室内伪卫星定位系统及方法与流程

本发明涉及室内定位导航技术领域，尤其涉及一种室内伪卫星定位系统及方法。

背景技术：

随着无线通信网络技术的不断发展，导航技术也越来越普及。目前，室内导航定位需求迫切，尤其是在大型商业体地下室、会展中心等人口活动密集德区域，需要在室内的密闭空间内为用户提供与室外类似的导航定位服务。

但是，现有的gps等gnss定位系统，由于受建筑物的阻挡，使信号无法穿透建筑物的墙体，导致这些定位系统在室内基本无法使用。现在已有的一些室内定位技术，理论上都可以在室外gps覆盖不了的室内实现室内定位，但是实际上都不能很好的满足现实需求，实现良好的服务体验。

另外，这些定位系统在在施工安装、供电、维护等方面的都存在一些问题，以供电为例，有的定位系统使用电池，这给后续日常维护带来巨大挑战，有的定位系统使用专用电源，这会增加额外成本，并且现场施工带来很多困难。

针对现有技术中室内定位技术存在的问题，需要提供一种可以解决室内无法接受gps等信号、无法实现定位导航功能等问题的室内定位系统及方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种室内伪卫星定位系统及方法，在室内设置虚拟卫星节点，从而可以在室内接收到gps信号，在普通智能终端上实现室内的定位和导航等功能。

为实现上述目的，本发明的一种室内伪卫星定位系统，包括信号收发机、处理器、多个虚拟卫星节点和移动终端，其中，

信号收发机配置为接收卫星发射的第一信号并将第一信号反馈至处理器，以及将从处理器接收的发射控制信号发送给多个虚拟卫星节点，

处理器配置为根据第一信号生成用于控制虚拟卫星节点发射第二信号的发射控制信号，

多个虚拟卫星节点分散布置于室内的预定位置，并配置为根据发射控制信号发射第二信号，

移动终端配置为接收第二信号，并根据第二信号确定移动终端的坐标。

进一步地，信号收发机包括第一天线和收发处理器，收发处理器通过第一天线获取第一信号并与处理器通信。

进一步地，处理器包括原子钟、时间保持器、时间分发器和网络节点管理器。

进一步地，虚拟卫星节点设置于室内的灯具上。

进一步地，灯具包括灯具支架，虚拟卫星节点和为其供电的辅助电源设置于灯具支架上。

进一步地，虚拟卫星节点包括接口模块、基带处理模块、射频通道模块和第二天线。

本发明的一种室内伪卫星定位方法，采用上述的室内伪卫星定位系统，包括如下步骤：

s1、获取卫星发射的第一信号，并根据接收到的第一信号的时间维持虚拟卫星节点的本地时间；

s2、根据第一信号和本地时间控制各个虚拟卫星节点发射第二信号供移动终端接收；

s3、移动终端根据接收到的第二信号确定其坐标。

进一步地，步骤s1中还包括，根据第一信号进行定位和授时，输出秒脉冲和第一信号时间，并根据第一信号时间，以原子钟为参考维持本地时间。

进一步地，步骤s2中还包括，虚拟卫星节点通过调整相位延迟和多普勒参数而模拟成卫星发射第二信号。

进一步地，移动终端确定其坐标包括：

s31、根据第二信号确定移动终端在定位区域内的伪坐标；

s32、结合移动终端的信号发射器的实际坐标以及伪坐标，确定移动终端的坐标。

本发明的室内伪卫星定位系统及方法，由于在室内设置虚拟卫星节点，并基于室内的虚拟卫星节点即伪卫星进行定位，解决了室内无法收到卫星信号、无法实现定位导航等问题，定位精度好，抗干扰能力强。本发明的室内伪卫星定位系统及方法可以在普通移动终端上实现室内定位，不需要定制的接收设备，使用方便，定位准确性较高，普及性强。

附图说明

图1为本发明的室内伪卫星定位系统的结构示意图；

图2为本发明中设置有虚拟卫星节点的led灯具的结构示意图；

图3为本发明中设置有虚拟卫星节点的led灯具的轴测图；

图4为本发明中虚拟卫星节点的光线布置结构示意图；

图5为本发明的室内伪卫星定位方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种室内伪卫星定位系统，包括信号收发机2、处理器3、多个虚拟卫星节点11和移动终端4。

其中，多个虚拟卫星节点11分散布置于室内的预定位置，在如图1所示的一个实施例中，虚拟卫星节点11的数量为4个，分别设置于室内的四角。虚拟卫星节点11的原理与卫星类似，采取三球交汇原理，只要测量移动终端到三个已知点的距离就可以计算确定自身的坐标位置。

在本发明实施例中，信号收发机2配置为接收卫星发射的第一信号并将第一信号反馈至处理器3，以及将从处理器3接收的发射控制信号发送给多个虚拟卫星节点11，其中，其中第一信号为gps信号。具体地，信号收发机2包括第一天线和收发处理器，收发处理器通过第一天线获取第一信号并与处理器通信。收发处理器可以根据第一信号进行定位和授时，使得信号收发机的本地时间和卫星的gps时间保持同步，并且向处理器反馈第一信号的秒脉冲和gps时间等信号。

在本发明实施例中，处理器3配置为根据第一信号生成用于控制虚拟卫星节点发射第二信号的发射控制信号，处理器3包括原子钟、时间保持器、时间分发器和网络节点管理器。处理器3通过信号收发机接收到第一信号的秒脉冲和和gps时间后，以原子钟为参考，通过时间保持器进行处理器3本地时间的维持，使得本地时间与gps时间保持同步，然后处理器3通过信号收发机与虚拟卫星节点11无线通信，通过时间分发器将秒脉冲和本地时间等信号分发给各个虚拟卫星节点11。同时网络节点管理器通过信号收发机向虚拟卫星节点11发送控制命令，实现对虚拟卫星节点11的初始化、时间同步、虚拟坐标的设置、节点的退出服务等，并根据第一信号生成用于控制虚拟卫星节点11发射第二信号的发射控制信号，虚拟卫星节点11根据发射控制信号发射第二信号。

在本发明实施例中，移动终端4配置为接收第二信号，并根据第二信号确定移动终端的坐标。移动终端4具有gps定位芯片及定位导航软件。其确定移动终端4的坐标的原理为：移动终端4接收到虚拟卫星节点11发射的第二信号后，先进行第一次定位解算，获得根据虚拟卫星节点11确定的伪点的坐标，然后再结合移动终端4内置的地图数据以及先验信息，获得该区域内的发射伪卫星信号的坐标，然后在此基础上进行第二次定位解算，获得移动终端4的坐标，实现定位。

在本发明另一实施例中，作为核心的虚拟卫星节点11可以设置于室内的灯具上，例如led灯具。如图2-3所示，虚拟卫星节点11可以与led灯具结合，内置于led灯具中。led灯具包括led恒流驱动电源55、led光源模组53、散热机构54、光学透镜52、灯具支架51和端盖56，虚拟卫星节点11和为其供电的辅助电源12设置于灯具支架51上。其中，光学透镜52设置于灯具支架51的一侧，端盖56设置于灯具支架51和光学透镜52的两端，用于固定灯具支架51和光学透镜52的位置。灯具支架51与光学透镜52之间设有用于发光的led光源模组53，以及对led光源模组53进行散热、保证led光源模组53正常工作温度的散热机构54。在灯具支架51及其一端的端盖56之间设有用于为led光源模组53供电的led恒流驱动电源55。虚拟卫星节点11设置在灯具支架51上的与光学透镜52不同侧面上，辅助电源12设置于灯具支架51与其另一端的端盖56之间。led灯具可以为虚拟卫星节点11提供所需要的电源，保证虚拟卫星节点11正常工作。同时虚拟卫星节点11与led灯具结合，还可以很好的解决施工安装以及后期维护等问题。

进一步地，虚拟卫星节点11包括接口模块、基带处理模块、射频通道模块和第二天线。虚拟卫星节点11通过调整相位延迟和多普勒参数等，模拟真实卫星在空间轨道运行的情况，发射相应定位信号，即第二信号。具体地，接口模块接收处理器3分发的1pps和10.23mhz时钟信号，并将其转换基带处理模块可以直接使用的信号；以及接收处理器3的广播的信号(光纤中传输的)，将广播的信号转换到基带处理模块能识别的信号。基带处理模块的主要负责：接收接口模块转发过来的时钟信号，将内部的维持的时钟和外部的输入保持同步；接收处理器3广播的时间，用来初始基带处理模块的时间，使得所有节点的时间和处理器3维持的时间保持同步；依据处理器3设定的待模拟点的坐标和虚拟卫星节点11的编号，计算所需要模拟的伪距等，初始化基带处理模块，基带处理模块产生的相应的伪码、载波。射频通道模块依据外部输入的10.23mhz信号，产生本振，并将基带处理模块输出的模拟中频信号调制到射频上，并按照要求的功率对射频信号衰减和滤波。第二天线的主要功能为将射频通道输入的信号发射出去。

同时为了减小光纤数量，在每个虚拟卫星节点11内部进行光工分，通过串行接入方式降低光纤布设成本。如图4所示，将时间信息、1pps、10.23mhz通过1路光纤接入虚拟卫星节点11，作为虚拟卫星节点11的时间频率基准，其中，每个虚拟卫星节点11分别通过一个光分路器6与光纤连接。在本发明实施例中，将通信链路和时间分发网络进行合并，均通过光纤进行复用传输，可以降低成本，提高系统的简洁性。

如图5所示，本发明还提供了一种室内伪卫星定位方法，采用上述的室内伪卫星定位系统，包括如下步骤：

s1、获取卫星发射的第一信号，并根据接收到的第一信号的时间维持虚拟卫星节点的本地时间。

在本发明另一个实施例中，还可以根据第一信号进行定位和授时，输出秒脉冲和第一信号时间，并根据第一信号时间，以原子钟为参考维持本地时间。由于本地时间和秒脉冲均使用的是相同的信号，因此，本发明的定位系统及方法支持与室外gps定位导航进行无缝衔接。

s2、根据第一信号和本地时间控制各个虚拟卫星节点发射第二信号供移动终端接收。具体地，将时间信息、1pps、10.23mhz通过1路光纤接入虚拟卫星节点，作为虚拟卫星节点的时间频率基准。同时向虚拟卫星节点发送控制命令，实现对虚拟卫星节点的初始化、时间同步、虚拟坐标的设置、节点的退出服务等控制。

由于虚拟卫星节点为整个系统的核心，因此其模拟卫星的逼真程度决定了定位性能。在本发明另一个实施例中，虚拟卫星节点还可以通过调整相位延迟和多普勒参数而模拟成卫星在空间轨道运行的情况，发射相应的第二信号。

s3、移动终端根据接收到的第二信号确定其坐标。具体地，移动终端确定其坐标包括：

s31、根据第二信号确定移动终端在定位区域内的伪坐标，此步骤由移动终端内置的gps芯片完成。

s32、结合移动终端的信号发射器的实际坐标以及伪坐标，确定移动终端的坐标，此步骤由移动终端的地图软件结合信号发射器完成。

本发明的室内伪卫星定位系统及定位方法的原理是实时调整虚拟卫星节点信号的相位延迟，使固定的虚拟卫星节点发出的信号能够模拟真实卫星在空间轨道运行的状况。同时，在wgs-84坐标系下，虚拟卫星节点相对静止的，而gpsmeo卫星处于相对运动的状态，所以直接解算出的接收机坐标并非接收机真实坐标，而是伪点m的坐标，依据伪点坐标可得出待定伪点与虚拟卫星节点伪距，故可通过虚拟网格的方案进行室内定位，具体方法如下：

已知待定位区域内的点q，其坐标已知，则对于q点存在如下定位方程：

其中，(xq,yq,zq)代表q点在wgs-84下的坐标，(x^(k),y^(k),z^(k))代表真实卫星坐标，δq是q点的钟差，是q点的伪距，k是卫星编号。

在定位解算的过程中主要使用牛顿迭代和最小二乘进行处理，牛顿迭代的核心公式是：

g·δx＝b

其中，g代表q点的雅可比矩阵，δx是迭代过程中的修正值，而b的表达式如下所示：

b＝ρ-f(xk-1)

ρ是伪距值，f(xk-1)为上一次迭代所计算的伪距值，公式的物理意义即单位观测向量与修正向量的点积，等于前后两次迭代所得伪距的差值。

令l为待定位区域内任意某点，l到虚拟卫星节点11的伪距为由于由牛顿迭代的收敛性，结合以上公式，容易证明下面的式子收敛：

其中，(xm,ym,zm)是与l点匹配的伪点，δm是伪点的钟差。若使用代表伪点m与真实卫星的绝对距离，则可将上式改写为如下形式：

将式中的表达式带入可得：

对同一个点定位的方程组中δq-δm为定值，所以上式的物理含义是“伪点、参考点与真实卫星的绝对距离差”和“待定位点与虚拟卫星节点的伪距”的差值为固定值。虚拟卫星节点的定位方程可改写为如下形式：

方程右边加入相同值后定位结果不变，进一步结合上述公式可得：

其中，(x^(k)',y^(k)',z^(k)')是伪点坐标，在终端可根据卫星号获取，是伪点与真实卫星的距离，伪点坐标可由普通gps芯片输出，真实卫星坐标同样可模拟，故亦可得到，最后代表参考点q与真实卫星距离，同样是已知量。

基于此，可依据虚拟卫星节点进行室内定位导航。

根据上述的原理，利用如图1所示的停车场的室内伪卫星定位系统进行定位的方法具体为，移动终端4进行定位的第一步为对接收到4颗虚拟卫星节点11播发的第二信号进行捕获跟踪，获得测距值和星历参数后，可进行第一次定位解算，第一次定位解算的具体过程，即gps卫星在wgs-84坐标下的位置解算过程如下：

(1)计算归一化时间

因为卫星的星历数据都是相对于参考时间tk，所以需将输入的观测时间信息tin做如下归一化：

tk＝tin-toe

其中tin，为输入的当前时间，toe为从历书中提取的参考时间。注意，tk的单位是秒，并且要将tk的绝对值空载在一个星期之内，即在604800之内。所以，如果tk≥302400，则tk＝tk+604800；如果tk≤-302400，tk＝tk+604800。

(2)计算卫星运行的平均角速度

由可以计算卫星的平均角速度n0式中，g是地心引力常数；a是椭圆长半轴，来自星历历书。

同时，在gps的实际运行过程中，星历数据还传送了修正项δn，则最终的平均角速度为：

nk＝n0+δn

在模拟信号源的处理过程中，历书中并没有提供卫星角速度修正项δn，可令其为零。

(3)计算卫星在tk时刻的平近点角mk，具体计算公式为：

mk＝nk×tk+m0

式中，tk就是第一步得到的归一化时间；nk是第二步得到的修正后的平均角速度；m0为历书中提供的参考时刻toe的平近点角。注意，若toe选为卫星通过近地点的时刻，则m0＝0。

(4)计算卫星在tk时刻的偏近点角ek

偏近点角ek的计算公式为：

ek＝mk+esinek

其中，e为历书中提供的卫星轨道离心率，m为平近点角。

实际计算时，式ek需要迭代计算，具体步骤如下：

置初值，令ek0＝m；

迭代计算，令i＝1，进行如下计算：

eki＝mk+esinek(i-1)

δek＝|eki-ek(i-1)|

若δek小于事先设定的门限，则停止迭代；否则，令i＝i+1，返回第ii步。

(5)计算卫星在tk时刻的真近点角fk

真近点角fk和离心率e，以及偏近点角ek的关系为：

根据上式可以得到fk的实际计算公式：

其中，fk∈[-3.14,3.14]。

(6)计算未校准的升交点角距φk

升交点角距的计算公式为：

φk＝fk+ω

其中，fk为上一步计算的真近点角，ω为历书中提供的近地点弧角。

(7)摄动修正

在室内环境下，摄动修正项可简单设置为零，故无需对开普勒参数进行修正

(8)计算卫星在tk时刻的升交点赤经ωk

由导航电文可以求出观测时刻的升交点赤经，其计算公式为：

ωk＝ωe+ω'×tk

式中，ωe为历书中提供的参考时刻的升交点赤经，ω'为历书提供的升交点赤经的变化率。

考虑地球自转，升交点赤经应该最终修正为：

ωk＝ωe+ω'×tk-ωe×tin

其中，ωe为地球自转速度，取值为ωe＝7.2921151467×10^-5rad/s

(9)计算卫星椭圆轨道在wgs-84坐标系的坐标

首先，>>>>卫星矢径长度<<计算卫星在椭圆轨道直角坐标系中的位置坐标(轨道面坐标)：

xk＝rkcosφk

yk＝rksinφk

据此计算卫星在wgs-84坐标系中的坐标[xs,ys,zs]，

然后，移动终端进行第二次定位解算，其具体过程如下：

通过上面解算可以获得一个位于待定位区域周围的伪坐标，利用该伪坐标可以查询到伪坐标所处区域。通过移动终端4上运行的软件结合当前时刻，可以查询出当前区域的参与定位的四个虚拟卫星节点11天线对应的坐标。

虽然虚拟卫星节点11的卫星号在变化，但是随着时间的变化，虚拟卫星节点11信号的变化为按照约定的时间在改变，即某一时刻，在一个特定区域出现的四个虚拟卫星节点11为该停车场的唯一组合。需要在移动终端4软件中预置该信息或者通过一定的数学模型来表征和计算。

信号收发机2输出数据为载噪比和经纬度信息，需要将结果转化为wgs-84下的三维坐标信息。此处可获得伪点m坐标，根据伪点坐标，计算伪点与真实卫星绝对距离结合参考点信息，计算的值，代替伪卫星定位伪距，进行第二次定位解算。

由于第二次定位解算只需要获得二维定位信息，为避免牛顿迭代的奇异性问题，可使用下面方法进行第二次定位解算。

设伪卫星定位系统中有n个已知位置的参考节点，坐标为(x1,y1,5),(x2,y2,5)......(xn,yn,5)，通过上述算法可得到伪距替换值ρ1,ρ2......ρn，可列出方程:

从第一个方程开始，分别减去序号为k的方程，可消去二次项，改写为线性方程组：

az＝b

其中：

对于超定方程，利用最小二乘法原理可得：

q(z)＝||b-az||²

由上式对z求导得：

如果aa^t非奇异，则

z＝(a^ta)^-1a^tb

则可求出移动终端4的坐标(x,y)。

综上所述，本发明的室内伪卫星定位系统及方法，由于在室内设置虚拟卫星节点，并基于室内的虚拟卫星节点即伪卫星进行定位，解决了室内无法收到卫星信号、无法实现定位导航等问题，定位精度好，抗干扰能力强。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。