辅助北斗卫星定位系统及基于该系统的定位追踪终端
技术领域
本技术方案是一种基于辅助北斗卫星定位系统(A-BeiDou Navigation Satellite System,下文简称A-BDS)及基于该系统的定位追踪终端。本技术方案将北斗与移动通信网络融合,提升了定位速度,改善了室内无法获知位置的问题,解决了数据传输的问题。
背景技术
北斗卫星导航系统(BDS)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,于2012年12月27日起向亚太大部分地区正式提供服务,并计划至2020年完成全球系统的构建。北斗卫星导航系统和美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统及欧盟伽利略定位系统一起,是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统提供的无源定位、导航、授时服务,采用与GPS相似的工作机制:常规的终端接收机需要完成信号捕获跟踪、解调解扩、数据解算等功能,其缺点是冷启动较慢、首次定位时间(TTFF, time-to-first-fix)较长,室内无法得到定位信息,只能被动接受卫星信息。
发明内容
本技术方案的目的在于解决现有技术中存在的上述问题,在北斗系统中引入移动通信系统,克服北斗卫星定位系统的不足,提出以下技术方案:
一种辅助北斗卫星定位系统,包括北斗卫星导航系统BDS卫星、移动通信网络、A-BDS位置服务器和A-BDS终端接收机;
所述A-BDS终端接收机包括控制模块、电源模块、移动网络通信功能模块和北斗接收机;电源模块分别连接控制模块、移动网络通信功能模块和北斗接收机,并为它们供电;所述控制模块分别连接和控制电源模块、移动网络通信功能模块和北斗接收机;A-BDS终端接收机通过移动网络通信功能模块与移动通信网络通信;A-BDS终端接收机通过北斗接收机接收来自北斗卫星导航系统BDS卫星的数据;
所述A-BDS位置服务器上设有移动网络通信功能模块,A-BDS位置服务器通过移动网络通信功能模块与移动通信网络通信。
所述A-BDS终端接收机的北斗接收机的前端电路包括依此连接的天线、第一级滤波电路、第一级放大电路、第二级滤波电路和第二级放大电路;所述第二级放大电路的信号输出端连接北斗接收机的北斗信号输入端;
所述第一、二级滤波电路都是声表滤波器,该声表滤波器要求:
带通频率为1559MHz~1577.42MHz;
带内波动最大为0.5dB,最小为0.1dB,插入损耗最大为1.3dB,典型为0.9dB。
绝对衰减:DC~1526MHz为40dB、1625~2500MHz为40dB、2500~6000MHz为30dB;
输入驻波比(带内):典型为1.1 最大为1.7;
输出驻波比(带内):典型1.1最大为1.7;
阻抗为50ohm;
第一、二级放大电路为增益为20dB、噪声系数<1的放大器。
辅助北斗卫星定位系统的定位基本流程包括为搜索卫星和位置解算两大步骤:
1、搜索卫星:
1.1)A-BDS终端从移动基站获取到当前所在的小区位置;
1.2)A-BDS终端通过移动通信网将当前所在蜂窝小区位置传送给A-BDS位置服务器;
1.3)A-BDS位置服务器根据蜂窝小区位置查询该区域的可用BDS卫星信息,这些信息包括卫星的频段、方位和仰角信息,并通过移动通信网络返回给A-BDS终端;
1.4)A-BDS终端根据得到的可用BDS卫星信息,快速匹配到当前可用的BDS卫星信号;
2、位置解算
辅助北斗卫星定位系统的位置解算包括两种方案:在终端进行计算的MS-Based方式和在网络端进行计算的MS-Assisted方式;
MS-Based方式是由A-BDS终端完成信号解调、位置解算,得到最终的位置坐标;
MS-Assisted方式是由A-BDS位置服务器协助完成位置解算任务,基本流程如下:
2.1)A-BDS终端将处理后的BDS伪距信息通过移动通信网发送给A-BDS位置服务器;
2.2)A-BDS位置服务器根据伪距信息、并结合基站定位、参考BDS定位等得到的辅助定位信息,计算出最终的位置坐标,返回给A-BDS终端设备。
一种基于上述系统的定位追踪终端,包括控制模块、电源模块、移动网络通信功能模块、北斗接收机、显示模块和键盘;
所述电源模块连接控制模块、移动网络通信功能模块、北斗接收机和显示模块,为它们供电;
所述控制模块接收来给北斗接收机的数据,同时控制北斗接收机的工作;
所述控制模块控制移动网络通信功能模块的工作;
所述控制模块控制显示模块的工作;
所述控制模块控制电源模块的工作;
所述键盘的信号输出端连接控制模块的控制信号输入端;
本定位追踪终端的定位工作步骤包括:
一)开机并初始化;
二)由控制模块控制移动网络通信功能模块进入休眠模式、关闭北斗接收机和显示模块,同时控制模块自身进入低功耗的待机状态;
如果条件:
a)键盘的开机键按下,则由控制模块控制显示模块工作,并每隔固定时间唤醒控制模块自身的运算,同时刷新屏幕后,控制模块再次进入待机状态;然后进入步骤三);
或者:b)由移动网络通信功能模块接收到号码绑定的命令短信,则控制模块唤醒,并进行号码绑定操作;然后进入步骤三);
或者:c)由移动网络通信功能模块接收到定位命令短信,则控制模块唤醒,并打开北斗接收机,分析来给北斗接收机的本定位追踪终端的位置、时间的报文信息,尝试获取本定位追踪终端的位置、时间信息;
如果北斗定位成功,则通过移动网络通信功能模块发送本定位追踪终端的位置信息到绑定号码;然后进入步骤三)
如果北斗定位不成功,则由移动网络通信功能模块通过移动通信网络的基站进行定位,获取本定位追踪终端的位置信息并发送到绑定号码;然后进入步骤三);
三)由控制模块控制移动网络通信功能模块进入休眠模式、关闭北斗接收机和显示模块,同时控制模块自身进入低功耗的待机状态。
所述北斗接收机的前端电路包括依此连接的天线、第一级滤波电路、第一级放大电路、第二级滤波电路和第二级放大电路;所述第二级放大电路的信号输出端连接北斗接收机的北斗信号输入端;
所述第一、二级滤波电路都是声表滤波器,该声表滤波器要求:
带通频率为1559MHz~1577.42MHz;
带内波动最大为0.5dB,最小为0.1dB,插入损耗最大为1.3dB,典型为0.9dB。
绝对衰减:DC~1526MHz为40dB、1625~2500MHz为40dB、2500~6000MHz为30dB;
输入驻波比(带内):典型为1.1 最大为1.7;
输出驻波比(带内):典型1.1最大为1.7;
阻抗为50ohm;
第一、二级放大电路为增益为20dB、噪声系数<1的放大器。
所述条件c)中,本定位追踪终端通过北斗接收机和移动网络通信功能模块进行定位的步骤包括:
1)本定位追踪终端首先将本身所在的移动网络基站地址,即定位追踪终端的大概位置通过网络传输到A-BDS位置服务器;
2)A-BDS位置服务器根据本定位追踪终端的大概位置传输与A-BDS位置服务器本身存储的该位置相关的BDS辅助信息(这些辅助信息包括BDS的星历和方位俯仰角)发送到定位追踪终端;
3)本定位追踪终端根据BDS辅助信息接收BDS原始信号;(以提升BDS信号的第一锁定时间TTFF能力)
4)本定位追踪终端在接收到BDS原始信号后解调信号,计算本定位追踪终端到卫星的伪距(伪距为受各种BDS误差影响的距离),并将相关信息通过移动网络传输给A-BDS位置服务器;
5)A-BDS位置服务器根据传来的上述BDS伪距信息和来自其他定位设备(如差分BDS基准站等)的辅助信息完成对BDS信息的处理,并估算本定位追踪终端的位置;
6)A-BDS位置服务器将本定位追踪终端的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。
所述条件c)中,位置解算在网络端,由A-BDS位置服务器完成,或者在本定位追踪终端端,由控制单元把来自移动网络通信功能模块或北斗接收机的信息进行计算,得到本定位追踪终端的位置信息;
1、位置解算在网络端即用户终端辅助的A-BDS系统中传送的主要信息包括:
(1)从用户端送到A-BDS服务器的信息包括:
Ø定位请求;
Ø用户大概的位置;
Ø基于时间的伪距数据;
(2)从A-BDS位置服务器送到用户端的信息包括:
Ø可见卫星列表;
Ø见到的卫星的多普勒频偏和代码相位或近似的终端设备位置及星历;
Ø BDS参考时间;
2、位置解算在终端设备即为基于用户终端的A-BDS方案中,传送的主要信息包括:
(1)从定位追踪终端送到A-BDS服务器的信息包括:
Ø定位请求;
Ø定位追踪终端大概的位置;
Ø计算出的位置信息;
(2)从A-BDS服务器送到用户端的信息包括:
Ø可见卫星列表;
Ø见到的卫星的多普勒频偏和代码相位;
Ø精确的卫星轨道数据即星历,2-4小时内有效,也可扩展到卫星可见的整个周期即12小时;
Ø DBDS校正数据;
Ø BDS参考时间;
Ø卫星实时完整性包括故障或失灵卫星信息。
本定位追踪终端的结构形式可以非常灵活,例如采用腕带式结构、项圈式结构等。
本技术方案将北斗与移动网络一同使用,不仅解决了数据收发的问题,同时解决了北斗卫星定位系统的几个不足:常规的BDS终端接收机,必须全范围搜索BDS卫星信号,完成捕获、跟踪、解调、解算等功能,运算量较大,导致冷启动较慢、首次定位时间较长。并且在室内无法获得位置信息。
在本技术方案通过辅助北斗卫星定位系统(Assisted BeiDou
Navigation Satellite System,下文简称A-BDS)加快首次定位时间(TTFF,
time-to-first-fix),通过移动网络的基站定位系统改善了北斗无法室内定位的问题,可在室内条件下提供百米级别精确度的定位信息。
附图说明
图1 是辅助北斗卫星定位系统的原理框图;
图2是基于辅助北斗卫星定位系统的定位追踪终端的原理框图;
图3是北斗接收机的前端电路示意图;
图4是基于辅助北斗卫星定位系统的定位追踪终端的工作原理示意图。
具体实施方式
本技术方案的目的是通过以下技术方案来实现的:
如图1,一种辅助北斗卫星定位系统(简称A-BDS),包括BDS卫星、移动通信网络、A-BDS位置服务器和A-BDS终端接收机;所述A-BDS终端接收机包括控制模块、电源模块、移动网络通信功能模块和北斗接收机;电源模块分别连接控制模块、移动网络通信功能模块和北斗接收机,并为它们供电;所述控制模块分别连接和控制电源模块、移动网络通信功能模块和北斗接收机;A-BDS终端接收机通过移动网络通信功能模块与移动通信网络通信;A-BDS终端接收机通过北斗接收机接收来自BDS卫星的数据;所述A-BDS位置服务器上设有移动网络通信功能模块,A-BDS位置服务器通过移动网络通信功能模块与移动通信网络通信。
A-BDS定位基本流程可以划分为搜索卫星、位置解算两大步骤:
1、搜索卫星
A-BDS终端开机后首先要搜索当前区域的可视BDS卫星。常规的BDS接收机需要进行全范围的卫星搜索、导致冷启动时间较长。所述A-BDS则通过移动通信网络查询A-BDS位置服务器、直接获取所在区域的可用卫星信息,从而提高了搜星速度。
例如,A-BDS搜索卫星的基本流程如下:
1)A-BDS终端从移动基站获取到当前所在的小区位置;
2)A-BDS终端通过移动通信网将当前蜂窝小区位置传送给A-BDS位置服务器;
3)A-BDS位置服务器根据蜂窝小区位置查询该区域的可用BDS卫星信息(包括卫星的频段、方位、仰角等相关信息),并通过移动通信网络返回给A-BDS终端;
4)A-BDS终端根据得到的可用卫星信息,快速匹配到当前可用的BDS卫星信号。
通过上述过程,可以避免终端接收机漫无目的地全范围搜索卫星信号,A-BDS对定位速度的改善主要体现在这一过程中。
2、位置解算
在完成搜星过程后,就可以进行位置解算、获得定位信息。A-BDS的位置解算可以有两种方案:在终端进行计算的MS-Based方式和在网络端进行计算的MS-Assisted方式。
MS-Based方式与常规的BDS终端解算方式相同,由终端完成信号解调、位置解算,得到最终的位置坐标;
MS-Assisted方式则是由A-BDS位置服务器协助完成位置解算任务,基本流程如下:
1)A-BDS终端将处理后的BDS伪距信息通过移动通信网发送给A-BDS位置服务器;
2)A-BDS位置服务器根据伪距信息、并结合基站定位、参考BDS定位等得到的辅助定位信息,计算出最终的位置坐标,返回给设备。
在使用MS-Assisted方式时,由于辅助定位信息的加入,可以获得更高的定位精度;将复杂计算转移到网络端,可以减小终端设备的计算负担、减少电量消耗。
如图2所示,定位追踪终端由北斗接收机、移动网络通信功能电路、控制运算电路、电源电路等几部分组成。所述北斗及移动网络的定位追踪器可以划分为获得位置信息、位置信息发送两大步骤:
1、获得位置信息
控制运算电路得知需要获得位置信息时,首先开启北斗接收机电路,开始搜索当前区域的可是北斗卫星。期间,控制运算电路将按照A-BDS系统原理使移动通信功能电路及北斗接收机协同工作加快定位速度。若在1分钟内仍无法获得位置信息,运算控制电路认为此时可能处于室内,关闭北斗接收机,转而通过移动网络使用基站定位获得粗略位置信息。
(1)
A-BDS终端从移动基站获取到当前所在的小区位置;
(2) A-BDS终端通过移动通信网将当前蜂窝小区位置传送给A-BDS位置服务器;
(3) A-BDS位置服务器根据蜂窝小区位置查询该区域的可用BDS卫星信息(包括卫星的频段、方位、仰角等相关信息),并通过移动通信网络返回给A-BDS终端;
(4) A-BDS终端根据得到的可用卫星信息,快速匹配到当前可用的BDS卫星信号。
(5) 若1分钟内仍然无法通过BDS获得准确位置信息,追踪器将关闭北斗接收机,开始使用基站定位,将基站号及对应信号强度发送至服务器,服务器进行复杂计算后返回位置信息。
2、位置信息发送
在完成位置信息获取之后,控制运算电路将控制移动通信功能电路通过数据网络(GPRS、EDGE、HSDPA或EV-DO,甚至于今后出现的4G网络等)或者短信的形式将定位信息发送至服务器或个人。通过数据网络传送位置数据至服务器实时性强,费用低廉;通过短信可将位置信息直接传送至特定接收人,无需通过服务器中转。
具体到本定位追踪终端,包括控制模块、电源模块、移动网络通信功能模块、北斗接收机、显示模块和键盘;所述电源模块连接控制模块、移动网络通信功能模块、北斗接收机和显示模块,为它们供电;所述控制模块接收来给北斗接收机的数据,同时控制北斗接收机的工作;所述控制模块控制移动网络通信功能模块的工作;所述控制模块控制显示模块的工作;所述控制模块控制电源模块的工作;所述键盘的信号输出端连接控制模块的控制信号输入端;
本定位追踪终端的定位工作步骤包括:
一)开机并初始化;
二)由控制模块控制移动网络通信功能模块进入休眠模式、关闭北斗接收机和显示模块,同时控制模块自身进入低功耗的待机状态;
如果条件:
a)键盘的开机键按下,则由控制模块控制显示模块工作,并每隔固定时间唤醒控制模块自身的运算,同时刷新屏幕后,控制模块再次进入待机状态;然后进入步骤三);
或者:b)由移动网络通信功能模块接收到号码绑定的命令短信,则控制模块唤醒,并进行号码绑定操作;然后进入步骤三);
或者:c)由移动网络通信功能模块接收到定位命令短信,则控制模块唤醒,并打开北斗接收机,分析来给北斗接收机的本定位追踪终端的位置、时间的报文信息,尝试获取本定位追踪终端的位置、时间信息;
如果北斗定位成功,则通过移动网络通信功能模块发送本定位追踪终端的位置信息到绑定号码;然后进入步骤三)
如果北斗定位不成功,则由移动网络通信功能模块通过移动通信网络的基站进行定位,获取本定位追踪终端的位置信息并发送到绑定号码;然后进入步骤三);
三)由控制模块控制移动网络通信功能模块进入休眠模式、关闭北斗接收机和显示模块,同时控制模块自身进入低功耗的待机状态。
所述条件c)中,本定位追踪终端通过北斗接收机和移动网络通信功能模块进行定位的步骤包括:
1)本定位追踪终端首先将本身所在的移动网络基站地址,即定位追踪终端的大概位置通过网络传输到A-BDS位置服务器;
2)A-BDS位置服务器根据本定位追踪终端的大概位置传输与A-BDS位置服务器本身存储的该位置相关的BDS辅助信息(这些辅助信息包括BDS的星历和方位俯仰角)发送到定位追踪终端;
3)本定位追踪终端根据BDS辅助信息接收BDS原始信号;(以提升BDS信号的第一锁定时间TTFF能力)
4)本定位追踪终端在接收到BDS原始信号后解调信号,计算本定位追踪终端到卫星的伪距(伪距为受各种BDS误差影响的距离),并将相关信息通过移动网络传输给A-BDS位置服务器;
5)A-BDS位置服务器根据传来的上述BDS伪距信息和来自其他定位设备(如差分BDS基准站等)的辅助信息完成对BDS信息的处理,并估算本定位追踪终端的位置;
6)A-BDS位置服务器将本定位追踪终端的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。
所述条件c)中,位置解算在网络端,由A-BDS位置服务器完成,或者在本定位追踪终端端,由控制单元把来自移动网络通信功能模块或北斗接收机的信息进行计算,得到本定位追踪终端的位置信息。
用户终端设备两种模式都支持。
1、用户终端辅助的A-BDS系统中传送的主要信息:
(1)从用户端送到A-BDS服务器的信息包括:
Ø定位请求;
Ø用户大概的位置;
Ø基于时间的伪距数据;
(2)从A-BDS服务器送到用户端的信息包括:
Ø可见卫星列表;
Ø见到的卫星的多普勒频偏和代码相位或近似的终端设备位置及星历;
Ø BDS参考时间;
用户终端辅助的A-BDS方案中需短的下载时间,利用通讯网络资源计算用户位置,这样加快了位置解算过程,用户端不需要有额外的计算功能。缺点是辅助信息有效时间短,上传数据较多。
2、基于用户终端的A-BDS系统中传送的主要信息:
(1)从用户端送到A-BDS服务器的信息包括:
Ø定位请求
Ø用户大概的位置
Ø计算出的位置信息
(2)从A-BDS服务器送到用户端的信息包括:
Ø可见卫星列表
Ø见到的卫星的多普勒频偏和代码相位
Ø精确的卫星轨道数据(星历),2-4小时内有效,也可扩展到卫星可见的整个周期(12小时)
Ø DBDS校正数据
Ø BDS参考时间;
Ø卫星实时完整性(故障或失灵卫星信息)
基于用户终端的A-BDS方案中,位置解算在终端设备,这就要求设备中要增加相关存储器RAM和ROM,并需要一定的计算能力(几MIPS)。另外是需长时间下载辅助数据,减缓了计算过程。用户终端可以做为一个独立的BDS接收机,可以用于其它的BDS功能。用户终端上传的数据相对少,大部分辅助数据有效时间达2-4小时。通过基站定位改善BDS系统室内无法定位的问题。通过移动通信网络发送定位信息。
参考图3,将北斗卫星定位系统与移动通信网络同时使用,遇到了移动网络干扰北斗信号接收的问题,通过改进北斗接收部分电路解决,使用两级滤波放大:信号被天线接收后经过一次声表滤波器后进行放大,之后再次经过声表滤波器滤波后再次放大。使用此电路后可解决移动网络等信号干扰。
具体来说,所述北斗接收机的前端电路包括依此连接的天线、第一级滤波电路、第一级放大电路、第二级滤波电路和第二级放大电路;所述第二级放大电路的信号输出端连接北斗接收机的北斗信号输入端;
所述第一、二级滤波电路都是声表滤波器,该声表滤波器要求:
带通频率为1559MHz~1577.42MHz;
带内波动最大为0.5dB,最小为0.1dB,插入损耗最大为1.3dB,典型为0.9dB。
绝对衰减:DC~1526MHz为40dB、1625~2500MHz为40dB、2500~6000MHz为30dB;
输入驻波比(带内):典型为1.1 最大为1.7;
输出驻波比(带内):典型1.1最大为1.7;
阻抗为50ohm;
第一、二级放大电路为增益为20dB、噪声系数<1的放大器。
同时,在北斗接收机采用北斗2代相应接收机,通过前端电路的选择,可以使本A-BDS终端接收机,如定位追踪终端等兼容北斗卫星系统和GPS系统。
参考图4,图中虚线框部分是为了让定位追踪终端系统在待机状态下获得最低的功耗。加粗线框部分在显示时,CPU只在需要进行运算或者控制时唤醒,完成操作后置于睡眠模式降低功耗。
本例所述A-BDS(辅助北斗卫星定位系统)由BDS卫星、移动通信网络、A-BDS位置服务器、A-BDS终端接收机组成。A-BDS终端接收机在接收BDS卫星信号的同时,还可以通过移动通信网络与A-BDS位置服务器进行交互,获取辅助定位信息、加快定位速度。而常规的BDS终端接收机,必须全范围搜索BDS卫星信号,完成捕获、跟踪、解调、解算等功能,运算量较大,导致冷启动较慢、首次定位时间较长。在本辅助定位系统中,终端接收机可以通过移动通信网络访问A-BDS位置服务器,获取当前区域的可用卫星信息(包括卫星频段、方位、仰角等),从而避免了全范围搜索,因此可以将原先的冷启动时间由几分钟减小到几秒钟,从而大大加快了定位速度。
本技术方案提出的辅助北斗卫星定位系统(A-BDS,
Assisted BeiDou Navigation Satellite System)及基于该系统的定位追踪终端,在BDS系统中引入移动通信系统的辅助作用,显著加快BDS系统定位速度,改善了室内无法获知位置的问题,解决了数据传输的问题,从而填补了国内外在这一技术领域的空白。