本发明属于电子、通信与自动控制领域，一种基于多层卫星信号中继器的室内定位方法。本发明是利用多层卫星信号中继器转发卫星信号到室内。用户接收机同时接收经中继器转发的卫星信号和来自差分基准站的信号，将利用转发卫星信号测得的相位和来自基准站的相位测量值行差分操作，以消除卫星钟差、星历误差及电离层和对流层延时误差。然后将前后两个历元的接收机与基准站的单差相位测量值再进行一次差分操作以获取没有模糊度的载波相位双差测量值，其包含用户在前后两个历元时刻的位置，利用多个中继器可获得多项该值。最后基于这些测量值建立联合方程求解出用户在两个历元时刻的位置坐标。本发明可进一步提高利用导航卫星信号进行室内定位的精度。
1.一种基于多层卫星信号中继器的室内定位方法，其特征在于，步骤如下：(1.a)首先是在建筑物顶部或周围部署两层或两层以上卫星信号中继器，也即在海拔高度不同的平面分别部署多个中继器，导航卫星信号分别经多个层面的中继器转发至室内；设定每个中继器将对信号进行固定时长的延迟，不同中继器对信号的延迟时间不同，若中继器i对信号的延迟用Δi表示，则要求|Δi-Δj|>(1+dc)Tc，i≠j，其中dc为相关器间距，Tc为码片时长；
(1.b)在待定位区域附近部署差分基准站，保证基线向量尽可能短；差分基准站将测得的载波相位及其它相关消息通过无线频率广播；室内接收机除了接收经中继器转发的卫星信号，同时还接收来自附近差分基准站的信号；
(1.c)室内接收机对接收的卫星信号相位进行测量，其对第i个中继器转发信号的载波相位测量值表示为其中，λ为载波波长；r(i)表示卫星到第i个中继器的距离；d(i)表示第i个中继器到用户的距离； 和 分别表示卫星s信号到中继器的电离层和对流层延时，单位是米；η是中继器对卫星信号的转发延时；δtu是接收机钟差，单位是秒；δt(s)是卫星钟差，单位是秒；Δ(i)是人为加入的固定延时，为已知量； 表示整周模糊度； 表示接收机测量噪声；
其中，rr表示卫星到基准站的距离； 和 分别表示卫星s到基准站的电离层和对流层延时，单位是米；δtr是基准站钟差，单位是秒；δt(s)是卫星钟差，单位是秒；Nr表示整周模糊度； 表示差分基准站测量噪声；
将接收机利用转发卫星信号测得的相位和来自差分基准站的载波相位测量值进行差分操作，以消除卫星钟差、星历误差及卫星信号传播过程中的电离层和对流层延时误差，即其中， 为单差载波相位测量值；
(1.d)当用户接收机距离差分基准站比较近时，即公式(4)(5)接近0，此时单差载波相位测量方程消除了电离层和对流层误差以及卫星钟差；公式(3)简化为如下形式单差载波相位测量值 仍然包含接收机钟差、中继器的转发延迟误差及单差整周模糊度；
(1.e)在接收机持续锁定卫星信号后，在前后两个历元中载波相位测量值的整周模糊度保持不变，另外接收机钟差和中继器的转发延迟误差也认为是不变的；将前后两个历元的接收机与差分基准站的载波相位单差测量值再进行一次差分操作，就得到没有模糊度的高精度的载波相位双差测量值；将tn测量时刻的单差载波相位测量值 记为 那么定义双差操作为其中，下标n代表tn时刻；卫星到中继器i的距离 以及卫星到差分基准站的距离rr,n已知，将公式(8)进一步整理如下将公式(9)等号左边的部分记为Y，则公式(9)写成
其中， 表示第i个中继器的坐标，un＝[xn,yn,zn]表示tn时刻用户的坐标，M为中继器个数；利用多个中继器获得多个含用户在前后两个历元时刻的位置的载波相位双差测量值；根据这些测量值建立联合方程，求解出用户在两个历元时刻的精确位置坐标；
(1.f)用牛顿迭代法求解非线性方程组(10)，定义
其中， 类似地，求出对yn-1、zn-1、yn和zn的偏
导；在第k次牛顿迭代中，方程组(10)中的各个非线性方程在[un-1,k-1,un,k-1]处线性化，un-1,k-1＝[xn-1,k-1,yn-1,k-1,zn-1,k-1]T表示n-1历元时刻用户位置坐标un-1第k-1次迭代时的结果；线性化后的矩阵方程式为式(14)中，
而 表示 对xn-1的偏导在un-1,k-1处的值，即
即中继器的个数要求大于等于6；线性化后的方程组用最小二乘法求解用户接收机在n-1和n历元时刻的位置坐标更新为
当牛顿迭代法收敛时，得到用户在n-1和n历元时刻的位置坐标[xn-1,yn-1,zn-1]和[xn,yn,zn]。
一种基于多层卫星信号中继器的室内定位方法
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，特别涉及到导航卫星信号盲区如室内的用户定位。
背景技术
[0002] 在导航卫星信号盲区中，如建筑物或隧道内及高架桥下等，用户接收机一般无法直接获取到卫星信号，也即无法直接利用导航卫星信号计算位置。在这种情况下，如果仍然需要利用卫星信号实现定位，那么就要通过位于卫星信号良好区域的其它设备将卫星信号进行放大转发以使得盲区内用户接收到有效卫星信号来实现定位，如针对室内定位采用的卫星信号中继器等。目前基于信号中继器的室内定位方法主要采用伪距定位，定位精度差，测量误差可达米级。因此，为提高定位精度，可采用差分载波相位方法对室内用户进行定位。针对差分载波相位周整模糊度问题，可利用时间上前后两个历元中继器与用户的几何位置因接收机运动产生的变化来求解。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是如何基于导航卫星信号提高室内定位精度。本发明所涉及的基于多层卫星信号中继器的室内定位方法是提供室内接收机利用导航卫星信号获得精确位置坐标的方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 一种基于多层卫星信号中继器的室内定位方法，步骤如下：
[0006] 首先是在建筑物顶部或周围部署两层或两层以上卫星信号中继器，也即在海拔高度不同的两个平面(距离可为米级)分别部署多个中继器，利用中继器对卫星信号进行转发。另外，在待定位区域附近(保证基线向量较短)部署差分基准站。室内接收机除了接收经中继器转发的卫星信号，同时还接收来自附近差分基准站的信号。接收机将利用转发卫星信号测得的相位和来自差分基准站的相位测量值行差分操作，以消除卫星钟差、星历误差及卫星信号传播过程中的电离层和对流层延时误差。单差后的载波相位测量值中仍包含接收机钟差、中继器的转发延时误差及相位测量周整模糊度。一般在接收机锁定卫星信号后，在前后两个历元中相位测量值的周整模糊度保持不变。这样，将前后两个历元的接收机与差分基准站的相位测量单差值再进行一次差分操作，就可以得到没有模糊度的高精度的载波相位双差测量值。利用多个中继器可获得多个含用户在前后两个历元时刻的位置的载波相位双差测量值。这样，根据这些测量值建立联合方程，就可以求解出用户在两个历元时刻的精确位置坐标。
[0007] 本发明的有益效果：
[0008] 用户接收机同时接收经中继器转发的卫星信号和来自差分基准站的信号，将利用转发卫星信号测得的相位和来自基准站的相位测量值行差分操作，以消除卫星钟差、星历误差及电离层和对流层延时误差。然后将前后两个历元的接收机与基准站的单差相位测量值再进行一次差分操作以获取没有模糊度的载波相位双差测量值，其包含用户在前后两个历元时刻的位置，利用多个中继器可获得多项该值。最后基于这些测量值建立联合方程求解出用户在两个历元时刻的位置坐标。本发明将进一步提高利用导航卫星信号进行室内定位的精度。
具体实施方式
[0009] 以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0010] 一种基于多层卫星信号中继器的室内定位方法，步骤如下：
[0011] 导航卫星信号分别经两个层面的中继器转发至室内。在中继器转发信号时，为方便接收机鉴别转发信号来自哪个中继器，每个中继器将对信号进行固定时长的延迟，不同中继器对信号的延迟时间不同，若中继器i对信号的延迟用Δi表示，则要求|Δi-Δj|＞(1+dc)Tc(i≠j)，其中dc为相关器间距,Tc为码片时长。另外，中继器要对卫星信号进行一定的处理，使信号经过中继器转发后载波相位保持不变，也即中继器的转发延迟和额外增加的固定延时对卫星信号的相位没有影响。
[0012] 室内接收机对接收的卫星信号相位进行测量，其对第i个中继器转发信号的载波相位测量值可表示为
[0013]
[0014] 其中，λ为载波波长；r(i)表示卫星到第i个中继器的距离；d(i)表示第i个中继器到接收机的距离； 和 分别表示卫星s信号到中继器的电离层和对流层延时(单位是米)；η是中继器对卫星信号的转发延时；δtu是接收机钟差(单位是秒)；δt(s)是卫星钟差(单位是秒)；Δ(i)是人为加入的固定延时，为已知量； 表示周整模糊度； 表示接收机测量噪声。
[0015] 差分基准站的载波相位测量值可表示为
[0016]
[0017] 其中，rr表示卫星到基准站的距离； 和 分别表示卫星s到基准站的电离层和对流层延时(单位是米)；δtr是基准站钟差(单位是秒)；δt(s)是卫星钟差(单位是秒)；Nr表示周整模糊度；εφ,r表示基准站测量噪声。
[0018] 将用户接收机和差分基准站对卫星s信号的载波相位测量值进行差分操作(单差)，即
[0019]
[0020] 其中
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 公式(3)是单差载波相位测量方程，其中 为单差载波相位测量值。当用户接收机距离差分基准站比较近时，公式(4)(5)可认为等于0，即单差载波相位测量方程消除了电离层和对流层误差以及卫星钟差。这样，公式(3)可简化为如下形式
[0025]
[0026] 单差载波相位测量值 中仍然包含接收机钟差、中继器的转发延迟误差和单差周整模糊度。在接收机持续锁定卫星信号后，一般在前后两个历元中载波相位测量值的周整模糊度保持不变,另外接收机钟差和中继器的转发延迟误差也认为是不变的。
[0027] 将tn测量时刻的单差载波相位测量值 记为 那么定义双差操作为
[0028]
[0029] 其中，下标n代表tn时刻。卫星到中继器i的距离 以及卫星到差分基准站的距离rr,n已知，这样，公式(8)可进一步整理如下
[0030]
[0031] 将公式(9)等号左边的部分记为Y，则公式(9)可以写成
[0032]
[0033] 其中， 表示第i个中继器的坐标，un＝[xn,yn,zn]表示tn时刻用户的坐标，M为中继器个数。
[0034] 用牛顿迭代法求解非线性方程组(10)。定义
[0035]
[0036] 其中，
[0037]
[0038]
[0039] 其中， 类似地，可以求出对yn-1、zn-1、yn和zn的偏导。
[0040] 在第k次牛顿迭代中，方程组(10)中的各个非线性方程可在[un-1,k-1,un,k-1]处线性化，un-1,k-1＝[xn-1,k-1,yn-1,k-1,zn-1,k-1]T表示n-1历元时刻用户位置坐标un-1在第k-1次迭代时的结果。线性化后的矩阵方程式为
[0041]
[0042] 式(14)中,
[0043]
[0044] 其中，
[0045]
[0046]
[0047] 其中，
[0048]
[0049] 而 表示 对xn-1的偏导在un-1,k-1处的值，即
[0050]
[0051] 为求解方程组(14)，要求
[0052] M＞＝6 (20)即中继器的个数要求大于等于6。线性化后的方程组可以用最小二乘法求解
[0053]
[0054] 这样，用户接收机在n-1和n历元时刻的位置坐标更新为
[0055]
[0056] 当牛顿迭代法收敛时就可以得到用户接收机在n-1和n历元时刻的位置坐标[xn-1,yn-1,zn-1]和[xn,yn,zn]。
