专利名称：一种解决gnss伪卫星定位中远-近问题的方法
技术领域：
本发明属于GNSS伪卫星定位领域，特别是涉及一种新的解决远-近问题的方法。
背景技术：
GNSS伪卫星定位技术，是为了解决在室内、地下以及隧道等区域，无法正常进行 GNSS定位的情况下，利用伪卫星发射信号，然后由接收机接收后进行解算、定位的技术。GNSS伪卫星定位过程中，有一点和真实的卫星定位有很大区别，就是真实的卫星 位于距离接收机数万公里的天空轨道上，他们的信号到达接收机的时候，每颗卫星的信号 强度差别不大，互相影响很小。而伪卫星与接收机的距离比较近，通常在几米到几十公里范 围，在这个范围里，接收机接收到的伪卫星的信号强度差异非常大。假设接收机与伪卫星 的远近距离比为1500 1(最近距离2米，最远距离3000米)，则信号强度的变化大约有 63dB。以GPS的C/A码为例，最差的互相关余量为21. 6dB，显然，当接收机离伪卫星距离2 米的时候，接收到的信号强度将大大超过这个余量，无法做出正确的互相关运算结果，以至 于无法定位。这就是“远-近问题”。从接收机本身来说，虽然可以靠接收机的AGC部分来调整接收到的信号的强度， 但这样会同时减弱微弱卫星信号的强度，最终的结果仍然是无法定位。真正解决的办法是 增加ADC的位数，这样可以显著提高接收机的动态范围，例如用12位的ADC来代替2位的 ADC，则会将动态范围提高60dB左右。但这样同时带来了必须要替换相关器，直接导致成本 的升高以及功耗等资源的提高。对发射端(伪卫星)来说，目前的解决远近问题的办法主要有带外发射、频 率偏移、跳频、新的扩频码，以及脉冲发射。(GPS Pseudolites =Theory, Design, and Applications, H. Stewart Cobb, 2003)。前4种方法实施的难度较大，需要对接收机的射频 部分或相关器做很大的改动，因此目前没有广泛使用。最后一种脉冲发射的办法在一些情 况下获得了比较好的效果，但是也存在一些问题1，脉冲信号对接收机的AGC性能要求较 高，而且同样对接收机动态范围要求较高，对一些接收机，由于脉冲信号的瞬时干扰效应， 脉冲信号的接收质量明显不如连续信号。2，脉冲信号导致所有接收机所接收到的信号强度 整体下降，影响了使用效果。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种有效而且容易实施的解决GNSS伪卫星定位中 远-近问题的方法。本发明提供的解决GNSS伪卫星定位中远_近问题的方法，其技术方案为定位用 户所用的接收机定期与主控机进行联系，并将自己所收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位 状况传送给主控机，所述定位状况是指定位用户是否可以正常定位，主控机进行以下步骤，步骤一、主控机对每个定位用户接收到的伪卫星的信噪比进行检查，如果发现有 某个定位用户X接收到的某颗伪卫星Y的信噪比超过预设的信噪比最高门限值，则根据实际要求选择是否参考该定位用户X的定位状态，从而判断该定位用户X与这颗伪卫星Y的 距离是否过近，判断出距离过近时表明产生或者即将产生远-近问题；步骤二、如果在步骤一中判断表明产生或者即将产生远-近问题，则主控机向这 颗伪卫星Y发出控制命令，通过控制命令将其发射功率减小，或者将其由连续模式切换为 脉冲模式，或者减小脉冲宽度，并记录伪卫星Y的编号；步骤三、当定位用户X所收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位状况再次传送到主 控机时，主控机执行步骤一再次检查该定位用户X接收这颗伪卫星Y是否仍然产生或者即 将产生远-近问题，如果是则执行步骤二继续发出控制命令，继续通过控制命令将其发射功率减小， 或者将其由连续模式切换为脉冲模式，或者减小脉冲宽度；如果否则检查定位用户X接收这颗伪卫星Y的信噪比是否低于预设的信噪比最低 门限值，如果是低于则主控机向该伪卫星Y发出控制命令，将其发射功率逐步增大直到最 大，或者逐渐增大脉冲宽度，或者由脉冲模式切换到连续模式，如果否则返回步骤一继续检 查各定位用户所接收的每颗伪卫星是否产生或者即将产生远_近问题。本发明的特点无须对现有的定位接收机和伪卫星本身做任何修改，定位接收机 只需要利用接收机和主控机之间的通讯链路，将自己的接收到的伪卫星的信号强度和定位 状况发送给主控机，主控机根据预先设定的阈值，动态改变伪卫星的信号发射功率或者发 射模式(连续还是脉冲)，从而解决了远-近问题。在目前的伪卫星应用中，大多数系统都 有定位接收机和主控机之间的通讯链路，也有主控机和各个伪卫星的通讯链路，因此实施 的成本很低。
图1为对一台GPS接收机和一台伪卫星在室内测试的部分结果。
具体实施例方式1、理论基础GNSS定位系统中，发射器(卫星或者伪卫星)发射出调制的并且带有导航信息的 高频电磁波，接收机接收这些电磁波，然后解调出里面的信息并进行定位解算，从而得到自 己的位置。以GPS系统中的Ll波段的C/A码为例，GPS系统中，Ll波段的发射频率为 1575. 42MHz，该信号被1023KHz的C/A码以及50Hz的导航电文，还有10. 23MHz的P(Y)码 所调制。民用接收机目前只能对C/A码进行相关运算，将卫星信号捕获，进而进行码跟踪和 载波跟踪，并将导航电文解调，最后进行定位解算。在整个过程中，C/A码的相关运算是非 常关键的一个步骤，如果这一步不能完成，则根本不能知道所接收的是哪颗卫星，更不能进 一步进行跟踪解调和定位。而C/A码的自相关和互相关特性表明，最好的自相关为OdB，最 差的互相关为 _2L 6dB (B. W. Parkinson，J. J. Spliker, Jr, editors. Global Positioning System :Theoryand ApplicationsI，volume 163 of Progress in aeronautics and Astronautics，1996)。因此最差的互相关余量为21. 6dB。
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在使用真实的卫星定位时，虽然所有的卫星信号都被淹没在噪声中，但到达接收 机的各颗卫星的信号强度差异很小，完全在接收机的动态范围之内，因此接收机可以通过 相关器完成正确的相关运算。在使用伪卫星的时候，伪卫星和接收机的距离近，而且最大距离和最小距离比值 很大，根据电磁波传播理论，自由空间中，电磁波传播的衰减值与距离的平方成正比。因此 接收机在运动的时候，接收到的伪卫星信号强度变化范围就非常大。假设接收机与伪卫星 的最近距离为2米，最远距离为3000米，则接收机接收到的伪卫星信号强度范围就是20Xlog (3000/2) ^ 63. 5dB这个数值已经远远大于C/A码的最差互相关余量，即使接收机有一定的动态范 围，但仍然非常有限，无法处理这样的信号，最终将导致相关器输出错误的相关结果，使后 面的工作无法进行，定位失败。这就是“远_近问题”。只有将引起远_近问题的伪卫星的实际发射功率降低(例如直接降低发射功率， 或者用脉冲方式发射等)，才可以平衡各个伪卫星的信号强度，彻底解决远_近问题。本发明提供的GNSS伪卫星定位系统动态调整解决方案就是判断哪颗卫星引起了 远-近问题，然后降低其实际发射功率。在接收机远离该卫星，不再有远-近问题后，再将 其实际发射功率恢复。2、实施例实现过程(1)具体实施时，首先根据所使用的接收机、使用环境、天线等各种条件，测试不 同距离、不同发射功率的时候，接收机端的信噪比，以确定开始降低伪卫星发射功率的信噪 比最高门限值以及开始重新提高发射功率的信噪比最低门限值。具体阈值的选定需根据 具体情况确定，例如根据图(1)中的实验结果，可以选最高门限值为40dBHz，最低门限值为 30dBHz。图⑴中的实验方式为在室内，用一颗Ll波段的GPS伪卫星以不同模式发射不 同功率的信号(包括lcm、50cm和200cm连续信号，50cm和200cm脉冲信号)，用GPS接收 机在不同距离上接收其信号，然后记录信号强度。其中横坐标是发射功率，单位dbm ；纵坐 标代表接收到的信号强度，单位是dbHz。(2)接收机端，定位用户不断将自己接收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位状态 (是否成功定位)等信息发送给主控机。信号链路可利用现有的定位用户和主控机之间的 通讯链路(现有的通讯链路主要用于定位校正，在目前的伪卫星定位应用系统中几乎是必 须的。该链路一般是无线网络，例如WIFI或者无线Modem)。发送速率应越快越好，这样才 可以及时调整状态。主控机端，在接收到定位用户发送来的每颗卫星的信噪比以及定位状态后，判断 是否有信噪比超过最高门限值的情况，并可以根据实际要求决定是否同时判断定位状态是 否失败，是则参考定位状态判断是否发生或者有可能要发生远-近问题，否则直接信噪比 超过预设的信噪比最高门限值判断是否发生或者有可能要发生远-近问题。这里的“实际 要求”，意思是，如果具体实施时想尽最大可能减少远-近问题的影响，就只判断信噪比是否 超过最高门限值，一旦超过，无须判断是否正常定位，就立即向伪卫星发送控制命令；如果 具体实施时想尽量减少对伪卫星的操作，以降低对其他接收机的影响，就要在判断完信噪 比之后，继续检查定位是否正常，如果虽然信噪比超过最高门限值但是定位状态正常，就不向伪卫星发送控制命令，如果信噪比超门限且定位状态不正常，就向伪卫星发送控制命令。 通过向引起远-近问题的伪卫星发送控制命令降低其实际发射功率，可以直接降低发射功 率，或者将发射模式由连续切换为脉冲，或者减少脉冲宽度。具体采用何种方式可以根据实 际情况测试后选择效果较好的，这与伪卫星信号质量、接收机性能等因素有关系。当然，只 有当前发射模式是连续模式，才能从连续模式切换到脉冲模式；只有当前发射模式是脉冲 模式，才能减少脉冲信号的宽度。如果判断出定位用户X与伪卫星Y的距离过近，即定位用户X与伪卫星Y产生或 者即将产生远-近问题，则需要由主控机通过通信链路传输控制命令给伪卫星Y。主控机 与伪卫星之间的通信链路在大多数的伪卫星定位应用系统中是已经具备的(用于传输差 分数据)，因此可直接利用。一般情况下，在调节了伪卫星的发射功率后，会引起接收机AGC 的动作，因此对伪卫星发射功率的调节每次不宜过大，以免造成失锁。另外，由附图1可以 看出，当接收机接收到的伪卫星信号强度比较大的时候(大致超过40dBHz)，伪卫星的发射 功率与接收机收到的信号不成线性关系，而当信号降低后，则接收到的信号强度与发射功 率基本呈线性关系，因此如果有多个接收机，降低伪卫星的发射功率，都会造成离该伪卫星 较远的接收机收到的信号强度的减弱幅度大于已经发生远-近问题的接收机。这样必然会 影响远距离的用户的正常定位。因此降低发射功率必须逐步进行，每次发送控制命令仅使 发射功率降低一个合适的值，该值不宜过大，例如每次降低3db。在后续判断出定位用户X 接收这颗伪卫星Y仍然产生或者即将产生远_近问题时，发送控制命令使发射功率降低该 值，即可达到逐步降低的效果。同理，减小脉冲宽度也应该是逐渐进行。(3)主控机端，需要对已经根据降低发射功率(或者将发射模式由连续改为脉 冲，或者减少脉冲宽度)的伪卫星进行记录，在接收到定位用户新发送来的每颗卫星信噪 比以及定位状态后，再次检查该定位用户X接收这颗伪卫星Y是否仍然产生或者即将产生 远-近问题，如果是则继续发出控制命令降低发射功率(或者将发射模式由连续改为脉冲， 或者减少脉冲宽度)，如果否则判断是否有被记录的伪卫星信噪比降低到最低门限值的情 况。如果有，则认为该接收机已经脱离近区，没有了远-近问题，因此应该发出控制命令直 接将该伪卫星的发射功率调大，直到发射功率达到最大。或者将发射模式由脉冲改为连续， 或者增大脉冲宽度。增大发射功率和脉冲宽度，也可以设定每次增大一个值，以实现逐渐调 整。具体采用何种方式增加伪卫星实际发射功率，也是可以根据实际情况测试后选择效果 较好的，这与伪卫星信号质量、接收机性能等因素有关系。当然，只有当前发射模式是脉冲 模式，才能从脉冲模式切换到脉冲模式；只有当前发射模式是脉冲模式，才能增大脉冲信号 的宽度。之所以设定一个信噪比最低门限值，是为了防止定位用户在近气泡边缘移动，造成 频繁对伪卫星进行操作。(4)以上步骤在系统运行后一直循环，不断调节，以保证阻止远-近问题的发生。 因为定位用户所用的接收机定期与主控机进行联系，并将自己所收到的每颗伪卫星的信噪 比以及定位状况传送给主控机，因此主控机对系统中的远-近问题保持监控。流程可以设 定为，当定位用户X接收伪卫星Y已经产生或者即将产生远-近问题，或者定位用户X接收 这颗伪卫星Y的信噪比低于预设的信噪比最低门限值时，主控机根据最新收到的各定位用户 所接收每颗伪卫星的信噪比以及定位状况，动态调整伪卫星Y的发射功率或发射模式或脉冲 占空比；否则继续检查各定位用户所接收的每颗伪卫星是否产生或者即将产生远-近问题。
权利要求
一种解决GNSS伪卫星定位中远 近问题的方法，其特征是定位用户所用的接收机定期与主控机进行联系，并将自己所收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位状况传送给主控机，所述定位状况是指定位用户是否可以正常定位，主控机进行以下步骤，步骤一、主控机对每个定位用户接收到的伪卫星的信噪比进行检查，如果发现有某个定位用户X接收到的某颗伪卫星Y的信噪比超过预设的信噪比最高门限值，则根据实际要求选择是否参考该定位用户X的定位状态，从而判断该定位用户X与这颗伪卫星Y的距离是否过近，判断出距离过近时表明产生或者即将产生远 近问题；步骤二、如果在步骤一中判断表明产生或者即将产生远 近问题，则主控机向这颗伪卫星Y发出控制命令，通过控制命令将其发射功率减小，或者将其由连续模式切换为脉冲模式，或者减小脉冲宽度，并记录伪卫星Y的编号；步骤三、当定位用户X所收到的每颗伪卫星的信噪比以及定位状况再次传送到主控机时，主控机执行步骤一再次检查该定位用户X接收这颗伪卫星Y是否仍然产生或者即将产生远 近问题，如果是则执行步骤二继续发出控制命令，继续通过控制命令将其发射功率减小，或者将其由连续模式切换为脉冲模式，或者减小脉冲宽度；如果否则检查定位用户X接收这颗伪卫星Y的信噪比是否低于预设的信噪比最低门限值，如果是低于则主控机向该伪卫星Y发出控制命令，将其发射功率逐步增大直到最大，或者逐渐增大脉冲宽度，或者由脉冲模式切换到连续模式，如果否则返回步骤一继续检查各定位用户所接收的每颗伪卫星是否产生或者即将产生远 近问题。
全文摘要
本发明提供了一种解决GNSS伪卫星定位中远-近问题的方法，无须对现有的定位接收机和伪卫星本身做任何修改，定位接收机只需要利用接收机和主控机之间的通讯链路，将自己的接收到的伪卫星的信噪比和定位状况发送给主控机，主控机根据预先设定的阈值，动态改变伪卫星的信号发射功率或者发射模式等，从而解决了远-近问题。
文档编号G01S19/42GK101893715SQ201010214028
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者张涛, 徐亚明 申请人:武汉大学