CN111538038A - 一种gps卫星信号室内覆盖系统的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法，将室外采集到的GPS信号引入到室内，实现室内接收机的定位。室外接收到卫星信号后进行下变频变成中频信号，然后经过载波环剥离载波，码环剥离伪码并得到卫星编号，最后得到导航电文。将不同卫星信号添加不同的时延，然后经过调制将信号发射出去。发射出去的信号就能够使接收机定位在所设定的位置上。在同一个室内，放置多个发射源，就是使接收机定位结果更准确。
Description
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，具体一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法。
背景技术
目前的室内定位技术主要有：伪卫星技术、蓝牙技术、超宽带技术等。室内伪卫星技术能够实现定位，但需要对接收端的硬件进行改造并建立基站，且需要多颗伪卫星组合，伪卫星在室内如何组合也是一个比较大的问题，因此成本比较高，且需修改设备终端，难以实用。
蓝牙技术：该技术首先需要在区域内铺设一些蓝牙信标，信标向周围发射信号和数据码，设备进入区域后，设备根据接收到的不同信标下的信号强度，通过定位算法计算出当前位置。这种技术的功耗低、协议简单、使用方便，但稳定性差易受干扰，且难以实现室内外的无缝切换。
超宽带技术：是一种新型的无线通信技术。超宽带室内定位技术通过布置基站在室内，定位目标携带标签，标签发射超窄脉冲，基站精确测量信号到达的时间并传给服务器，服务器解算基站到标签的距离，通过定位算法完成室内定位需求。具有抗干扰性能好、传输速率高、定位精度高等特点。但超宽带室内定位技术占用带宽很高，可能干扰其它无线通信方式，脉冲持续期短，峰值大可能干扰其它系统，且设备成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于目前的室内定位技术往往需要修改设备终端且难以实现室内外的无缝切换。由于室外常常使用GPS信号定位，而室内难以接收到GPS卫星信号，如果采用其他的室内定位技术难以实现室内外的无缝切换，甚至需要修改设备终端，难以实现。针对这样的问题，提出了将GPS卫星信号从室外引入到室内的实现方案。通过一个接收机在室外接收GPS卫星信号，然后将解调处理得到的卫星的编号、C/A码相位、多普勒频移、卫星位置和导航电文等信息传输给发射机，发射机利用这些信息并修改伪距，使发射的信号能使室内接收机定位在设定的位置，在室内四个角落分别放置四个这样的发射机，就能实现室内定位了，设备简单，成本低。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法。具体步骤如下：
步骤一：利用中频采样器采集接收天线接受到的室外原始信号，下变频为数字中频信号。
步骤二：将步骤一的信号解扩解调出来，得到室外卫星的编号、C/A码相位、多普勒频移、卫星位置和导航电文。
步骤三：将所设定角落位置与实际位置的距离差转换成为C/A码相位
其中距离差为l，fc表示C/A码的码速率；c为真空中的光速。
步骤四：计算发射信号的C/A码相位
CP′＝CP-ΔCP
CP为解调出来的相位，CP′为所需发射信号的C/A码相位
步骤五：依据所得到的C/A码相位对相对应的导航电文进行重扩，并添加相应的多普勒频移就能得到各个卫星的基带信号。具体生成公式如下：
si(t)为单个卫星的基带信号，Ai为信号幅度，Ci(CP′)为相应修改伪距后的C/A码相位，D(t)为相应的数据码，ωi为相应的多普勒频移值。
步骤六：将步骤五中各个卫星的基带信号相加就能得到总的基带信号。
步骤七：将步骤六得到的基带信号上变频就能得到所需的信号。
步骤八：在室内四个角落放置能产生步骤七产生的信号的发射机，就能实现室内定位了。
进一步对步骤八产生信号使室内各点的定位结果的误差分析，能够验证该方案的可行性。
本发明提出了一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法。将信号直接引入室内，不需修改设备终端，且室内外定位系统一致，能实现室内外的无缝切换。所述方法实现的结构简单，实现成本低。
附图说明
图1是本发明模型示意图
图2是接收机与发射机的连接示意图
图3是基带信号生成过程图
图4是信号发射示意图
图5是原始信号定位结果图
图6是设定信号定位结果图
图7是室内平面示意图
图8是误差曲线图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法进行具体的说明：
本发明设想将GPS信号引入到室内让接收机在室内能够实现定位。由于目前手机等拥有GPS接收机模块的设备，能够从网上获取GPS卫星导航电文的信息，想要将GPS 信号引入室内实现定位，必须保证导航电文的一致性。故设想了模型如图1。
用一个接收机来接收室外的卫星信号，并将信号解调出来，获取GPS信号的导航电文、多普勒频移、C/A码相位和卫星的位置等信息。这样就能够实时的获取导航电文的数据了。接收机通过千兆以太网口将数据实时传输给发射机。接收机与发射机连接如图2。
发射机利用接收机传来的信息并对不同卫星信号的伪码添加不同的时延，重新对导航电文进行扩频，并添加相应的不同多普勒频移，生成单颗卫星的基带信号，然后将多颗卫星信号的基带信号相加，最后上变频将信号发射出去。由于每颗信号添加的时延不同，故能使接收机定位在设定位置。
可以在室内四个角落分别放置四个这样的发射机，四个发射机发射的信号分别是能使接收机定位在这四点的信号。这样室内各点会接收到四个发射机发出的信号，由于各点距离发射机远近不同，接收到的信号强度不同，靠近哪个点，则接收到的那个点发射的信号强度强，远离哪个点，则接收到的那个点发射的信号强度弱，这样由于各个信号强度不同，起到的作用也不相同，因此在在室内也能得到一个较好的定位结果。
室内定位系统的设计过程分为四个步骤。首先利用室外接收机采集真实的卫星信号，并解调出来获取相应的卫星编号、导航电文、C/A码相位、多普勒频移信息，并发送给发射机。其次生成单颗卫星的基带信号，根据接收机传输的信息，并添加不同的时延，生成单颗卫星的基带信号。然后根据单颗卫星信号的生成方式生成多颗卫星信号，并将多颗卫星信号合成一路基带信号，并调制到射频端发射出去。最后可以在室内每个角落布置一个能使接收机定位在这个角落的发射机。
这样就完成室内定位系统的设计了。具体步骤如下：
1)真实信号采集，利用中频采样器连接接收天线，采集室外真实卫星信号，将采集的信号经过模数转换、下变频转换成为数字中频信号。并通过接收机的载波环和码环，得到卫星编号、导航电文、C/A码相位、多普勒频移信息，并传输给发射机。
2)单颗卫星信号的生成，采集到的信号经过解调后，可以得到不同卫星的导航电文、 C/A码相位、多普勒频移信息，根据这些信息并添加相应的时延，就能生成单颗卫星信号。
3)多颗卫星信号的生成，可见附图3。生成单颗卫星的基带信号后，可以根据相同的方式生成其他卫星的基带信号，将这些基带信号直接相加就能得到所需总基带信号。
4)信号的发射与布置，在室内每个角落生成对应的基带信号，然后经过数模转换，上变频就能将信号发射出去了。在室内房间四个角落布置上这样的发射机，就能实现室内定位了。
下面结合图2具体说明室外接收机与室内发射机的连接关系
接收机通过室外天线接收卫星信号，接收机通过载波环对信号剥离载波，通过码环对信号剥离伪码，能够获取卫星的编号，对应的导航电文C/A码相位和多普勒频移信息。然后通过以太网线将这些信息传输给发射机。
下面结合图3具体说明单颗卫星基带信号生成过程：
当接收机解调出来信号，会得到卫星编号、导航电文、C/A码相位、多普勒频移信息。多普勒频移会导致码相漂移的产生，码速率会变化。在生成信号时采用定速率的方式产生 C/A码，每次产生一毫秒的数据，因此需要接收机将每毫秒解调出来的这些信息传输给发射机，依次下去就能一直生成信号。图3给出了每毫秒总基带信号的生成过程。
发射机收到接收机传输的信息后，首先利用卫星编号生成对应的C/A码，C/A码对相应的数据码进行扩频。根据接收到的C/A码相位，和需要时延的相位，得到生成信号所需的相位。添加的C/A码相位ΔCP计算公式如下：
其中接收机天线与设定位置的距离差为l，fc表示C/A码的码速率；c为真空中的光速。实际发射信号C/A码相位CP′如下：
CP′＝CP-ΔCP
CP为解调出来的相位，CP′为所需发射信号的C/A码相位。
因此单颗卫星信号生成公式如下：
si(t)为生成的基带信号，Ai为信号幅度，Ci(CP′)为相应修改伪距后的C/A码相位，D(t) 为相应的数据码，ωi为相应的多普勒频移值。
多颗卫星基带信号生成公式如下：
si(t)为单颗卫星的基带信号，N表示接收机输出过来的卫星数，s(t)为总的基带信号。下面结合图4具体说明信号发射过程。
通过图3可以获得卫星总的基带信号，基带信号经过数模转换将数字信号转换成为模拟信号，然后信号经过上变频到GPS的L1频段，上变频的信号通过发射天线向室内辐射，室内接收机就能定位在指定位置了。
本发明的仿真验证如下：
通过采集室外真实的GPS卫星信号，经过下变频成为中频信号，然后送入到软件接收机，最终输出的定位结果是39秒数据的平均位置。最后定位在 (108°58′36.7207″E，34°15′7.6674″N)，如图5所示。依据接收机解出来的卫星编号，导航电文，C/A码相位，多普勒频移信息，利用信号生成原理，重新生成信号，设定定位在 (108°58′37.2207″E，34°15′8.1674″N)，实际信号定位结果为 (108°58′37.2216″E，34°15′8.1696″N)，误差大约为几厘米左右。满足需要。
最后验证系统的定位误差。
考虑室内的平面图如图7。其中A,B,C,D为室内的四个角落，且四个角落的经纬度为:(108°58′36.7207″E，34°15′7.6674″N)，(108°58′36.721″E，34°15′8.1683″N)， (108°58′37.2216″E，34°15′8.1696″N)，(108°58′37.2216″E，34°15′8.1696″N)。考虑室内各点到四个角落距离的差异，信号的衰减不一样，对信号进行相应强度的加权相加。并且考虑发射机与接收机有1米的高度差，取AC连线上的点进行误差分析，经纬度每增加0.05 秒取一个点，总共11个点。其中A对应第一点，C对应第11点，在误差分析时，并不考虑高度上的误差。最后的误差结果如图8。
发现最大误差不超过2米，为米级误差，基本满足需求。由误差曲线可以发现，中心位置的误差较小，角落误差也有所减少。
图1系统主要包括四部分，分别是接收天线、接收机、发射机、发射天线。
图2主要介绍接收机向发射机传递的信息内容，以及两者通过以太网线传输。
图3用接收机传递的信息，单颗卫星信号的生成过程以及合成多颗卫星的基带信号。
图4基带信号通过数模转换，上变频到射频，通过发射天线发射信号的流程。
图5真实采集的室外信号下变频后，经过模数转换后，通过软件接收机得到的定位结果。
图6利用采集信号得到的数据信息，对不同卫星信号添加不同时延，生成信号的定位结果。
图7仿真中设想的室内平面结构，以及仿真中取点位置的示意。
图8利用图7设想的室内平面结构，设想实际情况，定位结果与理论结果的误差曲线。
Claims (2)
1.一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法，其特征在于：具体步骤如下
步骤一：利用中频采样器采集接收天线接受到的室外原始信号，下变频为数字中频信号；
步骤二：将步骤一的信号解扩解调出来，得到室外卫星的编号、C/A码相位、多普勒频移、卫星位置和导航电文；
步骤三：将所设定位置与实际位置的距离差转换成为C/A码相位
其中距离差为l，fc表示C/A码的码速率；c为真空中的光速；
步骤四：计算发射信号的C/A码相位
CP′＝CP-ΔCP
CP为解调出来的相位，CP′为所需发射信号的C/A码相位
步骤五：依据所得到的C/A码相位对相对应的导航电文进行重扩，并添加相应的多普勒频移就能得到各个卫星的基带信号；
步骤六：将各个卫星的基带信号相加就能得到总的基带信号；
步骤七：将步骤六得到的基带信号上变频就能得到所需的信号；
步骤八：在室内四个角落放置能产生步骤七产生的信号的发射机。
2.根据权利要求1所述的一种GPS卫星信号室内覆盖系统的实现方法，其特征在于：对单个生成的混合信号最终的定位结果图，以及当存在多个发射源时的定位结果图，验证方案的可行性。
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