一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统及方法，包括两个伪卫星和北斗/GPS导航用户接收机；两个伪卫星均包括北斗/GPS信号接收机、定位信号发射机、发射天线、接收天线和供电模块；每个伪卫星的北斗/GPS信号接收机分别接收自身和另外一个伪卫星的北斗/GPS导航信号，解算出卫星号和伪距信息，并传输给自身的定位信号发射机；每个伪卫星的定位信号发射机解算出两个伪卫星定位信号发射机的钟差；调整各自的时钟；并模拟再生北斗/GPS导航信号发射至服务区域；北斗/GPS导航用户接收机接收两个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，解算出两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息，计算出分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的距离。

说明书

技术领域

本发明涉及室内和隧道定位领域，特别是一种基于互同步的室内伪卫星双点系统及方法。

背景技术

目前，室内定位的需求越来越迫切，人们希望能够在大型商场、公共场所、较长的高速隧道等知道自身所在的位置，并且能够快速的到达目的地。

以北斗和GPS为代表的卫星导航系统应用越来越广泛，并且已经成为智能手机、车载导航仪等必不可少的功能。然而，卫星导航信号因建筑物的遮挡效应，无法穿透建筑物墙壁，从而使卫星导航接收机失去定位功能。

基于上述原因，需要一种兼容北斗和GPS导航信号的伪卫星系统，可在智能手机、车载导航仪等配置的北斗/GPS导航芯片软硬件模块不变动的条件下，当北斗/GPS用户机位于两个伪卫星发射机之间的连线上时，可实现室内定位。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统及方法，可在智能手机、车载导航仪等北斗/GPS芯片软硬件模块不变动的条件下，实现室内定位。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统，包括：第一伪卫星、第二伪卫星和北斗/GPS导航用户接收机；其特征在于，所述的第一伪卫星和第二伪卫星均包括北斗/GPS信号接收机、定位信号发射机，发射天线、接收天线和供电模块；

每个伪卫星的北斗/GPS信号接收机分别通过各自的接收天线接收自身模拟再生的和另外一个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息传输给自身的定位信号发射机；

每个伪卫星的定位信号发射机根据卫星号和伪距信息解算出两个伪卫星定位信号发射机的钟差；使用该钟差分别调整各自定位信号发射机的时钟；并模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号通过发射天线发射至服务区域；

北斗/GPS导航用户接收机接收两个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息，并使用双点定位处理方法根据两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息计算出北斗/GPS导航用户接收机分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的距离。

其中，所述的定位信号发射机包括通信模块、北斗/GPS数据仿真模块、时钟同步模块、室内北斗/GPS导航信号生成模块和定位信号发射模块；通信模块用于接收北斗/GPS信号接收机通过串口输出的卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息输出至时钟同步模块；时钟同步模块根据卫星号和伪距信息解算出钟差，通过钟差进行时钟调整，并根据钟差计算出时钟偏移率；北斗/GPS数据仿真模块将卫星号、周内秒、周计数、时钟偏差、时钟偏移和计算得到的时钟偏移率模拟仿真成室外的北斗/GPS卫星导航系统的信号参数，将该信号参数输出至室内北斗/GPS导航信号生成模块；室内北斗/GPS导航信号生成模块根据信号参数模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号输出至定位信号发射模块；定位信号发射模块将模拟再生的北斗/GPS导航信号经发射天线发射至服务区域。

其中，时钟同步模块根据卫星号和伪距信息解算出钟差，通过钟差进行时钟调整，并根据钟差计算出时钟偏移率；计算公式如下：

Δdt＝(P₁₁(t)-P₁₂(t))+(R-R₀)

式中，Δdt为第一伪卫星的定位信号发射机和第二伪卫星的定位信号发射机在t时刻的钟差；P₁₁(t)为伪第一伪卫星的发射天线与接收天线的伪距；P₁₂(t)为伪第一伪卫星的接收天线与第二伪卫星的发射天线的伪距；R为第一伪卫星的发射天线与第二伪卫星的发射天线的真实距离，R₀为第一伪卫星的发射天线与接收天线的真实距离。

根据钟差进行时钟调整，时钟调整包括电文帧控制字调整、电文字控制字调整、电文字数据位调整、扩频码控制字调整和扩频码片控制字调整；其中，

电文帧控制字N1＝求整数(Δdt/电文帧长度)；

电文字控制字N2＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度)/电文字长]；

电文字数据位N3＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长)/电文数据位长]；

钟差剩余量Δdt1＝Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长-N3*电文数据位长；

扩频码控制字N4＝求整数(Δdt1/扩频码长)；

扩频码片控制字N5＝求整数[(Δdt1-N4*扩频码长)/码片长]；

Δdt2＝a0+a1*(t-t0)+a2*(t-t0)²

式中，a0为时钟偏差，a1为时钟偏移，a2为时钟偏移率，均由最小二乘拟合得到；t为北斗导航用户机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，t0为参考时刻；其中，钟差小数部分Δdt2＝Δdt1-N4*扩频码长-N5*码片长。

其中，北斗/GPS导航用户接收机使用双点定位处理方法根据两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息计算出北斗/GPS导航用户接收机分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的距离，计算公式为：

式中，Pu₁和Pu₂为北斗/GPS导航用户接收机t时刻分别接收第一伪卫星和第二伪卫星的伪距信息；t为北斗/GPS导航用户接收机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，R_x(t)和R_y(t)为北斗/GPS导航用户接收机t时刻分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的真实距离。

其中，伪卫星发射的模拟再生的北斗/GPS导航信号格式和内容分别与北斗卫星导航系统和GPS卫星导航系统发射的导航信号格式和内容相同。

一种基于互同步的室内伪卫星双点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：每个伪卫星的北斗/GPS信号接收机分别通过各自的接收天线接收自身模拟再生的和另外一个伪卫星发射的模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息传输给自身的定位信号发射机；

步骤2：每个伪卫星的定位信号发射机根据卫星号和伪距信息解出两个伪卫星定位信号发射机的钟差；使用该钟差分别调整各自的定位信号发射机的时钟，并根据钟差计算出时钟偏移率；

步骤3：每个伪卫星的定位信号发射机模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号通过发射天线向室发射至服务区域；

步骤4：北斗/GPS导航用户接收机接收两个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息；

步骤5：北斗/GPS用户导航接收机根据两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息使用双点定位处理方法计算出北斗/GPS导航用户接收机分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的距离。

其中，步骤2具体包括以下步骤：

(201)每个伪卫星的定位信号发射机中通信模块接收卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息输出至定位信号发射机中的时钟同步模块；

(202)时钟同步模块根据卫星号和伪距信息使用双点定位处理方法解算出两个定位信号发射机的钟差，通过该钟差进行时钟调整，并根据钟差计算出时钟偏移率。

其中，步骤3具体包括以下步骤：

(301)每个伪卫星的定位信号发射机中北斗/GPS数据仿真模块将卫星号、周内秒、周计数、时钟偏差、时钟偏移和计算得到的时钟偏移率模拟仿真成室外的北斗/GPS卫星导航系统的信号参数，将该信号参数输出至室内北斗/GPS导航信号生成模块；

(302)室内北斗/GPS导航信号生成模块根据信号参数模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号输出至定位信号发射模块；

(303)定位信号发射模块将模拟再生的北斗/GPS导航信号经发射天线发射至服务区域。

其中，步骤(201)具体如下：

Δdt＝(P₁₁(t)-P₁₂(t))+(R-R₀)

其中Δdt为第一伪卫星的定位信号发射机和第二伪卫星的定位信号发射机在t时刻的钟差；P₁₁(t)为伪第一伪卫星的发射天线与接收天线的伪距；P₁₂(t)为伪第一伪卫星的接收天线与第二伪卫星的发射天线的伪距；R为第一伪卫星的发射天线与第二伪卫星的发射天线的真实距离，R₀为第一伪卫星的发射天线与接收天线的真实距离。

根据钟差进行时钟调整，时钟调整包括电文帧控制字调整、电文字控制字调整、电文字数据位调整、扩频码控制字调整和扩频码片控制字调整；其中，

电文帧控制字N1＝求整数(Δdt/电文帧长度)；

电文字控制字N2＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度)/电文字长]；

电文字数据位N3＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长)/电文数据位长]；

钟差剩余量Δdt1＝Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长-N3*电文数据位长；

扩频码控制字N4＝求整数(Δdt1/扩频码长)；

扩频码片控制字N5＝求整数[(Δdt1-N4*扩频码长)/码片长]；

计算时钟偏移率a2：

Δdt2＝a0+a1*(t-t0)+a2*(t-t0)²

式中，a0为时钟偏差，a1为时钟偏移，a2为时钟偏移率，t为北斗导航用户机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，t0为参

考时刻；其中，钟差小数部分Δdt2＝Δdt1-N4*扩频码长-N5*码片长。

其中，步骤4具体为，

计算公式为：

式中，Pu₁和Pu₂为北斗/GPS导航用户机t时刻分别接收第一伪卫星和第二伪卫星的伪距信息；t为北斗/GPS导航用户机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，R_x(t)和R_y(t)为北斗/GPS导航用户机t时刻分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的真实距离。

本发明技术具有如下优点：

(i)本发明提出了一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统和方法，能够在不改变北斗和GPS导航芯片软硬件模块的基础上实现室内定位功能，具有室内外高兼容定位的特点。

(ii)本发明提出了一种室内双点定位信号发射机互同步方法，仅使用两个伪卫星自身即可实现时钟同步，系统开销小。

(iii)本发明提出了一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统，伪卫星线性化部署，简单快捷。

附图说明

图1是本发明一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统示意图；

图2是本发明兼容北斗和GPS导航信号的伪卫星组成图；

图3是本发明一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

图1为本发明一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统示意图，第一伪卫星1、第二伪卫星2和北斗/GPS导航用户接收机，

所述的第一伪卫星和第二伪卫星均包括北斗/GPS信号接收机、定位信号发射机，发射天线、接收天线和供电模块；如图2所示，

每个伪卫星的北斗/GPS信号接收机分别通过各自的接收天线接收自身模拟再生的和另外一个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息传输给自身的定位信号发射机；

每个伪卫星的定位信号发射机根据卫星号和伪距信息解算出两个伪卫星定位信号发射机的钟差；使用该钟差分别调整各自定位信号发射机的时钟；并模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号通过发射天线发射至服务区域；

4、北斗/GPS导航用户接收机接收两个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息，并使用双点定位处理方法根据两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息计算出北斗/GPS导航用户接收机分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的距离。计算公式为：

式中，Pu₁和Pu₂为北斗/GPS导航用户接收机t时刻分别接收第一伪卫星和第二伪卫星的伪距信息；t为北斗/GPS导航用户接收机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，R_x(t)和R_y(t)为北斗/GPS导航用户接收机t时刻分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的真实距离。

图2为兼容北斗和GPS导航信号伪卫星组成图，所述的定位信号发射机包括通信模块、北斗/GPS数据仿真模块、时钟同步模块、室内北斗/GPS导航信号生成模块和定位信号发射模块；通信模块用于接收北斗/GPS信号接收机通过串口输出的卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息输出至时钟同步模块；时钟同步模块根据卫星号和伪距信息解算出钟差，通过钟差进行时钟调整，并根据钟差计算出时钟偏移率；计算公式如下：

Δdt＝(P₁₁(t)-P₁₂(t))+(R-R₀)

式中，Δdt为第一伪卫星的定位信号发射机和第二伪卫星的定位信号发射机在t时刻的钟差；P₁₁(t)为伪第一伪卫星的发射天线与接收天线的伪距；P₁₂(t)为伪第一伪卫星的接收天线与第二伪卫星的发射天线的伪距；R为第一伪卫星的发射天线与第二伪卫星的发射天线的真实距离，R₀为第一伪卫星的发射天线与接收天线的真实距离。

根据钟差进行时钟调整，时钟调整包括电文帧控制字调整、电文字控制字调整、电文字数据位调整、扩频码控制字调整和扩频码片控制字调整；其中，

电文帧控制字N1＝求整数(Δdt/电文帧长度)；

电文字控制字N2＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度)/电文字长]；

电文字数据位N3＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长)/电文数据位长]；

钟差剩余量Δdt1＝Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长-N3*电文数据位长；

扩频码控制字N4＝求整数(Δdt1/扩频码长)；

扩频码片控制字N5＝求整数[(Δdt1-N4*扩频码长)/码片长]；

计算时钟偏移率a2：

Δdt2＝a0+a1*(t-t0)+a2*(t-t0)²

式中，a0为时钟偏差，a1为时钟偏移，a2为时钟偏移率，t为北斗导航用户机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，t0为参

考时刻；其中，钟差小数部分Δdt2＝Δdt1-N4*扩频码长-N5*码片长。

北斗/GPS数据仿真模块将卫星号、周内秒、周计数、时钟偏差a0、时钟偏移a1和时钟偏移率a2模拟仿真成室外的北斗/GPS卫星导航系统的信号参数，将该信号参数输出至室内北斗/GPS导航信号生成模块；室内北斗/GPS导航信号生成模块根据信号参数模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号输出至定位信号发射模块；定位信号发射模块将模拟再生的北斗/GPS导航信号经发射天线发射至服务区域。

其中北斗/GPS导航用户接收机位于两个伪卫星之间的连线上，两个发射天线之间的距离为R，可通过测量得到；伪卫星的发射天线与自身接收天线间距为R₀，可通过测量得到；伪卫星1和伪卫星2定位信号发射模块钟差分别为Tt₁和Tt₂；两个伪卫星的北斗/GPS接收机的钟差分别为Rt₁和Rt₂；北斗/GPS导航用户机接钟差为Ut；北斗/GPS导航用户机到伪卫星1和伪卫星2的距离分别为R_x和R_y。

本系统的伪卫星发射的模拟再生的北斗/GPS导航信号格式与北斗卫星导航系统、GPS卫星导航系统发射的导航信号格式相同。因此，可保证北斗/GPS导航用户机的软硬件模块不做任何更改，即可按照与北斗卫星导航系统、GPS卫星导航系统相同的定位方法进行定位。

本系统的伪卫星定位信号搭载的导航电文与室外的北斗卫星导航系统、GPS卫星导航系统相同，可使北斗/GPS导航用户机在室内外实现无缝切换。

图3为本发明一种基于互同步的室内伪卫星双点定位系统定位方法流程图，步骤如下：

步骤1：每个伪卫星的北斗/GPS信号接收机分别通过各自的接收天线接收自身模拟再生的和另外一个伪卫星发射的模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息传输给自身的定位信号发射机；

步骤2：每个伪卫星的定位信号发射机根据卫星号和伪距信息解出两个伪卫星定位信号发射机的钟差；使用该钟差分别调整各自的定位信号发射机的时钟，并根据钟差计算出时钟偏移率；

步骤3：每个伪卫星的定位信号发射机模拟再生北斗/GPS导航信号，将模拟再生的北斗/GPS导航信号通过发射天线向室发射至服务区域；

步骤4：北斗/GPS导航用户接收机接收两个伪卫星模拟再生的北斗/GPS导航信号，根据北斗/GPS导航信号解算出两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息；

步骤5：北斗/GPS用户导航接收机根据两个伪卫星的卫星号和两个伪卫星的伪距信息使用双点定位处理方法计算出北斗/GPS导航用户接收机分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的距离。

步骤2具体包括以下步骤：

(201)每个伪卫星的定位信号发射机中通信模块接收卫星号和伪距信息，将卫星号和伪距信息输出至定位信号发射机中的时钟同步模块；

(202)时钟同步模块根据卫星号和伪距信息使用双点定位处理方法解算出两个定位信号发射机的钟差，通过该钟差进行时钟调整，并根据钟差计算出时钟偏移率。具体如下：

Δdt＝(P₁₁(t)-P₁₂(t))+(R-R₀)

其中Δdt为第一伪卫星的定位信号发射机和第二伪卫星的定位信号发射机在t时刻的钟差；P₁₁(t)为伪第一伪卫星的发射天线与接收天线的伪距；P₁₂(t)为伪第一伪卫星的接收天线与第二伪卫星的发射天线的伪距；R为第一伪卫星的发射天线与第二伪卫星的发射天线的真实距离，R₀为第一伪卫星的发射天线与接收天线的真实距离。

根据钟差进行时钟调整，时钟调整包括电文帧控制字调整、电文字控制字调整、电文字数据位调整、扩频码控制字调整和扩频码片控制字调整；其中，

电文帧控制字N1＝求整数(Δdt/电文帧长度)；

电文字控制字N2＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度)/电文字长]；

电文字数据位N3＝求整数[(Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长)/电文数据位长]；

钟差剩余量Δdt1＝Δdt-N1*电文帧长度-N2*电文字长-N3*电文数据位长；

扩频码控制字N4＝求整数(Δdt1/扩频码长)；

扩频码片控制字N5＝求整数[(Δdt1-N4*扩频码长)/码片长]；

计算时钟偏移率a2：

Δdt2＝a0+a1*(t-t0)+a2*(t-t0)²

式中，a0为时钟偏差，a1为时钟偏移，a2为时钟偏移率，t为北斗导航用户机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，t0为参

考时刻；其中，钟差小数部分Δdt2＝Δdt1-N4*扩频码长-N5*码片长。

以伪卫星1为例(伪卫星2工作原理同伪卫星1)，伪卫星1北斗/GPS接收机模块解析得到的伪距方程如下所示：

其中Rt₁(t)为伪卫星1北斗/GPS接收机模块1在t时刻的钟差。将上述两式做差，将可知项方等式右边，未知项方等式左边得：

Tt₁(t)-Tt₂(t)＝(P₁₁(t)-P₁₂(t))+(R-R₀)

其中，Tt₁(t)-Tt₂(t)为伪卫星1定位信号发射机与伪卫星2定位信号发射机在t时刻钟差，使用该钟差通过粗调和精调校正伪卫星定位信号发射机时钟，实现时钟同步，则修改上式为

0＝(P₁₁(t)-P₁₂(t))+(R-R₀)

步骤4具体如下，北斗/GPS导航用户机接收伪卫星1和伪卫星2发射的定位信号，解析得到伪距Pu₁和Pu₂，可由下式所得：

其中，Ru_t(t)伪北斗/GPS导航用户机t时刻的钟差。将上述两式做差，可知项放在右边，未知项方左边得：

R_y(t)-R_x(t)＝(Tt₁(t)-Tt₂(t))+(Pu₂(t)-Pu₁(t))

其中Tt₁(t)-Tt₂(t)经时钟同步后为0，则上式修改为：

R_y(t)-R_x(t)＝Pu₂(t)-Pu₁(t)

北斗/GPS导航用户机是伪卫星1发射天线和伪卫星2天线之间的连线上，则有

R_y(t)+R_x(t)＝R

式中，Pu₁和Pu₂为北斗/GPS导航用户机t时刻分别接收第一伪卫星和第二伪卫星的伪距信息；t为北斗/GPS导航用户机使用伪卫星信号进行定位的当前时刻，R_x(t)和R_y(t)为北斗/GPS导航用户机t时刻分别到第一伪卫星的发射天线和第二伪卫星的发射天线的真实距离。

显然由上述两式可求得北斗/GPS导航用户机分别到伪卫星1发射天线距离R_x和伪卫星2发射天线距离R_y，即求得北斗/GPS导航用户机位置。

以上所述，仅为本发明的一具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，在本发明揭露的技术范围内，可理解想到的变换，都应涵盖在本发明的包含范围内。