一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合卫星信号盲区定位方法
【专利摘要】本发明属于电子通信与自动控制领域，涉及到一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合实现卫星信号盲区内接收机定位方法。该定位方法中，接收机利用基站转发的卫星信号将首先分别采用两种不同的方法独立计算位置坐标：一种方法是接收机基于前一时刻的定位结果推导下一时刻位置坐标；另一种方法是接收机利用卫星信号测量基站到接收机的伪距，再利用三角定位原理计算位置。然后，接收机将由两种方法获取的定位结果联合起来作为观测值，利用卡尔曼滤波算法对结果进行滤波以确定最终用户位置坐标。本发明在实际应用时布署成本低且安装容易，并可获得较高定位精度。
【专利说明】
一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合卫星信号盲区定位方法
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 及到导航卫星信号盲区中的用户定位。
【背景技术】
[0002] 在导航卫星信号盲区中，如建筑物或隧道内及高架桥下等，用户接收机一般无法 直接获取到卫星信号，也即无法直接利用导航卫星信号计算位置。在这种情况下，如果仍然 需要利用卫星信号实现定位，那么就要通过位于卫星信号良好区域的其它设备将卫星信号 进行放大转发以使得盲区内用户接收到有效卫星信号来实现定位，如针对室内定位采用的 卫星信号中继器转发技术等。但对于基础设施不完备的环境，卫星中继器布署将遇到极大 挑战。目前移动蜂窝网的覆盖率很高，蜂窝小区基站的覆盖半径逐渐变小，移动信号的盲区 较小，因此，利用移动蜂窝基站转发导航卫星信号，可以使用户在导航卫星信号盲区仍可以 收到卫星信号，进而实现定位;而在用户可直接接收到卫星信号的区域，接收机可利用转发 的卫星信号进一步提高定位精度。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合实现卫星信号盲区内接收机定 位方法，首先是利用移动蜂窝基站对卫星信号进行转发。当一个基站收到导航卫星信号后， 先对信号进行处理获取导航数据，然后对导航数据利用新的扩频码(不同于所有导航卫星 所使用的扩频码)进行调制，再在同样的导航卫星信号所使用的频段上将信号以一定功率 转发出去。当对卫星信号进行转发时，基站利用一定的信号处理保持原卫星信号的码相位、 载波相位和多普勒频移。基站转发卫星信号的发射功率要保证每个接收机同时可接收到三 个或三个以上的基站转发来的卫星信号。接收机利用接收到的转发的卫星信号可实现导航 定位。接收机将采用两种不同的方法进行定位，然后通过卡尔曼滤波器将两种方法测得的 数据进行融合以实现最终高精度定位。
[0004] 本发明的一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合卫星信号盲区定位方法，包括以下 步骤：
[0005] 步骤一:采用二种定位方法进行定位
[0006] 本发明要求蜂窝网基站能够转发导航卫星信号，信号转发功率满足相关规定且能 保证每个用户接收机在任意时刻至少可收到3个或3个以上基站转发来的卫星信号。每个基 站的坐标都经过精确测量且可通过蜂窝网信令数据传给用户接收机。每个基站首先需要对 接收到的卫星信号进行处理以获取星历数据。由于每个基站在同一时间处理的移动网络业 务量可能不同，因此对卫星信号处理的延迟时间也可能不同。而不同的信号处理延迟会造 成接收机到基站的测距误差，即使接收机对来自不同基站的信号进行差分处理。本发明采 用二种定位方法，具体如下：
[0007] 第一种定位方法：
[0008]首先，消除信号转发处理时间误差。记在时间tk接收机测得的信号从卫星Sl经基站 h转发到接收机所经历的时间为Ad,，则
[0010] 其中，式％是信号从卫星Sl到基站h的时间；是信号从基站b调接收机的时 间；St。是接收机钟差；米X,,是信号从卫星Sl到基站匕再到接收机所经历的传播误差；久，是 信号从到达基站天线经基站处理后再从基站天线发射出去所经历的时间；來^代表其它测 量误差。
[0011] 将来自同一卫星且经同一基站转发到接收机但在不同时刻测量的信号传播时间 进行差分操作，得到：
[咖3]其中，接收机钟差Stc将被消除掉;= -次乂》劣;
[0014]
。如与ti之间间 隔小于等于1秒，久(,=和沒考虑为零。接收机在对卫星数据进行解码后可获得卫星坐 标。接收机在接入基站时通过信令可获得基站的坐标信息，戈乂D可以通过卫星和基站坐标 计算获取。
[0015] 接收机分别对不同基站转发的信号在前后连续两个时刻(如和以)测量的传播时间 进行差分操作，即
[0017]让'广 乂乂_" - A/_:义.u，/?广~1)，e,=久。' 可表不为足,^ 其中凡，A,广1), i = 〇，1，即在时亥丨J ti用户的坐标;毛，=(、，%,，\ )为基站b j (j = 1，2， 3)的坐标
，代表在时刻ti从基站bj到 用户接收机之间的距离。公式(3)可进一步表示为：
[0021]如果用户接收机在时刻to时的位置已知，则根据公式(5)，计算得出接收机在时刻 七时的位置。计算得出的用户位置为
[0022] =/(U,，/，,，0. ^1 2^ (奋）
[0023]第二种定位方法：
[0024]当用户接收机接收到来自基站的转发信号后，其可利用该信号测量从卫星经基站 转发到用户信号所经历的时间夂。在时刻tk测得的时间Ad:将如公式（1)所示。来自 同一颗卫星的信号通过不同的基站转发，其到达用户接收机所需的时间将不同。假设同一 卫星(S1)信号经四个基站b」(j = l，2,3,4)转发，则有
[0026]让次^，_/ = 1，2,3,4。￥；^为测量值，而<父是信号从卫星81到基 站M专播所需时间，可以通过卫星幻和基站h的坐标计算得出。^^七二以艮令可以表示 如下：
[0028]基站b」（j = l，2,3,4) 一般相距较近，接收机可同时收到来自这四个基站的转发信 号；<^力=1,2,3,4)认为是相等。每个基站的卫星信号转发处理时间<;(>(_/ = 1，2,3,4)在本 定位方法中假设相等。根据公式(8)，可进一步获得：
[0030]让 A = (y = 1，2,3)，孓= (x"，凡，)，气=(xv ^ ^ 时刻tk用户接收机的坐标;气为基站h的坐标。公式(9)可以写成：
[0032] 根据公式（10)，可以计算获得用户位置坐标(、^:^的闭式解^己计算得出的 用户位置为
[0033] XuJ(=g{^h.Q, i = 1,2.3 (11)
[0034] 第二步:用卡尔曼滤波器将两种定位结果融合
[0035] 第一步两种方法各自定位结果的主要误差源于不同的因素，如果将这两种定位结 果结合确定接收机坐标，可减弱各自因素对定位误差的影响，既而可提高定位精度。因此将 第一步中的两种定位方法的定位结果作为观测值利用卡尔曼滤波器对结果进行滤波以确 定最终定位结果。
[0036] 设卡尔曼滤波器的状态转移矩阵为单位阵，状态转移模型为：
[0037] x(/t) = J(/t-]) + H(A;) (12)
[0038] 其中对幻代表在第k个测量时刻的用户位置坐标，而坷幻为过程噪声向量。
[0039]通过第一种定位方法和第二种定位方法测得的定位结果联合起来作为卡尔曼滤 波器的观测值，也即
[0042]观测值与状态值之间的关系矩阵H(k)定义为：
[0046] 其中，Vl(kWPv2(k)分别为对应测量值艿(幻和旯(幻的测量误差与噪声。观测模型 为
[0047] y(k)^H(k)x{k) + v(k) (16)
[0048] 利用标准卡尔曼滤波算法进行滤波，可得出最终用户位置坐标。
[0049] 本发明提出的移动蜂窝网与卫星导航系统联合定位的方法可以提高用户定位精 度，同时在实际应用中布署成本低安装容易。
【具体实施方式】
[0050] 第一种定位方法：
[0051] 首先消除信号转发处理时间误差。记在时间tk接收机测得的信号从卫星Sl经基站 bj转发到接收机所经历的时间为△<%."，则有
[0053]其中，武(=是信号从卫星Sl到基站匕的时间；是信号从基站匕到接收机的时 间；St。是接收机钟差;是信号从卫星Sl到基站匕再到接收机所经历的传播误差;碑是 信号从到达基站天线经基站处理后再从基站天线发射出去所经历的时间；代表其它测 量误差。
[0054]将来自同一卫星且经同一基站转发到接收机但在不同时刻测量的信号传播时间 进行差分操作，可得到
[0056]其中，接收机钟差Stc将被消除掉；<:()=戈:义-來;來;丄;
' 一般来说，to与ti之间 间隔很小（小于等于1秒），因此，欠^:丨,和可考虑为零。接收机在对卫星数据进行解码 后可获得卫星坐标，此外，接收机在接入基站时通过信令可获得基站的坐标信息，因此 戈^^可以通过卫星和基站坐标计算获取。
[0057]接收机分别对不同基站转发的信号在前后连续两个时刻(如和以)测量的传播时间 进行差分操作，即
[0059]让 /, = <乂.,, - A，:％ "，p卢 >，e广化可表示为 |卜，〇 其中元，=(A，凡，\)〇,i = 〇，1，即在时刻ti用户的坐标;毛,=('，?>V')为基站bj (j = 1，2， 3)的坐标
，代表在时刻ti从基站bj到 用户接收机之间的距离。这样，公式(3)可进一步表示为：
[0063]这样，如果用户接收机在时刻to时的位置已知，则根据公式(5)，可计算得出接收 机在时刻七时的位置。记计算得出的用户位置为
[0064] h = /_ = U,3 (6)
[0065] 利用定位方法一，接收机可根据在上一时刻的位置计算其在下一时刻的位置。当 用户从卫星信号有效区域进入到卫星信号盲区时，可根据在前一时刻所获得的精确位置计 算其在盲区内的首个位置。当用户在盲区内移动时，可持续根据前一时刻的位置计算下一 时刻位置。但产生的问题是，如果前一时刻的位置计算有误差，则将导致当前位置计算产生 误差，继而会造成累积误差越来越大。因此，为减少累积误差，将通过方法二对误差进行纠 正。
[0066]第二种定位方法：
[0067]当用户接收机接收到来自基站的转发信号后，其可利用该信号测量从卫星经基站 转发到用户信号所经历的时间纥，W在时刻tk测得的时间将如公式⑴所示。来自 同一颗卫星的信号通过不同的基站转发，其到达用户接收机所需的时间将不同。假设同一 卫星(S1)信号经四个基站b」(j = l，2,3,4)转发，则有
[0069]让 乂戈％，7 = 1,2,3,4。<1
站匕传播所需时间，可以通过卫星81和基站匕的坐标计算得出。这样，A7^(_/= 1,2,3,4)可以 表示如下：
[0071]因为基站b」（j = l，2,3,4) 一般相距较近(接收机可同时收到来自这四个基站的转 发信号），所以<W,(/ =丨二3,4)可以认为是相等。此外，每个基站的卫星信号转发处理时间 劣";_(./ = 1,2,3,4)在本方法中也假设相等。这样，忽略测量误差的不同，根据公式(8)，可进一 步获得：
[0073]让& 巧匕(7 = 1，2,3)，氣,/5 =(、凡,d时刻tk用户接收机的坐标;气为基站匕的坐标。这样，公式(9)可以写成：
[0075] 根据公式（10)，可以计算获得用户位置坐标的闭式解，记计算得出的 用户位置为
[0076] xuk--=g{xh,c), / = 1.2,3 M!)
[0077] 以上二种定位方法，对于方法一，主要定位误差是由于每一时刻的定位误差都会 累积到后面每一时刻的定位结果中；对于方法二，主要定位误差来自于各基站的信号处理 时间不同。这两种方法各自定位结果的主要误差源于不同的因素，如果将两种定位结果结 合确定接收机坐标，可减弱各自因素对定位误差的影响，既而可提高定位精度。因此可将两 种方法的定位结果作为观测值利用卡尔曼滤波器对结果进行滤波以确定最终定位结果。
【主权项】
1. 一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合卫星信号盲区定位方法，包括以下步骤： 步骤一:采用二种定位方法进行定位 第一种定位方法： 首先，消除信号转发处理时间误差;记在时间tk接收机测得的信号从卫星S1经基站bj转 发到接收机所经历的时间为乂:乂,"，则其中，是信号从卫星Sl到基站比的时间;是信号从基站b倒接收机的时间；St。 是接收机钟差;是信号从卫星S1到基站h再到接收机所经历的传播误差;是信号从 到达基站天线经基站处理后再从基站天线发射出去所经历的时间；代表其它测量误 差； 将来自同一卫星且经同一基站转发到接收机但在不同时刻测量的信号传播时间进行 差分操作，得到：其中，接收机钟差Stc将被消除掉;t〇与tl之间间隔小 于等于1秒，從!,x!,和考虑为零;接收机在对卫星数据进行解码后获得卫星坐标;接收 机在接入基站时通过信令获得基站的坐标信息，通过卫星和基站坐标计算获取； 接收机分别对不同基站转发的信号在前后连续两个时刻(如和七)测量的传播时间进行 差分操作，即，其 中 t V = 〇，1，即在时刻ti用户的坐标；4, = ('，.vV' )为基站bj(j = 1，2，3) 的坐标，，代表在时刻U从基站匕到用 户接收机之间的距离;公式(3)进一步表示为：公式(4)进一步整理为：如果用户接收机在时刻to时的位置已知，则根据公式(5)，计算得出接收机在时刻^时 的位置;计算得出的用户位置为 瓦，1 = /(U，，A，(.). / = 1，2,3 (6) 第二种定位方法： 当用户接收机接收到来自基站的转发信号后，其利用该信号测量从卫星经基站转发到 用户信号所经历的时在时刻tk测得的时间如公式（1)所示;来自同一颗 卫星的信号通过不同的基站转发，其到达用户接收机所需的时间将不同；假设同一卫星 (s〇信号经四个基站匕〇 = 1，2,3,4)转发，则有让-戈以,_/ = 1,2,3,4 ; 为测量值，而是信号从卫星S1到基站bj 传播所需时间，通过卫星和基站匕的坐标计算得出；= 1,2,3,4)表示如下：基站b」（j = l，2,3,4)相距近，接收机同时收到来自这四个基站的转发信号； <t"G = 1，2,3,4)认为是相等；每个基站的卫星信号转发处理时间劣^卜以泛分假设相 等;根据公式(8)，进一步获得：让 A = A%) - :,, () = 1,2,3)，= (x"、v", 严)，& ^ tk用户接收机的坐标;毛,为基站bj的坐标;公式(9)写成：根据公式（10)，计算获得用户位置坐标(xK,A,z"；P的闭式解，记计算得出的用户位置 为 xu,k=g{xti，a， i;l，2,3 (11) 第二步:用卡尔曼滤波器将两种定位结果融合 设卡尔曼滤波器的状态转移矩阵为单位阵，状态转移模型为： x(/c) = x(k - 1) + \\\k) (] 2) 其中i(幻代表在第k个测量时刻的用户位置坐标，而诃/f)为过程噪声向量； 通过第一种定位方法和第二种定位方法测得的定位结果联合起来作为卡尔曼滤波器 的观测值，也即其中⑷=/(々)，而艿⑷=gW ; 观测值与状态值之间的关系矩阵H(k)定义为：///(幻和//〖(幻定义为单位阵;相应的测量噪声矩阵定义为：其中，vdkWPWk)分别为对应测量值艿(幻和艿⑷的测量误差与噪声。观测模型为 y(k) = ll{k)x(k)^YU<) (16) 利用标准卡尔曼滤波算法进行滤波，得出最终用户位置坐标。
【文档编号】G01S19/46GK106054226SQ201610663098
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月12日 公开号201610663098.8, CN 106054226 A, CN 106054226A, CN 201610663098, CN-A-106054226, CN106054226 A, CN106054226A, CN201610663098, CN201610663098.8
【发明人】李秀魁
【申请人】大连理工大学