CN212275985U - 基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置，能够实现在复杂环境下的亚米级的高精度定位。所述装置包括亚米级定位系统、云服务器、和GNSS基站。其中亚米级定位系统包括微处理单元，以及与微处理单元连接的GNSS模块和NB‑IoT模块，GNSS模块接收卫星导航数据，NB‑IoT模块从云服务器获取GNSS基站测得的误差改正数据，微处理单元调用深紧组合的伪距相位自适应差分定位技术算法处理GNSS模块接收到的卫星导航数据和NB‑IoT模块接收到的基站改正数据，得到高精度定位结果。NB‑IoT模块将定位结果发送到云服务器，使得用户不但在自身设备查看定位结果，也可以在别的终端上查看定位结果。
Description
技术领域
本公开涉及一种基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置。
背景技术
当前室外定位主要依靠全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)，用户通过接收卫星信号来实现定位。但是GNSS卫星信号容易受到外界环境影响，在城市峡谷、森林、高山峡谷地带多路径效应明显，同时在隧道、地下通道等无信号地方，采用当前市场上的导航设备会出现导航定位结果会出现很大偏差甚至无法定位，这样很大程度上限制了导航设备的使用范围。
发明内容
本公开提供一种基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置。将导航定位系统和通信系统整合在一起，能够实现精度高，可靠性好的远程实时定位，尤其是在复杂环境下能够达亚米级的定位结果。
本公开的至少一个实施例提供一种通信导航定位装置，包括亚米级定位系统，所述亚米级定位系统包括：用于接收卫星导航数据的GNSS模块；用于接收GNSS基站测得的误差改正数据的NB-IoT模块；和微处理单元；所述微处理单元连接所述GNSS模块和所述NB-IoT模块，所述微处理单元根据深紧组合的伪距相位自适应差分定位技术算法处理所述GNSS模块接收到的所述卫星导航数据，和所述NB-IoT模块接收到的所述基站改正数据，得到定位结果，所述NB-IoT模块发送所述定位结果。
在一些示例中，所述NB-IoT模块从云服务器获取所述误差改正数据。
在一些示例中，所述NB-IoT模块将所述定位结果发送到云服务器。
在一些示例中，所述微处理单元与所述NB-IoT模块和所述GNSS模块之间用串口进行通信。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置框图。
图2为亚米级定位系统中的NB-IoT模块的内部框图。
图3为亚米级定位系统中的微处理单元(MCU)模块的内部框图。
图4为亚米级定位系统中的GNSS模块的内部框图。
图5为亚米级定位系统中的内部模块的连接图。
图6为深紧组合的伪距相位自适应差分定位技术介绍。
具体实施方式
基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置，包括GNSS基站，终端，云服务器，亚米级定位系统。亚米级定位系统包括微处理单元(MCU)，GNSS模块和NB-IoT模块。如图1所示，GNSS基站搜索GNSS信号，并得到GNSS基站观测到的数据，另外由于GNSS基站的三维坐标是固定且已知的，所以GNSS基站可以利用精确的基准坐标求得基站观测数据的误差，误差可以是伪距修正量或位置修正量，GNSS基站将基站观测数据(误差改正数据)发送到云服务器，云服务器将GNSS基站观测数据再通过无线通信发送给亚米级定位系统，在本公开中，为了解决在同一时间大量用户的服务需求，云服务器采用MQTT物联网通信协议。GPS/北斗卫星也可以将卫星信号发送给亚米级定位系统中的GNSS模块，GPS/北斗原始观测数据虽然可以测得卫星到终端的距离，但是因为电离层，衰落等因素的影响，GPS/北斗原始观测数据测得的结果和实际位置结果有较大的误差。亚米级定位系统通过系统内部的GNSS模块接收GPS/北斗原始观测数据，MCU利用接收到的基站观测数据和GPS/北斗原始观测数据进行差分解算来获得高精度定位结果。NB-IoT模块再将定位结果发送到云服务器，使得用户不但在自身设备查看定位结果，也可以在别的终端上查看定位结果。
该低功耗亚米级通信导航定位装置中的亚米级定位系统在基于ARM的嵌入式开发平台上实现的。基于ARM的嵌入式开发平台性能稳定，能够方便调试和通讯，实现平台间的协作处理，采用Cortex-M7内核的MCU能够同时接收支持北斗/GPS的GNSS模块发送过来的原始观测数据和GNSS基站发送过来的基站改正数据并作处理，利用基于深紧组合的伪距相位自适应差分定位算法获得亚米级定位结果。
窄带物联网(NB-IoT，Narrow Band Internet of Things)是物联网的主要组成部分，是第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation Partnership Project)在2016年发布的Rel-13版本中定义的。同Cat-M1协议相比，NB-IoT消耗的带宽更窄，覆盖距离更远，大约只消耗180KHz的带宽。因为NB-IoT模块具有低功耗，对时延不敏感等优势，为了让该通信导航定位装置整体更好实现低功耗的指标，因此采用NB-IoT模块将MCU处理的差分定位结果从亚米级定位系统发送到云服务器，并且该定位装置由统一的系统电源管理电路供电，有效地调节系统能耗。
云服务器(Elastic Compute Service，ECS)相比传统服务器来说，其管理方式比物理服务器更简单高效，在处理能力方面可弹性伸缩，降低了开发运维的难度和整体IT成本。用户无需提前购买硬件，即可迅速创建或释放任意多台云服务器。
图2展示了亚米级定位系统中的NB-IoT模块的内部框图。如图2所示，NB-IoT模块包括处理器子模块，外设子模块，通信子模块，电源管理电路。其中处理器子模块包括中央处理器(CPU)，高速缓冲存储器，静态随机存储器，非易失FLASH。外设子模块中包含了通用I/O口，I2C接口，串口，USIM接口。通信子模块包括调制解调器，随机存储器，FLASH。
图3展示了亚米级定位系统中的微处理单元(MCU)模块的内部框图，如图3所示，MCU模块的中央处理器采用的是Cortex-M7核，中央处理器通过DCODE总线和系统总线与总线矩阵相连，并且通过ICODE总线和闪存(Flash)相连，总线矩阵上挂载静态随机存取存储器，复位和时钟控制电路，USB，AHB总线，直接内存存取控制器(DMA)。AHB总线通过桥接方式连接两个APB系统总线，APB系统总线上的通用I/O口，串口，模数转换器，定时器等这些外设通过总线矩阵与系统总线相连，可以允许DMA访问。
图4展示了亚米级定位系统中的GNSS模块的内部框图。如图4所示，GNSS模块包括射频前端，AD转换芯片、GNSS基带引擎，低噪声放大器，天线状态检测与短路保护电路，中央处理器，随机存储器，FLASH，实时时钟电路，电源管理电路，通用I/O口，I2C，串口。GNSS模块的天线可以接收来自北斗或GPS的卫星数据，为了要更好地接收卫星信号，天线接口采用的是有源天线，模块内部集成了天线状态检测与短路保护电路能够更加安全的给天线供电。GPS/北斗发送过来的导航数据首先经过GNSS模块中的GPS/北斗射频前端处理，再经过AD转换芯片将模拟中频信号转换为数字中频信号，然后经过GNSS基带引擎处理后通过串口发送给MCU。
图5展示了亚米级定位系统中的各模块的连接框图。如图5所示，MCU和NB-IoT模块之间用串口进行通信，并且MCU通过一个I2C接口或者I/O口输出定位结果。NB-IoT模块上的USIM端口用来连接USIM芯片。NB-IoT模块将MCU处理得到的定位结果经过无线通信发送给云服务器。MCU、GNSS模块、NB-IoT模块的具体连接方式：GNSS模块上的串口的发送端和MCU串口1的接收端相连接，GNSS模块将原始卫星观测数据从串口的发送端发送到MCU串口1的接收端，GNSS模块上的串口的接收端和MCU串口1的发送端相连接；MCU串口2的发送端接NB-IoT模块串口的接收端，MCU串口2的发送端将经过PPADA算法得出的定位结果发送到NB-IoT模块串口的接收端，MCU串口2的接收端接NB-IoT模块串口的发送端，MCU用串口2的接收端接收基站的改正数据。
本公开为了实现复杂场景下的亚米级定位，采用的是深紧组合的伪距相位自适应差分定位技术。如图6所示，这种差分定位技术可以实现不同定位精度的定位效果。在丢失载波相位观测量或相应增强信息时，采取伪距差分技术，可以达到1-2米的定位精度；在获得载波相位观测量及相应增强信息时，通过计算模糊度浮点解差分定位结果，可以达到亚米级的定位精度；在此基础上，如能进一步实现模糊度正确、有效固定，可以达到5厘米的定位精度。在开阔环境下，利用三差解信息进行周跳探测，获得历元间的厘米级位置变化信息，并进行模糊度固定。在复杂场景下，利用GNSS和低成本MEMS惯导的深组合，提升卫星观测数据的质量，降低载波相位观测量的丢失率。在GNSS信号频繁中断的场景下，利用GNSS/MEMS惯导紧组合技术，获取分米级的载体相对位置变化信息，提高模糊度重收敛速度和可靠性。
上述的基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置工作过程包括接收过程，数据处理过程，发送过程：
接收过程：当有用户需要定位服务时，初始化定位装置，搜索GNSS卫星信号，亚米级定位系统的GNSS模块接收GPS/北斗导航卫星发送的原始卫星观测数据，并将接收的原始GNSS卫星观测数据处理后发送给MCU，GNSS基站通过自带的GNSS设备将基站改正数据发送给云服务器，然后云服务器通过无线通信的方式将基站测得的改正数据发送到亚米级定位系统，当亚米级定位系统的NB-IoT模块接收到基站改正数据后，通过模块上的串口的发送端将数据发送到MCU的串口的接收端。
数据处理过程：当亚米级定位系统中的MCU分别用两个串口接收GNSS模块串口发送过来的原始GNSS观测数据和NB-IoT模块发送过来的基站改正数据后，MCU采用基于深紧组合的伪距相位自适应差分定位算法来处理接收到的数据，进行差分解算获得在复杂环境下的亚米级定位结果。
发送过程：亚米级定位系统的MCU将基于深紧组合的伪距相位自适应差分定位技术算法得到的定位结果通过串口发送给NB-IoT模块，NB-IoT模块将差分定位结果通过模块上的天线发送给云服务器，该定位结果保存在服务器，随时可以供终端查看。
Claims (4)
1.一种通信导航定位装置，其特征在于，包括亚米级定位系统，所述亚米级定位系统包括：用于接收卫星导航数据的GNSS模块；用于接收GNSS基站测得的误差改正数据的NB-IoT模块；和微处理单元；所述微处理单元连接所述GNSS模块和所述NB-IoT模块，所述微处理单元根据深紧组合的伪距相位自适应差分定位技术算法处理所述GNSS模块接收到的所述卫星导航数据，和所述NB-IoT模块接收到的所述基站改正数据，得到定位结果，所述NB-IoT模块发送所述定位结果。
2.根据权利要求1所述的通信导航定位装置，其特征在于，所述NB-IoT模块从云服务器获取所述误差改正数据。
3.根据权利要求1所述的通信导航定位装置，其特征在于，所述NB-IoT模块将所述定位结果发送到云服务器。
4.根据权利要求1所述的通信导航定位装置，其特征在于，所述微处理单元与所述NB-IoT模块和所述GNSS模块之间用串口进行通信。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020958684.7U CN212275985U (zh) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020958684.7U CN212275985U (zh) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置 |
Publications (1)
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| CN212275985U true CN212275985U (zh) | 2021-01-01 |
Family
ID=73880408
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202020958684.7U Active CN212275985U (zh) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN212275985U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111505676A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-08-07 | 武汉大学 | 基于窄带物联网的低功耗亚米级通信导航定位装置及方法 |
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2020
- 2020-05-29 CN CN202020958684.7U patent/CN212275985U/zh active Active
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