CN104035068B - 一种基于伪卫星的室内定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于伪卫星的室内定位系统及方法,其在室内布设3个以上的伪卫星基站,在伪卫星基站配备气压测高传感器,伪卫星的三维位置事先采用高精度GNSS接收机精确测得,这些信息按照一定的格式进行编码,生成导航电文。伪随机码与导航电文先采用扩频调制,然后再进行载波调制后再上变频经天线发射出去。伪卫星基站配备有气压测高传感器,伪卫星基站发射类似GNSS卫星导航信号。用户端也同样配备温度和气压传感器,用户接收机接收伪卫星基站发出的信号,经捕获、跟踪、电文解调和距离提取,并联合气压测高信息,利用高度约束方法实现用户三维定位。与传统的伪卫星定位方法相比,本方法实现简单,而且定位精度高。
Description
技术领域
本发明涉及导航定位领域,具体涉及一种基于伪卫星的室内定位系统及方法。
背景技术
由于卫星导航系统本身的一些先天性因素制约,造成了某些难以克服的弱点。比如卫星导航信号很弱,当信号经过墙壁或者其他障碍物的遮挡时,信号就更加微弱了,接收机就很难容易收到卫星信号,即接收机就不能完成用户定位了。而伪卫星以其信号强、可以随意布设等特点,可以广泛应用于室内、隧道、地下停车场等场合。但是,当伪卫星应用于室内、隧道、地下停车场等场合时,由于伪卫星站的布局受空间的限制,特别是高度方向,其几何精度因子很差,造成定位警察差,特别是高度方向定位精度更差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于伪卫星的室内定位系统及方法,其具有实现简单和定位精度高的特点。
为解决上述问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于伪卫星的室内定位方法,包括如下步骤:
步骤1,在用户活动范围内设置n个伪卫星基站,这些伪卫星基站的三维位置事先测得;
步骤2,伪卫星基站采集该伪卫星基站处的温度和气压信息,并将所测得的该伪卫星基站的温度和气压信息与事先已测得的该伪卫星基站的三维位置信息编码为电文;
步骤3,伪卫星基站将上述电文先与伪码进行扩频调制后,再将扩频调制后的信号与载波进行载波调制生成基带信号;
步骤4,伪卫星基站将上述基带信号上变频后转化为射频信号,并通过天线发射出去;
步骤5,用户终端的接收机同时接收n个伪卫星基站发来的信号,并将这些信号下变频为基带信号;
步骤6,用户终端的接收机实现信号的捕获、跟踪和电文解调,以获得伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息;
步骤7,用户终端的接收机采集用户测点处的温度和气压信息,并根据解调出的n个伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息,计算用户测点的高程,即
式中,h为用户测点的高程;ki为加权系数,且满足k1+k2+…+kn=1,加权系数ki的大小决定于用户与伪卫星基站的相对高度差,即用户与伪卫星基站的相对高度差越大加权系数ki越小;h0i为第i个伪卫星基站的高程,这些值事先测得;Tmi为第i个伪卫星基站与用户之间大气层平均温度,Tmi=(T0i+T)/2,T0i是第i个伪卫星基站的温度,T是用户测点的温度;P0i为第i个伪卫星基站的气压,P为用户测点的气压;
步骤8;用户终端的接收机根据所计算出的用户测点的高程,及各伪卫星基站的三维位置,完成用户的定位解算,即
式中,(X,Y,Z)为用户的三维位置;(Xi,Yi,Zi)为第i个伪卫星基站的三维位置;ρi同一时刻测量到的第i个伪卫星基站到用户的距离;△ti为用户终端的接收机的钟差;C为电波传播速度;a和b分别为地球基准椭圆的长半轴和短半轴;h为用户测点的高程;i=1,2,…,n;
上述伪卫星基站的个数n≥3。
所述步骤1还包括根据室内用户的活动范围,建立几何精度因子仿真模型来指导伪卫星基站的布设的步骤。
所述伪卫星基站的三维位置和高程均由大地测量型卫星导航接收机测得。
所述用户的定位解算方程即式②采用牛顿迭代及其线性化方法求解。
一种基于伪卫星的室内定位系统,主要由设置在用户活动范围内3个以上的伪卫星基站和用户终端的接收机组成。其中
每个伪卫星基站包括基站温度和气压传感器模块、电文编码模块、伪码生成模块、扩频调制模块、载波调制模块、上变频模块和发射天线;
基站温度和气压传感器模块,将采集到的伪卫星基站处的温度和气压信息送入电文编码模块;
电文编码模块,将所测得的该伪卫星基站的温度和气压信息与事先已测得的该伪卫星基站的三维位置信息编码为电文,并送入扩频调制模块中;
伪码生成模块,生成伪码,并送入扩频调制模块中;
扩频调制模块,将电文先与伪码进行扩频调制后,送入载波调制模块;
载波调制模块,对送入的信号进行载波调制生成基带信号;
上变频模块,将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号,并送入发射天线;
发射天线,将射频信号发射出去;
用户终端的接收机包括接收天线、下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、电文解码模块、终端温度和气压传感器模块、测距模块和用户定位模块;
接收天线,接收3个以上的伪卫星基站发送来的信号;
下变频模块,对接收天线接收到的信号进行下变频为基带信号;
信号捕获模块,对下变频模块送入的基带信号进行信号捕获;
信号跟踪模块,对信号捕获模块捕获到的信号进行跟踪;
电文解码模块,对信号跟踪模块跟踪到的信号进行电文解调,以获得伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息;
终端温度和气压传感器模块,采集用户测点处的温度和气压信息;
测距模块,根据终端温度和气压传感器模块所得用户测点处的温度和气压信息,及电文解码模块解调出的各伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息,计算用户测点的高程;
用户定位模块,根据测距模块所计算出的用户测点的高程,及电文解码模块解调出的各伪卫星基站的三维位置,完成用户的定位解算。
作为改进,所述用户终端的接收机还进一步包括定位显示模块,该定位显示模块与用户定位模块相连,用于将用户定位模块所解算出的用户的三维位置信息进行显示。
本发明根据室内用户的活动范围,建立几何精度因子(DOP)仿真模型,重点优化平面几何精度因子,指导伪卫星基站的布设。室内布设3个以上的伪卫星基站,在伪卫星基站配备气压测高传感器,伪卫星的三维位置事先采用高精度GNSS接收机精确测得,这些信息按照一定的格式进行编码,生成导航电文。伪随机码与导航电文先采用扩频调制,然后再进行载波调制后再上变频经天线发射出去。伪卫星基站配备有气压测高传感器,伪卫星基站发射类似GNSS卫星导航信号。用户端也同样配备温度和气压传感器,用户接收机接收伪卫星基站发出的信号,经捕获、跟踪、电文解调和距离提取,并联合气压测高信息,利用高度约束方法实现用户三维定位。与传统的伪卫星定位方法相比,本方法实现简单,而且定位精度高。
附图说明
图1是基于伪卫星的室内定位结构框图。
图2是伪卫星基站信号处理框图。
图3是导航电文子帧结构图。
图4是伪随机码结构图。
图5是用户信号处理流程图。
具体实施方式
一种基于伪卫星的室内定位系统,如图1所示,其主要由设置在用户活动范围内3个以上的伪卫星基站和用户终端的接收机组成。
每个伪卫星基站包括基站温度和气压传感器模块、电文编码模块、伪码生成模块、扩频调制模块、载波调制模块、上变频模块和发射天线。基站温度和气压传感器模块,将采集到的伪卫星基站处的温度和气压信息送入电文编码模块。电文编码模块,将所测得的该伪卫星基站的温度和气压信息与事先已测得的该伪卫星基站的三维位置信息编码为电文,并送入扩频调制模块中。伪码生成模块,生成伪码,并送入扩频调制模块中。扩频调制模块,将电文先与伪码进行扩频调制后,送入载波调制模块。载波调制模块,对送入的信号进行载波调制生成基带信号。上变频模块,将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号,并送入发射天线。发射天线,将射频信号发射出去。
用户终端的接收机包括接收天线、下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、电文解码模块、终端温度和气压传感器模块、测距模块、用户定位模块和定位显示模块。接收天线,接收3个以上的伪卫星基站发送来的信号。下变频模块,对接收天线接收到的信号进行下变频为基带信号。信号捕获模块,对下变频模块送入的基带信号进行信号捕获。信号跟踪模块,对信号捕获模块捕获到的信号进行跟踪。电文解码模块,对信号跟踪模块跟踪到的信号进行电文解调,以获得伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息。终端温度和气压传感器模块,采集用户测点处的温度和气压信息。测距模块,根据终端温度和气压传感器模块所得用户测点处的温度和气压信息,及电文解码模块解调出的各伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息,计算用户测点的高程。用户定位模块,根据测距模块所计算出的用户测点的高程,及电文解码模块解调出的各伪卫星基站的三维位置,完成用户的定位解算。定位显示模块,将用户定位模块所解算出的用户的三维位置信息进行显示。
上述系统所实现的一种基于伪卫星的室内定位方法,包括如下步骤:
步骤1,先根据室内用户的活动范围,建立几何精度因子仿真模型来指导伪卫星基站的布设。后在用户活动范围内设置n个伪卫星基站,这些伪卫星基站的三维位置事先由高精度大地测量型卫星导航接收机测得。伪卫星基站的个数n≥3。
步骤2,伪卫星基站采集该伪卫星基站处的温度和气压信息,并将所测得的该伪卫星基站的温度和气压信息与事先已测得的该伪卫星基站的三维位置信息编码为电文。
步骤3,伪卫星基站将上述电文先与伪码进行扩频调制后,再将扩频调制后的信号与载波进行载波调制生成基带信号。
步骤4,伪卫星基站将上述基带信号上变频后转化为射频信号,并通过天线发射出去。
步骤5,用户终端的接收机同时接收n个伪卫星基站发来的信号,并将这些信号下变频为基带信号。
步骤6,用户终端的接收机实现信号的捕获、跟踪和电文解调,以获得伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息。
步骤7,用户终端的接收机采集用户测点处的温度和气压信息,并根据解调出的n个伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息,计算用户测点的高程,即
式中,h为用户测点的高程。ki为加权系数,且满足k1+k2+…+kn=1;加权系数ki的大小决定于用户与伪卫星基站的相对高度差,即用户与伪卫星基站的相对高度差越大加权系数ki越小。h0i为第i个伪卫星基站的高程,这些值事先由高精度大地测量型卫星导航接收机测得。Tmi为第i个伪卫星基站与用户之间大气层平均温度,Tmi=(T0i+T)/2,T0i是第i个伪卫星基站的温度,T是用户测点的温度。P0i为第i个伪卫星基站的气压,P为用户测点的气压。
步骤8。用户终端的接收机根据所计算出的用户测点的高程,及各伪卫星基站的三维位置,完成用户的定位解算,即
式中,(X,Y,Z)为用户的三维位置。(Xi,Yi,Zi)为第i个伪卫星基站的三维位置。ρi同一时刻测量到的第i个伪卫星基站到用户的距离。△ti为用户终端的接收机的钟差。C为电波传播速度。a和b分别为地球基准椭圆的长半轴和短半轴。h为用户测点的高程。i=1,2,…,n。该式采用牛顿迭代及其线性化方法求解。
根据室内的服务范围,在室内布设3个以上的伪卫星基站;其中一个伪卫星基站配备气象站,并把基站的高度和气压信息按照一定格式编码,编码后的电文与伪卫星基站产生的伪随机码先扩频调制后再BPSK载波调制,信号经上变频通过天线发射出去。用户接收机接收该信号,同时用户接收机也配备温度和压力传感器,用户终端的接收机通过对接收信号捕获、跟踪、解调和距离提取,当用户的接收机同时收到3个以上伪卫星信号,并联合气压测高信息,就能实时得到用户的三维位置信息,以实现用户的高精度定位。
1、PDOP(三维位置精度因子)值的计算
本发明方法中,根据室内用户的活动范围,利用STK等软件建立几何精度因子(DOP)仿真模型,指导伪卫星基站的布设。
其中PDOP值的计算为:
其中,ai=(axi,ayi,azi)是用户位置以线性化点指向第i个伪卫星基站的单位矢量。
三维位置精度因子PDOP为,
2、伪卫星基站结构及信号处理
伪卫星基站有四部分组成:温度和气压传感器模块、基带信号处理模块、上变频模块和天线。温度和气压传感器模块用于测量伪卫星基站的温度和气压信息,并通过串口发送给基带信号处理模块,另外伪卫星基站的三维位置(Xi,Yi,Zi,i=1,2,…,n)事先经高精度大地测量型卫星导航接收机测得,也是通过串口发送给基带信号处理模块;基带信号处理模块接收串口发来的位置、温度和气压信息,并按照一定格式实现电文编码,伪码选用GOLD(烫金)码,电文与伪码实现扩频调制后,再与载波实现载波调制;调制后的信号经过上变频模块把基带信号变为射频信号,载波的频率可以选用L波段,如1575.42Mhz;射频信号经天线放大后发射出去。伪卫星基站信号处理框图如图2所示。
(1)导航电文编码
导航电文的信息速率为50bps,电文由连续广播的超帧组成,一个超帧有2个子帧组成,每个子帧有500个比特,共计500×2=1000比特。每个码位长度为20毫秒。子帧周期为10秒,帧周期为20秒。导航电文子帧结构如图3所示。
帧结构
子帧1主要包含:伪卫星基站的高度、气压和温度信息。子帧2主要包含:位置信息(天线相位中心坐标位置(xi,yi,zi,)。所有信息每16秒更新一次。
同步字(16比特):每个子帧的开头16比特都是同步字,不参与CRC校验。
时间字(24比特):包括帧累积(20比特),从每周日0点算起的帧累计数,从0开始计数,每间隔20s增加1,最大累计数(一周)为1048576,共20比特;子帧累积(2比特),每帧中子帧计数,“00”表示子帧一,“01”表示子帧二;健康状况(2比特),“00”表示健康,“01”表示不健康。
基站编号(48比特):基站编号字用来标识本地基站在所属区域的基站序号,16比特,预留32比特,以方便后续扩展。
UTC(72比特):子帧1中的UTC标识本子帧发射帧同步头第一个比特脉冲前沿所对应的时刻,时间信息格式:hhmmss.ss。
高度、气压和温度信息(308比特):基站的高度占64比特,气压64比特和温度信息64别特,预留116比特。
位置信息(308比特):基站的X位置占64比特,Y位置64比特和Z位置64别特,预
CRC校验(32比特):对每帧的同步字、时间字、基站编号、时间信息、位置信息、高度、气压和温度进行CRC校验。
(2)伪随机码的选择
为了将来与现有的GPS和BD很好的兼容,伪码也是选用自相关和互相关性能较好的GOLD码,码长为4092chip,由两个12级m序列G1(t)和G2(t)模二和产生。生成多项式为:
G1(X)=1+X1+X8+X9+X10+X11+X12
G2(X)=1+X1+X2+X3+X4+X5+X9+X12
G1码初相:010101010101
G2码初相:010101010101
码速率为4.092MHz,码周期为1ms,复位控制时钟为1ms(1KHz)周期的时钟,移位控制时钟为4.092MHz。通过对G2码的不同抽头模二和可以实现G2的相位不同偏移,与G1模二和后实现不同伪卫星基站的不同编号。伪随机码结构如图4所示。
(3)信号调制
导航电文和伪码首先通过模二和实现扩频调制,再通过载波实现BPSK调制。调制后的信号经数模转换和上变频,信号变为L频段的模拟信号,最后经天线发射出去。
3、信号接收及信号处理
用户接收机是由射频模块、基带信号处理模块、定位解算模块和显示模块组成。其中,射频模块实现信号的接收和信号的下变频;基带信号处理模块实现信号的捕获、跟踪和电文解调;定位解算模块实现伪卫星站到用户的距离测量和用户的定位解算;定位显示模块把用户的定位结果显示在屏幕上,定位显示模块根据用户需要可以省缺。用户信号处理流程图如图5所示。
4、用户定位解算
(1)用户气压测高
本发明方法中,按照在重力场内的大气压随高度增加而减小的原理,用户配置气压和温度传感器来测量气象参数,计算得到伪卫星基站和用户的相对高度。由于伪卫星基站的高度可以事先精确测量得到,用户可以从电文中获得,所以用户的绝对高度即能计算得到。
按照在重力场内的大气压随高度增加而减小的原理,通过使用气压和温度传感器来测量气象参数,计算得到伪卫星基站和用户的相对高度。
式中,P为用户测点的大气压;P0为伪卫星基站的大气压;Tm为P和P0之间大气层中的平均温度,Tm=(T0+T)/2,T0是伪卫星基站的温度,T是用户测点的温度;h0为卫星基站的高程;h为用户所在的高程。
在上述过程中,用户如果能同时收到n个卫星基站的气压、温度等信息,则可以得到n个高度求解方程
式中,h0n为第n个伪卫星基站的高程,这些值是由高精度大地测量型卫星导航接收机测得;Tm1~Tmn为n个伪卫星基站与用户之间大气层平均温度;P01~P0n为n个伪卫星基站的大气压。
对上式加权平均后得到用户测点的高程
h=k1h1+k2h2+…+knhn (3)
式中,k1~kn为加权系数,且满足k1+k2+…+kn=1。加权系数的大小决定于用户与伪卫星基站的相对高度,相对高度差别越大加权系数越小。
(2)用户定位解算
设n个伪卫星基站的坐标分别为(Xi,Yi,Zi,i=1,2,…,n),并设用户的待定坐标为(X,Y,Z),用户终端钟差为△tu,C为电波传播速度,假定n个伪卫星基站时间统一,无相对时间误差,并在同一时刻测量到伪卫星基站到用户的距离ρi,其定位解算方程如下:
由于上述气压测高的精度高,为了提高三维定位精度,对上述方程加高程约束,则上述方程变为
式中,a,b分别为地球基准椭圆的长半轴和短半轴,为h上述气压测高值。此公式求解一般采用牛顿迭代及其线性化方法,即可求得用户的三维位置(X,Y,Z)。
Claims (6)
1.一种基于伪卫星的室内定位方法,其特征是包括如下步骤:
步骤1,在用户活动范围内设置n个伪卫星基站,这些伪卫星基站的三维位置事先测得;
步骤2,伪卫星基站采集该伪卫星基站处的温度和气压信息,并将所测得的该伪卫星基站的温度和气压信息与事先已测得的该伪卫星基站的三维位置信息编码为电文;
步骤3,伪卫星基站将上述电文先与伪码进行扩频调制后,再将扩频调制后的信号与载波进行载波调制生成基带信号;
步骤4,伪卫星基站将上述基带信号上变频后转化为射频信号,并通过天线发射出去;
步骤5,用户终端的接收机同时接收n个伪卫星基站发来的信号,并将这些信号下变频为基带信号;
步骤6,用户终端的接收机实现信号的捕获、跟踪和电文解调,以获得伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息;
步骤7,用户终端的接收机采集用户测点处的温度和气压信息,并根据解调出的n个伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息,计算用户测点的高程,即
式中,h为用户测点的高程;ki为加权系数,且满足k1+k2+…+kn=1,加权系数ki的大小决定于用户与伪卫星基站的相对高度差,即用户与伪卫星基站的相对高度差越大加权系数ki越小;h0i为第i个伪卫星基站的高程,这些值事先测得;Tmi为第i个伪卫星基站与用户之间大气层平均温度,Tmi=(T0i+T)/2,T0i是第i个伪卫星基站的温度,T是用户测点的温度;P0i为第i个伪卫星基站的气压,P为用户测点的气压;
步骤8;用户终端的接收机根据所计算出的用户测点的高程,及各伪卫星基站的三维位置,完成用户的定位解算,即
式中,(X,Y,Z)为用户的三维位置;(Xi,Yi,Zi)为第i个伪卫星基站的三维位置;ρi同一时刻测量到的第i个伪卫星基站到用户的距离;Δti为用户终端的接收机的钟差;C为电波传播速度;a和b分别为地球基准椭圆的长半轴和短半轴;h为用户测点的高程;i=1,2,…,n;
上述伪卫星基站的个数n≥3。
2.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星的室内定位方法,其特征是,所述步骤1还包括根据室内用户的活动范围,建立几何精度因子仿真模型来指导伪卫星基站的布设的步骤。
3.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星的室内定位方法,其特征是,伪卫星基站的三维位置和高程均由大地测量型卫星导航接收机测得。
4.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星的室内定位方法,其特征是,所述用户的定位解算方程即式②采用牛顿迭代及其线性化方法求解。
5.基于权利要求1所述室内定位方法的一种基于伪卫星的室内定位系统,其特征是,主要由设置在用户活动范围内3个以上的伪卫星基站和用户终端的接收机组成;
每个伪卫星基站包括基站温度和气压传感器模块、电文编码模块、伪码生成模块、扩频调制模块、载波调制模块、上变频模块和发射天线;
基站温度和气压传感器模块,将采集到的伪卫星基站处的温度和气压信息送入电文编码模块;
电文编码模块,将所测得的该伪卫星基站的温度和气压信息与事先已测得的该伪卫星基站的三维位置信息编码为电文,并送入扩频调制模块中;
伪码生成模块,生成伪码,并送入扩频调制模块中;
扩频调制模块,将电文先与伪码进行扩频调制后,送入载波调制模块;
载波调制模块,对送入的信号进行载波调制生成基带信号;
上变频模块,将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号,并送入发射天线;
发射天线,将射频信号发射出去;
用户终端的接收机包括接收天线、下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、电文解码模块、终端温度和气压传感器模块、测距模块和用户定位模块;
接收天线,接收3个以上的伪卫星基站发送来的信号;
下变频模块,对接收天线接收到的信号进行下变频为基带信号;
信号捕获模块,对下变频模块送入的基带信号进行信号捕获;
信号跟踪模块,对信号捕获模块捕获到的信号进行跟踪;
电文解码模块,对信号跟踪模块跟踪到的信号进行电文解调,以获得伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息;
终端温度和气压传感器模块,采集用户测点处的温度和气压信息;
测距模块,根据终端温度和气压传感器模块所得用户测点处的温度和气压信息,及电文解码模块解调出的各伪卫星基站的温度、气压和三维位置信息,计算用户测点的高程;
用户定位模块,根据测距模块所计算出的用户测点的高程,及电文解码模块解调出的各伪卫星基站的三维位置,完成用户的定位解算。
6.根据权利要求5所述的基于伪卫星的室内定位系统,其特征是,所述用户终端的接收机还进一步包括定位显示模块,该定位显示模块与用户定位模块相连,用于将用户定位模块所解算出的用户的三维位置信息进行显示。
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