CN112904372B - 辅助卫星导航系统及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辅助卫星导航系统及其定位方法，所述辅助卫星导航系统包括基站(1)、微处理器(2)和用户终端(3)，所述基站(1)和所述用户终端(3)用于接收卫星(4)产生信号，所述基站(1)和所述用户终端(3)通过第一无线传输模式进行信息交互，所述基站(1)还用于通过第二无线传输模式将所述信号传输给所述微处理器(2)，所述微处理器(2)与所述用户终端(3)之间通过第三无线传输模式进行信息交互。本发明提供的辅助卫星导航系统及其定位方法，以使得卫星在无移动通信网络辅助下便能够达到更精确的定位精度的同时降低其功耗。

Description

辅助卫星导航系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种辅助卫星导航系统及其定位方法。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)泛指所有的卫星导航系统，重要性能指标为精度、速度和灵敏度。其能够利用一组卫星的星历、伪距、卫星发射时间等观测量和用户钟差，能在近地空间或地球表面的任何地点为用户终端提供全天候的时间、三维坐标和速度信息。我国着眼于经济社会发展和国家安全，自主研发和建设了属于我国的独立运行的全球卫星导航系统——卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS)。BDS是继美国的GPS、俄罗斯的Glonass后的第三个成熟的卫星导航系统。
单独基于卫星的导航定位精度一般只有2-3米。为了进一步提高定位精度，实时动态载波相位差分技术(Real-time kinematic，RTK)被引入GNSS中，形成GNSS-RTK技术。用户接收机将接收到的卫星信号和基准站信号进行实时联合结算得到坐标，其定位精度可达到厘米级，常见的GNSS-RTK技术有GPS-RTK、Glonass-RTK等。为了提高定位精度和速度、减小从启动定位设备到首次正常定位所需的时间(Time to First Fix，TTFF)，GNSS通常会结合一些其他辅助技术，这样构成的导航系统称为辅助卫星导航系统(Assisted-GNSS，A-GNSS)。A-GNSS可以利用移动网络从位置服务器上获得辅助信息，包括导航卫星的历书、星历、频率范围、标准时间和近似位置等，在根据辅助信息进行卫星信号跟踪，这样可以大大减小首次定位时间。虽然单独的GNSS定位免费，但是目前常见的GNSS-RTK和A-GNSS技术从基站或位置服务器上获取信息通常都需要网络支持，会产生额外的移动网络费用。
LoRa是由美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的远距离低功耗无线传输模式。LoRa主要在ISM频段运行，主要包括433、868、2400MHz等。与现有蜂窝网络相比，LoRa覆盖范围更大，灵敏度高，可以更方便地接入已有基础架构中，功耗低。LoRa广泛应用于物联网应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辅助卫星导航系统及其定位方法，以使得卫星在无移动通信网络辅助下便能够达到更精确的定位精度的同时降低其功耗。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种辅助卫星导航系统，所述辅助卫星导航系统包括基站、微处理器和用户终端，所述基站和所述用户终端用于接收卫星产生信号，所述基站和所述用户终端通过第一无线传输模式进行信息交互，所述基站还用于通过第二无线传输模式将所述信号传输给所述微处理器，所述微处理器与所述用户终端之间通过第三无线传输模式进行信息交互。
可选择地，所述微处理器包括基站信号接收器、数据处理模块和辅助信号服务器，所述基站信号接收器用于接收来自所述基站的基站信号并将所述基站信号传输给所述数据处理模块，所述数据处理模块对所述基站信号进行处理并将处理后的所述基站信号传输给所述辅助信号服务器。
可选择地，所述用户终端包括定位模块、应用程序模块和控制模块，所述控制模块用于控制所述定位模块和所述应用程序模块切换于工作状态和闲置状态，所述定位模块用于接收所述信号，以及同时与所述应用程序模块和所述基站产生信息交互，所述应用程序模块还用于与所述微处理器产生信息交互。
可选择地，所述第一无线传输模式和/或所述第二无线传输模式和/或所述第三无线传输模式为基于扩频技术的远距离低功耗无线传输模式。
可选择地，所述定位方法包括：
S1：启动所述用户终端，并在所述用户终端设定检测周期；
S2：在所述检测周期内判定是否需要导航定位，若是，进入步骤S3，否则，进入步骤S6；
S3：判断所述辅助卫星导航系统是否为冷启动，若是，进入步骤S4，否则，进入步骤S5；
S4：控制辅助卫星导航系统进入第一工作模式，并在精确定位精度达到预设阈值后进入第二工作模式，结束定位流程；
S5：控制所述辅助卫星导航系统直接进入第二工作模式，结束定位流程；
S6：控制所述辅助卫星导航系统关闭，结束定位流程。
可选择地，所述第一工作模式为A-BDS-RTK模式。
可选择地，初次启动所述用户终端时，所述第A-BDS-RTK包括：
S41：将当前时间信息通过所述第三无线传输模式输送至所述微处理器；
S42：通过所述微处理器对所述当前时间信息和当前对应的卫星信息进行处理，并对处理结果进行存储。
可选择地，非初次启动所述用户终端时，所述A-BDS-RTK包括：
S43：控制所述用户终端给所述微处理器发送信息请求信号；
S44：通过所述微处理器接收所述信息请求信号后给所述用户终端发送辅助信息；
S45：通过所述用户终端接收所述辅助信息并捕获区域卫星；
S46：根据所述区域卫星查找并精确定位所述当前对应的卫星。
可选择地，所述第二工作模式为BDS-RTK模式。
可选择地，所述BDS-RTK模式包括：
控制所述用户终端接收所述基站和所述卫星的信息。
本发明具有以下有益效果：
1、通过将第一无线传输模式、第二无线传输模式和第三无线传输模式同时采用基于扩频技术的远距离低功耗无线传输模式(即LoRa技术)的存在，能够减少整个系统的消耗成本；
2、在不需要导航时关断导航系统，能够功耗消耗，从而进一步节约成本；
3、采用微处理器辅助导航，能够提高定位精度和速度，减小从启动定位设备到首次正常定位所需的时间(Time to First Fix，TTFF)。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的辅助卫星导航系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的辅助卫星导航系统的信息交互示意图；
图3为本发明实施例所提供的辅助卫星导航系统的定位方法流程图；
图4为本发明实施例所提供的辅助卫星导航系统的定位方法中第一工作模式在初始启动时的流程图；
图5为本发明实施例所提供的辅助卫星导航系统的定位方法中第一工作模式在非初始启动时的流程图。
附图标记说明
1-基站；2-微处理器；3-用户终端；4-卫星。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，本发明所示用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明提供一种辅助卫星导航系统，所述辅助卫星导航系统包括基站1、微处理器2和用户终端3，所述基站1和所述用户终端3用于接收卫星4产生信号，所述基站1和所述用户终端3通过第一无线传输模式进行信息交互，所述基站1还用于通过第二无线传输模式将所述信号传输给所述微处理器2，所述微处理器2与所述用户终端3之间通过第三无线传输模式进行信息交互。
本发明具有以下有益效果：
1、通过将第一无线传输模式、第二无线传输模式和第三无线传输模式同时采用基于扩频技术的远距离低功耗无线传输模式(即LoRa技术)的存在，能够减少整个系统的消耗成本；
2、在不需要导航时关断导航系统，能够功耗消耗，从而进一步节约成本；
3、采用微处理器2辅助导航，能够提高定位精度和速度，减小从启动定位设备到首次正常定位所需的时间(Time to First Fix，TTFF)。
可选择地，所述第一无线传输模式和/或所述第二无线传输模式和/或所述第三无线传输模式为基于扩频技术的远距离低功耗无线传输模式(即LoRa，下同)。这里，本发明对于能够减少系统消耗成本的第一无线传输模式、第二无线传输模式和第三无线传输模式不做具体限定，本领域技术人员可结合本方案对第一无线传输模式、第二无线传输模式和第三无线传输模式进行设计，以能够在不使用移动无线网络的基础上减少系统消耗成本即可。
可选择地，所述微处理器2包括基站1信号接收器、数据处理模块和辅助信号服务器，所述基站1信号接收器用于接收来自所述基站1的基站信号并将所述信号传输给所述数据处理模块，所述数据处理模块对所述基站信号进行处理并将处理后的所述基站信号传输给所述辅助信号服务器。
可选择地，所述用户终端3包括定位模块、应用程序模块和控制模块，所述控制模块用于控制所述定位模块和所述应用程序模块切换于工作状态和闲置状态，所述定位模块用于接收所述信号，以及同时与所述应用程序模块和所述基站1产生信息交互，所述应用程序模块还用于与所述微处理器2产生信息交互。这里，定位模块为BDS定位模块。
基站1通过LoRa发送信息是周期性地不断发送。辅助卫星导航系统主要引入了微处理器2进行辅助导航定位。辅助卫星导航系统工作时各模块的信息交互如图2。基站1始终接收来自导航卫星4的信息，并将这些信息传送给微处理器2中的基站1信号接收器里，紧接着数据处理模块对这些信息进行处理，转换为应用程序模块可用的信息，这些信息和来自应用程序模块的时间信息一并存储在辅助信号服务器中。
因用户终端3的控制模块作用的不同，可分为三种工作模式，这里分别称作：BDS模式、BDS-RTK模式、A-BDS-RTK模式。
BDS模式：控制模块控制BDS定位模块直接接收来自导航卫星4的信息，而不接收应用程序模块传送的辅助信息和基站1的信息，完成独立导航。此时微处理器2和基站1不参与导航。
BDS-RTK模式：控制模块控制BDS定位模块接收来自导航卫星4和基站1的信息，而不接收应用程序模块传送的辅助信息，完成导航任务。此时微处理器2不参与导航。
A-BDS-RTK模式：为了减少功耗，控制模块在不需要导航系统时会关闭导航，并在需要导航时再次打开导航系统，这涉及到导航系统在短时间内可能会多次冷启动。这种情况下用户终端3和卫星4的位置信息、时间信息等发生的变动并不太大，为了提高导航精度和速度、减小TTFF，此时微处理器2加入导航。最初，在控制模块关闭用户终端3的导航系统功能前，应用程序模块将时间信息通过LoRa传送给微处理器2中的辅助信号服务器，辅助信号服务器再把这个时间信号和此时对应的卫星4信息(卫星4信号由基站1发送给微处理器2)作为统一的辅助信息，存储备用；当控制模块关闭用户终端3导航系统后再次进行导航系统的冷启动时，控制模块控制应用程序模块发送请求信号给辅助信号服务器，辅助信号服务器收到请求信号后发送辅助信息，然后应用程序模块接收辅助信息并传递给BDS定位模块。BDS模块根据辅助信息快速捕获到可见的卫星4信号，再进入精确的卫星4信号跟踪，达到快速精确定位的目的。
最后分析用户终端3的工作流程，为了保证导航定位精度，这里不考虑BDS模式。参考图3所示，为了保证低功耗，用户终端3的控制模块会在一个检测周期内对系统是否需要导航进行评估。若不需要导航，则应用程序模块将此时的时间信号发送给辅助信号服务器，微处理器2将辅助信息保存备用，控制模块关闭用户终端3处的导航系统。若需要导航，则判断是否为冷启动，如果是冷启动则控制模块打开用户终端3处的导航系统，导航系统冷启动并工作在A-BDS-RTK模式，直到用户终端3可精确跟踪卫星4信号，导航系统切换到BDS-RTK模式；如果不是冷启动，说明上个检测周期导航系统已经工作在BDS-RTK模式，则导航系统维持在BDS-RTK模式。等到下一个检测周期到来重复以上操作。
综上，本发明提出了一种基于RTK和LoRa技术的低功耗辅助卫星导航系统。为了避免使用移动网络，减少支出，引入LoRa技术进行信息交互。为了减少功耗，在不需要导航时关断导航系统。为了提高定位速度和精度、减小TTFF，采用微处理器2辅助导航定位。为了提高定位精度，引入RTK技术。
可选择地，参考图3所示，所述定位方法包括：
S1：启动所述用户终端3，并在所述用户终端3设定检测周期；
S2：在所述检测周期内判定是否需要导航定位，若是，进入步骤S3，否则，进入步骤S6。
这里，在检测周期内，对于是否需要进行导航可结合导航系统搭载不同产品而做出不同的设定，以搭载车辆为例，当车辆暂时停放一段时间，比如路边等人什么的，可能时间较长，当超过一段较长时间，即判断为无需进行导航，此刻导航关闭。当然，这里对于是否需要进行导航的判断依据并不局限于通过时间判断，也并不仅局限于只通过时间来判断，本领域技术人员可结合本方案及实际情况进行设定。
S3：判断所述辅助卫星导航系统是否为冷启动，若是，进入步骤S4，否则，进入步骤S5。
此外，这里需要说明的是，冷启动是指在一个陌生的环境下启动GPS直到GPS和周围卫星4联系并且计算出坐标的启动过程。以下几种情况开机均属冷启动：1、初次使用时；2、电池耗尽导致星历信息丢失时；3、关机状态下将接收机移动1000公里以上距离。也就是说冷启动是通过硬件方式的强制性启动，因为距离上次操作GPS已经把内部的定位信息清除掉，GPS接收机失去卫星4参数，或者已经存在的参数和实际接收到卫星4参数相差太多，导致导航仪无法工作，必须从新获得卫星4提供的坐标数据，所以说车辆从地库里启动导航百分百算冷启动，这也是从地库出来搜星时间长的原因。
当然，为了与导航再次打开后获取到的现在的时间信号等作对比，如果相差太大，就是冷启动，如果相差不大，就不是冷启动。可以帮助快速定位。
S4：控制辅助卫星导航系统进入第一工作模式，并在精确定位精度达到预设阈值后进入第二工作模式。
这里，可选择地，所述第一工作模式为A-BDS-RTK模式。
可选择地，参考图4所示，初次启动所述用户终端3时，所述第A-BDS-RTK包括：
S41：将当前时间信息通过所述第三无线传输模式输送至所述微处理器；
S42：通过所述微处理器对所述当前时间信息和当前对应的卫星4信息进行处理，并对处理结果进行存储。
可选择地，参考图5所示，非初次启动所述用户终端3时，所述A-BDS-RTK包括：
S43：控制所述用户终端3给所述微处理器2发送信息请求信号；
S44：通过所述微处理器2接收所述信息请求信号后给所述用户终端3发送辅助信息；
S45：通过所述用户终端3接收所述辅助信息并捕获区域卫星；
S46：根据所述区域卫星查找并精确定位所述当前对应的卫星4。
此外，通过预设定位阈值与实际定位值来判断定位情况，一般情况下，预设定位阈值与实际定位值之间的差值越小，定位精度越高，定位越精确。
S5：控制所述辅助卫星导航系统直接进入第二工作模式；
这里，可选择地，所述第二工作模式为BDS-RTK模式，所述BDS-RTK模式包括：
控制所述用户终端3接收所述基站1和所述卫星4的信息。
S6：控制所述辅助卫星导航系统关闭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种辅助卫星导航系统的定位方法，其特征在于，所述辅助卫星导航系统包括基站(1)、微处理器(2)和用户终端(3)，所述基站(1)和所述用户终端(3)用于接收卫星(4)产生信号，所述基站(1)和所述用户终端(3)通过第一无线传输模式进行信息交互，所述基站(1)还用于通过第二无线传输模式将所述信号传输给所述微处理器(2)，所述微处理器(2)与所述用户终端(3)之间通过第三无线传输模式进行信息交互；
所述定位方法包括：
S1：启动所述用户终端(3)，并在所述用户终端(3)设定检测周期；
S2：在所述检测周期内判定是否需要导航定位，若是，进入步骤S3，否则，进入步骤S6；
S3：判断所述辅助卫星导航系统是否为冷启动，若是，进入步骤S4，否则，进入步骤S5；
S4：控制辅助卫星导航系统进入第一工作模式，并在精确定位精度达到预设阈值后进入第二工作模式，结束定位流程；
S5：控制所述辅助卫星导航系统直接进入第二工作模式，结束定位流程；
S6：控制所述辅助卫星导航系统关闭，结束定位流程；
所述第一工作模式为A-BDS-RTK模式；
初次启动所述用户终端(3)时，所述A-BDS-RTK模式包括：
S41：将当前时间信息通过所述第三无线传输模式输送至所述微处理器(2)；
S42：通过所述微处理器(2)对所述当前时间信息和当前对应的卫星(4)的信息进行处理，并对处理结果进行存储；
非初次启动所述用户终端(3)时，所述A-BDS-RTK模式包括：
S43：控制所述用户终端(3)给所述微处理器(2)发送信息请求信号；
S44：通过所述微处理器(2)接收所述信息请求信号后给所述用户终端(3)发送辅助信息；
S45：通过所述用户终端(3)接收所述辅助信息并捕获区域卫星；
S46：根据所述区域卫星查找并精确定位当前对应的卫星(4)；
所述第二工作模式为BDS-RTK模式；
所述BDS-RTK模式包括：
控制所述用户终端(3)接收所述基站(1)和所述卫星(4)的信息。
2.根据权利要求1所述的辅助卫星导航系统的定位方法，其特征在于，所述微处理器(2)包括基站信号接收器、数据处理模块和辅助信号服务器，所述基站信号接收器用于接收来自所述基站(1)的基站信号并将所述基站信号传输给所述数据处理模块，所述数据处理模块对所述基站信号进行处理并将处理后的所述基站信号传输给所述辅助信号服务器。
3.根据权利要求1所述的辅助卫星导航系统的定位方法，其特征在于，所述用户终端(3)包括定位模块、应用程序模块和控制模块，所述控制模块用于控制所述定位模块和所述应用程序模块切换于工作状态和闲置状态，所述定位模块用于接收所述信号，以及同时与所述应用程序模块和所述基站(1)产生信息交互，所述应用程序模块还用于与所述微处理器(2)产生信息交互。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的辅助卫星导航系统的定位方法，其特征在于，所述第一无线传输模式和/或所述第二无线传输模式和/或所述第三无线传输模式为基于扩频技术的远距离低功耗无线传输模式。
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