CN113640835A - 室内虚拟卫星导航定位方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室内虚拟卫星定位方法、系统及装置，属于卫星导航领域。包括授时接收机，虚拟卫星模拟装置，漏缆，光纤和光电转换模块，导航接收机，其中授时接收机与虚拟卫星模拟装置连接，虚拟卫星模拟装置与漏缆、光电转换模块2N‑1连接，光电模块2N‑1与光纤连接，光纤与光电转换模块2N连接，光电转换模块2N与漏缆连接。本专利的有益效果是可以在不改动导航接收机硬件的条件下实现室内外无缝准确定位，在漏缆方向上定位精度优于1米，解决地铁、隧道、矿井、地下停车场等室内场合无法利用卫星导航接收机或者智能手机定位的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内虚拟卫星定位方法、系统及装置，属于卫星导航领域。
背景技术
目前在铁路和公路隧道、地铁、地下停车场、矿井等室内导航卫星信号不可见的场所，无法使用已有的卫星导航接收机或者智能手机进行定位，只能借助RFID、WIFI、UWB超宽带、伪卫星等技术进行定位，但是受制于室内复杂地形引起的多径效应和成本，上述室内定位技术都存在着不足，RFID、WIFI、UWB超宽带定位不能帮助导航接收机定位，需要另建一套定位系统，伪卫星需要密集布设多个，而且远近效应、多径效应的影响严重。国内已有多个专利利用伪卫星实现隧道内定位导航，CN201810729390.4 一种基于伪卫星的隧道内定位方法和CN201710617675.4 一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法都是用伪卫星与室外真实卫星信号时间同步和星历同步后，在隧道内仿真多个区域位置，在此区域内的定位位置就是仿真的位置。这种伪卫星定位方法的误差不小，受制于成本，伪卫星仿真的区域位置不可能很密集，所以定位误差几十米到上百米，对于定位导航精度要求高的场合就不适用了。
发明内容
本发明旨在提供一种利用泄漏电缆（简称为：漏缆）和位置修正算法进行室内虚拟卫星定位的方法、装置和系统，其技术方案如下：
室内虚拟卫星导航定位方法，包括如下步骤：
S1，授时接收机接收室外真实卫星信号，解算出UTC时间和真实星历信息后传输给虚拟卫星模拟装置；
S2，虚拟卫星模拟装置与真实卫星信号时间同步后，利用真实星历和当前漏缆任意点（记为粗略位置点）坐标仿真生成用于粗略位置定位的第一虚拟卫星信号和用于精细位置调整的第二虚拟卫星信号、第三虚拟卫星信号；
进一步地，第一虚拟卫星信号包括粗略位置点处当前仿真时刻所有可见卫星信号，第二虚拟卫星信号和第三虚拟卫星信号电文里面的健康控制字设为不健康，以保证第二和第三虚拟卫星不参与定位解算；
进一步地，第二虚拟卫星信号伪距和第三虚拟卫星伪距要比第一虚拟卫星信号伪距值小很多，使得导航接收机根据第二虚拟卫星伪距值就能判断出不是室外的真实卫星信号，然后开始实施位置修正算法。
进一步地，第三虚拟卫星从漏缆远端辐射，其传输距离比第二虚拟卫星从漏缆近端辐射远，第三虚拟卫星的伪距要修正因为远端和近端传输距离引起的额外时延差值，保证漏缆粗略位置点处的第三虚拟卫星伪距值和第二虚拟卫星伪距值相同；
S3，第一虚拟卫星信号和第二虚拟卫星合路后接到漏缆靠近虚拟卫星模拟装置的近端口进行辐射，第三虚拟卫星信号通过光纤和光电转换模块接到漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射；
S4， 用户经过漏缆下方时，导航接收机会接收到第一虚拟卫星信号进行定位解算，得到WGS84大地坐标系中的坐标；
进一步地，为进一步提高定位精度，在系统建设时提前准备好仿真的所有漏缆粗略位置点坐标，通过无线通信方式发送给智能手机，或者下载到导航终端中，解算的坐标与某个漏缆粗略位置点坐标差值小于误差阀值时，用此漏缆粗略位置点坐标作为区域中心坐标，记为（x0，y0，z0）。
进一步地，导航接收机会同时捕获跟踪第二和第三虚拟卫星信号，将第二虚拟卫星信号伪距观测值减去第三虚拟卫星信号伪距观测值，得到伪距差；
S5，在导航接收机端根据行进方向，伪距差和区域中心坐标进行位置修正，得到准确的位置坐标；
进一步地，位置修正算法为：
以漏缆粗略位置点为坐标原点建立东北天坐标系，假设行进方向与正北方向夹角为α，与水平面夹角为θ，则A点修正后的WGS84大地坐标系中的定位坐标为（x1，y1，z1）：
其中d为A点处导航接收机解算的第二虚拟卫星伪距观测值减去第三虚拟卫星伪距观测值。进一步地，用户行进方向可以通过导航接收机里面的电子罗盘得到，或者根据之前经过的两个以上的区域中心坐标连线矢量得到，或者根据第二虚拟卫星伪距观测值减去第三虚拟卫星伪距观测值的差值变化情况，结合漏缆铺设方向得到。。
室内虚拟卫星导航定位系统，包括授时接收机，虚拟卫星模拟装置，漏缆，光纤和光电转换模块，导航接收机，其中授时接收机与虚拟卫星模拟装置连接，虚拟卫星模拟装置与漏缆、光电转换模块2N-1连接，光电模块2N-1与光纤连接，光纤与光电转换模块2N连接，光电转换模块2与漏缆连接。授时接收机接收室外真实卫星信号，解算出UTC时间和星历信息后送给虚拟卫星模拟装置；虚拟卫星模拟装置与UTC时间同步后，根据真实星历和粗略位置点坐标仿真生成用于粗略位置定位的第一虚拟卫星信号和用于精细位置调整的第二虚拟卫星信号、第三虚拟卫星信号；光纤和光电转换模块向漏缆远端传输第三虚拟卫星信号；漏缆从近端向室内传输辐射第一虚拟卫星信号和第二虚拟卫星信号，从远端传输辐射第三虚拟卫星信号；导航接收机可以是导航终端，也可以是智能手机，在导航接收机上进行位置修正算法处理后，得到修正后的定位数据；
进一步地，虚拟卫星模拟装置由时间同步模块、数学仿真模块、第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道组成。时间同步模块与数学仿真模块、第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道分别连接；数学仿真模块和第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道分别连接；第一虚拟卫星生成通道和第二虚拟卫星生成通道连接。时间同步模块将本地时间与UTC时间同步，并提供同步时钟给数学仿真模块和第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道；数学仿真模块根据真实星历和UTC时间计算可见卫星的位置和速度，根据粗略位置点坐标和卫星位置速度计算仿真时刻所有可见卫星的快变参数（包括伪距、伪距变化率、载波相位、载波相位变化率），连同导航电文一起发送给第一虚拟卫星生成通道以生成第一虚拟卫星信号，数学仿真模块还仿真固定伪距的第二虚拟卫星信号快变参数和导航电文和第三虚拟卫星信号的快变参数和导航电文；第二虚拟卫星生成通道生成第二虚拟卫星信号，和第一虚拟卫星信号合路后输出；第三虚拟卫星通道生成第三虚拟卫星信号并单独输出。
本专利的有益效果是可以在不改动导航接收机硬件的条件下实现室内外无缝准确定位，在漏缆方向上定位精度优于1米，解决地铁、隧道、矿井、地下停车场等室内场合无法利用卫星导航接收机或者智能手机定位的难题。
附图说明
图1是室内虚拟卫星导航定位系统。
图2是室内定位坐标系及位置修正示意图。
图3是虚拟卫星模拟装置。
图4是矿井内虚拟卫星定位系统。
图5是地下停车场虚拟卫星导航定位区域划分。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，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。
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
室内虚拟卫星导航定位方法，包括如下步骤：
S1，授时接收机接收室外真实卫星信号，解算出UTC时间和真实星历信息后传输给虚拟卫星模拟装置；
S2，虚拟卫星模拟装置与真实卫星信号时间同步后，利用真实星历和当前漏缆任意点（记为粗略位置点，可以是漏缆长度上任意一点，为了施工计算方便，一般选取漏缆两个端点之一）坐标仿真生成用于粗略位置定位的第一虚拟卫星信号和用于精细位置调整的第二虚拟卫星信号、第三虚拟卫星信号；
进一步地，第一虚拟卫星信号包括漏缆粗略位置点处当前仿真时刻所有可见卫星信号，第二虚拟卫星信号和第三虚拟卫星信号的功率相同，卫星号不同，电文里面的健康控制字设为不健康，以保证第二和第三虚拟卫星不参与定位解算；
进一步地，第二虚拟卫星信号伪距和第三虚拟卫星伪距要比第一虚拟卫星信号伪距值小很多（可以理解，小很多是一个相对概念，通常可以认为是伪距差值小于或者等于设定差值阈值，且该设定差值阈值需要足够大，本领域技术人员可以结合技术需要，设定什么样的情况下认为是小很多，以及该设定差值阈值需要大到什么程度），使得导航接收机根据第二虚拟卫星伪距值就能判断出不是室外的真实卫星信号，然后开始实施位置修正算法。
进一步地，第三虚拟卫星从漏缆远端辐射，其传输距离比第二虚拟卫星从漏缆近端辐射远，第三虚拟卫星的伪距要修正因为远端和近端传输距离引起的额外时延差值，保证漏缆粗略位置点处的第三虚拟卫星伪距值和第二虚拟卫星伪距值相同；
S3，第一虚拟卫星信号和第二虚拟卫星合路后接到漏缆靠近虚拟卫星模拟装置的近端口进行辐射，第三虚拟卫星信号通过光纤和光电转换模块接到漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射；
S4，用户经过漏缆下方时，导航接收机会接收到第一虚拟卫星信号进行定位解算，得到WGS84大地坐标系中的坐标；
进一步地，为进一步提高定位精度，在系统建设时提前准备好仿真的所有漏缆粗略位置点坐标，通过无线通信方式发送给智能手机，或者下载到导航终端中，解算的坐标与某个漏缆粗略位置点坐标差值小于误差阀值（本领域技术人员可以结合导航接收机定位精度指标和技术需要，设定误差阈值的大小）时，用此漏缆粗略位置点坐标作为区域中心坐标，记为（x0，y0，z0）。
进一步地，导航接收机会同时捕获跟踪第二和第三虚拟卫星信号，将第二虚拟卫星信号伪距观测值减去第三虚拟卫星信号伪距观测值，得到伪距差；
S5，导航接收机根据行进方向，伪距差和区域中心坐标进行位置修正，得到准确的位置坐标；
进一步地，位置修正算法为：
以漏缆粗略位置点为坐标原点建立东北天坐标系，假设行进方向与正北方向夹角为α，与水平面夹角为θ，则A点修正后的WGS84大地坐标系中的定位坐标为（x1，y1，z1）：
其中d为A点处导航接收机解算的第二虚拟卫星伪距观测值减去第三虚拟卫星伪距观测值。
进一步地，用户行进方向可以通过导航接收机里面的电子罗盘得到，或者根据之前经过的两个以上的区域中心坐标连线矢量得到，或者根据第二虚拟卫星伪距观测值减去第三虚拟卫星伪距观测值的差值变化情况，结合漏缆铺设方向得到。
室内虚拟卫星导航定位系统，包括授时接收机，虚拟卫星模拟装置，漏缆，光纤和光电转换模块，导航接收机，其中授时接收机与虚拟卫星模拟装置连接，虚拟卫星模拟装置与漏缆、光电转换模块2N-1连接，光电转换模块2N-1与光纤连接，光纤与光电转换模块2N连接，光电转换模块2N与漏缆连接。授时接收机接收室外真实卫星信号，解算出UTC时间和星历信息后送给虚拟卫星模拟装置；虚拟卫星模拟装置与UTC时间同步后，根据真实星历和粗略位置点坐标仿真生成用于粗略位置定位的第一虚拟卫星信号和用于精细位置调整的第二虚拟卫星信号、第三虚拟卫星信号；光纤和光电转换模块向漏缆远端传输第三虚拟卫星信号；漏缆从近端向室内传输辐射第一虚拟卫星信号和第二虚拟卫星信号，从远端传输辐射第三虚拟卫星信号；导航接收机可以是导航终端，也可以是智能手机，在导航接收机上进行位置修正算法处理后，得到修正后的定位数据。
进一步地，虚拟卫星模拟装置由时间同步模块、数学仿真模块、第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道组成。时间同步模块与数学仿真模块、第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道分别连接；数学仿真模块和第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道分别连接；第一虚拟卫星生成通道和第二虚拟卫星生成通道连接。时间同步模块将本地时间与UTC时间同步，并提供同步时钟给数学仿真模块和第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道；数学仿真模块根据真实星历和UTC时间计算可见卫星的位置和速度，根据粗略位置点坐标和卫星位置速度计算仿真时刻所有可见卫星的快变参数（包括伪距、伪距变化率、载波相位、载波相位变化率），连同导航电文一起发送给第一虚拟卫星生成通道以生成第一虚拟卫星信号，数学仿真模块还仿真固定伪距的第二虚拟卫星信号快变参数和导航电文和第三虚拟卫星信号的快变参数和导航电文；第二虚拟卫星生成通道生成第二虚拟卫星信号，和第一虚拟卫星信号合路后输出；第三虚拟卫星通道生成第三虚拟卫星信号并单独输出。
本专利的有益效果是可以在不改动导航接收机硬件的条件下实现室内外无缝准确定位，在漏缆方向上定位精度达到亚米级，解决地铁、隧道、矿井、地下停车场等室内场合无法利用卫星导航接收机或者智能手机定位的难题。
下面以矿井内定位为例说明虚拟卫星导航定位系统的实施方式，如图4所示，将整个漏缆分成N个区域，N≥1，沿着矿井走向布设N根漏缆和N个虚拟卫星模拟装置，每根漏缆最长500米，授时接收机输出的UTC时间和星历信息通过光纤传输给N个虚拟卫星模拟装置，每一个虚拟卫星模拟装置仿真一个粗略位置点坐标和用于位置修正的两个虚拟卫星信号。人员手持智能手机在矿井内行走时，利用收到的漏缆辐射信号进行位置解算和修正，得到准确的定位坐标，当离开一根漏缆走到下一根漏缆时，智能手机收到的粗略位置点坐标和位置修正伪距差值也随之改变，位置修正后的定位数据也跟随人员移动，达到连续定位的效果。当人员走出矿井时，由于矿井内外时间和星历同步，智能手机会无缝切换到室外真实卫星信号定位。
图5是地下停车场的室内定位实施案例，将地下停车场分成纵向分布的N个区域，每个区域宽度从几米到十几米不等，在每个区域内布设虚拟卫星模拟装置、光纤和光电转换模块、漏缆，在靠近室外的地方布设授时接收机，授时接收机输出的UTC时间和星历信息传输给N个区域内的虚拟卫星模拟装置。导航终端或者智能手机可以利用漏缆辐射的虚拟卫星信号实现整个停车场内的位置定位，定位精度在漏缆方向上达到亚米级，方便用户快速寻车和快速找到停车空位。
Claims (10)
1.室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，授时接收机接收室外真实卫星信号，解算出UTC时间和真实星历信息后传输给虚拟卫星模拟装置；
S2，虚拟卫星模拟装置与真实卫星信号时间同步后，利用真实星历和当前漏缆任意点，设为粗略位置点，坐标仿真生成用于粗略位置定位的第一虚拟卫星信号和用于精细位置调整的第二虚拟卫星信号、第三虚拟卫星信号；
S3，第一虚拟卫星信号和第二虚拟卫星合路后接到漏缆靠近虚拟卫星模拟装置的近端口进行辐射，第三虚拟卫星信号通过光纤和光电转换模块接到漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射；
S4， 用户经过漏缆下方时，导航接收机会接收到第一虚拟卫星信号进行定位解算和处理，得到WGS84大地坐标系中的区域中心坐标；导航接收机同时捕获跟踪第二和第三虚拟卫星信号，将第二虚拟卫星信号伪距观测值减去第三虚拟卫星信号伪距观测值，得到伪距差；
S5，导航接收机根据行进方向，伪距差和区域中心坐标进行位置修正，得到准确的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，第一虚拟卫星信号包括漏缆粗略位置点处当前仿真时刻所有可见卫星信号，第二虚拟卫星信号和第三虚拟卫星信号电文里面的健康控制字设为不健康，以保证第二和第三虚拟卫星不参与定位解算。
3.根据权利要求1所述的室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，第二虚拟卫星信号伪距和第三虚拟卫星伪距要比第一虚拟卫星信号伪距值小很多，使得导航接收机根据第二虚拟卫星伪距值就能判断出不是室外的真实卫星信号，然后开始实施位置修正算法。
4.根据权利要求1所述的室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，第三虚拟卫星从漏缆远端辐射，其传输距离比第二虚拟卫星从漏缆近端辐射远，第三虚拟卫星的伪距要修正因为远端和近端传输距离引起的额外时延差值，保证漏缆粗略位置点处的第三虚拟卫星伪距值和第二虚拟卫星伪距值相同。
5.根据权利要求1所述的室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，导航接收机包括导航终端和智能手机，为进一步提高定位精度，在系统建设时提前准备好仿真所用的所有漏缆粗略位置点坐标，通过无线通信方式发送给智能手机，或者下载到导航终端中，解算的坐标与某个漏缆粗略位置点坐标差值小于误差阀值时，用此漏缆粗略位置坐标，设为x0，y0，z0，作为区域中心坐标。
6.根据权利要求1所述的室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，
以漏缆粗略位置点为坐标原点建立东北天坐标系，假设行进方向与正北方向夹角为α，与水平面夹角为θ，则A点修正后的WGS84大地坐标系中的定位坐标为x1，y1，z1：
其中d为A点处导航接收机解算的第二虚拟卫星伪距观测值减去第三虚拟卫星伪距观测值。
7.根据权利要求1所述的室内虚拟卫星定位方法，其特征在于，用户行进方向可以通过导航接收机里面的电子罗盘得到，或者根据之前经过的两个以上的区域中心坐标连线矢量得到，或者根据第二虚拟卫星伪距观测值减去第三虚拟卫星伪距观测值的差值变化情况，结合漏缆铺设方向得到。
8.室内虚拟卫星定位系统，其特征在于，所述系统包括：授时接收机，虚拟卫星模拟装置，漏缆，光纤和光电转换模块2N-1、光电转换模块2N以及导航接收机，N≥1；所述授时接收机与所述虚拟卫星模拟装置连接，所述虚拟卫星模拟装置与所述漏缆、所述光电转换模块2N-1连接，所述光电转换模块2N-1与所述光纤连接，所述光纤与所述光电转换模块2N连接，所述光电转换模块2N与所述漏缆连接；所述授时接收机接收室外真实卫星信号，解算出UTC时间和星历信息后送给虚拟卫星模拟装置；所述虚拟卫星模拟装置与真实卫星信号时间和星历同步后，仿真生成用于粗略位置定位的第一虚拟卫星信号和用于精细位置调整的第二虚拟卫星信号、第三虚拟卫星信号；所述光纤和所述光电转换模块2N-1、所述光电转换模块2N向远端传输第三虚拟卫星信号；所述漏缆从近端向远端辐射第一虚拟卫星信号和第二虚拟卫星信号，从远端向近端传输辐射第三虚拟卫星信号；所述导航接收机进行位置修正算法处理后，得到修正后的定位数据。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，包括下述各项中的至少一项： 第一项，所述漏缆包括一根，所述虚拟卫星模拟装置包括一个，虚拟卫星模拟装置与漏缆相连；
第二项，所述漏缆包括两根及以上，所述虚拟卫星模拟装置包括两个及以上，每个虚拟卫星模拟装置与每根漏缆分别相连。
10.室内虚拟卫星模拟装置，其特征在于，包括时间同步模块、数学仿真模块、第一虚拟卫星生成通道、第二虚拟卫星生成通道、第三虚拟卫星生成通道；所述时间同步模块与所述数学仿真模块、所述第一虚拟卫星生成通道、所述第二虚拟卫星生成通道、所述第三虚拟卫星生成通道分别连接；所述数学仿真模块和所述第一虚拟卫星生成通道、所述第二虚拟卫星生成通道、所述第三虚拟卫星生成通道分别连接；所述第一虚拟卫星生成通道和所述第二虚拟卫星生成通道连接；所述时间同步模块将本地时间与UTC时间同步，并提供同步时钟；所述数学仿真模块根据真实星历和UTC时间计算可见卫星的位置和速度，根据粗略位置坐标和卫星位置速度计算仿真时刻所有可见卫星的快变参数，连同导航电文一起发送给所述第一虚拟卫星生成通道以生成第一虚拟卫星信号，所述数学仿真模块还仿真固定伪距的第二虚拟卫星信号快变参数和导航电文和所述第三虚拟卫星信号的快变参数和导航电文；所述第二虚拟卫星生成通道生成第二虚拟卫星信号，和所述第一虚拟卫星信号合路后输出；所述第三虚拟卫星通道生成第三虚拟卫星信号并单独输出。
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