CN105527606A - 一种虚拟伪卫星方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟伪卫星方法,本发明以特征点和先验定位点作为虚拟位置基准，并通过待测点和虚拟伪卫星点上的某些测量值估算出待测点至虚拟伪卫星点间的距离值，这样便能以虚拟伪卫星点位置为球心，以待测点至虚拟伪卫星点间的距离值为球半径，建立球方程，从而增加卫星导航方程的冗余度并作为辅助增强方程。所述球方程能作为卫星导航定位方程的辅助定位方程或增强方程，能提升正常卫星导航定位时求解的冗余度，也能在欠卫星导航定位时，解决定位求解问题，实现了在欠卫星定位情况时实现定位导航；本发明的优点是：无需增加物理的伪卫星、能大大提高基准参考精度、虚拟伪卫星点设置灵活且方便，本发明能应对各种环境条件，适应多种需求。

Description

一种虚拟伪卫星方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟伪卫星方法,属于导航定位技术领域。

背景技术

在GPS研发早期，美国在沙漠中建设了几个导航信号发射塔，模拟GPS信号和导航定位状况，这类技术称为伪卫星技术。后来，在GPS运行应用过程中，科技工作者用地面信号增强GPS导航系统，这些在地面设置的信号源的技术也称为伪卫星技术。

澳大利亚Locata公司使用了伪卫星设备而非卫星，即在局部区域里投射出比GPS强100万倍的无线电信号。Locata不但能在室外使用，也能在室内使用，其接收模块能够被嵌于普通手机之中。但是，Locata公司的伪卫星采用强无线电信号的方案定位精度较高。

近年来，利用各种无线通信信号实现室内定位，这些技术包括WiFi、蓝牙、红外线、RFID和ZigBee。这些技术实现室内定位的原理与GPS及室外基站定位的方法类似，即通过“三角定位”来确定目标位置。这里无线通信信号的热点相当于伪卫星，其中，苹果公司应用了iBeacon技术，能够发出类似蓝牙的信号；智慧图公司利用WiFi和蓝牙的熱点发出的信号实现指纹识别的室内定位，能做到1.5米的定位精度，利用商场现有的Wi-Fi环境，智慧图能做到3～5米的定位精度。但利用无线通信信号热点的定位，必须有热点，需要的热点数也非常多，定位精度也不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的虚拟伪卫星方法，本发明实现了客观上没有增加信号发射源设备但能起到伪卫星作用；因为本发明的作用与伪卫星相似，而本发明又突破了伪卫星的传统的原始概念，所以，本发明已不是物理意义上的伪卫星，而是一种具有伪卫星功能的、虚拟状态的伪卫星，因此，本发明被称为虚拟伪卫星技术。

本发明的技术方案是：以特征点和先验定位点作为虚拟位置基准，并通过待测点和虚拟伪卫星点上的某些测量值估算出待测点至虚拟伪卫星点间的距离值，即利用这些点上的测量量和待测点上的测量量计算出待测点至所述虚拟伪卫星间的距离值，这样便能以虚拟伪卫星点位置为球心，以待测点至虚拟伪卫星点间的距离值为球半径，建立球方程从而增加卫星导航方程的冗余度并作为辅助增强方程，所述球方程能作为卫星导航定位方程的辅助定位方程或增强方程，能提升正常卫星导航定位时求解的冗余度，也能在欠卫星导航定位时，解决定位求解问题，实现了在欠卫星定位情况时实现定位导航。

所述特征点指在地图上已标注有位置信息的点或通过其它方法获得位置信息的点；而先验定位点指终端在定位过程中，已获得了位置值的定位点。而待测点至伪卫星点之间的距离值，则必须依赖于在待测点和伪卫星点上已获得的测量值，通过折算获得的两点间的距离值，即通过上述点上测得的信号场强值，能估算不同场强值点间的相距距离值。在卫星导航中能通过待测点上测得的卫星至待测点间的伪距值和卫星至虚拟伪卫星之间的伪距测量值，折算出待测点至虚拟伪卫星点间的相距距离值。

为了求得待测点至虚拟伪卫星点间的距离值，除了利用卫星导航中通过测时延获得的伪距值进行估算外，还能利用这些点上的信号强度值(RSS),因为同一个信号源辐射出的信号电平强度在不同的点上信号电平强度就不同，也就是说信号电平强度与测量点离信号源的距离平方成反比；所以根据不同点上不同的信号电平强度，即根据伪卫星点上的信号电平强度和待测点上的信号电平强度能估算得到伪卫星点至待测点间的距离值。

本发明具体包括以下步骤：

1)、虚拟伪卫星的位置基准wj选择某一个先验已知定位点；或采用地图上的特征点，如地图上表征的门槛中心点、窗框中心点、地窖盖板的中心点、走廊中轴线的交叉点，但必须已经知道这些点在地图上的精确位置；

2)、直接或间接地测量或解算出定位终端待测点pi至这些虚拟伪卫星位置基准点wj的虚拟距离值。要得到待测点pi至虚拟伪卫星基准点wj的虚拟距离值，其前提是必须能测得虚拟伪卫星点上和待测点上某同一类测量量的值,如信号场强值(RSS),卫星信号的伪距测量值，利用这些测量值能推算得到待测点pi至虚拟伪卫星基准点wj之间的虚拟距离值。

假设虚拟卫星点为wj,待测点为pi,虚拟卫星点的坐标是(x_j,y_j,z_j)，虚拟卫星点wj接收某一颗导航卫星s的伪距值为ρ_sj；假设待测点的待求位置座标为(x_i,y_i,z_i),待测点pi至同一颗导航卫星sat的测量伪距值为ρ_si,则便能由ρ_sj和ρ_si推出wj点离待测点pi点间的虚拟伪距值d_ijs_ij,推导过程如下：

如图1所示，在卫星与两个位置点组成的三角形sji中，即Δsji，因为pi点与wj点邻近，而wj点、pi点离sat点很远，则在Δsji中，Δρ_ji＝ρ_sj-ρ_si,在Δ_kji中d_ij＝Δρ_ji/sinα_i,因为α_i＝90°-α_j，则上式能表达为：d_ij＝Δρ_ji/cosα_j，现在问题是求得α_j，其中，α_i为ij方向量与si方向量之间的夹角，α_j为ij方向量与sj方向量之间的夹角。

因为sat点与wj点的位置坐标已知，故矢量方向已知，方向为行进方向，若终端有指北器，则也已知，若没有指北器，则能由和外推方向、两矢量的夹角求得，则虚拟伪卫星点wj至被测点pi的虚拟伪距d_ij能够求得。

3)、利用选择的伪卫星点wj和求得的虚拟伪距值d_ij，列出如下由虚拟伪卫星作为条件的测量模型：

$\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}=d_{ij}$

i＝1,2,…，m；

上式中，其中的i是历元序号，m表示伪卫星的数量。

再列出卫星定位方程

$\sqrt{{(x_s-x_j)}^2+{(y_s-y_j)}^2+{(z_s-z_j)}^2}={\mathrm{\ρ}}_{sj}+{\mathrm{c\Δt}}_j$

s＝1,2,…，n；

式中，c为电磁波传播的速度；Δt_j为接收终端时钟与GPS或BDS时的时钟差；其中的s是卫星序号，n表示卫星的数量。

当s+i≥4时，方程有确定解；

当定位终端有高程约束后，上述问题变成二维平面问题，则s+i≥3时，方程便有确定解。

本发明的优点是：

1)无需增加物理的伪卫星，也就是无需增加物理设备，这样能大规模地减少系统投入。

2)能大大提高基准参考精度，只要能提供终端与虚拟伪卫星之间较精确的距离值，就能获得较高的定位精度。

3)虚拟伪卫星点设置灵活、方便，能应对各种环境条件，适应多种需求。

附图说明

图1是本发明所述的一种虚拟伪卫星方法的虚拟伪距值计算示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行详细描述。本发明利用特征点和先验定位点作为虚拟位置基准，又利用这些点与待测点上的某些测量值，例如测量这些点与待测点上的伪距测量值，求得这些点与待测点之间的伪距差值折算出这些点与待测点间之虚拟距离；或测量这些点与待测点上的某一信号的场强值，采用电波传播方程，折算出这些点与待测点间之虚拟距离，进行定位的方法。本发明相当于在导航系统中增加了一颗或多颗伪卫星及伪距测量值，从而能增加一组或多组方程，作为欠星定位模式下的一种辅助增强定位手段，实现欠星定位。或在正常定位情况下，能增加定位冗余度，或增加约束条件，从而成为正常定位情况下的定位增强方法。

如图1所示，若在地面或空中有一点wj，能知道它的精确位置(x_j,y_j,z_j),同时也能获得或推算得到待测的用户终端位置pi离这个点的距离ρ_ij，则能列出以虚拟位置点(x_j,y_j,z_j)为球心，以d_ij为半径的球面方程，即

这时待测用户终端位置pi也必位于这个球面上。若这个球面方程加入到卫星导航定位测量模型里，则能使正常定位模型增加一个约束条件，或增加一个冗余定位条件；当系统原处于欠量定位条件时，则能增加一个定位条件，解决部分欠量定位问题。在图1中，kk是在Δsji中，在sj边上，取sk，使sk＝si，所以说k是sj上的符合上述条件的一点kk。

以下为虚拟伪卫星在具体实施例中的应用，例如：在某一小区内，利用GPS导航定位终端，当终端通过两排建筑物时，在通道中终端只收到三颗卫星的信号，这时利用已知的先验定位点，作为伪卫星点，并用先验点和待测点上的卫星伪距测量值估算出待测点至先验点间的距离值，这时便形成伪卫星球面方程，与三颗卫星定位方程一起组成混合测量定位量测模型，解决了卫星导航时出现的欠星定位问题。

组成的混合测量定位量测模型如下，即虚拟伪卫星法:

求:(x_j,y_j,z_j)

卫星球方程即伪距,

使 $\sqrt{{(x_s-x_j)}^2+{(y_s-y_j)}^2+{(z_s-z_j)}^2}={\mathrm{\ρ}}_{sj}+{\mathrm{c\Δt}}_j$

s＝1,2,3

虚拟伪卫星即步距,

$\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}=d_{ij}$

求解上述混合测量定位量测模型，便能得到用户终端的位置坐标值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种虚拟伪卫星方法，其特征在于，以特征点和先验定位点作为虚拟位置基准，并通过待测点和虚拟伪卫星点上的某些测量值估算出待测点至虚拟伪卫星点间的距离值，即利用这些点上的测量量和待测点上的测量量计算出待测点至所述虚拟伪卫星间的距离值，这样便能以虚拟伪卫星点位置为球心，以待测点至虚拟伪卫星点间的距离值为球半径建立球方程，从而增加卫星导航方程的冗余度，并作为辅助增强方程参与定位。所述球方程能作为卫星导航定位方程的辅助定位方程或增强方程，能提升正常卫星导航定位时求解的冗余度，也能在欠卫星导航定位时，解决定位求解问题，实现了在欠卫星定位情况时实现定位导航；

具体包括以下步骤：

1)、虚拟伪卫星的位置基准wj选择某一个先验已知定位点；或采用地图上的特征点；

2)、直接或间接地测量或解算出定位终端待测点pi至这些虚拟伪卫星位置基准点wj的虚拟距离值；要得到待测点pi至虚拟伪卫星基准点wj的虚拟距离值，需测得虚拟伪卫星点上和待测点上某同一类测量量值,利用所述测量值能推算得到待测点pi至虚拟伪卫星基准点wj之间的虚拟距离值；

假设虚拟卫星点为wj,待测点为pi,虚拟卫星点的坐标是(x_j,y_j,z_j)，虚拟卫星点wj接收某一颗导航卫星s的伪距值为ρ_sj；假设待测点的待求位置座标为(x_i,y_i,z_i),待测点pi至同一颗导航卫星sat的测量伪距值为ρ_si,则便能由ρ_sj和ρ_si推出wj点离待测点pi点间的虚拟伪距值d_ij,推导过程如下：

在卫星与两个位置点组成的三角形sji中，即Δsji，因为pi点与wj点邻近，而wj点、pi点离sat点很远，则在Δsji中，Δρ_ji＝ρ_sj-ρ_si,在＝_kji中d_ij＝Δρ_ji/sinα_i,因为α_i＝90°-α_j，则上式能表达为：d_ij＝Δρ_ji/cosα_j，现在问题是求得α_j，其中，α_i为ij方向量与si方向量之间的夹角，α_j为ij方向量与sj方向量之间的夹角；

因为sat点与wj点的位置坐标已知，故矢量方向已知，方向为行进方向，若终端有指北器，则也已知，若没有指北器，则能由和外推方向、两矢量的夹角求得，则虚拟伪卫星点wj至被测点pi的虚拟伪距d_ij能够求得；

3)、利用选择的伪卫星点wj和求得的虚拟伪距值d_ij，列出如下由虚拟伪卫星作为条件的测量模型：

$\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}=d_{ij}$

i＝1,2,…，m；

上式中，其中的i是历元序号，m表示伪卫星的数量。

再列出卫星定位方程

$\sqrt{{(x_s-x_j)}^2+{(y_s-y_j)}^2+{(z_s-z_j)}^2}={\mathrm{\ρ}}_{sj}+{\mathrm{c\Δt}}_j$

s＝1,2,…，n；

式中，c为电磁波传播的速度；Δt_j为接收终端时钟与GPS或BDS时的时钟差；其中的s是卫星序号，n表示卫星的数量；

当s+i≥4时，方程有确定解；

当定位终端有高程约束后，上述问题变成二维平面问题，则s+i≥3时，方程便有确定解。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟伪卫星方法，其特征在于，所述特征点指在地图上已标注有位置信息的点或通过其它方法获得位置信息的点；而先验定位点指终端在定位过程中，已获得了位置值的定位点，而待测点至伪卫星点之间的距离值，则必须依赖于在待测点和伪卫星点上已获得的测量值，通过折算获得的两点间的距离值，通过上述点上测得的信号场强值，能估算不同场强值点间的相距距离值，在卫星导航中能通过待测点上测得的卫星至待测点间的伪距值和卫星至虚拟伪卫星之间的伪距测量值，折算出待测点至虚拟伪卫星点间的相距距离值。

3.根据权利要求1所述的一种虚拟伪卫星方法，其特征在于，为了求得待测点至虚拟伪卫星点间的距离值，除了利用卫星导航中通过测时延获得的伪距值进行估算外，还能利用这些点上的信号强度值,因为同一个信号源辐射出的信号电平强度在不同的点上信号电平强度就不同，也就是说信号电平强度与测量点离信号源的距离平方成反比，所以根据不同点上不同的信号电平强度，即根据伪卫星点上的信号电平强度和待测点上的信号电平强度能估算得到伪卫星点至待测点间的距离值。