一种基于伪距完好性监测的室内GNSS伪卫星定位方法与流程

一种基于伪距完好性监测的室内gnss伪卫星定位方法
技术领域
1.本发明涉及室内定位领域，尤其是一种基于伪距完好性监测的室内gnss伪卫星定位方法。


背景技术：

2.人们大部分的时间生活在室内，并且随着位置服务的发展，室内定位服务的市场越来越大，目前室内定位产品规模已达到9亿美元，未来5年内将达到44亿美元。其次精确和可靠的导航需求在工业以及消费领域日益增强。如机场，火车站，博物馆和超市等大型场所室内定位需求。但是我们日常所用的卫星导航信号，即使在室外使用时，如果在受到高楼及山体等外界事物遮挡后，仍然会因为信号质量过差导致无法定位，中断定位服务，而到室内后更是无法接收到导航信号，因此，如何将卫星导航的服务能力扩展至室内，已经成为国际卫星导航领域的研究热点。
3.同时伪卫星技术已得到快速的发展，通过伪卫星在室内播发类gnss信号，替代室外导航卫星工作，可实现智能手机在室内对伪卫星信号的兼容接收。人们将伪卫星布设在室内固定位置，播发通用接收机可以接收的类gnss信号，然后接收机测量出用户到伪卫星间的距离，实现定位。但是由于室内环境复杂，用户手持接收机室内行走过程中，有可能受到非视距以及多径问题的影响，造成接收机严重的伪距测量误差，如果在定位解算时，采用了具有较大误差的伪距值，则会使定位结果产生偏差。针对此问题，本发明提出了一种基于伪距完好性监测的gnss伪卫星定位方法，旨在提高定位精度与连续性，保证gnss伪卫星定位服务的完好性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于伪距完好性监测的室内gnss伪卫星定位方法，该方法可进行伪距异常检测，能够识别室内伪卫星的伪距异常接收值，避免由于室内复杂环境影响造成的异常伪距值参与定位而给定位结果造成较大的误差。
5.为了实现上述目的，本发明采用技术方案为：
6.一种基于伪距完好性监测的室内gnss伪卫星定位方法，包括如下步骤：
7.(1)将静态接收机有线连接伪卫星基站，实时监测信号接收情况和伪距是否合理，并通过网络通知定位终端停止使用异常的伪卫星进行定位；
8.(2)通过静态接收机获取伪卫星基站各信号间的码一致性结果，并将码一致性结果通过网络传输给定位终端，用于伪距值修正；
9.(3)依据伪卫星的布设位置以及行人的最快速度确定伪距合理性门限值；
10.(4)依据码载波相位相干性，选取4个最佳伪距值，并对最佳伪距值进行补偿；
11.(5)利用补偿后的最佳伪距值进行定位计算。
12.进一步的，步骤(1)的具体方式为：
13.静态接收机通过线缆连接伪卫星微基站，实时接收伪卫星信号并输出原始观测
量；
14.根据原始观测量判断伪卫星信号是否异常、伪距值是否合理，如果超过10分钟无法接收到某一卫星数据，则发出该卫星的异常警告信号，对异常卫星采取维护措施；
15.在所有伪卫星数据接收正常时，对伪距合理性进行判断；首先选取多个历元的伪距值并进行均值处理，作为伪距合理性的判别参考值；然后将下一时间的伪距值与参考值对比，如果超出门限值t1，0.05米《t1《0.1米，则判断为伪距异常，并将异常信息发送给定位终端，停止使用该伪卫星进行定位。
16.进一步的，步骤(2)的具体方式为：
17.静态接收机测量多路伪卫星信号的码伪距值，以其中一路信号的码伪距值为参考，计算其它信号的码片偏差，即为码一致性结果：
18.将码片偏差每隔一分钟进行一次传输。
19.进一步的，步骤(3)的具体方式为：
20.根据伪卫星的布设高度和行人的最快速度，计算出前后历元伪距及载波相位的差值：
21.δl＝(ρ
1-ρ0)2＝ρ
12-2ρ1ρ2 ρ
02
22.ρ
12
＝ρ
02
s
2-2ρ0scosθ
23.式中，δl为前后历元伪距差值，ρ0为前一历元伪距值，ρ1为后一历元伪距值，s为移动距离，θ为移动方向与ρ0的夹角；
24.将前后历元伪距及载波相位的最大差值作为伪距合理性的门限值。
25.进一步的，步骤(4)的具体方式为：
26.(401)判断卫星信号的载噪比，当载噪比大于40db
·
hz时，则认为该伪卫星伪距初步满足定位要求，剔除不满足定位要求的卫星；
27.(402)根据步骤(3)中计算的伪距合理性的门限值，判断当前历元与前一历元的伪距差值是合理，剔除不合理的伪距；
28.(403)通过码载波相干性对前后两个历元的伪距差值和载波相位差值之间的偏差程度进行测试，选取相干性值最小的4个伪码测距值；
29.(404)对步骤(403)选出的4个伪码测距值进行补偿：
[0030][0031]
式中，n＝1,2,3,4，ρn表示4个伪码测距值，k-1为k的前一历元，λ为波长，表示伪卫星n前后历元间的伪距差值载波相位差值。
[0032]
进一步的，步骤(5)的具体方式为：
[0033]
(501)建立伪卫星室内伪距测量公式：
[0034][0035]
式中，为用户接收机u到伪卫星i的距离观测量；为用户接收机u到伪卫星i的几何距离；δtu为用户接收机u的时间偏差；δti为伪卫星i的时间偏差；c为光速,ε
ρ
为误差；
[0036]
(502)以一路伪卫星信号为参考，进行伪距差分处理：
[0037][0038]
[0039]
式中，为n号伪卫星与1号伪卫星到接收机的距离差，c
·
(δt
n-δt1)为伪卫星n相对于参考伪卫星1的伪距偏差，等效于步骤(2)中测得的码片偏差；
[0040]
(503)利用步骤(2)的码片偏差与步骤(4)的伪距补偿值进行伪距修正，得到伪距差分公式为：
[0041][0042]
式中，为伪卫星n相对于参考伪卫星1的码片偏差；
[0043]
(504)利用步骤(503)的伪距差分公式，建立矩阵方程，通过最小二乘法解算最终位置。
[0044]
本发明的有益效果在于：
[0045]
1、本发明可进行伪距异常检测，能够识别室内伪卫星的伪距异常接收值，避免由于室内复杂环境影响造成的异常伪距值参与定位而给定位结果造成较大的误差。
[0046]
2、本发明通过同步检测接收机以及接收信号的码载波相干性，获取并修正最佳伪距值，可提高gnss伪卫星室内定位精度。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例方法的流程图。
[0048]
图2为伪距完好性监测定位系统图。
[0049]
图3为前后历元伪距差值计算示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
[0051]
一种基于伪距完好性监测的室内gnss伪卫星定位方法，包括以下步骤：
[0052]
(1)将静态接收机有线连接伪卫星基站，实时监测信号接收情况和伪距是否合理，并通过网络通知定位终端停止使用异常的伪卫星进行定位；
[0053]
(2)通过静态接收机获取伪卫星基站各信号间的码一致性结果，并将码一致性结果通过网络传输给定位终端，用于伪距值修正；
[0054]
(3)依据伪卫星的布设位置以及行人的最快速度确定伪距合理性门限值；
[0055]
(4)依据码载波相位相干性，选取4个最佳伪距值，并对最佳伪距值进行补偿；
[0056]
(5)利用补偿后的最佳伪距值进行定位计算。
[0057]
步骤(1)中，静态接收机通过线缆连接伪卫星微基站，实时接收伪卫星信号并输出原始观测量；根据原始观测量判断伪卫星信号是否异常、伪距值是否合理，如果超过10分钟无法接收到某一卫星数据，则发出该卫星异常警告信号，对异常星采取维护措施；在所有伪卫星数据接收正常的时，则对伪距合理性进行判断，首先选取多个历元的伪距值并进行均值处理，作为伪距合理性的判别参考；然后将下一时间的伪距值与参考值对比，如果超出门限值t1，0.05米《t1《0.1米，则判断为伪距异常，并将异常信息发送给定位终端，停止使用该伪卫星进行定位，计算公式如下：
[0058]
[0059]
式中：pr(i)为i时刻的码伪距测量结果。
[0060]
对k时刻的伪距检测方程如下：
[0061]
(pr(k)-pr(k-1))-δ
pr
＜t1ꢀꢀ
(2)
[0062]
步骤(2)中，静态接收机测量多路伪卫星信号的码伪距值，以其中一路信号的码伪距值为参考，计算其它信号的码片偏差并通过网络每隔将码片偏差传输给定位终端，用于修正伪距值，码一致性用来描述各个信号分量间的码片偏差，其中码片偏差每隔一分钟进行一次传输，对于同一频点的信号分量，可直接使用测量的码伪距做差完成测量，计算公式如下：
[0063][0064]
式中：表示伪卫星n与伪卫星1的伪距差值。
[0065]
步骤(3)中，根据伪卫星的布设高度和行人的最快速度，计算出前后历元伪距及载波相位的最大差值，作为伪距合理性的门限值，步骤如下：
[0066]
(301)根据伪卫星的布设高度和行人的最快速度，计算出前后历元伪距及载波相位的最大差值，作为伪距合理性的门限值，计算公式如下：
[0067][0068]
式中：δl为前后历元伪距差值，ρ0为前一历元伪距值，ρ1为后一历元伪距值，s为移动距离，θ为移动方向与ρ0的夹角。
[0069]
(302)对于理想信号，先后两个历元的伪距差值和载波相位差值应相等，但由于受到多径等因素的影响，会造成其结果不一致，码载波相位相干性主要完成对这一偏差程度的测试，码载波相干公式如下：
[0070]
δρn＝ρn(k)-ρn(k-1)
[0071][0072][0073]
式中：δρn表示伪卫星n前后历元间的伪距差值，表示伪卫星n前后历元间的伪距差值载波相位差值，ccdn表示伪距和载波相位的偏差度。
[0074]
步骤(4)中，依据码载波相位相干性，选取4个最佳伪距值，并对最佳伪距值进行补偿，步骤如下：
[0075]
(401)由于室内环境复杂，伪卫星信号的伪距及载波相位测量多径影响严重，接收信号载噪比越大，伪距测量精度也就越高，需要首先判断卫星信号的载噪比，当载噪比大于40db
·
hz时，则认为该伪卫星伪距初步满足定位要求；
[0076]
(402)其次，根据步骤(3)中计算的伪距合理性的门限值，判断当前历元与前一历元的伪距差值是合理，若满足要求则认为该伪距可用来定位；
[0077]
(403)然后根据公式(5)计算各伪卫星码载波相位相干性大小，选取相干性值最小的4个伪码测距值，用于计算用户位置。
[0078]
(404)对伪距值进行补偿，公式如下:
[0079][0080]
步骤(5)中，利用补偿后的最佳伪距值进行定位计算。
[0081]
(501)伪卫星室内伪距测量公式为：
[0082][0083]
式中：为用户接收机u到伪卫星i的距离观测量；为用户接收机u到伪卫星i的几何距离；δtu为用户接收机u的时间偏差；δti为伪卫星i的时间偏差；c为光速,ε
ρ
为误差；
[0084]
(502)以其中一路伪卫星信号为参考(例如通道1)，进行伪距差分处理：
[0085][0086][0087]
式中：为n号伪卫星与1号伪卫星到接收机的距离差，c
·
(δt
n-δt1)为伪卫星n相对于参考伪卫星1的伪距偏差，等效于步骤(2)中测得的码片偏差
[0088]
(503)利用步骤(2)与步骤(4)测得的码片偏差与伪距补偿值进行伪距修正：最终伪距差分公式如下：
[0089][0090]
(504)利用(503)伪距差分公式，建立矩阵方程，通过最小二乘法解算最终位置。
[0091]
以下为一个更具体的例子：
[0092]
如图1所示，一种基于伪距完好性监测的室内gnss伪卫星定位方法，包括如下步骤：
[0093]
步骤(1)，判断伪卫星基站信号的伪距值接收值是否正常，判断过程为：
[0094]
如图2所示，多路发射天线通过线缆与伪卫星基站相连，同时静态接收机通过线缆连接伪卫星微基站，实时接收伪卫星信号并输出原始观测量；
[0095]
根据原始观测量判断伪卫星信号是否异常、伪距值是否合理，如果超过10分钟无法接收到某一卫星数据，则发出某一卫星异常警告信号，对异常星采取维护措施，在所有伪卫星数据接收正常的时，则对伪距合理性进行判断，首先选取多个历元的伪距值并进行均值处理，作为伪距合理性的判别参考，计算公式如下：
[0096][0097]
式中：pr(i)为i时刻的码伪距测量结果。
[0098]
将下一时间的伪距值与参考值对比，如果超出门限值t1，0.05米《t1《0.1米，则判断为伪距异常，并将异常信息发送给定位终端，停止使用该伪卫星进行定位，计算公式如下：
[0099]
对k时刻的伪距检测方程如下：
[0100]
(pr(k)-pr(k-1))-δ
pr
＜t1ꢀꢀ
(2)
[0101]
步骤(2)，获取伪卫星基站各信号间的码一致性结果，并将码一致性结果通过网络传输给定位终端，用于伪距值修正，具体如下：
[0102]
如图2所示，静态接收机通过线缆连接伪卫星基站，并测量多路伪卫星信号的码伪距值；以其中一路信号的码伪距值为参考，计算其它信号的码片偏差并通过网络每隔一分钟将码片偏差传输给定位终端，计算公式如下：
[0103][0104]
式中：表示伪卫星n与伪卫星1的伪距差值。
[0105]
步骤(3)，确定伪距合理性门限，具体如下：
[0106]
根据伪卫星的布设高度和行人的最快速度，如图3所示，计算出前后历元伪距及载波相位的最大差值，作为伪距合理性的门限值，计算公式如下：
[0107][0108]
式中：δl为前后历元伪距差值，ρ0为前一历元伪距值，ρ1为后一历元伪距值，s为移动距离，θ为移动方向与ρ0的夹角。
[0109]
由公式(4)可确定当θ为90
°
时，伪距差值最大，且ρ0＝h,将θ＝90
°
，ρ0＝h代入公式(4)可得：
[0110][0111]
码载波相位相干性，对于理想信号，先后两个历元的伪距差值和载波相位差值应相等，但由于受到多径等因素的影响，会造成其结果不一致，码载波相位相干性主要完成对这一偏差程度的测试，具体码载波相干公式如下：
[0112]
δρn＝ρn(k)-ρn(k-1)
[0113][0114][0115]
式中：ρn(k)k时刻伪卫星n的伪距值，δρn表示伪卫星n前后历元间的伪距差值，表示伪卫星n前后历元间的伪距差值载波相位差值，ccdn表示伪距和载波相位的偏差度。
[0116]
步骤(4)，依据码载波相位相干性，选取4个最佳伪距值，并对最佳伪距值进行补偿：
[0117]
由于室内环境复杂，伪卫星信号的伪距及载波相位测量多径影响严重，接收信号载噪比越大，伪距测量精度也就越高，需要首先判断卫星信号的载噪比，当载噪比大于40db
·
hz时，则认为该伪卫星伪距初步满足定位要求；
[0118]
根据步骤(3)中计算的伪距合理性的门限值，判断当前历元与前一历元的差值是合理，若满足要求则认为该伪距可用来定位；
[0119]
根据公式(4)计算各伪卫星码载波相位相干性大小，选取相干性值最小的4个伪码测距值，用于计算用户位置。
[0120]
计算伪距补偿值，公式如下：
[0121][0122]
步骤(5)，将经过修正和补偿后的伪距值进行定位计算，具体如下：
[0123]
伪卫星室内伪距测量公式为：
[0124][0125]
式中：为用户接收机u到伪卫星i的距离观测量；为用户接收机u到伪卫星i的几何距离；δtu为用户接收机u的时间偏差；δti为伪卫星i的时间偏差；c为光速,ε
ρ
为误差；
[0126]
以其中一路伪卫星信号为参考，进行伪距差分处理：
[0127][0128][0129]
式中：为伪卫星n与伪卫星1到接收机的距离差，c
·
(δt
n-δt1)为伪卫星n相对于参考伪卫星1的伪距偏差，等效于步骤(2)中测得的码片偏差
[0130]
利用步骤(2)与步骤(4)测得的码片偏差与伪距补偿值进行伪距修正：最终伪距差分公式如下：
[0131][0132]
利用伪距差分公式，建立矩阵方程，通过最小二乘法解算最终位置。