CN106772487B - 一种基于伪点的伪卫星室内导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伪点的伪卫星室内导航方法，其包括调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调控至所述伪卫星；采用调控后的伪卫星模拟待定位区域GPS卫星信号，生成并发送伪卫星信号；根据伪卫星信号，基于设定协议得到并输出伪点坐标；根据伪点坐标判定定位区域；解算GPS卫星坐标；获取GPS卫星对应的伪卫星坐标；根据定位区域，对伪点坐标、伪卫星坐标和GPS卫星坐标进行分析计算，得到当前用户坐标；该伪卫星室内导航方法在室内布置有与室外GPS卫星信号相同的伪卫星，使用普通的GPS接收设备则可完成室内导航的需求，相比现有其他室内导航技术，定位精度更高，成本更低，普适性更强。

Description

一种基于伪点的伪卫星室内导航方法

技术领域

本发明涉及室内导航领域，具体涉及一种基于伪点的伪卫星室内导航方法。

背景技术

GNSS信号本身也是一种电磁波信号，它具有电磁波特性的所有特性，比如比较脆弱易受干扰等；而GNSS信号从卫星发射到接收机接收到，这中间途径的环境是很复杂的，很容易收到各种干扰，从而使得接收到的信号非常弱。当GNSS接收机在室内工作时，由于信号受到建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到和室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。

随着以卫星为基础的定位服务应用在室外的成功实现，挑战已经逐渐转化为在室内环境下提供此类定位服务目前室内导航定位需求迫切，尤其是在大型商业体地下室、会展中心等人口活动密集区域，需要在室内密闭空间内为用户提供导航定位服务，其服务需求与室外类似。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于伪点的伪卫星室内导航方法室内外接受的卫星信号相同，可实现室内外的无缝切换，且具有定位精度高、可植入性强、硬件成本低等优点。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种基于伪点的伪卫星室内导航方法，其包括

S1、调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调控至所述伪卫星；

S2、采用调控后的伪卫星模拟待定位区域GPS卫星信号，生成并发送伪卫星信号；

S3、根据伪卫星信号，基于设定协议得到并输出伪点坐标；

S4、根据伪点坐标判定定位区域；

S5、解算GPS卫星坐标；

S6、获取GPS卫星对应的伪卫星坐标；

S7、根据定位区域，对伪点坐标、伪卫星坐标和GPS卫星坐标进行分析计算，得到当前用户坐标。

进一步地，S1的具体步骤为：

S11、通过待定位区域中心点位置坐标对GPS卫星进行评估，得到该区域的可见GPS卫星；其评估准则为：若俯仰角大于5°，则为可见GPS卫星；

S12、依据可见GPS卫星，将其PRN号调控到各个伪卫星。

进一步地，S2的具体步骤为：

S21、根据存储于管理中心本地的GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算所有GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(x_s,y_s,z_s)；

S22、设定每颗伪卫星模拟的接收机参考位置均为待定位室内区域中心点C(x₀,y₀,z₀)，根据GPS卫星在WGS-84坐标系下的坐标，计算出时延参数Δt；

S23、将时延参数Δt转换为码相位参数；

S24、计算每颗伪卫星的瞬时速度，并根据瞬时速度计算其多普勒频移；

S25、对时延参数和多普勒频移进行转换，得到载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位；

S26、根据载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位，对伪卫星进行处理，生成对应伪卫星信号，并通过射频端发送。

进一步地，时延参数Δt的计算公式为：

其中，c为光速，取值为国际公认值c＝299792458m/s。

进一步地，瞬时速度的计算公式为：

其中，

G＝3986004.418×10⁸(m³/s²)，P_k为近地点方向的单位矢量，Q_k为在轨道平面内按卫星运行方向而垂直于近地点方向的单位矢量，E_k为GPS卫星的偏近点角，ω为GPS卫星的近地点弧角，Ω_k为GPS卫星的升交点赤经，而i_k为GPS卫星轨道倾角，a表示椭圆长半轴，e表示GPS卫星轨道离心率。

进一步地，多普勒频移的计算公式为：

其中，v_k为当前时刻卫星的速度矢量，su_k为卫星到用户的单位矢量，c为光速，f_T为载波频率，f_dk为当前时刻的多普勒频移，f_rk为当前时刻的实际接收频率；

载波频率控制字的计算公式为：

其中，f_c为中频信号，f_dk为当前时刻的多普勒频移，f_s为采样频率；

所述载波相位的计算公式为：

carrier_ph＝(f_T+f_dk)*Δt；

其中，f_T为载波频率，取值为f_t＝1575.42MHZ；f_dk为当前时刻的多普勒频移，Δt为时延参数。

进一步地，S3的具体步骤为：通过位于待定位点R的GPS接收机接收所述伪卫星信号，根据所述伪卫星信号和NME0183协议输出定位信息，得到伪点坐标M(x_M,y_M,z_M)，其中，所述待定位点R的坐标为(x_R,y_R,z_R)。

进一步地，S5的具体步骤为：

存储GPS卫星历书信息，根据GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))；其中，k代表GPS卫星数，k≥4。

进一步地，S6的具体步骤为：

S61：将某一待定区域内的伪卫星划分为一定位小区，并给予相应标识符；

S62：通过NMEA0183协议输出定位信息，并将定位信息与标识符进行匹配，得到定位小区号；

S63：将定位小区号和定位信息与伪卫星坐标相匹配，得到伪卫星坐标(x_p ^(k),y_p ^(k),z_p ^(k))。

进一步地，S7的具体步骤为：

S71、计算伪点坐标与GPS卫星坐标之间的距离ρ_M ^(k)，相应计算公式为：

其中，(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))为GPS卫星坐标，(x_M,y_M,z_M)为伪点坐标；

S72、计算GPS卫星坐标与伪卫星坐标之间的距离ρ_p ^(k)，相应计算公式为：

其中，(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))为GPS卫星坐标，(x_p ^(k),y_p ^(k),z_p ^(k))为伪卫星坐标；

S73、计算待定位点与伪卫星坐标之间的距离ρ_R ^(k)，相应计算公式为：

S74、计算待定位点在WGS-84坐标系下的坐标(x_R,y_R,z_R)，得到待定位点的坐标，相应计算公式为：

其中，δ表示钟差。

本发明的有益效果为：

该基于伪点的伪卫星室内导航方法通过使用伪卫星模拟同一时刻待定位区域GPS卫星信号，使室内外接受的卫星信号相同，实现室内外的无缝切换；且建立了伪点、伪卫星、GPS卫星间的空间关系，建立了待定位点伪距、伪点伪距和伪卫星相对GPS卫星距离的三者之间关系，结合伪卫星坐标，解算待定位点关于伪卫星的伪距信息，实现二次定位；其改善了目前室内导航定位技术的缺陷，具有硬件成本低，定位精度高，用户体验良好的特点。

附图说明

图1为基于伪点的伪卫星室内导航方法的框架示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为简单起见，以下内容中省略了该技术领域技术人员所公知的技术常识。

如图1所示，该基于伪点的伪卫星室内导航方法包括如下步骤：

S1、调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调控至所述伪卫星；在具体实施中，待定位室内区域中心位置已知，通过待定位区域中心点位置坐标对GPS卫星进行评估，得到该区域的可见GPS卫星。

其评估准则为：若俯仰角大于5°，则为可见GPS卫星；之后依据可见GPS卫星，选择可见GPS卫星中GDOP良好的卫星号组合，并将其PRN号调控到各个伪卫星，完成伪卫星的调控；其中，GDOP为几何精度因子，良好的标准为根据实际情况人为设定，PRN号为伪随机噪声码。

S2、采用调控后的伪卫星模拟待定位区域GPS卫星信号，生成并发送伪卫星信号；在具体实施中，在管理中心本地存储GPS卫星历书信息，根据GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算所有GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(x_s,y_s,z_s)。

在具体实施中，管理中心将输入的本地观测时间信息t_in按归一化公式做归一化处理，其归一化公式为：

t_k＝t_in-t_oe；

其中，t_oe为历书参考时间，t_k为归一化后时间；再得到归一化后时间后，管理中心依据公式解算GPS卫星运行的平均角速度；其中，n₀代表各GPS卫星运行的平均角速度，G是地心引力常数，a是椭圆长半轴，a的值可由历书中信息获取。

接着管理中心根据得到的归一化时间t_k和GPS卫星平均角速度n₀计算GPS卫星在当前时刻的平近点角M_k，其计算公式为：

M_k＝n₀×t_k+M₀；

其中，M₀为GPS卫星在参考时间t_oe时，GPS卫星的平近点角，可由历书提供。

接着，管理中心依据公式E_k＝M_k+esinE_k，解算GPS卫星在t_k时刻的偏近点角E_k，其中，e为GPS卫星轨道离心率，可历书提供；管理中心再解算GPS卫星在t_k时刻的真近点角f_k，其真近点角的解算公式为：

之后，管理中心依据真近点角f_k，结合历书中各GPS卫星的近地点弧角ω解算出升交点角距φ_k＝f_k+ω；管理中心由历书提供的参考时刻的升交点赤经参数Ω_e，以及升交赤经变化率Ω’，根据解算公式解算该卫星在t_k时刻的升交点赤经，其解算公式为：

Ω_k＝Ω_e+Ω'×t_k-ω_e×t_in；

其中，ω_e为地球自转角速度，为固定值ω_e＝7.2921151467×10^-5rad/s；同时，管理中心解算GPS卫星矢径长度r_k＝a_s(1-e_scosE_k)，参量a_s是该GPS卫星运动长半径，可通过本地存储的历书获取。

最后，管理中心解算各GPS卫星坐标，其中，(r_k,φ_k)即为GPS卫星的极坐标，将其转化到轨道平面直角坐标系后为：

x_k＝r_kcosΦ_k

y_k＝r_ksinΦ_k；

此时在WGS-84坐标下各GPS卫星坐标为：

设定每颗伪卫星模拟的接收机参考位置均为待定位室内区域中心点C(x_0,y₀,z₀)，根据GPS卫星在WGS-84坐标系下的坐标，通过时延参数Δt的计算公式计算出时延参数Δt，时延参数Δt的计算公式为：

其中，c为光速，取值为国际公认值c＝299792458m/s；之后将时延参数Δt转换为码相位参数，在具体实施中，其转码过程为：

1、确定时延内的导航电文数目：

Delay_Nav＝floor(Δt/20)；

其中，Delay_Nav表示导航电文数目，floor表示向下取整，时延参数的单位为ms。

2、确定一个导航电文内，时延对应的CA码周期：

Delay_CA＝floor(Δt-Delay_Nav×20)；

其中，Delay_CA表示时延对应的CA码周期。

3、确定一个CA码周期内，码相位延迟：

Delay_Phase＝floor(Δt-Delay_Nav×20-Dealy_CA)；

其中，Delay_Phase表示码相位延迟；设定转换中所使用的CA码的频率为1.023MHz；同时计算每颗伪卫星的瞬时速度，并根据瞬时速度计算其多普勒频移；在具体实施中，瞬时速度计算公式为：

其中，

G＝3986004.418×10⁸(m³/s²)，P_k为近地点方向的单位矢量，Q_k为在轨道平面内按卫星运行方向而垂直于近地点方向的单位矢量，E_k为GPS卫星的偏近点角，ω为GPS卫星的近地点弧角，Ω_k为GPS卫星的升交点赤经，而i_k为GPS卫星轨道倾角；之后利用多普勒频移公式计算多普勒频移，其多普勒频移的计算公式为：

其中，v_k为当前时刻卫星的速度矢量，su_k为卫星到用户的单位矢量，c为光速，f_T为载波频率，f_dk为当前时刻的多普勒频移，f_rk为当前时刻的实际接收频率。

在计算出时延参数Δt和多普勒频移后，对时延参数和多普勒频移进行转换，得到载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位，NCO相位为码数控振荡器；在具体实施中，载波频率控制字的计算公式为：

其中，f_c为中频信号，f_dk为当前时刻的多普勒频移，f_s为采样频率；

所述载波相位的计算公式为：

carrier_ph＝(f_T+f_dk)*Δt；

其中，f_T为载波频率，取值为f_t＝1575.42MHZ；f_dk为当前时刻的多普勒频移，Δt为时延参数；同理，C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位可根据现有技术中的转换工作做相同处理则可；接着，再根据载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位，对伪卫星进行处理，生成对应伪卫星信号，并通过射频端发送。

S3、根据伪卫星信号，基于设定协议得到并输出伪点坐标；在具体实施中，通过位于待定位点R的GPS接收机接收所述伪卫星信号，根据所述伪卫星信号和NME0183协议输出定位信息，得到伪点坐标M(x_M,y_M,z_M)，其中，所述待定位点R的坐标为(x_R,y_R,z_R)。

S4、根据伪点坐标判定定位区域，在具体实施中，以伪点坐标所在大区作为当前定位区域，确定定位区域，如某停车场。

S5、解算GPS卫星坐标，在具体实施中，可在普通的GPS接收机内部存储GPS卫星历书信息，根据GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))；其中，k代表GPS卫星数，k≥4。

S6、获取GPS卫星对应的伪卫星坐标；在具体实施中，由地图方提供GPS卫星对应的伪卫星坐标(x_p ^(k),y_p ^(k),z_p ^(k))；通常，在某一待定位区域可见GPS卫星数目为12颗，故伪卫星模拟的可用卫星号也为12颗，地图方以这12颗伪卫星为一定位小区，并给予唯一标识符；接着地图方通过NMEA0183协议所输出一次定位坐标，查询上述标识符，得到定位小区号；最后地图方根据定位小区号，以及设定协议所得定位信息，查询伪卫星坐标表格，提供伪卫星坐标参与二次定位。

S7、根据定位区域，对伪点坐标、伪卫星坐标和GPS卫星坐标进行分析计算，得到当前用户坐标；在具体实施中，

先计算伪点坐标与GPS卫星坐标之间的距离ρ_M ^(k)，相应计算公式为：

其中，(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))为GPS卫星坐标，(x_M,y_M,z_M)为伪点坐标；

再计算GPS卫星坐标与伪卫星坐标之间的距离ρ_p ^(k)，相应计算公式为：

其中，(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))为GPS卫星坐标，(x_p ^(k),y_p ^(k),z_p ^(k))为伪卫星坐标；

之后，根据计算出的伪点坐标与GPS卫星坐标之间的距离ρ_M ^(k)和GPS卫星坐标与伪卫星坐标之间的距离ρ_p ^(k)，计算待定位点与伪卫星坐标之间的距离ρ_R ^(k)，相应计算公式为：

最后，根据计算出的待定位点与伪卫星坐标之间的距离ρ_R ^(k)，计算待定位点在WGS-84坐标系下的坐标(x_R,y_R,z_R)，得到待定位点的坐标，相应计算公式为：

其中，δ表示钟差。

该基于伪点的伪卫星室内导航方法通过管理中心调控伪卫星，同时调控后的伪卫星模拟待定位区域GPS卫星信号，生成并发送伪卫星信号；可通过普通的GPS接收机接收到伪卫星信号，并输出伪点坐标；再对伪点坐标、伪卫星坐标和GPS卫星坐标进行分析计算，解算与伪卫星相关的伪距，进行二次定位，完成室内导航需求。

该基于伪点的伪卫星室内导航方法提高了用户的体验感，与室外GPS导航使用习惯相同；可植入性强，与GPS卫星信号相同，可随着GPS的升级直接移植；硬件成本低，无需在接收机部分调整硬件，造价较低。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于，包括：

S1、调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调控至所述伪卫星；

S2、采用调控后的伪卫星模拟待定位区域GPS卫星信号，生成并发送伪卫星信号；

S3、根据所述伪卫星信号，基于设定协议得到并输出伪点坐标；

S4、根据所述伪点坐标判定定位区域；

S5、解算GPS卫星坐标；

S6、获取所述GPS卫星对应的伪卫星坐标；

S7、根据所述定位区域，对所述伪点坐标、伪卫星坐标和GPS卫星坐标进行分析计算，得到当前用户坐标，所述S7的具体步骤为：

S71、计算伪点坐标与GPS卫星坐标之间的距离ρ_M ^(k)，相应计算公式为：

其中，(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))为GPS卫星坐标，(x_M,y_M,z_M)为伪点坐标；

S72、计算GPS卫星坐标与伪卫星坐标之间的距离ρ_p ^(k)，相应计算公式为：

其中，(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))为GPS卫星坐标，(x_p ^(k),y_p ^(k),z_p ^(k))为伪卫星坐标；S73、计算待定位点与伪卫星坐标之间的距离ρ_R ^(k)，相应计算公式为：

S74、计算待定位点在WGS-84坐标系下的坐标(x_R,y_R,z_R)，得到待定位点的坐标，相应计算公式为：

其中，δ表示钟差。

2.根据权利要求1所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S1的具体步骤为：

S11、通过待定位区域中心点位置坐标对GPS卫星进行评估，得到该区域可见GPS卫星；其评估准则为：若俯仰角大于5°，则为可见GPS卫星；

S12、依据所述可见GPS卫星，将其PRN号调控到各个伪卫星。

3.根据权利要求1所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S2的具体步骤为：

S21、根据存储于管理中心本地的GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算所有GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(x_s,y_s,z_s)；

S22、设定每颗伪卫星模拟的接收机参考位置均为待定位室内区域中心点C(x₀,y₀,z₀)，根据所述GPS卫星在WGS-84坐标系下的坐标，计算出时延参数Δt；

S23、将所述时延参数Δt转换为码相位参数；

S24、计算每颗伪卫星的瞬时速度，并根据所述瞬时速度计算其多普勒频移；

S25、对所述时延参数和多普勒频移进行转换，得到载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位；

S26、根据所述载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位，对伪卫星进行处理，生成对应伪卫星信号，并通过射频端发送。

4.根据权利要求3所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于：

所述时延参数Δt的计算公式为：

其中，c为光速，取值为国际公认值c＝299792458m/s。

5.根据权利要求3所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于：

所述瞬时速度的计算公式为：

其中，

G＝3986004.418×10⁸(m³/s²)，P_k为近地点方向的单位矢量，Q_k为在轨道平面内按卫星运行方向而垂直于近地点方向的单位矢量，E_k为GPS卫星的偏近点角，ω为GPS卫星的近地点弧角，Ω_k为GPS卫星的升交点赤经，而i_k为GPS卫星轨道倾角，a表示椭圆长半轴，e表示GPS卫星轨道离心率。

6.根据权利要求3所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于：

所述多普勒频移的计算公式为：

f_rk＝f_T+f_dk；

其中，v_k为当前时刻卫星的速度矢量，su_k为卫星到用户的单位矢量，c为光速，f_T为载波频率，f_dk为当前时刻的多普勒频移，f_rk为当前时刻的实际接收频率；

所述载波频率控制字的计算公式为：

其中，f_c为中频信号，f_dk为当前时刻的多普勒频移，f_s为采样频率；

所述载波相位的计算公式为：

carrier_ph＝(f_T+f_dk)*Δt；

其中，f_T为载波频率，取值为f_T＝1575.42MHZ；f_dk为当前时刻的多普勒频移，Δt为时延参数。

7.根据权利要求1所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S3的具体步骤为：通过位于待定位点R的GPS接收机接收所述伪卫星信号，根据所述伪卫星信号和NMEA0183协议输出定位信息，定义该定位信息为伪点坐标M(x_M,y_M,z_M)。

8.根据权利要求7所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S5的具体步骤为：

存储GPS卫星历书信息，根据GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(x_s ^(k),y_s ^(k),z_s ^(k))；其中，k代表GPS卫星数，k≥4。

9.根据权利要求1所述的基于伪点的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S6的具体步骤为：

S61：将某一待定区域内的伪卫星划分为一定位小区，并给予相应标识符；

S62：通过NMEA0183协议输出定位信息，并将所述定位信息与所述标识符进行匹配，得到定位小区号；

S63：将所述定位小区号和定位信息与所述伪卫星坐标相匹配，得到伪卫星坐标(x_p ^(k),y_p ^(k),z_p ^(k))。