一种基于GNSS中继器的室内定位方法及精度提高方法

摘要

本发明属于电子、通信与自动控制领域，涉及到基于GNSS中继器的无法直接获取导航卫星信号环境下的用户定位。本发明提出的基于GNSS中继器实现室内定位的方法不需要GNSS中继器同步，也不需要中继器按序交换转发卫星信号及与同一个GNSS天线以固定长度电缆连接。在本发明方法中，每个GN SS中继器可连续转发导航卫星信号，且接收机可识别转发给定卫星信号的中继器。接收机利用测量的码相位计算每个中继器到接收机的距离，并利用识别的中继器及卫星坐标，进一步计算出其位置坐标。此外，本发明所提出的信号软采样方法可进一步提高用户位置精度。本发明在实际应用时布署成本低且安装容易，并可获得较高定位精度。

权利要求

1.一种基于GNSS中继器的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)在建筑物顶部或其它直接接收到导航卫星信号地方中布置4个或4个以上的GNSS中继器，至少2颗导航卫星对这些中继器可见；中继器将对接收到的导航卫星信号进行放大并转发；每个中继器在转发信号前要对信号进行延迟，设中继器ri对信号延迟时间为Δi，则要求|Δi-Δj|>tc，i≠j；tc是导航卫星信号所用扩频码的一个码片时间，且|Δi|

(b)在接收机端，接收到的卫星信号与本地CA码进行相关操作；当与CA码Ci进行相关操作时，会得到4个较大的相关峰值及相应的码相位，这4个较大的相关峰值分别是4个中继器转发的卫星si的信号产生的；通过获得的码相位，接收机计算得出卫星si信号从卫星si发出到中继器再转发到接收机所需要的时间，记为 其中下标k表示这个时间是通过第k个相关峰值对应的码相位计算得到的； 表示为,其中， 是信号从中继器rj到室内接收机所需的时间；δtc是接收机时钟误差；

是信号从卫星到中继器再到接收机所经历的传播误差，而 是信号在中继器的处理时间；

公式(1)进一步整理为：

(c)利用公式(2)，针对不同卫星信号，形成4个矩阵Mi,i＝1,2,3,4，(d)考虑中继器r1,矩阵M1第一行的某一个元素将与矩阵M2第一行的某一个元素近似相等，也将与矩阵M3和矩阵M4第一行的某个元素近似相等，即通过比较矩阵M1、M2、M3和M4第一行中元素，i1,j1,k1,l1被确定；

将分别是卫星s1,s2,s3,s4的信号从卫星发射后到中继器r1再转发到接收机所需要的时间；

类似，通过分别比较矩阵M1、M2、M3和M4第二行、第三行和第四行中的元素，确定和 而这些时间是卫星s1,s2,s3,s4的信号从卫星发射后分别到达中继器r2、r3和r4再转发到接收机所需要的时间；

(e)利用公式(1)，得出

让 已经通过上述方法获得，而 是

卫星s1到中继器的所需的时间，通过中继器和卫星s1的坐标计算得出；

(f)m＝1,2,3,4； 可以表示如下：

(g) 是通过卫星s1的信号测得的，其代表卫星s1信号从中继器rm到接收机所需的时间，包括传播误差、钟差和处理时间；类似，通过卫星s2,s3和s4的信号获得 和为减少测量误差，信号从中继器rm到接收机所需时间取平均值，也即：同时，让 m＝1，2，3，4；根据公式(6)，获得：

(h)根据公式(7)，可进一步获得：

(i)让i＝1,2,3， 其中(xu,yu,zu)和

分别是用户接收机和中继器ri的坐标；公式(8)写成：

其中 代表从中继器ri到接收机的距离；

(j)根据公式(9)，获得用户位置坐标(xu,yu,zu)的闭式解；对于i＝1,2,3，因为bi可能为

0，所以闭式解需要针对不同bi等于0的情况进行讨论，一般情况下，如果bi中某一个为0，或两个为0，或都为0，都通过公式(9)解出(xu,yu,zu)；如果bi都不为0，则(xu,yu,zu)闭式解如下:让

其中， 和 是中继器rj的坐标；

再让

(xu,yu,zu)最终解为：

其中， 和

zu可能有两个不等值zu1和zu2，将(xu,yu,zu1)和(xu,yu,zu2)分别转化为经纬度和海拔高度表达，则海拔高度较低的那组数据将作为用户位置坐标。

2.通过权利要求1所述一种基于GNSS中继器的室内定位方法获取的用户位置进行精度提高的方法，具体步骤如下：(a)对于多楼层的建筑物，精确测量每一层多个位置点的海拔高度，并将这些位置点海拔高度的平均值作为该层的海拔高度；

(b)接收信号一开始被以较低频率采样，与本地CA码进行相关操作后，获取码相位δcp；

接收机利用该码相位δcp计算出其至中继器的距离，并进一步计算得出用户位置(x0,y0,z0)；

将该位置坐标(x0,y0,z0)转化为经纬度和海拔高度表达 其中 λ0,h0分别是纬度、经度和海拔高度；再将海拔高度h0与各楼层海拔高度比较，确定用户所在楼层，继而确定其真实海拔度hα；用户位置(x0,y0,z0)的海拔高度误差为：δh,0＝h0-hα；计算这个高度差对用户位置坐标的影响：其中，a＝6378137,b＝6356752.31424518,(c)让(xξ,yξ,zξ)＝(x0,y0,z0)-(δx,δy,δz)，用户的真实位置坐标将接近(xξ,yξ,zξ)；

(d)利用软采样方法获取新的码相位以重新计算中继器到接收机的距离；软采样方法是指不对信号进行的真的采样，也不进行相关操作获取新的码相位，而只是假设信号在内 被 以 较 高 频 率 重 新 采 样 ，新 的 码 相 位 将 会 是中的任何一个值，其中N考虑是重采样率对原低采样率的比值；

利用获得的每个新码相位重新计算中继器到接收机的距离，继而计算出一个新的用户位置(xκ,yκ,zκ)；计算γk＝||(xξ,yξ,zξ)-(xκ,yκ,zκ)||和 同时，接收机将新位置坐标(xκ,yκ,zκ)转化为经纬度和海拔高度表达 并计算海拔高度差δh,κ＝hκ-hα；

(e)对于利用多组新码相位获取的多个用户位置，其中能最小化δh,κ和γk并同时保证φκ小于一个给定门限φκ,0的用户位置将作为用户的最终位置；φκ,0的大小将影响用户位置误差范围，但φκ,0不能设得太小，否则会导致用户位置无解。

说明书

一种基于GNSS中继器的室内定位方法及精度提高方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子、通信与自动控制领域，涉及到基于导航卫星的用户定位，特别涉及到基于GNSS(全球卫星导航系统)中继器的无法直接获取导航卫星信号环境下的用户定位。

背景技术

[0002] 在建筑物内或其它无法直接获取导航卫星信号的环境中，用户一般无法直接利用导航卫星信号获取定位。目前有多种室内定位技术。基于GNSS中继器的室内定位方法主要是利用中继器将导航卫星信号放大并转发后，提供给室内接收机进行导航定位。目前提出的基于GNSS中继器的室内定位方法一般要求中继器之间实现同步，同时在转发信号时几个中继器需要按序交换转发以避免中继器转发的信号互相干扰，也有利于接收机判断转发的信号是来自哪一个中继器。另外所有中继器需要共同与一个室外GNSS天线连接。连接电缆要求长度固定且精确测量。基于伪卫星的室内定位方法同样要求伪卫星之间实现同步。结合伪卫星和GNSS中继器技术的室内定位方法利用两者优点，不需要同步，同时可以对中继器到接收机之间距离实现精确测量。但该方法同样要求所有中继器分别用电缆与一个室外天线连接，且电缆长度要求精确测量。通过测量由电缆长度不同导致的延迟来确定卫星信号来自哪一个中继器。如果电缆长度测量不够精确，将导致中继器识别出现误判，从而导致定位误差。另外该本法成本相对也较高。

发明内容

[0003] 本发明所涉及的基于GNSS中继器实现室内定位的方法首先不需要GNSS中继器同步，也不需要中继器按序交换转发及与同一个GNSS天线以固定电缆长度连接。在本发明方法中，每个GNSS中继器可连续转发导航卫星信号，只是要求至少两个或两个以导航卫星对中继器可见。在任一时刻，不论用哪个卫星信号测量，从一个中继器到接收机的距离是不变的。利用这个特性，通过比较利用不同卫星信号测量的从一个中继器到接收机的距离，用户接收机可以确定一个给定的卫星信号是从哪个中继器转发来的。中继器的位置坐标可提前获取。这样，利用测量的指定中继器到接收机的距离及中继器位置坐标，接收机就可以计算得出其自身位置，从而实现室内导航定位。

[0004] (1)用户位置坐标计算

[0005] 本发明要求在建筑物顶部或其它开放环境(可直接接收到导航卫星信号)中布置4个或4个以上的GNSS中继器，同时要求至少2颗导航卫星对这些中继器可见，也即所有GNSS中继器可同时直接接收2个或2个以上的导航卫星信号。中继器将对接收到的导航卫星信号进行放大并转发。每个中继器在转发信号前要对信号进行延迟，设中继器ri对信号延迟时间为Δi，则要求|Δi-Δj|>tc(i≠j,tc是导航卫星信号所用扩频码的一个码片时间)，且|Δi|

[0006] 在接收机端，接收到的卫星信号与本地CA码(扩频码)进行相关操作。当与CA码Ci进行相关操作时，会得到4个较大的相关峰值及相应的码相位，而这4个较大的相关峰值分别是4个中继器转发的卫星si的信号产生的。通过获得的码相位，接收机可计算得出卫星si信号从卫星si发出到中继器再转发到接收机所需要的时间，记为 其中下标k表示这个时间是通过第k个相关峰值对应的码相位计算得到的。但产生这第k个相关峰值的信号是由哪个中继器转发的需要进一步确定。 可表示为,

[0007]

[0008] 其中， 是信号从中继器rj到室内接收机所需的时间；δtc是接收机时钟误差；是信号从卫星到中继器再到接收机所经历的传播误差，而 是信号在中继器的处理时间(从信号到达中继器天线到处理完后离开天线所需的时间)。公式(1)可进一步整理为：

[0009]

[0010] 利用公式(2)，针对不同卫星信号，可形成4个矩阵Mi,i＝1,2,3,4，

[0011]

[0012] 对于某一个中继器rj来说，不同卫星信号传播误差 可考虑近似相等。另外，因为所有中继器都具有相同的硬件和软件，所以处理时间 对所有中继器来说是相等的。当卫星si信号被4个中继器转发时，在接收机端信号与本地CA码Ci进行相关操作将会出现4个较大的相关峰值，而其中一个峰值将是由中继器rj转发卫星si信号产生的。在同一测量时刻，对于任何卫星的信号，只要是通过中继器rj转发的，那么公式(2)右端都是近似相等的。因为无论是哪个卫星的信号从中继器rj转发到接收机，中继器到接收机的距离都是不变的( 恒定)。这样，考虑中继器r1,矩阵M1第一行的某一个元素将与矩阵M2第一行的某一个元素近似相等，也将与矩阵M3和矩阵M4第一行的某个元素近似相等。也就是说，

[0013]

[0014] 通过比较矩阵M1、M2、M3和M4第一行中元素，i1,j1,k1,l1可以被确定。这样，将分别是卫星s1,s2,s3,s4的信号从卫星发射后到中继器r1再转发到接收机所需要的时间。类似，通过分别比较矩阵M1、M2、M3和M4第二行、第三行和第四行中的元 素 ， 可 以 确 定 和
而这些时间是卫星s1,s2,s3,s4的信号从卫星发射后分别到达中
继器r2、r3和r4再转发到接收机所需要的时间。利用公式(1)，可以得出

[0015]

[0016] 让 已经通过上述方法获得，而是卫星s1到中继器的时间，可以通过中继器和卫星s1的坐标计算得出。这样，
可以表示如下：

[0017]

[0018] 是通过卫星s1的信号测得的，其代表卫星s1信号从中继器rm到接收机所需的时间，包括传播误差、钟差和处理时间。类似，可以通过卫星s2,s3和s4的信号获得和 为减少测量误差，信号从中继器rm到接收机所需时间可以取平均值，也即： 同时，让 这样，公式(6)可更新为：

[0019]

[0020] 因为所有中继器相距较近，所以 可以认为是相等的(如果存在较小误差，可以考虑包含在 的测量误差中)。此外，每个中继器的信号处理时间
也是相等的。因此，根据公式(7)，可进一步获得：

[0021]

[0022] 让 其中(xu,yu,zu)和 分别是用户接收机和中继器ri的坐标。这样，公式(8)可以写成：

[0023]

[0024] 其中 代表从中继器ri到接收机的时间。根据公式(9)，可以获得用户位置坐标(xu,yu,zu)的闭式解。

[0025] 因为bi(i＝1,2,3)可能为0，所以闭式解需要针对不同bi(i＝1,2,3)等于0的情况进行讨论。一般情况下，如果bi(i＝1,2,3)中某一个为0，或两个为0，或都为0，都可以通过公式(9)解出(xu,yu,zu)。如果bi(i＝1,2,3)都不为0，则(xu,yu,zu)闭式解如下:

[0026] 首先让

[0027]

[0028] 其中， 和 是中继器rj的坐标。

[0029] 再让

[0030]

[0031] 这样，(xu,yu,zu)的最终解为：

[0032]

[0033] 其中， 和zu可能有两个不等值zu1和zu2，将(xu,yu,zu1)和(xu,yu,zu2)分别
转化为经纬度和海拔高度表达，则海拔高度较低的那组数据将作为用户位置坐标。

[0034] (2)定位性能提高方法

[0035] 对于多楼层的建筑物来说，每一层任一位置点的海拔高度可以精确测量。因为一般来说每个楼层的面积不会很大，所以可以用该层所有位置点海拔高度的平均值作为该层的海拔高度。由于从中继器到接收机的距离测量有误差，通过上述方法获得的用户位置(xu,yu,zu)可能并不精确，甚至可能含有较大误差。但如果每个楼层的海拔高度已提前测量得知，那么将获得的用户位置坐标转化为经纬度和海拔高度的表达方式后，可以将测得的用户海拔高度与每一楼层的海拔高度比较。如果用户海拔高度测量误差不大于两个楼层之间高度的一半，那么通过这个比较，就可以确定用户位于哪个楼层，继而进一步确定用户精确的海拔高度(即其所在楼层的海拔高度)。

[0036] 利用这个校正后精确的海拔高度，可以进一步提高用户位置精度。采样率低是中继器到用户接收机之间距离测量的误差源之一。一般解决方案是提高采样率，但会增加接收机处理数据量。所以可以考虑的方法是先将信号以较低频率采样，在获取粗略码相位后(用于计算从中继器到接收机的距离)，再确定一个时间窗对原始信号以较高频率进行重采样。这个时间窗确定方法如下：信号一开始被以低频率采样，在与本地CA码进行相关操作后，可获取码相位δcp。因为码相位误差不会超过采样周期的一半，所以真实码相位应该在这个范围内。这样，可以在这个时间范围内对原始信号以较高频率进行重采样以获取高精度的码相位。但这种重采样方法会使得接收机信号处理过程复杂，且实际操作可行度较低。因此，本发明提出一种软采样的方法。

[0037] 软采样方法在这里是指不对信号进行真的采样，也不进行相关操作以获取新的码相位，而只是假设信号在 内被以较高频率采样，那样，新的码相位就会是 中的任何一个值，其中N可以考虑是重采样率对原低采样
率的比值。这种方式与真正进行重采样以获取新码相位基本等效，除了新码相位的不唯一性。因此，需要利用每个新码相位重新计算中继器到接收机的距离，继而计算用户位置坐标。然后再将位置坐标转化为经纬度和海拔高度表达，并将获得的用户海拔高度与建筑物每层预先精确测量的海拔高度相比，以确定最接近真实值的码相位。这个方法不但可以减少采样误差，同时也可以减少由其他误差源造成的测量误差。

[0038] 通过比较海拔高度，可以确定最接近真实值的码相位。但该码相位虽然可能最小化海拔高度误差，但不一定能保证用户位置的经纬度误差最小(经纬度和海拔高度一起才能确定用户位置)。因此需通过以下方法进一步提高用户位置精度：(1)接收机利用码相位δcp(利用以较低频率采样后的信号获得，精度较低)计算出其至中继器的距离，并继而计算得出用户位置(x0,y0,z0)。将该位置(x0,y0,z0)转化为经纬度和海拔高度表达其中 λ0,h0分别是纬度、经度和海拔高度。再将海拔高度h0与各楼层海拔高度比较，可以确定用户所在楼层，继而确定其真实海拔高度hα。这样，用户位置(x0,y0,z0)的海拔高度误差为：δh,0＝h0-hα。计算这个高度差对用户位置坐标的影响：

[0039]

[0040] 其 中 ，a ＝ 6 3 7 8 1 3 7 , b ＝ 6 3 5 6 7 5 2 . 3 1 4 2 4 5 1 8 ,让(xξ,yξ,zξ)＝(x0,y0,z0)-(δx,δy,δz)。这样，用户的真实位置坐标将接近(xξ,yξ,zξ)。(2)利用上述软采样方法获取多个新码相位后，再利用每个新码相位重新计算中继器到接收机的距离，继而可计算得出一个新的用户位置(xκ,yκ,zκ)。计算γk＝||(xξ,yξ,zξ)-(xκ,yκ,zκ)||和 同时，接收
机要将新位置坐标(xκ,yκ,zκ)转化为经纬度和海拔高度表达 并计算海拔高度差δh,κ＝hκ-hα。这样，对于利用多组新码相位获取的多个用户位置，其中能最小化δh,κ和γk并同时保证φκ小于一个给定门限φκ,0的用户位置将作为用户的最终位置。φκ,0的大小将影响用户位置误差范围，但φκ,0不能设得太小，否则可能会导致用户位置无解。

[0041] 本发明提出的基于GNSS中继器的室内定位方法，可以提高用户定位精度，同时在实际应用时布署成本低且安装容易。