CN206696431U - 室内环境下卫星导航定位增强系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及卫星导航领域，公开一种室内环境下卫星导航定位增强系统，包括依次连接的基准单元、集中式卫星导航信号模拟器，以及间隔布置的N个发射天线，N个所述发射天线与所述集中式卫星导航信号模拟器连接，同步发射N个再生的卫星导航信号。该室内环境下卫星导航定位增强系统通过即时接收室内区域的卫星导航信号或互联网获取基准信号，并在室内实时生成和播发与室内区域真实卫星导航系统信号相同步的导航信号，解决了在不对导航终端进行任何改动下，实现室内卫星导航定位问题，本系统建设难度小、成本低、通用化及支持GNSS多系统。

Description

室内环境下卫星导航定位增强系统

技术领域

本实用新型主要涉及卫星导航领域，尤其涉及一种室内环境下卫星导航定位增强系统。

背景技术

为加快路路相通，常常通过在山体或水下开辟隧道，提高交通及物流效率。在隧道等典型的室内环境下，由于卫星导航信号被遮蔽，导致隧道内车辆无法接收卫星导航信号进行定位，隧道内交通事故的发生也越显突出。当车辆出现运行异常时，无法准确报告事故位置，导致无法开展快速救援和交通疏导工作；尤其是两客一危等重点车辆，一旦在隧道内发生交通事故，如果不能及时有效的进行救援，将会存在严重的安全隐患，严重威胁人们的生命和财产安全；以及用户体验不好，无法提前预知隧道内通行是否通畅而不能提前做出避开隧道绕行的合理线路，造成盲目堵塞隧道交通及耽误用户行程等问题。

基于伪卫星增强技术、室内卫星导航技术以及导航信号转发技术等，由于需要采用专用导航终端以及工程实施难度大等问题，如：过江隧道内无法在水面上进行布设转发器接收天线以及信号线缆无法布设等，亦无法在不改变车载导航终端的条件下解决隧道环境下卫星导航定位问题，诸如此类，还有在商场、医院、地下车库等地下工程或室内环境中，一旦遇到火灾等紧急情况，由于导航盲区，对救援工作造成极大困扰，经常需要花费大量的时间进行盲目的搜查，导致被困人员早已遇难，更有甚者，也危及救援人员的人身安全，以上种种难题亟待解决。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种安装方便、且不改变导航终端的室内环境下卫星导航定位增强系统。具体采用以下技术方案：

一种室内环境下卫星导航定位增强系统，包括依次连接的基准单元、集中式卫星导航信号模拟器，以及间隔布置的N个发射天线，N个所述发射天线与所述集中式卫星导航信号模拟器连接，同步发射N个再生的卫星导航信号。

进一步地，所述基准单元包括GNSS信号接收模块，所述GNSS信号接收模块为设置在隧道口外的无源接收天线，通过射频接口与所述集中式卫星导航信号模拟器连接。

进一步地，所述基准单元包括网络模块，通过互联网获取星历、历书、基准时间，并发至所述集中式卫星导航信号模拟器。

进一步地，所述集中式卫星导航信号模拟器与多个发射天线通过局域网直接或间接连接，N个发射天线将所述集中式卫星导航信号模拟器生成的N个卫星导航信号往隧道内发射。

进一步地，N个所述发射天线呈等距线性分布、或呈网格矩阵式分布，发射天线间隔≤100m。

进一步地，所述集中式卫星导航信号模拟器包括时间频率单元、仿真计算单元、信号生成单元，所述时间频率单元触发仿真计算单元进行仿真，且同时注入到信号生成单元中，其中所述时间频率单元包括依次连接的GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块，GNSS信号时钟驯服模块内置驯服控制子单元和频率发生器件，驯服控制子单元根据所述时间信息对频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服。

进一步地，所述仿真计算单元可根据N个发射天线的位置结合N种选星组合进行数据仿真，所述信号生成单元根据N个仿真数据生成N个卫星导航信号。

进一步地，还设有监测和接收室内区域位置信息，实时计算与调整所述卫星导航信号。与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、室内环境下卫星导航定位增强系统，包括依次连接的基准单元、集中式卫星导航信号模拟器，以及间隔布置的N个发射天线，N个所述发射天线与所述集中式卫星导航信号模拟器连接，同步发射N个再生的卫星导航信号。本系统仅需要通过布置集中式卫星导航信号模拟器，再通过多个分布式发射天线播发信号即可快速构建起隧道卫星导航定位增强系统，无需多个模拟器相互解算各自采用仿哪几颗星，从而缩短了室内卫星导航定位信号的播发时间，实现优于10ns级的播发速度，让室内环境下隧道内导航终端实现无缝接收导航定位信号，本系统建设具有难度小、成本低、通用化以及支持北斗、GPS多系统等优点；

2、通过即时接收天线实时接收GNSS信号或通过互联网获取所有星历、历书、基准时间，可以缩短卫星导航信号再生时间，通过集中再生与N个发射天线对应的N个卫星导航信号，进一步提高室内卫星导航信号的播发效率，实现室内室外卫星导航无缝切换，实现连续导航定位，本系统可有效解决隧道内行使车辆的定位导航问题，为隧道内交通事故应急救援、预防二次事故以及降低隧道内重大事故风险具有重要应用价值，也为我国交通运输、地下工程、商场、医院、停车库等导航信号盲区提供有效的导航定位增强；

3、室内卫星导航信号增强系统，通过即时接收隧道区域的卫星导航信号或直接通过互联网获取星历，历书，基准时间基准，即可在室内实时仿真再生，及并行独立发射多路卫星导航信号，解决在不对车载导航终端进行任何改动条件下卫星导航定位问题，提高了隧道内交通事故救援效率、交通疏导能力、用户体验度。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例所示的系统示意图；

图2为本实用新型一种实施例所示的系统原理示意图；

图3为本实用新型一种实施例所示的时间频率单元结构示意图；

图4为本实用新型一种实施例所示的仿真计算单元至信号生成示意图；

图5为本实用新型一种实施例所示的隧道内导航定位示意图；

图6为本实用新型一种实施例所示的室内导航定位示意图；

图7为本实用新型另一种实施例所示的室内导航定位示意图

图8为本实用新型一种实施例所示的多层室内导航定位示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

本实用新型实施例所示的系统示意图见图1，室内环境下卫星导航定位增强系统，包括依次连接的基准单元、集中式卫星导航信号模拟器，以及间隔布置的N个发射天线，N个所述发射天线与所述集中式卫星导航信号模拟器连接，同步发射N个再生的卫星导航信号。本系统仅需要通过布置集中式卫星导航信号模拟器，再通过多个分布式发射天线转发信号即可快速构建起隧道卫星导航定位增强系统，无需建立多个模拟器相互解算各自采用仿哪几颗星，从而提高了隧道内卫星导航定位信号的同步时间，实现优于10ns量级的室内外卫星导航信号同步精度，让室内环境下，例如隧道内导航终端实现无缝接收导航定位信号，本系统建设具有难度小、成本低、通用化以及支持北斗、GPS多系统等优点。具体的，本实施例中，集中式卫星导航信号模拟器与多个发射天线通过局域网直接或间接连接，以星间链路传输方式，减少N个发射天线将集中式卫星导航信号模拟器生成的多个卫星导航信号往室内发射的时间，其中N个发射天线与N个卫星导航信号是一一对应的。

结合图1和图2所示，本实施例中的基准单元包括GNSS信号接收模块，其GNSS信号接收模块为设置在隧道口外的无源接收天线，无源接收天线用于接收GNSS信号，通过射频接口与集中式卫星导航信号模拟器连接，即把相关的GNSS信号发送给集中式卫星导航信号模拟器中的即时接收单元，即时接收单元通过对GNSS信号进行解析。本实施例中，GNSS信号接收模块也可以认为内置在集中式卫星导航信号模拟器中。

本实施例中的基准单元安装在室内，且包括网络模块，通过互联网请求GNSS数据服务器获取星历、历书、基准时间，并将星历、历书、基准时间转发至集中式卫星导航信号再生基站，通过互联网首次获取的星历、历书、基准时间的速度快于无源接收天线的速度，而且能获取全部的卫星信息，以供集中式卫星导航信号模拟器可以选择多个卫星的选星组合，快速再生卫星导航信号。

结合图1所示，N个发射天线可以呈等距线性分布、或呈网格矩阵式分布，各发射天线之间可以有线或无线进行连接，优选的，集中式卫星导航信号模拟器通过星间链路传输给各发射天线。

另外，发射天线可为间隔布置，也可以均匀布置，但其间隔距离≤100m。具体以需要满足卫星导航定位精度为准，精度越高，间距越短，以50m～100m为间隔布置发射天线为优选方案，可提供50m～100m的导航定位精度。

优选地，集中式卫星导航信号模拟器包括时间频率单元、仿真计算单元、信号生成单元，所述时间频率单元触发仿真计算单元进行仿真，且同时注入到信号生成单元中，在本实用新型中进一步地描述，如图3所示本实用新型的时间频率单元示意图，时间频率单元包括依次连接的GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块，GNSS信号时钟驯服模块内置GNSS信号接收机和驯服控制子单元和频率发生器件，GNSS信号接收机实时接收时间信息，输出至驯服控制子单元，驯服控制子单元根据所述时间信息对频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服，有效提升了频率发生器件的频率准确性；频率发生器件输出驯服后的本地时频基准信号至所述本地时钟产生模块，本地时钟产生模块同步产生本地时钟信号，并驱动和分频生成如仿真计算单元、信号生成单元、发射单元所需的频标信号。通过本地时钟产生模块对同一个时间信息同步产生的时钟信号，驱动与分频生成如仿真计算单元、信号生成单元、发射单元所需的频标信号，可以保障了再生的卫星导航信号同步的可靠性，保证生成的本地时频基准信号(10MHz和1PPS)与真实GNSS卫星系统的时间同步，通过时频传递，保证再生的卫星导航信号与真实GNSS卫星信号同步。此外，GNSS信号时钟驯服模块还可以内置接口，方便用户查询工作状态、授时质量等，以保证导航终端实现连续导航。

在本实施例中，时间频率单元还包括控制模块，所述控制模块分别与GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块连接，可以通过控制模块发送频偏指令调节本地时频基准信号的频偏，以及发送触发启动指令给仿真计算单元以开始计算再生卫星导航信号所需的仿真数据。例如，可以通过以太网程控实现对时频基准信号频率的精密微调，实现偏移调整范围±3×10^-6，最小调制步进1×10^-13。通过精密微调信号生成参考频率，间接实现再生的卫星导航信号的时间偏移，可有效实现对发射区域或终端的授时精度的渐变精确控制，且不会造成授时结果的波动或大跳动，进一步保证室内与室外的导航终端设备实现连续导航。

如图4所示本实用新型实施例的仿真计算单元至信号生成单元示意图，信号生成单元包括N个基带信号单元，N个所述基带信号单元对应N个射频输出端口，所述基带信号单元根据所述时间频率单元提供的同一时钟进行上变频直接输出射频信号由N个发射天线进行播发。仿真计算单元根据卫星参数信息和发射天线所在的位置信息进行组合计算仿真，更为优选的是，将相邻的发射天线对应不同的卫星参数信息，以此减少相邻卫星导航信号之间的干扰，仿真计算单元将民码序列生成N路仿真数据至N个基带信号单元，其中N个发射天线，与N个射频输出端口一一对应，以此实现N个卫星导航信号既同步又不相干扰的独立输出，实现室内环境下的卫星导航信号的连续导航。具体的，1≤N≤16。优先选择8通道多路信号输出。

进一步地，仿真计算单元可根据N个发射天线的位置结合N种选星组合进行数据仿真，所述信号生成单元根据N个仿真数据生成N个卫星导航信号。

本实施例中，一个仿真计算单元对应N个基带信号单元，当仿真计算单元为M个时，则对应M*N个基带信号单元，比如仿真计算单元可任意选择GPS、BD、GLONASS、Galileo任意一种或多种卫星导航体系组合计算仿真数据，从而生成M*N个任意GNSS信号，即任意一种GNSS信号可以选择多个通道并行独立输出，以满足多个体制信号发射的需要，能满足隧道内装有GPS、BD、GLONASS、Galileo任意体系的车载导航终端，均能进行连续导航，不存在盲区与死区，进一步的，仿真计算单元根据N个不同位置的发射天线选择N种不同的选星组合，计算出N个不同的仿真数据，使得发射天线之间不会有相互干扰，例如发射天线1的位置，选择卫星1、2、3这样的选星组合进行数据仿真，而发射天线2的位置，选择2、3、4这样的选星组合进行数据仿真，当然更优选的则是，相邻发射天线无任何一个共同的卫星，即发射天线2选择卫星4、5、6这样的选星组合方式将达到更优。

具体的，N个发射天线的位置信息还可为预设值，预设值可以固化为一个数据，也可以是一个数据库中任意随机配置，也可以是系统自动选择的，当然也可以是来自外部接口注入的外部数据，灵活性强，可以配置任意虚拟的也可以是真实的位置信息，在本室内环境下卫星增强系统中通常是提供真实的位置信息。

本实施例中，通过无线或有线的互联网渠道向服务器数据中心获取星历、历书、基准时间，可以缩短卫星导航信号再生时间，通过集中再生与N个发射天线对应的N个卫星导航信号，简化和降低了在隧道内布设该系统的难度和工作量，及提高隧道内卫星导航信号的播发效率，实现无缝连续导航。

进一步地，还设有监测和接收室内区域位置信息，实时计算与调整所述卫星导航信号，从而实时生成正确有效卫星导航仿真信号播发给室内，即室内环境中的导航终端，通过实时纠正该隧道内卫星导航定位增强系统的偏差，以形成隧道内卫星导航信号再生的闭环系统。

具体地，仿真计算单元包括时空系统模型、卫星轨道及钟差计算模型、观测数据生成模型、导航电文生成模型的至少一种，在惯性坐标系中，卫星位置采用J2000坐标系，时间系统采用地球动力学时TT(可以在模拟中采用北斗时或GPS时)；在地固坐标系中，如在北斗系统中，卫星采用CGS2000坐标系，对于时间系统，北斗系统采用北斗时统。

卫星轨道及钟差计算模型直接使用即时信号接收单元传入的实际卫星星历信息计算生成所需的卫星状态数据。

观测数据生成模型根据卫星轨道考虑地球自转和相对论效应，仿真生成接收时刻的观测量，包括卫星相对于隧道区的真实距离、速度、加速度、加加速度。

导航电文生成模型将即时接收单元提供的真实导航电文参数如：卫星状态、空间环境参数、时间系统改正参数、广域差分信息和系统完好性信息等和相关模型计算拟合后的参数如：卫星轨道数据、卫星钟差修正参数等实现电文的编排。

当然，本实施例还可以设有调节卫星导航信号的功率，以增大或衰减播发的卫星导航信号的功率，用于在信号播发前调节卫星导航仿真信号，对于长度为几十公里的隧道或其他室内环境提供了有效卫星导航定位保障，不会因为信号微弱造成导航终端无法接收的问题，进行智能灵活调节。

本实施例中，一个仿真计算单元对应N个基带信号单元，当仿真计算单元为M个，则对应M*N个基带信号单元，比如仿真计算单元可任意选择GPS、BDS、GLONASS、Galileo任意一种或多种卫星导航体系组合计算仿真数据，从而生成M*N个任意GNSS信号，即任意一种GNSS信号可以选择多个通道并行独立输出，以满足多个体制信号发射的需要，能满足隧道内装有GPS、BDS、GLONASS、Galileo任意体系的车载导航终端，均能进行连续导航，不存在盲区与死区，进一步的，仿真计算单元根据N个不同位置的发射天线选择N种不同的选星组合，计算出N个不同的仿真数据，使得发射天线之间不会有相互干扰，例如发射天线1的位置，选择卫星1、2、3这样的选星组合进行数据仿真，而发射天线2的位置，选择2、3、4这样的选星组合进行数据仿真，当然更优选的则是，相邻发射天线无任何一个共同的卫星，即发射天线2选择卫星4、5、6这样的选星组合方式将达到更优。

本实用新型可在隧道系统中应用，如图5所示隧道的侧视图，车载导航终端3安装在车上，通常隧道内卫星导航信号是不可能接收到的或者很微弱的。如图所示，该室内环境下卫星导航定位增强系统可以包括无源接收天线20设置在隧道口外，隧道内挂装或安装或设置基准单元(图未示出)与集中式卫星导航模拟器1，与N个发射天线。当然，根据隧道的长度设置满足需求的发射天线，为需要提供连续卫星导航信号覆盖的隧道，以确保进入隧道，在隧道内，以及出隧道的车载导航终端收到的卫星导航信号都是流畅不间断的。各发射天线之间距离为L，其中L优选50～100米，以50米为例，例如车辆在经过第一个发射天线时，接收的范围能力为50m，则在经过第二个发射天线时，自动定位为(50+50)m，通过接收隧道内卫星导航定位增强系统进行定位，从而提供救援以及交通疏导的准确位置信息。因此在隧道内再生并播发卫星导航信号，解决在不对车载导航终端进行任何改动条件下卫星导航定位问题，提高了隧道内交通事故救援效率、交通疏导能力、也极大提高了用户体验度，能在进入隧道之前及时改变行程，以防止二次交通事故，在降低隧道内重大事故风险中具有重要应用价值。

图6和图7示出了一种单层室内定位示意图。在该结构中设置一个无源接收天线20，可以接收来自卫星1、卫星2、卫星3、卫星4、以及到卫星n的信号，通过射频线传输给室内基准单元，连接集中式卫星导航信号模拟器1，与安装在室内的N个发射天线，通过集中式卫星导航信号模拟器根据发射天线所在位置，以及配置不同的选星组合计算出要模拟的卫星导航信号的仿真数据，依此生成与N个发射天线相对应的N个卫星导航信号，实现在室内的卫星导航信号增强系统。当然基准单元设备还可以从有线或无线的互联网渠道获取卫星状态参数如星历、历书等，通过集中式卫星导航信号模拟器中的时间频率单元通过GNSS信号接收机实时获取GNSS授时信息，并进行时钟驯服，可形成N个仿真数据同步生成，与室外真实卫星导航信号的时频同步一致，使得不做任何更改的导航终端不会因为跳变造成无法接收室内模拟的卫星导航信号。

在另一实施例，图8示出了一种多层室内定位示意图。可以视为办公室或公寓楼塔，购物中心，或停车库或者医院等。该卫星导航信号增强系统同样适用，只需要设置一个室外的无源接收天线1接收卫星1、卫星2、卫星3、卫星4、以及到卫星N等多颗卫星信号，以及通过无线或有线的互联网渠道从服务器数据中心获取相关历书和星历，并在集中式卫星导航信号模拟器1中计算出N个要模拟的卫星导航信号的仿真数据，依此生成与N个发射天线相对应的N个卫星导航信号，实现在室内的卫星导航定位，即可解决快速了解第一层、第二层、第三层直到第N层中各个楼层存在的人员，以及人员所在的位置，不会造成应急救援时的盲目性，提高生命救援效率。当然，设置接收天线的点可以该建筑物的入口和/或出口，或顶层或室外墙面上。

综上，本实用新型不仅适用于隧道内车辆，尤其是两客一危的重点车辆救援指导，交通疏导，同时也为我国其他深山峡谷的交通运输、地下工程、地下商场、停车场等导航信号盲区提供有效的导航定位增强，便于救援时知道人员分布在哪，大大缩短了救援时间与提高生命生机，也还可以应用在共享单车，共享汽车导航定位问题，当有人私自把车停进地下车库，或者小巷的导航盲区中，他人就无法继续共享该车辆，从而把共享车变成私家车，导致共享资源的极大浪费，通过本实用新型的卫星导航定位增强系统，这些导航盲区问题都迎刃而解，应用前景非常广泛。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：包括依次连接的基准单元、集中式卫星导航信号模拟器，以及间隔布置的N个发射天线，N个所述发射天线与所述集中式卫星导航信号模拟器连接，同步发射N个再生的卫星导航信号。

2.根据权利要求1所述的室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述基准单元包括GNSS信号接收模块，所述GNSS信号接收模块为设置在室外的无源接收天线，通过射频接口与所述集中式卫星导航信号模拟器连接。

3.根据权利要求1所述的室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述基准单元包括网络模块，通过互联网获取星历、历书、基准时间，并发至所述集中式卫星导航信号模拟器。

4.根据权利要求2或3所述的室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述集中式卫星导航信号模拟器与多个发射天线通过局域网直接或间接连接，N个发射天线将所述集中式卫星导航信号模拟器生成的N个卫星导航信号往室内发射。

5.根据权利要求4所述的室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：N个所述发射天线呈等距线性分布、或呈网格矩阵式分布，发射天线间隔≤100m。

6.根据权利要求5所述的室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述集中式卫星导航信号模拟器包括时间频率单元、仿真计算单元、信号生成单元，所述时间频率单元触发仿真计算单元进行仿真，且同时注入到信号生成单元中，其中所述时间频率单元包括依次连接的GNSS信号时钟驯服模块、本地时钟产生模块，GNSS信号时钟驯服模块内置驯服控制子单元和频率发生器件，驯服控制子单元根据所述时间信息对频率发生器件生成的本地时频基准信号进行驯服。

7.根据权利要求6所述的室内环境下卫星导航定位增强系统，其特征在于：所述仿真计算单元可根据N个发射天线的位置结合N种选星组合进行数据仿真，所述信号生成单元根据N个仿真数据生成N个卫星导航信号。