一种基于LoRa通信的GNSS定位系统、定位方法及定位设备与流程

本发明涉及定位系统与定位方法，尤其涉及一种基于lora通信的gnss定位系统、定位方法及定位设备。

背景技术：

在日常生活中，位置信息发挥着越来越重要的作用，诸如车辆使用的导航装置，儿童、老人防走失使用定位器，定位手表，都大量使用的位置信息。在各种定位技术中，卫星定位技术（gnss)以其适用范围广，定位精度高，系统构建简单获得了广泛应用。基于gnss技术的定位系统通常由定位信标与位置服务器组成，定位信标与位置服务器之间的通讯方式以无线通讯为主。定位信标通过gnss定位模块获取自身位置信息，通过通讯模块将信息发送给位置服务器，供用户使用。根据无线通讯方式的不同，定位系统又可分为基于运营商网络的定位系统和基于自建无线通信网络的定位系统。

基于运营商网络的定位系统，常见于儿童手表系统，打车软件等需要定位的系统，该种定位系统无需自建通讯网络即可实现大范围覆盖，使用需要流量资费，通讯模块需完成协议复杂，功效比较高，电池供电使用时间较短，信息暴露在公网上，安全性较差。

lora(longrangeradio)技术有效解决了无线通信领域内低功耗和远距离的矛盾，为长距离物联网的发展奠定了技术基础。lora网络中节点的入网方式有两种方式，otaa(over-the-airactivation)和abp(activationbypersonalization)。abp的方式在设备部署前将入网信息烧写在设备上，设备上电后无需入网操作。在基于自建无线通信网络的定位系统中基于lora通讯技术的定位系统，以其通讯功耗低，覆盖范围大，成为较好的选择。但是，由于lora通信技术通信速率低，每帧发送时间长，信标中定位信标数据增加，数据冲突相互干扰概率大大增加，导致定位信息不能及时准确传递到位置服务器，以lorawan为代表的通讯协议采用csma-ca算法和duty-cycle机制处理这种冲突，简单说来就是发生冲突则退让，每节点发送时间占比不要超过1%。采用类似这种通讯机制的定位系统存在定位信标容量有限，信息回传失败概率高，信息更新速率慢的问题，无法适用于需要高频同步位置信息的场景，比如用于飞行中无人机，行驶中中车辆定位需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于lora通信的gnss定位系统、定位方法及定位设备，至少部分解决现有技术中存在的问题。

第一方面、本发明实施例提供了一种基于lora通信的gnss定位系统，所述系统包括定位信标和通过无线lora通信技术与定位信标连接的位置服务器，其中，所述位置服务器用于接收定位信标传输的自身信息以及对定位信标进行配置，所述位置服务器内设有第二gnss定位单元。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述定位信标和所述位置服务器均设有唯一识别码。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述定位信标包括：

第一gnss定位单元，用于接收gnss卫星导航信号，经过内部运算得出定位信标所在的坐标信息，同时获取当前时间，产生同步时钟信号；

处理单元，与所述第一gnss定位单元连接，用于接收所述第一gnss定位单元发送的坐标信息和同步时钟信号，并将接收到的信息解析打包；

第一lora通讯单元，与所述处理单元连接，用于接收打包好的定位信息，将其发送给位置服务器并接收位置服务器发回的控制指令，通知所述处理单元对控制指令进行读取；以及

第一供电单元，用于给所述第一gnss定位单元、所述处理单元和所述第一lora通讯单元供电。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述供电单元包括从储能单元和外接直流电源中选出的一种供电单元。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述位置服务器包括：

第二gnss定位单元，用于接收gnss卫星导航信号，经过内部运算得出位置服务器所在的坐标信息，同时获取当前时间，产生同步时钟信号；

服务器，与所述第二gnss定位单元连接；

第二lora通讯单元，与所述服务器连接，通过lora无线电信号获取定位信标定位信息，并将服务器生成的定位信标控制指令发送给定位信标；以及

第二供电单元，用于给所述第二gnss定位单元、所述服务器和所述第二lora通讯单元供电。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述服务器包括从通用计算机、嵌入式计算机和单片处理器中选择的一个或多个服务器。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述定位信标为一个或多个，所述位置服务器为一个或多个。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，还具有这样的特征，所述无线lora通信技术为同步无线通讯方法，该通讯方法包括：

依据gnss定位单元完成定位服务后的时钟同步信号为基准，将一个时间周期划分为若干时间片；

定位信标发送数据给位置服务器以及位置服务器发送控制指令给定位信标在指定的时间片内完成，互不干扰。

第二方面，本发明还提供了一种基于lora通信的gnss定位方法，所述方法使用如上述任一项所述的定位系统。

第三方面，本发明还提供了一种基于lora通信的gnss定位设备，所述定位设备包括如上述任一项所述的定位系统。

有益效果

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，该系统的定位信标进行了优化设计结构简单，利于低功耗实施，并且设有供电单元可长时间工作，该定位系统实现了10km范围内，单信标位置更新频率达到1hz，最大64定位信标同时在线的状态，解决了空中多架无人机位置实时更新位置的场景需求，在其他实时性要求不高的场景中，可以支持大数量的定位信标在线数量。

本发明所提供的基于lora通信的gnss定位系统，所使用的通信方法在系统内发射信号之间不会发生相互干扰，完全避免了“冲突-回避”现象，最大化的利用了通信带宽；支持定位信标向位置服务器可靠的高实时同步数据，也可以支持大量定位信标低实时同步位置数据，或者部分定位信标高实时部分信标低实时同步数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的基于lora通信的gnss定位系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于lora通信的gnss定位系统中定位信标的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于lora通信的gnss定位系统中位置服务器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于lora通信的gnss定位系统中gnss定位单元输出的同步信号示意图；

图5为现有技术中定位系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于lora通信的gnss定位系统，所述系统包括定位信标和通过无线lora通信技术与定位信标连接的位置服务器，其中，所述位置服务器用于接收定位信标传输的自身信息以及对定位信标进行配置，所述位置服务器内设有第二gnss定位单元。

在上述实施例的基础上，所述定位信标和所述位置服务器均设有唯一识别码。定位信标可以将自身信息传输给位置服务器，位置服务器可以对定位信标进行相应配置。定位信标的自身信息指定位信标所对应的识别码、时间和位置信息。

如图2所示，在上述实施例的基础上，所述定位信标包括：第一gnss定位单元，用于接收gnss卫星导航信号，经过内部运算得出定位信标所在的坐标信息，同时获取当前时间，产生同步时钟信号；处理单元，与所述第一gnss定位单元连接，用于接收所述第一gnss定位单元发送的坐标信息和同步时钟信号，并将接收到的信息解析打包；第一lora通讯单元，与所述处理单元连接，用于接收打包好的定位信息，通过lora无线电信号将打包好的定位信息发送给位置服务器并接收位置服务器发回的控制指令，通知所述处理单元对控制指令进行读取；以及第一供电单元，用于给所述第一gnss定位单元、所述处理单元和所述第一lora通讯单元供电。处理单元根据接收到的控制指令调整自身运行参数。运行参数指是否暂停上报，更改上报的时间点、上报频率等参数。所述第一gnss定位单元、处理单元、第一lora通讯单元可以是设计在一块印刷电路板上的一系列电子元件完成，也可以是由独立的单元电路模块通过线材连接，还可以是使用芯片封装技术封装在一起的ic。

在上述实施例的基础上，所述供电单元包括从储能单元和外接直流电源中选出的一种供电单元。储能单元可以是电池。

如图3所示，在上述实施例的基础上，所述位置服务器包括：第二gnss定位单元，用于接收gnss卫星导航信号，经过内部运算得出位置服务器所在的坐标信息，同时获取当前时间，产生同步时钟信号；服务器，与所述第二gnss定位单元连接；第二lora通讯单元，与所述服务器连接，通过lora无线电信号获取定位信标定位信息，并将服务器生成的定位信标控制指令发送给定位信标；以及第二供电单元，用于给所述第二gnss定位单元、所述服务器和所述第二lora通讯单元供电。其中，第二lora通讯单元可以与第一lora通讯单元相同，也可以选择功能更强的通信单元。第二lora通讯单元可以是支持八通道同时接受的lora单元，可以扩充系统信标容量。第二lora通讯单元将定位信标控制指令转变为lora无线电信号发送给定位信标。

如图5所示，为现有技术中定位系统的架构，在上述实施例中，位置服务器抛弃了传统的“网关+服务器”的架构，实现简单，所述服务器部分既可以是通用计算机，也可以由嵌入式计算机或者单片机完成，成本低。

在上述实施例的基础上，所述服务器包括从通用计算机、嵌入式计算机和单片处理器中选择的一个或多个服务器。服务器选择多个时，可一部分负责定位信标的时间片调度，另一部分负责lora信息发送同步。

在上述实施例的基础上，所述定位信标为一个或多个，所述位置服务器为一个或多个。在多个位置服务器的情况下有下列组合方案方案一：多个位置服务器使用相同的信标解码方式可以同时获得一个信标的上报信息，多个位置服务器使用相同编码方式，发送的控制指令可以被定位信标同时接收、解析；方案二：多个位置服务器使用不同的工作频点、编码方式、扩充系统容量，工作定位信标因自身位置、上线时间不同被分配到不同的位置服务器上。

在上述实施例的基础上，所述无线lora通信技术为同步无线通讯方法，该通讯方法包括：依据gnss定位单元完成定位服务后的时钟同步信号为基准，将一个时间周期划分为若干时间片；定位信标发送数据给位置服务器以及位置服务器发送控制指令给定位信标在指定的时间片内完成，互不干扰。

如图4所示，gnss定位单元可以输出同步信号，不同通信端点（定位信标或位置服务器）的gnss同步信号的配置使用相同的周期t，将周期t内的时间划分为n个时间片。不同通信端点gnss定位单元输出的同步信号沿之间存在误差，一般在20-100ns，lora通信每帧用时一般在10ms以上，只要保证规划时间片持续时间大于通信每帧持续时间，可根据系统同步误差留足余量，一般可取110%-120%的规划通信帧最长时间为时间片长度。如上图t2为时间片长度，t2’为实际通讯占用时间。通常情况下会约定一个位置服务器发送时间片，这样所有的定位信标只需要在固定的时间片接收信息，其他时间可以保持休眠状态，可以极大的降低工作功耗，延长电池使用时间。

在上述实施例中，定位系统位置服务器与定位信标的通讯都是在约定时间片内进行的，是一种同步通讯方法，不会发生相互干扰，完全避免了“冲突-回避”现象，最大化的利用的通信带宽；可以支持定位信标向位置服务器可靠的高实时同步数据，也可以支持大量定位信标低实时同步位置数据，或者部分定位信标高实时部分信标低实时同步数据。

在部分实施例中，该定位系统的定位信标的供电单元可以使用3.7v锂电池和xc6206p332ldo实现，gnss定位单元使用移远通信的l80-rgps定位模组，处理单元、lora通讯单元使用翱捷科技sip封装的芯片asr6505辅以典型外围电路，asr6505在单个封装内集成了单片机stm8l承担处理单元功能和lora通信芯片sx1262承担lora通讯单元功能。位置服务器供电单元使用15wac-dc转换器为其他部分提供电源，gnss定位单元使用移远通信的l80-rgps定位模组服务器使用嵌入式控制器stm32m4，lora通讯单元使用8rx+1txlora网关芯片sx1302辅以典型外围电路。

上述实施例中所提供的定位系统，实现了实现了10km范围内，单信标位置更新频率达到1hz，最大64定位信标同时在线的状态，很好的解决了空中多架无人机位置实时更新位置的场景需求，按理论计算，在其他实时性要求不高的场景中，可以支持大数量的信标在线数量。

在部分实施例中，本发明还提供了一种基于lora通信的gnss定位方法，所述方法使用如上述任一实施例所述的定位系统。

在部分实施例中，本发明还提供了一种基于lora通信的gnss定位设备，所述定位设备包括如上述任一实施例所述的定位系统。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的系统而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。