CN204903764U - 通用gps室内外定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种通用GPS室内外定位系统，包括1个GPS伪卫星主站，3个或以上GPS伪卫星辅站和用户接收机。伪卫星主站能实时接收室外GPS信号，获得PPS秒脉冲信号和当前可见卫星参数，并利用PPS秒脉冲驯服本地伪卫星主站时钟，利用本地驯服时钟同步生成两种射频信号，一路发给用户，一路发给伪卫星辅站。伪卫星辅站接收伪卫星主站发来的信号，实现各伪卫星辅站的本地时钟与伪卫星主站时钟的同步，并同步产生一路虚拟GPS卫星模拟信号；用户同步接收所有可见伪卫星主站和伪卫星辅站发射的虚拟GPS卫星信号，实时完成用户的室内外定位。本实用新型具有简单和无需改变目前GPS接收机软硬件的特点。

Description

通用GPS室内外定位系统

技术领域

本实用新型涉及卫星导航定位领域，具体涉及一种通用GPS室内外定位系统。

背景技术

由于卫星导航系统本身的一些先天性因素制约，造成了某些难以克服的弱点。比如在室内的用户，由于周围墙体或其他障碍物的遮挡，使得卫星信号到达室内时，卫星信号已经非常微弱，用传统的GNSS接收机根本就无法完成定位。

目前，伪卫星是一种解决室内定位的方法，由于GPS伪卫星定位系统发射类似于GPS卫星的信号，其定位算法也是基于GPS定位原理的。但是，室内伪卫星是固定在某一个固定位置，而GPS卫星沿着轨道作周期运动，其定位算法又有所差别。所以，传统的伪卫星定位不能采用GPS接收机直接定位，而是需要修改GPS接收机中的一些程序，或者采用GPS接收机接收信号后，后面再附加一个CPU，专门实现定位解算，即这就需要更改GPS接收机软硬件，这不但给用户带来不便，也增加了成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供现有GPS伪卫星系统需要更改GPS接收机软硬件才能实现室内定位的不足，提供一种通用GPS室内外定位系统。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

通用GPS室内外定位系统，包括伪卫星站和用户接收机；其中伪卫星站由1个伪卫星主站及3个或3个以上的伪卫星辅站构成；伪卫星主站和伪卫星辅站置于室内，且伪卫星主站可见GPS卫星；

伪卫星主站包括GPS信号接收部分、主站时钟驯服部分、主站对辅站信号模拟发射部分和主站对用户信号模拟发射部分；GPS信号接收部分接收室外可见GPS卫星信号，提取可见卫星的星历参数，并实现PPS秒脉冲信号输出；主站时钟驯服部分利用GPS信号接收部分输出的PPS秒脉冲信号实现本地时钟驯服；主站对辅站信号模拟发射部分在PPS秒脉冲信号的作用下生成一路发射信号发给伪卫星辅站；主站对用户信号模拟发射部分在PPS秒脉冲信号的作用下生成另一路发射信号发给用户接收机，用于实现用户定位；

伪卫星辅站包括主站信号接收部分、辅站时钟驯服部分和辅站对用户信号模拟发射部分；主站信号接收部分接收伪卫星主站发来的信号，并提取可见GPS卫星信息；辅站时钟驯服部分完成各伪卫星辅站的本地时间与伪卫星主站的时间同步；辅站对用户信号模拟发射部分选取距离基准点与本伪卫星辅站的连线最接近的一颗GPS卫星，来进行GPS卫星信号模拟，并在模拟过程中，通过修改卫星的星历参数，使该模拟GPS卫星的运动速度下降；

用户接收机同时接收到4个或4个以上伪卫星站发来的信号，以完成用户三维位置的实时解算。

上述方案中，基准点选在室内靠近中心位置处。

上述方案中，伪卫星主站发出的2路射频信号采用不同的发射频率，且2路射频信号的发射频率均不在GPS信号的频段上。

与现有技术相比，本实用新型的伪卫星主站接收室外GPS卫星信号，首先完成伪卫星主站的授时，并通过伪卫星主站发射的信号完成伪卫星辅站的时间同步；各个伪卫星主站或辅站都模拟一颗虚拟GPS卫星；用户可以采用传统GPS接收机即可完成室内外定位。该方法实现简单，可以在不改变目前GPS接收机软硬件结构的基础上，完成用户的室内外定位，而且成本较低。

附图说明

图1为通用GPS室内外定位系统原理框图。

图2为伪卫星主站工作原理图。

图3为时钟驯服工作原理图。

图4为伪卫星辅站工作原理图。

图5为用户接收机工作流程。

具体实施方式

一种通用GPS室内外定位系统，如图1所示，系统包括1个GPS伪卫星主站(如图1中的S1)，3个或以上GPS伪卫星辅站(如图1中的S2-S4)和用户接收机。首先，伪卫星主站和伪卫星辅站的位置通过精密测量得到。其次，伪卫星主站能实时接收室外GPS信号，获得PPS秒脉冲信号和当前可见卫星编号、卫星位置等信息，并利用PPS秒脉冲驯服本地伪卫星主站时钟，利用本地驯服时钟同步生成两种射频信号，一路发给用户，一路发给伪卫星辅站。再次，伪卫星辅站接收伪卫星主站发来的信号，实现各伪卫星辅站的本地时钟与伪卫星主站时钟的同步，并同步产生一路虚拟GPS卫星模拟信号；用户同步接收所有可见伪卫星主站和伪卫星辅站发射的虚拟GPS卫星信号，实时完成用户的室内外定位。

下面详细介绍其组成：

1、伪卫星主站

如附图2所示，伪卫星主站包括GPS信号接收部分、主站时钟驯服部分、主站对辅站信号模拟发射部分和主站对用户信号模拟发射部分。其中，伪卫星主站位置是固定的，且位置预先高精度测量得到，如采用GNSS载波相位RTK技术，以保证定位精度在cm级以上。

1.1、GPS信号接收部分

GPS信号接收部分依次由GPS接收天线、主站下变频模块、主站A/D转换模块、主站多通道基带信号处理模块和主站信息提取模连接而成。其中，主站多通道基带信号处理模块主要完成GPS信号的捕获和跟踪。信息提取模块主要提取可见卫星编号、位置、主站到卫星的距离、距离变化率等信息。

1.2、主站时钟驯服部分

GPS输出的PPS秒脉冲信号本地驯服压控晶振(VCO)原理框图如图的3所示，时钟计算器对本地压控晶振的CLK时钟输出计数，例如，本振为62MHz的晶振，每秒应该输出1600000个时钟数。在GPS的PPS秒脉的上升沿比较，并用计数比较器对两个计数结果比较：

Dn＝n-1600000(1)

其中，n为压控晶振1秒输出的CLK个数，如果Dn大于0，说明本地时钟快了，减小压控晶振的外部电压，即可以改变压控晶振的负载电容，使其振荡频率变小，即每秒输出的CLK时钟数变小；相反，如果Dn小于0，说明本地时钟慢了，提高压控晶振的外部电压，即可以改变压控晶振的负载电容，使其振荡频率变大，即每秒输出的CLK时钟数变大。

1.3、主站对辅站信号模拟发射部分

主站对辅站信号模拟发射部分依次由主站对辅站信息编码模块、主站对辅站信号生成模块、主站对辅站D/A转换模块、主站对辅站上变频模块和主站对辅站发射天线连接而成。

主站对辅站本地时钟驯服模块利用GPS信号接收部分提取的PPS秒脉冲，驯服伪卫星主站的时钟，使得伪卫星主站的时钟与GPS时间同步。在驯服的本地时钟作用下，主站对辅站信息编码模块把本地时间、三维位置、伪卫星站编号、可见卫星编号、卫星的多普勒参数等信息进行信息编码。为了简化伪卫星站硬件结构，其编码格式可以采用GPS或BD2的导航电文编码方式。主站对辅站信号生成模块将编码后的信息与扩频码进行扩频调制，扩频码也可参考GPS的扩频码，即码形、码长和码速率都与GPS的一样，扩频方式可以采用BPSK调制，经扩频后的信号再经过载波调制生成数字基带信号。生成的数字基带信号经主站对辅站D/A转换模块的D/A转换和主站对辅站上变频模块的上变频，最后经主站对辅站发射天线发射出去。为了避免信号间的干扰，信号的频率不选用GPS的频段。

1.4、主站对用户信号模拟发射部分

主站对用户信号模拟发射部分依次由主站对用户参数计算和信息编码模块、主站对用户信号生成模块、主站对用户D/A转换模块、主站对用户上变频模块和主站对用户发射天线连接而成。

主站对用户参数计算和信息编码模块主要处理GPS接收部分传来的可见卫星编号、位置、主站到卫星的距离、距离变化率等信息，并在基准点O(该基准点O的三维位置预先精测测得)和伪卫星主站连线上空间GPS卫星大致位置上虚拟一颗GPS卫星i，卫星的编号是根据GPS接收部分接收到的卫星，而且卫星最靠近基准点O和伪卫星主站连线上，并修改i卫星星历参数，使得卫星刚好处在基准点O和伪卫星主站连线上，而且卫星做非常缓慢地运动，而且信息编码格式完成与GPS一样。主站对用户信号生成模块主要完成GPS的CA码、载波产生、扩频调制和载波调制，生成GPS数字基带信号，信号生成时候要考虑CA码和载波相位问题，由于是模拟信号时从虚拟卫星播发的，所以要把伪卫星站到虚拟卫星的距离变化为码和载波相位。生成的GPS基带数字信号经主站对用户D/A转换模块D/A转换后变为GPS中频模拟信号。GPS中频模拟信号经主站对用户上变频模块上变频后变为GPS射频信号。GPS射频信号通过主站对用户发射天线发射出去。

若第i颗虚拟卫星发射的信号表示为：

式中P——第i颗虚拟卫星L频点信号平均功率；

C_i(t)——第i颗虚拟卫星的伪随机序列；

D_i(t)——第i颗虚拟卫星的信号上调制的导航电文；

f_L——第i颗虚拟卫星的载波频率(如GPSL1为1575.42MHz)。

伪卫星站需要考虑虚拟卫星到伪卫星站时间的距离，需要把这信息加入到上述信号中，上式可以变为：

$S_i(t+\mathrm{\Δ}t)=\sqrt{2P}cos\left(2\mathrm{\π}(f_L+{\mathrm{\Δf}}_L)(t+\mathrm{\Δ}t)\right)C_i(t+\mathrm{\Δ}t)D_i(t+\mathrm{\Δ}t)---\left(3\right)$

式中DtΔt为虚拟卫星信号到达伪卫星站所经过的时间延迟，Df_L为伪卫星站相对卫星运动产生的多普勒频移。

最后，信号经天线发射出去，在设计伪卫星发射信号强度时，需要充分考虑信号功率电平的强弱。若信号功率电平过低，用户设备难以接收到信号，若信号功率电平过高，信号之间会互相产生干扰。根据ICD-GPS-200，地球表面上0dB增益的天线能够接收L1C/A码信号的最低功率是-160dBW或-130dBm。如，假定伪卫星与接收机相距传播距离在100m，衰减值理论为-67.36dBm，则伪卫星信号发生器输出的功率应该在-67.36dBm。为此，根据室内作用距离，通过功率放大器件，控制信号的发射功率，以保证用户正常接收和定位。

2、伪卫星辅站

如附图4所示，伪卫星辅站包括主站信号接收部分、辅站时钟驯服部分和辅站对用户信号模拟发射部分。其中，伪卫星辅站位置是固定的，且位置预先高精度测量得到，如采用GNSS载波相位RTK技术，以保证定位精度在cm级以上。

2.1、主站信号接收部分

主站信号接收部分依次由主站信号接收天线、辅站下变频模块、辅站A/D转换模块、辅站单通道基带信号处理模块和辅站信息提取模块连接而成。其中，辅站下变频模块是把接收到的射频信号变到中频信号，由于伪卫星主站发射的用于时间同步的信号与GPS射频信号频率不同，故该下变频部分与伪卫星主站GPS接收部分的下变频不同。辅站单通道基带信号处理模块主要是完成信号捕获和跟踪。时间和可见卫星等辅站信息提取模块通过时间信号的提取和电文信息的解码，获得PPS秒脉冲信号和可见卫星的编号、星历参数等信息。

2.2、辅站时钟驯服部分

辅站时钟驯服部分的信号处理过程同与主站时钟驯服部分。

2.3、辅站对用户信号模拟发射部分

辅站对用户信号模拟发射部分依次由辅站对用户参数计算和信息编码模块、辅站对用户信号生成模块、辅站对用户D/A转换模块、辅站对用户上变频模块和辅站对用户发射天线连接而成。信号处理过程同主站对用户信号模拟发射部分。

3、用户接收机

如附图5所示，用户接收机依次由用户接收天线、用户下变频模块、用户信号捕获模块、用户信号跟踪模块、用户解码模块、用户测距模块和用户PVT解算模块等模块连接而成。为了完成通用GPS用户的室内外实时定位，一般在室内配置1个伪卫星主站，3个或以上的伪卫星辅站。由于每个伪卫星主站和伪卫星辅站所产生的用户信号模拟的信号不是从站本身发出的，而是模拟的一颗虚拟GPS卫星，因此用户接收机接收到的信号就跟实际GPS卫星信号一样，其定位结算过程跟GPS普通接收机定位解算过程完全一样。如用户天线同时接收4或以上的伪卫星站发来的信号时，定位方程可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{\left(x_u-x_1^p\right)}^2+{\left(y_u-y_1^p\right)}^2+{\left(z_u-z_1^p\right)}^2}+{\mathrm{cdt}}_u\\ {\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{\left(x_u-x_2^p\right)}^2+{\left(y_u-y_2^p\right)}^2+{\left(z_u-z_2^p\right)}^2}+{\mathrm{cdt}}_u\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ {\mathrm{\ρ}}_n=\sqrt{{\left(x_u-x_n^p\right)}^2+{\left(y_u-y_n^p\right)}^2+{\left(z_u-z_n^p\right)}^2}+{\mathrm{cdt}}_u\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，(x_u,y_u,z_u)是用户的三维位置；是第i颗GPS虚拟卫星的位置，通过信息解码得到；ρ_i是用户对第i伪卫星站观测的伪距测量值；cdt_u是用户时钟引起的测距误差。

在上述方程(4)中，未知量有4个，分别是x_u,y_u,z_u,cdt_u，当观测量是4个或以上时，上述方程就可以解算。

基于上述系统所实现的一种通用GPS室内外定位方法，包括如下步骤：

步骤1、根据室内结构和尺寸大小，先确定1个伪卫星主站和3个或以上伪卫星辅站的位置，其中伪卫星主站需要可见GPS卫星，同时，需要精确测量这些伪卫星主站和伪卫星辅站的三维位置。

步骤2、选取室内一个基准点，该基准点最好选在室内靠近中心位置，确定基准点后，精确测量该基准点的三维位置。

步骤3、伪卫星主站接收室外GPS卫星信号，提取可见卫星的星历参数，并实现高精度的PPS秒脉冲信号输出，伪卫星主站利用该PPS信号实现本地时钟驯服。同时，伪卫星主站在PPS作用下同步生成两路发射信号，一路是发给伪卫星辅站，用于伪卫星辅站与主站时间同步，并告知当前室外可见的卫星及其参数。另一路是发给用户接收机，用于用户定位。伪卫星主站发出的两路射频信号采用不同的发射频率。此外，为了避免信号间的干扰，两路射频信号的频率不选用GPS的频段。

步骤4、伪卫星辅站接收伪卫星主站发来的信号，完成伪卫星辅站的本地时间与伪卫星主站的时间同步，提取可见卫星信息。根据基准点与伪卫星辅站的连线，计算并选取最靠近该连线上的GPS卫星进行模拟，以获得一个虚拟GPS卫星。上述选取的GPS卫星可以在连线上，也可以在连线的附近，只是精度稍微有所下降。在模拟过程中，修改这颗虚拟GPS卫星的星历参数，使其运动速度大大降下来，以让模拟出的虚拟GPS卫星、基准点、伪卫星辅站三者尽量靠近在一条直线上，提高精度。

步骤5、用户接收机可以直接采用GPS接收机，与室外GPS定位一样，当用户接收机同时接收到4个或以上伪卫星站发来的信号时，就可实时解算用户的三维位置。

Claims (3)

1.通用GPS室内外定位系统，其特征是，包括伪卫星站和用户接收机；其中伪卫星站由1个伪卫星主站及3个或3个以上的伪卫星辅站构成；伪卫星主站和伪卫星辅站置于室内，且伪卫星主站可见GPS卫星；

伪卫星主站包括GPS信号接收部分、主站时钟驯服部分、主站对辅站信号模拟发射部分和主站对用户信号模拟发射部分；GPS信号接收部分接收室外可见GPS卫星信号，提取可见卫星的星历参数，并实现PPS秒脉冲信号输出；主站时钟驯服部分利用GPS信号接收部分输出的PPS秒脉冲信号实现本地时钟驯服；主站对辅站信号模拟发射部分在PPS秒脉冲信号的作用下生成一路发射信号发给伪卫星辅站；主站对用户信号模拟发射部分在PPS秒脉冲信号的作用下生成另一路发射信号发给用户接收机，用于实现用户定位；

伪卫星辅站包括主站信号接收部分、辅站时钟驯服部分和辅站对用户信号模拟发射部分；主站信号接收部分接收伪卫星主站发来的信号，并提取可见GPS卫星信息；辅站时钟驯服部分完成各伪卫星辅站的本地时间与伪卫星主站的时间同步；辅站对用户信号模拟发射部分选取距离基准点与本伪卫星辅站的连线最接近的一颗GPS卫星，来进行GPS卫星信号模拟，并在模拟过程中，通过修改卫星的星历参数，使该模拟GPS卫星的运动速度下降；

用户接收机同时接收到4个或4个以上伪卫星站发来的信号，以完成用户三维位置的实时解算。

2.根据权利要求1所述的通用GPS室内外定位系统，其特征是，基准点选在室内靠近中心位置处。

3.根据权利要求1所述的通用GPS室内外定位系统，其特征是，伪卫星主站发出的2路射频信号采用不同的发射频率，且2路射频信号的发射频率均不在GPS信号的频段上。