CN109490925A - 基于双频组合的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于双频组合的室内定位方法，主要步骤为发射基站生成多路双频导航信号，并使两路信号相对1pps的偏移量相同；然后计算各频点的实测距离值或组合相位实测距离差值；最后利用最小二乘定位算法进行定位；本发明通过利用双频信号的方式构建观测量，有效扩大室内定位的作用范围，并通过模拟验证可得由此得出的定位精度均能满足1米需求。

Description

基于双频组合的室内定位方法
技术领域
本发明适用范围很广，特别是针对当前的室内外无缝融合定位领域。
背景技术
全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)已广泛应用于人们的日常生活，在海陆空交通，时间同步网络，生命安全，位置服务等国民经济生活方面可谓无处不在，成为公认的现代社会基础设施之一。但是在隧道、城市峡谷、室内等区域，由于信号遮挡无法完成定位服务。当前的伪卫星室内定位系统由于种种缺陷，室内定位精度很难满足定位需求，本文在已有的室内多阵元伪卫星基础上提出基于双频组合的室内定位方法，保障室内定位精度可以达到1米。
发明内容
基于上述原因，本发明解决的技术问题是通过利用双频组合的定位方法有效的解决了室内伪卫星定位精度差难以使用的问题，同时由于与GNSS信号兼容，有效的实现了室内外无缝导航服务能力。
本发明采用的技术方案为：
基于双频组合的室内定位方法，包括以下步骤：
(1)发射基站在同一时钟源的控制下生成多路双频导航信号；
(2)发射基站将每一路双频导航信号分别通过开关滤波器，依次滤掉双频导航信号的其中1路，计算另一路信号与1pps的偏移量，根据偏移量调整零相位点与1PPS上升沿对齐，使两路信号相对1pps的偏移量相同；
(3)接收站接收多路双频导航信号，将每一路双频导航信号通过比较双频小数相位比例关系，计算出各频点信号的载波相位整周数，然后加上周内载波相位值得到各频点的实测距离值；或将每一路双频导航信号进行宽巷组合，得到发射基站每路双频导航信号的双频组合相位值，利用得到的发射基站各路双频导航信号的双频组合相位值进行单差，得到一组组合相位实测距离差值。
(4)根据多组实测距离值或组合相位实测距离差值，利用最小二乘定位算法进行定位；
完成基于双频组合的室内定位。
其中，步骤(3)中每一路双频导航信号通过比较双频小数相位比例关系，计算出各频点信号的载波相位整周数，然后加上周内载波相位值得到各频点的实测距离值，包括以下步骤：
(301)计算每一路双频导航信号的波长差DeltaL
其中，DeltaL为双频导航信号的波长差，λL1为双频导航信号中L1频点的波长，λB1为双频导航信号中B1频点的波长；
(302)计算双频实测相位差DeltaPh：
PhL1＝CarrL1-floor(CarrL1)
PhB1＝CarrB1-floor(CarrB1)
DeltaPh＝PhB1-PhL1
其中，CarrL1、CarrB1分别为双频导航信号中频点L1和频点B1的载波相位，floor(·)为向下取整函数，PhL1、PhB1分别为双频导航信号中频点L1和频点B1的周内载波相位，DeltaPh为双频实测相位差值；
(303)计算实测距离中载波相位整周数N
(304)计算频点L1和频点B1的实测距离值和
其中，接收站距离发射基站的距离满足下式：
其中，L为发射基站的发射阵元到最远覆盖范围边界点的距离，λL1为双频导航信号中频点L1的波长，λL2为双频导航信号中频点L2的波长，floor(·)为向下取整函数。
其中，步骤(3)中测算组合相位实测距离差的方式要求各路双频导航信号对应的发射天线阵元间距为组合波长的半波长。
其中，步骤(3)中将每一路双频导航信号进行宽巷组合，得到发射基站每路双频导航信号的双频组合相位值，利用得到的发射基站各路双频导航信号的双频组合相位值进行单差，得到一组组合相位实测距离差值具体计算方式为：
每路双频导航信号中L1、B1两个频点的双频组合相位值为：
其中，φL1，φB1分别为L1、B1两个频点的双频组合相位值，λL1、λB1分别为L1、B1两个频点的波长，IL1、IB1为L1、B1两个频点的电离层修正值、T为对流层修正值、g为发射钟差，NL1、NB1为L1、B1两个频点的整周模糊度，εφ,L1，εφ,B1为L1、B1两个频点的噪声误差，r为天线阵元到接收机的的实际距离；
将双频组合相位值做差得到组合相位实测距离差值φw：
φw＝φL1-φB1
即：
其中，步骤(4)利用组合相位实测距离差值进行定位过程如下：
令
将整周模糊度进行抵消，则组合相位实测距离差值
变为
则n路双频导航信号时，由上式可得定位方程如下
以第一路观测方程为基准，做差得
由于多路信号同源发射，则可得g21、g31···gn1为0，将上式转换成距离形式可得，
令
r21＝||r2-ru||-||r1-ru||
r31＝||r3-ru||-||r1-ru||
rn1＝||rn-ru||-||r1-ru||
其中rn为第n路发射天线位置，ru为接收机位置；
上式转换为距离形式可得
令
最小二乘展开，化简完最后可得：
其中x0,y0,z0为初始坐标值，x,y,z为实际结算出的坐标值。
本发明相比现有技术有如下优点：
(1)本发明方法可用性强，避免了周整模糊度的解算过程。
(2)本发明方法测距与定位原理简单，只需用最小二乘即可实现1米精度定位。
(3)本发明成本低，只需借助成熟的导航芯片与软核相结合便可实现。
(4)本发明军民市场均可使用,航空管理、道路交通、室内指引、快速增援、战略引导、防灾减灾等。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的解释说明。
本发明基于双频组合的室内定位方法，包括以下步骤：
(1)发射基站在同一时钟源的控制下生成多路双频导航信号；
(2)发射基站将每一路双频导航信号分别通过开关滤波器，依次滤掉双频导航信号的其中1路，计算另一路信号与1pps的偏移量，根据偏移量调整零相位点与1PPS上升沿对齐，使两路信号相对1pps的偏移量相同；
(3)接收站接收多路双频导航信号，将每一路双频导航信号通过比较双频小数相位比例关系，计算出各频点信号的载波相位整周数，然后加上周内载波相位值得到各频点的实测距离值；包括以下步骤：
(301)计算每一路双频导航信号的波长差DeltaL
其中，DeltaL为双频导航信号的波长差，λL1为双频导航信号中L1频点的波长，λB1为双频导航信号中B1频点的波长；
(302)计算双频实测相位差DeltaPh
PhL1＝CarrL1-floor(CarrL1)
PhB1＝CarrB1-floor(CarrB1)
DeltaPh＝PhB1-PhL1
其中，CarrL1、CarrB1分别为双频导航信号中频点L1和频点B1的载波相位，floor(·)为向下取整函数，PhL1、PhB1分别为双频导航信号中频点L1和频点B1的周内载波相位，DeltaPh为双频实测相位差值；
(303)计算实测距离中载波相位整周数N
(304)计算频点L1和频点B1的实测距离值和
或将每一路双频导航信号进行宽巷组合，得到发射基站每路双频导航信号的双频组合相位值，利用得到的发射基站各路双频导航信号的双频组合相位值进行单差，得到一组组合相位实测距离差值。具体计算方式为：
每路双频导航信号中L1、B1两个频点的双频组合相位值为
其中，φL1，φB1分别为L1、B1两个频点的双频组合相位值，λL1、λB1分别为L1、B1两个频点的波长，IL1、IB1为L1、B1两个频点的电离层修正值、T为对流层修正值、g为发射钟差，NL1、NB1为L1、B1两个频点的整周模糊度，εφ,L1，εφ,B1为L1、B1两个频点的噪声误差，r为天线阵元到接收机的的实际距离；
将双频组合相位值做差得到组合相位实测距离差值φw：
φw＝φL1-φB1
即：
(4)根据多组实测距离值或组合相位实测距离差值，利用最小二乘定位算法进行定位；利用组合相位实测距离差值进行定位过程如下：
令
将整周模糊度进行抵消，则组合相位实测距离差值
变为
则n路双频导航信号时，由上式可得定位方程如下
以第一路观测方程为基准，做差得
由于多路信号同源发射，则可得g21、g31···gn1为0，将上式转换成距离形式可得，
令
r21＝||r2-ru||-||r1-ru||
r31＝||r3-ru||-||r1-ru||
rn1＝||rn-ru||-||r1-ru||
其中rn为第n路发射天线位置，ru为接收机位置；
上式转换为距离形式可得
令
最小二乘展开，化简完最后可得：
其中x0,y0,z0为初始坐标值，x,y,z为实际结算出的坐标值。
完成基于双频组合的室内定位。
以上所述，仅为本发明的一具体实例，但本发明的保护范围并不仅限于此，在本发明揭露的技术范围内，可理解想到的变换，都应涵盖在本发明的包含范围内。

Claims (6)

1.基于双频组合的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)发射基站在同一时钟源的控制下生成多路双频导航信号；
(2)发射基站将每一路双频导航信号分别通过开关滤波器，依次滤掉双频导航信号的其中1路，计算另一路信号与1pps的偏移量，根据偏移量调整零相位点与1PPS上升沿对齐，使两路信号相对1pps的偏移量相同；
(3)接收站接收多路双频导航信号，将每一路双频导航信号通过比较双频小数相位比例关系，计算出各频点信号的载波相位整周数，然后加上周内载波相位值得到各频点的实测距离值；或将每一路双频导航信号进行宽巷组合，得到发射基站每路双频导航信号的双频组合相位值，利用得到的发射基站各路双频导航信号的双频组合相位值进行单差，得到一组组合相位实测距离差值；
(4)根据多组实测距离值或组合相位实测距离差值，利用最小二乘定位算法进行定位；
完成基于双频组合的室内定位。
2.根据权利要求1所述的基于双频组合的室内定位方法，其特征在于：步骤(3)中每一路双频导航信号通过比较双频小数相位比例关系，计算出各频点信号的载波相位整周数，然后加上周内载波相位值得到各频点的实测距离值，包括以下步骤：
(301)计算每一路双频导航信号的波长差DeltaL
其中，DeltaL为双频导航信号的波长差，λL1为双频导航信号中L1频点的波长，λB1为双频导航信号中B1频点的波长；
(302)计算双频实测相位差DeltaPh
PhL1＝CarrL1-floor(CarrL1)
PhB1＝CarrB1-floor(CarrB1)
DeltaPh＝PhB1-PhL1
其中，CarrL1、CarrB1分别为双频导航信号中频点L1和频点B1的载波相位，floor(·)为向下取整函数，PhL1、PhB1分别为双频导航信号中频点L1和频点B1的周内载波相位，DeltaPh为双频实测相位差值；
(303)计算实测距离中载波相位整周数N
(304)计算频点L1和频点B1的实测距离值和
3.根据权利要求1中所述的基于双频组合的室内定位方法，其特征在于：接收站距离发射基站的距离满足下式：
其中，L为发射基站的发射阵元到最远覆盖范围边界点的距离，λL1为双频导航信号中频点L1的波长，λL2为双频导航信号中频点L2的波长，floor(·)为向下取整函数。
4.根据权利要求1所述的基于双频组合的室内定位方法，其特征在于：步骤(3)中测算组合相位实测距离差的方式要求各路双频导航信号对应的发射天线阵元间距为组合波长的半波长。
5.根据权利要求1所述的基于双频组合的室内定位方法，其特征在于：步骤(3)中将每一路双频导航信号进行宽巷组合，得到发射基站每路双频导航信号的双频组合相位值，利用得到的发射基站各路双频导航信号的双频组合相位值进行单差，得到一组组合相位实测距离差值具体计算方式为：
每路双频导航信号中L1、B1两个频点的双频组合相位值为：
其中，φL1，φB1分别为L1、B1两个频点的双频组合相位值，λL1、λB1分别为L1、B1两个频点的波长，IL1、IB1为L1、B1两个频点的电离层修正值、T为对流层修正值、g为发射钟差，NL1、NB1为L1、B1两个频点的整周模糊度，εφ,L1，εφ,B1为L1、B1两个频点的噪声误差，r为天线阵元到接收机的的实际距离；
将双频组合相位值做差得到组合相位实测距离差值φw：
φw＝φL1-φB1
即：
6.根据权利要求5所述的基于双频组合的室内定位方法，其特征在于：步骤(4)利用组合相位实测距离差值进行定位过程如下：
令
将整周模糊度进行抵消，则组合相位实测距离差值
变为
则n路双频导航信号时，由上式可得定位方程如下：
以第一路观测方程为基准，做差得：
由于多路信号同源发射，则可得g21、g31···gn1为0，将上式转换成距离形式可得：
令
r21＝||r2-ru||-||r1-ru||
r31＝||r3-ru||-||r1-ru||
rn1＝||rn-ru||-||r1-ru||
其中rn为第n路发射天线位置，ru为接收机位置；
上式转换为距离形式可得：
令
最小二乘展开，化简完最后可得：
其中x0,y0,z0为初始坐标值，x,y,z为实际结算出的坐标值。
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