一种基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法与流程

技术特征：

1.一种基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，包括：

S1、调控室内伪卫星，将可见GPS卫星的PRN号调控至所述伪卫星；

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、接收所述伪卫星信号，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、将所述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。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述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(x_s,y_s,z_s)；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、依据所述可见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。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S11的具体步骤为：

S111、对输入的本地观测时间信息t_in做归一化处理：

t_k＝t_in-t_oe；

其中，t_oe为历书参考时间，t_k为归一化后时间；

S112、解算GPS卫星运行的平均角速度：

$n_0=\sqrt{G/a^3};$

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；

S113、根据所述归一化后时间t_k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M_k：

M_k＝n₀×t_k+M₀；

其中，M₀为GPS卫星在参考时间t_oe时，GPS卫星的平近点角，可由历书提供；

S114、解算GPS卫星在t_k时刻的偏近点角E_k：

E_k＝M_k+e sin E_k；

其中，e为卫星轨道离心率；

S115、根据所述GPS卫星在t_k时刻的偏近点角E_k，解算GPS卫星在t_k时刻的真近点角f_k，所述真近点角f_k的解算公式为：

$f_k={\cos }^{-1}\left(\frac{\cos E_k-e}{1-e\cos E_k}\right)\×sign\left(\frac{\sqrt{1-e^2}\sin E_k}{1-e\cos E_k}\right);$

S116、依据所述真近点角f_k，解算升交点角距：

φ_k＝f_k+ω；

其中，ω为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Ω_e和升交赤经变化率Ω’，计算GPS卫星在t_k时刻的升交点赤经：

Ω_k＝Ω_e+Ω'×t_k-ω_e×t_in；

其中，ω_e为地球自转角速度，为固定值ω_e＝7.2921151467×10^-5rad/s；

S118、通过管理中心解算卫星矢径长度：

r_k＝a_s(1-e_scos E_k)，

其中，参量a_s是GPS卫星运动长半径；

S119、解算各GPS卫星坐标；其中，(r_k,φ_k)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：

x_k＝r_kcosΦ_k

y_k＝r_ksinΦ_k；

此时，在WGS-84坐标下各GPS卫星坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_s\\ y_s\\ z_s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_k{\mathrm{cos\Ω}}_k-y_k\cos i_k\×{\mathrm{sin\Ω}}_k\\ x_k{\mathrm{sin\Ω}}_k+y_k\cos i_k\×{\mathrm{cos\Ω}}_k\\ y_k\sin i_k\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述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)，根据所述GPS卫星在WGS-84坐标系下的坐标，计算出时延参数Δt；

S22、将所述时延参数Δt转换为码相位参数；

S23、计算每颗伪卫星的瞬时速度，并根据所述瞬时速度计算其多普勒频移；

S24、对所述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、根据所述载波、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。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于：所述时延参数Δt的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}t=\frac{\sqrt{{\left(x_s-x_0\right)}^2+{\left(y_s-y_0\right)}^2+{\left(z_s-z_0\right)}^2}}{c};$

其中，c为光速，取值为国际公认值c＝299792458m/s；

所述瞬时速度的计算公式为：

$v_k=\left[\begin{array}{c}{v}_{xk}\\ v_{yk}\\ v_{zk}\end{array}\right]=\frac{-\sqrt{G}\sin E_k}{\sqrt{a}\left(1-\cos E_k\right)}\left[\begin{array}{c}{P}_{xk}\\ P_{yk}\\ P_{zk}\end{array}\right]+\frac{-\sqrt{G\left(1-e^2\right)}\cos E_k}{\sqrt{a}\left(1-\cos E_k\right)}\left[\begin{array}{c}{Q}_{xk}\\ Q_{yk}\\ Q_{zk}\end{array}\right];$

其中，

$P_k=\left[\begin{array}{c}{P}_{xk}\\ P_{yk}\\ P_{zk}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{cos\ωcos\Ω}}_k-{\mathrm{sin\ωsin\Ω}}_k\cos i_k\\ {\mathrm{cos\ωsin\Ω}}_k+{\mathrm{sin\ωcos\Ω}}_k\cos i_k\\ \sin \mathrm{\ω}\sin i_k\end{array}\right]$

$Q_k=\left[\begin{array}{c}{Q}_{xk}\\ Q_{yk}\\ Q_{zk}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{cos\ωcos\Ω}}_k-{\mathrm{cos\ωsin\Ω}}_k\cos i_k\\ -{\mathrm{sin\ωsin\Ω}}_k+{\mathrm{cos\ωcos\Ω}}_k\cos i_k\\ \cos \mathrm{\ω}\sin i_k\end{array}\right];$

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，E_k为GPS卫星的偏近点角，ω为GPS卫星的近地点弧角，Ω_k为GPS卫星的升交点赤经，而i_k为GPS卫星轨道倾角。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S3的具体步骤为：

S31、利用GPS接收机接收所述伪卫星信号，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、对所述映射点f进行分析判决，判定定位大区；

S33、根据所述定位大区，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。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述S33的具体步骤为：设定每个定位大区中心参考坐标为(x_c,y_c,z_c)，将映射点f转化为定位小区的相对坐标，其转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0^{,}\\ y_0^{,}\\ z_0^{,}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_0-x_c\\ y_0-y_c\\ z_0-z_c\end{array}\right];$

其中，(x'₀,y'₀,z'₀)即为GPS接收机在所述定位小区中的映射点相对坐标。

8.根据权利要求6所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述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(x_s,y_s,z_s)，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(x_p,y_p,z_p)为集合P_se，根据绝对距离计算公式求出P_se中各点到S中各点距离d_{pse_p}，设为集合D；

S343、解算可见GPS卫星坐标S到伪卫星P_se坐标的距离d_{pse_s}：

$d_{pse\_s}=\sqrt{{(x_p-x_s)}^2+{(y_p-y_s)}^2+{(z_p-z_s)}^2};$

S344、解算所述集合P中各点在定位大区中理论映射点坐标(X'₀,Y₀',Z'₀)：

$\sqrt{{({X_s}^{\left(k\right)}-X_0^{\′})}^2+{({Y_s}^{\left(k\right)}-Y_0^{\′})}^2+{({Z_s}^{\left(k\right)}-Z_0^{\′})}^2}+\mathrm{\δ}=d_{pse\_s}+d_{pse\_p};$

其中，k代表使用的卫星数目，且k≥4，δ是钟差；

S345、将所述理论映射点坐标转化为所述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。

9.根据权利要求8所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于，所述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，所述判决标准为：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{{(x_0^{\′}-X_0^{\′\′})}^2+{(y_0^{\′}-Y_0^{\′\′})}^2+{(z_0^{\′}-Z_0^{\′\′})}^2};$

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接收机在所述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。

10.根据权利要求9所述的基于虚拟网格的伪卫星室内导航方法，其特征在于：所述检索序列为：

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。