一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统及方法

摘要

本发明公开了一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统，所述系统包括隧道外信号基站、若干隧道内信号收发装置和车载导航终端，其中，所述隧道外信号基站包括北斗卫星基站和TBS系统基站，且所述北斗卫星基站和TBS系统基站均安装在隧道外，所述北斗卫星基站和TBS系统基站之间相距大于等于1公里；若干所述隧道内信号收发装置等间距安装在所述隧道内顶部，所述车载导航终端安装在行驶车辆上，并接收所述隧道外信号基站发送的信号并将其处理后发送至车载导航终端。本发明采用的隧道内高精度定位系统结构简单，通过对各个模块的设置，利用现有的北斗信号通讯协议和特殊频段的无线电信号通过数据融合完成较为复杂的隧道内高精度导航。

说明书

技术领域

本发明涉及一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统及方法，属于无线定位技术领域。

背景技术

随着时代的发展，卫星导航技术对国民经济和国防安全等领域处于不可代替的重要作用。随着我国北斗三号全球卫星导航系统正式开通，且考虑到GPS难以提供高度可靠的高精度导航服务，研究基于北斗系统的高精度导航意义重大。

如今应用于汽车领域的导航技术在视野开阔，没有遮挡物的区域定位精度较高且导航能力能长时间保持稳定，但在隧道等卫星长时间被遮挡区域里单靠北斗导航会发生信号失锁导致定位精度下降，导航能力暂时失效的问题。为了解决这一问题，常见的室内导航技术有红外线技术、蓝牙技术、ZigBee技术、超声波技术动作、RFID技术等这些技术用于商场、停车场、仓库等建筑室内性能较好，但用于山体隧道或跨江隧道等墙体较厚、长度较长的隧道内定位效果并不理想。

TBS定位技术是Terrestrial Beacon System的简写，即地面信标系统。TBS技术是依靠地面定位基站构建区域性的定位网络。多采用定位信号的TDOA、TOA等观测量，通过三边定位算法对接收机位置数据进行解算。其优点是定位精度高、单基站覆盖能力强且具有良好的抗干扰性。

发明内容

为解决车辆进入隧道后卫星信号失锁导致导航系统无法响应影响汽车行驶安全的问题，本发明提供一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统及方法，以北斗系统为主，TBS系统为辅在隧道内相互联合完成高精度的导航定位，面对隧道内分叉，拐弯等情况依靠该导航定位技术能够精准定位车辆位置并给出合理的行驶路径。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统，所述系统包括隧道外信号基站、若干隧道内信号收发装置和车载导航终端，其中，所述隧道外信号基站包括北斗卫星基站和TBS系统基站，且所述北斗卫星基站和TBS系统基站均安装在隧道外，所述北斗卫星基站和TBS系统基站之间相距大于等于1公里；若干所述隧道内信号收发装置等间距安装在所述隧道内顶部，所述车载导航终端安装在行驶车辆上，并接收所述隧道外信号基站发送的信号并将其处理后发送至车载导航终端。

优选地，所述TBS系统基站采用复用通信基站。

优选地，所述隧道内信号收发装置包括天线、射频前端模块、基带处理模块和信号放大器；所述天线分别接收北斗卫星基站和TBS系统基站发射的信号，并通过光纤传输至射频前端模块，所述射频前端模块将接收到的信号传输至基带处理模块进行信号处理，经处理过的信号传输至信号放大模块进行信号放大处理。

优选地，所述车载导航终端包括供电单元、控制模块、北斗定位模块、惯性导航模块、多星座GNSS模块、5G通信模块、语音模块和触摸显示屏，其中，

所述供电单元分别与所述北斗定位模块、惯性导航模块、多星座GNSS模块、5G通信模块、语音模块和触摸显示屏供电连接；

所述多星座GNSS模块通过TBS天线接收经处理后的特殊频段的无线电信号，并将其通过传输至控制模块；

所述北斗定位模块通过北斗天线接收北斗卫星信号，并将其传输至控制模块；

所述惯性导航模块将惯性导航数据传输至控制模块；

所述控制模块将接收到的惯性导航数据和北斗定位信号进行卡尔曼滤波数据融合，当在北斗定位信号失锁时，将卡尔曼滤波数据融合后的数据与接收到的无线电信号进行可信度数据融合处理，所述控制模块将处理后的数据分别传输至语音模块和触摸显示屏进行终端反馈；

所述语音模块接收控制模块传输的数据信息，实现人机语音交流和语音播报；

所述触摸显示屏接收控制模块传输的数据信息，对实时位置进行终端显示；

所述5G通信模块与所述控制模块连接，用于语音通信。

一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位方法，具体方法如下：

S1：建立在隧道外的北斗卫星基站和TBS系统基站接收到信号后分别发送至隧道内信号收发装置；

S2：所述隧道内信号收发装置接收北斗卫星基站发送的北斗信号编码信息,并将其处理成标准的北斗卫星信号,所述隧道内信号收发装置接收TBS基站发送的特殊频段的无线电信号，并将其调制解调成带信息的无线电信号，随后将处理后的信号再通过信号放大器放大发送到车载导航终端；

S3:所述北斗定位模块对北斗卫星信号进行解算和修正得到位置信息并传输至控制模块，所述多星座GNSS模块对特定频段的无线电信号进行解码得到定位信息并传输至控制模块，所述惯性导航模块将惯性导航数据传输至控制模块，所述控制模块先将接收到的惯性导航数据和位置信息进行卡尔曼滤波数据融合，然后将卡尔曼滤波数据融合后的数据与接收到的定位信息进行可信度数据融合处理，完成隧道内的导航定位，并通过触摸显示屏显示实时的导航信息，同时通过语音模块完成语音播报和人机互动。

优选地，所述S2 的具体步骤如下：

S2-1:所述隧道内信号收发装置通过天线接收北斗卫星信号和特殊频段的无线电信号，并通过光纤传输至射频前端模块，所述射频前端模块对北斗卫星信号进行初步的放大和滤波处理，所述射频前端模块将特殊频段的无线电信号调制解调成带信息的无线电信号，随后将北斗卫星信号和无线电信号传输至基带处理模块；

S2-2:所述基带处理模块中的载波发生器对北斗卫星信号进行处理完成解扩和去载波，将去载波的北斗卫星信号与基带处理模块中的本地码进行处理完成去测距码，与此同时向本地NCO反馈伪距、码相位和载波相位参数，然后结合隧道内收发装置的定位坐标计算得出定位数据，并将得到的定位数据转换成标准的北斗卫星信号；

S2-3:所述基带处理模块将无线电信号和经处理后的北斗卫星信号通过信号放大器进行放大，扩大北斗信号和无线电信号的可被接收的范围。

有益效果：本发明提供一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统及方法，采用的隧道内高精度定位系统结构简单，通过对各个模块的设置，利用现有的北斗信号通讯协议和特殊频段的无线电信号通过数据融合完成较为复杂的隧道内高精度导航。

附图说明

图1为本发明中的系统结构示意图；

图2为本发明中的隧道内信号收发装置结构示意图；

图3为本发明中的车载导航终端的结构示意图；

图4为本发明的定位方法流程示意图；

图5为本发明的数据融合示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位系统，所述系统包括隧道外信号基站、若干隧道内信号收发装置和车载导航终端，其中，所述隧道外信号基站包括北斗卫星基站和TBS系统基站，且所述北斗卫星基站和TBS系统基站均安装在隧道外，所述北斗卫星基站和TBS系统基站之间相距大于等于1公里；以避免两个基站相互干扰；若干所述隧道内信号收发装置等间距安装在所述隧道内顶部，以保证隧道内信号覆盖均匀，所述车载导航终端安装在行驶车辆上，并接收所述隧道外信号基站发送的信号并将其处理后发送至车载导航终端。本发明中，隧道内信号收发装置的设置个数可由本领域技术人员根据隧道长度进行选择设置。

优选地，所述TBS系统基站采用复用通信基站，对比独立建设可极大的降低网络建设成本。

本发明中，TBS系统基站发送特殊频段的信号，该信号得益于相对较高的射频输出功率及较强的处理增益，使得其信号覆盖面较广。TBS系统基站采用复用通信基站，可大大降低成本。TBS基站在发送端和网络层提供了冗余，以保证基站在突发情况下仍能保证一段时间的稳定。

优选地，如图2所示，所述隧道内信号收发装置包括天线、射频前端模块、基带处理模块和信号放大器；所述天线分别接收北斗卫星基站和TBS系统基站发射的信号，并通过光纤传输至射频前端模块，所述射频前端模块将接收到的信号传输至基带处理模块进行信号处理，经处理过的信号传输至信号放大模块进行信号放大处理。

优选地，如图3-4所示，所述车载导航终端包括供电单元、控制模块、北斗定位模块、惯性导航模块、多星座GNSS模块、5G通信模块、语音模块和触摸显示屏，其中，

所述供电单元分别与所述北斗定位模块、惯性导航模块、多星座GNSS模块、5G通信模块、语音模块和触摸显示屏供电连接；

所述多星座GNSS模块通过TBS天线接收经处理后的特殊频段的无线电信号，并将其通过传输至控制模块；

所述北斗定位模块通过北斗天线接收北斗卫星信号，并将其传输至控制模块；

所述惯性导航模块将惯性导航数据传输至控制模块；

所述控制模块将接收到的惯性导航数据和北斗定位信号进行卡尔曼滤波数据融合，当在北斗定位信号失锁时，将卡尔曼滤波数据融合后的数据与接收到的无线电信号进行可信度数据融合处理，所述控制模块将处理后的数据分别传输至语音模块和触摸显示屏进行终端反馈；

所述语音模块接收控制模块传输的数据信息，实现人机语音交流和语音播报；

所述触摸显示屏接收控制模块传输的数据信息，对实时位置进行终端显示；

所述5G通信模块与所述控制模块连接，用于语音通信。

本发明中的车载导航终端能够充分提高人机交互的用户体验感，实现车载设备的智能化与信息化。其中，5G通信模块能够提高数据接收及处理的速度，提高导航的响应速度等；所述的语音模块可以实现人机语音交流，在隧道内进行导航切换等功能。

如图5所示，一种BDS/TBS技术的高精度隧道内定位方法，具体方法如下：

S1：建立在隧道外的北斗卫星基站和TBS系统基站接收到信号后分别发送至隧道内信号收发装置；

S2：所述隧道内信号收发装置接收北斗卫星基站发送的北斗信号编码信息,并将其处理成标准的北斗卫星信号,所述隧道内信号收发装置接收TBS基站发送的特殊频段的无线电信号，并将其调制解调成带信息的无线电信号，随后将处理后的信号再通过信号放大器放大发送到车载导航终端；

S3:所述北斗定位模块对北斗卫星信号进行解算和修正得到位置信息并传输至控制模块，所述多星座GNSS模块对特定频段的无线电信号进行解码得到定位信息并传输至控制模块，所述惯性导航模块将惯性导航数据传输至控制模块，所述控制模块先将接收到的惯性导航数据和位置信息进行卡尔曼滤波数据融合，然后将卡尔曼滤波数据融合后的数据与接收到的定位信息进行可信度数据融合处理，完成隧道内的导航定位，并通过触摸显示屏显示实时的导航信息，同时通过语音模块完成语音播报和人机互动。

优选地，所述S2 的具体步骤如下：

S2-1:所述隧道内信号收发装置通过天线接收北斗卫星信号和特殊频段的无线电信号，并通过光纤传输至射频前端模块，所述射频前端模块对北斗卫星信号进行初步的放大和滤波处理，所述射频前端模块将特殊频段的无线电信号调制解调成带信息的无线电信号，随后将北斗卫星信号和无线电信号传输至基带处理模块；

S2-2:所述基带处理模块中的载波发生器对北斗卫星信号进行处理完成解扩和去载波，将去载波的北斗卫星信号与基带处理模块中的本地码进行处理完成去测距码，与此同时向本地NCO反馈伪距、码相位和载波相位参数，然后结合隧道内收发装置的定位坐标计算得出定位数据，并将得到的定位数据转换成标准的北斗卫星信号；

S2-3:所述基带处理模块将无线电信号和经处理后的北斗卫星信号通过信号放大器进行放大，扩大北斗信号和无线电信号的可被接收的范围。

本发明由北斗卫星基站和TBS系统基站发送信号，然后由隧道内信号收发装置进行信号接收、信号处理和信号放大，最后由车载导航终端完成导航数据的解算并通过触摸显示屏（为液晶显示屏）显示实时的导航信息。

如图4所示，本发明的定位原理如下：在北斗信号接收正常时通过惯性导航模块对位置数据修正完成高精度定位，在北斗信号失锁时单靠惯性导航容易导致定位数据发散，因此将惯性导航模块和TBS定位数据进行基于可信度的数据融合完成隧道内的高精度定位。

本发明中，控制模块与各模块之间的具体连接方式可由本领域技术人员根据实际情况进行设置，属于常规技术手段，故而未加详述。

本发明中，隧道内信号收发装置内各模块之间的具体连接方式可由本领域技术人员根据实际情况进行设置，属于常规技术手段，故而未加详述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。