CN107607970B

CN107607970B - 一种基于gnss卫星信号的室内定位信息推送方法

Info

Publication number: CN107607970B
Application number: CN201710719898.1A
Authority: CN
Inventors: 王文杰; 田宇; 江睿文
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: CN107607970A

Abstract

一种用于室内定位且基于GNSS卫星信号的定位信息推送方法，包括：(1)在室内设置摄像设备，并以摄像设备为坐标系原点，将待测房间划分为平面网格状坐标系，利用动目标检测技术获取用户在室内的二维坐标值；(2)通过室外GNSS卫星信号接收天线获取天线的真实地理坐标、授时信息及PPS同步秒脉冲信息，结合用户二维坐标值及房间几何参数计算得到用户真实地理坐标值；(3)GNSS卫星信号再生；(4)利用智能天线技术，形成指向用户的波束并播发对应位置的GNSS卫星信号，使用户的定位设备解算出播发的位置。本发明利用GNSS卫星信号作为媒介进行室内定位，具有精度高，速度快，不需要接收设备更改或添加其他硬件的优点。

Description

一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，特别涉及一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法。

背景技术

由于卫星信号到达地面时信号较弱且不能穿透建筑物，在室内环境是无法使用卫星信号定位的。所以为了实现室内定位，需要一种室内定位的方法。现今比较常见的室内定位技术有Wi-Fi技术、蓝牙技术、红外线技术、超宽带技术等，他们各有优缺点，比如成本低但是定位效果不理想，或者定位效果较好却对硬件要求苛刻。就后者而言，虽然有良好的定位精度，但是如果为了实现这个功能，在手机等移动设备里增加新的硬件明显是不可行的，所以我们希望寻找一种新的室内定位的方法，在不在手机等移动设备上增加硬件的情况下进行定位。

就如今热门的基于Wi-Fi的室内定位技术而言，其优点是其实现难度相对较低，在近似理想的无线空间中定位效果较好。但是由于我们生活的空间里Wi-Fi信号十分繁杂，这势必会对这种方法的定位效果有显著的影响，甚至会导致无法定位。并且Wi-Fi定位是通过网络层实现的，速度较慢。所以综上所述，基于Wi-Fi室内定位技术最终定位效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，包括下述步骤：

步骤一：待测用户的位置识别：在一个安装有摄像头的房间内，利用动目标检测技术对摄像头拍摄的图像实时分析，识别室内动态用户的位置并计算出用户的二维坐标值；

步骤二：待定位用户真实地理坐标与时钟同步基准PPS的获取：通过安装在室外的GNSS卫星信号接收天线，获取前端GNSS接收天线的真实地理位置信息、授时信息以及用于本地时钟同步校准的PPS秒脉冲信息；根据步骤一所得用户二维坐标值及前端GNSS接收天线的真实地理位置，结合房间几何参数计算得到用户真实地理坐标值；

步骤三：GNSS卫星信号的再生：本地再生模块的架构至少需要支持N路携带不同定位信息的射频信号通道，N≥用户数；根据步骤二得到的用户真实地理坐标值及授时信息，由可视卫星计算算法计算出可视的卫星号，生成相应可视卫星的导航电文并进行扩频操作，再计算出伪距和多普勒频偏，进而对扩频后的序列进行伪距时延调整，复乘多普勒频偏后进行调制获得基带信号，最后上变频到卫星信号频段即为再生的GNSS卫星信号；

步骤四：多路卫星信号波束形成：通过智能天线技术，在获取所有用户的位置参数后，利用天线阵形成波束,使包含某待定位用户真实地理位置信息的一路GNSS卫星信号波束在该用户位置处聚焦，同时将波束的零陷对准其他用户，使其他用户不受该路信号波束的干扰，从而满足多个用户能够同时进行定位的需求。

进一步的，步骤三中导航电文生成根据协议IS-GPS-200F AppendixⅡ的信号帧格式，依据选定的星历文件生成导航电文；根据某时段星历信息，构造多路卫星信号数据超帧，并在微控制器中实现奇偶校验；基带信号流处理部分使用伪距与多普勒频偏数据及预测数据，动态调整扩频后的导航电文码片抽取或内插，生成相应的基带数据流；使用不同的用户标识符区分发送给不同用户的卫星信号。

进一步的，步骤三中射频发射部分将基带数据上变频到卫星信号载波频段后使用定向天线发送。

进一步的，步骤一中摄像头的覆盖范围为整个房间。

进一步的，步骤一中的二维坐标为以摄像头为坐标原点将房间划分为二维网格状。

进一步的，步骤二中GNSS卫星信号接收天线的频率为卫星信号载波频率；授时信息为UTC年月日时分秒。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

该方法利用GNSS卫星信号进行室内定位，由于目前市场上手机等接收设备内部均配置有GPS接收硬件模块，因此不需要改变其硬件设计,只需在手机内原有的GPS接收硬件模块基础上开发出配套软件。

该方法利用的GNSS信号是视距的而且定位基于物理层，定位的速度相比大多数方法更快。

该方法利用本地再生GNSS信号实现室内定位，精度极高。大量实验表明，市面绝大部分商用接收机接收本发明所产生的再生信号定位结果，与本地再生模块设定标准地理位置数值的绝对误差不超过1米，这在根本上保证本方案的室内定位高精度需求与可行性。原因是经过再生与分发后，相比空间中真实的GNSS信号，其信噪比大大提高，定位的精度与稳定程度相比真实的GNSS定位效果显著提高。

附图说明

图1为室内定位场景方案及设备布置说明图。

图2为GNSS卫星信号再生模块系统方案说明图。

图3为多路卫星信号波束形成场景方案及设备说明图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种用于室内定位且基于全球卫星导航系统GNSS卫星信号的定位信息推送方法，包括下述步骤：

以GPS为例：

(1)待测用户的位置识别：在待布置房间内适合的位置安装广角度摄像设备，要求其摄像设备的拍摄范围可以覆盖到整个房间。以摄像设备为坐标系原点，将房间俯视图划分为二维网格状的若干区域，划分精度取决于室内定位精度需求，其中每一区域的几何中心对应一个二维坐标值，如图1所示。用户的位置识别采用动目标检测技术(例如，基于计算机视觉库OpenCV的动目标检测技术)，识别用户并计算其在房间坐标系下的二维坐标。

(2)待定位用户真实地理坐标与时钟同步基准PPS的获取：将设备布置于房间合适位置，连接置于室外的1575.42MHz频段GPS接收天线，如图1所示，解算出该天线的真实地理位置信息(经度、纬度及高度)、授时信息(UTC年月日时分秒)以及用于本地时钟同步校准的PPS秒脉冲信息，且以上三类数据随时间不断更新获取。根据获取的前端接收天线真实地理位置及步骤(1)得到的用户二维坐标，结合房间几何参数可计算得到用户的真实地理坐标值，使用USART通信接口将实时更新的用户真实地理坐标及授时信息发送至GPS卫星信号再生模块中微控制器部分并存储。

(3)GNSS卫星信号的再生：GPS卫星信号再生模块系统方案如图2所示，其主要由前端GPS接收机、微控制器、FPGA及射频发射器等四个模块组成；首先，FPGA根据步骤(2)中前端GPS接收机传送的PPS同步秒脉冲信息统计本地模块晶振时钟计数误差，并实时调整以与实际GPS系统原子钟计数同步，并以校准后时钟源为基准源产生特定时间间隔的脉冲信号；其次，微控制器(如采用ARM架构的STM32F10x系列芯片)以该脉冲信号作为外部中断源控制卫星导航基带数据计算时间间隔，并结合步骤(2)中动目标检测模块传送的用户真实地理坐标及前端GPS接收机传送的UTC时间计算生成卫星导航基带数据，通过协议规定接口发送至FPGA；再次，FPGA根据传送的卫星导航基带数据及协议IS-GPS-200F，在物理层对卫星信号进行处理生成卫星基带信号；最后，传送至射频发射器(如以AD9361射频芯片为核心的射频发射模块)上变频至1575.42MHz频段。其中，核心软件算法分为卫星导航基带数据计算算法及卫星基带信号物理层生成算法。

首先，卫星导航基带数据计算算法分为两个部分。

第一，导航电文的更新生成。根据协议IS-GPS-200F规定的GPS计数模式，卫星信号再生模块的微控制器部分将前端传送过来的授时信息转换为存储于导航电文中的Z计数值(包括GPS周数WN，以及GPS周计数TOW)、星历参考时、历书参考时、导航电文当前页码序号以及时段序号；随后，结合参考的RENIX格式星历文件选择对应时段序号的一组小于或等于32颗(由于部分卫星可能处于非健康状态)卫星的星历数据，结合计算得到的各项授时数据，按照协议IS-GPS-200AppendixⅡ规定的信号帧格式生成对应导航电文页第1至第3子帧，并将星历数据作转化处理转换为历书参数并生成对应第4至第5子帧，以整页(5个子帧)为单位进行奇偶校验生成最终发送的导航电文。其中，导航电文每30s(5个子帧长)更新计算一次，更新时间由外部中断源控制。导航电文通过通信接口发送至基带数据流处理部分协议规定地址的寄存器存储。

第二，时延、伪距及多普勒频偏计算。将步骤(2)得到的用户的地理坐标转化为WGS-84系下坐标；根据协议IS-GPS-200F给出的卫星坐标计算算法，利用已选择的对应时段星历数据计算得到各卫星在WGS-84系下的坐标；根据用户坐标及卫星坐标，结合星历数据计算得到可视卫星PRN号、各卫星与用户间伪距及伪距预测参数，其中伪距预测参数包括速矢参数等；根据当前及上一时刻伪距，结合数据更新计算间隔，得到各卫星多普勒频偏值。其中，时延、伪距及多普勒频偏更新计算时间由外部中断源控制，并通过通信接口发送至基带数据流处理部分规定地址寄存器存储。

其次，卫星基带信号的物理层生成算法主要包括：根据可视卫星PRN号生成相应整周期C/A码序列并对各卫星导航电文进行扩频处理；根据伪距数值对各卫星扩频码码片进行抽取或内插操作，以模拟信号在实际物理空间传播过程中的时延效应对接收机接收码片序列的影响；根据多普勒频偏数值对各卫星基带I/Q数据初次调制，以模拟实际的信号传播多普勒效应；最终将各卫星初次调制后I/Q数据求和并传入射频芯片，上变频至1575.42MHz通过天线阵将再生出的GPS卫星信号发送至指定用户。

(4)多路卫星信号波束形成：使用智能天线阵列，将(3)中再生出的N路(假设待定位用户数为N)GPS卫星信号形成波束进行发送，其场景方案及设备组成如图3所示。

首先，GPS卫星信号再生模块将再生出的N路GPS卫星信号通过射频缆线发送至智能天线阵列。

其次，智能天线阵列由若干天线阵元排列组成，利用自适应波束形成算法将N路GPS卫星信号形成波束并在整房间区域进行播发。不失一般性地，假设房间内待定位用户数为3人，如图3所示，则自适应波束形成算法使得天线阵列方向图主瓣分别指向用户1、用户2及用户3。在指向用户1的主瓣方向上仅发送包含用户1真实地理位置信息的单路GPS卫星信号，并使该路信号波束对应方向图的零陷对准用户2及用户3。用户2及用户3的发送方式同理于用户1。因此，智能天线阵列可保证在某用户所处位置处仅能接收到包含自身真实地理位置信息的单路GPS卫星信号，而不会受到包含其他用户位置信息的GPS卫星信号的干扰，从而达到同一房间内多个用户同时能够定位的目的。

Claims

1.一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，其特征在于，步骤三中导航电文生成根据协议IS-GPS-200F AppendixⅡ的信号帧格式，依据选定的星历文件生成导航电文；根据某时段星历信息，构造多路卫星信号数据超帧，并在微控制器中实现奇偶校验；基带信号流处理部分使用伪距与多普勒频偏数据及预测数据，动态调整扩频后的导航电文码片抽取或内插，生成相应的基带数据流；使用不同的用户标识符区分发送给不同用户的卫星信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，其特征在于，步骤三中射频发射部分将基带数据上变频到卫星信号载波频段后使用定向天线发送。

4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，其特征在于，步骤一中摄像头的覆盖范围为整个房间。

5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，其特征在于，步骤一中的二维坐标为以摄像头为坐标原点将房间划分为二维网格状。

6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS卫星信号的室内定位信息推送方法，其特征在于，步骤二中GNSS卫星信号接收天线的频率为卫星信号载波频率；授时信息为UTC年月日时分秒。