一種基于gnss中繼器的室內(nèi)定位方法及精度提高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子、通信與自動(dòng)控制領(lǐng)域，涉及到基于導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶定位，特別涉 及到基于GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）中繼器的無法直接獲取導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下的用戶定 位。
【背景技術(shù)】
[0002] 在建筑物內(nèi)或其它無法直接獲取導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的環(huán)境中，用戶一般無法直接利用 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)獲取定位。目前有多種室內(nèi)定位技術(shù)?；贕NSS中繼器的室內(nèi)定位方法主要 是利用中繼器將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)放大并轉(zhuǎn)發(fā)后，提供給室內(nèi)接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位。目前提出 的基于GNSS中繼器的室內(nèi)定位方法一般要求中繼器之間實(shí)現(xiàn)同步，同時(shí)在轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)時(shí)幾個(gè) 中繼器需要按序交換轉(zhuǎn)發(fā)以避免中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)互相干擾，也有利于接收機(jī)判斷轉(zhuǎn)發(fā)的 信號(hào)是來自哪一個(gè)中繼器。另外所有中繼器需要共同與一個(gè)室外GNSS天線連接。連接電纜 要求長(zhǎng)度固定且精確測(cè)量?；趥涡l(wèi)星的室內(nèi)定位方法同樣要求偽衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)同步。結(jié) 合偽衛(wèi)星和GNSS中繼器技術(shù)的室內(nèi)定位方法利用兩者優(yōu)點(diǎn)，不需要同步，同時(shí)可以對(duì)中繼 器到接收機(jī)之間距離實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。但該方法同樣要求所有中繼器分別用電纜與一個(gè)室外 天線連接，且電纜長(zhǎng)度要求精確測(cè)量。通過測(cè)量由電纜長(zhǎng)度不同導(dǎo)致的延遲來確定衛(wèi)星信 號(hào)來自哪一個(gè)中繼器。如果電纜長(zhǎng)度測(cè)量不夠精確，將導(dǎo)致中繼器識(shí)別出現(xiàn)誤判，從而導(dǎo)致 定位誤差。另外該本法成本相對(duì)也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所涉及的基于GNSS中繼器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法首先不需要GNSS中繼器同 步，也不需要中繼器按序交換轉(zhuǎn)發(fā)及與同一個(gè)GNSS天線以固定電纜長(zhǎng)度連接。在本發(fā)明方 法中，每個(gè)GNSS中繼器可連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，只是要求至少兩個(gè)或兩個(gè)以導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì) 中繼器可見。在任一時(shí)刻，不論用哪個(gè)衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量，從一個(gè)中繼器到接收機(jī)的距離是不變 的。利用這個(gè)特性，通過比較利用不同衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量的從一個(gè)中繼器到接收機(jī)的距離，用戶 接收機(jī)可以確定一個(gè)給定的衛(wèi)星信號(hào)是從哪個(gè)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)來的。中繼器的位置坐標(biāo)可提前 獲取。這樣，利用測(cè)量的指定中繼器到接收機(jī)的距離及中繼器位置坐標(biāo)，接收機(jī)就可以計(jì)算 得出其自身位置，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航定位。
[0004] (1)用戶位置坐標(biāo)計(jì)算
[0005] 本發(fā)明要求在建筑物頂部或其它開放環(huán)境(可直接接收到導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)）中布置4 個(gè)或4個(gè)以上的GNSS中繼器，同時(shí)要求至少2顆導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)這些中繼器可見，也即所有GNSS 中繼器可同時(shí)直接接收2個(gè)或2個(gè)以上的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。中繼器將對(duì)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào) 進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)中繼器在轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)前要對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲，設(shè)中繼器η對(duì)信號(hào)延遲時(shí) 間為，則要求| ArAdHji關(guān)j，tc是導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)所用擴(kuò)頻碼的一個(gè)碼片時(shí)間），且 AiKminU/f^ts}，其中fu是接收機(jī)位置更新頻率，而ts是導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)所用擴(kuò)頻碼的一個(gè) 碼長(zhǎng)時(shí)間。
[0006]在接收機(jī)端，接收到的衛(wèi)星信號(hào)與本地CA碼(擴(kuò)頻碼)進(jìn)行相關(guān)操作。當(dāng)與[六碼匕 進(jìn)行相關(guān)操作時(shí)，會(huì)得到4個(gè)較大的相關(guān)峰值及相應(yīng)的碼相位，而這4個(gè)較大的相關(guān)峰值分 別是4個(gè)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星Sl的信號(hào)產(chǎn)生的。通過獲得的碼相位，接收機(jī)可計(jì)算得出衛(wèi)星 Sl 信號(hào)從衛(wèi)星81發(fā)出到中繼器再轉(zhuǎn)發(fā)到接收機(jī)所需要的時(shí)間，記為Δ7;(",其中下標(biāo)k表示這個(gè) 時(shí)間是通過第k個(gè)相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的碼相位計(jì)算得到的。但產(chǎn)生這第k個(gè)相關(guān)峰值的信號(hào)是由 哪個(gè)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的需要進(jìn)一步確定?？杀硎緸?，
[0008]其中，為ρ是信號(hào)從中繼器^到室內(nèi)接收機(jī)所需的時(shí)間；δι是接收機(jī)時(shí)鐘誤差； 先w是信號(hào)從衛(wèi)星到中繼器再到接收機(jī)所經(jīng)歷的傳播誤差，而《,.;是信號(hào)在中繼器的處理 時(shí)間（從信號(hào)到達(dá)中繼器天線到處理完后離開天線所需的時(shí)間）。公式（1)可進(jìn)一步整理為：
[0010]利用公式(2)，針對(duì)不同衛(wèi)星信號(hào)，可形成4個(gè)矩陣Mi，i = l，2,3,4，
[0012] 對(duì)于某一個(gè)中繼器〇來說，不同衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差之(/=1二3,4)可考慮近 似相等。另外，因?yàn)樗兄欣^器都具有相同的硬件和軟件，所以處理時(shí)間^^.對(duì)所有中繼器 來說是相等的。當(dāng)衛(wèi)星81信號(hào)被4個(gè)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，在接收機(jī)端信號(hào)與本地CA碼匕進(jìn)行相關(guān) 操作將會(huì)出現(xiàn)4個(gè)較大的相關(guān)峰值，而其中一個(gè)峰值將是由中繼器^轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星81信號(hào)產(chǎn)生 的。在同一測(cè)量時(shí)刻，對(duì)于任何衛(wèi)星的信號(hào)，只要是通過中繼器^轉(zhuǎn)發(fā)的，那么公式(2)右端 都是近似相等的。因?yàn)闊o論是哪個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)從中繼器^轉(zhuǎn)發(fā)到接收機(jī)，中繼器到接收機(jī) 的距離都是不變的(夂.4亙定）。這樣，考慮中繼器η，矩陣仏第一行的某一個(gè)元素將與矩陣 Μ2第一行的某一個(gè)元素近似相等，也將與矩陣Μ3和矩陣Μ4第一行的某個(gè)元素近似相等。也就 是說，]Wi，人? e ，
[0013]
[0014] 通過比較矩陣和M4第一行中元素，h，夂沐1，11可以被確定。這樣， ΔΤ^,ΔΤ^將分別是衛(wèi)星S1，S2，S3，84的信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射后到中繼器=再轉(zhuǎn)發(fā)到 接收機(jī)所需要的時(shí)間。類似，通過分別比較矩陣Mi、M 2、M3和M4第二行、第三行和第四行中的 元素，可以確定(ΔΓ,; 11，Arf,ΔΓ廣ΔΓ,;41)、（ASUU'Arf,ΔΓ^)和(ACUC,21,ΔΓ: 而這些時(shí)間是衛(wèi)星81，82,83,84的信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射后分別到達(dá)中繼器^^3和^再轉(zhuǎn)發(fā)到接 收機(jī)所需要的時(shí)間。利用公式(1)，可以得出
[0016]讓 Δ Γ,.!ι)" = Δ Γ,,(ι) - Δ Γ?ι(,ν:，辨=1,2,3,4 :P AZ:f 已經(jīng)通過上述方法獲得，而 Δ7；.,;"是衛(wèi)星81到中繼器的距離，可以通過中繼器和衛(wèi)星81的坐標(biāo)計(jì)算得出。這樣， Δ<"" (/? = 1,23,4)可以表示如下：
[0018] Δ2^"是通過衛(wèi)星S1的信號(hào)測(cè)得的，其代表衛(wèi)星S1信號(hào)從中繼器5到接收機(jī)所需的 時(shí)間，包括傳播誤差、鐘差和處理時(shí)間。類似，可以通過衛(wèi)星S2, S3和S4的信號(hào)獲得 Δ7；；2、ΔΓ?和ΔΖ；4),。為減少測(cè)量誤差，信號(hào)從中繼器~到接收機(jī)所需時(shí)間可以取平均
這樣，公式(6)可更新為：
[0020]因?yàn)樗兄欣^器相距較近，所以= U丄4)可以認(rèn)為是相等的（如果存在較 小誤差，可以考慮包含在Δ?；。的測(cè)量誤差中）。此外，每個(gè)中繼器的信號(hào)處理時(shí)間 < (./ = 1二3,4)也是相等的。因此，根據(jù)公式(7)，可進(jìn)一步獲得：
[0022]讓 4 =A【,，A(|W(j_=l，2,9，-? = =(xr:，.v,;,zj，其中 和(?% ,4)分別是用戶接收機(jī)和衛(wèi)星Sl的坐標(biāo)。這樣，公式⑶可以寫成：
[0024]
f代表從中繼器Γι到接收機(jī)的 距離。根據(jù)公式(9)，可以獲得用戶位置坐標(biāo)(Xu，yu，zu)的閉式解。
[0025] 因?yàn)?^(? = 1，2,3)可能為0,所以閉式解需要針對(duì)不同1^(? = 1，2,3)等于0的情況 進(jìn)行討論。一般情況下，如果h (i = 1，2，3)中某一個(gè)為0，或兩個(gè)為0，或都為0，都可以通過 公式(9)解出(xu，yu，z u)。如果bi(i = l，2,3)都不為0,則(xu，yu，zu)閉式解如下：
[0026] 首先讓
[0028] 其中，Xrj，yrj和Zrj是中繼器rj的坐標(biāo)。
[0029] 再讓
[0033]其中，二if ~+% 十 1 >，沒二2[/士 - & (朽'?^ + 免孤。+ )].和C 二."，合「(挪「+ 辨；+ 。 zu可能有兩個(gè)不等值ZU1和zU2，將(XU，y u，ZU1)和(xu，yu，zU2)分別轉(zhuǎn)化為經(jīng)煒度和海拔高度表 達(dá)，則海拔高度較低的那組數(shù)據(jù)將作為用戶位置坐標(biāo)。
[0034] (2)定位性能提尚方法
[0035]對(duì)于多樓層的建筑物來說，每一層任一位置點(diǎn)的海拔高度可以精確測(cè)量。因?yàn)橐?般來說每個(gè)樓層的面積不會(huì)很大，所以可以用該層所有位置點(diǎn)海拔高度的平均值作為該層 的海拔高度。由于從中繼器到接收機(jī)的距離測(cè)量有誤差，通過上述方法獲得的用戶位置 ( Xu，yu，zu)可能并不精確，甚至可能含有較大誤差。但如果每個(gè)樓層的海拔高度已提前測(cè)量 得知，那么將獲得的用戶位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)煒度和海拔高度的表達(dá)方式后，可以將測(cè)得的 用戶海拔高度與每一樓層的海拔高度比較。如果用戶海拔高度測(cè)量誤差不大于兩個(gè)樓層之 間高度的一半，那么通過這個(gè)比較，就可以確定用戶位于哪個(gè)樓層，繼而進(jìn)一步確定用戶精 確的海拔高度(即其所在樓層的海拔高度）。
[0036] 利用這個(gè)校正后精確的海拔高度，可以進(jìn)一步提高用戶位置精度。采樣率低是中 繼器到用戶接收機(jī)之間距離測(cè)量的誤差源之一。一般解決方案是提高采樣率，但會(huì)增加接 收機(jī)處理數(shù)據(jù)量。所以可以考慮的方法是先將信號(hào)以較低頻率采樣，在獲取粗略碼相位后 (用于計(jì)算從中繼器到接收機(jī)的距離），再確定一個(gè)時(shí)間窗對(duì)原始信號(hào)以較高頻率進(jìn)行重采 樣。這個(gè)時(shí)間窗確定方法如下：信號(hào)一開始被以低頻率采樣，在與本地CA碼進(jìn)行相關(guān)操作 后，可獲取碼相位心 P。因?yàn)榇a相位誤差不會(huì)超過采樣周期的一半，所以真實(shí)碼相位應(yīng)該在
這個(gè)范圍內(nèi)。這樣，可以在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)原始信號(hào)以較高頻率進(jìn) 行重采樣以獲取高精度的碼相位。但這種重采樣方法會(huì)使得接收機(jī)信號(hào)處理過程復(fù)雜，且 實(shí)際操作可行度較低。因此，本發(fā)明提出一種軟采樣的方法。
[0037] 軟采樣方法在這里是指不對(duì)信號(hào)進(jìn)行真的采樣，也不進(jìn)行相關(guān)操作以獲取新的碼 相位，而只是假設(shè)信號(hào)在
內(nèi)被以較高頻率采樣，那樣，新的碼相位就