基于虚拟gnss信号的室内二维高精度定位方法及系统

文档序号:133996 发布日期:2021-10-22 浏览:17次 >En<

阅读说明:本技术 基于虚拟gnss信号的室内二维高精度定位方法及系统 (Indoor two-dimensional high-precision positioning method and system based on virtual GNSS signals ) 是由 张勇虎 欧建良 肖勇杰 于 2021-07-05 设计创作,主要内容包括:本发明涉及卫星导航领域,公开一种基于虚拟GNSS信号的室内二维高精度定位方法及系统。虚拟GNSS卫星模拟装置仿真八组虚拟GNSS卫星信号,包括用于第一漏缆区域位置定位的第一虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆区域位置定位的第二虚拟GNSS卫星信号,用于第一漏缆方向位置修正的第三虚拟GNSS卫星信号、第四虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆方向位置修正的第五虚拟GNSS卫星信号、第六虚拟GNSS卫星信号,以及用于垂直于漏缆方向位置修正的第七和第八虚拟GNSS卫星信号。本发明有效、可靠地实现地铁、隧道、矿井、地下停车场室内二维定位,定位精度为米级。(The invention relates to the field of satellite navigation, and discloses an indoor two-dimensional high-precision positioning method and system based on a virtual GNSS signal. The virtual GNSS satellite simulation device simulates eight groups of virtual GNSS satellite signals and comprises a first virtual GNSS satellite signal for positioning a first leaky cable area, a second virtual GNSS satellite signal for positioning a second leaky cable area, a third virtual GNSS satellite signal and a fourth virtual GNSS satellite signal for correcting the position in the first leaky cable direction, a fifth virtual GNSS satellite signal and a sixth virtual GNSS satellite signal for correcting the position in the second leaky cable direction, and a seventh virtual GNSS satellite signal and an eighth virtual GNSS satellite signal for correcting the position in the direction perpendicular to the leaky cable direction. The invention effectively and reliably realizes the indoor two-dimensional positioning of subways, tunnels, mines and underground parking lots, and the positioning precision is meter-level.)

基于虚拟GNSS信号的室内二维高精度定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟GNSS信号的室内二维定位方法及系统,属于卫星导航领域。

背景技术

目前在地铁、地下停车场、隧道等室内导航卫星信号不可见的场所,无法使用已有的卫星导航接收机或者智能手机进行定位,只能借助RFID、WIFI、超宽带、惯性导航、伪卫星等技术进行定位,但是受制于室内复杂地形引起的多径效应和成本,上述室内定位技术都存在着不足,RFID、WIFI、UWB超宽带定位不能直接使用导航接收机定位,需要另建一套定位系统,伪卫星需要密集布设多个,而且远近效应、多径效应的影响严重。国内已有多个专利利用伪卫星实现隧道内定位导航,CN201810729390.4 一种基于伪卫星的隧道内定位方法和CN201710617675.4 一种动态补偿的卫星导航定位增强系统及方法都是用伪卫星与室外真实卫星信号时间同步和星历同步后,在隧道内仿真多个区域位置,在此区域内的定位位置就是仿真的位置。这种伪卫星定位方法的误差不小,受制于成本,伪卫星仿真的区域位置不可能很密集,所以定位误差几十米到上百米,对于定位导航精度要求高的场合就不适用了。专利2020103895875申请了基于虚拟卫星的室内定位方法、系统和装置,但是只能实现沿着漏缆方向的定位,无法实现室内二维平面内的定位。

发明内容

本发明旨在提供一种基于虚拟GNSS信号的室内二维高精度定位的方法与系统,从而克服现有技术中的不足。

本发明的技术方案如下:包括导航接收机,虚拟GNSS卫星模拟装备,以及至少两根平行布设的第一漏缆、第二漏缆;

虚拟GNSS卫星模拟装置仿真八组虚拟GNSS卫星信号,包括用于第一漏缆区域位置定位的第一虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆区域位置定位的第二虚拟GNSS卫星信号,用于第一漏缆方向位置修正的第三虚拟GNSS卫星信号、第四虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆方向位置修正的第五虚拟GNSS卫星信号、第六虚拟GNSS卫星信号,以及用于垂直于漏缆方向位置修正的第七和第八虚拟GNSS卫星信号;

所述第一虚拟GNSS卫星信号、第三虚拟GNSS卫星信号、第七虚拟GNSS卫星信号均与第一漏缆一端相连,所述第四虚拟GNSS卫星信号与第一漏缆另一端相连;

所述第二虚拟GNSS卫星信号、第五虚拟GNSS卫星信号和第八虚拟GNSS卫星信号均与第二漏缆一端相连,所述第六虚拟GNSS卫星信号与第二漏缆另一端相连;

沿第一漏缆方向的位置修正,使用导航接收机收到的第三虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值和第四虚拟GNSS卫星载波相位观测值的差值进行修正;沿着第二漏缆方向的位置修正,使用导航接收机收到的第五虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值和第六虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值的差值进行修正,用户垂直于漏缆方向的位置修正,使用导航接收机收到的第七虚拟GNSS卫星信号伪距观测值和第八虚拟GNSS卫星信号伪距观测值的差值进行修正;

以第三虚拟卫星和第四虚拟卫星载波相位相同的点为坐标原点,以沿着漏缆行进方向为X轴,以垂直于漏缆方向向着第二漏缆方向为Y轴,建立漏缆本地坐标系;漏缆本地坐标系中的A点二维坐标x1,y1为:

其中3为A点处导航接收机解算的第三虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,为第四虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,为第五虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,为第六虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,d7为第七虚拟GNSS卫星信号伪距观测值,d8为第八虚拟GNSS卫星信号伪距观测值,L为A点处两根漏缆之间的垂直距离;

虚拟GNSS卫星模拟装置仿真的第七虚拟GNSS卫星信号和第八虚拟GNSS卫星信号,彼此的卫星编号互不相同,功率和伪距时延设置为保证从两根漏缆的端口连接处功率和时延值相同,导航电文健康控制字都设为不健康;虚拟GNSS卫星模拟装置仿真的第三虚拟GNSS卫星信号和第四虚拟GNSS卫星信号,彼此的卫星编号互不相同,功率和伪距时延设置为保证从漏缆两端口连接处功率和时延值相同,导航电文健康控制字都设为不健康;虚拟GNSS卫星模拟装置仿真的第五虚拟GNSS卫星信号和第六虚拟GNSS卫星信号,彼此的卫星编号互不相同,功率和伪距时延设置为保证从漏缆两端口连接处功率和时延值相同,导航电文健康控制字都设为不健康。

本发明包括以下步骤:

步骤1,虚拟GNSS卫星模拟装置仿真生成八组虚拟GNSS卫星信号,包括用于第一漏缆区域位置定位的第一虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆区域位置定位的第二虚拟GNSS卫星信号,用于第一漏缆方向位置修正的第三虚拟GNSS卫星信号、第四虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆方向位置修正的第五虚拟GNSS卫星信号、第六虚拟GNSS卫星信号,以及用于垂直于漏缆方向位置修正的第七和第八虚拟GNSS卫星信号;

步骤2,第一虚拟GNSS卫星信号包括第一漏缆原点坐标处当前仿真时刻所有可见卫星信号,第三虚拟GNSS卫星信号和第四虚拟GNSS卫星信号的功率相同,卫星编号不同,电文里面的健康控制字设为不健康,以保证第三和第四虚拟卫星不参与定位解算;

第二虚拟GNSS卫星信号包括第二漏缆原点坐标处当前仿真时刻所有可见卫星信号,第五虚拟GNSS卫星信号和第六虚拟GNSS卫星信号的功率相同,卫星编号不同,电文里面的健康控制字设为不健康,以保证第五和第六虚拟卫星不参与定位解算;

步骤3,第一虚拟GNSS卫星信号和第三虚拟GNSS卫星信号、第七虚拟GNSS卫星信号合路后接到第一漏缆近端口进行辐射,第二虚拟GNSS卫星信号和第五虚拟GNSS卫星信号、第八虚拟GNSS卫星信号合路后接到第二漏缆近端口进行辐射,第四虚拟GNSS卫星信号接到第一漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射,第六虚拟GNSS卫星信号接到第二漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射;

步骤4,用户的导航接收机经过漏缆下方,靠近第一漏缆的区域时,导航接收机会接收到第一虚拟GNSS卫星信号进行定位解算,靠近第二漏缆的区域时,导航接收机会接收到第二虚拟GNSS卫星信号进行定位解算,得到WGS84大地坐标系中的坐标;

步骤5,导航接收机根据伪距差和区域点坐标进行位置修正,得到准确的位置坐标;位置修正算法为:

以第三虚拟GNSS卫星信号和第四虚拟GNSS卫星信号载波相位相同的点为坐标原点,以沿着漏缆行进方向为X轴,以垂直于漏缆方向向着第二漏缆方向为Y轴,建立漏缆本地坐标系,漏缆本地坐标系中的A点二维坐标x1,y1为:

其中3为A点处导航接收机解算的第三虚拟GNSS卫星载波相位观测值,为第四虚拟GNSS卫星载波相位观测值,为第五虚拟GNSS卫星载波相位观测值,为第六虚拟GNSS卫星载波相位观测值,d7为第七虚拟GNSS卫星伪距观测值,d8为第八虚拟GNSS卫星伪距观测值,L为A点处两根漏缆之间的垂直距离。

本发明还包括一种基于虚拟GNSS信号的室内二维高精度定位系统:包括至少两根平行布设的第一漏缆、第二漏缆,和一个虚拟GNSS卫星模拟装置,虚拟GNSS卫星模拟装置分别与第一漏缆、第二漏缆的两端信号连接。

本发明的有益效果是可以在不改动导航接收机硬件的条件下实现室内外无缝高精度二维定位,二维定位精度可达米级,解决地铁、地下停车场等室内场合无法利用导航接收机或者智能手机进行高精度二维定位的难题。

附图说明

图1是基于虚拟GNSS信号的室内二维定位系统。

图2是虚拟GNSS卫星模拟装置。

图3是漏缆本地坐标系及位置修正示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图1至3,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明的实施例,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,都属于本发明保护的范围。

如图1所示,本发明包括导航接收机,以及至少两根并行布设的第一漏缆、第二漏缆和一个虚拟GNSS卫星模拟装置;

虚拟GNSS卫星模拟装置仿真生成用于第一漏缆区域位置定位的第一虚拟GNSS卫星信号,和用于第二漏缆区域位置定位的第二虚拟GNSS卫星信号;以及生成用于第一漏缆方向位置修正的第三虚拟GNSS卫星信号、第四虚拟GNSS卫星信号;以及生成用于第二漏缆方向位置修正的第五虚拟GNSS卫星信号、第六虚拟GNSS卫星信号;以及生成用于垂直于漏缆方向位置修正的第七和第八虚拟GNSS卫星信号;

所述第一虚拟GNSS卫星信号、第三虚拟GNSS卫星信号、第七虚拟GNSS卫星信号均与第一漏缆一端相连,所述第四虚拟GNSS卫星信号与第一漏缆另一端相连;

所述第二虚拟GNSS卫星信号、第五虚拟GNSS卫星信号和第八虚拟GNSS卫星信号均与第二漏缆一端相连,所述第六虚拟GNSS卫星信号与第二漏缆另一端相连;

沿第一漏缆方向的位置修正,使用导航接收机收到的第三虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值和第四虚拟GNSS卫星载波相位观测值的差值进行修正;沿着第二漏缆方向的位置修正,使用导航接收机收到的第五虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值和第六虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值的差值进行修正,用户垂直于漏缆方向的位置修正,使用导航接收机收到的第七虚拟GNSS卫星信号伪距观测值和第八虚拟GNSS卫星信号伪距观测值的差值进行修正;

如图2所示,虚拟GNSS卫星模拟装置同时仿真的八组虚拟GNSS卫星信号分为四路信号输出,其中第一路信号包括第一、第三、第七虚拟GNSS卫星信号,第二路信号包括第二、第五、第八虚拟GNSS卫星信号,第三路信号是第四虚拟GNSS卫星信号,第四路信号是第六虚拟GNSS信号。

如图3所示,以第三虚拟卫星和第四虚拟卫星载波相位相同的点为坐标原点,以沿着漏缆行进方向为X轴,以垂直于漏缆方向向着第二漏缆方向为Y轴,建立漏缆本地坐标系;漏缆本地坐标系中的A点二维坐标x1,y1为:

其中3为A点处导航接收机解算的第三虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,为第四虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,为第五虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,为第六虚拟GNSS卫星信号载波相位观测值,d7为第七虚拟GNSS卫星信号伪距观测值,d8为第八虚拟GNSS卫星信号伪距观测值,L为A点处两根漏缆之间的垂直距离;

漏缆的所有坐标都可事先测绘得到,根据漏缆坐标系中的二维坐标值可换算为测绘的实际坐标,然后在地图中显示;

虚拟GNSS卫星模拟装置仿真的第七虚拟GNSS卫星信号和第八虚拟GNSS卫星信号,彼此的卫星编号互不相同,功率和伪距时延设置为保证从两根漏缆的端口连接处功率和时延值相同,导航电文健康控制字都设为不健康;虚拟GNSS卫星模拟装置仿真的第三虚拟GNSS卫星信号和第四虚拟GNSS卫星信号,彼此的卫星编号互不相同,功率和伪距时延设置为保证从漏缆两端口连接处功率和时延值相同,导航电文健康控制字都设为不健康;虚拟GNSS卫星模拟装置仿真的第五虚拟GNSS卫星信号和第六虚拟GNSS卫星信号,彼此的卫星编号互不相同,功率和伪距时延设置为保证从漏缆两端口连接处功率和时延值相同,导航电文健康控制字都设为不健康。

本发明包括以下步骤:

步骤1,虚拟GNSS卫星模拟装置仿真八组虚拟GNSS卫星信号,包括用于第一漏缆区域位置定位的第一虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆区域位置定位的第二虚拟GNSS卫星信号,用于第一漏缆方向位置修正的第三虚拟GNSS卫星信号、第四虚拟GNSS卫星信号,用于第二漏缆方向位置修正的第五虚拟GNSS卫星信号、第六虚拟GNSS卫星信号,以及用于垂直于漏缆方向位置修正的第七和第八虚拟GNSS卫星信号;

步骤2,第一虚拟GNSS卫星信号包括第一漏缆原点坐标处当前仿真时刻所有可见卫星信号,第三虚拟GNSS卫星信号和第四虚拟GNSS卫星信号的功率相同,卫星编号不同,电文里面的健康控制字设为不健康,以保证第三和第四虚拟卫星不参与定位解算;

第二虚拟GNSS卫星信号包括第二漏缆原点坐标处当前仿真时刻所有可见卫星信号,第五虚拟GNSS卫星信号和第六虚拟GNSS卫星信号的功率相同,卫星编号不同,电文里面的健康控制字设为不健康,以保证第五和第六虚拟卫星不参与定位解算;

步骤3,第一虚拟GNSS卫星信号和第三虚拟GNSS卫星信号、第七虚拟GNSS卫星信号合路后接到第一漏缆近端口进行辐射,第二虚拟GNSS卫星信号和第五虚拟GNSS卫星信号、第八虚拟GNSS卫星信号合路后接到第二漏缆近端口进行辐射,第四虚拟GNSS卫星信号接到第一漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射,第六虚拟GNSS卫星信号接到第二漏缆远离虚拟卫星模拟装置的远端口进行辐射;

步骤4,用户的导航接收机经过漏缆下方,靠近第一漏缆的区域时,导航接收机会接收到第一虚拟GNSS卫星信号进行定位解算,靠近第二漏缆的区域时,导航接收机会接收到第二虚拟GNSS卫星信号进行定位解算,得到WGS84大地坐标系中的坐标;

进一步地,为进一步提高定位精度,在系统建设时提前测绘得到所有漏缆区域点坐标,通过无线通信方式发送给智能手机,或者下载到导航接收机中,解算的坐标与某个漏缆区域点坐标差值小于误差阀值时,本领域技术人员可以结合导航接收机定位精度指标和技术需要,设定误差阈值的大小,用此漏缆区域点坐标作为区域中心坐标,记为x0,y0,z0;

步骤5,导航接收机根据伪距差和区域点坐标进行位置修正,得到准确的位置坐标;位置修正算法为:

以第三虚拟GNSS卫星信号和第四虚拟GNSS卫星信号载波相位相同的点为坐标原点,以沿着漏缆行进方向为X轴,以垂直于漏缆方向向着第二漏缆方向为Y轴,建立漏缆本地坐标系,漏缆本地坐标系中的A点二维坐标x1,y1为:

其中3为A点处导航接收机解算的第三虚拟GNSS卫星载波相位观测值,为第四虚拟GNSS卫星载波相位观测值,为第五虚拟GNSS卫星载波相位观测值,为第六虚拟GNSS卫星载波相位观测值,d7为第七虚拟GNSS卫星伪距观测值,d8为第八虚拟GNSS卫星伪距观测值,L为A点处两根漏缆之间的垂直距离。漏缆的所有坐标都可事先测绘得到,根据漏缆坐标系中的二维坐标值可换算为测绘的实际坐标,然后在地图中显示。

本发明还包括一种基于虚拟GNSS信号的室内二维高精度定位系统:包括至少两根平行布设的第一漏缆、第二漏缆,和一个虚拟GNSS卫星模拟装置,虚拟GNSS卫星模拟装置分别与第一漏缆、第二漏缆的两端信号连接。可以在不改动导航接收机硬件的条件下实现室内二维高精度定位,定位精度达到米级,解决地铁、隧道、矿井、地下停车场等室内场合无法利用卫星导航接收机或者智能手机定位的难题。

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