CN103327450A - 基于移动通信网络的集中计算gps接收机及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于移动通信网络的集中计算GPS接收机及其定位方法，所述接收机包括相连的用户端和服务器；所述定位方法是用户端向服务器发送定位请求，并向服务器发送中频数据；服务器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；服务器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GPS接收机利用集中计算的优势，把功耗较大的信号处理工作交由服务器处理，并通过融合多个基站的GPS测量坐标和实际坐标，计算出局部区域的大气延迟模型，向用户端提供精确的大气延迟模型，从而提高用户端的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种GPS接收机及其定位方法，尤其是一种基于移动通信网络的集中计算GPS接收机及其定位方法，属于GPS接收机集中计算领域。
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GPS接收机全民普及的趋势，GPS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。
我国卫星导航市场有很大的潜力。根据全球导航定位协会的估测，中国卫星导航市场目前的市场规模在1000亿元左右，2015年卫星导航产业总产值将达到2500亿元。而中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其介绍，据保守估计，到2015年，中国国内卫星导航产业的市场规模将达1500亿元人民币，2020年达到4000亿元人民币，届时全球的这一市场规模大概是4000亿到5000亿美元。
对于安装在智能手机、平板电脑等便携式设备上的GPS接收机，低功耗、高精度、低成本一直是业界的追求，但目前的GPS接收机存在以下几点问题：1)目前安装在便携式设备的主流GPS接收机，由于内部的信号跟踪环路需要持续稳定地跟踪卫星信号，因此在定位功能开启后均处于连续工作状态，功耗较大，根据实测，一台智能手机在开启GPS功能后，续航时间仅为5～6个小时；2)在国内由于缺乏差分GPS的支持，因此定位精度受到了限制，约为6m；3)GPS芯片的价格还比较高，限制了GPS接收机在消费类电子市场的普及。
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和提高用户端定位精度，且功耗和成本低的基于移动通信网络的集中计算GPS接收机。
本发明的另一目的在于提供一种基于移动通信网络的集中计算GPS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：
基于移动通信网络的集中计算GPS接收机，其特征在于：所述GPS接收机包括通过移动通信网络相连的用户端和服务器，其中：
所述用户端，用于采集GPS卫星信号以及与服务器进行通信；所述与与服务器进行通信的内容为向服务器发送定位请求与中频数据以及接收服务器发送的定位结果。
所述服务器，用于更新和维护GPS星历数据库和基站的信息表(包含基站ID及其对应的精确位置)、融合多个基站的GPS测量坐标和实际坐标计算出局部区域的大气延迟模型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GPS星历数据库中的卫星位置信息，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GPS卫星信号并通过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，用于向服务器发送中频数据与接收服务器发送的定位结果。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于移动通信网络的集中计算GPS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，当用户端向服务器发送定位请求时，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服务器；
3)服务器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，等待服务器的响应；
4)服务器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)服务器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，仍无收到服务器的响应，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)所述服务器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ECEF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，融合基站的精确位置及其GPS定位位置计算出局部区域的大气延迟模型；
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)中传输时间的整数部分和局部区域的大气延迟模型，得到卫星信号到用户端的总传输时间Tr；
d)把总传输时间Tr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GPS接收机利用移动通信技术和集中计算技术划分为用户端和服务器两部分，利用集中计算的优势，把功耗较大的信号处理工作交由服务器处理，并通过融合多个基站的GPS测量坐标和实际坐标，计算出局部区域的大气延迟模型，向用户端提供精确的大气延迟模型，从而提高用户端的定位精度。
2、本发明的GPS接收机由于服务器采用粗时间导航(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服务器，相对于独立GPS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，更多时间处于低功耗模式。
3、本发明的GPS接收机对于带有无线数据传输模块的便携式设备(如手机、平板电脑等)，仅需要增加射频前端模块，功耗和成本更低。
附图说明
图1为本发明GPS接收机的原理示意图。
图2为本发明GPS接收机的用户端结构框图。
具体实施方式
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例的GPS接收机包括通过移动通信网络相连的用户端和服务器，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和图2所示，本实施例的GPS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服务器发送定位请求，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服务器，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，等待的服务器响应。
2)服务器定时更新和维护GPS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，服务器进入数据处理流程。
3)根据基站1的ID，查表得知基站1的ECEF坐标为(2324618.18，5387354.96，2492408.88)，再根据时间标签和星历数据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，如下表3中的列2、列3所示。
表3 卫星信号到用户端的传输时间
由服务器的基站信息表可知，与基站1相邻的基站为基站2和基站3，其各自的精确位置分别为；基站2(2325618.42，5387654.77，2492400.45)，基站3(2323618.24，5388354.78，2492474.62)，通过GPS卫星的定位，其精确坐标分别为：基站1(2324623.18，5387352.96，2492408.88)，基站2(2325622.75，5387656.44，2492412.45)，基站3(2323628.24，5388358.63，2492477.56)，融合这三个基站的精确位置及其GPS定位位置计算出局部区域的大气延迟模型，得到的大气延迟项如上表3中的列5所示。
然后，由上表2的整数部分加上局部区域的大气延迟项，得到卫星信号到用户端的传输时间，如上表3的列6所示。
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ECEF坐标表示为(-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，服务器定位解算完毕，服务器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服务器的定位解算结果后，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.基于移动通信网络的集中计算GPS接收机，其特征在于：所述GPS接收机包括通过移动通信网络相连的用户端和服务器，其中：
所述用户端，用于采集GPS卫星信号以及与服务器进行通信；
所述服务器，用于更新和维护GPS星历数据库和基站的信息表、融合多个基站的GPS测量坐标和实际坐标计算出局部区域的大气延迟模型以及与用户端进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于移动通信网络的集中计算GPS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GPS卫星信号并通过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，用于向服务器发送中频数据与接收服务器发送的定位结果。
3.基于权利要求2所述GPS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，当用户端向服务器发送定位请求时，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服务器；
3)服务器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，等待服务器的响应；
4)服务器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)服务器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，仍无收到服务器的响应，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GPS接收机的定位方法，其特征在于：步骤4)所述服务器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ECEF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，融合基站的精确位置及其GPS定位位置计算出局部区域的大气延迟模型；
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)中传输时间的整数部分和局部区域的大气延迟模型，得到卫星信号到用户端的总传输时间Tr；
d)把总传输时间Tr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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