CN106658402A - 一种移动前端部件及包括该部件的移动位置信息处理*** - Google Patents

一种移动前端部件及包括该部件的移动位置信息处理*** Download PDF

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Abstract

一种移动前端部件，从定位信号源中接收GNSS原始定位信号、无线通信网络原始定位信号或自包含传感器原始定位信号，对所接收的原始定位信号进行下变频、数字化采样处理，并将处理后的原始定位信号和采样时刻等数据编码为数据包，传输到例如云端服务器的位置解算装置，其中的编码数据包还可以包括原始定位信号射频频率和采样带宽数据。本发明还提供一种移动位置信息处理***，包括上述移动前端部件。本发明的移动前端部件只保留数据采集和基本的数据处理功能，极大降低了移动前端部件的硬件复杂度和成本，使移动前端部件能够在更低的功耗下运行，并且能够缩小移动前端部件的体积，提高LBS业务的精确性、便捷性、时效性和廉价性。

Description

一种移动前端部件及包括该部件的移动位置信息处理***
技术领域
本发明涉及定位信息处理技术，具体涉及一种移动前端部件及包括该部件的移动位置信息处理***。
背景技术
基于位置的服务(Location Based Services，简称LBS)是通过电信移动运营商的无线电通讯网络(如GSM网、CDMA网)或外部定位方式(如GPS)，获取移动前端部件用户的位置信息(地理坐标或大地坐标)，并在地理信息***(Geographic Information System，简称GIS)平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。
鉴于LBS在军事领域、智慧城市、公共安全、紧急救援、智能交通、物流监管、特定人群管理等领域的突出作用，因此受到越来越多的关注和应用。“十三五”规划更加强调，要“拓展网络经济空间，实施‘互联网+’行动计划，推进供应链、物流链等创新，支持基于互联网的各类创新”，这更为LBS的广泛运用带来新的机遇，但同时也对实现该服务的移动前端部件提出了更高的要求，例如，移动前端部件应尽可能低功耗以延长待机时间，并且尽可能的小体积以适应应用需求多样化、特性化、小型化的趋势。
发明内容
本发明提供一种移动前端部件，移动前端部件从定位信号源中接收GNSS原始定位信号、无线通信网络原始定位信号或自包含传感器原始定位信号，对所接收的原始定位信号进行下变频、数字化采样处理，并将处理后的原始定位信号和采样时刻等数据编码为数据包，传输到例如云端服务器的位置解算装置，其中的编码数据包还可以包括原始定位信号射频频率和采样带宽数据。
进一步，选取GPS、BDS信号中一帧数据的前20～40ms，选取WCDMA、CDMA2000信号中任意1帧数据长度，或者选取LTE信号中的PSS和SSS信号，将所选取的采样信号的量化值传输到位置解算装置。
进一步，所述量化值的量化精度对于GNSS导航信号可以采用1～2比特，对于移动通信信号和WIFI信号可以采用6～8比特。
进一步，所述移动前端部件包括控制单元、无线传输单元和射频接收与变换模块，
控制单元与射频接收与变换模块和传输单元连接，对射频接收与变换模块和传输单元进行控制；
射频接收与变换模块包括宽带射频前端和信号处理单元，宽带射频前端接收来自定位信号源的原始定位信号，信号处理单元对接收到的原始定位信号进行下变频、数字化采样处理；
无线传输单元包括数据编码与接口单元和上传模块，将处理后的原始定位信号传输到位置解算装置。
进一步，信号处理单元包括：依次连接的基准频率输入单元、混频器、滤波器、放大器和A/D转换器，
其中，宽带射频前端获取的原始定位信号输入混频器，与基准频率输入单元的基准频率混频后，形成零中频或低中频信号，经滤波器滤波和放大器放大处理后输出给A/D转换器进行模数转换采样，形成数据包。
本发明还提供一种移动位置信息处理***，包括上述的移动前端部件和位置解算单元，位置解算单元基于GNSS定位的原始定位信息，位置解算单元从移动前端部件接收到编码后的数据包后，对该数据包进行解码，计算卫星到移动前端部件的伪距，根据导航数据解算出移动前端部件的位置。
进一步，位置解算单元对从移动前端部件接收到的编码数据包进行解码，捕获解码后的定位信号，通过精估计获取码相位，进而通过码相位计算卫星到移动前端部件的伪距。
进一步，位置解算单元还例如通过参考接收站从外部获得导航数据，并储存到数据库中，导航数据包括卫星星历、时钟误差、多普勒频移和时间等信息，
根据星历数据可以确定卫星的位置，根据导航数据修正卫星位置并结合伪距，定位移动前端部件的位置，结合载波相位进一步提高移动前端部件的定位精度。
进一步，位置解算单元对从移动前端部件接收到的编码数据包进行解码，捕获解码后的定位信号，通过精估计获取载波相位，结合载波相位对移动前端部件进行定位。
本发明还提供一种移动位置信息处理***，包括上述的移动前端部件和位置解算单元，基于WCDMA、CDMA2000和LTE定位的原始定位信息，对信号中的导频或者如PSS和SSS信号确定信号进行相关和多普勒估计，确定不同基站信号到达时间和信号强度，利用不同基站信号到达时间差和强度特征进行定位；
或者，基于GSM定位的原始定位信息，利用接收到同步信道信号强度进行定位；
或者，基于Wifi定位的原始定位信息，利用接收到的beacon信号强度进行定位。
本发明基于互联网、大数据、云计算等技术，综合运用移动通信网络、GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星***或全球卫星导航***)导航的定位技术，提出了一种基于云服务的移动位置信息处理***，通过将移动前端部件的解调、分析与运算等任务全部或部分交由云端服务器实现，移动前端部件只保留数据采集和基本的数据处理功能，极大降低了移动前端部件的硬件复杂度和成本，使移动前端部件能够在更低的功耗下运行，并且能够缩小移动前端部件的体积，提高LBS业务的精确性、便捷性、时效性和廉价性；并且综合运用室外、室内定位信号和各种定位技术，使移动前端部件能够连续不间断地在各种环境下实时定位，从而实现室内外一体化无缝定位，使LBS业务在人员管理、救援、公共业务、导航、智能交通、物流监管、智慧城市等各个方面服务更高效、便捷，能够适用不同地域(如城市、乡村、高速道路)、不同地形(平原、丘陵、山地、湖泊、建筑物内部)等环境。
附图说明
图1是本发明实施例的移动位置信息处理***的结构框图；
图2是本发明实施例的移动位置信息处理***的移动前端部件的结构框图；
图3是本发明实施例的移动位置信息处理***的移动前端部件的结构示意图；
图4是本发明实施例的移动位置信息处理***的云端服务器定位移动前端部件的工作流程图；
图5是本发明实施例的移动位置信息处理***的云端服务器计算卫星到移动前端部件的伪距的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明提出的一种移动位置信息处理***，如图1所示，该***包括：移动前端部件和云端服务器，其中，移动前端部件对来自定位信号源的原始定位信号进行下变频、数字化等处理后通过传输媒介发送给云端服务器，云端服务器对接收到的处理后的原始定位信号进行解调、解算等处理，最终获得移动前端部件的位置信息。该传输媒介包括存储卡、无线通信网络；优选基于公用移动网络采取按需或实时传输的方式进行数据传输。
移动前端部件接收原始定位信号，对原始定位信号进行下变频、中频数字化处理，然后存储或发送，不对信号中含有的位置信息进行解算，或者是不利用算法处理信号强度与距离的关系。移动前端部件为独立部件，可以嵌入到需要定位的设备中使用，例如汽车、轮船等。
定位信号源发射包含位置信息的原始定位信号，可以是GNSS(例如，GPS、BDS等)定位信号、无线通信网络(含无线局域网络)定位信号或自包含传感器定位信号。所述移动前端部件可以从GNSS接收原始定位信号，或通过无线通信网络搜索原始定位信号，或从自包含传感器采集原始定位信号。
如图2所示，该移动前端部件包括：电源、控制单元、无线传输单元、射频接收与变换模块，其中，电源为控制单元、无线传输单元以及射频接收与变换模块供电，控制单元和射频接收与变换模块连接，实现对射频接收与变换模块的控制；控制单元与无线传输单元连接，对无线传输单元进行控制。射频接收与变换模块接收来自定位信号源的原始定位信号，在控制单元的控制下对接收到的原始定位信号进行下变频、数字化处理，处理后的原始定位信号通过无线传输单元经传输媒介发送给云端服务器。
电源可以为单直流电池供电，电压标准值为3.0V，范围是2.0—3.6V，峰值电流不大于10/20/50mA(实验阶段不大于100mA)，持续工作电流2/5/10mA。
控制单元发送控制指令，协调移动前端部件的各部件工作，控制移动前端部件功耗，完成定位信号的采集并回传。
如图3所示，射频接收与变换模块包括依次连接的宽带射频前端和信号处理单元。宽带射频前端用于获取来自定位信号源的原始定位信号，信号处理单元对宽带射频前端获取的原始定位信号进行下变频、数字化采样处理。
该宽带射频前端能够适应几百兆到数GHz的频率范围，可以获取GPS/BDS、GSM/WCDMA/CDMA2000/LTE、WIFI的射频信号，并且具有天线检测和切换能力。该宽带射频前端包括多种数据接口，以获取来自不同定位信号源的原始定位信号。
信号处理单元包括：依次连接的基准频率输入单元、混频器、滤波器、放大器和A/D转换器。其中，宽带射频前端获取的原始定位信号输入混频器，与基准频率输入单元的基准频率混频后，形成零中频或低中频信号，经滤波器滤波和放大器放大处理后输出给A/D转换器进行模数转换，形成采样数字信号，便于数据处理、存储和发送。对于低中频信号，可以仅进行I或Q路采样；对于零中频信号，需要IQ两路信号采样。选取一段采样信号，其长度和选取方法与信号类型有关，例如，GPS和BDS选取任一帧的前20～40ms，WCDMA和CDMA2000选取任意1帧长度，LTE信号可以选取PSS和SSS信号；将这段采样信号的量化值上传到云端服务器，量化精度对于GNSS导航信号可以采用1～2比特，对于移动通信信号和WIFI信号可以采用6～8比特。
基准频率输入单元由频率发生器和实时时钟提供基准频率，其中实时时钟能够在低功耗条件下提供精准的频率源和时间信息，其产生的时钟信号发送给频率发生器和控制单元；频率发生器为各器件提供时钟。控制单元对频率发生器进行频率控制，产生与宽带射频前端所接收到的定位信号的模式相对应的基准频率。
无线传输单元包括数据编码与接口单元和上传模块，数据编码与接口单元对处理单元处理后的数字信号进行编码，将处理后的数字信号、采样时刻、原始定位信号射频频率和采样带宽数据编码成一个数据包，上传模块将编码后数据包通过上传模块或以其他方式上传到云端服务器。
该云端服务器根据接收到的信号的不同模式进行解调、解算等处理，最终获得移动前端部件的位置信息。
基于GNSS定位的定位信息的解调与解算流程如图4所示，云端服务器从移动前端部件接收到编码后的数据包后，对该数据包进行解码，计算卫星到移动前端部件的伪距，根据导航数据解算出移动前端部件的位置。
云端服务器对从移动前端部件接收到的编码数据包进行解码，捕获解码后的定位信号。捕获仅能提供对频率和码相位参数的粗略估计，通过例如频域变换的精估计获取码相位和载波相位，进而通过码相位计算卫星到移动前端部件的伪距，如图5所示。
云端服务器还例如通过参考接收站获得导航数据，并储存到数据库中，导航数据包括卫星星历、时钟误差、多普勒频移和时间等信息。根据星历数据可以确定卫星的位置，根据导航数据修正卫星位置并结合伪距，定位移动前端部件的位置，结合载波相位进一步提高移动前端部件的定位精度。
卫星位置的计算包括：从数据库中提取导航数据，根据导航数据中的轨道参数(开普勒轨道根数)，通过开普勒轨道原理，计算出卫星位置，利用FFT对从移动前端部件接收到的编码信号进行时频二维搜索，确定伪距和多普勒频率相位，在地心地固(ECEF)坐标系下计算卫星的位置。在卫星位置的计算中，还可以运用与时间有关的更加精确的轨道值，例如广播星历，计算出任意时刻卫星的位置。
移动前端部件位置的解算包括：利用最小二乘法求解伪距方程，根据伪距的定义和计算出的卫星位置计算移动前端部件的位置。由于移动前端部件的时钟和卫星的时钟之间存在误差，因此在三维坐标系中进行移动前端部件的位置解算至少需要移动前端部件和四个不同卫星之间的伪距以及这些卫星的精确坐标。
所述伪距方程是根据伪距定义列出的包含以移动前端部件的位置坐标作为未知数的方程(组)。由于伪距的定义对于移动前端部件的位置坐标来说是非线性的，因此在用最小二乘法求解伪距方程之前需要对伪距方程进行线性化处理。伪距方程的解算采用迭代的方法对近似解进行迭代，通常在迭代两到三次之后就可以达到米级的精度。对该移动前端部件的位置坐标，在实时保存到数据库的同时，可以通过GIS平台显示其具***置，若有相关属性数据，就可以进行检索和分析，提供LBS业务。
以下，简述基于无线移动网络和无线局域网络的定位信号进行解算，定位出移动前端部件的位置。
基于移动网络参数的定位技术有多种，但大都基于网络侧。本发明必须以移动前端部件能接收到的参数进行定位信息解算。基站广播的公用信息中的小区ID号、基站信息、同步信息以及接收到的无线信号强度、信号到达时间或时差、相位、到达角度等参数都可以作为定位参数。依据获取参数的量和质的不同能够得到不同的定位精度和不同的解算时间长度。对于GSM网络，以上参数都可以由控制信道(BCH)的广播信道播送，其中频度校正信息、帧同步信息、基站识别信息(BSIC)分别由频率校正信道(FCCH)和同步信道(SCH)播送，而基站通用信息(小区特定信息)由广播控制信道播发。
WCDMA、CDMA2000和LTE信号处理方法：
对信号中的导频或者确定信号如PSS和SSS信号进行相关和多普勒估计，确定不同基站信号到达时间和信号强度，利用不同基站信号到达时间差和强度特征进行定位。
GSM信号：
利用接收到同步信道信号强度进行定位。
Wifi信号
利用接收到的beacon信号强度进行定位。
根据信号的强度，采用三角、重心法、指纹法获取移动前端部件的大致位置。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种移动前端部件，其特征在于：移动前端部件从定位信号源中接收GNSS原始定位信号、无线通信网络原始定位信号或自包含传感器原始定位信号，对所接收的原始定位信号进行下变频、数字化采样处理，并将处理后的原始定位信号和采样时刻等数据编码为数据包，传输到例如云端服务器的位置解算装置，其中的编码数据包还可以包括原始定位信号射频频率和采样带宽数据。
2.如权利要求1所述的移动前端部件，其特征在于：选取GPS、BDS信号中一帧数据的前20～40ms，选取WCDMA、CDMA2000信号中任意1帧数据长度，或者选取LTE信号中的PSS和SSS信号，将所选取的采样信号的量化值传输到位置解算装置。
3.如权利要求1或2所述的移动前端部件，其特征在于：所述量化值的量化精度对于GNSS导航信号可以采用1～2比特，对于移动通信信号和WIFI信号可以采用6～8比特。
4.如权利要求1-3之一所述的移动前端部件，其特征在于：所述移动前端部件包括控制单元、无线传输单元和射频接收与变换模块，
控制单元与射频接收与变换模块和传输单元连接，对射频接收与变换模块和传输单元进行控制；
射频接收与变换模块包括宽带射频前端和信号处理单元，宽带射频前端接收来自定位信号源的原始定位信号，信号处理单元对接收到的原始定位信号进行下变频、数字化采样处理；
无线传输单元包括数据编码与接口单元和上传模块，将处理后的原始定位信号传输到位置解算装置。
5.如权利要求4所述的移动前端部件，其特征在于：信号处理单元包括：依次连接的基准频率输入单元、混频器、滤波器、放大器和A/D转换器，
其中，宽带射频前端获取的原始定位信号输入混频器，与基准频率输入单元的基准频率混频后，形成零中频或低中频信号，经滤波器滤波和放大器放大处理后输出给A/D转换器进行模数转换采样，形成数据包。
6.一种移动位置信息处理***，其特征在于：包括如权利要求1-5之一所述的移动前端部件和位置解算单元，
位置解算单元基于GNSS定位的原始定位信息，位置解算单元从移动前端部件接收到编码后的数据包后，对该数据包进行解码，计算卫星到移动前端部件的伪距，根据导航数据解算出移动前端部件的位置。
7.如权利要求6所述的移动位置信息处理***，其特征在于：位置解算单元对从移动前端部件接收到的编码数据包进行解码，捕获解码后的定位信号，通过精估计获取码相位，进而通过码相位计算卫星到移动前端部件的伪距。
8.如权利要求7所述的移动位置信息处理***，其特征在于：位置解算单元还例如通过参考接收站从外部获得导航数据，并储存到数据库中，导航数据包括卫星星历、时钟误差、多普勒频移和时间等信息，
根据星历数据可以确定卫星的位置，根据导航数据修正卫星位置并结合伪距，定位移动前端部件的位置，结合载波相位进一步提高移动前端部件的定位精度。
9.如权利要求8所述的移动位置信息处理***，其特征在于：位置解算单元对从移动前端部件接收到的编码数据包进行解码，捕获解码后的定位信号，通过精估计获取载波相位，结合载波相位对移动前端部件进行定位。
10.一种移动位置信息处理***，其特征在于：包括如权利要求1-5之一所述的移动前端部件和位置解算单元，
基于WCDMA、CDMA2000和LTE定位的原始定位信息，对信号中的导频或者如PSS和SSS信号确定信号进行相关和多普勒估计，确定不同基站信号到达时间和信号强度，利用不同基站信号到达时间差和强度特征进行定位；
或者，基于GSM定位的原始定位信息，利用接收到同步信道信号强度进行定位；
或者，基于Wifi定位的原始定位信息，利用接收到的beacon信号强度进行定位。
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