CN112698370B - 一种基于虚拟轨道卫星的室内卫星导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟轨道卫星的室内卫星导航定位方法，属卫星导航领域，解决的是室内卫星导航接收机不能正常定位的问题。它根据室内定位的要求，公开了虚拟轨道卫星星座设计方法，四通道卫星导航模拟器发射点选取方法，伪距误差补偿算法，产生了不同于实际卫星星座且能保持较长时间可视的四颗虚拟轨道卫星信号，弥补了由于接收机测得卫星到用户距离与从卫星经室内发射天线到用户的信号时延距离不一致的误差，改善了室内普通卫星导航接收机的定位精度。

Description

一种基于虚拟轨道卫星的室内卫星导航定位方法

一、技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是涉及一种室内卫星导航定位方法。

二、背景技术

导航定位技术正在向应用的深度和广度方向发展，室内导航定位随着物联网和智能化应用的发展已经引起业内高度重视，目前研究较多的方法是Wi-Fi指纹定位、蓝牙指纹定位、超宽带信号定位、超声无线定位等技术。这些定位方法与具体环境数据密切相关，应用推广受到许多限制。卫星导航在室外已经有绝对的技术优势独占市场，但在室内由于墙壁遮挡阻隔信号，直接定位十分困难。部分暴露的室内可以用多径卫星导航信号定位，但多数室内区域多径仍无法定位。室内卫星导航信号伪卫星增强是一种有效方法，目前室内增强采用的伪卫星技术主要有三种方法，一是发射无导航电文的伪卫星信号，为载波相位定位接收机提供增强观测量；二是接收室外信号转发到了室内；三是用卫星导航模拟源发射与空中卫星导航星座一样的增强信号。但这些研究对卫星星座几何局限性认识不够，定位精度受限，接收机算法复杂。

三、发明内容

1、发明目的

为了改善室内卫星导航定位时，卫星星座几何布局不合理的问题，本发明公开了一种模拟源发射虚拟轨道卫星信号的室内卫星导航定位方案，以解决室内卫星导航接收用真实卫星星座信号不能正确定位，或定位误差较大的难题。

2、技术方案

为了达到上述发明目的，本发明包括下列步骤：

(1)虚拟轨道卫星星座设计

在室内定位中，定位的精度可以由几何精度因子(GDOP)来表征，GDOP值与用户接收机至伪卫星发射点单位矢量所构成的多面体体积成反比，体积越大，GDOP值越小，精度越高。三维定位至少需要四颗伪卫星来实现，伪卫星均匀分布在以目标点为球心的球面且呈正四面体分布时，有最佳的几何星座布局。如图1所示的矩形空间定位中，考虑到空间布局限制，为了使室内区域定位精度均衡，以区域中心点M为接收目标点设计卫星星座，将三颗底座星S1、S2、S3呈等边三角形均匀布设在仰角10°以上南北方位，以便于普通接收机接收，天顶星S4布设在点M正上方仰角90°位置。即使不要求严格的正四面体构型，真实卫星的快速运动仍导致上述星座布局很难通过模拟真实的卫星星座来满足，因此本发明提出了一种能长时间保持几何关系的虚拟轨道卫星星座设计方法。

利用椭圆倾斜轨道准同步卫星运行过程中，星下点轨迹移动速率不同，卫星周期运动的特点，本发明通过设计卫星轨道参数，并进行时空搬移，在统一时间生成任意位置的导航电文，构成能长时间保持几何关系的虚拟轨道卫星星座。主要步骤如下：①确定要设计的四星位置以及维持的最小时间；②根据设定的卫星位置，利用基础的一组倾斜轨道卫星(IGSO)数据，以得到符合要求的星下点轨迹为目标，对其中的六大轨道根数进行参数设计；③考虑虚拟轨道卫星在远地点时有较慢的移动速度优势，修改星历参数对虚拟轨道卫星进行空间移动，使其星下点轨迹到达理想位置，如图2所示为目标左上方位的星下点轨迹，能在远地点长时间维持观测方向变化较慢的特性；④修改导航电文时间参数，进行虚拟轨道卫星时间搬移，星座设为统一时间，使卫星时间上同步；⑤将外部时间和用户位置输入导航电文生成模块进行电文生成，产生任意时间、任意位置的虚拟导航电文，构成较好的虚拟轨道四星卫星星座。

(2)用模拟源发射虚拟轨道卫星信号

由于虚拟轨道卫星信号通过室内布置的天线发射，天线位置放置直接影响定位效果。如图1所示，考虑到星座几何，四副天线发射点应分别布置在四颗虚拟轨道卫星与目标接收点的直连线上，同时到达区域中心点M的距离相同，以减少天线传输中的附加时延影响。为使区域内的定位效果均衡，对应于顶座星S4的天线P4应布置在中点M正上方最高位置；三颗底座星的对应天线P1、P2、P3应布置在室内南北两壁，并与卫星及用户位置连成一条直线，因此在矩形空间中，底座星对应天线的平面投影应为等腰三角形。根据座顶星天线P4至中心点M的距离，设计三路底座星天线P1、P2、P3的放置高度，满足接收仰角截止角的同时，使天线到接收目标的距离相同。

根据上述虚拟轨道卫星星座产生虚拟导航电文，设定四副天线的位置信息，利用四通道卫星导航信号模拟器硬件将导航电文、测距码及载波信号进行调制产生模拟卫星信号，经四副天线发射，普通卫星导航接收机进行接收。与一般伪卫星发射信号不同的是，发射天线发射的是天线到虚拟卫星之间不断变化的信号，本发明用模拟器生成。模拟器所模拟的中频信号可表示如下：

其中，j表示不同卫星的标号，A表示卫星信号振幅，C(t)表示C/A码序列，D(t)表示导航电文，τ_code表示码延时，τ_carrier表示载波延时，码延时和载波延时中的电离层误差大小相等，符号相反，ω_IF表示载波频率，表示载波初相位。

将模拟中频信号进行四通道射频调制成虚拟轨道卫星信号，并通过室内布置的四副天线进行发射。

(3)接收端伪距折线误差补偿算法

采用虚拟轨道卫星进行室内定位时，接收机测得卫星到用户距离与从卫星经室内发射天线到用户的信号时延距离有一定的偏差，这是由于虚拟卫星仍然是在特定轨道上运动的，不能一直保持卫星、室内天线和用户三点在同一直线上所致。如图3所示，U为用户接收机位置，r表示天线到接收机的距离，ρ_n表示卫星导航模拟器模拟的虚拟卫星到天线的伪距，ρ′_n表示理想情况下的虚拟卫星到接收机的伪距。以S1号卫星为例，根据三角形两边之和大于第三边的原理，模拟的卫星与天线的伪距ρ₁加上天线与用户的伪距r₁，将会大于卫星与用户间的伪距ρ′₁，导致接收端测得伪距有偏差，引起定位误差。

为了减小定位误差，本发明提出在接收机端对用户接收机输出伪距进行伪距折线误差补偿算法。算法过程如下：

①如图4所示，修改虚拟卫星导航电文，将第一子帧中第3、4、5个字的实时数据修改为对应发射天线的实际位置，产生虚拟卫星信号并通过天线发送给接收端，使接收端能够在不影响定位功能的情况下通过解析导航电文直接获得发射天线位置；

②接收端接收信号并解调，根据所获导航电文中的星历数据，通过卫星轨道参数(开普勒6参数及轨道摄动9参数)求出各卫星信号发射时刻的卫星位置通过导航电文中修改的数据(高度、经度、纬度)求出各发射天线的位置/>从而求得卫星到发射天线的几何距离R_j和仰角E，通过仰角E计算可得电离层延迟cI和对流层延迟cT。由本文模拟生成的虚拟卫星到天线伪距如下，δt表示卫星钟差：

③接收机输出的原始伪距ρ_r表示卫星经室内天线到接收机的两段折线距离，其组成公式如下，表示天线至接收机的几何距离，δ′t表示接收机钟差：

它与理想情况下的卫星到接收机直线伪距并不相等(ρ_r≠ρ′_n)。想要定位出真实的接收机定位坐标，需要对原始输出的伪距进行折线补偿。

④将接收机输出原始伪距ρ_r与卫星到接收机的伪距ρ_n(式3计算所得)作差，可以由式(4)求得发射天线到接收机的伪距r_j：

由于天线与用户间距离接近，即两者到卫星的仰角E近似相等，模拟信号时所采用电离层和对流层延迟可与接收端由仰角E计算出的电离层和对流层延迟相互抵消(cI＝cI′，cT＝cT′)。进一步推算出式(5)：

对式(5)进行线性化处理，得误差方程式(6)，通过牛顿-迭代方法，求得用户位置的坐标(x^U，y^U，z^U)及接收机钟差δ′t，实现二次精确定位。

其中，将钟差表示为ρ_t＝cδ′t，α_i1、α_i2、α_i3分别表示为 δr_j为由式(4)所得天线至接收机的伪距r_j，0和每次修正后由式(5)所得伪距r_j的差值，δr_j＝r_j，0-r_j。

3、本发明具有的有益效果

(1)只需在室内布置四通道卫星导航模拟器和四副天线，无需额外安装其它传感器或其它设备，普通卫星导航接收机就能实现室内定位，对矩形结构的室内定位有广泛的适用性。

(2)采用虚拟轨道卫星进行室内定位，不受真实卫星状态变化的影响。

(3)能维持较长时间的星座几何结构，不需要换星，有利于长时间定位。

(4)对接收机输出伪距可进行折线补偿，通过二次定位，进一步提高定位精度。

四、附图说明

图1室内虚拟轨道卫星组网模拟发射布局图

图2理想的星下点轨迹图

图3导航卫星、发射天线和接收机的伪距误差模型

图4导航电文修改补充发射天线位置帧内填充示意图

图5虚拟轨道及星座布局图

图6接收到的卫星星座图

图7固定场景定位结果

图8伪距折线误差补偿后的定位结果

五、具体实施方式

下面结合附图和实际场景对本发明进行进一步说明。

工作流程如下：

1、选取室内场景为8m×8m的正方形空间，定位场景如图1所示，纬度坐标范围为(31°56′23.08120″N，31°56′23.33904″N)，经度坐标范围为(118°47′32.92235″E，118°47′33.22428″E)。选定四根发射天线P1、P2、P3、P4的坐标。

2、选择坐标31°56′23.21012″N，118°47′33.07156″E(实验场景中心点坐标)作为卫星天空图的中心点，再选择天空图上的对应于四星星座组网的四个点作为虚拟轨道卫星设计的目标位置，如图5所示。

3、根据设定的卫星位置，利用基础的一组倾斜轨道卫星(IGSO)数据，以得到符合要求的星下点轨迹为目标对其中的六大轨道根数进行参数设计，通过修改星历参数实现时空搬移和添加发射天线位置信息生成满足定位要求的模拟导航电文。读取模拟导航电文及初始参数，通过硬件产生模拟的多通道卫星信号并通过天线发射。

4、使用普通卫星接收机对虚拟卫星发送的信号进行接收定位，并通过导航电文中接收的卫星和天线位置信息在接收端对实际位置进行伪距折线误差补偿，观察并记录定位过程。接收到的卫星分别为GPS的G1号、G2号、G3号、G9号星，卫星星座如图6所示。固定场景定位结果如图7所示，表示室内区域选定点。伪距误差补偿后的用户位置坐标如图8所示，用户位置的均方根误差RMSE由2.3米改善至0.7米。由此验证了基于模拟源发射的虚拟轨道卫星增强室内定位方法的可行性。

Claims (2)

1.一种基于虚拟轨道卫星的室内卫星导航定位方法，其特征在于，在卫星导航电文参数范围内，通过设计描述特殊轨道的星历参数，生成四条实际不存在的虚拟卫星轨道，产生适用于室内定位的虚拟轨道卫星星座导航电文，用模拟器生成4颗导航卫星模拟信号，从4副室内天线发射，使室内卫星接收机能够正确定位，虚拟轨道设计步骤如下：

①确定要设计的四星位置以及维持的最小时间；

②根据设定的卫星位置，利用基础的一组倾斜轨道卫星IGSO数据，以得到符合要求的星下点轨迹为目标，对其中的六大轨道根数进行参数设计；

③考虑虚拟轨道卫星在远地点时有较慢的移动速度优势，修改星历参数对虚拟轨道卫星进行空间移动，使其星下点轨迹到达理想位置，能在远地点长时间维持观测方向变化较慢的特性；

④修改导航电文时间参数，进行虚拟轨道卫星时间搬移，星座设为统一时间，使卫星时间上同步；

⑤将外部时间和用户位置输入导航电文生成模块进行电文生成，产生任意时间、任意位置的虚拟导航电文，构成较好的虚拟轨道四星卫星星座。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟轨道卫星的室内卫星导航定位方法，其特征在于，采用了一种基于虚拟轨道卫星的伪距折线误差补偿算法，弥补了从卫星经室内发射天线到用户的两段折线路径与接收机测得卫星到用户距离不一致的误差，通过接收端的伪距校正定位，改善了室内普通卫星接收机的定位精度，算法过程如下：

①修改虚拟卫星导航电文，将第一子帧中第3、4、5个字的实时数据修改为对应发射天线的实际位置，产生虚拟卫星信号并通过天线发送给接收端，使接收端能够在不影响定位功能的情况下通过解析导航电文直接获得发射天线位置；

②接收端接收信号并解调，根据所获导航电文中的星历数据，通过卫星轨道参数，开普勒6参数及轨道摄动9参数，求出各卫星信号发射时刻的卫星位置通过导航电文中修改的数据高度、经度、纬度，求出各发射天线的位置/>从而求得卫星到发射天线的几何距离R_j和仰角E，通过仰角E计算可得电离层延迟cI和对流层延迟cT，模拟生成的虚拟卫星到天线伪距如下，δt表示卫星钟差：

③接收机输出的原始伪距ρ_r表示卫星经室内天线到接收机的两段折线距离，其组成公式如下，表示天线至接收机的几何距离，δ′t表示接收机钟差：

它与理想情况下的卫星到接收机直线伪距并不相等，想要定位出真实的接收机定位坐标，需要对原始输出的伪距进行折线补偿，

④将接收机输出原始伪距ρ_r与卫星到接收机的伪距ρ_n，式(1)计算所得作差，可以由式(3)求得发射天线到接收机的伪距r_j：

由于天线与用户间距离接近，即两者到卫星的仰角E近似相等，模拟信号时所采用电离层和对流层延迟可与接收端由仰角E计算出的电离层和对流层延迟相互抵消，cI＝cI′，cT＝cT′，进一步推算出式(4)：

对式(4)进行线性化处理，得误差方程式(5)，通过牛顿-迭代方法，求得用户位置的坐标(x^U，y^U，z^U)及接收机钟差δ′t，实现二次精确定位，

其中，将钟差表示为ρ_t＝cδ′t，α_i1、α_i2、α_i3分别表示为 δr_j为由式(4)所得天线至接收机的伪距r_j，0和每次修正后由式(4)所得伪距r_j的差值，δr_j＝r_j，0-r_j。