CN103323866A - 基于云计算的低功耗北斗接收机及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云计算的低功耗北斗接收机及其定位方法，所述接收机包括相连的用户端和云端；所述定位方法是用户端向云端发送定位请求，并向云端发送中频数据；云端接收到用户端的定位请求后，接收用户端发送的中频数据，采用粗时间导航方法实现用户端位置的解算；云端向用户端发送定位结果；当用户端接收到定位结果，则完成一次定位，进入低功耗模式，等待下一次的定位请求。本发明的北斗接收机由于云端采用粗时间导航的方法，用户端仅需要采集数毫秒的中频数据并发送到云端，相对于独立北斗接收机至少30秒的工作时间，使用户端的工作时间大大减少，更多的时间处于关闭或低功耗模式。

Description

基于云计算的低功耗北斗接收机及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种北斗接收机及其定位方法，尤其是一种基于云计算的低功耗北斗接收机及其定位方法，属于北斗接收机云计算领域。

背景技术

近年来，智能手机和平板电脑的兴起，特别是目前非常热门的基于位置服务(LBS)，更是刺激了卫星导航接收机全民普及的趋势，卫星导航接收机已经成为智能手机、平板电脑等便携式设备的标准配置。

便携式设备所用的北斗接收机需要完成卫星信号的捕获，跟踪，导航电文的提取，定位解算等流程，由于卫星星历数据的传输速率很低，以D1导航电文格式为例，数据速率仅50bps，因此独立的北斗接收机需要连续接收完整的星历数据才能完成定位，此过程至少耗时30秒。此外，接收机的捕获跟踪模块需要连续工作才能保持对卫星信号的跟踪，因此便携式设备的北斗接收芯片很难周期性的工作以降低功耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种可以大大减少用户端工作时间，且大幅降低用户端功耗的基于云计算的低功耗北斗接收机。

本发明的另一目的在于提供一种基于云计算的低功耗北斗接收机的定位方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于云计算的低功耗北斗接收机，其特征在于：所述北斗接收机包括通过移动通信网络相连的用户端和云端，其中：

所述用户端，用于采集北斗卫星信号以及与云端进行通信；所述与云端进行通信的内容为向云端发送定位请求与中频数据以及接收云端发送的定位结果。

所述云端，用于更新和维护北斗星历数据库和基站的信息表以及与用户端进行通信；所述与用户端进行通信的内容为接收用户端发送的定位请求与中频数据，对中频数据进行信号捕获处理，获取用户端采集的卫星信号的码相位和多普勒频移，结合北斗星历数据库中的导航电文，计算出用户端的位置，并把位置信息发送回到用户端。

作为一种优选方案，所述用户端为移动终端，包括射频前端模块、控制器模块、数据缓冲模块和无线数据传输模块，其中：

所述射频前端模块，用于通过天线接收北斗卫星信号并把北斗卫星信号频段的高频信号下变频由ADC转换器采样为中频数据；

所述控制器模块，用于将中频数据写入数据缓冲模块与读取数据缓冲模块的中频数据；

所述数据缓冲模块，用于存储中频数据；该模块是一个读写时钟异步的双端口FIFO，数据输入位宽为Nbit，数据输出位宽为Mbit，写时钟由中频数据的采样时钟反相所得，读时钟跟无线数据传输模块的数据传输速率一致，其中N、M为自然数。

所述无线数据传输模块，用于向云端发送中频数据与接收云端发送的定位结果。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于云计算的低功耗北斗接收机的定位方法，其特征在于包括以下步骤：

1)用户端在默认状态下，其各个模块处于低功耗模式，当用户端向云端发送定位请求时，执行步骤2)。

2)用户端的射频前端模块开始输出中频数据，在控制器模块的控制下把中频数据写入数据缓冲模块中，与此同时，控制器模块读取数据缓冲模块的中频数据，与时间标签、当前通信基站ID形成数据包，并通过无线数据传输模块把数据包发送到云端；

3)云端接收到用户端的定位请求后，开始接收用户端发送的数据包，当用户端的数据包发送完毕后关闭射频前端模块，等待云端的响应；

4)云端对接收到的数据包进行处理，提取出时间标签、基站ID和中频数据，采用粗时间导航方法，实现用户端位置的解算；

5)云端向用户端发送定位结果；

6)当用户端通过无线数据传输模块接收到定位结果，则完成一次定位，进入低功耗模式，则返回步骤1)等待下一次的定位请求；当用户端等待的时间大于某个设定的阈值，仍无收到云端的响应，则返回步骤2)重新进行中频数据采集与发送。

作为一种优选方案，步骤4)所述云端采用粗时间导航方法，实现用户端位置的解算，具体如下：

a)根据当前通信基站ID，查表得知基站的CGCS2000大地坐标系坐标，再根据时间标签计算出该时刻可见的卫星数以及卫星的位置信息；

b)计算出基站和各卫星之间的距离及信号传输时间，把传输时间用毫秒表示，取其整数部分；

c)对中频数据进行卫星信号捕获处理，得到各卫星的码相位及其代表的传输时间毫秒数的小数部分，结合步骤b)中整数部分，并加入北斗星历数据库中的延迟修正项，得到卫星信号到用户端的总传输时间T_r；

d)把总传输时间T_r乘以光速得到卫星到用户端的伪距观测量，结合步骤a)中的卫星位置信息，利用三边测量原理和最小二乘法的迭代方法，求出用户端的所在位置。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的北斗接收机划分为用户端和云端两部分，利用云计算技术，把功耗较大的信号处理工作交由云端处理，由于云端采用粗时间导航(Coarse-Time Navigation)的方法，用户端仅需要采集数毫秒的中频数据并发送到云端，相对于独立北斗接收机至少30秒的工作时间，使用户端的工作时间大大减少，更多的时间处于关闭或低功耗模式。

2、本发明的北斗接收机经过实验测试表明，当用户端发送的中频数据为10毫秒，定位精度小于35米时，用户端的功耗相比独立北斗接收机可以降低3个数量级。

附图说明

图1为本发明北斗接收机的原理示意图。

图2为本发明北斗接收机的用户端结构框图。

图3为本发明北斗接收机的定位流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的北斗接收机包括相连的用户端和云端，所述用户端为移动终端，包括射频前端模块、控制器模块、数据缓冲模块和无线数据传输模块。

如图1和如图3所示，本实施例的北斗接收机定位过程如下：

1)用户端默认处于低功耗模式，用户端在某一时刻向云端发送定位请求，用户端的各个模块开始工作，射频前端模块以16.368MHz的采样速率输出中频数据，位宽为2bit，在控制器模块的控制下把中频数据写入数据缓冲模块中，与此同时，控制器模块读取数据缓冲模块的中频数据，与时间标签(设为2013年3月5日12:06:51:43，精确到毫秒)、当前通信基站ID(设为基站1)形成数据包，然后把数据包通过无线数据传输模块发送给云端，当获取的中频数据达到10毫秒，即数据包发送完毕，关闭射频前端模块，等待的云端响应。

2)云端定时更新和维护北斗星历数据库，等待用户端的定位请求，当接收到用户端的定位请求时，开始接收用户端的发送的数据包，接收到10毫秒的中频数据后，对数据包进行解析，获得时间标签(2013年3月5日12:06:51:43)和通信基站ID(基站1)以及10毫秒的中频数据，云端进入数据处理流程。

3)根据基站1的ID，查表得知基站1的CGCS2000大地坐标系坐标为(2324618.18，5387354.96，2492408.88)，再根据时间标签计算出该时刻可见的卫星数以及卫星的位置信息，如下表1所示；

卫星数目	x	y	z
				1	1124894.69	26328623.45	-1163400.31
2	-8032593.76	21225863.54	13506451.41
				3	-2879333.48	24418522.29	9718608.15
4	-6619037.54	13311345.66	22196912.84
				5	7672981.82	23008060.40	11558236.80
6	-21705981.32	14854175.88	3295851.24
				7	-22434745.56	2008362.97	14097960.22

表1可见卫星数及卫星位置

进而计算出基站1和各卫星之间的距离及信号传输时间，如下表2所示。

表2各卫星与基站1之间的距离及信号传输时间

对中频数据进行卫星信号捕获处理，得到各卫星的码相位及其代表的传输时间毫秒数的小数部分，结合表2的整数部分并加入北斗星历数据库中的延迟修正项，得到卫星信号到用户端的总传输时间，如下表3所示。

表3卫星信号到用户端的传输时间

总传输时间乘以光速(c＝299792458m/s)可以得到卫星到用户端的伪距观测量。联合前面所述的卫星位置信息，利用三边测量原理和最小二乘法的迭代方法求出用户端的位置，本实施例定位结果的CGCS2000大地坐标系表示为(-2324476.21885593，5387473.61845432，2492372.38064152)，化为测地坐标系(LLH坐标系)的结果为：经度23.1532°、纬度113.3382°和高度95.2277m。

至此，云端定位解算完毕，云端把定位结果发送回用户端。

4)当用户端通过无线数据传输模块接收到云端的定位解算结果后，重新进入低功耗模式，等待下一次定位请求。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于云计算的低功耗北斗接收机，其特征在于：所述北斗接收机包括相连的用户端和云端，其中：

所述用户端，用于采集北斗卫星信号以及与云端进行通信；

所述云端，用于更新和维护北斗星历数据库和基站的信息表以及与用户端进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于云计算的低功耗北斗接收机，其特征在于：所述用户端为移动终端，包括射频前端模块、控制器模块、数据缓冲模块和无线数据传输模块，其中：

所述射频前端模块，用于通过天线接收北斗卫星信号并把北斗卫星信号频段的高频信号下变频由ADC转换器采样为中频数据；

所述控制器模块，用于将中频数据写入数据缓冲模块与读取数据缓冲模块的中频数据；

所述数据缓冲模块，用于存储中频数据；

所述无线数据传输模块，用于向云端发送中频数据与接收云端发送的定位结果。

3.基于权利要求2所述北斗接收机的定位方法，其特征在于包括以下步骤：

1)用户端在默认状态下，其各个模块处于低功耗模式，当用户端向云端发送定位请求时，执行步骤2)。

2)用户端的射频前端模块开始输出中频数据，在控制器模块的控制下把中频数据写入数据缓冲模块中，与此同时，控制器模块读取数据缓冲模块的中频数据，与时间标签、当前通信基站ID形成数据包，并通过无线数据传输模块把数据包发送到云端；

3)云端接收到用户端的定位请求后，开始接收用户端发送的数据包，当用户端的数据包发送完毕后关闭射频前端模块，等待云端的响应；

4)云端对接收到的数据包进行处理，提取出时间标签、基站ID和中频数据，采用粗时间导航方法，实现用户端位置的解算；

5)云端向用户端发送定位结果；

6)当用户端通过无线数据传输模块接收到定位结果，则完成一次定位，进入低功耗模式，则返回步骤1)等待下一次的定位请求；当用户端等待的时间大于某个设定的阈值，仍无收到云端的响应，则返回步骤2)重新进行中频数据采集与发送。

4.根据权利要求3所述的北斗接收机的定位方法，其特征在于：步骤4)所述云端采用粗时间导航方法，实现用户端位置的解算，具体如下：

a)根据当前通信基站ID，查表得知基站的CGCS2000大地坐标系坐标，再根据时间标签计算出该时刻可见的卫星数以及卫星的位置信息；

b)计算出基站和各卫星之间的距离及信号传输时间，把传输时间用毫秒表示，取其整数部分；

c)对中频数据进行卫星信号捕获处理，得到各卫星的码相位及其代表的传输时间毫秒数的小数部分，结合步骤b)中整数部分，并加入北斗星历数据库中的延迟修正项，得到卫星信号到用户端的总传输时间T_r；

d)把总传输时间T_r乘以光速得到卫星到用户端的伪距观测量，结合步骤a)中的卫星位置信息，利用三边测量原理和最小二乘法的迭代方法，求出用户端的所在位置。

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