CN201138375Y - 伪卫星亚分米级室内定位系统 - Google Patents
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Abstract
一种涉及全球卫星定位系统GPS技术的装置，尤旨一种基于全球卫星定位系统GPS导航卫星信号、现场可编程门阵列FPGA硬件电路设计技术，主要用于在室内等无法获得全球卫星定位系统GPS卫星信号而又需要较高精度定位结果的场合的伪卫星亚分米级室内定位系统。该系统至少包括：主控站PC机、伪卫星信号模块、时钟模块、用户定位模块和参考接收机，各装置组合为一整体的室内定位系统；主要解决伪卫星的硬件实现问题及室内伪卫星布局问题等有关技术问题。本实用新型的积极效果是：该系统能够实现封闭区域内的自主导航，适合于在室内等无法获得天上GPS卫星信号而又需要较高精度定位结果的场合，具有使用方便、控制简捷有效等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种全球卫星定位系统GPS(GlobalPositioning System)技术，尤旨一种基于全球卫星定位系统GPS导航卫星信号、全球卫星定位系统GPS接收机定位终端、卫星导航载波相位测量技术以及现场可编程门阵列FPGA(Fie ldProgrammable Gate Array)硬件电路设计和嵌入式软核技术，主要用于在室内等无法获得天上全球卫星定位系统GPS卫星信号而又需要较高精度定位结果的场合，属全球定位和监控技术领域的伪卫星高精度亚分米级室内定位系统。
背景技术
伪卫星高精度亚分米级室内定位技术巧妙的使用了现有的GPS卫星导航技术，使用伪卫星装置在室内发射和GPS粗码卫星信号格式及内容一致的伪卫星无线信号，利用现成的商用GPS接收机的载波相位测量技术在室内完成高精度的定位。解决了在室内以及其他特殊场合自定义区域无法接收GPS信号实现定位且定位精度不高的难题。在传统的GPS定位中，普通GPS接收机的定位原理是使用伪码测距实现定位，GPS的粗码信号是公开的。而较高精度的P码并不公开。GPS的粗码定位精度较低大约在10～30米左右，此外在室内、矿井、高楼下等GPS信号被遮挡的场合，就无法实现定位。因此伪卫星高精度亚分米级室内定位技术主要面向上述GPS信号被遮挡无法定位的场合，并且有较高精度要求的领域。
伪卫星顾名思义是一个卫星模拟装置，它的主要功能是模拟卫星，在这里是模拟GPS卫星，发射和GPS信号格式一模一样的卫星导航信号。伪卫星的出现并不算晚，在美国GPS系统尚未建设完成前，就使用伪卫星进行GPS的模拟试验。近年来，世界各国有不少针对伪卫星的研究，韩国和芬兰都有较成熟的伪卫星组网系统。我国也有不少对伪卫星的研究但大多数是使用1～2个伪卫星实现卫星导航系统的区域增强，而使用纯伪卫星组建系统实现室内定位的几乎没有相关研究。
发明内容
为了克服上述不足之处，本实用新型的主要目的旨在提供一种伪卫星室内亚分米级高精度定位解决方案，通过主控站PC机、伪卫星信号模块、射频模块、右螺旋天线、用户接收机、参考接收机和时钟模块等组成的硬件系统，通过伪卫星布局设计，实现封闭区域内的自主导航，达到既能解决在室内以及其他特殊场合自定义区域无法接收GPS信号问题，又能减少定位误差，提高定位精度的伪卫星亚分米级室内定位系统。
本实用新型要解决的技术问题是：针对室内区域高精度定位的要求，主要解决的技术问题是：伪卫星的硬件实现问题；在室内伪卫星布局问题；商用接收机接收伪卫星信号问题等；解决通过整个硬件系统如何获取高精度的定位结果问题；解决如何使用纯伪卫星组建系统实现室内定位等有关技术问题。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该定位系统由复杂可编程门阵列、总线、接口、天线、接收机及PC机等装置组成，所述定位系统的发送端通过无线信号传输到用户的接收端，该系统至少包括：
主控站PC机、伪卫星信号模块、时钟模块、用户定位模块和参考接收机，各装置组合为一整体的室内定位系统，其间的信号线和时钟线通过同轴电缆传递，数据通讯为RS232串口协议传输，其中：
一主控站PC机和伪卫星信号模块中的伪卫星基带信号生成器通过RS232串行接口相连接；
一伪卫星信号模块由伪卫星基带信号生成器、伪卫星射频模块、伪卫星螺旋发射天线等部件组成，伪卫星基带信号生成器输出的基带信号通过等长的同轴电缆与射频模块相连接，为射频模块的信号输入；射频模块通过等长的同轴电缆连接右螺旋天线，通过天线发送伪卫星的信号传输到用户定位模块和参考接收机的输入端；所述伪卫星基带信号生成器输出信号分为四路：第一路的基带信号通过30米长同轴电缆A传输到射频模块A的输入端，射频模块A的输出信号通过2米长同轴电缆A传输到右螺旋天线A的输入端，右螺旋天线A的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块和参考接收机的输入端；
第二路的基带信号通过30米长同轴电缆A传输到射频模块B的输入端，射频模块B的输出信号通过2米长同轴电缆A传输到右螺旋天线B的输入端，右螺旋天线B的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块和参考接收机的输入端；
第三路的基带信号通过30米长同轴电缆A传输到射频模块C的输入端，射频模块C的输出信号通过2米长同轴电缆A传输到右螺旋天线C的输入端，右螺旋天线C的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块和参考接收机的输入端；
第四路的基带信号通过30米长同轴电缆A传输到射频模块D的输入端，射频模块D的输出信号通过2米长同轴电缆A传输到右螺旋天线D的输入端，右螺旋天线D的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块和参考接收机的输入端；
一时钟模块由高稳的恒温晶振系统组成，一路20.46M的高稳方波时钟输出信号通过2米长同轴电缆B传输到伪卫星基带信号生成器的输入端；另外，时钟模块输出信号又分为四路：第一路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B传输到射频模块A的输入端；
第二路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B传输到射频模块B的输入端；
第三路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B传输到射频模块C的输入端；
第四路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B传输到射频模块D的输入端；
一用户定位模块由用户接收机、定位运算PC机以及其上运行的定位软件组成，用户接收机通过RS232串行接口A与定位运算PC机相连接，定位运算PC机接收来自用户接收机的测量数据，通过运行数据处理和定位软件，给出定位结果；用户定位模块为室内定位的厘米级位置标定结构；
一参考接收机模块通过RS232串行接口B与定位运算PC机相连接，参考接收机的伪卫星天线在测试区域中固定在一个已知的位置，通过发送静态测量伪卫星信号的载波相位信号，为用户接收机定位提供差分信号。
所述的伪卫星亚分米级室内定位系统的右螺旋天线布局的形状为：伪卫星的发射天线布局在定位覆盖区域的上方四周的位置，第一路右螺旋天线A设置在整个定位覆盖区域的正上方位置，第二路右螺旋天线B、第三路右螺旋天线C和第四路右螺旋天线D分别分散设置在覆盖区域的周边。
本发明的有益效果是：该系统能够实现封闭区域内的自主导航，无需天上全球卫星定位系统GPS卫星的辅助；该系统适合于在室内等无法获得天上GPS卫星信号而又需要较高精度定位结果的场合；本实用新型提出的定位解决方案简单实用，没有复杂的时同系统，用户使用的定位终端也是非常普通的卫星导航接收机，具有使用方便、控制简捷有效等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
附图1为本实用新型整体结构方框示意图；
附图2为本实用新型伪卫星天线布局的形状结构示意图；
附图中标号说明：
1-主控站PC机；
2-伪卫星信号模块；
3-时钟模块；
4-用户定位模块； 41-用户接收机；
5-参考接收机； 42-定位运算PC机；
11-RS232串行接口； 231-射频模块A；
21-伪卫星基带信号生成器 232-射频模块B；
22-30米长同轴电缆A； 233-射频模块C；
23-射频模块； 234-射频模块D；
24-右螺旋天线； 241-右螺旋天线A；
25-2米长同轴电缆A； 242-右螺旋天线B；
31-2米长同轴电缆B； 243-右螺旋天线C；
32-30米长同轴电缆B； 244-右螺旋天线D；
43-RS232串行接口A；
51-RS232串行接口B；
具体实施方式
请参阅附图1、2所示，本实用新型定位系统由复杂可编程门阵列、总线、接口、天线、接收机及PC机等装置组成，所述定位系统的发送端通过无线信号传输到用户的接收端，该系统至少包括：
主控站PC机1、伪卫星信号模块2、时钟模块3、用户定位模块4和参考接收机5，各装置组合为一整体的室内定位系统，其间的信号线和时钟线通过同轴电缆传递，数据通讯为RS232串口协议传输，其中：
一主控站PC机1和伪卫星信号模块2中的伪卫星基带信号生成器21通过RS232串行接口11相连接；
一伪卫星信号模块2由伪卫星基带信号生成器21、伪卫星射频模块23、伪卫星螺旋发射天线组成，伪卫星基带信号生成器21输出的基带信号通过等长的同轴电缆与射频模块23相连接，为射频模块的信号输入；射频模块23通过等长的同轴电缆连接右螺旋天线24，通过天线发送伪卫星的信号传输到用户定位模块4和参考接收机5的输入端；所述伪卫星基带信号生成器21输出信号分为四路：第一路的基带信号通过30米长同轴电缆A22传输到射频模块A231的输入端，射频模块A231的输出信号通过2米长同轴电缆A25传输到右螺旋天线A241的输入端，右螺旋天线A241的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块4和参考接收机5的输入端；
第二路的基带信号通过30米长同轴电缆A22传输到射频模块B232的输入端，射频模块B232的输出信号通过2米长同轴电缆A25传输到右螺旋天线B242的输入端，右螺旋天线B242的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块4和参考接收机5的输入端；
第三路的基带信号通过30米长同轴电缆A22传输到射频模块C233的输入端，射频模块C233的输出信号通过2米长同轴电缆A25传输到右螺旋天线C243的输入端，右螺旋天线C243的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块4和参考接收机5的输入端；
第四路的基带信号通过30米长同轴电缆A22传输到射频模块D234的输入端，射频模块D234的输出信号通过2米长同轴电缆A25传输到右螺旋天线D244的输入端，右螺旋天线D244的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块4和参考接收机5的输入端；
一时钟模块3由高稳的恒温晶振系统组成，一路20.46M的高稳方波时钟输出信号通过2米长同轴电缆B31传输到伪卫星基带信号生成器21的输入端；另外，时钟模块3输出信号又分为四路：第一路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B32传输到射频模块A231的输入端；
第二路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B32传输到射频模块B232的输入端；
第三路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B32传输到射频模块C233的输入端；
第四路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B32传输到射频模块D234的输入端；
一用户定位模块4由用户接收机41、定位运算PC机42以及其上运行的定位软件组成，用户接收机41通过RS232串行接口A43与定位运算PC机42相连接，定位运算PC机42接收来自用户接收机41的测量数据，通过运行数据处理和定位软件，给出定位结果；用户定位模块4为室内定位的厘米级位置标定结构；
一参考接收机5模块通过RS232串行接口B51与定位运算PC机42相连接，参考接收机5的伪卫星天线在测试区域中固定在一个已知的位置，通过发送静态测量伪卫星信号的载波相位信号，为用户接收机41定位提供差分信号。
所述的伪卫星亚分米级室内定位系统的右螺旋天线24布局的形状为：伪卫星的发射天线布局在定位覆盖区域的上方四周的位置，第一路右螺旋天线A241设置在整个定位覆盖区域的正上方位置，第二路右螺旋天线B242、第三路右螺旋天线C243和第四路右螺旋天线D244分别分散设置在覆盖区域的周边。
所述的伪卫星亚分米级室内定位系统的用户接收机41的安置从测试区域的一个已知的初始坐标开始定位；参考接收机5固定安置在定位覆盖区域中的一个已知点。
请参阅附图1、2所示，本实用新型总体结构为：整个系统由伪卫星信号模块、时钟模块、主控站PC机、用户定位模块、参考接收机构成。其间信号线和时钟线通过同轴电缆传递，数据通讯使用RS232串口协议连接，信号以及时钟通过同轴电缆连接，主控站和伪卫星信号模块通过RS232串口进行连接；用户定位模块包括用户接收机和执行定位软件的PC机，用户接收机通过测量载波相位变化值实现高精度定位，参考接收机辅助用户接收机消除伪卫星时钟钟差及钟漂带来的影响。其中：
伪卫星信号模块由伪卫星基带信号生成器、伪卫星射频模块、伪卫星螺旋发射天线组成。
伪卫星基带信号生成器是伪卫星信号产生的核心，在一块现场可编程门阵列FPGA中实现四颗伪卫星数字基带信号的生成，通过DA转换器将数字信号变成模拟信号。由于在现场可编程门阵列FPGA中嵌入了处理器软核，可以方便的通过RS232串口和主控站PC机相连接收和解析来自主控站的控制命令，响应主控站的命令改变发射的伪卫星信号，并能实现启动、重启信号发射等控制命令。
时钟模块由一个高稳的恒温晶振系统组成，是整个系统的时钟源。它主要提供伪卫星基带信号生成器以及射频模块的时钟。给伪卫星基带信号生成器提供的是一路20.46M的高稳方波时钟，并给出四路10.23M的正弦波时钟和四个射频模块连接。DA输出的伪卫星模拟基带信号分别通过四路30米等长电缆送入四个射频模块。射频模块还需要10.23M的时钟用以将伪卫星基带信号上变频至1575.42M(154X10.23M)。因此时钟模块的四路10.23M正弦时钟通过30米等长电缆线送入射频模块。最大限度保证整个系统的时钟同步。
主控站PC机是整个系统中的控制环节。由一台PC机加主控软件实现。运行的操作系统是windows XP。主控站PC通过串口和伪卫星基带信号生成器连接，操作者通过可视化的主控软件对整个系统进行设置，包括伪卫星发射的PRN号，为伪卫星注入导航电文，启动整个系统，控制单个伪卫星信号相对于其他卫星的时延。
用户定位模块由一个普通的商用接收机和PC机以及其上运行的定位软件构成。商用接收机可为Novatel的superstar II或者Ashtech的DG16(DG14)的任意一款，PC机和接收机使用RS232串口进行连接。定位软件获取来自接收机输出的载波相位测量值，以一定的算法完成用户接收机天线位置的精确定位。并在定位软件上以图形方式显示定位结果。用户定位模块同时接收来自参考接收机的测量数据用于补偿用户接收机，消除定位结果中因为信号不同步造成的定位误差。用户定位模块没有使用传统的GPS卫星导航伪码测距实现定位的方法，而是主要采用了载波相位跟踪的方法，这是由于室内定位的厘米级精度要求决定的。
参考接收机通过串口和PC机相连。参考接收机的天线在测试区域中是固定在一个已知的位置，通过静态测量伪卫星信号载波相位，为用户机定位提供差分信号，主要用于消除不同伪卫星信号之间的钟差和漂移给用户接收机定位造成的误差。
主控站PC机1和伪卫星信号模块2的伪卫星基带信号生成器21通过RS232接口连接，伪卫星基带信号生成器2输出以10.23M正弦波为载波的伪卫星基带信号。由于天线和射频模块是分布在定位区域的四周，因此位置分散距离较远。伪卫星基带信号生成器2输出的基带信号通过等长的同轴电缆和射频模块相连，作为射频模块的信号输入。此外，四个射频模块还需要四路时钟输入，因此时钟模块送出四路10.23M正弦波的时钟信号通过等长的30米同轴电缆连接到射频模块的时钟输入端。射频模块是一个两输入一输出的模块，其输出通过2米长的同轴电缆连接右螺旋天线，通过天线发送伪卫星的信号给用户接收机41和参考接收机5。
用户接收机和参考接收机都通过串口RS232接口和定位运算PC机42相连，PC机接收来自接收机的测量数据运行数据处理和定位软件，给出定位结果。
在使用本实用新型完成特定的功能时，需要对使用场地以及为伪卫星布置得位置进行准确的标定。确定场地的原点和X轴方向后，即可将伪卫星天线、参考接收机天线在场地中的位置用三维坐标表示出来。
Claims (2)
1、一种伪卫星亚分米级室内定位系统，该定位系统有复杂可编程门阵列、总线、接口、天线、接收机及PC机，所述定位系统的发送端通过无线信号传输到用户的接收端，其特征在于：该系统至少包括：
主控站PC机(1)、伪卫星信号模块(2)、时钟模块(3)、用户定位模块(4)和参考接收机(5)，各装置组合为一整体的室内定位系统，其间的信号线和时钟线通过同轴电缆传递，数据通讯为RS232串口协议传输，其中：
一主控站PC机(1)和伪卫星信号模块(2)中的伪卫星基带信号生成器(21)通过RS232串行接口(11)相连接；
一伪卫星信号模块(2)由伪卫星基带信号生成器(21)、伪卫星射频模块(23)、伪卫星螺旋发射天线组成，伪卫星基带信号生成器(21)输出的基带信号通过等长的同轴电缆与射频模块(23)相连接，为射频模块的信号输入；射频模块(23)通过等长的同轴电缆连接右螺旋天线(24)，通过天线发送伪卫星的信号传输到用户定位模块(4)和参考接收机(5)的输入端；所述伪卫星基带信号生成器(21)输出信号分为四路：第一路的基带信号通过30米长同轴电缆A(22)传输到射频模块A(231)的输入端，射频模块A(231)的输出信号通过2米长同轴电缆A(25)传输到右螺旋天线A(241)的输入端，右螺旋天线A(241)的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块(4)和参考接收机(5)的输入端；
第二路的基带信号通过30米长同轴电缆A(22)传输到射频模块B(232)的输入端，射频模块B(232)的输出信号通过2米长同轴电缆A(25)传输到右螺旋天线B(242)的输入端，右螺旋天线B(242)的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块(4)和参考接收机(5)的输入端；
第三路的基带信号通过30米长同轴电缆A(22)传输到射频模块C(233)的输入端，射频模块C(233)的输出信号通过2米长同轴电缆A(25)传输到右螺旋天线C(243)的输入端，右螺旋天线C(243)的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块(4)和参考接收机(5)的输入端；
第四路的基带信号通过30米长同轴电缆A(22)传输到射频模块D(234)的输入端，射频模块D(234)的输出信号通过2米长同轴电缆A(25)传输到右螺旋天线D(244)的输入端，右螺旋天线D(244)的输出信号通过无线信号分别传输到用户定位模块(4)和参考接收机(5)的输入端；
一时钟模块(3)由高稳的恒温晶振系统组成，一路20.46M的高稳方波时钟输出信号通过2米长同轴电缆B(31)传输到伪卫星基带信号生成器(21)的输入端；另外，时钟模块(3)输出信号又分为四路：第一路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B(32)传输到射频模块A(231)的输入端；
第二路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B(32)传输到射频模块B(232)的输入端；
第三路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B(32)传输到射频模块C(233)的输入端；
第四路输出10.23M正弦波的时钟信号通过30米长同轴电缆B(32)传输到射频模块D(234)的输入端；
一用户定位模块(4)由用户接收机(41)、定位运算PC机(42)以及其上运行的定位软件组成，用户接收机(41)通过RS232串行接口A(43)与定位运算PC机(42)相连接，定位运算PC机(42)接收来自用户接收机(41)的测量数据，通过运行数据处理和定位软件，给出定位结果；用户定位模块(4)为室内定位的厘米级位置标定结构；
一参考接收机(5)模块通过RS232串行接口B(51)与定位运算PC机(42)相连接，参考接收机(5)的伪卫星天线在测试区域中固定在一个已知的位置，通过发送静态测量伪卫星信号的载波相位信号，为用户接收机(41)定位提供差分信号。
2、根据权利要求1所述的伪卫星亚分米级室内定位系统，其特征在于：所述的右螺旋天线(24)布局的形状为：伪卫星的发射天线布局在定位覆盖区域的上方四周的位置，第一路右螺旋天线A(241)设置在整个定位覆盖区域的正上方位置，第二路右螺旋天线B(242)、第三路右螺旋天线C(243)和第四路右螺旋天线D(244)分别分散设置在覆盖区域的周边。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CNU2007200762829U CN201138375Y (zh) | 2007-11-16 | 2007-11-16 | 伪卫星亚分米级室内定位系统 |
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Cited By (3)
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| CN101158719B (zh) * | 2007-11-16 | 2011-01-26 | 上海伽利略导航有限公司 | 伪卫星亚分米级载波相位室内定位方法 |
| CN104035068A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-09-10 | 桂林电子科技大学 | 一种基于伪卫星的室内定位系统及方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081022 Termination date: 20091216 |