CN109100746A - 一种基于转发节点的隧道定位***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于转发节点的隧道定位***及方法，该***包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心，数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接；所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块，用来将PPS秒脉冲信号和本地GPS/北斗接收机的解调数据发送给转发节点；所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据，实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移，并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹，并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。本发明设计简单，成本低廉，可在隧道内为车辆提供室内外一致的定位导航服务。
Description
技术领域
本发明涉及隧道内用户实时定位监控应用，具体的为一种基于转发节点的隧道定位***及方法。
背景技术
卫星导航定位技术在现代社会中的科技研究、交通运输、地质勘测、工农业发展以及日常生活等方面得到广泛应用。在室内、隧道、矿井等GNSS卫星信号受到严重遮挡的情况下，无法通过直接利用GPS/北斗***进行定位，提供位置服务，伪卫星定位***在这种情况下具有先天的优势和优点。因此伪卫星已成为当前导航领域研究中的一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。
基于转发节点的隧道定位***是一种基于地面的能够传播类似GPS信号的简易信号发生器。而传统的伪卫星定位技术的应用模式分为三种：(1)伪卫星增强GPS***：在可视GPS卫星数量受限时，通过在地表或空中增加一定数量的伪卫星，与GPS组合来进行定位，改善、增强GPS导航定位***的性能；(2)独立伪卫星导航定位***：在矿井隧道、地下掩体或者是遮挡严重的室内，GPS导航信号完全被遮挡，用户无法进行定位，利用伪卫星布设方便，位置灵活的特点，采用GPS的定位原理，伪卫星可以完全替代GPS卫星进行定位；(3)基于伪卫星的逆向定位***：通过布设一系列位置已经精确确定的接收机阵列，给已安装了伪卫星发射器的移动物体进行定位。当前的伪卫星***面临着远近效应、兼容与互操作、误差修正、多径效应等技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对已有伪卫星布设方案存在技术问题，提供一种基于转发节点的新隧道定位***及方法。
本发明提供的一种基于转发节点的隧道定位***，包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心，数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接；
所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块；其中：
本地GPS/北斗接收机用来实时接收并解调卫星信号获得报文信息；
时间同步模块用来驯服本地晶振，并输出PPS基准秒脉冲信号，以保证各转发节点与卫星时钟同步；
数据处理模块用来通过网络获取卫星星历，并结合解算的报文信息获得卫星的轨道信息和运行状态，即伪距信息，之后将报文信息、伪距信息以及PPS基准秒脉冲信号发送给各转发节点；
所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据，实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移，并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹，并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。
进一步的，所述转发节点至少包括顺次相连的ARM处理器、FPGA芯片和射频调制模块，ARM处理器和FPGA芯片通过FSMC接口通信；其中：
ARM处理器至少用来利用PPS基准秒脉冲信号进行时钟同步，并根据报文信息、伪距信息以及所在转发节点与卫星的相对距离，实时计算卫星信号的延迟和多普勒频移，以及推算卫星信号的频率、当前转发节点与本地GPS/北斗接收机之间信号的相位控制字，并将计算和推算出的导航电文发送给对应的基带单元；
所述FPGA芯片设计有与各GPS/北斗卫星分别对应的若干基带单元，所述基带单元用来将ARM处理器输出的导航电文与C/A码、P码调制生成基带信号，并发送至射频调制模块；
所述射频调制模块用来对基带信号进行QPSK扩频调制获得卫星调制信号，并发射给车载导航接收终端。
进一步的，所述卫星信号的延迟采用公式计算，其中，lGPS表示卫星坐标；l0表示本地GPS/北斗接收机坐标，c为光速。
进一步的，所述相位控制字采用公式计算，其中，φi为第i个转发节点的相位控制字；fc为载波频率；di为第i个转发节点与本地GPS/北斗接收机的相对距离，该相对距离预先标定。
进一步的，若干转发节点的布设方案为：
隧道内每隔相同间隔划分一个定位小区，每个定位小区中心处布设一转发节点，所述相同间隔为15米～30米。
进一步的，本发明基于转发节点的隧道定位***还包括安全监控模块，用来从各转发节点处获取车辆的号牌、位置与速度信息，并通过互联网提供给交通运输管理端。
所述安全监控模块还用来当转发节点监控到隧道内发生危险时，向交通运输管理端发送报警信息。
本发明提供的一种基于转发节点的隧道定位方法，包括：
(1)利用布设于隧道外的数据处理中心所包含的本地GPS/北斗接收机接收并解调GPS/北斗卫星信号，得到GPS/北斗卫星的编号和报文；
(2)数据处理中心通过网络获取GPS/北斗卫星的精密星历，并结合解算出的报文获得GPS/北斗卫星的精确轨道信息和运行状态，并发送给布设于隧道内的各转发节点；
(3)数据处理中心所包含的时间同步模块驯服本地晶振，并向各转发节点输出PPS基准秒脉冲信号，以实现卫星信号同步；当PPS基准秒脉冲上升沿到来时，将GPS/北斗卫星的报文、精确轨道信息和运行状态发送给各转发节点；
(4)各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理，调制生成还原的伪GPS/北斗卫星信号，并发射给车载导航接收终端；
(5)车载导航接收终端根据接收的伪GPS/北斗卫星信号进行定位。
进一步的，所述各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理，具体为：
各转发节点根据接收的报文、精确轨道信息和运行状态，并结合本地GPS/北斗接收机和自身的位置，计算各转发节点处GPS/北斗卫星信号的延迟和多普勒频移，根据延迟和多普勒频移还原GPS/北斗卫星信号。
布设转发节点和数据处理中心时，首先，利用定位技术标定数据处理中心中本地GPS/北斗接收机的位置；接着，标定各转发节点相对本地GPS/北斗接收机的位置，从而计算各转发节点的位置。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)在定位精度要求不太高的情况下，具有设计简单，成本低廉的特点。
(2)可在隧道内为车辆提供室内外一致的定位导航服务与对隧道内对重点营运车辆运行状态监控的功能。
(3)在隧道内部以一定间隔布设线型分布的转发节点阵列，利用数据处理中心提供的时钟秒脉冲、卫星报文、精密星历等信息还原出转发节点所在位置各个GPS卫星的叠加信号并发射。
(4)不改变现有车载GNSS接收设备的前提下，可实现隧道内外一致的定位导航服务。
附图说明
图1是基于转发节点的隧道定位***结构图；
图2是实施例中隧道内转发节点的布设方案；
图3是转发节点内部结构组成框图；
图4是单通道FFT算法GPS捕获原理；
图5是转发节点定位***信号处理流程图；
图6是时间同步***授时结果；
图7是室内单个转发节点定位误差。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
需要说明的是，本文中GPS/北斗卫星信号指GPS和/或北斗卫星信号，本地GPS/北斗接收机指GPS和/或北斗接收机。
如图1，所示为本发明基于转发节点的隧道定位***的结构图，主要包括若干转发节点和数据处理中心，数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均通过光纤通信。若干转发节点布设于隧道内，转发节点用作GPS/北斗卫星信号的调制和发射，用来实时调整转发节点处GPS/北斗卫星信号的相位延迟和多普勒频移，以模拟真实在轨卫星的运行轨迹。数据处理中心为数据计算和数据管理中枢，用来为各转发节点提供统一的秒脉冲、GPS卫星星历和报文，以对车载导航接收终端提供导航服务，为交通运输管理方提供重点营运车辆信息在隧道内的运行状态。
本实施例中，数据处理中心包括一高性能服务器处理平台，并通过串口或光纤连接本地GPS/北斗接收机和时间同步模块，本实施例中，本地GPS/北斗接收机采用Ublox接收机；而且，还通过光纤连接各转发节点。数据处理中心将PPS秒脉冲信号和本地GPS/北斗接收机的解调数据发送给转发节点，并从转发节点处获取车辆的号牌、位置与速度信息，并将所需的车辆信息通过互联网提供给交通运输管理端。
进一步说，数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块。其中，本地GPS/北斗接收机用来实时接收并解调GPS/北斗卫星信号获得当前时刻的报文信息，将报文信息发送给数据处理模块。当前时刻的报文信息可用于推算后续时刻的报文内容，并生成卫星调制信号的I/Q支路信息。时间同步模块用来对数据处理中心和各转发节点进行时间同步，具体通过驯服本地晶振并输出高精度且稳定的PPS基准秒脉冲信号进行同步。数据处理模块主要用来预存和处理数据，至少用来通过网络获取卫星星历，并结合解算的报文信息获得卫星的轨道信息和运行状态，并标定当前GPS卫星与各转发节点间的信号传播时延。之后将轨道信息、运行状态以及PPS基准秒脉冲信号发送给各转发节点。
作为优选方案，数据处理中心还包括数据处理中心安全监控模块，用来从各转发节点处获取车辆的号牌、位置与速度信息，并通过互联网提供给交通运输管理端。另外，安全监控模块还用来当转发节点监控到隧道内发生危险时，向交通运输管理端发送报警信息。
如图2，所示为本实施例中转发节点在隧道内的布设方案。本实施例中，隧道长度约5千米，为单向通行隧道，在隧道内每间隔15米～30米划分为一个定位小区，每个定位小区中心处布设一转发节点。数据处理中心布置于隧道外部，数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均通过光纤进行通信。
在布设转发节点和数据处理中心时，通过RTK(载波相位差分方法)或PPP(精密单点定位方法)等标定出数据处理中心的本地GPS/北斗接收机位置，通过激光测量或其他测量方法标定各转发节点相对本地GPS/北斗接收机的位置，计算转发节点的经纬高。经事先标定，本地GPS/北斗接收机和各转发节点的位置事先是确定已知。因为在隧道中，转发节点具有一定的覆盖范围，直达波能量占主要成分，其他转发节点则对在其他定位小区的车辆影响较小，相当于将该转发节点的天线通过无线信道进行了延长。因此车辆的定位坐标就是定位小区中心。
本发明隧道定位***的功能指标可达到：a)定位准确度小于15m；b)隧道内外切换时间小于2s；c)危险报警反应时间小于3s。这里，隧道内外切换时间指车辆从隧道外进入隧道内，实现首次定位的时间；危险报警反应时间指隧道内发现可疑车辆或突发恶性事件，安全监控模块将警报信息提供给交通运输管理端的反应时间。
如图3，所示为转发节点内部结构组成框图。转发节点框架由ARM处理器、FPGA芯片和射频调制模块构成，其中，ARM处理器和FPGA芯片之间通过FSMC接口通信，FSMC接口为“静态存储器控制器”，能够驱动外部总线，自动完成与外部设备的读写时序，实现ARM处理器与FPGA的快速通信。ARM处理器至少用来利用PPS基准秒脉冲信号进行时钟同步，并根据报文信息、伪距信息以及所在转发节点与卫星的相对距离，实时计算卫星信号的延迟和多普勒频移，以及推算卫星信号的频率、当前转发节点与本地GPS/北斗接收机之间信号的相位控制字，并通过FSMC接口发送至对应的基带单元。具体来说，ARM处理器主要利用数据处理中心转发的实时载波频率、卫星钟差、电离层误差、对流层误差、相对论效应改正数等信息进行计算。
卫星信号延迟可采用如下计算方法：
本地GPS/北斗接收机位置事先已准确测量，根据卫星星历与解调得到伪距计算卫星的准确位置lGPS，则卫星信号的延迟td为：
其中，lGPS表示卫星坐标，l0表示本地GPS/北斗接收机坐标，c为光速。
相位控制字为转发节点与本地GPS/北斗接收机之间信号的相位差，计算原理为：
其中，φi为第i个转发节点的相位控制字，fc为载波频率，di为第i个转发节点与本地GPS/北斗接收机之间的相对距离。
载波频率fc可利用单通道FFT算法对卫星信号进行捕获获得，参见图4，所示为利用单通道FFT算法的GPS捕获原理：GPS信号通过串行搜索与并行搜索结合进行FFT捕获，实现对GPS载波的快速恢复，得到GPS载波与其多普勒频移。将GPS信号送入多路搜索通道，每路通道NCO起始频率间隔相同，多路通道并行搜索，通过检测阈值得到载波频率。
FPGA芯片设计有与各GPS/北斗卫星分别对应的若干基带单元，本实施例中，设计有与GPS卫星分别对应的若干GPS基带单元，各GPS基带单元分别接收对应GPS卫星的导航电文，并将导航电文与C/A码、P码调制生成基带信号，并发送至射频调制模块。这里，导航电文至少包括卫星信号的延迟、多普勒频移、频率和相位控制字。本实施例中，每个转发节点单板可模拟八颗在轨GPS和/或北斗卫星。射频调制模块将基带信号进行QPSK扩频调制，得到正交的I、Q支路GPS卫星调制信号，通过功放、天线将合成的GPS卫星调制信号发射给车载导航接收终端进行定位。
本实施例中，转发节点设计指标包括：a)输出信号中心频率：1575.42MHz(GPS)或1561.098(北斗)；b)用户接收信号功率：-125dBm±3dB；c)不同转发节点输出功率一致性：小于±0.5dB。
如图5所示，转发节点定位***信号处理流程包括：
(1)利用布设于隧道外的数据处理中心所包含的本地GPS/北斗接收机接收并解调GPS/北斗卫星信号，得到GPS/北斗卫星的编号和报文。
(2)数据处理中心通过网络获取GPS/北斗卫星的精密星历，从而获得GPS/北斗卫星的精确轨道信息和运行状态。
(3)数据处理中心所包含的时间同步模块驯服本地晶振，并向各转发节点输出PPS基准秒脉冲信号，以实现卫星信号同步。当PPS基准秒脉冲上升沿到来时，将GPS/北斗卫星的报文、精确轨道信息和运行状态发送给各转发节点。
(4)各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理，调制生成还原的GPS/北斗卫星信号，即伪GPS/北斗卫星信号，并发射给车载导航接收终端。具体来说，各转发节点根据接收的伪报文，并结合本地GPS/北斗接收机和自身的位置，计算各转发节点处GPS/北斗卫星信号的延迟和多普勒频移，并将待发送的伪GPS/北斗卫星信号报文信息转化为GPS/北斗信号标准帧格式。
(5)车载导航接收终端根据接收的伪GPS/北斗卫星信号进行定位。
本实施例中，转发节点可模拟GPS L1C/A或北斗信号B1I，支持所有GPS或北斗接收终端在隧道内实现定位导航功能。转发节点与室外真实GPS或北斗卫星保持严格时间同步；***绝对日期和时分秒与GPS时间后北斗时间保持一致。
车载导航接收终端的定位原理与真实卫星类似，在接收到某定位小区转发节点发射的伪GPS/北斗卫星信号后，采用常规的捕获、跟踪和电文解析，即可实现定位解算。由于各转发节点发射端预设定位点是各定位小区中心，所以车辆的定位坐标就是小区中心。以此类推，车辆进入不同的小区，定位所得坐标分别是对应的小区中心坐标，据此可以完成车辆在隧道内的区域定位。
本发明通过布设位置固定且位置已知的转发节点，各转发节点实时调整卫星在各转发节点处的延迟和多普勒频移，位置固定且位置已知的转发节点能够模拟真实在轨卫星的运行轨迹。对于任一转发节点信号覆盖范围内，车载导航接收终端的定位结果均为预设定位点。因此可以完成隧道内的区域区分，进而实现定位导航。每个转发节点模拟当前在轨卫星，模拟定位点预设为实际物理位置。
卫星导航中，用户接收机通过测量信号从卫星发出到传播至自身接收所经历的时间差来获取用户接收机与卫星之间的距离。为保证用户接收机与多个卫星之间测量数据的一致性，需要确保各卫星之间的时间严格同步。为降低成本同时保证***时间频率维持精度，本实施例在每个导航区域设置1个时间频率同步点。将本地时间频率驯服到GPS或北斗时间频率上。在驯服过程中可以获得外部卫星的绝对时间，同时通过驯服可以获得本地精度较高的基准频率。
本实施例中，数据处理中心中的时间同步模块采用武汉大学自有技术，该时间同步模块输出的秒脉冲与授时中心基准秒脉冲时间差RMS值稳定在1ns之内，在国内处于领先水平，时间同步***授时结果见图6所示。
本发明***采用了精密延迟测定技术，各转发节点与可见卫星之间的距离需根据各转发节点的真实位置和卫星的位置进行仿真计算，即仿真观测数据。在仿真观测数据时，在伪距中加入可模型化的误差。本发明研发团队成员将单个类GNSS转发器布设于北京航空航天大学图书馆无法接收到GNSS信号的深入室内某固定位置，在此位置实时仿真伪距观测数据，并在室内与类GNSS转发器相同的位置静止放置GPS/北斗接收机，由其接收类GNSS转发器发出的信号从而实现定位。
图7给出的是500个观测历元(仿真步长1s)的定位结果。如图7所示，东向、北向和天向误差均小于1m，东向和北向优于天向。误差曲线抖动的原因是采用的GPS/北斗接收机为民用接收机，其观测噪声接近高斯白噪声，且民用接收机采用的定位算法为最小二乘法，不具备误差平滑的作用。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。
Claims (10)
1.一种基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心，数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接；
所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块；其中：
本地GPS/北斗接收机用来实时接收并解调卫星信号获得报文信息；
时间同步模块用来驯服本地晶振，并输出PPS基准秒脉冲信号，以保证各转发节点与卫星时钟同步；
数据处理模块用来通过网络获取卫星星历，并结合解算的报文信息获得卫星的轨道信息和运行状态，即伪距信息，之后将报文信息、伪距信息以及PPS基准秒脉冲信号发送给各转发节点；
所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据，实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移，并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹，并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。
2.如权利要求1所述的基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
所述转发节点至少包括顺次相连的ARM处理器、FPGA芯片和射频调制模块，ARM处理器和FPGA芯片通过FSMC接口通信；其中：
ARM处理器至少用来利用PPS基准秒脉冲信号进行时钟同步，并根据报文信息、伪距信息以及所在转发节点与卫星的相对距离，实时计算卫星信号的延迟和多普勒频移，以及推算卫星信号的频率、当前转发节点与本地GPS/北斗接收机之间信号的相位控制字，并将计算和推算出的导航电文发送给对应的基带单元；
所述FPGA芯片设计有与各GPS/北斗卫星分别对应的若干基带单元，所述基带单元用来将ARM处理器输出的导航电文与C/A码、P码调制生成基带信号，并发送至射频调制模块；
所述射频调制模块用来对基带信号进行QPSK扩频调制获得卫星调制信号，并发射给车载导航接收终端。
3.如权利要求2所述的基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
所述卫星信号的延迟采用公式计算，其中，lGPS表示卫星坐标；l0表示本地GPS/北斗接收机坐标，c为光速。
4.如权利要求2所述的基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
所述相位控制字采用公式计算，其中，φi为第i个转发节点的相位控制字；fc为载波频率；di为第i个转发节点与本地GPS/北斗接收机的相对距离，该相对距离预先标定。
5.如权利要求1所述的基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
若干转发节点的布设方案为：
隧道内每隔相同间隔划分一个定位小区，每个定位小区中心处布设一转发节点，所述相同间隔为15米～30米。
6.如权利要求1所述的基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
还包括安全监控模块，用来从各转发节点处获取车辆的号牌、位置与速度信息，并通过互联网提供给交通运输管理端。
7.如权利要求6所述的基于转发节点的隧道定位***，其特征在于：
所述安全监控模块还用来当转发节点监控到隧道内发生危险时，向交通运输管理端发送报警信息。
8.一种基于转发节点的隧道定位方法，其特征是，包括：
(1)利用布设于隧道外的数据处理中心所包含的本地GPS/北斗接收机接收并解调GPS/北斗卫星信号，得到GPS/北斗卫星的编号和报文；
(2)数据处理中心通过网络获取GPS/北斗卫星的精密星历，并结合解算出的报文获得GPS/北斗卫星的精确轨道信息和运行状态，并发送给布设于隧道内的各转发节点；
(3)数据处理中心所包含的时间同步模块驯服本地晶振，并向各转发节点输出PPS基准秒脉冲信号，以实现卫星信号同步；当PPS基准秒脉冲上升沿到来时，将GPS/北斗卫星的报文、精确轨道信息和运行状态发送给各转发节点；
(4)各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理，调制生成还原的伪GPS/北斗卫星信号，并发射给车载导航接收终端；
(5)车载导航接收终端根据接收的伪GPS/北斗卫星信号进行定位。
9.如权利要求8所述的基于转发节点的隧道定位方法，其特征是：
所述各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理，具体为：
各转发节点根据接收的报文、精确轨道信息和运行状态，并结合本地GPS/北斗接收机和自身的位置，计算各转发节点处GPS/北斗卫星信号的延迟和多普勒频移，根据延迟和多普勒频移还原GPS/北斗卫星信号。
10.如权利要求8所述的基于转发节点的隧道定位方法，其特征是：
布设转发节点和数据处理中心时，首先，利用定位技术标定数据处理中心中本地GPS/北斗接收机的位置；接着，标定各转发节点相对本地GPS/北斗接收机的位置，从而计算各转发节点的位置。
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