CN103901456B - 一种gps终端室内定位系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GPS终端室内定位系统，包括三个GPS中继转发节点和室内定位目标节点，所述每个GPS中继转发节点将接收到的GPS信号转发给所述室内定位目标节点，所述室内定位目标节点根据接收到的信号计算获取自身的坐标。本发明还提供了一种GPS终端室内定位方法。主要通过GPS信号中继转发设备实现GPS卫星信号的室内覆盖，并同时对卫星信号进行过滤保证各转发设备转发不同的卫星信号。室内的待定位GPS终端根据同一时刻自身获得的伪坐标、中继转发设备坐标以及卫星坐标计算得到自身的实际位置。本发明增加了GPS终端室内定位设备的通用性，对待定位GPS终端没有特殊要求，只要能够获得位置坐标和时间信息即可，这个功能是所有带GPS功能的设备的基本功能，使本发明提供的系统和方法更能适应市场的需求。

Description

一种GPS终端室内定位系统和方法
技术领域
本发明无线通信和无线定位算法领域，特别涉及一种GPS终端室内定位系统和方法。
背景技术
目前，GPS定位设备在空旷环境中能达到几米至几十米的精度，在一般环境中能达到几十米至几百米的精度。虽不能和专业的导航仪及接收机相比，但至少能够满足人们生活的一般需要。但是当GPS信号穿透建筑物或其他阻挡物时，信号强度将会被削弱，尤其在室内环境中，信号在通过屋顶墙壁窗户和树叶等阻挡物时，会由于折射和能量吸收而损耗掉部分能量，而在最坏的情况下，信号可能被完全阻塞。因此当在室内环境时，传统的GPS接收机将无法利用十分微弱的GPS信号进行定位，这时，必须考虑采用一些措施能够使GPS定位设备进行室内定位。
目前采用GPS进行室内定位的方案主要有两类，一是采用伪卫星的方法，二是采用GPS信号中继转发的方法，本发明内容属于第二类方法。采用GPS信号中继转发的方法通过在系统中增加GPS信号中继转发的中继转发设备实现室内信号的覆盖，对GPS的定位算法本身也需要做相应的调整，以使得到的伪位置能够趋近于真实的位置。
中国专利CN102782521A提出了使用室外定向天线的GPS信号中继转发设备进行室内覆盖，结合其位置估计算法需要从GPS模块中获得相对每个卫星的延时数据，这样需要专门定制GPS模块，缺乏通用性。此发明中，不存在关于室外全向天线以及定位设备使用通用GPS模块的任何信息。
中国专利CN103080772A提出了一种用于封闭区域的导航系统，其中考虑了很多室内定位的场景并进行了分析，但并未深入提出针对各场景的位置解算方法，有些假设在现实情况中也很难出现。此发明中，不存在关于室内定位的具体位置算法。
美国专利US20060208946提出了使用GPS信号中继转发设备进行室内信号增强，其转发信号直接被GPS模块接收用于计算位置坐标，此专利未考虑被转发的卫星信号之间可能存在的碰撞以及转发设备的延时对定位结果的影响，另外专利也不存在关于定位算法的任何内容。
中国专利CN1776447A涉及一种全球定位系统GPS信号覆盖设备，包括GPS信号源、天线、滤波器、放大器和室内覆盖系统，安装室外接的收天线引入GPS信号源，并依次与滤波器、放大器、滤波器和室内覆盖系统相连，从无遮蔽可直视天空的开阔处引入GPS信号，并将其放大覆盖需要使用GPS信号的地方。此发明中，不存在关于GPS信号中继转发设备对卫星信号进行C/A码的过滤。
发明内容
发明目的：本发明为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种能够采用通用GPS模块并且能够达到GPS室外定位的类似精度的GPS终端室内定位系统。
技术方案：为了达到上述发明目的，本发明提供了一种GPS终端室内定位系统，包括三个GPS中继转发节点和室内定位目标节点，所述每个GPS中继转发节点接收从GPS卫星发来的信号并将接收到的信号最强一个GPS信号转发给所述室内定位目标节点，所述室内定位目标节点根据接收到的每个GPS中继转发节点发送的信信息计算获取自身的坐标。
进一步，所述GPS中继转发节点包括GPS接收模块及设置在所述GPS接收模块上的第一天线，GPS信号处理模块及设置在所述GPS信号处理模块上的第二天线和第三天线，无线通信模块及设置在所述无线通信模块上的第四天线，其中，所述GPS接收模块从接收到的GPS卫星信号中获取自身的三维坐标并将获得三维坐标通过无线通信模块传输给所述室内的定位目标节点，同时所述GPS接收模块将接收到的GPS卫星信号传输给所述GPS信号处理模块进行处理，所述GPS信号处理模将处理过的GPS卫星信号传输给所述室内的定位目标节点。采用这样结构的GPS中继转发节点可以对接收到的GPS卫星信号进行处理，从而使室内的定位目标节点接收到的GPS卫星信号的可用信息更多，而且有效的降低对室内的定位目标节点采用设备的要求，使用通用的具有GPS模块的终端设备作为室内的定位目标节点即可。
进一步，所述GPS信号处理模块包括GPS信号接收部分，GPS信号过滤部分和GPS信号放大输出部分，其中所述第二天线与所述GPS信号接收部分连接，所述第三天线与所述GPS信号放大输出部分连接，所述GPS信号接收部分将接收到的GPS信号下变频到基带后传输给所述GPS信号过滤部分，所述GPS信号过滤部分将GPS信号中的C/A码进行过滤，将GPS信号中最强的卫星C/A码的信号传输给所述GPS信号放大输出部分，所述GPS信号放大输出部分将接收到的信号进行放大后输出。对卫星信号进行C/A码的过滤可以保证室内的定位目标节点同时有且只能接收到三个不同的GPS卫星信号。
进一步，所述第一天线和第二天线均为全向接收天线；所述第三天线为全向接收天线或GPS定向天线；所述第四天线为全向天线。采用全向天线是为了增大覆盖的范围。
进一步，所述无线通信模块将GPS中继转发节点转发的GPS卫星信号通过无线局域网或者移动通信网络进行传输，所述无线通信模块传输的GPS卫星信号和当前的测量时刻对应。无线通信模块采用无线局域网或者移动通信网络进行传输使卫星信号的传输更加稳定，同时能保证卫星信号传输的速度。
所述室内定位目标节点为手机或平板电脑。采用这样的终端设备作为室内定位目标节点根据方便。
本发明还提供了一种GPS终端室内定位系统的室内定位方法，包括以下步骤：
步骤1：三个GPS中继转发节点分别接收不同GPS卫星信号并获得三个GPS中继转发节点自身的三维坐标；
步骤2：三个GPS中继转发节点分别通过各自的无线通信模块将步骤1中获得的三个GPS中继转发节点自身的三维坐标传输给室内的定位目标节点；
步骤3：三个GPS中继转发节点分别结合各自GPS接收模块获得的原始信息计算每个GPS中继转发节点接收到的GPS卫星信号中最强的一个GPS卫星的三维坐标，且所述每个GPS卫星信号最强的一个GPS卫星为不同的GPS卫星；同时，三个GPS中继转发节点的GPS信号处理模块将所接收的GPS卫星信号下变频到基带，并对各C/A码进行过滤，保留距当前GPS中继转发节点信号最强的卫星C/A码，并上变频放大信号输出到室内的定位目标节点。
步骤4：三个GPS中继转发节点分别通过各自的无线通信模块将步骤3中获得卫星信号最强的GPS卫星的三维坐标和当前时刻无线传输给室内的定位目标节点；
步骤5：室内的定位目标节点在室内接收到三个GPS中继转发节点转发的经过步骤4过滤后的GPS卫星信号，计算获得室内的定位目标节点的伪测量点的三维坐标，并将伪测量的三维坐标和当前计算时刻对应存储；同时室内的定位目标节点在室内接收到三个GPS中继转发节点通过各自无线通信模块传输的各时刻对应的卫星三维坐标；
步骤6：室内的定位目标节点根据得到同一时刻的三个GPS中继转发节点的三维坐标，GPS卫星信号最强的三个GPS卫星的三维坐标和室内的定位目标节点的伪测量点的三维坐标，结合以下关系式组计算得到室内定位目标节点分别与三个GPS中继转发节点直接的距离RT1、RT2、RT3；
ST'1＝SR11+RT1+ΔtR1·c
ST'2＝SR22+RT2+ΔtR2·c
ST'3＝SR33+RT3+ΔtR3·c
上式中c是光速，ST'1、ST'2、ST'3分别表示室内定位目标节点伪测量点和GPS卫星信号最强得三个卫星之间的距离；RT1、RT2、RT3分别表示室内定位目标节点和三个GPS中继转发节点之间的距离；SR11表示第一中继转发节点与其对应的GPS卫星信号最强的卫星之间的距离；SR22表示第二中继转发节点与其对应的GPS卫星信号最强的卫星之间的距离；SR33表示第三中继转发节点与其对应的GPS卫星信号最强的卫星之间的距离；ΔtR1、ΔtR2和ΔtR3分别表示三个GPS中继转发节点各自的GPS信号处理模块的处理延时和时钟的偏差；
步骤7：根据TOA的定位方法就计算得到室内定位目标节点的三维坐标；
步骤8：重复步骤3～7不断更新计算室内定位目标节点的三维坐标。
进一步，所述步骤6中的ΔtR1、ΔtR2和ΔtR3通过多次测量进行校准和标定直到稳定而获取的稳定值。这样可以使室内定位目标节点最后计算的三维坐标更加精准。
工作原理：本发明提供了GPS终端室内定位系统和方法，通过GPS信号中继转发设备实现GPS卫星信号的室内覆盖，并同时对卫星信号进行过滤保证各转发设备转发不同的卫星信号。室内的待定位GPS终端根据同一时刻自身获得的伪坐标、中继转发设备坐标以及卫星坐标计算得到自身的实际位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明增加了GPS终端室内定位设备的通用性，对待定位GPS终端没有特殊要求，只要能够获得位置坐标和时间信息即可，这个功能是所有带GPS功能的设备的基本功能，使本发明提供的系统和方法更能适应市场的需求。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明中GPS中继转发节点的结构框图；
图3为本发明GPS终端室内定位方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种GPS终端室内定位系统的示意图，一种GPS终端室内定位系统，包括三个GPS中继转发节点R1、R2和R3，一个室内的定位目标节点T。还包括了多个GPS卫星S1、S2、S3和S4，实际上，三个GPS中继转发节点能够接收到多个GPS卫星的信号。由于本发明系统在工作时只需要三个信号最强的不同GPS卫星的信号，因此在本实施例中假设三个GPS中继转发节点只接收到了四个GPS卫星的信号。本发明提供的系统工作时主要是每个GPS中继转发节点将接收到的GPS信号转发给室内定位目标节点T，室内定位目标节点T根据接收到的信号计算获取自身的坐标。
如图2所示为本发明中GPS中继转发节点的结构框图，GPS中继转发节点由一个通用的GPS接收模块及第一天线A1、一个GPS信号处理模块及第二天线A2、第三天线A3和一个无线通信模块及第四天线A4组成，其中GPS信号处理模块包括GPS信号接收部分，GPS信号过滤部分和GPS信号放大输出部分，第二天线与GPS信号接收部分连接，第三天线与GPS信号放大输出部分连接。通用的GPS接收模块使用第一天线A1为一个标准的GPS全向接收天线，第一天线A1用于接收室外的GPS卫星信号；第二天线A2采用一个标准的GPS全向接收天线，用于接收室外的GPS卫星信号；第三天线A2使用一个标准的GPS全向接收天线或者一个定制的GPS定向天线，第三天线A2用于向室内发射经过转发的GPS卫星信号；第四天线A4使用自身制式的全向天线，第四天线A4用于向室内发射无线信号。通用的GPS接收模块除输出GPS中继转发节点所在三维坐标外，还能输出GPS模块获得的原始信息。原始信息用于计算当前接收到的卫星信号所对应卫星的三维坐标，其中，原始信息为GPS广播星历参数，包括半场径的平方根、偏心率、参考历元的轨道倾角、升交点经度(在每个星期的起始历元)、参考历元的近地点幅角、参考时刻的平近点角、对平均角速度的校正值、轨道倾角的变化率、升交点经度的变化率、对轨道地心距的正弦修正振幅、对轨道地心距的余弦修正振幅、对轨道倾角的正弦修正振幅、对轨道倾角的余弦修正振幅、对纬度幅角的的正弦修正倍、对纬度幅角的余弦修正值、星历参考历元时刻等。GPS模块可以采用ublox公司的LEA-4T或LEA-5T。
GPS信号处理模块的GPS信号接收部分将接收到的GPS信号下变频到基带后传输给GPS信号过滤部分，GPS信号过滤部分对GPS信号中的C/A码进行过滤，将GPS信号中最强的卫星C/A码的信号传输给所述GPS信号放大输出部分，GPS信号放大输出部分将接收到的信号进行放大后输出。无线通信模块将GPS中继转发节点所转发的卫星三维坐标通过无线局域网或者移动通信网络进行传输，其传输的卫星三维坐标和当时的测量时刻对应。
如图3所示，为本发明提供的GPS终端室内定位系统的室内定位方法，包括如下步骤：假设卫星S1、S2和S3分别为三个GPS中继转发节点R1、R2和R3接收到的信号最强的三个卫星。
（10）三个GPS中继转发节点R1、R2和R3分别接收GPS卫星信号，获得自身的三维坐标(xR1,yR1,zR1)、(xR2,yR2,zR2)和(xR3,yR3,zR3)；
（20）R1、R2和R3分别通过各自的无线通信模块将自身的三维坐标传输给室内的定位目标节点T；
（30）三个GPS中继转发节点R1、R2和R3分别接收GPS卫星信号，并各自根据GPS模块获得的原始信息计算R1、R2和R3接收的信号最强的GPS卫星的三维坐标(xS1,yS1,zS1)、(xS2,yS2,zS2)和(xS3,yS3,zS3)；
其中计算GPS中继转发节点接收的信号最强的GPS卫星的三维坐标的方法为：
（301）计算卫星运行平均角速度；
（302）计算外推轨道的时间间隔；
（303）计算观测时刻的平近点角，并加入对地球非球形摄动的考虑；
（304）使用迭代法计算卫星的偏近点角；
（305）计算卫星瞬时的真近点角；
（306）求得观测时刻的升交角距；
（307）计算轨道摄动误差修正；
（308）计算经过修正的升交角距、卫星向径、轨道倾角；
（309）求得卫星在自身轨道平面内的坐标；
（310）计算外推轨道的时间间隔的瞬时升交点经度；
（311）由轨道平面坐标转换到地心惯性坐标系系内得到卫星的瞬时坐标。
（40）和步骤（30）同时，R1、R2和R3的GPS信号处理模块将所接收的GPS信号下变频到基带，并对各C/A码进行过滤，保留距当前GPS中继转发节点信号最强的卫星C/A码，并上变频放大信号向室内输出，以保证室内的定位目标节点T同时有且只能接收到三个不同的GPS卫星信号；
（50）R1、R2和R3分别通过其无线通信模块将卫星三维坐标和当前时刻无线传输给室内的定位目标节点T；
（60）室内的定位目标节点T在室内接收到R1、R2和R3转发的GPS卫星信号，计算输出得到其伪测量点T'，三维坐标(xT',yT',zT')，将此坐标和当前计算时刻对应存储；
（70）和步骤（60）同时室内的定位目标节点T在室内接收到R1、R2和R3通过无线通信模块传输的各时刻对应的卫星三维坐标；
（80）室内的定位目标节点T根据得到同一时刻的R1、R2和R3，S1、S2和S3，以及伪测量点T'的三维坐标，假设R1、R2和R3分别得到的最强卫星信号来自S1、S2和S3，计算得到距离SR11、SR22、SR33、ST'1、ST'2、ST'3。它们之间和RT1、RT2、RT3满足如下关系：
ST'1＝SR11+RT1+ΔtR1·c
ST'2＝SR22+RT2+ΔtR2·c
ST'3＝SR33+RT3+ΔtR3·c
上式中c是光速，ST'1、ST'2、ST'3分别表示室内定位目标节点伪测量点T'和GPS卫星信号最强得三个卫星之间的距离；RT1、RT2、RT3分别表示室内定位目标节点T和三个GPS中继转发节点R1、R2和R3之间的距离；SR11表示第一中继转发节点R1与其对应的GPS卫星信号最强的卫星S1之间的距离；SR22表示第二中继转发节点R2与其对应的GPS卫星信号最强的卫星S2之间的距离；SR33表示第三中继转发节点R2与其对应的GPS卫星信号最强的卫星S3之间的距离；ΔtR1、ΔtR2和ΔtR3分别表示三个GPS中继转发节点各自的GPS信号处理模块的处理延时和时钟的偏差；ΔtR1、ΔtR2和ΔtR3可以通过多次测量进行校准和标定，使它们达到稳定值。根据前述分析，可以直接计算得到RT1、RT2、RT3。由于已知R1、R2和R3的坐标，使用TOA的定位方法就可以得到目标节点T的真实坐标(xT,yT,zT)。
（90）重复步骤(30)～(80)不断更新计算室内目标节点T的真实坐标(xT,yT,zT)。
本发明提供的系统和方法不同于现有的GPS室内定位系统，待定位GPS终端无需专门定制其功能和算法，只要获得位置坐标和时间信息并结合上层应用软件计算实际坐标。现有的大多电子产品都集成了GPS模块，但无法定制，本发明的系统和方法增加了GPS终端室内定位的通用性。

Claims (4)

1.一种GPS终端室内定位系统，其特征在于：包括三个GPS中继转发节点和室内定位目标节点，所述每个GPS中继转发节点接收从GPS卫星发来的信号并将接收到的信号最强一个GPS信号转发给所述室内定位目标节点，所述室内定位目标节点根据接收到的每个GPS中继转发节点发送的信信息计算获取自身的坐标；其中，所述GPS中继转发节点包括GPS接收模块及设置在所述GPS接收模块上的第一天线，GPS信号处理模块及设置在所述GPS信号处理模块上的第二天线和第三天线，无线通信模块及设置在所述无线通信模块上的第四天线，其中，所述GPS接收模块从接收到的GPS卫星信号中获取自身的三维坐标并将获得三维坐标通过无线通信模块传输给所述室内的定位目标节点，同时所述GPS接收模块将接收到的GPS卫星信号传输给所述GPS信号处理模块进行处理，所述GPS信号处理模将处理过的GPS卫星信号传输给所述室内的定位目标节点；所述GPS信号处理模块包括GPS信号接收部分，GPS信号过滤部分和GPS信号放大输出部分，其中所述第二天线与所述GPS信号接收部分连接，所述第三天线与所述GPS信号放大输出部分连接，所述GPS信号接收部分将接收到的GPS信号下变频到基带后传输给所述GPS信号过滤部分，所述GPS信号过滤部分对GPS信号中的C/A码进行过滤，将GPS信号中最强的卫星C/A码的信号传输给所述GPS信号放大输出部分，所述GPS信号放大输出部分将接收到的信号进行放大后输出；所述第一天线和第二天线均为全向接收天线；所述第三天线为全向接收天线或GPS定向天线；所述第四天线为全向天线。
2.根据权利要求1所述的一种GPS终端室内定位系统，其特征在于：所述无线通信模块将GPS中继转发节点转发的GPS信号通过无线局域网或者移动通信网络进行传输，所述无线通信模块传输的GPS信号和当前的测量时刻对应。
3.根据权利要求1所述的一种GPS终端室内定位系统，其特征在于：所述室内定位目标节点为手机或平板电脑。
4.一种采用权利要求1所述的GPS终端室内定位系统的室内定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：三个GPS中继转发节点分别接收不同GPS卫星信号并获得三个GPS中继转发节点自身的三维坐标；
步骤2：三个GPS中继转发节点分别通过各自的无线通信模块将步骤1中获得的三个GPS中继转发节点自身的三维坐标传输给室内的定位目标节点；
步骤3：三个GPS中继转发节点分别结合各自GPS接收模块获得的原始信息计算每个GPS中继转发节点接收到的GPS卫星信号中最强的一个GPS卫星的三维坐标，且所述每个GPS卫星信号最强的一个GPS卫星为不同的GPS卫星；同时，三个GPS中继转发节点的GPS信号处理模块将所接收的GPS卫星信号下变频到基带，并对各C/A码进行过滤，保留距当前GPS中继转发节点信号最强的卫星C/A码，并上变频放大信号输出到室内的定位目标节点；
步骤4：三个GPS中继转发节点分别通过各自的无线通信模块将步骤3中获得卫星信号最强的GPS卫星的三维坐标和当前时刻无线传输给室内的定位目标节点；
步骤5：室内的定位目标节点在室内接收到三个GPS中继转发节点转发的经过步骤4过滤后的GPS卫星信号，计算获得室内的定位目标节点的伪测量点的三维坐标，并将伪测量的三维坐标和当前计算时刻对应存储；同时室内的定位目标节点在室内接收到三个GPS中继转发节点通过各自无线通信模块传输的各时刻对应的卫星三维坐标；
步骤6：室内的定位目标节点根据得到同一时刻的三个GPS中继转发节点的三维坐标，GPS卫星信号最强的三个GPS卫星的三维坐标和室内的定位目标节点的伪测量点的三维坐标，结合以下关系式组计算得到室内定位目标节点分别与三个GPS中继转发节点直接的距离RT1、RT2、RT3：
ST'1＝SR11+RT1+ΔtR1·c
ST'2＝SR22+RT2+ΔtR2·c
ST'3＝SR33+RT3+ΔtR3·c
上式中c是光速，ST'1、ST'2、ST'3分别表示室内定位目标节点伪测量点和GPS卫星信号最强得三个卫星之间的距离；RT1、RT2、RT3分别表示室内定位目标节点和三个GPS中继转发节点之间的距离；SR11表示第一中继转发节点与其对应的GPS卫星信号最强的卫星之间的距离；SR22表示第二中继转发节点与其对应的GPS卫星信号最强的卫星之间的距离；SR33表示第三中继转发节点与其对应的GPS卫星信号最强的卫星之间的距离；ΔtR1、ΔtR2和ΔtR3分别表示三个GPS中继转发节点各自的GPS信号处理模块的处理延时和时钟的偏差；
步骤7：根据TOA的定位方法就计算得到室内定位目标节点的三维坐标；
步骤8：重复步骤3～7不断更新计算室内定位目标节点的三维坐标；所述步骤6中的ΔtR1、ΔtR2和ΔtR3通过多次测量进行校准和标定直到稳定而获取的稳定值。
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