一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位方法与系统

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于伪卫星技术的室内外 无缝定位方法与系统。

背景技术

对于卫星定位系统而言，接收机只要在任意位置能够捕获到4颗以上的 GPS卫星信号，就能完成定位。但是，由于卫星信号的特性导致其信号很难 完全穿透阻挡物，因此在一些封闭环境下，如地下停车场、隧道以及商场等 室内场景中，GPS接收天线被阻隔，往往只能捕获到微弱的信号，甚至跟踪 不到4颗以上的卫星，这对定位的稳定性和精度都造成了巨大的影响。为此， 室内定位技术是当前研究开发的热点，而目前在研发或投入使用的室内定位 系统，大多是独立于卫星导航系统进行，如采用超宽带技术、RFID、蓝牙技 术以及Wifi定位等。但由于采用的技术与GPS系统存在很大的差异性，因此 室内定位往往会独立于卫星定位存在，这样带来的问题就是，当用户在活动 中发生了室内外场景的转换时，不能够马上切换定位方式来应对新的场景， 这在需要进行连续定位的应用中，会带来很多的问题。比如需要在多隧道地 段对目标车辆进行实时监控，对车辆进入地下停车场的实时定位等，如果仅 靠GPS定位系统很难保证对室内环境下的定位稳定性和准确性；而在室内环 境下采用其他系统单独定位，又很难保证定位的连续性和便捷性。

发明内容

本发明所要解决的是现有室内定位方法无法实现室内外的无缝定位的问 题，提供一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位方法与系统。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位系统，由伪卫星接收端即待定位 用户、参考发射端、至少三个伪卫星模拟收发端、以及主控端组成；其中每 个伪卫星模拟收发端均由卫星信号接收机和卫星信号模拟器组成；伪卫星模 拟收发端和参考发射端分别设置在室内的不同位置上，且伪卫星模拟收发端 和参考发射端的三维位置坐标已知；伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机的 输入端与天上卫星连接，伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机的输出端与主 控端的输入端连接，主控端的输出端连接伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟 器的输入端，伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器的输出端连接伪卫星接收 端的输入端；参考发射端的输出端也连接伪卫星接收端的输入端；伪卫星接 收端的输出端连接主控端的输入端。

上述系统中，伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机安置在室外，卫星信 号模拟器安置在室内。

上述室内外无缝定位系统所实现的一种基于伪卫星技术的室内外无缝定 位方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、每个伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机分别接收天上卫星的 卫星信号，对该卫星信号进行捕获跟踪，并将捕获跟踪获得的载噪比传送回 主控端；

步骤2、主控端基于每个伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机所传送的 载噪比，为每个伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器分配一颗捕获到的天上 卫星；

步骤3、每个伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器根据分配天上卫星， 解调所分配天上卫星的卫星信号，并计算得到该伪卫星模拟收发端与所分配 天上卫星的伪距和水平夹角；在复制的原星历基础上将计算出伪卫星模拟收 发端与所分配天上卫星的伪距和水平夹角添加进去，经过调制后生成伪卫星 信号并发射；

步骤4、参考发射端直接对给定的备用天上卫星的卫星信号进行模拟， 生成伪卫星信号并发射；

步骤5、伪卫星接收端同时接收所有伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟 器和参考发射端所发射的伪卫星信号，通过捕获跟踪解调出伪卫星模拟收发 端和参考发射端的观测数据，并将这些观测数据发送至主控端；

步骤6、主控端利用伪卫星接收端所发送来的观测数据计算伪卫星接收 端的真实位置，即：

步骤6.1、主控端利用各个伪卫星接收端和参考发射端所发送来的观测数 据，计算伪卫星接收端与各个伪卫星模拟收发端的伪距，以及伪卫星接收端 与参考发射端的伪距，同时获得伪卫星模拟收发端与所分配天上卫星的伪距 和水平夹角；

步骤6.2、对于每个伪卫星模拟收发端，计算伪卫星接收端和该伪卫星模 拟收发端的连线与该伪卫星模拟收发端和参考发射端的连线的夹角，即：

步骤6.3、分别计算伪卫星接收端与各个伪卫星模拟收发端所分配天上卫 星的伪距，即：

步骤6.4、根据伪卫星接收端与各个伪卫星模拟收发端所分配天上卫星的 伪距，以及各个伪卫星模拟收发端的三维位置坐标，利用定位解算算法解算 出伪卫星接收端的真实位置；

式中，β

上述步骤2的分配过程如下：

步骤2.1、主控端从N个伪卫星模拟收发端同时获取捕获到的每颗天上卫 星的载噪比，基于平均载噪比和被捕获比选择出N个预分配天上卫星，并对 预分配卫星按照其卫星号的高低，依次编号为1,2,…,N，并初始化待分配卫星 数WD＝1；

步骤2.2、令当前预分配天上卫星的编号为x＝WD；

步骤2.3、将当前预分配天上卫星x的当前最大载噪比对应的伪卫星模拟 收发端作为当前预分配天上卫星x的预分配端C

步骤2.4、判断WD是否等于1：如果是，则令WD＝WD+1，并转至步骤 2.2；否则，则转至步骤2.5；

步骤2.5、判断当前预分配天上卫星x的预分配端C

如果都不重复，则进一步判断WD是否等于N：

若是，则分配过程结束，每个伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器均 分配到一颗捕获到的天上卫星；

否则，令WD＝WD+1，并返回步骤2.2；

如果重复，则进一步比较当前预分配天上卫星x的当前相关值K

若K

若K

上述N为伪卫星模拟收发端的个数。

上述步骤2.1中，每颗天上卫星的平均载噪比等于所有捕获到该天上卫 星的伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机所获得的载噪比之和除以捕获到该 天上卫星的伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机的数量。

上述步骤2.1中，每颗天上卫星的被捕获比等于捕获到该天上卫星的伪 卫星模拟收发端的卫星信号接收机的数量之和除以所有伪卫星模拟收发端的 卫星信号接收机的数量。

上述步骤2.1中，以被捕获比为主，平均载噪比为辅进行排序来选择预 分配卫星。

上述步骤5中，伪卫星接收端向主控端发送的观测数据包括：天上卫星 与对应伪卫星模拟收发端的伪距以及水平夹角；伪卫星模拟收发端与伪卫星 接收端的伪码相位与载波相位；参考发射端与伪卫星接收端的伪码相位与载 波相位；伪卫星接收端对伪卫星信号的接收时间；天上卫星的坐标参数。

与现有技术相比，本发明改进了伪卫星系统的结构，通过将伪卫星发射 端改为一个收发系统，可以在室内定位的同时接收外部卫星信号，使得室内 定位和室外定位相结合，系统还新增了一个参考发射端，通过求得与室内目 标的距离和夹角，从而辅助测算出室外位置。本发明可以实现灵活的室内外 定位切换，由于伪卫星电文和天上卫星高度相似，不影响接收机的正常捕获， 无论定位目标在室内还是室外都能正常接收信号，因此不需要额外设计专用 接收机且不用切换室内外模式，系统技术实现简单，且算法实现容易，可控 性强。

附图说明

图1为一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位系统的示意图。

图2为一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位方法的原理框图。

图3为无缝定位原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例， 对本发明进一步详细说明。

一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位系统，如图1所示，由一个伪卫 星接收端(即待定位用户)、至少三个伪卫星模拟收发端、一个参考发射端以 及一个主控端组成。为了定位需要，需要布置至少三个位置不同的伪卫星模 拟收发端。当采用基于到达时间(ToA)、接收信号强度(RSS)和到达角度(AoA) 的定位方法时，可以采用三个伪卫星模拟收发端，当采用基于到达时差(TDoA) 的定位方法时，需要采用四个伪卫星模拟收发端。在本实施例中，系统配有 四个伪卫星模拟收发端。每个伪卫星模拟收发端包括一个卫星信号接收机连 接一个卫星信号模拟器，其中卫星信号接收机安置在室外，负责卫星信号接 收，卫星信号模拟器安置在室内，负责信号的发射。伪卫星模拟收发端和参 考发射端安置在不同位置上，且该位置的三维坐标已知。伪卫星模拟收发端 的卫星信号接收机的输入端与天上卫星连接，伪卫星模拟收发端的卫星信号 接收机的输出端与主控端的输入端连接，主控端的输出端连接伪卫星模拟收 发端的卫星信号模拟器的输入端，伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器的输 出端连接伪卫星接收端的输入端；参考发射端的输出端也连接伪卫星接收端 的输入端；伪卫星接收端的输出端连接主控端的输入端。

上述系统所实现的一种基于伪卫星技术的室内外无缝定位方法，如图2 所示，其具体过程如下：

步骤1、每个伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机分别接收天上卫星的 卫星信号，并对该卫星信号进行捕获跟踪，并将捕获跟踪获得的载噪比传送 回主控端。

步骤2、主控端基于每个伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机所传送的 载噪比，为每个伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器分配卫星号。

由于每个伪卫星模拟收发端的卫星信号接收机通常会捕获到多颗卫星， 而每个伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器一次只会模拟一颗卫星进行信号 发射，因此每个卫星模拟收发端的卫星信号模拟器都需要从该伪卫星模拟收 发端的卫星信号接收机中捕获到的信号中选择一个合适的卫星号进行模拟复 现，所以还需要通过主控端对各个发射端的发射卫星号进行分配。分配要求 是被分配卫星被接收的载噪比尽量大，以保证恶劣环境下信号稳定性。分配 的步骤如下：

步骤2.1、主控端从N个伪卫星模拟收发端同时获取捕获到的每颗天上卫 星的载噪比，基于平均载噪比和被捕获比选择出N个预分配天上卫星，并对 预分配卫星按照其卫星号的高低，依次编号为1,2,…,N，并初始化待分配卫星 数WD＝1；

每颗卫星的平均载噪比等于所有捕获到该卫星的伪卫星模拟收发端的卫 星信号接收机所获得的载噪比之和除以捕获到该卫星的伪卫星模拟收发端的 卫星信号接收机的数量。每颗卫星的被捕获比等于捕获到该卫星的伪卫星模 拟收发端的卫星信号接收机的数量除以所有伪卫星模拟收发端的卫星信号接 收机的数量。在本发明优选实施中，以被捕获比为主，平均载噪比为辅进行 排序来选择预分配卫星，即先从被捕获比最大的卫星中进行选择，当被捕获 比最大的卫星的数量大于伪卫星模拟收发端的数量时，再从这些被捕获比最 大的卫星中选择平均载噪比较大的卫星，当被捕获比最大的卫星的数量小于 伪卫星模拟收发端的数量时，则从捕获比此大的卫星中进行选择。

步骤2.2、令当前预分配天上卫星的编号为x＝WD；

步骤2.3、将当前预分配天上卫星x的当前最大载噪比对应的伪卫星模拟 收发端作为当前预分配天上卫星x的预分配端C

步骤2.4、判断WD是否等于1：如果是，则令WD＝WD+1，并转至步骤 2.2；否则，则转至步骤2.5；

步骤2.5、判断当前预分配天上卫星x的预分配端C

如果都不重复，则进一步判断WD是否等于N：

若是，则分配过程结束，每个伪卫星模拟收发端的卫星信号模拟器均 分配到一颗捕获到的天上卫星；

否则，令WD＝WD+1，并返回步骤2.2；

如果重复，则进一步比较当前预分配天上卫星x的当前相关值K

若K

若K

上述N为伪卫星模拟收发端的个数。

由于同一时间接近的位置下，几个接收机对一颗卫星跟踪的载噪比差距 很小，但是同一个接收机对几颗不同卫星跟踪的载噪比则可能大不相同，故 通过上面描述的方法，根据这一性质，从单个卫星作为切入点进行计算，求 得K值来考虑是否可以忽略同一卫星在不同伪卫星模拟收发端的载噪比差异， 并反复进行星间最大值比较，就可以得到一个比较合适的分配方案，之所以 在捕获跟踪之后立即进行分配，也是为了伪卫星模拟收发端可以精准的解调 目标卫星，省去不必要的资源浪费和运算时间。

步骤3、每组伪卫星模拟收发端收到各自卫星号后，仅解调该卫星信号， 复制数据码结构，并计算得到伪卫星模拟收发端的伪距以及水平夹角(即仰 角)；在复制的原星历基础上将获得的伪距和水平夹角值添加进去，并生成对 应卫星号的伪码，经过BPSK调制后获得伪卫星信号并发射。

伪卫星信号的生成则通过伪卫星模拟收发端分配的卫星号来分类处理。 对于单个伪卫星模拟收发端，首先根据对应的卫星号，仅解调该星的数据码， 根据其中星历给出的参数，可以计算出仰角α

步骤4、在已知位置安置一个参考发射端，主要生成模拟卫星信号，但 不与其他模块进行数据交互，主要作用是用于室内水平夹角的测量。在信号 调制中，需选用备用卫星号，以防止与实际捕获卫星信号相冲突。

参考发射端采用备用卫星号进行调制，需要生产备用卫星的C/A码，可 以不用编写电文信息，因为参考发射端的位置坐标已知，发射角可以通过坐 标计算，而且室内相对地面静止，可以令电文中的轨道偏心率、轨道倾角变 化率、平均运动角速度、升交点赤经变化率、轨道近地点角距、摄动力修正 参数等值恒等于零，这样并不影响接收机的接收。

步骤5、伪卫星接收端同时接收四个伪卫星模拟收发端以及参考发射端 的伪卫星信号，通过捕获跟踪解调出各个发射位置(伪卫星模拟收发端或参 考发射端)的观测数据，再将观测数据发送至主控端。

伪卫星接收端完成对室内信号的捕获跟踪，具体结构与常规卫星接收机 类似，但在捕获中需要扩宽搜索的范围，以便可以捕获到备用的卫星号；同 时，由于室内同样可以接收到天上的卫星信号，这可能对接收结果产生干扰， 而室外的信号一般比较微弱，即使被捕获到，相关峰值也不高，而室内信号 的发射功率较为稳定，信号强度也远大于室外，因此需要对捕获端进行软件 层处理：(1)提高捕获门限值；(2)扩宽三维搜索中伪码搜索序列的范围， 并采用并行频率搜索提高捕获速度；(3)限制捕获通道，仅捕获5颗星且其 中一颗为备用卫星时则停止捕获。伪卫星接收端跟踪与解调完成之后，与主 控端进行数据的交互，并在主控端对观测数据进行进一步处理，其中向主控 端传递所需观测数据包括：(1)天上卫星与对应伪卫星模拟收发端的伪距以 及水平夹角；(2)伪卫星模拟收发端与伪卫星接收端的伪码相位与载波相位； (3)参考发射端与伪卫星接收端的伪码相位与载波相位；(4)伪卫星接收端 对伪卫星信号的接收时间；(5)天上卫星的坐标参数。

步骤6、主控端利用伪卫星接收端所发送来的观测数据计算伪卫星接收 端的真实位置。

依附于本发明所设计的伪卫星系统结构，首先通过伪卫星模拟收发端解 调卫星的星历电文获得原始伪距与水平夹角，伪卫星模拟收发端和参考发射 端位置坐标固定且已知，可以计算得到各端点(伪卫星接收端和参考发射端) 距离伪卫星接收端的伪距测量值，通过参考发射端的伪距辅助计算夹角，由 余弦定理就可以计算出室内位置的真实距离。

步骤6.1、系统运行之初，以参考发射端作为原点，建立四个伪卫星模拟 收发端与一个参考发射端的三维位置坐标，并将这三维位置坐标(x

步骤6.2、主控端通过观测数据中的伪码相位或者载波相位来计算伪卫星 接收端与伪卫星模拟收发端的伪距ρ

伪卫星接收端与参考发射端的伪距ρ

考虑到载波相位需要考虑整周模糊度问题，伪码相位CP

式中c为光速，t

在实际处理中，t

其中TOW是周内时，w是表示导航电文数据码的字，b为比特号，时间 以秒为单位，而一个伪码周期是1ms，也就是0.001s，一个电文长度是20ms 也就是0.02s，1023表示的是一个伪码周期内一共有1023个码片，一个伪码 的波长能达到293m，因此在室内基本不需要考虑整周数的问题，伪码相位就 间接的反映出了伪距。

步骤6.3、计算伪卫星接收端与天上卫星的伪距ρ′

以一颗天上卫星和一个伪卫星模拟收发端为例，无缝定位原理图如图3 所示。图中，A点为天上卫星；B点为伪卫星模拟收发端；C点为伪卫星接收 端；D点为参考发射端。特别说明，这里完全可以通过正确的位置摆放从而 忽略伪卫星模拟收发端发射天线与接收天线之间的距离，降低系统的计算复 杂度，一般接收天线位于室外房顶的表面，发射天线位于室内距离顶层的天 花板表面，实际间隔在2～3m以内，只要两个天线的位置在同一直线上垂直， 那么相对于和天上卫星距离接收天线20200km的距离，是可以忽略不计的。

通过前面步骤，主控端分配A点处天上卫星给B点处伪卫星模拟收发端， 在这个过程中，伪卫星模拟收发端会对信号进行解调，并求出AB的伪距ρ

此处β

令θ

其他三颗星使用同样方法计算伪距，至此得到四个不同的距离值；在对 伪卫星信号调制的过程中，对应卫星的星座坐标通过复制写入了伪卫星的星 历中，因此接收机能解算出卫星坐标作为已知量。

步骤6.4、根据伪卫星接收端与各个伪卫星模拟收发端所分配天上卫星的 伪距，以及各个伪卫星模拟收发端的三维位置坐标，利用传统定位解算算法 (如TDOA算法)解算出伪卫星接收端的真实位置。

伪卫星接收端与各个伪卫星模拟收发端的伪距已知，且各个伪卫星模拟 收发端的三维位置坐标已知，就可以采用现有的定位解算算法进行对被定位 点的即伪卫星接收端的三维位置坐标(X,Y,Z)进行求解。

以定位算法TDOA的算法，可以列举表达式为：

其中

本发明通过在室内布置类卫星信号的发射源，组成伪卫星组网，在伪卫 星系统卫星信号模拟器的基础上新增一个卫星信号接收机来实时接收卫星信 号，并在室内已知点位布置一个参考发射端用来计算目标点高度，几组接收 数据结合来计算室内真实位置，在室内外场景切换时可以迅速的做出反应， 而不影响实时定位解算，既可以保证室内定位的精确度，也可以保证定位的 连续性。系统中如捕获跟踪、伪卫星信号调制等属于成熟技术，故不做过多 阐述。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是 对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本 发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施 方式，均视为在本发明的保护之内。