CN106772505A - 基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法 - Google Patents

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吕飞仁
雷乔
林静然
肖文平
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Abstract

本发明公开了基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其包括以下步骤：获取多个伪卫星在当前未知节点的信号载噪比；将信号载噪比转换为当前未知节点的信号强度；根据当前未知节点的多个信号强度，基于自由空间无线信号的接收功率与发射功率之间关系及非自由空间中信号强度和信号传播路径之间关系，计算当前未知节点与多个伪卫星之间的距离；根据计算的多个距离和伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标；在移动终端的地图上显示当前未知节点的位置坐标。

Description

基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法。
背景技术
卫星导航系统为用户提供了全天候实时导航、定位与授时服务，其应用几乎涉及国防建设和经济社会的各个领域。目前能够实现定位与导航的技术有很多，基于伪卫星信号时延差的定位与基于信号强度的定位是常见的定位方式。
基于伪卫星信号时延差的定位方式与室外GPS定位原理相似，是由伪卫星发射模拟的GPS卫星信号，位于地面的接收机通过基于时间到达的测距算法即TOA(Time ofArrival)将该信号的到达时间转化为接收机与卫星之间的距离，通信距离结合伪卫星本身的位置信息便可以计算出接收机的位置。基于信号强度(Received Signal StrengthIndication以下简称RSSI)的定位方式是利用了无线电信号在传播的过程中会伴随着能量强度的消耗的特点，通常能量信号的损耗和信号的传播距离符合相应的数学关系，在定位节点测量到参考节点发射无线电信号的强度，利用经验模型将无线电强度转换为距离。
由于伪卫星的位置信息不能通过简单更改现有导航电文信息实现GPS接收机解析得到静止的伪卫星位置，致使基于信号时延差的伪卫星定位方式需要使用特制的信号接收机来进行定位，这使得定位技术复杂，不利于用户体验。传统的基于RSSI的定位方式一般使用wifi、蓝牙等，此类信号质量较差，并且易受环境的干扰，实际使用时精度较低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种定位精度高的基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其包括以下步骤：
获取多个伪卫星在当前未知节点的信号载噪比；
将信号载噪比转换为当前未知节点的信号强度；
根据当前未知节点的多个信号强度，基于自由空间无线信号的接收功率与发射功率之间关系及非自由空间中信号强度和信号传播路径之间关系，计算当前未知节点与多个伪卫星之间的距离；
根据计算的若干距离和伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标；
在移动终端的地图上显示当前未知节点的位置坐标。
本发明的有益效果为：本方案采用多个伪卫星在未知节点处的信号载噪比进行定位，实现定位的方式灵活，且定位精度高；采用这个方式实现定位，可以直接使用现有的移动终端或接收机完成导航定位，实现方式简单，不需要使用特制的信号接收机来进行定位，简化了定位技术，降低了在进行导航定位时的成本投入。
附图说明
图1为基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法一个实施例的流程图100；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤105。
在步骤101中，获取多个伪卫星在当前未知节点的信号载噪比；其中，当前未知节点的信号载噪比为移动终端的GPS接收模块遵循NMEA0183协议输出的信号载噪比。
NMEA0183协议共输出六种格式信息，包括$GPGGA、$GPGLL、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC和$GPVTG，本方案所用的载噪比信息是在$GPGSV中输出，其输出范围在0dB～99dB之间。
在步骤102中，将信号载噪比转换为当前未知节点的信号强度；信号载噪比是载波噪声比C/N0的简称，其用于衡量信号的质量，其定义如下：
其中，Pr为接收功率，也称之为信号强度，其单位为DBW；N0为噪声功率，对于大部分接收机而言，N0的典型值为-205dBW/Hz，本方案的信号强度Pr可以采用以下算例获取：
Pr＝C/N0-205。
在步骤103中，根据当前未知节点的多个信号强度，基于自由空间无线信号的接收功率与发射功率之间关系及非自由空间中信号强度和信号传播路径之间关系，计算当前未知节点与多个伪卫星之间的距离。
上述的自由空间无线信号的接收功率与发射功率之间关系为：
其中，d为信号传播的距离，Pr(d)表示距离发射节点d(m)处的接收功率，P(t)表示发射节点的发射功率，Gt,Gr分别是发射端和接收端的天线増益，λ表示无线信号的波长。
非自由空间中信号强度和信号传播路径之间关系为：
n为与环境相关的路径损耗指数。
对表征自由空间无线信号的接收功率与发射功率之间关系的算例两边同时求导后再结合表征非自由空间中信号强度和信号传播路径之间关系的算例可以得到计算当前未知节点与多个伪卫星之间的距离的算例：
其中，A＝10lg[Pr(d0)]，Pr(d0)为距离伪卫星1m处的接收信号强度d0＝1m；RSSI(d)为接收信号强度，RSSI(d)＝10lg[Pr(d)]；Pr(d)为距离伪卫星d(m)处的接收信号强度；n为与环境相关的路径损耗指数。
在步骤104中，根据计算的若干距离和伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标。
在步骤105中，在移动终端的地图上显示当前未知节点的位置坐标。
下面以伪卫星布设的高度是5m，对根据计算的若干距离和伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标的具体实现方法进行详细地说明：
获取伪卫星定位网络中若干已知参考节点的位置坐标(x1,y1),(x2,y2),...,(xk,yk)和信号强度(RSSI1,RSSI2,...,RSSIk)；
基于无线信号传播衰减模型，计算当前未知节点到已知参考节点的距离d1,d2......dk，可以得到以下方程：
从第一个方程开始，分别减去最后一个方程得：
根据当前未知节点到已知参考节点的距离，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标：
z＝(ATA)-1ATb
其中，AT为A的转置；(x1,y1),(x2,y2),...,(xk,yk)为已知参考节点的坐标；d1…dk为当前未知节点到已知参考节点的距离。
综上所述，通过本方案提供的方法实现导航定位使得基于伪卫星信号载噪比的定位方式成为现实，解决了原本利用伪卫星进行定位时只能基于时延差的定位窘境，也解决了使用基于RSSI定位时只是使用wifi、蓝牙等信号的问题。

Claims (5)

1.基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取多个伪卫星在当前未知节点的信号载噪比；
将所述信号载噪比转换为当前未知节点的信号强度；
根据当前未知节点的多个信号强度，基于自由空间无线信号的接收功率与发射功率之间关系及非自由空间中信号强度和信号传播路径之间关系，计算当前未知节点与多个伪卫星之间的距离；
根据当前未知节点与多个伪卫星之间的距离和伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标；
在移动终端的地图上显示当前未知节点的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其特征在于，所述计算当前未知节点与多个伪卫星之间的距离的算法具体为：
d = 10 A - R S S I ( d ) 10 n
其中，d为当前未知节点与多个伪卫星之间的距离；A＝10lg[Pr(d0)]，Pr(d0)为距离伪卫星1m处的接收信号强度；RSSI(d)为接收信号强度，RSSI(d)＝10lg[Pr(d)]；Pr(d)为距离伪卫星d(m)处的接收信号强度；n为与环境相关的路径损耗指数。
3.根据权利要求1所述的基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其特征在于，将所述信号载噪比转换为当前未知节点的信号强度的具体算法为：
Pr＝C/N0-205
其中，Pr为当前未知节点的信号强度，单位为dBW，C/N0为信号载噪比。
4.根据权利要求1所述的基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其特征在于，根据所述距离和伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标具体为：
获取伪卫星定位网络中的若干已知参考节点的位置坐标和信号强度；
基于无线信号传播衰减模型，计算当前未知节点到已知参考节点的距离；
根据当前未知节点到已知参考节点的距离，采用最小二乘法计算当前未知节点的位置坐标：
z＝(ATA)-1ATb
其中，
AT为A的转置；(x1,y1),(x2,y2),...,(xk,yk)为已知参考节点的坐标；d1…dk为当前未知节点到已知参考节点的距离。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于伪卫星信号载噪比的导航定位方法，其特征在于，当前未知节点的信号载噪比为移动终端的GPS接收模块遵循NMEA0183协议输出的信号载噪比。
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