一種移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合衛(wèi)星信號盲區(qū)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子通信與自動控制領(lǐng)域，涉及到一種移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)衛(wèi)星信號盲區(qū)內(nèi)接收機定位方法。該定位方法中，接收機利用基站轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星信號將首先分別采用兩種不同的方法獨立計算位置坐標：一種方法是接收機基于前一時刻的定位結(jié)果推導下一時刻位置坐標；另一種方法是接收機利用衛(wèi)星信號測量基站到接收機的偽距，再利用三角定位原理計算位置。然后，接收機將由兩種方法獲取的定位結(jié)果聯(lián)合起來作為觀測值，利用卡爾曼濾波算法對結(jié)果進行濾波以確定最終用戶位置坐標。本發(fā)明在實際應用時布署成本低且安裝容易，并可獲得較高定位精度。
【專利說明】
一種移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合衛(wèi)星信號盲區(qū)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子、通信與自動控制領(lǐng)域，涉及到基于導航衛(wèi)星的用戶定位，特別涉 及到導航衛(wèi)星信號盲區(qū)中的用戶定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 在導航衛(wèi)星信號盲區(qū)中，如建筑物或隧道內(nèi)及高架橋下等，用戶接收機一般無法 直接獲取到衛(wèi)星信號，也即無法直接利用導航衛(wèi)星信號計算位置。在這種情況下，如果仍然 需要利用衛(wèi)星信號實現(xiàn)定位，那么就要通過位于衛(wèi)星信號良好區(qū)域的其它設(shè)備將衛(wèi)星信號 進行放大轉(zhuǎn)發(fā)以使得盲區(qū)內(nèi)用戶接收到有效衛(wèi)星信號來實現(xiàn)定位，如針對室內(nèi)定位采用的 衛(wèi)星信號中繼器轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)等。但對于基礎(chǔ)設(shè)施不完備的環(huán)境，衛(wèi)星中繼器布署將遇到極大 挑戰(zhàn)。目前移動蜂窩網(wǎng)的覆蓋率很高，蜂窩小區(qū)基站的覆蓋半徑逐漸變小，移動信號的盲區(qū) 較小，因此，利用移動蜂窩基站轉(zhuǎn)發(fā)導航衛(wèi)星信號，可以使用戶在導航衛(wèi)星信號盲區(qū)仍可以 收到衛(wèi)星信號，進而實現(xiàn)定位;而在用戶可直接接收到衛(wèi)星信號的區(qū)域，接收機可利用轉(zhuǎn)發(fā) 的衛(wèi)星信號進一步提高定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)衛(wèi)星信號盲區(qū)內(nèi)接收機定 位方法，首先是利用移動蜂窩基站對衛(wèi)星信號進行轉(zhuǎn)發(fā)。當一個基站收到導航衛(wèi)星信號后， 先對信號進行處理獲取導航數(shù)據(jù)，然后對導航數(shù)據(jù)利用新的擴頻碼(不同于所有導航衛(wèi)星 所使用的擴頻碼)進行調(diào)制，再在同樣的導航衛(wèi)星信號所使用的頻段上將信號以一定功率 轉(zhuǎn)發(fā)出去。當對衛(wèi)星信號進行轉(zhuǎn)發(fā)時，基站利用一定的信號處理保持原衛(wèi)星信號的碼相位、 載波相位和多普勒頻移?；巨D(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號的發(fā)射功率要保證每個接收機同時可接收到三 個或三個以上的基站轉(zhuǎn)發(fā)來的衛(wèi)星信號。接收機利用接收到的轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星信號可實現(xiàn)導航 定位。接收機將采用兩種不同的方法進行定位，然后通過卡爾曼濾波器將兩種方法測得的 數(shù)據(jù)進行融合以實現(xiàn)最終高精度定位。
[0004] 本發(fā)明的一種移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合衛(wèi)星信號盲區(qū)定位方法，包括以下 步驟：
[0005] 步驟一:采用二種定位方法進行定位
[0006] 本發(fā)明要求蜂窩網(wǎng)基站能夠轉(zhuǎn)發(fā)導航衛(wèi)星信號，信號轉(zhuǎn)發(fā)功率滿足相關(guān)規(guī)定且能 保證每個用戶接收機在任意時刻至少可收到3個或3個以上基站轉(zhuǎn)發(fā)來的衛(wèi)星信號。每個基 站的坐標都經(jīng)過精確測量且可通過蜂窩網(wǎng)信令數(shù)據(jù)傳給用戶接收機。每個基站首先需要對 接收到的衛(wèi)星信號進行處理以獲取星歷數(shù)據(jù)。由于每個基站在同一時間處理的移動網(wǎng)絡(luò)業(yè) 務量可能不同，因此對衛(wèi)星信號處理的延遲時間也可能不同。而不同的信號處理延遲會造 成接收機到基站的測距誤差，即使接收機對來自不同基站的信號進行差分處理。本發(fā)明采 用二種定位方法，具體如下：
[0007] 第一種定位方法：
[0008]首先，消除信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時間誤差。記在時間tk接收機測得的信號從衛(wèi)星Sl經(jīng)基站 h轉(zhuǎn)發(fā)到接收機所經(jīng)歷的時間為Ad,，則
[0010] 其中，式％是信號從衛(wèi)星Sl到基站h的時間；是信號從基站b調(diào)接收機的時 間；St。是接收機鐘差；米X,,是信號從衛(wèi)星Sl到基站匕再到接收機所經(jīng)歷的傳播誤差；久，是 信號從到達基站天線經(jīng)基站處理后再從基站天線發(fā)射出去所經(jīng)歷的時間；來^代表其它測 量誤差。
[0011] 將來自同一衛(wèi)星且經(jīng)同一基站轉(zhuǎn)發(fā)到接收機但在不同時刻測量的信號傳播時間 進行差分操作，得到：
[咖3]其中，接收機鐘差Stc將被消除掉;= -次乂》劣;
[0014]
。如與ti之間間 隔小于等于1秒，久(,=和沒考慮為零。接收機在對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行解碼后可獲得衛(wèi)星坐 標。接收機在接入基站時通過信令可獲得基站的坐標信息，戈乂D可以通過衛(wèi)星和基站坐標 計算獲取。
[0015] 接收機分別對不同基站轉(zhuǎn)發(fā)的信號在前后連續(xù)兩個時刻(如和以)測量的傳播時間 進行差分操作，即
[0017]讓'廣 乂乂_" - A/_:義.u，/?廣~1)，e,=久。' 可表不為足,^ 其中凡，A,廣1), i = 〇，1，即在時亥丨J ti用戶的坐標;毛，=(、，%,，\ )為基站b j (j = 1，2， 3)的坐標
，代表在時刻ti從基站bj到 用戶接收機之間的距離。公式(3)可進一步表示為：
[0021]如果用戶接收機在時刻to時的位置已知，則根據(jù)公式(5)，計算得出接收機在時刻 七時的位置。計算得出的用戶位置為
[0022] =/(U,，/，,，0. ^1 2^ (奮）
[0023]第二種定位方法：
[0024]當用戶接收機接收到來自基站的轉(zhuǎn)發(fā)信號后，其可利用該信號測量從衛(wèi)星經(jīng)基站 轉(zhuǎn)發(fā)到用戶信號所經(jīng)歷的時間夂。在時刻tk測得的時間Ad:將如公式（1)所示。來自 同一顆衛(wèi)星的信號通過不同的基站轉(zhuǎn)發(fā)，其到達用戶接收機所需的時間將不同。假設(shè)同一 衛(wèi)星(S1)信號經(jīng)四個基站b」(j = l，2,3,4)轉(zhuǎn)發(fā)，則有
[0026]讓次^，_/ = 1，2,3,4。￥；^為測量值，而<父是信號從衛(wèi)星81到基 站M專播所需時間，可以通過衛(wèi)星幻和基站h的坐標計算得出。^^七二以艮令可以表示 如下：
[0028]基站b」（j = l，2,3,4) 一般相距較近，接收機可同時收到來自這四個基站的轉(zhuǎn)發(fā)信 號；<^力=1,2,3,4)認為是相等。每個基站的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時間<;(>(_/ = 1，2,3,4)在本 定位方法中假設(shè)相等。根據(jù)公式(8)，可進一步獲得：
[0030]讓 A = (y = 1，2,3)，孓= (x"，凡，)，氣=(xv ^ ^ 時刻tk用戶接收機的坐標;氣為基站h的坐標。公式(9)可以寫成：
[0032] 根據(jù)公式（10)，可以計算獲得用戶位置坐標(、^:^的閉式解^己計算得出的 用戶位置為
[0033] XuJ(=g{^h.Q, i = 1,2.3 (11)
[0034] 第二步:用卡爾曼濾波器將兩種定位結(jié)果融合
[0035] 第一步兩種方法各自定位結(jié)果的主要誤差源于不同的因素，如果將這兩種定位結(jié) 果結(jié)合確定接收機坐標，可減弱各自因素對定位誤差的影響，既而可提高定位精度。因此將 第一步中的兩種定位方法的定位結(jié)果作為觀測值利用卡爾曼濾波器對結(jié)果進行濾波以確 定最終定位結(jié)果。
[0036] 設(shè)卡爾曼濾波器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為單位陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型為：
[0037] x(/t) = J(/t-]) + H(A;) (12)
[0038] 其中對幻代表在第k個測量時刻的用戶位置坐標，而坷幻為過程噪聲向量。
[0039]通過第一種定位方法和第二種定位方法測得的定位結(jié)果聯(lián)合起來作為卡爾曼濾 波器的觀測值，也即
[0042]觀測值與狀態(tài)值之間的關(guān)系矩陣H(k)定義為：
[0046] 其中，Vl(kWPv2(k)分別為對應測量值艿(幻和旯(幻的測量誤差與噪聲。觀測模型 為
[0047] y(k)^H(k)x{k) + v(k) (16)
[0048] 利用標準卡爾曼濾波算法進行濾波，可得出最終用戶位置坐標。
[0049] 本發(fā)明提出的移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合定位的方法可以提高用戶定位精 度，同時在實際應用中布署成本低安裝容易。
【具體實施方式】
[0050] 第一種定位方法：
[0051] 首先消除信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時間誤差。記在時間tk接收機測得的信號從衛(wèi)星Sl經(jīng)基站 bj轉(zhuǎn)發(fā)到接收機所經(jīng)歷的時間為△<%."，則有
[0053]其中，武(=是信號從衛(wèi)星Sl到基站匕的時間；是信號從基站匕到接收機的時 間；St。是接收機鐘差;是信號從衛(wèi)星Sl到基站匕再到接收機所經(jīng)歷的傳播誤差;碑是 信號從到達基站天線經(jīng)基站處理后再從基站天線發(fā)射出去所經(jīng)歷的時間；代表其它測 量誤差。
[0054]將來自同一衛(wèi)星且經(jīng)同一基站轉(zhuǎn)發(fā)到接收機但在不同時刻測量的信號傳播時間 進行差分操作，可得到
[0056]其中，接收機鐘差Stc將被消除掉；<:()=戈:義-來;來;丄;
' 一般來說，to與ti之間 間隔很小（小于等于1秒），因此，欠^:丨,和可考慮為零。接收機在對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行解碼 后可獲得衛(wèi)星坐標，此外，接收機在接入基站時通過信令可獲得基站的坐標信息，因此 戈^^可以通過衛(wèi)星和基站坐標計算獲取。
[0057]接收機分別對不同基站轉(zhuǎn)發(fā)的信號在前后連續(xù)兩個時刻(如和以)測量的傳播時間 進行差分操作，即
[0059]讓 /, = <乂.,, - A，:％ "，p盧 >，e廣化可表示為 |卜，〇 其中元，=(A，凡，\)〇,i = 〇，1，即在時刻ti用戶的坐標;毛,=('，?>V')為基站bj (j = 1，2， 3)的坐標
，代表在時刻ti從基站bj到 用戶接收機之間的距離。這樣，公式(3)可進一步表示為：
[0063]這樣，如果用戶接收機在時刻to時的位置已知，則根據(jù)公式(5)，可計算得出接收 機在時刻七時的位置。記計算得出的用戶位置為
[0064] h = /_ = U,3 (6)
[0065] 利用定位方法一，接收機可根據(jù)在上一時刻的位置計算其在下一時刻的位置。當 用戶從衛(wèi)星信號有效區(qū)域進入到衛(wèi)星信號盲區(qū)時，可根據(jù)在前一時刻所獲得的精確位置計 算其在盲區(qū)內(nèi)的首個位置。當用戶在盲區(qū)內(nèi)移動時，可持續(xù)根據(jù)前一時刻的位置計算下一 時刻位置。但產(chǎn)生的問題是，如果前一時刻的位置計算有誤差，則將導致當前位置計算產(chǎn)生 誤差，繼而會造成累積誤差越來越大。因此，為減少累積誤差，將通過方法二對誤差進行糾 正。
[0066]第二種定位方法：
[0067]當用戶接收機接收到來自基站的轉(zhuǎn)發(fā)信號后，其可利用該信號測量從衛(wèi)星經(jīng)基站 轉(zhuǎn)發(fā)到用戶信號所經(jīng)歷的時間紇，W在時刻tk測得的時間將如公式⑴所示。來自 同一顆衛(wèi)星的信號通過不同的基站轉(zhuǎn)發(fā)，其到達用戶接收機所需的時間將不同。假設(shè)同一 衛(wèi)星(S1)信號經(jīng)四個基站b」(j = l，2,3,4)轉(zhuǎn)發(fā)，則有
[0069]讓 乂戈％，7 = 1,2,3,4。<1
站匕傳播所需時間，可以通過衛(wèi)星81和基站匕的坐標計算得出。這樣，A7^(_/= 1,2,3,4)可以 表示如下：
[0071]因為基站b」（j = l，2,3,4) 一般相距較近(接收機可同時收到來自這四個基站的轉(zhuǎn) 發(fā)信號），所以<W,(/ =丨二3,4)可以認為是相等。此外，每個基站的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時間 劣";_(./ = 1,2,3,4)在本方法中也假設(shè)相等。這樣，忽略測量誤差的不同，根據(jù)公式(8)，可進一 步獲得：
[0073]讓& 巧匕(7 = 1，2,3)，氣,/5 =(、凡,d時刻tk用戶接收機的坐標;氣為基站匕的坐標。這樣，公式(9)可以寫成：
[0075] 根據(jù)公式（10)，可以計算獲得用戶位置坐標的閉式解，記計算得出的 用戶位置為
[0076] xuk--=g{xh,c), / = 1.2,3 M!)
[0077] 以上二種定位方法，對于方法一，主要定位誤差是由于每一時刻的定位誤差都會 累積到后面每一時刻的定位結(jié)果中；對于方法二，主要定位誤差來自于各基站的信號處理 時間不同。這兩種方法各自定位結(jié)果的主要誤差源于不同的因素，如果將兩種定位結(jié)果結(jié) 合確定接收機坐標，可減弱各自因素對定位誤差的影響，既而可提高定位精度。因此可將兩 種方法的定位結(jié)果作為觀測值利用卡爾曼濾波器對結(jié)果進行濾波以確定最終定位結(jié)果。
【主權(quán)項】
1. 一種移動蜂窩網(wǎng)與衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合衛(wèi)星信號盲區(qū)定位方法，包括以下步驟： 步驟一:采用二種定位方法進行定位 第一種定位方法： 首先，消除信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時間誤差;記在時間tk接收機測得的信號從衛(wèi)星S1經(jīng)基站bj轉(zhuǎn) 發(fā)到接收機所經(jīng)歷的時間為乂:乂,"，則其中，是信號從衛(wèi)星Sl到基站比的時間;是信號從基站b倒接收機的時間；St。 是接收機鐘差;是信號從衛(wèi)星S1到基站h再到接收機所經(jīng)歷的傳播誤差;是信號從 到達基站天線經(jīng)基站處理后再從基站天線發(fā)射出去所經(jīng)歷的時間；代表其它測量誤 差； 將來自同一衛(wèi)星且經(jīng)同一基站轉(zhuǎn)發(fā)到接收機但在不同時刻測量的信號傳播時間進行 差分操作，得到：其中，接收機鐘差Stc將被消除掉;t〇與tl之間間隔小 于等于1秒，從!,x!,和考慮為零;接收機在對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行解碼后獲得衛(wèi)星坐標;接收 機在接入基站時通過信令獲得基站的坐標信息，通過衛(wèi)星和基站坐標計算獲??； 接收機分別對不同基站轉(zhuǎn)發(fā)的信號在前后連續(xù)兩個時刻(如和七)測量的傳播時間進行 差分操作，即，其 中 t V = 〇，1，即在時刻ti用戶的坐標；4, = ('，.vV' )為基站bj(j = 1，2，3) 的坐標，，代表在時刻U從基站匕到用 戶接收機之間的距離;公式(3)進一步表示為：公式(4)進一步整理為：如果用戶接收機在時刻to時的位置已知，則根據(jù)公式(5)，計算得出接收機在時刻^時 的位置;計算得出的用戶位置為 瓦，1 = /(U，，A，(.). / = 1，2,3 (6) 第二種定位方法： 當用戶接收機接收到來自基站的轉(zhuǎn)發(fā)信號后，其利用該信號測量從衛(wèi)星經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)到 用戶信號所經(jīng)歷的時在時刻tk測得的時間如公式（1)所示;來自同一顆 衛(wèi)星的信號通過不同的基站轉(zhuǎn)發(fā)，其到達用戶接收機所需的時間將不同；假設(shè)同一衛(wèi)星 (s〇信號經(jīng)四個基站匕〇 = 1，2,3,4)轉(zhuǎn)發(fā)，則有讓-戈以,_/ = 1,2,3,4 ; 為測量值，而是信號從衛(wèi)星S1到基站bj 傳播所需時間，通過衛(wèi)星和基站匕的坐標計算得出；= 1,2,3,4)表示如下：基站b」（j = l，2,3,4)相距近，接收機同時收到來自這四個基站的轉(zhuǎn)發(fā)信號； <t"G = 1，2,3,4)認為是相等；每個基站的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)處理時間劣^卜以泛分假設(shè)相 等;根據(jù)公式(8)，進一步獲得：讓 A = A%) - :,, () = 1,2,3)，= (x"、v", 嚴)，& ^ tk用戶接收機的坐標;毛,為基站bj的坐標;公式(9)寫成：根據(jù)公式（10)，計算獲得用戶位置坐標(xK,A,z"；P的閉式解，記計算得出的用戶位置 為 xu,k=g{xti，a， i;l，2,3 (11) 第二步:用卡爾曼濾波器將兩種定位結(jié)果融合 設(shè)卡爾曼濾波器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為單位陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型為： x(/c) = x(k - 1) + \\\k) (] 2) 其中i(幻代表在第k個測量時刻的用戶位置坐標，而訶/f)為過程噪聲向量； 通過第一種定位方法和第二種定位方法測得的定位結(jié)果聯(lián)合起來作為卡爾曼濾波器 的觀測值，也即其中⑷=/(々)，而艿⑷=gW ; 觀測值與狀態(tài)值之間的關(guān)系矩陣H(k)定義為：///(幻和//〖(幻定義為單位陣;相應的測量噪聲矩陣定義為：其中，vdkWPWk)分別為對應測量值艿(幻和艿⑷的測量誤差與噪聲。觀測模型為 y(k) = ll{k)x(k)^YU<) (16) 利用標準卡爾曼濾波算法進行濾波，得出最終用戶位置坐標。
【文檔編號】G01S19/46GK106054226SQ201610663098
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月12日 公開號201610663098.8, CN 106054226 A, CN 106054226A, CN 201610663098, CN-A-106054226, CN106054226 A, CN106054226A, CN201610663098, CN201610663098.8
【發(fā)明人】李秀魁
【申請人】大連理工大學