CN101206254A - 室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统 - Google Patents

Abstract

一种涉及辅助卫星导航系统及全球定位系统GPS接收机，尤旨一种主要应用于室内环境下的高灵敏度导航接收机及其高灵敏度卫星导航定位技术的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统。该系统至少包括：终端接收机、参考接收机、定位服务器和通信网，各装置组合为一整体的室内定位系统，整个系统分为高灵敏度卫星导航接收机和网络辅助系统；该方法通过微弱信号条件的单点定位与强信号条件的连续定位相结合的定位方式；主要解决整体硬件实现的有机结合等有关技术问题。本发明的积极效果是：该系统和方法提高了终端用户的灵敏度指标，减小了首次定位时间；所设计的导航接收机能够处理室内环境中微弱的卫星信号等优点。

Description

室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统

技术领域

本发明涉及一种辅助卫星导航系统及全球定位系统GPS(Global Position System)接收机，尤旨一种主要应用于室内环境下的高灵敏度导航接收机及其高灵敏度卫星导航定位技术。

背景技术

目前城市和室内环境下的手持定位终端通常依靠电信网络来完成定位。全球移动通信GSM网络通过Cell-ID(小区号)、增强观测时差技术E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)与电波到达时间差TDOA(Time Difference Of Arrival)等技术向用户提供定位服务，美国高通公司提出GPSOne技术，在卫星信号无法接收时，利用码分多址CDMA基站来辅助定位，但这些技术存在网络容量受限、覆盖范围有限和定位精度差等缺点。还有利用无线局域网、超宽带技术、惯导辅助、电视信号和伪卫星等技术来实现室内定位的，这些定位方法，有的定位精度很难满足用户的需求，有的需要巨额投资，覆盖范围也有限。因此，正在发展中的高灵敏度卫星导航定位技术能够满足定位服务的有关标准，将是基于定位服务LBS(Location Based Servers)室内定位的最佳解决方案。

绝大多数LBS的用户分布在高楼密集的城市地区，且大部分时间处于室内。在室内、高楼之间、地下停车场、高架道路等环境，由于受到遮挡，全球定位系统的卫星信号非常微弱，有时甚至只有-190dBW，低于开阔地环境下30dB，普通的卫星导航接收机已无法定位。当前，高灵敏度导航芯片与无线通信平台结合十分紧密，这个趋势的形成一方面是由于高灵敏度定位算法实现的需要，另一方面是E911(Enhanced 911)等标准促进的结果。另外，辅助卫星导航定位系统AGNSS(Assistance Global Navigation SatelliteSystem)为导航产品的应用服务提供了更好的平台，这种结合是必然的。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种辅助卫星导航定位系统，该系统包括两个子系统：高灵敏度卫星导航接收机和网络辅助系统，为导航产品的应用服务提供了更好的平台；

本发明的另一目的旨在提供所需的辅助信息，包括：辅助导航电文、时间与频率辅助信息，设计辅助信息处理的流程与接收机的工作流程，达到提高终端用户的灵敏度指标，减小首次定位时间TTFF(Time To First Fix)的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统。

本发明要解决的技术问题是：针对室内区域高精度定位的要求，主要解决高灵敏度卫星导航接收机和网络辅助系统的整体硬件实现问题；解决通过整个硬件系统如何获取高精度的定位结果问题；解决除提供辅助电文之外，AGNSS系统还要能够辅助高灵敏度接收机信号处理算法的实现问题；要解决如何提高灵敏度指标，包括时间与频率辅助信息的实现等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该定位系统由服务器、接口、天线、接收机、射频模块、星座、通信网络及计算机等部件组成，所述定位系统的发送端通过无线信号传输到接收机的接收端，该系统至少包括：

卫星导航定位系统GNSS星座、终端接收机、参考接收机、定位服务器和通信网，各装置组合为一整体的室内定位系统，整个系统分为两个子系统：高灵敏度卫星导航接收机和网络辅助系统，其间的终端接收机和参考接收机通过天线接收来自卫星导航定位系统GNSS星座的信号，定位服务器通过串口RS232与参考接收机相连接，定位服务器的输入输出信号通过通信网传递到终端接收机中的输入端，高灵敏度卫星导航接收机中的辅助卫星导航定位系统为导航接收机提供辅助导航信息，其中：

一高灵敏度卫星导航接收机由温度补偿振荡器、导航射频模块、基带信号处理模块、数据处理模块和电源组成，温度补偿振荡器的输出端与射频模块的输入端相连接，射频模块的输出端与基带信号处理模块的输入端相连接，基带信号处理模块中的接口及控制单元的输入输出端与数据处理模块中的接口与控制的输出输入端相连接，各部件均与电源相互连接；

一网络辅助系统由无线通信模块、通信网、定位服务器、参考接收机和电源组成，参考接收机的输入输出端与定位服务器的输出输入端相连接，定位服务器的输入输出信号通过通信网传递到终端接收机中无线通信模块的输入端，无线通信模块的输入输出端与数据处理模块中的辅助信息处理的输出输入端相连接，各部件均与电源相互连接；

一基带信号处理模块由下变频及多普勒补偿、信号处理单元、捕获相关器通道、FFT引擎、跟踪通道、接口及控制单元、存储单元和码产生器组成，下变频及多普勒补偿的一路输出端与信号处理单元的输入端相连接，另一路的输入输出端与存储单元的输出输入端相连接；

信号处理单元的输出端与捕获相关器通道的输入端相连接；

捕获相关器通道的一路输入输出端与FFT引擎的输出输入端相连接，另一路的输入输出端与接口及控制单元的输出输入端相连接；

跟踪通道的输入端与射频模块的输出端相连接，跟踪通道的输入输出端与接口及控制单元的输出输入端相连接，接口及控制单元的输入输出端与数据处理模块中的接口与控制的输出输入端相连接；

码产生器的输出端与FFT引擎的输入端相连接；

一数据处理模块由接口与控制、数据处理与导航解算、终端应用模块和辅助信息处理组成，接口与控制的一路输入输出端与辅助信息处理的输出输入端相连接，接口与控制的另一路输入输出端与数据处理与导航解算的输出输入端相连接；辅助信息处理的另一输入输出端与数据处理与导航解算的输出输入端相连接；数据处理与导航解算的另一输出输入端与终端应用模块的输入输出端相连接。

所述的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的定位服务器包括：辅助导航信息提取、授时模块、辅助信息数据库、服务器应用程序和通信接口单元模块；参考接收机的输出端通过串口RS232与定位服务器中的辅助导航信息提取的输入端相连接；辅助导航信息提取的输出端同时与授时模块和辅助信息数据库模块的输入端相连接；

授时模块的输入输出端与通信接口单元模块的输出输入端相连接；

辅助信息数据库的输入输出端与通信接口单元模块的输出输入端相连接；

服务器应用程序的输入输出端与通信接口单元模块的输出输入端相连接；

通信接口单元模块的输入输出端与通信网模块的输出输入端相连接。

所述的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的辅助信息处理包括：相关器状态与控制接口、码相位提取、辅助定位伪距模型、解算信息接口和辅助信息提取与处理模块；相关器状态与控制接口的一路输入输出端与接口与控制的输出输入端相连接，相关器状态与控制接口另一路的输出端与码相位提取的输入端相连接；

码相位提取模块输出的码相位信号传递到辅助定位伪距模型的输入端；

辅助定位伪距模型的输出端与解算信息接口的输入端相连接；

解算信息接口的输出端与数据处理与导航解算的输入端相连接；

辅助信息提取与处理模块第一路的输入输出端与无线通信模块的输出输入端相连接；第二路输出搜索表参数信号传递到相关器状态与控制接口的输入端；第三路输出子帧周时间TOW信号传递到辅助定位伪距模型的输入端；第四路输出星历信息信号传递到解算信息接口的输入端。

一种室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的定位方法，该方法通过卫星导航定位系统GNSS星座、终端接收机、参考接收机、定位服务器和通信网系统，实现整个系统在微弱信号条件下的室内定位服务；通过高灵敏度卫星导航接收机中的辅助卫星导航定位系统，为导航接收机提供辅助导航信息，辅助信息包括：辅助导航电文、时间与频率辅助信息，达到提高终端用户的灵敏度指标，减小首次定位时间；通过辅助高灵敏度接收机信号处理算法，获得发射时间和多普勒频率；通过参考接收机提供的辅助信息，获得当前每颗卫星的多普勒频率，接收机只需要搜索本地振荡器偏移导致的频偏，并采用微弱信号条件的单点定位与强信号条件的连续定位相结合的定位方式，该接收机从开机到给出定位结果的定位方法的具体工作步骤是：

步骤1.启动

接收机开机，准备启动；

步骤2.判断自主定位/辅助定位

执行完启动模块后，则进入自主定位/辅助定位模式，接收机首先根据用户的选择判断是自主定位还是辅助定位模式；如果是自主定位模式，马上判断是冷启动还是热启动，并根据判断结果初始化工作参数，则进入判断冷启动、热启动、初始化参数模块；如果接收机配置的是辅助定位模式，终端首先向定位服务器请求授时，则进入终端请求授时模块；

步骤3.获取定位服务器的辅助信息

执行完终端请求授时模块后，则进入获取定位服务器的辅助信息模块，终端向定位服务器请求授时后，获取定位服务器的辅助信息，并根据获取的辅助信息建立搜索表；

步骤4.根据参考信息进行强卫星的快速捕获

执行完获取定位服务器的辅助信息模块后，则进入根据参考信息进行强卫星的快速捕获模块，并根据辅助信息建立的搜索表，以强信号方式进行快速捕获；

步骤5.判断有几颗强卫星

执行完根据参考信息进行强卫星的快速捕获模块后，则进入判断有几颗强卫星模块，探测有几颗卫星信号强于-174dBW，根据结果进行不同的操作；该操作分为三路情况：第一路为大于3颗的卫星较强条件；第二路为只有1～3颗卫星信号较强条件；第三路为没有一颗强卫星信号条件；

步骤6.室外定位模式

第一路条件：如果有大于3颗的卫星较强，则接收机进入室外自主模式下的同样流程，通过跟踪环路来实现精确的定位导航；执行完室外定位模式模块后，则进入强信号连续跟踪模块，进行实时的跟踪，跟踪稳定之后，进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行位置、速度、时间PVT的解算，则进入BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算模块；执行完BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算模块后，则进入循环/结束模块；

步骤7.窗口定位模式

第二路条件：如果只有1～3颗卫星信号较强，则进入窗口定位模式，此时这几颗强信号依旧送入跟踪环路实现实时的跟踪，再分为强信号的一路和弱信号的一路；

强信号的一路，则进入强信号继续跟踪模块；

执行完强信号继续跟踪模块后，则进入强信号参数估计模块；

执行完强信号参数估计模块后，则进入抗互相关算法；将利用这些参数，实现微弱信号的捕获；

弱信号的一路，则进入微弱信号的捕获模块；

执行完实现微弱信号的捕获，同步跟踪与捕获两个通路之后，则进入实现窗口定位模式下的伪距计算与位置、速度、时间PVT解算；

执行完伪距计算与位置、速度、时间PVT解算模块后，则进入循环/结束模块；

步骤8.室内定位模式

第三路条件：当快速捕获完成之后没有一颗强卫星信号，则可以判断接收机此时处于室内定位模式，执行完室内定位模式模块后，则进入弱信号高灵敏度捕获模块，接收机启动长时间的积分算法，实现微弱信号的捕获，此时的伪距计算为辅助模式下的单点伪距求解；

执行完弱信号高灵敏度捕获模块后，则进入单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算模块，伪距构成之后实现位置、速度、时间PVT解算；

执行完单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算模块后，则进入循环/结束模块，当定位完成之后，接收机进入下一个循环，直到结束；

步骤9.快速捕获强信号

执行完判断冷启动、热启动、初始化参数模块后，则进入快速捕获强信号模块，并根据判断结果初始化工作参数，然后利用捕获相关器通道送出的捕获结果实现强信号大于-174dBw的快速捕获；

步骤10.强信号连续跟踪

执行完快速捕获强信号模块后，则依次进入强信号连续跟踪及BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算模块；执行完BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算模块后，则进入循环/结束模块；捕获完成之后，将捕获参数送跟踪通道进行实时的跟踪，跟踪稳定之后，进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行位置、速度、时间PVT解算；

步骤11.循环/结束

整个过程结束。

本发明的有益效果是：针对室内环境中利用卫星导航信号进行定位的特点，定义了所需的辅助信息，设计了辅助信息处理的流程与接收机的工作流程；高灵敏度卫星导航定位技术能够满足定位服务的有关标准，将是基于定位服务LBS室内定位的最佳解决方案；本发明的AGNSS系统，提高了终端用户的灵敏度指标，减小了首次定位时间；所设计的导航接收机能够处理室内环境中微弱的卫星信号，并且能够在室内、室外两种信号条件下无缝的切换。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1为本发明辅助卫星导航系统AGNSS结构方框示意图；

附图2为本发明定位服务器结构方框示意图；

附图3为本发明辅助信息处理模块结构方框示意图；

附图4为本发明接收机工作流程方框示意图；

附图中标号说明：

1-卫星导航定位系统GNSS星座；

2-终端接收机；

3-参考接收机；

4-定位服务器；                41-辅助导航信息提取；

5-通信网；                    45-授时模块；

21-温度补偿振荡器；           46-辅助信息数据库；

22-射频模块；                 47-服务器应用程序；

23-无线通信模块；             48-通信接口单元；

24-基带信号处理模块；         241-下变频及多普勒补偿；

25-数据处理模块；             242-信号处理单元；

27-电源；                     243-捕获相关器通道；

251-接口与控制；              244-FFT引擎；

253-数据处理与导航解算；      245-跟踪通道；

254-终端应用模块；            246-接口及控制单元；

255-辅助信息处理；            247-存储单元；

2551-相关器状态与控制接口；   248-码产生器；

2552-码相位提取；

2553-辅助定位伪距模型；

2554-解算信息接口；

2555-辅助信息提取与处理；

2000-启动；

2001-自主定位/辅助定位；

2002-终端请求授时；

2003-判断冷启动、热启动、初始化参数；

2004-获取定位服务器的辅助信息；

2005-根据参考信息进行强卫星的快速捕获；

2006-有几颗强卫星；

2007-室外定位模式；

2008-快速捕获强信号；

2009-强信号连续跟踪；

2010-BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算；

2011-窗口定位模式；

2012-强信号继续跟踪；

2013-强信号参数估计；

2014-抗互相关算法；

2015-微弱信号的捕获；

2016-伪距计算与位置、速度、时间PVT解算；

2017-室内定位模式；

2018-弱信号高灵敏度捕获；

2019-单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算；

2020-循环/结束；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3所示，本发明定位系统由服务器、接口、天线、接收机、射频模块、星座、通信网络及计算机等部件组成，所述定位系统的发送端通过无线信号传输到接收机的接收端，该系统至少包括：

卫星导航定位系统GNSS(Global Nayigation SatelliteSystem)星座1、终端接收机2、参考接收机3、定位服务器4和通信网5，各装置组合为一整体的室内定位系统，整个系统分为两个子系统：高灵敏度卫星导航接收机和网络辅助系统，其间的终端接收机2和参考接收机3通过天线接收来自卫星导航定位系统GNSS星座1的信号，定位服务器4通过串口RS232与参考接收机3相连接，定位服务器4的输入输出信号通过通信网5传递到终端接收机2中的输入端，高灵敏度卫星导航接收机中的辅助卫星导航定位系统为导航接收机提供辅助导航信息，其中：

一高灵敏度卫星导航接收机由温度补偿振荡器21、导航射频模块22、基带信号处理模块24、数据处理模块25和电源27组成，温度补偿振荡器21的输出端与射频模块22的输入端相连接，射频模块22的输出端与基带信号处理模块24的输入端相连接，基带信号处理模块24中的接口及控制单元246的输入输出端与数据处理模块25中的接口与控制251的输出输入端相连接，各部件均与电源27相互连接；

一网络辅助系统由无线通信模块23、通信网5、定位服务器4、参考接收机3和电源27组成，参考接收机3的输入输出端与定位服务器4的输出输入端相连接，定位服务器4的输入输出信号通过通信网5传递到终端接收机2中无线通信模块23的输入端，无线通信模块23的输入输出端与数据处理模块25中的辅助信息处理255的输出输入端相连接，各部件均与电源27相互连接；

一基带信号处理模块24由下变频及多普勒补偿241、信号处理单元242、捕获相关器通道243、FFT引擎244、跟踪通道245、接口及控制单元246、存储单元247和码产生器248组成，下变频及多普勒补偿241的一路输出端与信号处理单元242的输入端相连接，另一路的输入输出端与存储单元247的输出输入端相连接；

信号处理单元242的输出端与捕获相关器通道243的输入端相连接；

捕获相关器通道243的一路输入输出端与FFT引擎244的输出输入端相连接，另一路的输入输出端与接口及控制单元246的输出输入端相连接；

跟踪通道245的输入端与射频模块22的输出端相连接，跟踪通道245的输入输出端与接口及控制单元246的输出输入端相连接，接口及控制单元246的输入输出端与数据处理模块25中的接口与控制251的输出输入端相连接；

码产生器248的输出端与FFT引擎244的输入端相连接；

一数据处理模块25由接口与控制251、数据处理与导航解算253、终端应用模块254和辅助信息处理255组成，接口与控制251的一路输入输出端与辅助信息处理255的输出输入端相连接，接口与控制251的另一路输入输出端与数据处理与导航解算253的输出输入端相连接；辅助信息处理255的另一输入输出端与数据处理与导航解算253的输出输入端相连接；数据处理与导航解算253的另一输出输入端与终端应用模块254的输入输出端相连接。

所述的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的定位服务器4包括：辅助导航信息提取41、授时模块45、辅助信息数据库46、服务器应用程序47和通信接口单元48模块；参考接收机3的输出端通过串口RS232与定位服务器4中的辅助导航信息提取41的输入端相连接；辅助导航信息提取41的输出端同时与授时模块45和辅助信息数据库46模块的输入端相连接；

授时模块45的输入输出端与通信接口单元48模块的输出输入端相连接；

辅助信息数据库46的输入输出端与通信接口单元48模块的输出输入端相连接；

服务器应用程序47的输入输出端与通信接口单元48模块的输出输入端相连接；

通信接口单元48模块的输入输出端与通信网5模块的输出输入端相连接。

所述的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的辅助信息处理255包括：相关器状态与控制接口2551、码相位提取2552、辅助定位伪距模型2553、解算信息接口2554和辅助信息提取与处理2555模块；相关器状态与控制接口2551的一路输入输出端与接口与控制251的输出输入端相连接，相关器状态与控制接口2551另一路的输出端与码相位提取2552的输入端相连接；

码相位提取2552模块输出的码相位信号传递到辅助定位伪距模型2553的输入端；

辅助定位伪距模型2553的输出端与解算信息接口2554的输入端相连接；

解算信息接口2554的输出端与数据处理与导航解算253的输入端相连接；

辅助信息提取与处理2555模块第一路的输入输出端与无线通信模块23的输出输入端相连接；第二路输出搜索表参数信号传递到相关器状态与控制接口2551的输入端；第三路输出子帧周时间TOW信号传递到辅助定位伪距模型2553的输入端；第四路输出星历信息信号传递到解算信息接口2554的输入端。

请参阅附图4所示，一种室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的定位方法，该方法通过卫星导航定位系统GNSS星座1、终端接收机2、参考接收机3、定位服务器4和通信网5系统，实现整个系统在微弱信号条件下的室内定位服务；通过高灵敏度卫星导航接收机中的辅助卫星导航定位系统，为导航接收机提供辅助导航信息，辅助信息包括：辅助导航电文、时间与频率辅助信息，达到提高终端用户的灵敏度指标，减小首次定位时间；通过辅助高灵敏度接收机信号处理算法，获得发射时间和多普勒频率；通过参考接收机提供的辅助信息，获得当前每颗卫星的多普勒频率，接收机只需要搜索本地振荡器偏移导致的频偏，并采用微弱信号条件的单点定位与强信号条件的连续定位相结合的定位方式，该接收机从开机到给出定位结果的定位方法的具体工作步骤是：

步骤1.启动2000

接收机开机，准备启动2000；

步骤2.判断自主定位/辅助定位2001

执行完启动2000模块后，则进入自主定位/辅助定位2001模式，接收机首先根据用户的选择判断是自主定位还是辅助定位2001模式；如果是自主定位模式，马上判断是冷启动还是热启动，并根据判断结果初始化工作参数，则进入判断冷启动、热启动、初始化参数2003模块；如果接收机配置的是辅助定位模式，终端首先向定位服务器4请求授时，则进入终端请求授时2002模块；

步骤3.获取定位服务器的辅助信息2004

执行完终端请求授时2002模块后，则进入获取定位服务器的辅助信息2004模块，终端向定位服务器4请求授时后，获取定位服务器的辅助信息2004，并根据获取的辅助信息建立搜索表；

步骤4.根据参考信息进行强卫星的快速捕获2005

执行完获取定位服务器的辅助信息2004模块后，则进入根据参考信息进行强卫星的快速捕获2005模块，并根据辅助信息建立的搜索表，以强信号方式进行快速捕获；

步骤5.判断有几颗强卫星2006

执行完根据参考信息进行强卫星的快速捕获2005模块后，则进入判断有几颗强卫星2006模块，探测有几颗卫星信号强于-174dBW，根据结果进行不同的操作；该操作分为三路情况：第一路为大于3颗的卫星较强条件；第二路为只有1～3颗卫星信号较强条件；第三路为没有一颗强卫星信号条件；

步骤6.室外定位模式2007

第一路条件：如果有大于3颗的卫星较强，则接收机进入室外自主模式下的同样流程，通过跟踪环路来实现精确的定位导航；执行完室外定位模式2007模块后，则进入强信号连续跟踪2009模块，进行实时的跟踪，跟踪稳定之后，进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行位置、速度、时间PVT的解算，则进入BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算2010模块；执行完BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算2010模块后，则进入循环/结束2020模块；

步骤7.窗口定位模式2011

第二路条件：如果只有1～3颗卫星信号较强，则进入窗口定位模式2011，此时这几颗强信号依旧送入跟踪环路实现实时的跟踪，再分为强信号的一路和弱信号的一路；

强信号的一路，则进入强信号继续跟踪2012模块；

执行完强信号继续跟踪2012模块后，则进入强信号参数估计2013模块；

执行完强信号参数估计2013模块后，则进入抗互相关算法2014；将利用这些参数，实现微弱信号的捕获；

弱信号的一路，则进入微弱信号的捕获2015模块；

执行完实现微弱信号的捕获2015，同步跟踪与捕获两个通路之后，则进入实现窗口定位模式下的伪距计算与位置、速度、时间PVT解算2016；

执行完伪距计算与位置、速度、时间PVT解算2016模块后，则进入循环/结束2020模块；

步骤8.室内定位模式2017

第三路条件：当快速捕获完成之后没有一颗强卫星信号，则可以判断接收机此时处于室内定位模式2017，执行完室内定位模式2017模块后，则进入弱信号高灵敏度捕获2018模块，接收机启动长时间的积分算法，实现微弱信号的捕获，此时的伪距计算为辅助模式下的单点伪距求解；

执行完弱信号高灵敏度捕获2018模块后，则进入单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算2019模块，伪距构成之后实现位置、速度、时间PVT解算；

执行完单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算2019模块后，则进入循环/结束2020模块，当定位完成之后，接收机进入下一个循环，直到结束；

步骤9.快速捕获强信号2008

执行完判断冷启动、热启动、初始化参数2003模块后，则进入快速捕获强信号2008模块，并根据判断结果初始化工作参数2003，然后利用捕获相关器通道243送出的捕获结果实现强信号大于-174dBw的快速捕获；

步骤10.强信号连续跟踪2009

执行完快速捕获强信号2008模块后，则依次进入强信号连续跟踪2009及BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算2010模块；执行完BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算2010模块后，则进入循环/结束2020模块；捕获完成之后，将捕获参数送跟踪通道245进行实时的跟踪，跟踪稳定之后，进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行位置、速度、时间PVT解算；

步骤11.循环/结束2020

整个过程结束。

本发明辅助卫星导航系统分析：

辅助卫星导航定位系统AGNSS系统能够为导航接收机提供辅助导航信息。从下面两个方面来分析，辅助导航信息对于微弱信号条件下的LBS服务是必要的。首先，以GPS这样的二进制相移键控BPSK(Bianry Phase Shift Keying)调制信号为例，其比特率为50Hz，根据BPSK信号比特错误概率公式 $P_e=Q\left(\sqrt{\frac{{2E}_b}{N_0}}\right),$ 式中P_e为错误概率，E_b为信号的比特能量，N₀为噪声功率密度，Q(x)为互补误差函数(Complementary error function)，当错误概率小于10^-5时，需要Eb/N0＞9.59，假设射频前端噪声系数为2.5dB，则载噪比C/N0＝Eb/N0+10×log50+2.5，计算结果为29.09dBHz，若进一步考虑到接收机噪声温度为290K，即N0＝-204dBW/Hz，则接收机所需的最小信号电平为-174.9dBW，对应的接收灵敏度为-174.9dBW，还不能完全满足室内定位的要求，可见在室内弱信号条件下很难解调导航电文，辅助信息成为电文获取的最佳方式。

另一方面，从定位时间上来看，传统接收机冷启动至少需要30秒以上的首次定位时间来实现捕获、跟踪卫星与解调满足定位条件电文，这个时间超过了包括紧急救助在内的LBS服务所需的时间。

除了提供辅助电文之外，AGNSS系统还能够辅助高灵敏度接收机信号处理算法的实现，提高灵敏度指标，主要包括时间与频率辅助信息。

时间辅助信息以GPS时间为例来说明。GPS时间的估计值由下式决定

$T_{\mathrm{GPS}}^j\left(k\right)=T_{\mathrm{ToW}}\left(k\right)+T_{\mathrm{ms}}^j\left(k\right)+T_{\mathrm{chip}}^j\left(k\right)+\mathrm{ToF}---\left(1\right)$

式中：T_ToW为TOW时间(Time of Week，子帧周时间，单位：秒)；T_ms是C/A码周期的整数倍(从子帧开始计数，单位：ms)；T_chip是码的计数(分数码片，GPS的C/A码信号为0～1022)，ToF是Time ofFlight(信号传输时间，单位：ms)，j代表信道号。

获得发射时间是定位的基础，但是对于弱信号条件下的高灵敏度接收机，据前面分析，低于-174.9dBW的信号条件下不能解调导航电文，也不能实现帧同步以及比特同步，T_ToW及T_ms的获取就不能实现。此时，辅助信息的利用成为关键，其中的T_ToW可以轻松地从辅助信息中获取，T_chip能够通过信号的捕获得到，由于导航信号的周期性，接收机捕获的码相位存在1ms周期的距离模糊，是不能直接用于解算距离的，此时必须利用参考接收机的位置及星历数据计算出1ms(GPS的C/A码周期，对于Galileo为4ms)的整周期数(即上式的T_ms+ToF)，只有这个值准确无误，才能保证准确的定位。在Galileo与GPS双模定位情况下，由于两者发射信号的编码方式和调制速率不同，相关运算以及捕获跟踪的时间也会不同，另外，两者的卫星轨道分布、时间参考和坐标系表述方式不同，Galileo采用的时间系统为GST(Galileo System Time)时，相对国际原子时(TAI)偏移小于33ns，幸运的是，Galileo的导航电文中会广播两个系统时间之间的偏差，为双模兼容接收机时间信息的获取提供了保障。

Doppler(多普勒)频率是捕获、跟踪卫星信号的关键参数，利用频率辅助信息能够减小信号处理的时间。接收机与卫星之间的视距相对运动在卫星载频信号中引起了doppler效应，对于静止终端，GPS的doppler范围约为±5KHz，Galileo由于卫星分布的差别，范围比GPS略小。另外，接收机本地振荡器的频率偏移也会导致一个等效的doppler误差效应，但是这个误差对于接收机正在跟踪的所有卫星来说是相同的。传统接收机必须通过频率的搜索来获得doppler值，在AGNSS系统中，根据参考接收机提供的辅助信息可以获得当前每颗卫星的doppler频率，接收机只需要搜索本地振荡器偏移导致的频偏。当然，由于参考接收机存在一个服务半径，参考站辅助的doppler频率对于定位终端来说会有所偏差。经过测量，参考接收机doppler辅助的误差大约为1Hz/1km，对于100Km的服务半径，辅助的doppler误差最大可达到100Hz左右。

另外，Doppler频率不是固定不变的，对于GPS静止接收机，doppler的最大变化率约为：0.54Hz/s。对于GSM网络而言，授时精度在100ms量级，CDMA更优，这个变化率对于频率的搜索来说是很小的。载波的doppler效应会成比例的对应到码的doppler效应上，导致码的压缩与展宽。根据卫星运动轨迹，最大的径向运动速度约为929m/s，可以计算C/A码最大doppler频率

$f_{d\_\mathrm{CA}}=\frac{f_{\mathrm{CA}}\·v_h}{c}=\frac{1.023\×{10}^6\×929}{3{\×10}^8}\≈3.2\mathrm{Hz}---\left(2\right)$

在此情况下，对于1ms的积分，码的时间偏移误差大约3.12ns，当积分时间加长到1s，误差加大为3.12us，如果以5MHz的采样率进行A/D变换，对应的采样点及码片为：3.12×10^-6×5×10⁶＝15.6(个)≈3.2(chip)。可见，码片的偏移量达到码片级，实现长时间的积分算法必须补偿码doppler效应，不然将无法累积出信号的能量。

本发明的系统组成与工作原理：

系统结构图如附图1所示，整个系统划分为两个子系统；

1).高灵敏度卫星导航接收机：包括导航射频前端22、基带信号处理模块24、数据处理模块25；

2).网络辅助系统：包括无线通信模块23、通信网5、定位服务器4及参考接收机3。

射频模块22通过天线接收GNSS星座1的卫星信号，由于长时间的积分对振荡器要求比较高，高灵敏度导航接收机一般采用温度补偿振荡器21作为频率基准。当信号捕获工作开始时，射频模块22输出的中频数字信号保存在存储单元247中，根据灵敏度时间的需求，存储相应时间的信号。下变频与多普勒补偿单元241内包含了几个并行的捕获通道6-10个，各个捕获通道根据要求在不同的起始点读取存储单元247中的原始数据，并根据数据处理模块25的配置，在不同的频率点上进行多普勒补偿。信号处理单元242完成长时间的累积与信号重组。捕获相关器通道243控制FFT引擎244完成扩频信号的并行解扩，码产生器248的信号在同样的采样率之下送入FFT引擎244，在捕获相关器通道243的控制下，3次FFT操作就能完成一个捕获通道中所有码相位点的搜索工作。

捕获相关器通道243检测的结果通过接口及控制单元246送给数据处理模块25，数据处理模块25分析捕获结果，如果灵敏度指标在跟踪通道的工作范围内，将捕获参数反馈给基带信号处理模块24的跟踪通道245进行实时的跟踪处理。附图4描述了捕获与跟踪相结合实现定位的流程。

数据处理模块25主要完成基带处理模块24的控制与结果分析，在辅助定位模式下，初始的控制受控于辅助信息处理单元255的输出，数据处理模块25利用处理器资源完成数据处理与导航解算253、辅助信息处理255及终端应用模块254。

网络辅助子系统中的参考接收机3接收GNSS星座1的信号进行工作，它的工作半径为100公里，定位服务器4实时获取参考接收机3的信息，通过通信网5传输给终端接收机的无线通信模块23。

定位服务器工作原理如附图2，服务器通过串口RS232读取参考接收机，在辅助导航信息提取模块41中依次完成接收机位置提取，卫星号、TOW与多普勒提取，卫星位置提取，星历提取。提取之后的信息送入辅助信息数据库46与授时模块45。授时模块45实现对终端接收机的授时，辅助信息数据库46保存了最新的辅助信息列表，如表1所示(以GPS为例)。定位服务器4通过通信接口单元(48)与Internet相连，并通过相应的网关实现无线链路的传输。服务器应用程序(47)能够为终端提供不同的导航应用服务。

                 表1辅助信息内容列表

信息名称		Bytes	说明
				辅助类型		1	暂时不使用，默认值为0
保留字		2	暂时不使用，默认值为0
				GPS时间		4	TOW，单位：ms
参考接收机位置X		8	ECEF单位：m
				参考接收机位置Y		8	ECEF单位：m
参考接收机位置Z		8	ECEF单位：m
				当前卫星数目(N)		2	单位：个
					卫星号1	1
伪距	4	单位：s，3e10
			多普勒		4	单位：Hz，10-4
卫星1位置X	8	ECEF单位：m
			卫星1位置Y		8	ECEF单位：m
卫星1位置Z	8	ECEF单位：m
			星历数据		132
保留字	4	默认为0
					卫星号2
。。。
				。。。
。。。
					卫星号N
。。。
			。。。

导航接收机数据处理模块25中的辅助信息处理模块255是辅助定位接收机区别于其它传统接收机的关键点。如附图3所示，辅助信息提取与处理2555模块从无线通信模块26获取定位服务器4中的实时辅助信息，根据这些辅助信息，能够定义初始的搜索表参数，通过相关器状态与控制接口2551控制接口与控制模块251对相关器通道进行操作，辅助信息的利用能够极大的减小相关器通道的工作量，并使得接收机能够缩短首次定位时间(TTFF：Time To FirstFix)。伪距的计算模型也是辅助定位的特点，传统接收机需要通过跟踪的信号找到TOW，从而构成伪距，室内弱信号条件下，没有条件解调电文并获取TOW，辅助定位伪距模型2553利用相关器通道251给出的码相位，结合辅助信息提取与处理2555提供的TOW，以及每颗卫星信号之间基于整数倍毫秒的伪距差信息(该信息通过参考接收机位置与卫星位置求出，并进行解模糊处理，保证可靠的毫秒翻转位置)。辅助定位伪距模型2553输出的伪距与辅助信息提取与处理模块2555提供的星历信息，一起通过解算信息接口2554提供给数据处理与导航解算模块253进行位置解算处理及类似于Kalman滤波的数据处理。

本发明设计的接收机采用的是微弱信号条件的单点定位与强信号条件的连续定位相结合的定位方式。接收机从开机到给出定位结果的工作流程如附图4所示。接收机首先根据用户的选择判断是自主定位还是辅助定位模式2001，如果是自主定位模式，马上判断是冷启动还是热启动，并根据判断结果初始化工作参数2003，然后利用捕获相关器通道243送出的捕获结果实现强信号(＞-174dBw)的快速捕获强信号2008，捕获完成之后，将捕获参数送跟踪通道245进行实时的强信号连续跟踪2009，跟踪稳定之后，即可进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行PVT(位置、速度、时间)解算2010。

如果接收机配置的是辅助定位模式，终端首先向定位服务器4请求授时2002，然后获取定位服务器的辅助信息2004，并根据获取的辅助信息建立搜索表，以强信号方式进行快速捕获，根据参考信息进行强卫星的快速捕获2005，探测有几颗卫星信号强于-174dBW2006，根据结果进行不同的操作。如果有大于3颗的卫星较强，则接收机进入室外自主模式下的同样流程，室外定位模式2007，通过跟踪环路来实现精确的定位导航。如果只有1～3颗卫星信号较强，则进入窗口定位模式2011，此时这几颗强信号依旧送入跟踪环路实现实时的强信号继续跟踪2012，跟踪环路可以提供精确的强信号参数估计2013，抗互相关算法2014将利用这些参数，实现微弱信号的捕获2015，同步跟踪与捕获两个通路之后，即可实现窗口定位模式下的伪距计算与PVT解算2016。当快速捕获完成之后没有一颗强卫星信号，则可以判断接收机此时处于室内定位模式2017，接收机启动长时间的积分算法，实现微弱信号的捕获，弱信号高灵敏度捕获2018，此时的伪距计算为辅助模式下的单点伪距求解，伪距构成之后实现单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算2019。当定位完成之后，接收机进入下一个循环，直到结束2020。

Claims (4)

1.一种室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统，该定位系统有服务器、接口、天线、接收机、射频模块、星座、通信网络及计算机，所述定位系统的发送端通过无线信号传输到接收机的接收端，其特征在于：该系统至少包括：

卫星导航定位系统GNSS星座(1)、终端接收机(2)、参考接收机(3)、定位服务器(4)和通信网(5)，各装置组合为一整体的室内定位系统，整个系统分为两个子系统：高灵敏度卫星导航接收机和网络辅助系统，其间的终端接收机(2)和参考接收机(3)通过天线接收来自卫星导航定位系统GNSS星座(1)的信号，定位服务器(4)通过串口RS232与参考接收机(3)相连接，定位服务器(4)的输入输出信号通过通信网(5)传递到终端接收机(2)中的输入端，高灵敏度卫星导航接收机中的辅助卫星导航定位系统为导航接收机提供辅助导航信息，其中：

一高灵敏度卫星导航接收机由温度补偿振荡器(21)、导航射频模块(22)、基带信号处理模块(24)、数据处理模块(25)和电源(27)组成，温度补偿振荡器(21)的输出端与射频模块(22)的输入端相连接，射频模块(22)的输出端与基带信号处理模块(24)的输入端相连接，基带信号处理模块(24)中的接口及控制单元(246)的输入输出端与数据处理模块(25)中的接口与控制(251)的输出输入端相连接，各部件均与电源(27)相互连接；

一网络辅助系统由无线通信模块(23)、通信网(5)、定位服务器(4)、参考接收机(3)和电源(27)组成，参考接收机(3)的输入输出端与定位服务器(4)的输出输入端相连接，定位服务器(4)的输入输出信号通过通信网(5)传递到终端接收机(2)中无线通信模块(23)的输入端，无线通信模块(23)的输入输出端与数据处理模块(25)中的辅助信息处(255)的输出输入端相连接，各部件均与电源(27)相互连接；

一基带信号处理模块(24)由下变频及多普勒补偿(241)、信号处理单元(242)、捕获相关器通道(243)、FFT引擎(244)、跟踪通道(245)、接口及控制单元(246)、存储单元(247)和码产生器(248)组成，下变频及多普勒补偿(241)的一路输出端与信号处理单元(242)的输入端相连接，另一路的输入输出端与存储单元(247)的输出输入端相连接；

信号处理单元(242)的输出端与捕获相关器通道(243)的输入端相连接；

捕获相关器通道(243)的一路输入输出端与FFT引擎(244)的输出输入端相连接，另一路的输入输出端与接口及控制单元(246)的输出输入端相连接；

跟踪通道(245)的输入端与射频模块(22)的输出端相连接，跟踪通道(245)的输入输出端与接口及控制单元(246)的输出输入端相连接，接口及控制单元(246)的输入输出端与数据处理模块(25)中的接口与控制(251)的输出输入端相连接；

码产生器(248)的输出端与FFT引擎(244)的输入端相连接；

一数据处理模块(25)由接口与控制(251)、数据处理与导航解算(253)、终端应用模块(254)和辅助信息处理(255)组成，接口与控制(251)的一路输入输出端与辅助信息处理(255)的输出输入端相连接，接口与控制(251)的另一路输入输出端与数据处理与导航解算(253)的输出输入端相连接；辅助信息处理(255)的另一输入输出端与数据处理与导航解算(253)的输出输入端相连接；数据处理与导航解算(253)的另一输出输入端与终端应用模块(254)的输入输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统，其特征在于：所述的定位服务器(4)包括：辅助导航信息提取(41)、授时模块(45)、辅助信息数据库(46)、服务器应用程序(47)和通信接口单元(48)模块；参考接收机(3)的输出端通过串口RS232与定位服务器(4)中的辅助导航信息提取(41)的输入端相连接；辅助导航信息提取(41)的输出端同时与授时模块(45)和辅助信息数据库(46)模块的输入端相连接；

授时模块(45)的输入输出端与通信接口单元(48)模块的输出输入端相连接；

辅助信息数据库(46)的输入输出端与通信接口单元(48)模块的输出输入端相连接；

服务器应用程序(47)的输入输出端与通信接口单元(48)模块的输出输入端相连接；

通信接口单元(48)模块的输入输出端与通信网(5)模块的输出输入端相连接。

3.根据权利要求1所述的室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统，其特征在于：所述的辅助信息处(255)包括：相关器状态与控制接口(2551)、码相位提取(2552)、辅助定位伪距模型(2553)、解算信息接口(2554)和辅助信息提取与处理(2555)模块；相关器状态与控制接口(2551)的一路输入输出端与接口与控制(251)的输出输入端相连接，相关器状态与控制接口(2551)另一路的输出端与码相位提取(2552)的输入端相连接；

码相位提取(2552)模块输出的码相位信号传递到辅助定位伪距模型(2553)的输入端；

辅助定位伪距模型(2553)的输出端与解算信息接口(2554)的输入端相连接；

解算信息接口(2554)的输出端与数据处理与导航解算(253)的输入端相连接；

辅助信息提取与处(2555)模块第一路的输入输出端与无线通信模块(23)的输出输入端相连接；第二路输出搜索表参数信号传递到相关器状态与控制接口(2551)的输入端；第三路输出子帧周时间TOW信号传递到辅助定位伪距模型(2553)的输入端；第四路输出星历信息信号传递到解算信息接口(2554)的输入端。

4.一种室内定位全球定位系统接收机及辅助卫星导航定位系统的定位方法，其特征在于：该方法通过卫星导航定位系统GNSS星座(1)、终端接收机(2)、参考接收机(3)、定位服务器(4)和通信网(5)系统，实现整个系统在微弱信号条件下的室内定位服务；通过高灵敏度卫星导航接收机中的辅助卫星导航定位系统，为导航接收机提供辅助导航信息，辅助信息包括：辅助导航电文、时间与频率辅助信息，达到提高终端用户的灵敏度指标，减小首次定位时间；通过辅助高灵敏度接收机信号处理算法，获得发射时间和多普勒频率；通过参考接收机提供的辅助信息，获得当前每颗卫星的多普勒频率，接收机只需要搜索本地振荡器偏移导致的频偏，并采用微弱信号条件的单点定位与强信号条件的连续定位相结合的定位方式，该接收机从开机到给出定位结果的定位方法的具体工作步骤是：

步骤1.启动(2000)

接收机开机，准备启动(2000)；

步骤2.判断自主定位/辅助定位(2001)

执行完启动(2000)模块后，则进入自主定位/辅助定位(2001)模式，接收机首先根据用户的选择判断是自主定位还是辅助定位(2001)模式；如果是自主定位模式，马上判断是冷启动还是热启动，并根据判断结果初始化工作参数，则进入判断冷启动、热启动、初始化参数(2003)模块；如果接收机配置的是辅助定位模式，终端首先向定位服务器(4)请求授时，则进入终端请求授时(2002)模块；

步骤3.获取定位服务器的辅助信息(2004)

执行完终端请求授时(2002)模块后，则进入获取定位服务器的辅助信息(2004)模块，终端向定位服务器(4)请求授时后，获取定位服务器的辅助信息(2004)，并根据获取的辅助信息建立搜索表；

步骤4.根据参考信息进行强卫星的快速捕获(2005)

执行完获取定位服务器的辅助信息(2004)模块后，则进入根据参考信息进行强卫星的快速捕获(2005)模块，并根据辅助信息建立的搜索表，以强信号方式进行快速捕获；

步骤5.判断有几颗强卫星(2006)

执行完根据参考信息进行强卫星的快速捕获(2005)模块后，则进入判断有几颗强卫星(2006)模块，探测有几颗卫星信号强于-174dBW，根据结果进行不同的操作；该操作分为三路情况：第一路为大于3颗的卫星较强条件；第二路为只有1～3颗卫星信号较强条件；第三路为没有一颗强卫星信号条件；

步骤6.室外定位模式(2007)

第一路条件：如果有大于3颗的卫星较强，则接收机进入室外自主模式下的同样流程，通过跟踪环路来实现精确的定位导航；执行完室外定位模式(2007)模块后，则进入强信号连续跟踪(2009)模块，进行实时的跟踪，跟踪稳定之后，进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行位置、速度、时间PVT的解算，则进入BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算(2010)模块；执行完BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算(2010)模块后，则进入循环/结束(2020)模块；

步骤7.窗口定位模式(2011)

第二路条件：如果只有1～3颗卫星信号较强，则进入窗口定位模式(2011)，此时这几颗强信号依旧送入跟踪环路实现实时的跟踪，再分为强信号的一路和弱信号的一路；

强信号的一路，则进入强信号继续跟踪(2012)模块；

执行完强信号继续跟踪(2012)模块后，则进入强信号参数估计(2013)模块；

执行完强信号参数估计(2013)模块后，则进入抗互相关算法(2014)；将利用这些参数，实现微弱信号的捕获；

弱信号的一路，则进入微弱信号的捕获(2015)模块；

执行完实现微弱信号的捕获(2015)，同步跟踪与捕获两个通路之后，则进入实现窗口定位模式下的伪距计算与位置、速度、时间PVT解算(2016)；

执行完伪距计算与位置、速度、时间PVT解算(2016)模块后，则进入循环/结束(2020)模块；

步骤8.室内定位模式(2017)

第三路条件：当快速捕获完成之后没有一颗强卫星信号，则可以判断接收机此时处于室内定位模式(2017)，执行完室内定位模式(2017)模块后，则进入弱信号高灵敏度捕获(2018)模块，接收机启动长时间的积分算法，实现微弱信号的捕获，此时的伪距计算为辅助模式下的单点伪距求解；

执行完弱信号高灵敏度捕获(2018)模块后，则进入单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算(2019)模块，伪距构成之后实现位置、速度、时间PVT解算；

执行完单点伪距计算，位置、速度、时间PVT解算(2019)模块后，则进入循环/结束(2020)模块，当定位完成之后，接收机进入下一个循环，直到结束；

步骤9.快速捕获强信号(2008)

执行完判断冷启动、热启动、初始化参数(2003)模块后，则进入快速捕获强信号(2008)模块，并根据判断结果初始化工作参数(2003)，然后利用捕获相关器通道(243)送出的捕获结果实现强信号大于-174dBw的快速捕获；

步骤10.强信号连续跟踪(2009)

执行完快速捕获强信号(2008)模块后，则依次进入强信号连续跟踪(2009)及BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算(2010)模块；执行完BIT同步、帧同步、伪距提取、位置、速度、时间PVT解算(2010)模块后，则进入循环/结束(2020)模块；捕获完成之后，将捕获参数送跟踪通道(245)进行实时的跟踪，跟踪稳定之后，进行BIT同步、帧同步，进而提取伪距，进行位置、速度、时间PVT解算；

步骤11.循环/结束(2020)

整个过程结束。

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