一种单系统实现大范围室内外连续高精度定位的方法与流程

本发明涉及到无线电定位领域，尤其涉及到室内外连续高精度无线电定位方法。

背景技术：

由于GNSS技术在室内应用时受到极大限制，近年来室内外连续定位技术开始受到研究人员的关注，主要难点在于室内定位和室内外无缝定位。基于IEEE802.11b/g协议的WiFi信号强度定位技术日益受到重视，基于该技术可达到室内环境下优于3米的定位精度。但是该定位方法WiFi信号的覆盖范围有限，且需要事先建立信号指纹数据库，系统建设成本过高。典型的室内定位手段还有伪卫星测距定位和惯性定位等。为便于与GNSS系统集成和算法优化，伪卫星的发播频率多采用L波段，但在室内穿透力不足，多径效应等影响带来的误差过大，尤其在伪卫星数量较少的情况下难以实现有效定位和室内外连续定位。惯性定位的主要问题是惯导系统的误差随时间累积，其中低成本的惯性器件短时间内发散产生的误差更大。

目前现有的室内外连续定位方法存在如下局限性：覆盖范围小或者定位精度低，或者两者皆有；室内和室外定位采用的方法不同，使用的系统不同，增加了终端复杂度的同时也使难以解决室内外连续定位的问题；多源融合的组合导航方案，虽然可以提供较好的服务性能，但是结构复杂、成本高昂，不利于推广应

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种单无线电系统实现室内外连续高精度定位的方法，实现30-50Km范围内的高精度定位。本发明定位方法具有独立、大范围和高精度的特点，也能够应用于无电力背景下的室内外连续定位，可以在此基础上建成相应的室内外无线电定位系统。

本发明中室外的多个基站发射本发明设计的穿透力强的无线电导航信号，各基站根据目标区域按照较优的GDOP进行布局，基站的地理坐标事先或实时进行标定，基站之间的时间同步采用时间比对技术或卫星导航的差分技术(可辅以精密原子钟)实现。室内外一体定位终端通过接收多个基站辐射的无线电导航信号，进行导航电文信息提取和无线电信号的粗测距和精测距，解算出终端用户的高精度定位信息。

本发明的优点在于：

(1)定位精度高、作用范围广；

(2)信号发射站架设在室外，在反恐防暴等特殊的无电力环境下可用。

附图说明

图1单系统大范围室内外连续定位的无线电定位方法示意图；

图2单系统大范围室内外无线电定位实现步骤示意图；

图3穿透能力的示意图；

图4CPM调制与BPSK、BOC调制的功率谱比较图；

图5载波相位整周模糊度的解算及高精度测距的实现示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种单系统实现大范围室内外连续高精度定位的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定适用于室内外连续定位的无线电导航信号体制，包括载波频率的选择以及调制方式的确定。

选择载波频率：选择50MHz-200MHz中的一个频段作为无线电导航信号的载波频段(宽度为5MHz以内)。

选择该频率范围综合考虑了电磁波在室外空间和室内建筑墙体中的传播性能、电磁波在界面的透射性能、定位精度的需求和硬件实现难度等。信号在建筑墙体中的衰减公式为其中ε”＝ε，ε'＝σ/ω，μ为磁导率、ε为墙体的介电常数、σ为电导率、ω为角频率，可以看出，该频率范围的信号相比500MHz-20GHz范围内的信号，无论在空气中还是在建筑墙体内，其衰减会大大降低，尤其对建筑墙体及楼板的穿透能力大大增加，因此其在室内外的覆盖范围会大幅上升。

选择调制方式：本发明的无线电信号采用CPM调制方式，选择该调制方式综合考虑了可用带宽、信号旁瓣的衰减程度等。相比于卫星导航的BPSK信号和BOC信号的调制频谱，CPM信号功率集中度更高、旁瓣衰减更迅速、对带外干扰更小，这样在得到较高的信噪比的同时，对邻近频带的信号干扰也较小，比较容易降到国家规定的范围以内。

步骤二：进行单系统室内外连续的高精度无线电定位，示意如图1所示，实现过程包含如图2所示的4个步骤，包括：

第一，根据被服务区域大小及环境特征，架设信号发射基站，基站在架设时需保证被服务区域用户在同一时间内至少收到4个不同基站发出的信号，基站之间的直线距离为1km至20km，为保证定位精度，各基站组成的定位网络应使服务区域的DOP值尽量小；

第二，基站架设完成后，需知道基站准确的地理位置，基站的地理坐标可通过事先标定，或采用GNSS差分技术获取；

第三，基站之间的时钟同步，采用时间比对技术或卫星导航的差分技术(可辅以精密原子钟)实现；

第四，根据基站发射的导航信号进行室内外连续定位解算。

步骤三：定位终端测量方法为伪随机码伪距测量和载波相位伪距测量相结合的方法：采用伪码和载波相位相结合的方式进行伪距测量。

首先，采用伪随机码除了可以得到扩频增益外，伪码测距进行粗测，可为载波相位整周模糊度的解算提供支持，如在码片长度150米(伪码速率2MHz)的条件下能实现1.5～3米的测距精度(0.01～0.02码片)。

其次，再以载波相位测距进行精确测量，如载波波长为6米(载波频率为50MHz)时，载波相位测距精度会优于0.2m(约3％波长)，这样就可以实现不存在整周模糊度(或整周模糊度很小易解算)，同时实现高精度的距离测量，进而得到高精度的定位的目的。

图3、4、5均是对本文涉及的某些技术手段进行的图解说明。

1.如图3所示：

四个基站发射的无线电导航信号经建筑墙体的阻隔后会发生衰减，衰减的程度跟墙体的自身参数与信号的频率有关，衰减的理论公式如所述，一般频率越高，衰减越大，一些实测数据表明衰减与频率基本成正比关系。

墙体参数在建筑建成时已经确定，本发明选择的频段载波频率较低，能更好地穿透墙体，保证室内用户接收到可用的信号强度，实现大范围的室内外有效覆盖。

2.如图4所示：

本发明设计的无线电导航信号调制方式为CPM调制，图3为MSK信号(CPM信号的一种)与BPSK信号、BOC信号功率谱的对比图。从图中可看出，相比于BPSK信号和BOC信号，MSK信号(CPM信号)能量更集中于低频处、旁瓣衰减更快，因此更适合于载波频率低、可用带宽窄的几十MHz-200MHz范围中的某个频段。

3.如图5所示：

以2MHz的伪码速率(码片长度150米)和6m的载波波长(载波频率为50MHz)为例进行测距精度的说明。首先进行码相位伪距测量，可实现1.5m的粗测精度，解决精测时的整周模糊度；然后通过载波相位测量，可实现约0.2m的伪距精测。