基于无电文导航信号的定位方法及其设备与流程

本发明涉及一种导航定位方法与系统，尤其是一种无电文伪卫星导航定位方法与系统，属于无线导航技术领域。

背景技术：

随着人类社会对卫星导航的日益依赖，现有全球卫星导航系统(北斗、GPS等，统称为GNSS)信号弱的缺点日益突出：在低层楼宇、丛林和峡谷环境下难以定位；城市高层楼宇内基本无法定位。因此，卫星导航受限条件下尤其是室内条件下的导航定位问题成为导航领域的一个难题。

为解决室内定位问题，多家公司推出了多种解决方案。比如苹果公司提出了iBeacon，本质上是一种基于信标的匹配方案；博通公司的室内定位芯片支持通过WiFi、蓝牙或短距离通信技术来实现室内定位，本质上也是基于信号强度匹配和信标匹配的方案。手机里的陀螺仪、加速度传感器作为低成本的惯性导航设备，也可以利用它们来实现短时的导航维持。IndoorAtlas是一家专注于室内导航解决方案的公司，他们的室内定位方案是基于地球磁场，依据是每一个具体位置的磁场信息都不一样。使用这种技术进行导航首先用户需要上传建筑平面图，然后还需要你拿着移动设备绕室内一圈，记录下各个位置的地磁信号特征，这些信息需要上传到IndoorAtlas的服务器。最后，需要使用IndoorAtlas提供的工具包开发一个应用才能使用定位功能。另外一家公司，Qubulus公司根据无线电信号(Radio Signature)来定位。每一个位置的无线电信号数量、频度、强度等也是不同的，Qubulus根据这些差异计算出你的具体位置。使用Qubulus的方案，你同样需要收集室内的无线电信号。

以上技术均的显著特点是利用了手机上已有的传感器，无需手机做硬件改动。缺点是定位精度波动较大，且只能用于熟悉、事先准备好的环境。其他的常见可用于室内定位的手段还包括：

(1)基于超宽带的室内定位方案利用了超宽带无线信号测距精度较高的特点，实现了高精度的室内定位。但是超宽带发射机被允许的发射功率有限，因此只能覆盖较小的区域。

(2)实际上，伪卫星类技术作为卫星导航技术的一种近亲技术，一直以来受到了工业界的重视。比如LOCATA、NextNav都推出了专门的类伪卫星技术。LOCATA、NextNav的类伪卫星技术与一般意义上的伪卫星有很大的雷同之处。

请参见图1，现有技术中采用的伪卫星导航技术的通信示意图。A1为终端或者接收器，A2-A5是4个伪卫星。一般导航卫星或者伪卫星发射的导航信号可以统一表示为：

f(t)＝A(t)D(t)C(t)cos(W_ct+Φ)

其中：A(t)为信号幅度，一般为恒定的量，有些情况下为克服远近效应A(t)可能是有一定占空比的方波信号；D(t)为导航电文，导航电文中包括以直接或者间接方式表示的发射机位置速度和信号的发射时间等信息；C(t)为周期性重复的测距码，一般为Gold码，重复周期为T；w_c为载波频率；Φ为初始相位。

无论普通卫星导航信号还是伪卫星信号，都会最终因为信号过弱无法解调出导航电文D(t)而无法使用，从而限制了导航接收机的灵敏度，影响了导航信号的可用覆盖范围。

技术实现要素：

有鉴于此，针对区域无缝精细室内外导航定位需求，提出一种基于无电文导航信号的定位方法及其设备实为必要。

一种基于无电文导航信号的定位方法，具体包括以下步骤：

S1，接收N个时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，并对所述无电文导航信号进行捕获跟踪，其中，i＝N，N为大于1的整数；

S2，选择任意一个无电文导航信号，在该无电文导航信号测距码周期起始后ΔT时刻对其余N-1个无电文导航信号提取观测值，获得首次观测值，以及在其后的时间里周期地对所有跟踪的所述导航信号提取观测值，获得非首次观测值；

S3，根据所述观测值计算伪距和伪距速率；以及

S4，根据多个发射体的位置信息以及所述伪距、伪距速率进行导航解算，得到三轴位置、速度和与终端假设时间之间的时间差、本地时钟频差。

步骤S1中，对所述无电文导航信号进行捕获跟踪包括：

S11，对于给定的频点和测距码相位组合，对所述无电文导航信号进行长时间相干累积，累积时间为T_co；

S12，保存N-1个长为T_co的历史相干累积结果，与当前时长为T_co的相干累积结果一起共构成N个相干累积结果；

S13，将所述N个相干累积结果求和，在求和结果中寻找相关峰，如果找到，则捕获完成，否则进入步骤S14；

S14，将所述N个相干累积结果进行非相干累积，在累积结果中寻找相关峰，如果找到，则捕获完成，否则进入步骤S15；以及

S15，如果所有备选的频点和测距码相位组合已经穷尽，则捕获结束，否则更新所述频点和测距码相位组合，回到步骤S11)。

步骤S1中，所有无电文导航信号的测距码周期相同，都为T，所述无电文导航信号测距码周期的起始时间与世界协调时整毫秒对齐。

步骤S2中，所述观测值包括：

(1)对于无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，与之对应的首次观测值和非首次观测值都包括整半码片数λ_ci和小于半码片的分数半码片值Δ_ci；

(2)对于无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，非首次观测值还包括相邻观测量间隔内的载波周期数和相邻观测量间隔内小于一个载波周期的分数载波周期值。

步骤S3中，所述的伪距计算方法通过以下实现：设定本地时间为ΔT，则无电文导航信号f_i(t)＝Ac_i(t)cos(w_ct+Φ_i)的伪距为：ρ_i＝c{T(λ_ci+Δ_ci)/λ_max-ΔT},其中，λ_max为一个码周期T对应的总半码片数，c为光速。

步骤S3中，所述伪距速率等于相邻观测量间隔内的载波周期数和相邻观测量间隔内小于一个载波周期的分数载波周期值之和乘以载波波长。

所述基于无电文导航信号的定位方法，在步骤S4之前包括，先根据参考一个已知参考终端位置信息计算出所述无电文导航信号的时间同步误差，并消除其对无电文导航信号位置和速度解算的影响。

所述无电文导航信号导航方法进一步包括一个步骤S5，根据所述时间差和本地时钟频差校正本地时钟的时间和频率。

一种基于无电文导航信号的定位方法，从发射体一侧，具体包括以下步骤：

S1，对于多个发射体中的任意一个发射体i，与其他发射体取得时间同步；

S2，发射与其他发射体时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，用于被终端捕获并跟踪；以及

S3，发送自身位置、对应的发射体编号到服务器，以供服务器收集所有发射体的位置和编号信息，并将该信息发送给终端，发射体编号i与发射体发射的测距码C_i(t)一一对应。

一种基于无电文导航信号的定位方法，从终端一侧，具体包括以下步骤：

S1，接收N个时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，并对所述无电文导航信号进行捕获跟踪，其中，i为发射体编号，N为大于3的整数；

S2，选择任意一个无电文导航信号，在该无电文导航信号码周期起始后ΔT时刻对其余N-1个无电文导航信号提取首次观测值，并在其后的时间里周期地对所有跟踪的所述导航信号提取非首次观测值；

S3，将提取的观测值及观测值对应的发射体编号发送给服务器，用于导航解算。

一种基于无电文导航信号的定位方法，从发射体一侧描述，包括以下步骤：

S1，对于多个发射体中的任意一个发射体i，与其他发射体取得时间同步；

S2，发射与其他发射体时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)；

S3，发送自身位置、对应的发射体编号到服务器，以供服务器收集所有发射体的位置和编号信息。

一种基于无电文导航信号的定位方法，从服务器一侧描述，包括以下步骤：

S1，接收所有发射体发送的位置和编号；

S2，接收所有终端发送的发射体编号及其对应的首次观测值和非首次观测值；

S3，根据所述观测值计算伪距和伪距速率；以及

S4，根据发射体的位置信息以及所述伪距、伪距速率进行导航解算，得到三轴位置、速度和与终端假设时间之间的时间差、本地时钟频差。

一种基于无电文导航信号的定位方法，从服务器一侧描述，包括以下步骤：

S1，接收所有发射体发送的位置和编号；

S2，接收参考终端和所有普通终端发送的发射体编号及其对应的首次观测值和非首次观测值；

S3，根据参考终端对应的所述观测值计算伪距和伪距速率，进一步根据参考终端的已知位置计算发射体之间时钟同步误差；

S3，根据所述观测值计算普通终端的伪距和伪距速率；以及

S4，根据发射体的位置信息以及所述时钟同步误差、普通终端对应的伪距、伪距速率进行导航解算，得到三轴位置、速度和与终端假设时间之间的时间差、本地时钟频差。

一种用于基于无电文导航信号的定位方法的终端设备，其包括：第一单元，是导航信号捕获跟踪单元，用于对所述无电文导航信号进行捕获跟踪；

第二单元，是导航观测值提取单元，用于提取首次观测值和非首次观测值；以及

第三单元，是终端通信单元，用于将提取的观测值及其对应的发射体编号发送给服务器。

一种用于基于无电文导航信号的定位方法的发射体设备，其包括：

第一单元，是时间同步单元，用于实现与其他发射体的时间同步；

第二单元，是导航信号发射单元，用于发射与其他发射体时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)；以及

第三单元，是发射体通信单元，用于发送自身位置、对应的发射体编号到服务器，以供服务器收集所有发射体的位置和编号信息。

本发明提出的基于无电文导航信号的定位方法没有导航电文D(t)，导航接收机的灵敏度会显著提高，从而有效扩大导航信号的可用覆盖范围。本发明技术方案的最大优点是信号捕获和跟踪不受导航电文的约束，因此可以进行更长时间的相干累积获得更高的导航灵敏度和跟踪灵敏度，从而有效的提高伪卫星导航定位的室内可用性。

附图说明

图1是一般伪卫星导航定位系统示意图。

图2是本发明第一实施例提供的无电文导航信号的定位系统通信方向示意图。

图3(a)是本发明的第一实施例提供的无电文导航信号导航方法的终端方流程图。

图3(b)是本发明的第一实施例提供的无电文导航信号导航方法的终端接收无电文导航信号的流程图。

图3(c)是本发明的第一实施例提供的无电文导航信号导航方法的发射体方流程图。

图4是本发明第二实施例提供的无电文导航信号的定位系统通信方向示意图。

图5(a)是本发明的第二实施例提供的无电文导航信号导航方法的终端方流程图。

图5(b)是本发明的第二实施例提供的无电文导航信号导航方法的发射体方的流程图。

图5(c)是本发明的第二实施例提供的无电文导航信号导航方法的服务器方的流程图。

图6是本发明第三实施例提供的无电文导航信号的定位系统通信方向示意图。

图7是本发明的第三实施例提供的无电文导航信号导航方法的服务器方的流程图。

主要元件符号说明

终端 10

发射体 20

服务器 30

参考终端 40

无线通信链路 50

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

请参见图2，本发明第一实施例的无电文导航信号的定位系统通信方向示意图。任意分布的多个发射体20可以发射无电文导航信号。一个终端10可以接收所述无电文导航信号。一个服务器30可以接收所述发射体20发射的信号，以及所述终端10的发射信号。无线通信链路50显示了无线信号的传输方向。所述多个发射体20可以为多个伪卫星，或者现有技术中的任何能够发射无电文导航信号的设备。所述服务器30可以是一个公共的网络节点，也可以是一个网站的后台服务器，其具有收集发射体20位置、发射体20编号并将收集的信息发送给终端10功能。所述终端10可以是现有技术中的任何具有导航定位功能的设备，如支持本技术方案功能的智能手机、儿童导航手表、导航魔盒。所述无线通信链路50的无线通信方式可以是现有技术中的任何无线通信手段，404如GPRS/3G/4G/5G公众移动通信、数传、无线局域网(WiFi)等。优选地，本发明实施例中采用的所述发射体20为伪卫星。所述终端10为便携式的专用定位跟踪器。所述服务器30为位置服务器。所述无线通信链路50采用了公众移动通信的无线通信方式。

请参见图3(a)，第一实施例提供的无电文导航信号导航方法，主要从终端侧进行描述，其包括以下步骤：

S1，接收N个时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，并对所述无电文导航信号进行捕获跟踪，其中，i为发射体20编号，N为大于3的整数；

S2，选择任意一个无电文导航信号，在该无电文导航信号码周期起始后ΔT时刻对其余N-1个无电文导航信号提取首次观测值，并在其后的时间里周期地对所有跟踪的所述导航信号提取非首次观测值；

S3，根据所述观测值计算伪距和伪距速率；以及

S4，根据多个发射体20的位置信息以及所述伪距、伪距速率进行导航解算，得到三轴位置、速度和与终端假设时间之间的时间差、本地时钟频差。

请参见图3(b)，步骤S1中，对所述无电文导航信号进行捕获跟踪，其中的捕获包括：

S11，对于给定的频点和测距码相位组合，对所述无电文导航信号进行长时间相干累积，累积时间为T_co；

S12，保存N-1个长为T_co的历史相干累积结果，与当前时长为T_co的相干累积结果一起共构成N个相干累积结果；

S13，将所述N个相干累积结果求和，在求和结果中寻找相关峰，如果找到，则捕获完成，否则进入步骤S14；

S14，将所述N个相干累积结果进行非相干累积，在累积结果中寻找相关峰，如果找到，则捕获完成，否则进入步骤S15；以及

S15，如果所有备选的频点和测距码相位组合已经穷尽，则捕获结束，否则更新所述频点和测距码相位组合，回到步骤S11)。

步骤中S11-S15是所述终端10对无电文导航信号的捕获过程。根据本领域工程技术人员的一般理解，导航信号捕获是一个时频二维搜索过程。对于每一个搜索频点，搜索测距码相位的方法包括时域相关串行搜索和基于快速傅里叶变换的并行搜索。对于给定的频点和测距码相位，先进行相干累积，再进行非相干累积。在累积结果中寻找相关峰，如果没有检测到相关峰，换一个频点再进行搜索。

本发明的捕获方法，与已有的导航辅助系统如AGPS(Aided GPS)系统有既有区别又有类似之处。在AGPS中，导航接收机通过AGPS服务器获得当前时间和历史导航电文，并根据历史导航电文猜测当前导航电文的值，从而在卫星捕获步骤中进行数据洗刷(data wipe off)，也能够有效的降低导航电文对捕获灵敏度的影响。本发明实施例中的无电文伪卫星，在捕获步骤中无需进行导航电文洗刷，因此，也无需每一个电文时间长度内存储一次相干累加数据，从而有效的降低了对导航接收机基带芯片部分对存储空间的要求。这是本发明的捕获方法的本质创新之处。

通过捕获，所述终端10实现了对无电文导航信号的码同步。由于不存在导航电文，完成了码同步的接收信号是一个单频率，采用基于快速傅里叶变换的频率分析方法得到其中的具体频率值，并设定为本地载波频率即完成了无电文伪卫星发射信号的频率跟踪。由于不存在导航电文，因此只需对频率进行跟踪，无需对导航信号的载波相位进行跟踪。

步骤S1中，接收所述N个无电文导航信号中的每一个无电文导航信号的发射体位置坐标可以预先获得并存储在所述终端10中，还可以由一个服务器30收集之后再发送给所述终端10。

步骤S1中，所有无电文导航信号的码周期相同，都为T，所述无电文导航信号码周期的起始时间与世界协调时整毫秒对齐。

步骤S2中，所述观测值包括：

(1)对于无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，与之对应的首次观测值和非首次观测值都包括整半码片数λ_ci和小于半码片的分数半码片值Δ_ci；

(2)对于无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，非首次观测值还包括相邻观测量间隔内的载波周期数和相邻观测量间隔内小于一个载波周期的分数载波周期值。

步骤S3中，所述的伪距计算方法通过以下实现：设定本地时间为ΔT，则无电文导航信号f_i(t)＝Ac_i(t)cos(w_ct+Φ_i)的伪距为：ρ_i＝c{T(λ_ci+Δ_ci)/λ_max-ΔT},其中，λ_max为一个码周期T对应的总半码片数，c为光速。

步骤S3中，所述伪距速率等于相邻观测量间隔内的载波周期数和相邻观测量间隔内小于一个载波周期的分数载波周期值之和乘以载波波长。

所述基于无电文导航信号的定位方法，在步骤S4之前包括，先根据参考一个已知参考终端的位置信息计算出所述无电文导航信号的时间同步误差，并消除其对无电文导航信号位置和速度解算的影响。

所述无电文导航信号导航方法进一步包括一个步骤S5，根据所述时间差和本地时钟频差校正本地时钟的时间和频率。

请参见图3(c)，本发明第一实施例提供的无电文导航信号导航方法，主要从发射体一侧描述，对于任意的第i个发射体20，具体包括以下步骤：

S1，与其他发射体20取得时间同步；

S2，发射与其他发射体20时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，用于被所述终端10捕获并跟踪；

S3，发送自身位置、对应的发射体编号到服务器30，以供服务器30收集所有发射体20的位置和编号信息，并将所有发射体信息(包括发射体20的位置和编号)发送给所述终端10，发射体编号i与发射体20发射的测距码C_i(t)一一对应，所述终端10利用发射体编号唯一的识别一个发射体，并进一步利用所述发射体20的位置和观测值求解自身位置。

所述发射体20获得自身位置的方法有很多，最简单的方式是人工输入或者在室外情况下采用卫星导航接收机获得自身位置。

请参见图4，其为本发明第二实施例提供的无电文导航信号的定位系统通信方向示意图。在图4的第二实施例中，所述服务器30并不将所收集的发射体信息发送所述终端10，而是由所述终端10将提取的首次观测值和非首次观测值发送给服务器30；由所述服务器30完成下述步骤：根据所述观测值计算伪距和伪距速率；根据所述发射体20的位置信息以及所述伪距进行导航解算，得到三轴位置、速度和与所述终端10假设时间之间的时间差、本地时钟频差。这种情况下，所述终端10无需再进行导航解算，因而有利于降低功耗。这种方式适合对目标进行跟踪的场合，如对重要物品的跟踪。

请参见图5(a)，本发明第二实施例提供的无电文导航信号导航方法，从终端10一侧描述，包括以下步骤：

S1，接收N个时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)，并对所述无电文导航信号进行捕获跟踪，其中，i为发射体编号，N为大于3的整数；

S2，选择任意一个无电文导航信号，在该无电文导航信号码周期起始后ΔT时刻对其余N-1个无电文导航信号提取首次观测值，并在其后的时间里周期地对所有跟踪的所述导航信号提取非首次观测值；

S3，将提取的观测值及观测值对应的发射体20编号发送给服务器30。

需要指出，此时终端10是通过所捕获的测距码编号与发射体20编号的对应关系获得的发射体编号。

请参见图5(b)，本发明第二实施例提供的无电文导航信号导航方法，从发射体一侧描述，包括以下步骤：

S1，与其他发射体20取得时间同步；

S2，发射与其他发射体20时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)；

S3，发送自身位置、对应的发射体编号到服务器30，以供服务器30收集所有发射体20的位置和编号信息。

请参见图5(c)，本发明第二实施例提供的无电文导航信号导航方法，从服务器一侧描述，包括以下步骤：

S1，接收所有发射体20发送的位置和编号；

S2，接收所有终端10发送的发射体编号及其对应的首次观测值和非首次观测值；

S3，根据所述观测值计算伪距和伪距速率；

S4，根据发射体20的位置信息以及所述伪距、伪距速率进行导航解算，得到三轴位置、速度和与终端假设时间之间的时间差、本地时钟频差。

请参见图6，其为本发明第三实施例提供的无电文导航信号的定位系统通信方向示意图。对比图4，图6进一步增加了一个参考终端40，为对比起见，我们前文所述的终端10进一步定义为普通终端。在实际系统中，所述多个发射体20之间无法做到严格的理想的时间同步，在一般导航定位中通过引入差分定位机制来消除发射体20之间的时钟同步误差。基于这种考虑，因此这时需要存在一个参考终端40，它的位置是已知的。所述服务器30接在实现对无电文伪卫星导航接收机位置和速度的导航解算之前，先根据参考参考终端40的已知位置信息计算出所述多个发射体20之间时钟同步误差，进而消除发射体时钟同步误差导致的伪距误差，从而降低最终得到的普通终端的位置误差。差分解算是本领域的常见方法，一般工程技术人员都能实现。

本发明第三实施例提供的无电文导航信号导航方法，从发射体一侧描述，与第二实施例相同。

本发明第三实施例提供的无电文导航信号导航方法，从普通终端一侧描述，与第二实施例相同。参考终端40与普通终端10不同之处在于：在步骤S3参考终端40还标识自己为参考终端40，并将自身位置发送给服务器30。

请参见图7，本发明第三实施例提供的无电文导航信号导航方法，从服务器一侧描述，包括以下步骤：

S1，接收所有发射体20发送的位置和编号；

S2，接收所述参考终端40和所有普通终端发送的发射体编号及其对应的首次观测值和非首次观测值；

S3，根据所述参考终端40对应的所述观测值计算伪距和伪距速率，进一步根据所述参考终端40的已知位置计算所述多个发射体20之间时钟同步误差；

S3，根据所述观测值计算普通终端的伪距和伪距速率；

S4，根据发射体20的位置信息以及所述时钟同步误差、普通终端对应的伪距、伪距速率进行导航解算，得到三轴位置、速度和与终端假设时间之间的时间差、本地时钟频差。

所述多个发射体20之间取得时间同步的一般方式是通过GPS北斗导航接收机实现同步，这是本领域的通用方法，在电信基站、一般伪卫星中广泛使用。无电文伪卫星之间也可以采用其他的方法如在无线通信领域里常用的无线授时方法如RTT(Round trip timing)实现同步。

在本发明技术方案中，第i个发射体20发送与其他发射体20时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)。这里所述的时间同步是指码的起始时刻与其他发射体20发射的所述无电文导航信号的码起始时刻对齐。

本发明第四实施例，提供一种终端设备，其用于本实施例中的无电文导航信号导航方法，实现本发明所述的终端10，其包括：

第一单元，是导航信号捕获跟踪单元，用于对所述无电文导航信号进行捕获跟踪；

第二单元，是导航观测值提取单元，用于提取首次观测值和非首次观测值；

第三单元，是终端通信单元，用于将提取的观测值及其对应的发射体编号发送给服务器30。

本发明第五实施例，提供一种发射侧设备，其用于本实施例中的无电文导航信号导航方法，实现本发明所述的发射体20，其包括：

第一单元，是时间同步单元，用于实现与其他发射体20的时间同步；

第二单元，是导航信号发射单元，用于发射与其他发射体20时间同步的无电文导航信号f_i(t)＝A(t)C_i(t)cos(W_ct+Φ_i)；

第三单元，是发射体通信单元，用于发送自身位置、对应的发射体编号到服务器30，以供服务器30收集所有发射体20的位置和编号信息。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。