CN106199666A - 一种基于终端转发gnss信号的定位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，通过终端转发导航卫星信号，基站处理转发信号实现终端的定位。所述方法包括：步骤A，终端接收一小段GNSS信号，再加上带终端信息信号，二者正交调制转发给基站；步骤B，基站借助本地GNSS接收机辅助处理终端转发的GNSS信号，求解出终端位置信息，解调终端信息信号得到终端个体身份等信息；步骤C，基站将终端的位置和身份信息发送给信息处理中心进行汇总，然后发送给主控站；步骤D，主控站分类管理大规模终端的位置信息以供查询。本发明可实现对终端位置和身份信息的低功耗、低成本的自动获取、传输与管理，可对一定区域的大规模终端进行长期连续时间的高精度定位跟踪。

Description

一种基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法

技术领域

本发明涉及卫星导航的技术领域，具体涉及一种基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法。

背景技术

卫星导航定位系统得到越来越广泛的应用。通用的卫星导航接收机可以方便地提供全球性、全天候和连续的精密三维定位能力。而辅助GNSS技术通过本地服务器和小区基站提供辅助信息使得接收和处理卫星信号的步骤简化了，使得需要从卫星信号中得到的信息量和时间量最小化，从而可以可快的完成定位，可以处理更弱的信号。

终端的定位跟踪在当今社会需求越来越大，比如终端的位置信息获取与传输，牧场动物的检测与定位，设备仪器的位置获取等等。主要的技术是基于GPS定位模块，通过终端内置的GPS接收机接收并处理GPS信号，解算出终端的位置信息。可通过人工去取回定位数据或者采用终端建立UHF通讯进行数据下载，也可通过Argos卫星传送GPS定位数据，随着时代发展，最新的技术可通过GSM等无线通信网络接收定位数据和发送定位计划给终端。对于野外的应用，由于定位耗能和电池续航的问题，一般定位不是持续进行的，采用间隔一段时间回传定位数据的模式。比如由Lotek Wireless研制的GPS项圈，其系列产品可通过项圈内置GPS接收机对鸟类、哺乳动物、鱼类进行监测定位，重量为200g到1250g不等。我国随着北斗系统的日趋成熟，也发展出一套基于北斗系统的终端定位技术，利用北斗系统实现自身的定位，并通过北斗短报文传输定位信息。

但这些技术的缺点在于终端设备的重量较大、功耗较大，且成本较大，不适用于大规模的应用，需要终端小型化、轻便化的应用，以及能源更换困难的应用。因此，研究实现一种低成本低功耗的可对一定区域大规模终端进行长期连续时间的定位跟踪方法是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，将定位处理放在基站进行，降低终端模块的功耗、成本和复杂性。实现对一定区域的大规模终端进行长期连续时间的高精度定位跟踪。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，该方法通过终端转发导航卫星信号，基站基于辅助GNSS和高灵敏GNSS技术处理转发信号实现终端的定位跟踪；该方法利用的系统由转发式定位基站，低成本、低功耗的定位跟踪模块及集成终端，信息处理中心和主控站组成，可实现对终端位置和身份信息的自动获取、传输与管理，可对一定区域的大规模终端进行长期连续时间的高精度定位跟踪；该方法包括以下步骤：

步骤A，终端启动GNSS信号接收器接收一小段GNSS信号，经低噪放大和下变频后，再加上带终端信息的信号，二者正交调制通过发射天线转发给基站；

步骤B，基站接收由终端转发的GNSS信号，由该转发信号的码相位信息和基站本地接收机信息等获得终端接收GNSS时刻的位置信息，通过解调终端信息信号得到终端个体身份信息和附加传感器采集的信息；

步骤C，基站将终端的位置和身份信息通过数传电台发送给信息处理中心，信息处理中心进行汇总，然后发送给主控站；

步骤D，主控站管理大规模终端的位置信息，按终端种类、个体、日期和区域分门别类，并可在软件端任意查询。

其中，低成本、低功耗的定位跟踪模块包括接收天线、低噪放大部分、信号处理部分、时钟控制部分和发射天线，所述步骤A具体实施方式包括：

步骤A1，转发GNSS信号的获取：终端打开GNSS信号接收器接收一小段长度的GNSS信号，采用前端噪声系数小的低噪放大先对GNSS信号进行出处理，并进行下变频、滤波和上变频到发送频段；

步骤A2，终端信息电文的生成：终端信息信号由多帧信息电文组成，每一帧的信息电文包括由PN码组成的帧头，64位的信息位以及16位CRC校验位；帧头由线性反馈移位寄存器产生，用于信号检测与同步，信道估计与均衡；64位信息位由终端所在区域、种类、个体信息等编码生成；16位CRC校验位是根据64位信息位相应生成，用于检错；

步骤A3，终端信号的发送：GNSS的转发信号经低噪声、高增益的处理后调制到载频的I支路上，终端信息电文采用旁瓣小、边带影响小的MSK调制到载频的Q支路上，二者正交调制VHF或者UHF的载波上由发射天线发送给基站，可根据应用场景的不同选择实际的发射载频。

其中，所述步骤A3具体还包括：终端采用时分多址和频分多址结合的信号发送体制以避免各终端信号相互间的干扰和实现终端的低功耗；将一段时间划分成多个时隙，每个时隙只允许一个终端向基站发送信号，终端由内部时钟控制，间隔一定时间唤醒并在规定时隙内发送信号；另外，将传输频带划分为多个频点，各终端按种类或同一种类按一定数量划分，将信号调制到各规定频点发送。

其中，所述步骤B具体实施方式包括：

步骤B1，基站本地GNSS接收机测得基站高精度位置信息和当前时刻的各卫星的导航电文，提取辅助信息，并传递给处理终端信号的接收机；

步骤B2，接收机根据辅助信息对当前可见卫星的信号进行捕获，采用多普勒辅助的并行码相位捕获方法，并采用Nms长度相干积分的高灵敏捕获，得到各卫星的码相位；

步骤B3，由各卫星码相位和辅助信息中当前时刻的导航电文，计算出各导航卫星的伪距值；当前捕获到四颗及以上卫星信号时采用加权最小二乘法求解终端的位置；

步骤B4，接收机同时解调信号的正交支路上的信息电文，利用帧头的PN码实现信号的检测和帧同步，利用16位CRC码检验信息位的正确性，得到终端个体身份等信息。

其中，所述基站信号的处理可采用多接收机联合工作，所述基站和信息处理中心可选择同一位置。

其中，所述步骤B3具体还包括：利用所测得的码相位、辅助时间、星历以及将基站位置作为先验位置，重构全伪距，解决整数毫秒模糊问题。

其中，所述步骤B3通过求解下述导航定位方程组得到终端转发时刻的位置：

$\sqrt{{(x_i-x_a)}^2+{(y_i-y_a)}^2+{(z_i-z_a)}^2}+{\mathrm{\δt}}_u+{\mathrm{\δt}}_s+{\mathrm{\δt}}_D+{\mathrm{\ϵ}}_i={\mathrm{\ρ}}_{ci},i=1,2,3,4,---\left(5\right)$

其中，ρ_ci为误差校正及重构后的全伪距，(x_a,y_a,z_a)为终端转发时刻的位置，(x_i,y_i,z_i)为辅助得到的编号为i的卫星当前位置，δt_u为接收机钟差，δt_s为终端线路时延，δt_D为从终端到基站的传播时延，此三项可归为公共偏差δ_b，共同求解，ε_i为测量误差。

其中，所述的定位求解方法还包括：在捕获卫星数量少于等于5颗时采用四状态导航方程求解定位，在捕获卫星数量大于5颗时采用五状态导航方程求解定位。

其中，所述步骤D具体实施方式包括：主控站采用数据库技术存储和管理各个终端的位置信息，按种类、个体、日期和区域分类管理，在软件端可以任意查询各终端的位置信息和运行轨迹等。

本发明的有益效果主要体现在：基于终端转发GNSS信号的定位跟踪技术，实现了低功耗、低成本的大规模自主区域终端定位跟踪：

(1)、本发明转发式定位创新地采用基站辅助处理终端转发导航卫星信号精确定位的技术，使得在开阔地带能用GNSS定位又降低了终端工作负荷；

(2)、本发明基于时分多址和频分多址低干扰的信号体制设计，提升了系统区域容纳检测能力，实现了大规模终端信息监测、跟踪与管理，实现了物联网；

(3)、本发明终端精简化设计将定位交由基站和信息处理中心进行，实现终端低成本低功耗；

(4)、本发明终端唤醒式的工作模式，是终端基本维持在休眠状态，大大降低了功耗。

附图说明

图1是本发明中系统的结构示意图；

图2是本发明中系统的整体流程图；

图3是本发明中终端的结构示意图；

图4是本发明中终端所发送的信号结构示意图；

图5是本发明中终端信号发送体制示意图；

图6是本发明中基站捕获终端发送信号的框图；

图7是本发明中终端位置求解流程图；

图8是本发明中解决整毫秒模糊问题的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种新的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，该方法主要通过终端身上的终端转发一段GNSS卫星的导航信号，将终端的定位的解算工作交由基站处理。

图1所示为本发明实施例基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法的结构示意图。该系统由终端、转发式基站、信息处理中心和主控站组成。

图2所示为本发明实施例基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法的整体流程图，系统具体的步骤如下：

(1)终端在内部时钟的控制下，在规定的时间间隙内启动终端的接收天线、内部处理电路和发射天线等。具体的启动时序控制如图5所示，本发明将一个时间段划分为多个时隙，在每个时隙内对应一个终端启动和工作。在本具体实施例中，将时间段设置为1小时，时间隙的宽度为40ms。也就是在从整点到下一个整点的一个小时内的规定40ms时间隙内，终端在时间隙的起始启动并工作。

(2)整个终端的结构示意图如图4所示。首先终端启动GNSS信号接收天线接收一小段长度的GNSS信号，首先通过噪声系数小的前端低噪放大先对信号进行处理，然后基准振荡产生的基准频率经频率综合器产生混频信号使GNSS信号下变频，然后滤波放大，最后通过频率综合器产生混频信号上变频到发射载频的I支路。

(3)同时，终端由时序逻辑控制同步生成终端信息电文，终端信息信号的组成如图4所示。终端信息信号由多帧信息电文组成，每一帧的信息电文包括由PN码组成的帧头，64位的信息位以及16位的CRC校验位。帧头由线性反馈移位寄存器产生，用于信号检测与同步，信道估计与均衡；64位的信息位由其所在区域、种类、用途、个体信息等编码生成；16位CRC校验位根据64信号位经过循环冗余校验运算得到，用于检错。同时，由频率综合器产生载波频率，经过90°相移后对终端信息电文进行旁瓣小、边带影响小的MSK调制到发射载频的Q支路。

(4)终端将GNSS转发信号和终端信息信号正交调制到VHF或者UHF的载频上，在本具体实施例中，载波频率选为430.000～440.000MHz范围内。最终终端发射的信号结构如图4所示。在本具体实施例中，两支路的信号均为20ms的长度。最终发送的信号s(t)可表示成：

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\sqrt{2P_c}{x}^{\left(i\right)}(t-{\mathrm{\τ}}_i)D^{\left(i\right)}(t-{\mathrm{\τ}}_i^D)\sin \left(2\mathrm{\π}\right(f_c+f_{di})t+\mathrm{\θ})+\sqrt{2P_c}y\left(t\right)\cos (2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\mathrm{\θ})---\left(1\right)$

其中，前一项为转发的导航卫星信号，后一项为终端信息信号，P_c为信号的平均功率，x⁽ⁱ⁾(t)为卫星i产生的C/A码，D⁽ⁱ⁾(t)为卫星i的导航电文，y(t)为信息电文，f_c为发射载波频率，θ为初始相位，τ_i为码相位延迟，为导航电文延迟，f_di为卫星i与终端之间的多普勒偏移。

终端信号的发送体制如图5所示，采用时分多址和频分多址结合的方式以避免各终端信号相互间的干扰和实现终端的低功耗。

首先，依据终端的种类或同一种类不同数量将发射频带划分为N个分别以f₁、f₂…和f_N为中心频点的频带，各终端将信号调制到各自规定的频点上。在本具体实施例中，N的取值可为10。

其次，每个频点对应将一个时间段划分为M个时隙，每个时隙对应一个终端，在每个时隙内仅允许该终端发送信号。在本具体实施例中，时间段长度为1小时，M的取值为90000，时隙宽度为40ms。

当进入终端规定的40ms时隙时，终端唤醒并开始工作，将20ms长度的正交调制信号调制到规定的频点上并发送给基站，发送完成后，终端进入低功耗的休眠模式，直到1小时后其规定时隙到来再唤醒工作。

(5)基站本地GNSS接收机一直工作，测得基站的高精度位置信息和当前时刻的各卫星的导航电文，整合得到各卫星的历书、星历、多普勒频率、时间和位置信息，得到辅助数据，并传递给处理终端发送信号的接收机。

(6)处理终端发送信号的接收机利用辅助信息对转发的导航卫星信号进行高灵敏捕获，得到码相位，计算伪距，进行终端位置计算。

(6.1)首先，接收机对终端转发的GNSS信号进行并行码相位捕获，其捕获框图如图6所示。输入的中频采样信号转发GNSS信号部分可以表示如下：

$s_{IF-1}\left(t\right)={\Σ}_{i=1}^N\sqrt{2P_i}{x}^{\left(i\right)}(t_k-{{\mathrm{\τ}}_i}^{\′})D^{\left(i\right)}(t_k-{{\mathrm{\τ}}_i^D}^{\′})sin\left(2\mathrm{\π}\right(f_{IF}+f_{di}+f_d)t+{\mathrm{\θ}}^{\′})---\left(2\right)$

其中，t_k＝kT_s＝k/f_s，是A/D的采样频率；τ_i′是经过终端线路延迟和信号传播延迟之后的码相位延迟，是经过终端线路延迟和信号传播延迟之后的导航电文延迟，f_d是终端和基站之间的多普勒偏移。

从辅助数据中得知当前的可见卫星的编号，由信号捕获控制逻辑控制捕获对应的卫星信号。从辅助数据中得到当前捕获卫星的运动引起的多普勒频移值f_di0作为捕获多普勒搜索空间的中心点。

下面确定频率搜索空间大小，其由接收机时间精度，辅助频率和位置，以及终端的速度所决定的：

基站的接收机时间精度可由GNSS系统授时，其精度能达毫秒级以下，而时间误差一起的多普勒偏移为0.8Hz/s，时间误差引起的多普勒误差在0.0008Hz以下，可忽略。辅助频率若由星历计算得到，多普勒精度为0.001Hz，可忽略，若由历书计算得到，能达±100ppb范围，那么对于L1的频率误差达157.5Hz。本具体实施例设定均由星历计算得到辅助多普勒，则可忽略辅助频率引起的多普勒误差。

参考位置即为基站的位置，基站设定覆盖范围为方圆100km，则参考位置有50km半径的水平误差，设定高度误差为±100m，则总的参考位置误差幅度为位置引起的多普勒误差为1Hz/km，则50km引起50Hz的多普勒误差。

终端的速度影响接收卫星信号的频率，本具体应用实例考虑终端的最大移动速度为100km/h，而1km/h引起约1.46Hz多普勒，则终端速度引起146Hz终端接收频率偏差。同样，终端的速度引起基站接收信号的频率，因此，终端引起的总体多普勒为292Hz。

则得到最终的最大辅助频率搜索空间大小为50+292＝342Hz，也即搜索频率空间为-342～+342Hz。

接收机以f_di0为中心的-342～+342Hz的频率搜索空间对可见卫星进行并行码相位搜索。通过辅助数据提供精确时间和当前时刻的导航电文，进行Nms的相干积分，在本具体实施例中N取20。通常，相干积分不能超过10ms，此处实现20ms相干积分的步骤如下：

(a)事先通过统计测得终端的线路延迟t1，在本具体实施例终端与基站的最大距离为50km，则传播时延最大为六分之一毫秒，综合考虑二者时间误差，补偿到辅助时间中；

(b)通过辅助时间和导航电文查的当前时刻数据的符号位，并在相干积分累加时乘上对应的符号；

由于是20ms的相干积分，前面频率搜索的频槽大小应该为500/20＝25Hz。

N次相干积分带来的处理增益：G(dB)＝10log₁₀N＝10log₁₀20≈13dB，也即20ms相干积分能处理比正常GNSS信号低13dB的信号。

在得到相干积分值之后计算检测信噪比，并将次检测信噪比与门限值进行比较，若检测信噪比大于门限值，则存在该卫星信号，输出对应码相位值和多普勒值。

(6.2)然后，接收机利用捕获得到的各卫星的码相位值计算伪距，进行终端位置解算，其求解流程图如图7所示。

(6.2.1)由于基站只从终端转发的GNSS信号中得到了码相位和多普勒信息，基站需要借助辅助的星历、时间以及一个先验位置来计算伪距。首先我们获取GNSS接收机测得的基站高精度位置作为首次先验位置。

以光毫秒为单位的全伪距包括整数部分和小数部分，整数部分可由辅助信息提供的周计数、周内时、帧同步位，位同步位和精确时间计算得到，捕获得到的码相位偏移可以计算出全伪距小数部分。但是，由传播时延和线路时延等引起的公共偏差亚毫秒部分是未知的，其与码相位偏移算出的亚毫秒部分一起运算后可能会引起全伪距整数部分的翻转，最终定位解算会得到错误的结果。因此，需要先解决整毫秒模糊和重构全伪距，其实现流程图如图8所示。

(a)首先，由星历和先验位置计算出所有已捕获到卫星的期望全伪距。利用星历得到相应的卫星位置，计算从先验位置到各卫星的全伪距值(以光毫秒为单位，下同)作为期望的伪距值，记为k为卫星的编号，上标^代表其为预期值。

(b)选择一颗卫星作为参考卫星，用下标0代表。选择的依据是将当前捕获到的所有卫星按照卫星仰角排序，其他卫星均选择仰角最大的卫星作为参考卫星；或者将当前捕获到的所有卫星按照卫星仰角排序，仰角第二大的卫星以仰角最大的卫星作为参考卫星，仰角第三大的卫星以仰角第二大的卫星作为参考卫星，以此类推。

(c)给参考卫星指定一个整毫秒伪距值N₀。选取的规则是取N₀使得期望的伪距值和测量的伪距值尽可能接近，即使得全伪距N₀+z₀接近z₀为参考卫星亚毫秒伪距，由捕获所得参考卫星的码相位和辅助时间计算得到。则：

round为四舍五入运算，下同(3)

N₀的取值中包括了重构的全伪距N₀+z₀的公共偏差，由测量的亚毫秒伪距引起的亚毫秒部分和N₀取值引起的毫秒部分。重构的参考卫星全伪距和其期望伪距的关系如下：

$N_0+z_0=r_0-{\mathrm{\δ}}_{t0}+b+{\mathrm{\ϵ}}_0=\widehat{r_0}-d_0-{\mathrm{\δ}}_{t0}+b+{\mathrm{\ϵ}}_0---\left(4\right)$

其中，r₀为参考卫星真实的伪距值，δ_t0为卫星时钟偏差，可由导航电文算出，b为公共偏差，ε₀为测量的误差，d₀为期望全伪距本身的误差，由先验位置的不准确引起。

(d)计算k号卫星的整毫秒伪距值N_k。k号卫星重构的全伪距和其期望伪距的关系如下：

$N_k+z_k=r_k-{\mathrm{\δ}}_{tk}+b+{\mathrm{\ϵ}}_k=\widehat{r_k}-d_k-{\mathrm{\δ}}_{tk}+b+{\mathrm{\ϵ}}_k---\left(5\right)$

其中，z_k为k号卫星亚毫秒伪距，r_k为k号卫星真实的伪距值，δ_tk为k号卫星时钟偏差，ε_k为测量误差，d_k为期望全伪距本身的误差由先验位置的不准确引起。

则由式(4)、式(5)可得：

$\left(\right(N_k+z_k)-(N_0+z_0\left)\right)=(\widehat{r_k}-d_k-{\mathrm{\δ}}_{tk}+b+{\mathrm{\ϵ}}_k)-(\widehat{r_0}-d_0-{\mathrm{\δ}}_{t0}+b+{\mathrm{\ϵ}}_0)---\left(6\right)$

则N_k可写成：

$N_k=N_0+z_0-z_k+(\widehat{r_k}-{\mathrm{\δ}}_{tk}+b)-(\widehat{r_0}-{\mathrm{\δ}}_{t0}+b)-d_k+{\mathrm{\ϵ}}_k-d_0+{\mathrm{\ϵ}}_0---\left(7\right)$

则当(-d_k+ε_k-d₀+ε₀)小于0.5光毫秒时，可以得到k号卫星的整毫秒伪距值：

$N_k=round(N_0+z_0-z_k+(\widehat{r_k}-{\mathrm{\δ}}_{tk})-(\widehat{r_0}-{\mathrm{\δ}}_{t0}\left)\right)---\left(8\right)$

其中，N₀由前面计算得到，z₀和z_k由捕获所得码相位和辅助时间算出，δ_tk和δ_t0由先验位置和星历算出。

对于本具体实施例，基站与其覆盖范围内的终端最大水平距离为50km，引起的(-d_k+ε_k-d₀+ε₀)小于0.5光毫秒。

(e)生成k号卫星的全伪距N_k+z_k，输入到导航方程中求解终端位置。

(6.2.2)根据捕获得到的卫星数量确定定位所用方法：当捕获所得卫星数量小于或等于五颗时，采用四状态导航定位方程，当捕获所得卫星数量大于五颗时，采用五状态导航定位方程。五状态导航方程是考虑在四状态导航方程的基础上加入粗时误差δ_tc，将由时间误差引起的定位误差尽可能的消除掉。

(6.2.3)将GNSS接收机测得的高精度基站位置(x₀,y₀,z₀)设置为终端定位方程求解的初始位置估计值，公共偏差初始估计设为0。

(6.2.4)求解伪距定位方程组：

$\sqrt{{(x_i-x_a)}^2+{(y_i-y_a)}^2+{(z_i-z_a)}^2}+{\mathrm{\δt}}_u+{\mathrm{\δt}}_s+{\mathrm{\δt}}_D+{\mathrm{\ϵ}}_i={\mathrm{\ρ}}_{ci},i=1,2,3,4,\left(5\right)---\left(9\right)$

其中，ρ_ci＝N_i+z_i为误差校正及重构后的全伪距，(x_a,y_a,z_a)为终端转发时刻的位置，(x_i,y_i,z_i)为辅助得到的编号为i的卫星当前位置，δt_u为接收机钟差，δt_s为终端线路时延，δt_D为从终端到基站的传播时延，此三项可归为公共偏差δ_b和粗时误差δ_tc，共同求解，其中，δ_tc为在使用五状态导航定位方程时增加这一项，ε_i为测量误差，包括ρ_ci估计不准确引起的偏差。

GNSS信号总的传播时间为δt_i+δt_s+δt_D，δt_i为信号从卫星i到终端的传播时间，后面两项对于所有卫星来说是一样的，可归于公共偏差δ_b和粗时误差δ_tc，可通过解方程求出。

采用加权最小二乘法求解方程组(9)，将式(9)线性化后可得：

WG·Δx＝Wb (10)

Δx＝(G^TCG)^-1G^TCb (11)

其中为迭代后的修正量，Δδ_tc为时间误差修正量，当采用五状态导航方程解算时，增加这一行参数，l⁽ⁱ⁾(x_k-1)为位置x_k-1与卫星i连线方向的向量，为在位置x_k-1与卫星i连线方向的伪距变化速率，v⁽ⁱ⁾为卫星i的速度向量，为卫星i时钟偏差速率，当采用五状态导航方程解算时，增加v⁽ⁱ⁾一列参数，其由卫星i的仰角和捕获测得的载噪比共同运算得到。

(6.2.5)更新终端位置的解(x_a,y_a,z_a)＝(x₀,y₀,z₀)+Δx_xyz。

检验后验残差是否小于设定的门限值。若否，则调整先验位置，调整的规则为：以基站为中心点的方圆100km的区域内按照10km的间隔划分为多个网格，从基站开始向周围辐射式地改变网格点，即从离基站由近至远，按左右上下的顺序依次搜索。在本具体实施例中，基站与终端最大距离为50km，一般不需调制先验位置。若是，则输出终端的位置和速度。

终端的速度由捕获所得多普勒值计算出大概值，方法如下：由捕获所得各卫星的多普勒值减去相应的辅助频率，算出所有卫星的平均值，将该值除以2，再按照多普勒和速度对应关系求得终端在与基站连线方向上的大致速度。

(7)基站接收机同时解调信号的正交支路上的终端信息信号：

$s_{IF-Q}\left(t\right)=\sqrt{2P_c}y(t-\mathrm{\τ})cos\left(2\mathrm{\π}\right(f_c+f_d)t+\mathrm{\θ})---\left(12\right)$

首先，接收机用本地的帧头PN码捕获终端信息信号，检测信号是否存在。一旦得到一个相关峰，则启动转发GNSS信号捕获部分开始相干积分，并使自身开始同步与解算。

解出64位的信息位和16位CRC校验位后，采用循环冗余校验对信息位进行检错。通过解出多帧电文进行比较分析，减少信息的错误率。

最后，从64位信息位解码得到终端的所在区域、种类、个体信息以及其他信息。

(8)基站将得到的终端位置和身份信息通过数传电台或者直接传送给信息处理中心，信息处理中心将信息汇总整理，发送给主控站。

(9)主控站对大规模的终端的位置信息进行管理，采用数据库的技术存储和管理各个终端的信息。按照终端的种类、个体、日期和所在区域分类管理，在软件端可以查询各终端的位置信息和运行轨迹等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同变换、改进等，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：该方法通过终端转发导航卫星信号，基站基于辅助GNSS和高灵敏GNSS技术处理转发信号实现终端的定位跟踪；该方法利用的系统由转发式定位基站，低成本、低功耗的定位跟踪模块及集成终端，信息处理中心和主控站组成，可实现对终端位置和身份信息的自动获取、传输与管理，可对一定区域的大规模终端进行长期连续时间的高精度定位跟踪；该方法包括：

步骤A，终端启动GNSS信号接收器接收一小段GNSS信号，经低噪放大和下变频后，再加上带终端信息的信号，二者正交调制通过发射天线转发给基站；

步骤B，基站接收由终端转发的GNSS信号，由该转发信号的码相位信息和基站本地接收机信息解出终端接收GNSS时刻的位置信息，通过解调终端信息信号得到终端个体身份信息和附加传感器采集的信息；

步骤C，基站将终端的位置和身份信息通过数传电台发送给信息处理中心，信息处理中心进行汇总，然后发送给主控站；

步骤D，主控站管理大规模终端的位置信息，按终端种类、个体、日期和区域分门别类，并可在软件端任意查询。

2.根据权利要求1所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：低成本、低功耗的定位跟踪模块包括接收天线、低噪放大部分、信号处理部分、时钟控制部分和发射天线，所述步骤A具体包括：

步骤A1，转发GNSS信号的获取：终端打开GNSS信号接收器接收一小段长度的GNSS信号，采用前端噪声系数小的低噪放大先对GNSS信号进行处理，并进行下变频、滤波和上变频到发送频段；

步骤A2，终端信息电文的生成：终端信息信号由多帧信息电文组成，每一帧的信息电文包括由PN码组成的帧头，64位的信息位以及16位CRC校验位；帧头由线性反馈移位寄存器产生，用于信号检测与同步，信道估计与均衡；64位信息位由终端所在区域、种类、个体信息编码生成；16位CRC校验位是根据64位信息位相应生成，用于检错；

步骤A3，终端信号的发送：GNSS转发信号经低噪声、高增益的处理后调制到载频的I支路上，信息电文采用旁瓣小、边带影响小的MSK调制到载频的Q支路上，二者正交调制VHF或者UHF的载波上由发射天线发送给基站，可根据应用场景的不同选择实际的发射载频。

3.根据权利要求2所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤A3具体还包括：终端采用时分多址和频分多址结合的信号发送体制以避免各终端信号相互间的干扰和实现终端的低功耗；将一段时间划分成多个时隙，每个时隙只允许一个终端向基站发送信号，终端由内部时钟控制，间隔一定时间唤醒并在规定时隙内发送信号；另外，将传输频带划分为多个频点，各终端按种类或同一种类按一定数量划分，将信号调制到各规定频点发送。

4.根据权利要求1所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤B具体包括：

步骤B1，基站本地GNSS接收机测得基站高精度位置信息和当前时刻的各卫星的导航电文，提取辅助信息，并传递给处理终端信号的接收机；

步骤B2，接收机根据辅助信息对当前可见卫星的信号进行捕获，采用多普勒辅助的并行码相位捕获方法，并采用Nms长度相干积分的高灵敏捕获，得到各卫星的码相位；

步骤B3，由各卫星码相位和辅助信息中当前时刻的导航电文，计算出各导航卫星的伪距值；当前捕获到四颗及以上卫星信号时采用加权最小二乘法求解终端的位置；

步骤B4，接收机同时解调信号的正交支路上的信息电文，利用帧头的PN码实现信号的检测和帧同步，利用16位CRC码检验信息位的正确性，得到终端个体身份信息。

5.根据权利要求4所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述基站信号的处理可采用多接收机联合工作。

6.根据权利要求4所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤B3具体还包括：利用所测得的码相位、辅助时间、星历以及将基站位置作为先验位置，重构全伪距，解决整数毫秒模糊问题。

7.根据权利要求4所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤B3通过求解下述导航定位方程组得到终端转发时刻的位置：

$\sqrt{{(x_i-x_a)}^2+{(y_i-y_a)}^2+{(z_i-z_a)}^2}+{\mathrm{\δt}}_u+{\mathrm{\δt}}_s+{\mathrm{\δt}}_D+{\mathrm{\ϵ}}_i={\mathrm{\ρ}}_{ci},i=1,2,3,4,---\left(5\right)$

其中，ρ_ci为误差校正及重构后的全伪距；

(x_a,y_a,z_a)为终端转发时刻的位置；

(x_i,y_i,z_i)为辅助得到的编号为i的卫星当前位置；

δt_u为接收机钟差，δt_s为终端线路时延，δt_D为从终端到基站的传播时延，此三项可归为公共偏差δ_b，共同求解；

ε_i为测量误差。

8.根据权利要求7所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述的定位求解方法还包括：在捕获卫星数量少于等于5颗时采用四状态导航方程求解定位，在捕获卫星数量大于5颗时采用五状态导航方程求解定位。

9.根据权利要求1所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：所述基站和信息处理中心可选在同一位置。

10.根据权利要求1所述的基于终端转发GNSS信号的定位跟踪方法，其特征在于：步骤D具体包括：主控站采用数据库技术存储和管理各个终端的位置信息，按种类、个体、日期和区域分类管理，在软件端可以任意查询各终端的位置信息和运行轨迹。