CN113820730B - 一种室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位系统，其包括北斗有源信标、北斗伪卫星、后台服务器以及北斗无源用户终端，北斗有源信标在北斗上行信道中发射测量信号，北斗伪卫星在北斗下行信道中发射测距信号，北斗伪卫星根据测量信号计算得到参数组，后台服务器根据该参数组来构建北斗伪卫星固定散射点模型；北斗无源用户终端根据测距信号、北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维位置解算出自身的三维位置。本发明通过北斗上行信道和北斗下行信道来实现对室内空间的信道的测量，从而有效提高室内定位精度。

Description

一种室内定位系统

技术领域

本发明涉及定位领域，特别是指一种室内定位系统。

背景技术

北斗卫星导航系统可以在室外空旷环境中提供精准的定位服务，然而室内是北斗信号的盲区，无法定位。近年来北斗伪卫星技术成为一种解决室内定位问题的热点方案，其基本原理为在室内布设播发北斗导航信号的伪卫星设备，从而实现北斗信号的室内覆盖。然而，与室外空旷环境相比，室内可布设的伪卫星数量有限，可见卫星数量远小于室外环境；室内空间中的多径效应明显，严重影响室内定位精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的室内定位系统。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种室内定位系统，其包括：

北斗有源信标，其数量至少为一个并布设在室内空间中；所述北斗有源信标在北斗上行信道中发射测量信号；

北斗伪卫星，其布设在室内空间中；北斗伪卫星在北斗下行信道中发射测距信号，北斗伪卫星还接收处理北斗上行信道中的测量信号以计算得到构建北斗伪卫星固定散射点模型所需的参数组，北斗伪卫星中存储有北斗伪卫星的三维坐标信息和各北斗有源信标的三维坐标信息；

后台服务器，其与北斗伪卫星通信连接；后台服务器用于获取北斗伪卫星计算得到的参数组并根据该参数组来构建北斗伪卫星固定散射点模型，后台服务器中存储有北斗伪卫星的三维坐标信息；

北斗无源用户终端，其与后台服务器通信连接；北斗无源用户终端接收北斗下行信道中的测距信号并获取后台服务器构建的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维坐标信息，北斗无源用户终端根据接收到的测距信号、获取的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维坐标信息解算出自身的三维位置。

所述北斗有源信标在北斗上行信道中发射的测量信号为S_UL(t)；

式(1)中，N定义为测量信号S_UL(t)的子载波数量，k为测量信号S_UL(t)的各子载波的编号，j为虚数；

所述北斗伪卫星在北斗下行信道中发射的测距信号为S_DL；

式(2)中，i表示北斗下行信道的不同频段的编号，j为虚数，P_i为第i频段的信号功率，D_i为第i频段的导航电文，C_i为第i频段的测距码，f_i为第i频段的中心频率，θ_i为第i频段的初始相位；

所述北斗伪卫星在北斗上行信道中接收到的测量信号为y(t)：

式(3)中，m表示不同的多路径信号的编号，α_m为第m路径信号的路径衰减，τ_m为第m路径信号的路径传播延迟，ω(t)为热噪声；

所述北斗伪卫星构建的参数组为{α_m，τ_m|0≤m≤G}；其中m＝0表示直达路径信号，G表示北斗伪卫星的最大时延感知范围；

当m为0时，τ₀＝||P_s0-P_A||/c； (4)

式(4)中，P_s0为北斗伪卫星的三维坐标，P_A为北斗有源信标的三维坐标，c为光速；

当m大于0时，

式(5)中，为S_UL(t-τ)的共轭，T_s为北斗伪卫星的多径分辨率；

所述后台服务器构建的北斗伪卫星固定散射点模型为{P_sm,ε_sm}；

式(7)中，m大于等于0，P_sm为第m散射点的三维坐标，ε_sm为第m散射点的反射系数，f_m(t-τ_m)为第m路径信号的中心频率；

所述北斗无源用户终端根据接收到的测距信号、获取的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维位置信息解算出自身的三维位置的方法为：

北斗无源用户终端从后台服务器获取北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)以及北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}，且北斗无源用户终端从北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}提取北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}的至少两个散射点的三维坐标P_sm；

北斗无源用户终端根据接收的测距信号获取北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m；

北斗无源用户终端根据北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)、提取的各散射点三维坐标P_sm、北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m，并基于三角形定位原理解算出自身的三维坐标。

所述北斗无源用户终端根据接收的测距信号获取北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m的方法为：

北斗无源用户终端接收由北斗伪卫星发射的各个测距信号，并通过测量各个测距信号的传播延迟再乘以光速以获得各个测距信号由伪卫星传播至用户终端的传播距离d_n(n＝0,1,2,3…)；

北斗无源用户终端根据关联矩阵Γ来从d_n中找到北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m；

其中关联矩阵Γ为北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m与北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)和各散射点的三维坐标P_sm的关联矩阵；该关联矩阵Γ的各元素取值为1或0，关联矩阵Γ的第X行第Y列的元素取值为1则表示第X个测距信号的传播路径经过第Y-1散射点，矩阵Γ的第X行第Y列的元素取值为0则表示第X个测距信号的传播路径没有经过第Y-1散射点，第零散射点即指北斗伪卫星；

所述关联矩阵Γ为：

式(8)中，D＝[d₀ d₁ d₂…dn]，H＝[h₀ h₁ h₂…hn]，h_n为第n+1个测距信号的传播方向矢量。

所述北斗上行信号的频段包括L频段，北斗下行信号的频段包括B1频段、B2频段和B3频段。

采用上述方案后，本发明能实现对北斗伪卫星固定散射点模型的构建，并根据北斗无源用户终端接收的测距信号、北斗伪卫星固定散射点模型、北斗伪卫星的三维坐标解算出北斗无源用户终端的三维坐标，其中北斗伪卫星固定散射点模型能反应室内的多径信号，而北斗伪卫星固定散射点模型被用于解算北斗无源用户终端的三维坐标，从而能有效降低室内多径效应对定位精度的影响，进而保证室内定位的精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1所示，本发明揭示了一种室内定位系统，其包括北斗有源信标1、北斗伪卫星2、后台服务器3和北斗无源用户终端4；其中北斗有源信标1的数量至少为一个并布设在室内空间中，北斗有源信标1在北斗上行信道中发射测量信号；北斗伪卫星2布设在室内空间中，北斗伪卫星2在北斗下行信道中发射测距信号，北斗伪卫星2还接收处理北斗上行信道中的测量信号以计算得到构建北斗伪卫星固定散射点模型所需的参数组，北斗伪卫星2中存储有北斗伪卫星2的三维坐标信息和各北斗有源信标1的三维坐标信息；后台服务器3与北斗伪卫星2通信连接，后台服务器3用于获取北斗伪卫星2计算得到的参数组并根据该参数组来构建北斗伪卫星固定散射点模型，后台服务器3中存储有北斗伪卫星2的三维坐标信息；北斗无源用户终端4与后台服务器3通信连接，北斗无源用户终端4接收北斗下行信道中的测距信号并获取后台服务器3构建的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星2的三维坐标信息，北斗无源用户终端4根据接收到的测距信号、获取的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星2的三维坐标信息解算出自身的三维位置。

在本发明中，所述北斗上行信号的频段包括L频段，L频段的频率为1618.34±8.16MHz，北斗下行信号的频段包括B1频段、B2频段和B3频段，B1频段的频率为1575.42±16.368MHz，B2频段的频率为1191.795±25.575MHz，B3频段的频率为1268.52±10.23MHz；后台服务器3构建的北斗伪卫星固定散射点模型可以反应室内空间的信道，从而实现对室内空间的信道的测量；北斗伪卫星2的三维坐标信息和各北斗有源信标1的三维坐标信息在各自安装时进行标定得到。

在本发明中，所述北斗有源信标1在北斗上行信道中发射的测量信号为S_UL(t)；

式(1)中，N定义为测量信号S_UL(t)的子载波数量，k为测量信号S_UL(t)的各子载波的编号，j为虚数。

在本发明中，所述北斗伪卫星2在北斗下行信道中发射的测距信号为S_DL；

式(2)中，i表示北斗下行信道的不同频段的编号，j为虚数，P_i为第i频段的信号功率，D_i为第i频段的导航电文，C_i为第i频段的测距码，f_i为第i频段的中心频率，θ_i为第i频段的初始相位。

在本发明中，所述北斗伪卫星2在北斗上行信道中接收到的测量信号为y(t)：

式(3)中，m表示不同的多路径信号的编号，α_m为第m路径信号的路径衰减，τ_m为第m路径信号的路径传播延迟，ω(t)为热噪声。

在本发明中，所述北斗伪卫星2构建的参数组为{α_m，τ_m|0≤m≤G}；其中m＝0表示直达路径信号，G表示北斗伪卫星的最大时延感知范围；{α_m，τ_m}的求解如下：

当m为0时，τ₀＝||P_s0-P_A||/c； (4)

式(4)中，P_s0为北斗伪卫星2的三维坐标，P_A为北斗有源信标1的三维坐标，c为光速；

当m大于0时，

式(5)中，为S_UL(t-τ)的共轭，T_s为北斗伪卫星的多径分辨率；

在本发明中，所述后台服务器3构建的北斗伪卫星固定散射点模型为{P_sm,ε_sm}；

式(7)中，m大于等于0，P_sm为第m散射点的三维坐标，ε_sm为第m散射点的反射系数，f_m(t-τ_m)为第m路径信号的中心频率。

在本发明中，所述北斗无源用户终端4自身的三维位置设定为P_u(x_u，y_u，z_u)。所述北斗无源用户终端4根据接收到的测距信号、获取的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星2的三维位置信息解算出自身的三维位置的方法为：

北斗无源用户终端4从后台服务器3获取北斗伪卫星2的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)以及北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}，且北斗无源用户终端4从北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}提取北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}的至少两个散射点的三维坐标P_sm；

北斗无源用户终端4根据接收的测距信号获取北斗伪卫星2到北斗无源用户终端4的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端4的距离d_m；

北斗无源用户终端4根据北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)、提取的各散射点三维坐标P_sm、北斗伪卫星3到北斗无源用户终端4的距离d₀以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端4的距离d_m，并基于三角形定位原理解算出自身的三维坐标。

例如，北斗无源用户终端4从北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}提取北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}的第一反射点三维坐标P_s1(x_s1，y_s1，z_s1)和第二反射点三维坐标P_s2(x_s2，y_s2，z_s2)，第一反射点到到北斗无源用户终端4的距离为d₁，第二反射点到到北斗无源用户终端4的距离为d₂；根据P_u(x_u，y_u，z_u)、P_s(x_s，y_s，z_s)、P_s1(x_s1，y_s1，z_s1)、P_s2(x_s2，y_s2，z_s2)、P_u(x_u，y_u，z_u)、d₀、d₁、d₂构建如下方程组：

将上述方程组中的第三个方程减去第二个方程，以及将上述方程组中的第二个方程减去第一个方程，从而得到如下矩阵：

AP_u(x_u，y_u，z_u)＝b；

其中，

根据AP_u(x_u，y_u，z_u)＝b，求解得到P_u(x_u，y_u，z_u)＝(A^TA)^-1A^Tb。

在本发明中，所述北斗无源用户终端4根据接收的测距信号获取北斗伪卫星2到北斗无源用户终端4的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端4的距离d_m的方法为：

北斗无源用户终端4接收由北斗伪卫星发射的各个测距信号，并通过测量各个测距信号的传播延迟再乘以光速以获得各个测距信号由伪卫星传播至用户终端的传播距离d_n(n＝0,1,2,3…)；

北斗无源用户终端4根据关联矩阵Γ来从d_n中找到北斗伪卫星2到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m；

其中关联矩阵Γ为北斗伪卫星到北斗无源用户终端4的距离d₀、以及各散射点各自到北斗无源用户终端4的距离d_m与北斗伪卫星2的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)和各散射点的三维坐标P_sm的关联矩阵；该关联矩阵Γ的各元素取值为1或0，关联矩阵Γ的第X行第Y列的元素取值为1则表示第X个测距信号的传播路径经过第Y-1散射点，矩阵Γ的第X行第Y列的元素取值为0则表示第X个测距信号的传播路径没有经过第Y-1散射点，第零散射点即指北斗伪卫星2；

所述关联矩阵Γ为：

式(8)中，D＝[d₀ d₁ d₂…dn]，H＝[h₀ h₁ h₂…hn]，h_n为第n+1个测距信号的传播方向矢量。

在本发明中，关联矩阵Γ的求解方式为：

将北斗无源用户终端4的距离测量方程P_u在线性化后可表示为：

D＝ΓHP_u； (9)

其中，

将式(9)定位后验残差Ω，得到

Ω＝D-ΓH(H^TH)^-1H^TΓ^TD； (11)

使后验残差Ω最小化，从而得到关联矩阵Γ。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1.一种室内定位系统，其特征在于：包括

北斗有源信标，其数量至少为一个并布设在室内空间中；所述北斗有源信标在北斗上行信道中发射测量信号；

北斗伪卫星，其布设在室内空间中；北斗伪卫星在北斗下行信道中发射测距信号，北斗伪卫星还接收处理北斗上行信道中的测量信号以计算得到构建北斗伪卫星固定散射点模型所需的参数组，北斗伪卫星中存储有北斗伪卫星的三维坐标信息和各北斗有源信标的三维坐标信息；

后台服务器，其与北斗伪卫星通信连接；后台服务器用于获取北斗伪卫星计算得到的参数组并根据该参数组来构建北斗伪卫星固定散射点模型，后台服务器中存储有北斗伪卫星的三维坐标信息；

北斗无源用户终端，其与后台服务器通信连接；北斗无源用户终端接收北斗下行信道中的测距信号并获取后台服务器构建的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维坐标信息，北斗无源用户终端根据接收到的测距信号、获取的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维坐标信息解算出自身的三维位置；

所述北斗有源信标在北斗上行信道中发射的测量信号为S_UL(t)；

式(1)中，N定义为测量信号S_UL(t)的子载波数量，k为测量信号S_UL(t)的各子载波的编号，j为虚数；

所述北斗伪卫星在北斗下行信道中发射的测距信号为S_DL；

式(2)中，i表示北斗下行信道的不同频段的编号，j为虚数，P_i为第i频段的信号功率，D_i为第i频段的导航电文，C_i为第i频段的测距码，f_i为第i频段的中心频率，θ_i为第i频段的初始相位；

所述北斗伪卫星在北斗上行信道中接收到的测量信号为y(t)：

式(3)中，m表示不同的多路径信号的编号，α_m为第m路径信号的路径衰减，为第m路径信号的路径传播延迟，ω(t)为热噪声；

所述北斗伪卫星构建的参数组为{α_m，|0≤m≤G}；其中m＝0表示直达路径信号，G表示北斗伪卫星的最大时延感知范围；

当m为0时，＝||P_s0-P_A||/c； (4)

式(4)中，P_s0为北斗伪卫星的三维坐标，P_A为北斗有源信标的三维坐标，c为光速；

当m大于0时，

式(5)中，/>为S_UL(t-/>)的共轭，T_s为北斗伪卫星的多径分辨率；

所述后台服务器构建的北斗伪卫星固定散射点模型为{P_sm,ε_sm}；

式(7)中，m大于等于0，P_sm为第m散射点的三维坐标，ε_sm为第m散射点的反射系数，f_m(t-τ_m)为第m路径信号的中心频率；

所述北斗无源用户终端根据接收到的测距信号、获取的北斗伪卫星固定散射点模型和北斗伪卫星的三维位置信息解算出自身的三维位置的方法为：

北斗无源用户终端从后台服务器获取北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)以及北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}，且北斗无源用户终端从北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}提取北斗伪卫星固定散射点模型{P_sm,ε_sm}的至少两个散射点的三维坐标Psm；

北斗无源用户终端根据接收的测距信号获取北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m；

北斗无源用户终端根据北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)、提取的各散射点三维坐标P_sm、北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m，并基于三角形定位原理解算出自身的三维坐标。

2.如权利要求1所述的一种室内定位系统，其特征在于：所述北斗无源用户终端根据接收的测距信号获取北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m的方法为：

北斗无源用户终端接收由北斗伪卫星发射的各个测距信号，并通过测量各个测距信号的传播延迟再乘以光速以获得各个测距信号由伪卫星传播至用户终端的传播距离d_n(n＝0,1,2,3…)；

北斗无源用户终端根据关联矩阵Γ来从d_n中找到北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及提取的各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m；

其中关联矩阵Γ为北斗伪卫星到北斗无源用户终端的距离d₀、以及各散射点各自到北斗无源用户终端的距离d_m与北斗伪卫星的三维坐标P_s0(x_s0，y_s0，z_s0)和各散射点的三维坐标P_sm的关联矩阵；该关联矩阵Γ的各元素取值为1或0，关联矩阵Γ的第X行第Y列的元素取值为1则表示第X个测距信号的传播路径经过第Y-1散射点，矩阵Γ的第X行第Y列的元素取值为0则表示第X个测距信号的传播路径没有经过第Y-1散射点，第零散射点即指北斗伪卫星；

所述关联矩阵Γ为：

式(8)中，D＝[d₀ d₁ d₂…dn]，H＝[h₀ h₁ h₂…hn]，h_n为第n+1个测距信号的传播方向矢量。

3.如权利要求1所述的一种室内定位系统，其特征在于：所述北斗上行信号的频段包括L频段，北斗下行信号的频段包括B1频段、B2频段和B3频段。