CN116208914A - 一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内导航领域，提出一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法。当前接收终端工作模式为先捕获跟踪北斗微基站信号，待跟踪稳定后才会输出测距信息。但是由于室内空间的复杂多样性，接收终端受信号远近效应和多径的影响，接收机输出的原始观测数据一般叠加了严重的环境噪声误差，导致接收机在狭长空间下很难按照常规导航算法给出单点定位结果，更难以实现整周模糊度的固定，导致接收机在该环境下很难实现定位。本发明只需保证粗略的GNSS授时或网络授时即可。在此基础上通过充分挖掘北斗微基站多普勒特征参量即可实现狭长空间下的绝对与相对融合的连续定位，有效实现了精准校准点位置的获取，改善了终端的定位连续性和定位精度。

Description

一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法

技术领域

本发明涉及室内导航领域，主要是针对室内、地下狭长空间的北斗微基站定位问题。

背景技术

近年来，随着北斗卫星导航技术的发展，针对公路隧道、铁路隧道、地下管廊、地铁交通等遮蔽区域下的车辆定位需求日渐强烈。目前，基于GNSS导航信号的狭长空间定位研究相对较少。蒋韵、张文宇等结合高速隧道的列车定位需求，提出一种光纤连接的隧道内的北斗信号再生延伸系统，并在隧道内验证了列车上下行速度时的定位授时需求，但其并未给出具体的量化性能指标。南航大学的宋茂忠团队提出一种利用模拟源伪卫星的隧道环境中继定位方法，通过建立信号传播模型，在隧道两端模拟位于隧道延长方向的低仰角卫星的导航信号，发出后在隧道内接收解算，实现定位。同时，使用信号延时控制方法对伪距误差进行预补偿。该系统仅需在隧道安装漏缆或者天线，发射导航信号即可实现直线隧道内的实时一维定位，并且适用于现有的普通GPS接收设备。通过实验室走廊环境模拟精度可以达到厘米级。但该方法并没有结合隧道的实际环境，试验过程中缺少了测距信息的误差修正和车辆的运动状态等因素的影响。张勇虎提出一种隧道内外导航信号连续定位系统和方法。该系统主要包括雷达测速测距仪、授时接收机、交替连接的卫星导航信号模拟器和漏缆以及综合控制分系统。王铉熹等人发明了一种基于伪卫星的隧道内定位的方法。该方法调整了伪卫星中载波上的多普勒频率，使得位置指纹的变化能够迅速和准确，形成了隧道内的指纹，提供了一种用于隧道内定位的方案。但对于隧道这种窄长的室内环境，伪卫星天线布局受到限制，指纹构建成本高且匹配精度易受环境影响。从上述的研究现状来看，尽管狭长空间的物理特征相对简单，但是由于空间的约束，伪卫星如何在此空间下提供连续的位置服务，目前尚未能给出一种稳定的狭长空间定位方案。本文主要从如何实现北斗伪卫星的狭长空间定位开展研究，提出一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法。

发明内容

针对当前问题，本发明提出一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法。该方式简单高效，不仅规避了目前北斗微基站在狭长空间面临的难题，而且不需要建立严格的同步网络，在此基础上给出了连续的定位结果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，其特征在于，具体包括以下过程：

第一步：狭长空间环境下依次部署多阵元信标式北斗微基站，每台北斗微基站在各自的授时接收机下实现自身与GNSS系统的时间同步后，向覆盖空间播发北斗微基站信号；

第二步：用户接收机实时获取北斗微基站的多普勒值，当运动速度的垂直方向多普勒值为0，多普勒一阶量表现出极值特性时，根据位置点与多普勒一阶量间的对应关系，在用户接收机运动至北斗微基站天线正下方时获取用户接收机的位置；

第三步：将当前位置点作为初始点，根据位置与速度的相对关系实时获取用户接收机的动态位置。

进一步的，第二步中位置点与多普勒一阶量间的对应关系式为：

式中，v为运动速度，x为阵间径向方向的位置坐标，h为点阵天线架设高度，λ为信号的波长，f_d′为多普勒一阶量。

进一步的，第二步中，实时判断当前时刻多普勒值，如果当前值大于上一时刻值，则对极值进行更新为当前值，如果当前值小于上一时刻值，则上一时刻值为极值；由此得到用户接收机运动至北斗微基站天线正下方的时刻。

进一步的，第二步中，获取当前位置由钟漂产生的实际多普勒值为：

DOP＝[dp₁ dp₂...dp_n]

dp_i＝Δf_i+dop_i

其中，DOP为实时测得的n路北斗微基站信号的多普勒值，Δf_i为北斗微基站与用户接收机之间的钟差，dop_i为由速度产生的多普勒值，dp_i为实际多普勒值，i为第i个北斗微基站信号；

当用户接收机运动速度与天线垂直时，由速度产生的多普勒为0，可得此时的多普勒值与用户接收机静态时相同，为由钟漂产生的多普勒值，由此可得n路信号的钟漂多普勒值为：

式中，n为北斗微基站的个数。

进一步的，在用户接收机运动至北斗微基站天线正下方时获取用户接收机的位置，具体包括以下过程：

首先北斗微基站当前时刻位置矢量为：

式中，e为当前位置于各个发射天线间的单位矢量，[x y z]为用户接收机当前时刻位置坐标，[x_n y_n z_n]为北斗微基站第n路发射天线的位置坐标。

则当前时刻下的速度矢量关系为

V＝[v₁ v₂...v_n]

＝ve^T

v_n为相对于北斗微基站第n路发射天线位置方向上的速度，v_n＝[v_n,x v_n,y v_n,z]，v为用户接收机的速度；

速度与多普勒之间的关系为：

其中，λ为北斗微基站信号波长；

则利用上式即可得到当前时刻的速度与位置关系为：

由此可得多普勒与位置之前的关系为

由此得出当前时刻的用户接收机的位置。

本发明相比现有技术具有如下优势：

本发明方法充分利用北斗微基站多普勒值不存在模糊度、稳定性好的优势，通过提取单阵列式北斗微基站的多普勒绝对值和多普勒一阶变化特征量，精准的实现了狭长空间下接收机的位置获取问题。通过利用多普勒的运动特征与位置、速度之间的关系，实现了单参特征量下的北斗微基站狭长空间连续定位。

附图说明

图1为本发明北斗微基站狭长空间系统布设场景图。

图2为本发明北斗微基站特征参量与位置间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明。

一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，具体包括以下过程：

第一步：狭长空间环境下依次部署多阵元信标式北斗微基站，布设场景如图1所示，每台北斗微基站在各自的授时接收机下实现自身与GNSS系统的时间同步后，向覆盖空间播发北斗微基站信号；

第二步：用户接收机实时获取当前时刻的多普勒数据，根据图2关系图，实时判断当前时刻多普勒值和前后时刻多普勒差值，如果当前多普勒差值值大于上一时刻值，则对极值进行更新为当前值，如果当前值小于上一时刻值，则上一时刻值为极值。当多普勒差值表现出极值特性且多普勒值接近于0时，由此得到用户接收机运动至北斗微基站天线正下方的时刻。

通常情况下，由于北斗微基站和接收机的时频差异，我们获取的实际多普勒信息为

DOP＝[dp₁ dp₂...dp_n]

dp_i＝Δf_i+dop_i

其中，DOP为实时测得的n路北斗微基站信号的多普勒值，Δf_i为北斗微基站与用户接收机之间的钟差，dop_i为由速度产生的多普勒值，dp_i为实际多普勒值，i为第i个北斗微基站信号；

当接收机运动速度与天线垂直时，此时由速度产生的多普勒为0，可得此时的多普勒值与接收机静态时相同，为由钟漂产生的多普勒值，由此可得n路信号的钟漂多普勒值为

式中，n为北斗微基站的个数。

假定由以上过程获取的天线阵下的位置为s₀＝[x₀ y₀ z₀]，则由上述的过程可得，当前时刻速度与位置的关系为

V＝[v₁ v₂...v_n]

＝ve^T

式中，e为当前位置于各个发射天线间的单位矢量，[x y z]为用户接收机当前时刻位置坐标，[x_n y_n z_n]为北斗微基站第n路发射天线的位置坐标，v_n为相对于北斗微基站第n路发射天线位置方向上的速度，v_n＝[v_n,x v_n,y v_n,z]，v为用户接收机的速度；

速度与多普勒之间的关系为

其中，DOP＝[dop₁ dop₂...dop_n]为实时测得的n路北斗微基站信号的多普勒值，λ为北斗微基站信号波长；

由上式可得，如果此时的速度值已知，则利用上式即可得到当前时刻的位置值。

由此可得多普勒与位置之前的关系为

由此得出当前时刻的用户接收机位置。

第三步：将当前位置点作为初始点，根据位置与速度的相对关系实时获取用户接收机的动态位置。

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 (5)

1.一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，其特征在于，具体包括以下过程：

第一步：狭长空间环境下依次部署多阵元信标式北斗微基站，每台北斗微基站在各自的授时接收机下实现自身与GNSS系统的时间同步后，向覆盖空间播发北斗微基站信号；

第二步：用户接收机实时获取北斗微基站的多普勒值，当运动速度的垂直方向多普勒值为0，多普勒一阶量表现出极值特性时，根据位置点与多普勒一阶量间的对应关系，在用户接收机运动至北斗微基站天线正下方时获取用户接收机的位置；

第三步：将当前位置点作为初始点，根据位置与速度的相对关系实时获取用户接收机的动态位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，其特征在于，第二步中位置点与多普勒一阶量间的对应关系式为：

式中，v为运动速度，x为阵间径向方向的位置坐标，h为点阵天线架设高度，λ为信号的波长，f_d′为多普勒一阶量。

3.根据权利要求1所述的一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，其特征在于，第二步中，实时判断当前时刻多普勒值，如果当前值大于上一时刻值，则对极值进行更新为当前值，如果当前值小于上一时刻值，则上一时刻值为极值；由此得到用户接收机运动至北斗微基站天线正下方的时刻。

4.根据权利要求1所述的一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，其特征在于，第二步中，获取当前位置由钟漂产生的实际多普勒值为：

DOP＝[dp₁ dp₂...dp_n]

dp_i＝Δf_i+dop_i

其中，DOP为实时测得的n路北斗微基站信号的多普勒值，Δf_i为北斗微基站与用户接收机之间的钟差，dop_i为由速度产生的多普勒值，dp_i为实际多普勒值，i为第i个北斗微基站信号；

当用户接收机运动速度与天线垂直时，由速度产生的多普勒为0，可得此时的多普勒值与用户接收机静态时相同，为由钟漂产生的多普勒值，由此可得n路信号的钟漂多普勒值为：

式中，n为北斗微基站的个数。

5.根据权利要求4所述的一种基于异步网络的北斗微基站自闭环狭长空间定位方法，其特征在于，第二步中，在用户接收机运动至北斗微基站天线正下方时获取用户接收机的位置，具体包括以下过程：

首先北斗微基站当前时刻位置矢量为：

式中，e为当前位置于各个发射天线间的单位矢量，[x y z]为用户接收机当前时刻位置坐标，[x_n y_n z_n]为北斗微基站第n路发射天线的位置坐标。

则当前时刻下的速度矢量关系为

V＝[v₁ v₂...v_n]

＝ve^T

v_n为相对于北斗微基站第n路发射天线位置方向上的速度，v_n＝[v_n,x v_n,y v_n,z]，v为用户接收机的速度；

速度与多普勒之间的关系为：

其中，λ为北斗微基站信号波长；

则利用上式即可得到当前时刻的速度与位置关系为：

由此可得多普勒与位置之前的关系为

由此得出当前时刻的用户接收机的位置。

Images