一种基于gnss中继器的室内定位方法及精度提高方法
【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 及到基于GNSS(全球卫星导航系统）中继器的无法直接获取导航卫星信号环境下的用户定 位。
【背景技术】
[0002] 在建筑物内或其它无法直接获取导航卫星信号的环境中，用户一般无法直接利用 导航卫星信号获取定位。目前有多种室内定位技术。基于GNSS中继器的室内定位方法主要 是利用中继器将导航卫星信号放大并转发后，提供给室内接收机进行导航定位。目前提出 的基于GNSS中继器的室内定位方法一般要求中继器之间实现同步，同时在转发信号时几个 中继器需要按序交换转发以避免中继器转发的信号互相干扰，也有利于接收机判断转发的 信号是来自哪一个中继器。另外所有中继器需要共同与一个室外GNSS天线连接。连接电缆 要求长度固定且精确测量。基于伪卫星的室内定位方法同样要求伪卫星之间实现同步。结 合伪卫星和GNSS中继器技术的室内定位方法利用两者优点，不需要同步，同时可以对中继 器到接收机之间距离实现精确测量。但该方法同样要求所有中继器分别用电缆与一个室外 天线连接，且电缆长度要求精确测量。通过测量由电缆长度不同导致的延迟来确定卫星信 号来自哪一个中继器。如果电缆长度测量不够精确，将导致中继器识别出现误判，从而导致 定位误差。另外该本法成本相对也较高。
【发明内容】
[0003] 本发明所涉及的基于GNSS中继器实现室内定位的方法首先不需要GNSS中继器同 步，也不需要中继器按序交换转发及与同一个GNSS天线以固定电缆长度连接。在本发明方 法中，每个GNSS中继器可连续转发导航卫星信号，只是要求至少两个或两个以导航卫星对 中继器可见。在任一时刻，不论用哪个卫星信号测量，从一个中继器到接收机的距离是不变 的。利用这个特性，通过比较利用不同卫星信号测量的从一个中继器到接收机的距离，用户 接收机可以确定一个给定的卫星信号是从哪个中继器转发来的。中继器的位置坐标可提前 获取。这样，利用测量的指定中继器到接收机的距离及中继器位置坐标，接收机就可以计算 得出其自身位置，从而实现室内导航定位。
[0004] (1)用户位置坐标计算
[0005] 本发明要求在建筑物顶部或其它开放环境(可直接接收到导航卫星信号）中布置4 个或4个以上的GNSS中继器，同时要求至少2颗导航卫星对这些中继器可见，也即所有GNSS 中继器可同时直接接收2个或2个以上的导航卫星信号。中继器将对接收到的导航卫星信号 进行放大并转发。每个中继器在转发信号前要对信号进行延迟，设中继器η对信号延迟时 间为，则要求| ArAdHji关j，tc是导航卫星信号所用扩频码的一个码片时间），且 AiKminU/f^ts}，其中fu是接收机位置更新频率，而ts是导航卫星信号所用扩频码的一个 码长时间。
[0006]在接收机端，接收到的卫星信号与本地CA码(扩频码)进行相关操作。当与[六码匕 进行相关操作时，会得到4个较大的相关峰值及相应的码相位，而这4个较大的相关峰值分 别是4个中继器转发的卫星Sl的信号产生的。通过获得的码相位，接收机可计算得出卫星 Sl 信号从卫星81发出到中继器再转发到接收机所需要的时间，记为Δ7;(",其中下标k表示这个 时间是通过第k个相关峰值对应的码相位计算得到的。但产生这第k个相关峰值的信号是由 哪个中继器转发的需要进一步确定。可表示为，
[0008]其中，為ρ是信号从中继器^到室内接收机所需的时间；δι是接收机时钟误差； 先w是信号从卫星到中继器再到接收机所经历的传播误差，而《,.;是信号在中继器的处理 时间（从信号到达中继器天线到处理完后离开天线所需的时间）。公式（1)可进一步整理为：
[0010]利用公式(2)，针对不同卫星信号，可形成4个矩阵Mi，i = l，2,3,4，
[0012] 对于某一个中继器〇来说，不同卫星信号传播误差之(/=1二3,4)可考虑近 似相等。另外，因为所有中继器都具有相同的硬件和软件，所以处理时间^^.对所有中继器 来说是相等的。当卫星81信号被4个中继器转发时，在接收机端信号与本地CA码匕进行相关 操作将会出现4个较大的相关峰值，而其中一个峰值将是由中继器^转发卫星81信号产生 的。在同一测量时刻，对于任何卫星的信号，只要是通过中继器^转发的，那么公式(2)右端 都是近似相等的。因为无论是哪个卫星的信号从中继器^转发到接收机，中继器到接收机 的距离都是不变的(夂.4亘定）。这样，考虑中继器η，矩阵仏第一行的某一个元素将与矩阵 Μ2第一行的某一个元素近似相等，也将与矩阵Μ3和矩阵Μ4第一行的某个元素近似相等。也就 是说，]Wi，人? e ，
[0013]
[0014] 通过比较矩阵和M4第一行中元素，h，夂沐1，11可以被确定。这样， ΔΤ^,ΔΤ^将分别是卫星S1，S2，S3，84的信号从卫星发射后到中继器=再转发到 接收机所需要的时间。类似，通过分别比较矩阵Mi、M 2、M3和M4第二行、第三行和第四行中的 元素，可以确定(ΔΓ,; 11，Arf,ΔΓ广ΔΓ,;41)、（ASUU'Arf,ΔΓ^)和(ACUC,21,ΔΓ: 而这些时间是卫星81，82,83,84的信号从卫星发射后分别到达中继器^^3和^再转发到接 收机所需要的时间。利用公式(1)，可以得出
[0016]让 Δ Γ,.!ι)" = Δ Γ,,(ι) - Δ Γ?ι(,ν:，辨=1,2,3,4 :P AZ:f 已经通过上述方法获得，而 Δ7；.,;"是卫星81到中继器的距离，可以通过中继器和卫星81的坐标计算得出。这样， Δ<"" (/? = 1,23,4)可以表示如下：
[0018] Δ2^"是通过卫星S1的信号测得的，其代表卫星S1信号从中继器5到接收机所需的 时间，包括传播误差、钟差和处理时间。类似，可以通过卫星S2, S3和S4的信号获得 Δ7；；2、ΔΓ?和ΔΖ；4),。为减少测量误差，信号从中继器~到接收机所需时间可以取平均
这样，公式(6)可更新为：
[0020]因为所有中继器相距较近，所以= U丄4)可以认为是相等的（如果存在较 小误差，可以考虑包含在Δ?；。的测量误差中）。此外，每个中继器的信号处理时间 < (./ = 1二3,4)也是相等的。因此，根据公式(7)，可进一步获得：
[0022]让 4 =A【,，A(|W(j_=l，2,9，-? = =(xr:，.v,;,zj，其中 和(?% ,4)分别是用户接收机和卫星Sl的坐标。这样，公式⑶可以写成：
[0024]
f代表从中继器Γι到接收机的 距离。根据公式(9)，可以获得用户位置坐标(Xu，yu，zu)的闭式解。
[0025] 因为1^(? = 1，2,3)可能为0,所以闭式解需要针对不同1^(? = 1，2,3)等于0的情况 进行讨论。一般情况下，如果h (i = 1，2，3)中某一个为0，或两个为0，或都为0，都可以通过 公式(9)解出(xu，yu，z u)。如果bi(i = l，2,3)都不为0,则(xu，yu，zu)闭式解如下：
[0026] 首先让
[0028] 其中，Xrj，yrj和Zrj是中继器rj的坐标。
[0029] 再让
[0033]其中，二if ~+% 十 1 >，沒二2[/士 - & (朽'?^ + 免孤。+ )].和C 二."，合「(挪「+ 辨；+ 。 zu可能有两个不等值ZU1和zU2，将(XU，y u，ZU1)和(xu，yu，zU2)分别转化为经炜度和海拔高度表 达，则海拔高度较低的那组数据将作为用户位置坐标。
[0034] (2)定位性能提尚方法
[0035]对于多楼层的建筑物来说，每一层任一位置点的海拔高度可以精确测量。因为一 般来说每个楼层的面积不会很大，所以可以用该层所有位置点海拔高度的平均值作为该层 的海拔高度。由于从中继器到接收机的距离测量有误差，通过上述方法获得的用户位置 ( Xu，yu，zu)可能并不精确，甚至可能含有较大误差。但如果每个楼层的海拔高度已提前测量 得知，那么将获得的用户位置坐标转化为经炜度和海拔高度的表达方式后，可以将测得的 用户海拔高度与每一楼层的海拔高度比较。如果用户海拔高度测量误差不大于两个楼层之 间高度的一半，那么通过这个比较，就可以确定用户位于哪个楼层，继而进一步确定用户精 确的海拔高度(即其所在楼层的海拔高度）。
[0036] 利用这个校正后精确的海拔高度，可以进一步提高用户位置精度。采样率低是中 继器到用户接收机之间距离测量的误差源之一。一般解决方案是提高采样率，但会增加接 收机处理数据量。所以可以考虑的方法是先将信号以较低频率采样，在获取粗略码相位后 (用于计算从中继器到接收机的距离），再确定一个时间窗对原始信号以较高频率进行重采 样。这个时间窗确定方法如下：信号一开始被以低频率采样，在与本地CA码进行相关操作 后，可获取码相位心 P。因为码相位误差不会超过采样周期的一半，所以真实码相位应该在
这个范围内。这样，可以在这个时间范围内对原始信号以较高频率进 行重采样以获取高精度的码相位。但这种重采样方法会使得接收机信号处理过程复杂，且 实际操作可行度较低。因此，本发明提出一种软采样的方法。
[0037] 软采样方法在这里是指不对信号进行真的采样，也不进行相关操作以获取新的码 相位，而只是假设信号在
内被以较高频率采样，那样，新的码相位就