CN109031377B - 一种基于伪卫星的隧道内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于伪卫星的隧道内定位方法，其包括以下步骤：S1、在隧道内设置m套伪卫星形成m个定位小区；S2、使隧道内外的卫星的星历和时间保持一致；S3、使每套伪卫星模拟隧道外的在轨卫星信号；S4、在每套伪卫星的载波上增设一个车辆模拟速度对应的多普勒频率，并将该频率合成对应的卫星信号；S5、校准车辆定位结果；S6、根据卫星信号和车辆定位结果将与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位。本发明调整了伪卫星中载波上的多普勒频率，使得位置指纹的变化能够迅速和准确，形成了隧道内的位置指纹，解决了隧道内难以实现卫星定位导航的难题。

Description

一种基于伪卫星的隧道内定位方法
技术领域
本发明涉及隧道内定位导航领域，具体涉及一种基于伪卫星的隧道内定位方法。
背景技术
随着交通建设的发展，建设路线逐渐由平原地带向山区高原挺进，隧道建设工程的数量增长十分迅速。隧道工程显著地提升了交通运输能力，但是在隧道中运营管理相对复杂、施工环境恶劣，同时事故发生率较高。另一方面，由于钢筋混泥土对卫星信号的阻挡，管理人员对隧道内部的状态通常都难以实时把控。当遇到车祸等突发事故时，抢险部门难以获取灾难现场的准确位置，贻误疏通抢险的时机，最终造成国家和人民利益的损失。为此对隧道内部车辆的定位具备重大的社会意义。
GNSS信号本身是一种电磁波信号，它具有电磁波特性的所有特性，比如比较脆弱易受干扰等；在隧道内部，由于钢筋混泥土的阻挡，室内GNSS接收机通常都难以接收到GNSS信号，导致GNSS系统难以在隧道内为用户提供定位导航服务。目前已有的隧道定位方案包括UWB、Wi-Fi和视觉定位等方面。这些定位方案有一定的优势，但是这些方案与室外GNSS系统不同，不能跨伪卫星进行定位切换，难以做到隧道内外定位的无缝切换，同时无法兼容现有定位导航接收设备。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于伪卫星的隧道内定位方法解决了隧道内定位不便的问题。
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的隧道内定位方法，其包括以下步骤：
S1、在隧道内设置m套伪卫星形成m个定位小区，并将每套伪卫星的预设定位坐标设置为伪卫星所对应的定位小区的中心，其中每套伪卫星至少模拟四颗在轨卫星；
S2、将隧道外在轨卫星的星历信息发送至隧道内的各个伪卫星，使隧道内外的卫星的星历和时间保持一致；其中隧道内卫星即为伪卫星；
S3、根据预设时间和定位小区中心的坐标调控每套伪卫星中伪码和导航电文的多普勒频率和码相位，进而模拟隧道外的在轨卫星信号；
S4、在每套伪卫星的载波上增设一个车辆模拟速度对应的多普勒频率，并将该频率合成对应的卫星信号；
S5、根据隧道内外卫星的卫星导航电文中的URA参数、卫星仰角、卫星信号强度和接收机跟踪状态校准车辆定位结果；
S6、根据卫星信号和车辆定位结果将与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位。
进一步地，步骤S2的具体方法为：
接收并解析隧道外部的卫星信号，得到1PPS信息和导航电文；
通过1PPS信息使伪卫星的时间与隧道外在轨卫星的时间一致；将导航电文播发到各个伪卫星，完成星历信息的同步；
选择GDOP＜5的可见卫星组合，并将其PRN号调控到各套伪卫星，使每个定位小区的卫星均播发相同PRN号和相同导航电文的卫星信号，其中组合的卫星数目大于等于四颗。
进一步地，步骤S3的具体方法包括以下步骤：
S3-1、预设时间t0，并根据卫星轨道理论，得到理论卫星信号接收时刻坐标下信号发射时刻的位置坐标(xs,ys,zs)；
S3-2、根据每个定位小区中心的坐标得到未校正前卫星信号转播到定位小区n的时间延迟
其中表示第n个定位小区的坐标，n＝1,2,…,m；
S3-3、根据电离层和对流层的逆向校正模型，得到时间延迟的校正量ta，进而根据公式
得到矫正后的时间延迟
S3-4、根据公式
得到卫星信号准确的发射时刻ts；
S3-5、根据公式
phased＝ts/(1/fdata)
得到导航电文的相位信息phased；其中fdata表示导航电文的频率；
S3-6、根据公式
phaseca＝(ts-phased)/(1/fca)
得到伪码的相位信息phaseca；其中fca表示伪码的频率；
S3-7、将预设时间设置为t0+Δt，重复步骤S3-1和S3-2，得到t0+Δt时刻对应的校正后时间延迟并根据公式
得到导航电文的多普勒频率Dopdata；
S3-8、根据公式
得到伪码的多普勒频率Dopca。
进一步地，步骤S4的具体方法包括以下步骤：
S4-1根据公式
V×T0＝D
预设车辆的模拟速度V，其中T0表示预设更新周期；D为伪卫星之间的布设间隔；
S4-2、根据公式
得到车辆在以模拟速度V下行驶ΔT时间后的位置坐标
S4-3、根据步骤S3-1至S3-3获取位置坐标处的时间延迟
S4-4、根据公式
得到车辆运动时，接收卫星信号的多普勒频率doppler；其中fT代表卫星信号的载波频率；
S4-5、将步骤S4-4中得到的多普勒频率doppler作为载波上增设的多普勒频率，并保持伪码和导航电文上的多普勒频率不变；
S4-6、将增设的多普勒频率和保持不变的伪码和导航电文上的多普勒频率通过频率合成技术合成新的卫星信号；
S4-7、每隔ΔT重复步骤S4-1至S4-6，更新合成的卫星信号。
进一步地，步骤S6的具体方法包括以下步骤：
S6-1、根据车辆定位结果得到车辆所在定位小区，进而得到与该定位结果相匹配的预设定位坐标；
S6-2、根据卫星信号中载波的多普勒数据解析车辆的模拟速度V，并根据公式
预测车辆的位置矢量其中X-表示车辆上一个时刻的位置矢量，X-的初始位置为进入隧道时的位置；
S6-3、根据公式
得到最终的定位结果X；其中X0为卫星信号中的定位结果，即车辆所在定位小区的预设定位坐标；为增益因子，且0＜＜1；
S6-4、根据最终定位结果X与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位。
本发明的有益效果为：本发明通过伪卫星模拟了定位小区中心应接收的卫星信号，建立了该定位小区的位置指纹。另一方面，通过调整载波多普勒，使得位置指纹能够平滑的切换到下一个点。本发明可以实现隧道内外定位的无缝切换，同时兼容现有车载接收机，快速准确的实现隧道内定位，且本方法具有硬件成本低、用户体验好和兼容性高的特点。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
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。
如图1所示，该基于伪卫星的隧道内定位方法包括以下步骤：
S1、在隧道内设置m套伪卫星形成m个定位小区，并将每套伪卫星的预设定位坐标设置为伪卫星所对应的定位小区的中心，其中每套伪卫星至少模拟四颗在轨卫星；
S2、将隧道外在轨卫星的星历信息发送至隧道内的各个伪卫星，使隧道内外的卫星的星历和时间保持一致；其中隧道内卫星即为伪卫星；
S3、根据预设时间和定位小区中心的坐标调控每套伪卫星中伪码和导航电文的多普勒频率和码相位，进而模拟隧道外的在轨卫星信号；
S4、在每套伪卫星的载波上增设一个车辆模拟速度对应的多普勒频率，并将该频率合成对应的卫星信号；
S5、根据隧道内外卫星的卫星导航电文中的URA参数、卫星仰角、卫星信号强度和接收机跟踪状态校准车辆定位结果，即GPS定位结果；
S6、根据卫星信号和车辆定位结果将与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位。
步骤S2的具体方法为：
接收并解析隧道外部的卫星信号，得到1PPS信息和导航电文；
通过1PPS信息使伪卫星的时间与隧道外在轨卫星的时间一致；将导航电文播发到各个伪卫星，完成星历信息的同步；
选择GDOP＜5的可见卫星组合，并将其PRN号调控到各套伪卫星，使每个定位小区的卫星均播发相同PRN号和相同导航电文的卫星信号，其中组合的卫星数目大于等于四颗。
步骤S3的具体方法包括以下步骤：
S3-1、预设时间t0，并根据卫星轨道理论，得到理论卫星信号接收时刻坐标下信号发射时刻的位置坐标(xs,ys,zs)；
S3-2、根据每个定位小区中心的坐标得到未校正前卫星信号转播到定位小区n的时间延迟
其中表示第n个定位小区的坐标，n＝1,2,…,m；；
S3-3、根据电离层和对流层的逆向校正模型，得到时间延迟的校正量ta，进而根据公式
得到矫正后的时间延迟
S3-4、根据公式
得到卫星信号准确的发射时刻ts；
S3-5、根据公式
phased＝ts/(1/fdata)
得到导航电文的相位信息phased；其中fdata表示导航电文的频率；
S3-6、根据公式
phaseca＝(ts-phased)/(1/fca)
得到伪码的相位信息phaseca；其中fca表示伪码的频率；
S3-7、将预设时间设置为t0+Δt，重复步骤S3-1和S3-2，得到t0+Δt时刻对应的校正后时间延迟并根据公式
得到导航电文的多普勒频率Dopdata；
S3-8、根据公式
得到伪码的多普勒频率Dopca。
步骤S4的具体方法包括以下步骤：
S4-1根据公式
V×T0＝D
预设车辆的模拟速度V，其中T0表示预设更新周期；D为伪卫星之间的布设间隔；车辆的模拟速度V小于等于隧道的限速值；
S4-2、根据公式
得到车辆在以模拟速度V下行驶ΔT时间后的位置坐标
S4-3、根据步骤S3-1至S3-3获取位置坐标处的时间延迟
S4-4、根据公式
得到车辆运动时，接收卫星信号的多普勒频率doppler；其中fT代表卫星信号的载波频率；
S4-5、将步骤S4-4中得到的多普勒频率doppler作为载波上增设的多普勒频率，并保持伪码和导航电文上的多普勒频率不变；
S4-6、将增设的多普勒频率和保持不变的伪码和导航电文上的多普勒频率通过频率合成技术合成新的卫星信号；
S4-7、每隔ΔT重复步骤S4-1至S4-6，更新合成的卫星信号。
步骤S6的具体方法包括以下步骤：
S6-1、根据车辆定位结果(GPS定位结果)得到车辆所在定位小区，进而得到与该定位结果相匹配的预设定位坐标；
S6-2、根据卫星信号中载波的多普勒数据解析车辆的模拟速度V，并根据公式
预测车辆的位置矢量其中X-表示车辆上一个时刻的位置矢量，X-的初始位置为进入隧道时的位置；
S6-3、根据公式
得到最终的定位结果X；其中X0为卫星信号中的定位结果，即车辆所在定位小区的预设定位坐标；为增益因子，且0＜＜1；
S6-4、根据最终定位结果X与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位。
由于隧道的高度相比于室外卫星的高度低得多，因此单个伪卫星的覆盖范围小，车辆在实际行驶过程中会在一秒左右的时间通过单个伪卫星的覆盖范围，因此在实际检测中，若仅由GPS模块来定位车辆，极大概率会出现车辆跳过中间某些伪卫星的情况，而在实际定位计算中，跳跃性的定位并不允许，故本发明通过增设多普勒频率，并以添加权重的方式来校正GPS模块的定位结果，使得最终的定位结果X依次在每个定位小区内，避免了定位的跳跃，因此实现了位置指纹平滑的切换到下一个点。
综上所述，本发明通过采集隧道外的卫星信号，保证了隧道内外信号的一致性。同时通过调整伪卫星端预设定位点的位置，形成位置指纹，使得导航接收终端能够识别所在位置。最后调整了伪卫星中载波上的多普勒频率，使得位置指纹的变化能够迅速和准确。本方法形成了隧道内的位置指纹，解决了隧道内难以实现卫星定位导航的难题。

Claims (3)

1.一种基于伪卫星的隧道内定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在隧道内设置m套伪卫星形成m个定位小区，并将每套伪卫星的预设定位坐标设置为伪卫星所对应的定位小区的中心，其中每套伪卫星至少模拟四颗在轨卫星；
S2、将隧道外在轨卫星的星历信息发送至隧道内的各个伪卫星，使隧道内外的卫星的星历和时间保持一致；其中隧道内卫星即为伪卫星；
S3、根据预设时间和定位小区中心的坐标调控每套伪卫星中伪码和导航电文的多普勒频率和码相位，进而模拟隧道外的在轨卫星信号；
S4、在每套伪卫星的载波上增设一个车辆模拟速度对应的多普勒频率，并将该频率合成对应的卫星信号；
S5、根据隧道内外卫星的卫星导航电文中的URA参数、卫星仰角、卫星信号强度和接收机跟踪状态校准车辆定位结果；
S6、根据卫星信号和车辆定位结果将与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位；
所述步骤S2的具体方法为：
接收并解析隧道外部的卫星信号，得到1PPS信息和导航电文；
通过1PPS信息使伪卫星的时间与隧道外在轨卫星的时间一致；将导航电文播发到各个伪卫星，完成星历信息的同步；
选择GDOP＜5的可见卫星组合，并将其PRN号调控到各套伪卫星，使每个定位小区的卫星均播发相同PRN号和相同导航电文的卫星信号，其中组合的卫星数目大于等于四颗；
步骤S3的具体方法包括以下步骤：
S3-1、预设时间t0，并根据卫星轨道理论，得到理论卫星信号接收时刻坐标下信号发射时刻的位置坐标(xs,ys,zs)；
S3-2、根据每个定位小区中心的坐标得到未校正前卫星信号转播到定位小区n的时间延迟
其中表示第n个定位小区的坐标，n＝1,2,…,m；
S3-3、根据电离层和对流层的逆向校正模型，得到时间延迟的校正量ta，进而根据公式
得到矫正后的时间延迟
S3-4、根据公式
得到卫星信号准确的发射时刻ts；
S3-5、根据公式
phased＝ts/(1/fdata)
得到导航电文的相位信息phased；其中fdata表示导航电文的频率；
S3-6、根据公式
phaseca＝(ts-phased)/(1/fca)
得到伪码的相位信息phaseca；其中fca表示伪码的频率；
S3-7、将预设时间设置为t0+Δt，重复步骤S3-1和S3-2，得到t0+Δt时刻对应的校正后时间延迟并根据公式
得到导航电文的多普勒频率Dopdata；
S3-8、根据公式
得到伪码的多普勒频率Dopca。
2.根据权利要求1所述的基于伪卫星的隧道内定位方法，其特征在于：所述步骤S4的具体方法包括以下步骤：
S4-1根据公式
V×T0＝D
预设车辆的模拟速度V，其中T0表示预设更新周期；D为伪卫星之间的布设间隔；
S4-2、根据公式
得到车辆在以模拟速度V下行驶ΔT时间后的位置坐标
S4-3、根据步骤S3-1至S3-3获取位置坐标处的时间延迟
S4-4、根据公式
得到车辆运动时，接收卫星信号的多普勒频率doppler；其中fT代表卫星信号的载波频率；
S4-5、将步骤S4-4中得到的多普勒频率doppler作为载波上增设的多普勒频率，并保持伪码和导航电文上的多普勒频率不变；
S4-6、将增设的多普勒频率和保持不变的伪码和导航电文上的多普勒频率通过频率合成技术合成新的卫星信号；
S4-7、每隔ΔT重复步骤S4-1至S4-6，更新合成的卫星信号。
3.根据权利要求2所述的基于伪卫星的隧道内定位方法，其特征在于：所述步骤S6的具体方法包括以下步骤：
S6-1、根据车辆定位结果得到车辆所在定位小区，进而得到与该定位结果相匹配的预设定位坐标；
S6-2、根据卫星信号中载波的多普勒数据解析车辆的模拟速度V，并根据公式
预测车辆的位置矢量其中X-表示车辆上一个时刻的位置矢量，X-的初始位置为进入隧道时的位置；
S6-3、根据公式
得到最终的定位结果X；其中X0为卫星信号中的定位结果，即车辆所在定位小区的预设定位坐标；为增益因子，且
S6-4、根据最终定位结果X与车辆进行数据交互的伪卫星切换至下一个定位小区内的伪卫星，实现车辆在隧道内的不间断定位。
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