专利名称：一种内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，属于内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统的改造技术。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS)已被世界各地的人民广泛应用于其生活的各方面。每年已售出数千万的个人导航设备(PND)和具备全球卫星导航功能的手机。全球导航卫星系统也广泛应用于工业，农业，军事，建筑，交通运输和安全应用。目前最主要的运行系统是美国的全球定位系统(GPS)(图I)。欧洲的伽利略，俄罗斯的GN0LASS和中国的北斗II也在不久的将来能够与GPS系统竞争的定位系统。GNSS系统是由20至30颗中等地球轨道卫星I组成的，每个卫星在其准确的原子钟控制下广播其不同的伪随机噪声和其星历表。用户设备2(GNSS接收机)解码伪随机噪声并获得卫星信号传送到用户位置的时间。当对有4颗 以上的卫星的信号进行跟踪时，用户的三维位置和用户时钟偏移就能解算出来。GNSS系统也可以为通信网络的同步提供准确的时间信号。实际上，GNSS系统正被广泛应用于现代蜂窝网络的同步。全球定位系统虽然为人们提供了巨大的便利，但它也有它的限制。绝大多数的用户都只配备了廉价的单频LI频段接收机。它们在最好的情况下测量精度仅为10米左右。大多数误差是由于电离层延迟估计误差(7. I米)，卫星的时钟误差(I. I米)和相对于它的广播星历的卫星位置误差(0.8米)。为了提高精确度，美国开发了基于卫星的增强系统(SBAS)。在没有增加用户设备硬件复杂度的情况下，SBAS系统可提高约10米至2米的GPS定位精度。SBAS系统由数颗地球静止卫星组成，用于广播GPS卫星时钟，星历，位置和速度以及电离层延迟的校正信息，地面参考站，主控制系统和上行链路中继到地球同步轨道卫星的信息。不幸的是，这个系统十分昂贵。它涵盖世界各地的面积有限。SBAS目前仅在北美(WAAS)，欧盟(EGNOS)和日本(MSAS)运行。SBAS并没有覆盖包括中国的大部分，俄罗斯和非洲的辽阔地区。在一些区域如被高层建筑充满的大城市，被树木和枝叶覆盖的农村地区或者在室内，GPS信号都能够被遮挡。独立的GPS设备可能无法获得足够的GPS卫星信号来计算用户的位置。在这些条件下，人们可以利用网络辅助GPS(A-GPS)技术(美国专利6625458)。当没有GPS信号接收时，A-GPS接收机用手机基站提供的信息定位。当GPS信号弱时，具有A-GPS功能的接收机可以通过一个通用的蜂窝网络来获得星历和年历。A-GPS也可以从蜂窝网络获得粗频和码延时信息以帮助GPS信号的采集。高通公司的GPSOne就是这样的一个实现例子。它是由A-GPS终端3，(通常是移动手机内置GPS接收器)；一个能够提供GPS辅助信息如卫星星历与当GPS信号太弱时，无法解码的从中央定位服务器6到A-GPS接收机的年历的蜂窝网络4组成。A-GPS可以比独立的GPS系统有更高的的可用性。但它不能提高GPS定位的精度。在没有增强SBAS的系统下，A-GPS在最佳条件下，精度为10米。在美国，欧盟和日本，SBAS是有效的，GPS和A-GPS接收机能获得更好的精度。如果接收机可以从地球静止WAAS卫星获得SBAS信号或从蜂窝网络4获得SBAS信息，精度可达2米。由于A-GPS系统不是一个差分增强系统，它不需要蜂窝基站配备GPS接收机。所有的A-GPS辅助信息是从GPS或SBAS卫星获得的没有任何进一步修改或更正的信息。该系统不计算任何卫星钟差、轨道误差、电离层和对流层的误差。提高GPS定位精度的一个方法是使用一个专门的连续运行参考站网络(CORS)。它通常是基于一套固定地理位置的参考站提供的差分信号，来修正电离层的延时，卫星时钟和轨道误差，对流层延迟误差。举个例子，Trimble的虚拟参考站技术(VRS)是由3个或更多的用于测量卫星信号的高精度参考站和用于在参考站和用户之间，中央服务器和用户，以及中央服务器软件之间传递信号的专用高速网络组成。参考站计算修正信息通过高速网络传递到最终的用户。通常参考站同时测 量伪距和载波相位，而定位软件则是基于实时动态(RTK)技术。这些系统可以达到厘米级的惊人精度。但系统的通信网络主要采用了专有的标准，而不是开放式蜂窝网络标准，如目前的2G，2. 5G，3G和4G网络GSM，CDMA, WCDMA,CDMA2000, TD-SDMA或LTE。与蜂窝网络相比，专有的网络能够支持的用户数量和覆盖面积都要小很多。它不能支持语音通话。视频、数据和物联网的接入也显然不行。目前CORS系统还需要专用的，昂贵的接收机来解码和实现定位的更正。由于这些原因，系统的建设和维护是极其昂贵的，并且只能覆盖世界的小部分领域。高精度定位的重要用途之一是结构健康监测。基于实时动态(RTK)技术的GPS系统能够提供厘米级的相对运动监测精度。因此，它是流行的大型结构如高层建筑和桥梁的健康监测方式。目前为止，这类型的监测系统都是以专用的RTK网络形式实现的。如果有多个多功能的传感器，如应变传感器，风力和湿度以及压力传感器，也能对结构健康测量提供不少便利。压电变换器可诱发结构的机械振动，通过压电传感器获取它的响应来分析结构的力学变化。与传感器的输出相结合，监控系统能更有效。当前的系统都是孤立的部分，每一个系统对应一个结构，而通过一个联网的中央位置监控连接不同结构的所有传感器的输出应该是最佳的选择。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种成本低，定位准确的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统。本发明设计合理，方便实用。本发明的技术方案是本发明的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，包括有蜂窝基站、装设在蜂窝基站附近固定位置的卫星定位接收机、蜂窝系统的核心网络、蜂窝网络的定位增强服务器、移动终端，蜂窝基站与装设在蜂窝基站附近固定位置的卫星定位接收机及移动终端组成蜂窝网络，蜂窝系统的核心网络分别与蜂窝基站及蜂窝网络的定位增强服务器连接，且蜂窝网络的蜂窝基站的电脑上设有数据采集和管理软件模块，蜂窝网络的定位增强服务器上装有中央广域增强系统服务器软件，移动终端上装有广域增强系统客户端软件。上述标准用户使用的移动终端是指手机或者集成了 GNSS接收模块和上述所说的蜂窝网络通信模块的汽车导航设备。上述标准用户使用的移动终端是能够进行载波相位测量的GNSS接收模块，和用于蜂窝网络的高速通信模块。
上述中央广域定位增强服务器与不同蜂窝网络的用户之间设有能建立广域增强系统信息路径的增强系统数据交换服务器。上述移动终端与蜂窝网络之间还设有传感器网络，传感器网络通过Zigbee集线器与蜂窝网络的通信接口连接。上述传感器网络包括带Zigbee收发器的传感器，移动终端通过带Zigbee收发器的传感器形成一个或多个ZigBee网络,并与一个或多个结构健康监测的ZigBee枢纽连接到蜂窝网络。上述带Zigbee收发器的传感器包括应变传感器，压电传感器和压电换能器。上述蜂窝网络是基于其中一个通用和开放的标准GSM，CDMA, WCDMA, CDMA2000,TD-SCDMA LTE并提供移动电话，短信和互联网连接；上述卫星定位接收机输出原始数据包括伪距，多普勒频移，载波相位测量以及卫星星历；上述卫星定位接收机接收来自一个或多、个卫星定位星座的一个或多个卫星定位频率。上述数据采集和管理软件模块运行在蜂窝基站的电脑上以记录环形缓冲器中的原始数据；上述广域增强系统服务器软件通过主机蜂窝网络从蜂窝基站的电脑获得原始数据，解决每个空间网格上的电离层和对流层延时修正，并修正卫星的钟差和轨道误差；上述广域增强系统服务器软件是基于相邻基站载波相位测量的双差算法之上；上述广域增强系统服务器软件是基于载波相位测量整周模糊度的解决；上述广域增强系统服务器软件通过蜂窝网络向移动终端发送电离层延迟，对流层延迟，卫星轨道误差和钟差修正信息。上述高精度定位用户的广域增强系统客户端软件通过移动设备和最近的基站获得电离层和对流层延时修正，卫星轨道和时钟偏移和载波相位测量来解决整周模糊度，并获得高精度定位；上述广域增强系统客户端软件通过蜂窝网络整合广域增强系统的电离层和对流层延迟，卫星轨道误差和钟差的修正信息于定位解算中。本发明与现有技术相比，本发明利用现有的蜂窝网络的硬件，嵌在一个通用的蜂窝网络系统上。本发明在不增加任何硬件的情况下，增强系统使用现有的卫星定位接收机，无线和宽带通信网络和中央服务器的计算资源，为移动用户提供定位服务。本发明的广域增强系统，以覆盖数十亿手机用户的大面积，同时该系统还可以为付费用户和结构健康监测提供高精度的定位(厘米级)。本发明是一种低成本，定位准确的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统。
图I是一个典型的全球导航卫星系统美国的GPS系统，包括GPS卫星I和移动用户2 ；图2是一个由高通公司实现的卫星定位辅助网络(A-GPS)，GPSOne。当卫星定位信号很弱时，中央辅助服务器6通过蜂窝网络为A-GPS用户提供精确的卫星轨道和时钟信
肩、O图3是一个典型的标准通用蜂窝网络系统的拓扑结构。由基站4的和它附近的固定位置的卫星定位接收机8组成，卫星定位接收机为网络10和用户9提供精确的同步。图4是本发明嵌入式的卫星定位增强系统架构。图5是本发明嵌入式广域增强系统和主机蜂窝网络系统的拓扑结构。
图6是本发明嵌入增强系统服务于多个蜂窝网络(A17和B18)的多个卫星定位星座(GPS卫星I和伽利略卫星16为例)。虚线代表的是无线通信，而箭头块代表的是宽带网络。图7是本发明高精度定位服务为基础的健康监测系统。该系统包括一个或多个移动终端12，应变传感器和Zigbee终端设备23，位于移动终端12或基站4 (不包括在此图)的Zigbee集线器。图中I、定位卫星；2、独立的移动卫星导航接收机；3、网络辅助卫星定位(A-GPS)接收机；4、蜂窝基站；5、蜂窝网络；6、GPS全球定位系统辅助服务器；7、可以下载卫星辅助信息的互联网；8、蜂窝基站附近的固定位置的卫星定位接收机；9、移动用户；10、蜂窝系统的核心网络；11、蜂窝网络的定位增强服务器；12、移动终端；13、中央广域增强系统服务器软件；14、位于基站电脑的数据采集软件；15、广域增强系统客户端软件；16、伽利略卫星；17、 蜂窝A的核心网络；18、蜂窝B的核心网络；19、蜂窝A的系统增强服务器；20、蜂窝B的定位增强服务器；21、增强系统数据交换服务器；22、需要监测的结构；23、带Zigbee收发器的传感器；24、与蜂窝通信接口的Zigbee集线器。
具体实施例方式实施例本发明的结构示意图如图4所示，本发明是面向全球导航卫星系统在蜂窝网络系统的嵌入式差分广域增强系统和实时动态系统。本发明利用已经建立的一个现代化通讯蜂窝网络系统的硬件和网络资源的优势，本发明的差分广域增强系统不需要对蜂窝网络主机增加任何硬件。因此，它可以大大降低系统成本。并且，它可以为广大的移动用户提供标准的精度以及为那些在蜂窝网络覆盖范围内选定的高级用户提供高精度定位。本发明利用现代无处不在，始终可用的覆盖蜂窝网络，本发明可以不需建造昂贵的专用参考站和地球静止卫星来建立广域增强系统和实时动态定位系统。现代蜂窝网络如图3所示，需要蜂窝基站之间严格的时间同步。例如WCDMA，部署最广泛的3G网络标准，为了非坠呼叫和减少网络内的干扰，基站之间的同步误差要小于
2.5e-06秒。目前唯一可行的解决方案是在每个蜂窝基站4部署卫星定位接收机8，用来提供时间同步。该系统具有三个主要部分卫星定位接收机，提供基站时间同步，蜂窝网络的定位增强服务器11 ;连接蜂窝基站4和定位增强服务器11的核心网络10。图5是本发明嵌入式广域增强系统和其蜂窝主机网络系统的系统拓扑。本发明的增强系统对于蜂窝网络无需额外的硬件。它利用其所有的主机网络所需的硬件资源1)移动终端12提供高速无线连接到基站4。2)密集分布的卫星接收机8固定在网络的基站4(节点B)上充当连续运行参考站(CORS)。3)连接蜂窝基站4到核心网络10和蜂窝网络的定位增强服务器11的高速网络。4)蜂窝网络的定位增强服务器11。在星基增强系统SBAS不可用的地区(中国、俄罗斯、南美、大洋洲和非洲国家)，本发明的系统是尤其有用的。它可以用最低的成本提供高度准确的定位服务。另外，本发明的系统还可以提供高精度定位服务。这样的高精度服务目前是非常昂贵而且只在非常小的面积里可用。使用蜂窝网络系统的硬件资源，本发明仅通过增加软件就可以为GNSS建立一个广域增强系统。此外，本发明的系统也可以作为一个连续运行参考站(CORS)网路，而无需额外的硬件，为高精度用户服务。系统分为几个软件部分，添加到蜂窝网络中来，建立一个广域增强系统，如图5所示a.在蜂窝基站4电脑上的数据采集软件模块14，b.在定位增强服务器11上运行的广域增强系统服务器软件13，c.运行在移动终端12上的广域增强系统服务器软件15，用于提供本地卫星定位测量的误差修正。a.数据采集软件模块14数据采集软件模块14在蜂窝基站4的计算机上运行。其任务是记录和管理来自卫星定位接收机的原始数据。一般地在蜂窝基站4的卫星定位接收机8不仅可以产生同步信号。它也可以测量每个可见的定位卫星的伪距，多普勒频移和载波相位。例如，对WCDMA同步广泛使用的卫星定位接收机，U-BLOX LEA-4T，可以输出伪距，多普勒频移和载波相位测量。高精度定位需要载波相位测量。此外，卫星定位接收机也输出卫星的星历，时钟偏移，电离层延迟等。许多卫星定位接收机，例如LEA-4T，可以在IOHz的速率输出原始数据。从卫星定位的原始输出数据，可以迅速填满蜂窝基站4计算机的有限存储空间。但是，我们只需要本地存储最近的测量。这个任务可以通过使用一个环形缓冲区来实现。由于广域增强系统服务器软件需要同步数据用以数值分析来获得高精度定位，缓冲区需要确保卫星定位数据的时间戳的记录。广域增强系统服务器从环形缓冲区中获取数据，实时计算广域增强系统修正，转发给需要的用户。此外，在蜂窝基站附近的移动用户也可以通过蜂窝无线通信通过实时动态技术实时获得高精度定位。b.广域增强系统服务器软件13广域增强系统服务器软件13在蜂窝网络的定位增强服务器11上运行。它的目的是分析原始数据，提炼出误差分量。本发明的分析方法是基于差分广域增强系统从不同的地方采集测量原始数据。原始数据包括同步的伪距离、多普勒频漂、载波相位和卫星星历。广域增强系统服务器软件解出空间格点的电离层和对流层延时和卫星钟差、卫星轨道校正。假设分布在一个地区上，有N个带卫星定位接收机的基站，i代表接收机(i =I.. N)，每个接收机可以看见M个定位卫星。j代表定位卫星(j = l..M)。伪距离、多普勒频漂、载波相位的测量方程可以是
权利要求
1.一种内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于包括有蜂窝基站(4)、装设在蜂窝基站(4)附近固定位置的卫星定位接收机(8)、蜂窝系统的核心网络(10)、蜂窝网络的定位增强服务器(11)、移动终端(12)，蜂窝基站(4)与装设在蜂窝基站(4)附近固定位置的卫星定位接收机(8)及移动终端(12)组成蜂窝网络(5)，蜂窝系统的核心网络(10)分别与蜂窝基站(4)及蜂窝网络的定位增强服务器(11)连接，且蜂窝网络的蜂窝基站(4)的电脑上装设有数据采集和管理软件模块(14)，蜂窝网络的定位增强服务器(11)上装有中央广域增强系统服务器软件(13)，移动终端(12)上装有广域增强系统客户端软件(15)。
2.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述标准用户使用的移动终端(12)是指手机或者集成了卫星定位接收模块和上述所说的蜂窝网络通信模块的汽车导航设备。
3.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述标准用户使用的移动终端(12)是能够进行载波相位测量的卫星电视接收模块，和用于蜂窝网络的高速通信模块。
4.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述中央定位增强服务器(11)与不同蜂窝网络(5)的用户之间设有能建立广域增强系统信息路径的增强系统数据交换服务器(21)。
5.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述移动终端(12)与蜂窝网络(5)之间还设有传感器网络，传感器网络通过Zigbee集线器(24)与蜂窝网络(5)的通信接口连接。
6.根据权利要求5所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述传感器网络包括带Zigbee收发器的传感器(23)，移动终端(12)通过带Zigbee收发器的传感器(23)形成一个或多个ZigBee网络，并与一个或多个结构健康监测的ZigBee枢纽连接到蜂窝网络(5)。
7.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述带Zigbee收发器的传感器(23)包括应变传感器，压电传感器和压电换能器。
8.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述蜂窝网络(5)是基于其中一个通用和开放的标准GSM，CDMA, WCDMA, CDMA2000,TD-SCDMA LTE并提供移动电话、短信和互联网连接；上述卫星定位接收机(8)输出原始数据包括伪距，多普勒频移，载波相位测量以及卫星星历；上述卫星定位接收机(8)接收来自一个或多个全球卫星定位星座的一个或多个卫星定位频率。
9.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述数据采集和管理软件模块(14)运行在蜂窝基站(4)的电脑上以记录环形缓冲器中的原始数据；上述广域增强系统服务器软件(13)通过主机蜂窝网络从蜂窝基站(4)的电脑获得原始数据，解决每个空间网格上的电离层和对流层延时修正，并修正卫星的钟差和轨道误差；上述广域增强系统服务器软件(13)是基于相邻基站载波相位测量的双差算法之上；上述广域增强系统服务器软件(13)是基于载波相位测量整周模糊度的解决；上述广域增强系统服务器软件(13)通过蜂窝网络向移动终端(12)发送电离层延迟，对流层延迟，卫星轨道误差和钟差修正信息。
10.根据权利要求I所述的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统，其特征在于上述高精度定位用户的广域增强系统客户端软件(15)通过移动设备和最近的基站获得电离层和对流层延时修正，卫星轨道和时钟偏移和载波相位测量来解决整周模糊度，并获得高精度定位；上述广域增强系统客户端软件(15)通过蜂窝网络整合广域增强系统的电离层和对流层延迟，卫星轨道误差和钟差的修正信息于定位解算中。
全文摘要
本发明是一种内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统。包括有蜂窝基站(4)、装设在蜂窝基站(4)附近固定位置的卫星定位接收机(8)、蜂窝系统的核心网络(10)、蜂窝网络的定位增强服务器(11)、移动终端(12)，蜂窝基站(4)与装设在蜂窝基站(4)附近固定位置的卫星定位接收机(8)及移动终端(12)组成蜂窝网络(5)，蜂窝系统的核心网络(10)分别与蜂窝基站(4)及蜂窝网络的定位增强服务器(11)连接，且蜂窝网络基站(4)电脑上设有数据采集和管理软件模块(14)，蜂窝网络的定位增强服务器(11)上装有中央广域增强系统服务器软件(13)，移动终端(12)上装有广域增强系统客户端软件(15)。本发明是一种成本低，定位准确的内嵌在蜂窝网络中的全球导航卫星广域增强系统。
文档编号H04W4/02GK102739301SQ20121000689
公开日2012年10月17日 申请日期2012年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者王峰 申请人:广东工业大学