本发明涉及室内导航领域，具体涉及一种基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法。
背景技术：
以GPS为代表的GNSS定位导航系统目前得到了广泛的应用，对人们的日常生活产生了深刻影响；随着经济社会的发展，以及人们生活水平的不断提高，人们对导航定位的要求变得越来越苛刻，单一地传统定位已经渐渐地不能满足人们的需求。目前，室内导航定位需求迫切，尤其是在大型商业体地下室、会展中心等人口活动密集区域，需要在室内密闭空间内为用户提供导航定位服务，其服务需求与室外类似；截至目前，室内定位系统包括UWB、Wi-fi、经典伪卫星等定位技术。
UWB技术即超宽带技术，使用超宽带无线电波传播信号，而Wi-fi技术则是依据无线信号强度获取目标的位置信息，经典伪卫星系统则是定义了独特的电文规范，配合特定接收机实现室内定位；然而，市面上未见满足公共室内导航定位服务需求的产品面世，主要原因在于硬件成本高、定位精度较低，且目前的UWB、Wi-fi、经典伪卫星等导航定位手段未能实现良好的服务体验。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法普适性强，符合目前手机等终端的使用状况，同时定位精度高，硬件成本低，服务体验良好，具有广泛的实用价值。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其包括：
S1、调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调至到伪卫星；
S2、对调控后的伪卫星进行配置，生成并发送伪卫星信号；其中，设定每颗伪卫星模拟GPS接收机参考位置均为待定位室内区域中心点；
S3、接收伪卫星信号，并对其进行分析处理，得到GPS接收机的映射点相对坐标并建立虚拟网格映射表；
S4、将映射点相对坐标输入到虚拟网格映射表中，进行检索判决，得到当前用户坐标。
进一步地，S1的具体步骤为：
S11、根据存储在管理中心本地的GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算所有GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(xs,ys,zs)；其中，每半年更新一次历书信息；
S12、通过待定位区域中心点位置坐标对GPS卫星进行评估，得到该区域可见GPS卫星；其评估准则为：若俯仰角大于5°，则为可见GPS卫星；
S13、依据可见GPS卫星，选择GDOP良好的卫星号组合，并将其PRN号调控到各个伪卫星。
进一步地，S11的具体步骤为：
S111、对输入的本地观测时间信息tin做归一化处理，归一化的处理公式为：
tk＝tin-toe；
其中，toe为历书参考时间，tk为归一化后时间；
S112、解算GPS卫星运行的平均角速度，平均角速度的解算公式为：
其中，n0代表各GPS卫星运行的平均角速度，G是地心引力常数，a是椭圆长半轴，a的值可由历书中信息获取；
S113、根据归一化时间tk和GPS卫星平均角速度n0，计算GPS卫星在当前时刻的平近点角Mk，其计算公式为：
Mk＝n0×tk+M0；
其中，M0为GPS卫星在参考时间toe时，GPS卫星的平近点角，可由历书提供；
S114、解算GPS卫星在tk时刻的偏近点角Ek，偏近点角Ek的解算公式为：
Ek＝Mk+esinEk；
其中，e为卫星轨道离心率，可历书提供；
S115、根据GPS卫星在tk时刻的偏近点角Ek，解算GPS卫星在tk时刻的真近点角fk，真近点角fk的解算公式为：
S116、依据真近点角fk，解算升交点角距，升交点角距的解算公式为：
φk＝fk+ω；
其中，ω为历书中各GPS卫星的近地点弧角；
S117、管理中心根据由历书提供的参考时刻的升交点赤经参数Ωe，以及升交赤经变化率Ω’，根据解算公式解算GPS卫星在tk时刻的升交点赤经，升交点赤经的解算公式为：
Ωk＝Ωe+Ω'×tk-ωe×tin；
其中，ωe为地球自转角速度，为固定值ωe＝7.2921151467×10-5rad/s；
S118、通过管理中心解算卫星矢径长度，卫星矢径长度的解算公式为：
rk＝as(1-escosEk)，
其中，参量as是GPS卫星运动长半径，可通过本地存储的历书获取；
S119、解算各GPS卫星坐标；其中，(rk,φk)即为GPS卫星的极坐标，将其转化到轨道平面直角坐标系后为：
xk＝rkcosΦk
yk＝rksinΦk；
此时，在WGS-84坐标下各GPS卫星坐标为：
进一步地，S2的具体步骤为：
S21、设定每颗伪卫星模拟的接收机参考位置均为待定位室内区域中心点C(x0,y0,z0)，根据GPS卫星在WGS-84坐标系下的坐标，计算出时延参数Δt；
S22、将时延参数Δt转换为码相位参数；
S23、计算每颗伪卫星的瞬时速度，并根据瞬时速度计算其多普勒频移；
S24、对时延参数和多普勒频移进行转换，得到载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位；
S25、根据载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位，对伪卫星进行处理，生成对应伪卫星信号，并通过射频端发送。
进一步地，时延参数Δt的计算公式为：
其中，c为光速，取值为国际公认值c＝299792458m/s；
瞬时速度的计算公式为：
其中，
G＝3986004.418×108(m3/s2)，Pk为近地点方向的单位矢量，Qk为在轨道平面内按卫星运行方向而垂直于近地点方向的单位矢量，Ek为GPS卫星的偏近点角，ω为GPS卫星的近地点弧角，Ωk为GPS卫星的升交点赤经，而ik为GPS卫星轨道倾角。
进一步地，S3的具体步骤为：
S31、利用GPS接收机接收伪卫星信号，根据NMEA0183协议输出定位经纬度，将其转化为WGS-84坐标系下坐标(x0,y0,z0)，并定义该坐标为映射点f；
S32、对映射点f进行分析判决，判定定位大区；
S33、根据定位大区，对映射点f进行分析处理，得到映射点相对坐标；
S34、将定位大区划分为1m×1m的各定位小区，并建立每个定位小区与其映射点的一一映射关系，形成虚拟网格。
进一步地，S33的具体步骤为：
设定每个定位大区中心参考坐标为(xc,yc,zc)，将映射点f转化为定位小区的相对坐标，其转换公式为：
其中，(x'0,y'0,z'0)即为GPS接收机在定位小区中的映射点相对坐标。
进一步地，S34的具体步骤为：
S341、解算当前可见GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(xs,ys,zs)，设为集合S；
S342、设各个定位小区中心坐标(x'c,y'c,z'c)为集合P，地图方提供的各伪卫星坐标(xp,yp,zp)为集合Pse，根据绝对距离计算公式求出Pse中各点到S中各点距离dpse_p，设为集合D；
S343、解算可见GPS卫星坐标S到伪卫星Pse坐标的距离dpse_s，其解算公式为：
S344、解算集合P中各点在定位大区中理论映射点坐标(X'0,Y′0,Z'0)，其解算公式为：
其中，k代表使用的卫星数目，且k≥4，δ是钟差；
S345、将理论映射点坐标转化为定位大区映射点相对坐标，得到理论相对坐标集合T；其中，T中元素个数N是所述定位大区所包含的定位小区数目，T中任意元素表示为(X″0,Y″0,Z″0)；
S346、生成并存储集合P到集合T的虚拟网格映射表，当用户进入新的定位大区，对虚拟网格映射表进行更新。
进一步地，S4的具体步骤为：
将当前用户通过GPS接收器获取的映射点相对坐标输入到虚拟网格映射表，根据检索序列进行检索，并对检索结果进行判决，判决标准为：
其中，Δ判决值，(X″0,Y″0,Z″0)为集合T中的任意元素，(x'0,y'0,z'0)为GPS接收机在定位小区中的映射点相对坐标；
若Δ≤1，则判定T中这一点为定位的映射点，查询集合T和P的虚拟网格，则可获取当前用户坐标。
若T中不存在满足使Δ≤1的点，则选取使Δ取最小值的点M，作为定位的映射点，查询虚拟网格，获取当前用户坐标。
若点M使Δ≥2.6，则将先验坐标与M所映射坐标取平均，作为当前用户坐标。
进一步地，检索序列为：
若已知用户上一时刻坐标，则将推算的集合P中先验坐标在集合T中的映射点作为一级检索；
将集合P中位于室内出入口坐标，在与之映射的集合T坐标作为二级检索；
室内敏感区域，如行驶路线区域，在集合T中作为三级检索；
其他区域坐标，作为四级检索。
本发明的有益效果为：该基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法具体为基于GNSS伪卫星和普通GNSS接收机，使用虚拟网格完成室内导航的设计；其通过管理中心向每颗伪卫星分配GPS卫星号，每颗伪卫星所模拟的接收机位置均为室内区域中心，GPS接收机接收到伪卫星号后，进行相应的处理，将得到的映射点相对坐标输入到虚拟网格映射表中，进行检索判决，确定当前用户坐标，完成室内导航需求；该方法普适性强，符合目前手机等终端的使用状况，同时定位精度高，服务体验良好，具有广泛的实用价值。
附图说明
图1为基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为简单起见，以下内容中省略了该技术领域技术人员所公知的技术常识。
如图1所示，该基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法包括：
S1、调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调至到伪卫星；在具体实施中，根据存储在管理中心本地的GPS卫星历书信息中存储的GPS卫星开普勒参数，解算所有GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(xs,ys,zs)；其中，每半年更新一次历书信息。
在具体实施中，对输入的本地观测时间信息tin做归一化处理，归一化的处理公式为：
tk＝tin-toe；
其中，toe为历书参考时间，tk为归一化后时间；再得到归一化后时间后，管理中心依据公式解算GPS卫星运行的平均角速度；其中，n0代表各GPS卫星运行的平均角速度，G是地心引力常数，a是椭圆长半轴，a的值可由历书中信息获取。
接着管理中心根据得到的归一化时间tk和GPS卫星平均角速度n0计算GPS卫星在当前时刻的平近点角Mk，其计算公式为：
Mk＝n0×tk+M0；
其中，M0为GPS卫星在参考时间toe时，GPS卫星的平近点角，可由历书提供。
接着，管理中心依据公式Ek＝Mk+esinEk，解算GPS卫星在tk时刻的偏近点角Ek，其中，e为GPS卫星轨道离心率，可历书提供；管理中心再解算GPS卫星在tk时刻的真近点角fk，其真近点角的解算公式为：
之后，管理中心依据真近点角fk，结合历书中各GPS卫星的近地点弧角ω解算出升交点角距φk＝fk+ω；管理中心由历书提供的参考时刻的升交点赤经参数Ωe，以及升交赤经变化率Ω’，根据解算公式解算该卫星在tk时刻的升交点赤经，其解算公式为：
Ωk＝Ωe+Ω'×tk-ωe×tin；
其中，ωe为地球自转角速度，为固定值ωe＝7.2921151467×10-5rad/s；同时，管理中心解算GPS卫星矢径长度rk＝as(1-escosEk)，参量as是该GPS卫星运动长半径，可通过本地存储的历书获取。
最后，管理中心解算各GPS卫星坐标，其中，(rk,φk)即为GPS卫星的极坐标，将其转化到轨道平面直角坐标系后为：
xk＝rkcosΦk
yk＝rksinΦk；
此时在WGS-84坐标下各GPS卫星坐标为：
通过待定位区域中心点位置坐标对GPS卫星进行评估，得到该区域可见GPS卫星；其评估准则为：若俯仰角大于5°，则为可见GPS卫星；依据可见GPS卫星，选择GDOP良好的卫星号组合，并将其PRN号调控到各个伪卫星；其中，GDOP为几何精度因子，良好的标准为根据实际情况人为设定，PRN号为伪随机噪声码。
S2、对调控后的伪卫星进行配置，生成并发送伪卫星信号；其中，设定每颗伪卫星模拟GPS接收机参考位置均为待定位室内区域中心点；
在具体实施中，设定每颗伪卫星模拟的接收机参考位置均为待定位室内区域中心点C(x0,y0,z0)，根据GPS卫星在WGS-84坐标系下的坐标，计算出时延参数Δt，其时延参数Δt的计算公式为：
其中，c为光速，取值为国际公认值c＝299792458m/s；并将时延参数Δt转换为码相位参数；在具体实施中，其转码过程为：
1、确定时延内的导航电文数目：
Delay_Nav＝floor(Δt/20)；
其中，Delay_Nav表示导航电文数目，floor表示向下取整，时延参数的单位为ms。
2、确定一个导航电文内，时延对应的CA码周期：
Delay_CA＝floor(Δt-Delay_Nav×20)；
其中，Delay_CA表示时延对应的CA码周期。
3、确定一个CA码周期内，码相位延迟：
Delay_Phase＝floor(Δt-Delay_Nav×20-Dealy_CA)；
其中，Delay_Phase表示码相位延迟；设定转换中所使用的CA码的频率为1.023MHz；并计算每颗伪卫星的瞬时速度，并根据瞬时速度计算其多普勒频移；在具体实施中，瞬时速度计算公式为：
其中，
G＝3986004.418×108(m3/s2)，Pk为近地点方向的单位矢量，Qk为在轨道平面内按卫星运行方向而垂直于近地点方向的单位矢量，Ek为GPS卫星的偏近点角，ω为GPS卫星的近地点弧角，Ωk为GPS卫星的升交点赤经，而ik为GPS卫星轨道倾角。
接着对时延参数和多普勒频移进行转换，得到载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位；在具体实施中，载波频率控制字的计算公式为：
其中，fc为中频信号，dop为多普勒频移，fs为采样频率；
载波相位的计算公式为：
carrier_ph＝(ft+dop)*Δt；
其中，ft为载波频率，取值为ft＝1575.42MHZ；dop为多普勒频移，Δt为时延参数；同理，C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位可根据现有技术中的转换工作做相同处理则可；接着，再根据载波、C/A码和导航电文的频率控制字以及NCO相位，对伪卫星进行处理，生成对应伪卫星信号，并通过射频端发送；其中，NCO相位为码数控振荡器。
S3、接收伪卫星信号，并对其进行分析处理，得到GPS接收机的映射点相对坐标并建立虚拟网格映射表；在具体实施中，利用普通的GPS接收机即可完成伪卫星信号的接收，接收到该伪卫星信号后，按照手机设备的普遍处理方法，其GPS芯片根据NMEA0183协议输出定位经纬度，将其转化为WGS-84坐标系下坐标(x0,y0,z0)，并定义该坐标为映射点f。
对映射点f进行分析判决，判定定位大区；在具体实施中，每个定位大区域，如某停车场，其坐标在GPS接收机中具备唯一标识符ID，若映射点f位于标志符为ID1的定位区域中，则判定用户位于标识符为ID1的定位大区域中。
根据定位大区，对映射点f进行分析处理，得到映射点相对坐标；在具体实施中，设定每个定位大区中心参考坐标为(xc,yc,zc)，将映射点f转化为定位小区的相对坐标，其转换公式为：
其中，(x'0,y'0,z'0)即为GPS接收机在定位小区中的映射点相对坐标；同时将定位大区划分为1m×1m的各定位小区，并建立每个定位小区与其映射点的一一映射关系，形成虚拟网格。
在具体实施中，在GPS接收机内部，如手机均存储有历书信息，解算当前可见GPS卫星在WGS-84坐标系下坐标(xs,ys,zs)，设为集合S；此时，已知可见GPS卫星坐标，根据各个定位小区坐标，按照下面的运算方式则可推算出映射点坐标。
1、设各个定位小区中心坐标(x'c,y'c,z'c)为集合P，地图方提供的用户各伪卫星坐标(xp,yp,zp)为集合Pse，根据绝对距离计算公式求出Pse中各点到S中各点距离dpse_p，设为集合D。
2、解算可见GPS卫星坐标S到伪卫星Pse坐标的距离dpse_s，其解算公式为：
3、解算集合P中各点在定位大区中理论映射点坐标(X'0,Y′0,Z'0)，其解算公式为：
其中，k代表使用的卫星数目，且k≥4，δ是钟差。
4、将理论映射点坐标转化为定位大区映射点相对坐标，得到理论相对坐标集合T；其中，T中元素个数N是所述定位大区所包含的定位小区数目，T中任意元素表示为(X″0,Y″0,Z″0)。
5、生成并存储集合P到集合T的虚拟网格映射表，当用户进入新的定位大区，对虚拟网格映射表进行更新，并重复上述步骤1～5的各个算法。
S4、将映射点相对坐标输入到虚拟网格映射表中，进行检索判决，得到当前用户坐标；在具体实施中，将当前用户通过GPS接收器获取的映射点相对坐标(x'0,y'0,z'0)输入到虚拟网格映射表，根据检索序列进行检索，并对检索结果进行判决；在进行检索时，已知集合P中任意元素可表示为(x'c,y'c,z'c)，与集合T中元素(X″0,Y″0,Z″0)存在一一映射关系，将T中元素进行检索排序，其检索序列为：
若已知用户上一时刻坐标，则将推算的集合P中先验坐标在集合T中的映射点作为一级检索；
将集合P中位于室内出入口坐标，在与之映射的集合T坐标作为二级检索；
室内敏感区域，如行驶路线区域，在集合T中作为三级检索；
其他区域坐标，作为四级检索。
紧接着对检索后的结果进行判决，其判决标准为：
其中，Δ判决值，(X″0,Y″0,Z″0)为集合T中的任意元素，(x'0,y'0,z'0)为GPS接收机在定位小区中的映射点相对坐标；
若Δ≤1，则判定T中这一点为定位的映射点，查询集合T和P的虚拟网格，则可获取当前用户坐标。
若T中不存在满足使Δ≤1的点，则选取使Δ取最小值的点M，作为定位的映射点，查询虚拟网格，获取当前用户坐标。
若点M使Δ≥2.6，则将先验坐标与M所映射坐标取平均，作为当前用户坐标。
综上所述，该基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法将伪卫星的模拟接收坐标设置为定位大区中点，用户通过GPS芯片输出坐标则可识别室内定位大区；并且可通过检索映射点相对坐标与GPS芯片输出坐标集合距离最小的点，建立虚拟网格与GPS芯片输出坐标的映射关系。
同时建立了映射点坐标与实际待定位坐标的虚拟网格，形成映射表，通过查询虚拟网格即可实现室内定位导航，并建立了四级检索规则，以用户最可能出现的位置作为高级检索，提高了定位的速度，改善了用户体验。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。