通用gps室内外定位系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航定位领域，具体涉及一种通用GPS室内外定位系统和方法。
【背景技术】
[0002] 由于卫星导航系统本身的一些先天性因素制约，造成了某些难以克服的弱点。比 如在室内的用户，由于周围墙体或其他障碍物的遮挡，使得卫星信号到达室内时，卫星信号 已经非常微弱，用传统的GNSS接收机根本就无法完成定位。
[0003] 目前，伪卫星是一种解决室内定位的方法，由于GPS伪卫星定位系统发射类似于 GPS卫星的信号，其定位算法也是基于GPS定位原理的。但是，室内伪卫星是固定在某一个 固定位置，而GPS卫星沿着轨道作周期运动，其定位算法又有所差别。所以，传统的伪卫星 定位不能采用GPS接收机直接定位，而是需要修改GPS接收机中的一些程序，或者采用GPS 接收机接收信号后，后面再附加一个CPU，专门实现定位解算，即这就需要更改GPS接收机 软硬件，这不但给用户带来不便，也增加了成本。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供现有GPS伪卫星系统需要更改GPS接收机软硬 件才能实现室内定位的不足，提供一种通用GPS室内外定位系统和方法。
[0005] 为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种通用GPS室内外定位方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1、根据室内结构和尺寸大小，确定伪卫星站的位置，并精确测量各伪卫星站 的三维位置；上述伪卫星站包括1个伪卫星主站及3个或3个以上的伪卫星辅站，其中伪卫 星主站需要可见GPS卫星；
[0008] 步骤2、选取室内1个基准点，同时精确测量该基准点的三维位置；
[0009] 步骤3、伪卫星主站接收室外可见GPS卫星信号，提取可见卫星的星历参数，并实 现PPS秒脉冲信号输出；伪卫星主站利用该PPS秒脉冲信号实现本地时钟驯服；同时，伪卫 星主站在PPS秒脉冲信号的作用下同步生成2路发射信号，一路发射信号发给伪卫星辅站， 用于实现伪卫星辅站与伪卫星主站时间同步，并告知当前室外可见的GPS卫星信息；另一 路发射信号发给用户接收机，用于实现用户定位；
[0010] 步骤4、各伪卫星辅站接收伪卫星主站发来的信号，完成各伪卫星辅站的本地时间 与伪卫星主站的时间同步，并提取可见GPS卫星信息；各伪卫星辅站选取距离基准点与本 伪卫星辅站所形成的连线最接近的一颗GPS卫星，来进行GPS卫星信号模拟，在模拟过程 中，通过修改卫星的星历参数，使的模拟出的GPS卫星的运动速度下降；
[0011] 步骤5、当用户接收机同时接收到4个或4个以上伪卫星站发来的信号时，即可实 时解算用户的三维位置。
[0012] 上述方法中，基准点选在室内靠近中心位置处。
[0013] 上述方法中，伪卫星主站发出的2路射频信号采用不同的发射频率，且2路射频信 号的发射频率不在GPS信号的频段上。
[0014] -种通用GPS室内外定位系统，包括伪卫星站和用户接收机；其中伪卫星站由1个 伪卫星主站及3个或3个以上的伪卫星辅站构成；伪卫星主站和伪卫星辅站置于室内，且伪 卫星主站可见GPS卫星；
[0015] 伪卫星主站包括GPS信号接收部分、主站时钟驯服部分、主站对辅站信号模拟发 射部分和主站对用户信号模拟发射部分；GPS信号接收部分接收室外可见GPS卫星信号，提 取可见卫星的星历参数，并实现PPS秒脉冲信号输出；主站时钟驯服部分利用GPS信号接收 部分输出的PPS秒脉冲信号实现本地时钟驯服；主站对辅站信号模拟发射部分在PPS秒脉 冲信号的作用下生成一路发射信号发给伪卫星辅站；主站对用户信号模拟发射部分在PPS 秒脉冲信号的作用下生成另一路发射信号发给用户接收机，用于实现用户定位；
[0016] 伪卫星辅站包括主站信号接收部分、辅站时钟驯服部分和辅站对用户信号模拟发 射部分；主站信号接收部分接收伪卫星主站发来的信号，并提取可见GPS卫星信息；辅站 时钟驯服部分完成各伪卫星辅站的本地时间与伪卫星主站的时间同步；辅站对用户信号模 拟发射部分选取距离基准点与本伪卫星辅站的连线最接近的一颗GPS卫星，来进行GPS卫 星信号模拟，并在模拟过程中，通过修改卫星的星历参数，使该模拟GPS卫星的运动速度下 降；
[0017] 用户接收机同时接收到4个或4个以上伪卫星站发来的信号，以完成用户三维位 置的实时解算。
[0018] 上述系统中，基准点选在室内靠近中心位置处。
[0019] 上述系统中，伪卫星主站发出的2路射频信号采用不同的发射频率，且2路射频信 号的发射频率不在GPS信号的频段上。
[0020] 与现有技术相比，本发明的伪卫星主站接收室外GPS卫星信号，首先完成伪卫星 主站的授时，并通过伪卫星主站发射的信号完成伪卫星辅站的时间同步；各个伪卫星主站 或辅站都模拟一颗虚拟GPS卫星；用户可以采用传统GPS接收机即可完成室内外定位。该 方法实现简单，可以在不改变目前GPS接收机软硬件结构的基础上，完成用户的室内外定 位，而且成本较低。
【附图说明】
[0021] 图1为通用GPS室内外定位系统原理框图。
[0022] 图2为伪卫星主站工作原理图。
[0023] 图3为时钟驯服工作原理图。
[0024] 图4为伪卫星辅站工作原理图。
[0025] 图5为用户接收机工作流程。
【具体实施方式】
[0026] 一种通用GPS室内外定位系统，如图1所示，系统包括1个GPS伪卫星主站（如图 中的Sl)，3个或以上GPS伪卫星辅站（如图中的S2-S4)和用户接收机。首先，伪卫星主站 和辅站的位置通过精密测量得到。其次，伪卫星主站能实时接收室外GPS信号，获得PPS秒 脉冲信号和当前可见卫星编号、卫星位置等信息，并利用PPS秒脉冲驯服本地伪卫星主站 时钟，利用本地驯服时钟同步生成两种射频信号，一路发给用户，一路发给伪卫星辅站。再 次，伪卫星辅站接收伪卫星主站发来的信号，实现各伪卫星辅站的本地时钟与伪卫星主站 时钟的同步，并同步产生一路虚拟GPS卫星模拟信号；用户同步接收所有可见伪卫星主站 和伪卫星辅站发射的虚拟GPS卫星信号，实时完成用户的室内外定位。
[0027] 下面详细介绍其组成：
[0028] 1、伪卫星主站
[0029] 如附图2所示，伪卫星主站包括GPS信号接收部分、主站时钟驯服部分、主站对辅 站信号模拟发射部分和主站对用户信号模拟发射部分。其中，伪卫星主站位置是固定的，且 位置预先高精度测量得到，如采用GNSS载波相位RTK技术，以保证定位精度在cm级以上。
[0030] 1. 1、GPS信号接收部分
[0031 ] GPS信号接收部分依次由GPS接收天线、主站下变频模块、主站A/D转换模块、主站 多通道基带信号处理模块和主站信息提取模连接而成。其中，主站多通道基带信号处理模 块主要完成GPS信号的捕获和跟踪。信息提取模块主要提取可见卫星编号、位置、主站到卫 星的距离、距离变化率等信息。
[0032] 1.2、主站时钟驯服部分
[0033] GPS输出的PPS秒脉冲信号本地驯服压控晶振（VCO)原理框图如图的3所示，时 钟计算器对本地压控晶振的CLK时钟输出计数，例如，本振为62MHz的晶振，每秒应该输出 1600000个时钟数。在GPS的PPS秒脉的上升沿比较，并用计数比较器对两个计数结果比 较：
[0034] An = n-1600000 (1)
[0035] 其中，n为压控晶振1秒输出的CLK个数，如果An大于0,说明本地时钟快了，减 小压控晶振的外部电压，即可以改变压控晶振的负载电容，使其振荡频率变小，即每秒输出 的CLK时钟数变小；相反，如果An小于0,说明本地时钟慢了，提高压控晶振的外部电压， 即可以改变压控晶振的负载电容，使其振荡频率变大，即每秒输出的CLK时钟数变大。
[0036] 1. 3、主站对辅站信号模拟发射部分
[0037] 主站对辅站信号模拟发射部分依次由主站对辅站信息编码模块、主站对辅站信号 生成模块、主站对辅站D/A转换模块、主站对辅站上变频模块和主站对辅站发射天线连接 而成。
[0038] 主站对辅站本地时钟驯服模块利用GPS信号接收部分提取的PPS秒脉冲，驯服伪 卫星主站的时钟，使得伪卫星主站的时钟与GPS时间同步。在驯服的本地时钟作用下，主站 对辅站信息编码模块把本地时间、三维位置、伪卫星站编号、可见卫星编号、卫星的多普勒 参数等信息进行信息编码。为了简化伪卫星站硬件结构，其编码格式可以采用GPS或BD2 的导航电文编码方式。主站对辅站信号生成模块将编码后的信息与扩频码进行扩频调制， 扩频码也可参考GPS的扩频码，即码形、码长和码速率都与GPS的一样，扩频方式可以采用 BPSK调制，经扩频后的信号再经过载波调制生成数字基带信号。生成的数字基带信号经主 站对辅站D/A转换模块的D/A转换和主站对辅站上变频模块的上变频，最后经主站对辅站 发射天线发射出去。为了避免信号间的干扰，信号的频率不选用GPS的频段。
[0039] 1. 4、主站对用户信号模拟发射部分
[0040] 主站对用户信号模拟发射部分依次由主站对用户参数计算和信息编码模块、主站 对用户信号生成模块、主站对用户D/A转换模块、主站对用户上变频模块和主站对用户发 射天线连接而成。
[0041] 主站对用户参数计算和信息编码模块主要处理GPS接收部分传来的可见卫星编 号、位置、主站到卫星的距离、距离变化率等信息，并在基准点〇(该基准点0的三维位置预 先精测测得）和伪卫星主站连线上空间GPS卫星大致位置上虚拟一颗GPS卫星i，卫星的编 号是根据GPS接收部分接收到的卫星，而且卫星最靠近基准点0和伪卫星主站连线上，并修 改i卫星星历参数，使得卫星刚好处在基准点0和伪卫星主站连线上，而且卫星做非常缓慢 地运动，而且信息编码格式完成与GPS -样。主站对用户信号生成模块主要完成GPS的CA 码、载波产生、扩频调制和载波调制，生成GPS数字基带信号，信号生成时候要考虑CA码和 载波相位问题，由于是模拟信号时从虚拟卫星播发的，所以要把伪卫星站到虚拟卫星的距 离变化为码和载波相位。生成的GPS基带数字信号经主站对用户D/A转换模块D/A转换后 变为G