进一步，步骤S3具体过程包括：

对于每个5G基站，获取其GNSS接收机观测数据，结合星基增强系统或广域实时精密定位系统播发的精密卫星轨道、钟差以及相位偏差这些改正数，采用非差GNSS精密单点定位技术以及非差模糊度固定技术PPP-AR，按单天静态模式估计该5G基站的单天静态坐标以及该5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第一固定值，

其中，非差GNSS精密单点定位观测模型为

式中，分别表示伪距、相位、多普勒观测向量的O-C值，包含了各项利用模型改正的误差，下标f表示对应频率；

为线性化后的系数向量；δr_GNSS，δv_GNSS分别表示GNSS接收机天线相位中心的位置改正向量和速度改正向量；t_r,sys，

和

分别表示以m为单位的接收机钟差，以m/s为单位的接收机钟漂和卫星钟漂，下标sys则表示对应的卫星导航系统；β_f为电离层投影函数；I_re表示电离层残余误差；M，Δtrop_z,w分别表示对流层投影系数与天顶对流层湿延迟残差；ucd_r,f表示接收机端频率f上未矫正伪距延迟；N_float表示包含了接收机与卫星端的未矫正相位延迟及初始相位偏差的浮点模糊度；ε₁、ε₂、ε₃分别表示伪距、相位、多普勒观测中未模型化的误差与噪声；λ表示频率f的载波波长。

进一步，步骤S4具体过程如下：

对每个5G基站，获取其与其各跟踪卫星非差模糊度第一固定值，并收集每个包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站与其各跟踪卫星非差模糊度第一固定值，以该5G基站为参考站、该5G基站与其三角网连线的另一端5G基站共视卫星中仰角最大的卫星为参考星，获取该5G基站对应的基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值。

进一步，步骤S5中，当5G基站的跟踪卫星发生周跳时，取消该卫星对应的非差整周模糊度第二固定值标记，返回步骤S3重新估计，直至通过相等判定。

进一步，步骤S1中，将建立的5G基站狄洛尼三角网络拓扑结构存储于每个5G基站，同时在新的5G基站架设或已有5G基站退出服务时更新5G基站狄洛尼三角网络拓扑结构，并通知每个5G基站进行更新。

本发明的有益效果：

1)本发明以GNSS高精度定位为基础，结合5G通信D2D技术，实现了车辆间的高精度协同定位，使得当应急车辆周围的用户车辆收到应急车辆的位置信息后，可以配合导航地图实现应急车辆周围的用户车辆主动提前避让，避免因阻塞应急车辆通行路径而影响应急车辆救灾救人。此外，交通部门在获取车辆的高端精度位置信息后，可以精准的调控交通指示灯，为应急车辆疏导交通，争取宝贵的救人时间。

2)相对现有技术中ppp短期内定位精度不高以及利用rtk方式在大量用户访问时服务端压力过大，本发明将终端直通技术与车联网相结合有效解决了现有技术中的两大问题：ppp短期内定位精度不高；利用rtk方式在大量用户访问时服务端压力过大。

附图说明

图1为本发明的基于5G通信的车辆间协同导航定位方法的流程图；

图2为本发明的5G基站网络狄洛尼三角网划分示意图；

图3(a)-(b)为本发明的各5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第二固定值的获取流程图；

图4为本发明的实现车辆相对其接入5G基站的相对定位示意图；

图5为本发明提供的以车辆A为中心车辆，与其接入的同一5G基站的周边车辆信息拓扑图，以及车辆A与接入的周边其他5G基站的周边车辆协同定位示意图；

图6为本发明提供的基于5G通讯D2D技术的车辆位置信息共享示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明实施例提供的以GNSS高精度定位为基础，结合5G通信D2D技术的车辆间协同导航定位方法可以辅助实现车辆与车辆之间的主动避障，本方法涉及搭载GNSS接收机的5G基站、搭载GNSS接收机且具备5G通信模块的车辆。

本发明实施例以为救护车和消防车等应急车辆让行为例，如图1所示，一种基于5G通信的车辆间协同导航定位方法包括如下步骤：

S1：5G基站进行拓扑网络的维持和更新

如图2所示，对于所有5G基站网络，按照狄洛尼三角网划分原则组成5G基站网，并将该网络拓扑结构存储于每一个5G基站。该拓扑网络在有新的5G基站架设或已有5G基站退出服务(如受自然灾害，设备故障影响)时进行更新，并通知每个5G基站进行更新。

S2：在静态模式下，获取每个5G基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值，所述基站对由5G基站网络拓扑结构的三角网连线的任意两端上的一对5G基站组成。

根据5G基站网拓扑结构，每个5G基站收集其GNSS接收机观测数据，并收集每个包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站的GNSS接收机观测数据，选择该5G基站为参考站、该5G基站与其三角网连线的另一端5G基站共同可见卫星中仰角最大的卫星为参考星，组成(星间-站间)双差观测值，按照静态模式对所有基站对进行基线解算，获取基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值。

其中，双差观测方程为：

式中，

表示在5G基站和共视卫星间求差得到的载波相位双差观测值，表示卫地距在5G基站和共视卫星间求双差，

表示整周模糊度在5G基站和共视卫星间求双差，

分别表示电离层和对流层误差在5G基站和共视卫星间求双差，f和c分别表示信号频率和光速。

S3：获取每个5G基站的单天静态坐标以及该5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值

对于每个5G基站，获取其GNSS接收机观测数据，结合星基增强系统或广域实时精密定位系统播发的精密卫星轨道、钟差以及相位偏差等改正数，采用非差精密单点定位技术以及非差模糊度固定技术PPP-AR，按单天静态模式估计获取该5G基站的单天静态坐标以及该5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值。5G基站的单天静态坐标参与基站对的基线解算。

其中，非差GNSS精密单点定位观测模型为

式中，

分别表示伪距、相位、多普勒观测向量的O-C值(Observed-Minus-Computed)，包含了各项利用模型改正的误差，下标f表示对应频率；

为线性化后的系数向量；δr_GNSS，δv_GNSS分别GNSS天线相位中心的位置改正向量和速度改正向量；t_r,sys，

和

分别表示以m为单位的接收机钟差，以m/s为单位的接收机钟漂和卫星钟漂，下标sys则表示对应的卫星导航系统；β_f为电离层投影函数；I_re表示电离层残余误差；M，Δtrop_z,w分别表示对流层投影系数与天顶对流层湿延迟残差；ucd_r，f表示接收机端f频率上未矫正伪距延迟；N_float表示包含了接收机与卫星端的未矫正相位延迟及初始相位偏差的浮点模糊度；由于电离层、对流层、硬件延迟等误差的变化率对利用多普勒观测值测速影响很小，因此式中的第三式省略了这些项的误差改正；ε₁、ε₂、ε₃分别表示伪距、相位、多普勒观测中未模型化的误差与噪声；λ表示f频率的载波波长。

S4：基于基站对两端的5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值，获取该基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值

对每个5G基站，获取其与其各跟踪卫星非差模糊度第一固定值，并收集每个包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站与其各跟踪卫星非差模糊度第一固定值，以该5G基站为参考站、该5G基站与其三角网连线的另一端5G基站共同可见卫星中仰角最大的卫星为参考星，获取该5G基站对应的基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值。

S5：对各5G基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值与对应的5G基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值进行相等判定。若相等，则继续步骤S6；否则取消5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第二固定值标记，将其重新作为未知参数，返回步骤S3重新估计该5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值，直至通过相等判定。另外，对于发生周跳的卫星，也需要取消该卫星对应的非差整周模糊度第二固定值标记，返回步骤S3重新估计。本发明通过双差模糊度第一固定值和双差模糊度第二固定值比较，可以检验非差整周模糊度第一固定值是否正确。

S6：将各5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第一固定值同时也标记为该5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第二固定值，并作为已知值带入该5G基站的相位观测值，进而获得该5G基站的不含模糊度参数的测相伪距观测值Carrier-range。将不含模糊度参数的测相伪距观测值Carrier-range播发给接入该5G基站的用户车辆，包括普通用户车辆和需要避让的应急车辆。由于整周模糊度数据量较大，播发不含模糊度参数的测相伪距观测值Carrier-range可以有效减小播发数据量，提高传输效率。

图3(a)-(b)示出了本发明的各5G基站与其各跟踪卫星非差整周模糊度第二固定值的获取流程图。图(a)示出了5G基站A、B、C、D及共视卫星I和J，图(b)示出了非差整周模糊度第二固定值的示例获取过程，具体包括如下步骤：

1)对5G基站A、B、C、D中的每个，获取各5G基站的GNSS接收机观测数据，结合星基增强系统或广域实时精密定位系统播发的精密卫星轨道、钟差以及相位偏差这些改正数，采用非差GNSS精密单点定位技术以及非差模糊度固定技术PPP-AR，按单天静态模式估计获取各5G基站的坐标以及各5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第一固定值，分别为N(A,I,1),N(A,J,1),N(B,I,1),N(B,J,1),N(C,I,1),N(C,J,1),N(D,I,1),N(D,J,1)。

2)对其中每个5G基站，通过获取的非差整周模糊度第一固定值，并收集包含该5G基站的每个三角网连线另一端5G基站非差模糊度第一固定值。以该5G基站A为参考站、5G基站A与三角网连线的另一端5G基站(B、C、D)共同可见卫星(I、J)中仰角最大的卫星为参考星，先作星间单差，得到星间单差模糊度固定值，分别为N(A,IJ,1),N(B,IJ,1),N(C,IJ,1),N(D,IJ,1)。在作站间双差，得到双差模糊度第二固定值，分别为N(AB,IJ,2),N(AC,IJ,2),N(AD,IJ,2)。

3)根据5G基站网拓扑结构，每个5G基站收集其GNSS接收机观测数据，并收集每个包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站GNSS接收机观测数据，选择该5G基站A为参考站、该5G基站与连线另一端5G基站(B、C、D)共同可见卫星(I、J)中仰角最大的卫星为参考星，组成(星间-站间)双差观测值，按照静态模式对所有基站-基站对进行基线解算，获取基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值，分别为N(AB,IJ,1),N(AC,IJ,1),N(AD,IJ,1)。

4)将获取的各5G基站对之间共视卫星双差模糊度第一固定值与获取的对应的5G基站对之间共视卫星双差模糊度第二固定值作相等判定：

当通过相等判定时，则将各5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第一固定值同时标记为该5G基站与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第二固定值。该5G基站获得其与其各跟踪卫星的非差整周模糊度第二固定值后，将非差整周模糊度第二固定值作为已知值代入该5G基站的相位观测值，进而获得该5G基站的不含模糊度参数的测相伪距观测值，并将其播发给接入该5G基站的所有车辆.

S7：如图4所示，每个车辆一方面收集其配备GNSS接收机获取的观测数据，另一方面接入某5G基站获取其测相伪距观测值Carrier-range，然后以该5G基站为参考站，以该车辆与该5G基站共同可见卫星中仰角最大的卫星(I、J)为参考星，组成双差观测值，按照动态模式进行基线解算，获取该车辆的高精度位置信息，并将其回传至该5G基站。

S8：每个5G基站收集接入该5G基站以及所有接入包含该5G基站的三角网连线的另一端5G基站的车辆的高精度位置信息，获取以救护车和消防车等应急车辆为中心车辆，一定半径(例如100米)范围内的周边车辆的位置信息，并将其报告至该中心车辆及其周围车辆。应该注意，此处的“一定半径”取数据量和车辆端到端通信距离的折中，车辆端到端通信距离范围设置的广，数据通讯压力就大，同时中心车辆的数据处理压力就大，二者不可调和。

S9：如图5和图6所示，每个中心车辆A获知其周边车辆的位置信息后，直接以5G通讯中D2D技术，建立该中心车辆A与其周边车辆之间的通讯联系。

S10：每个中心车辆时刻与相距最近的5G基站联系，进行数据更新以及传输，实时更新其周边车辆(尤其是需要避让的救护车和消防车等应急车辆)的位置信息，实现该中心车辆与其周边车辆间协同导航定位。在本实施例中，当应急车辆周围的用户车辆收到应急车辆的位置信息后，配合导航地图实现应急车辆周围的用户车辆主动提前避让，避免因阻塞应急车辆通行路径而影响应急车辆救灾救人。另一方面，交通部门在获取车辆的高端精度位置信息后，可以精准的调控交通指示灯，为应急车辆疏导交通，争取宝贵的救人时间。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。