一种多径误差修正的室内卫星定位方法及系统

1.本发明涉及室内卫星定位技术领域，更具体地，涉及一种多径误差修正的室内卫星定位方法及系统。


背景技术：

2.全球卫星定位系统(gnss)已成为许多新兴的基于位置的服务不可或缺的工具，例如导航、打车、增强现实(ar)等。卫星定位技术具备以下特征：
3.(1)使用全球坐标系(ecef)，不依赖本地坐标定位；
4.(2)工作再专用的许可频谱，与ism频点的其他技术相比，不易收到干扰；
5.(3)卫星定位技术已经在数以亿计的设备中实现了部署和优化，其适用性得到了广泛的验证。
6.然而目前的卫星定位技术受限于室内可见卫星数量少、缺乏直射路径、建筑物内传播损耗大等问题，无法在室内使用。室内的环境中，即无线设备所能接收到的gnss卫星信号弱，能够接收到的卫星信号数少，无线设备的位置信息未知，无线设备仅需利用一个或多个功耗低、体积小、价格便宜的背向散射节点部署在周围可见天空的位置来进行定位。比如，在商场或者车站中，游客可以利用在窗户边部署的背向散射节点，来进行室内定位。为解决卫星定位技术在室内的应用问题，实现室内卫星定位。现有方法中，如公开的论文jie liu,bodhi priyantha,ted hart,yuzhe jin,woosuk lee,vijay raghunathan,heitor s ramos,and qiang wang.2015.co-gps:energy efficient gps sensing with cloud offloading.ieee transactions on mobilecomputing 15,6(2015),1348
–
1361及shahriar nirjon,jie liu,gerald dejean,bodhi priyantha,yuzhe jin,and ted hart.2014.coin-gps:indoor localization from direct gps receiving.in proceedings ofthe 12th annual international conference on mobile systems,applications,and services.301
–
314，上述现有技术通常通过在接收端增加高增益定向天线或者采用中继放大器来实现室内gps卫星信号覆盖，这些方式功耗较大且不利于集成至体积受限的手持无线设备之中。
7.由此可见，目前缺乏一套低功耗的适用于手持无线设备的室内卫星定位方案。


技术实现要素：

8.本发明针对现有技术中存在的室内卫星定位功耗高的技术问题。
9.本发明提供了一种多径误差修正的室内卫星定位方法，包括以下步骤：
10.s1，gnss卫星发射无线信号，当信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；
11.s2，无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根
据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。
12.优选地，所述s2具体包括：
13.当所述背向散射节点反弹信号时，无线设备接收到的信号为gnss卫星直射的信号和背向散射节点反弹的信号的总和；
14.当背向散射节点不反弹信号时，无线设备接收到的信号为gnss卫星直射的信号；无线设备根据接收到的信号返回原始测量信息。
15.优选地，所述无线设备接收信号后需要先分离背向散射节点反弹的信号，具体地，根据背向散射节点能够对微弱信号提供可观增益和gnss卫星信号接收模块能够计算出接收端gnss信号强度的特点，检测背向散射节点反弹的信号。
16.优选地，所述s1具体包括：当卫星数量不足时，利用背向散射节点与接收到的卫星进行组合定位。
17.优选地，所述s2具体包括：根据无线设备与背向散射节点是否视线可及，分为直射路径膨胀和非直射路径膨胀；
18.状态一，直射路径膨胀，t1时刻背向散射节点反弹信号，无线设备能同时接收到来自卫星直射路径的信号和来自背向散射节点的信号，即为二者信号的加和；
19.状态二，t2时刻背向散射节点吸收信号，无线设备仅能接收到来自卫星的直射路径信号。
20.优选地，所述s2具体包括：
21.状态一，实际传播距离为：
[0022][0023]
状态二，实际传播距离为：
[0024][0025]
其中，h为用户手持无线设备的高度，也是背向散射节点部署的垂直高度；能够通过很少的迭代确定取值，分别为t1,t2时刻下无线设备接收到信号的几何传播路径的长度，即信号的实际传播距离；分别为t1,t2时刻卫星到背向散射节点的几何距离，记从背向散射节点到无线设备的向量为基线向量射节点到无线设备的向量为基线向量为卫星到背向散射节点的方向矢量,为背向散射节点到地心的方向矢量,是误差校正项，通过在0-2h范围内搜索获得。
[0026]
本发明还提供了一种多径误差修正的室内卫星定位系统，所述系统用于实现多径误差修正的室内卫星定位方法，具体包括：
[0027]
原始信号测量模块，用于当gnss卫星发射无线信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；
[0028]
多径误差修正模块，用于在无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。
[0029]
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现多径误差修正的室内卫星定位方法的步骤。
[0030]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现多径误差修正的室内卫星定位方法的步骤。
[0031]
有益效果：本发明提供的一种多径误差修正的室内卫星定位方法及系统，其中方法包括gnss卫星发射无线信号，当信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。该方案功耗低、体积小、价格便宜的背向散射节点附加在无线设备周围可见天空的位置，无线设备可以是任意可以进行gnss信号接收的无线设备，如手机等；背向散射节点用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播特征，最终帮助无线设备在室内定位。
附图说明
[0032]
图1为本发明提供的一种多径误差修正的室内卫星定位方法的流程图；
[0033]
图2为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
[0034]
图3为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图；
[0035]
图4为本发明提供的对室内的多径情况进行建模修正原理图；
[0036]
图5为本发明提供的当信号有遮挡时示意图；
[0037]
图6为本发明提供的背向散射节点反弹示意图
[0038]
图7为本发明提供的多径误差的两种状态原理图；
[0039]
图8为本发明提供的t1和t2时刻两种状态示意图；
[0040]
图9为本发明提供的多径误差修正的室内卫星定位方法的原理图；
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0042]
如图1所示，本发明实施例提供的一种多径误差修正的室内卫星定位方法，包括gnss卫星发射无线信号，当信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。该方案功耗低、体积小、价格便宜的背向散射节点附加在无线设备周围可见天空的位置，无线设备可以
是任意可以进行gnss信号接收的无线设备，如手机等；背向散射节点用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播特征，最终帮助无线设备在室内定位。
[0043]
该方案无需对无线设备做出任何硬件/固件修改，且易于部署和推广。通过在室内需要定位的无线设备部署背向散射节点；无线设备接收被背向散射节点反射后的卫星导航系统(gnss，global navigation satellite system)卫星信号和直射的gnss卫星信号；分离gnss信号的载噪比得到背向散射节点反弹信号和直射gnss卫星信号；测量直射路径和反射路径的gnss卫星信号的累积载波相位，融合gnss卫星星历和背向散射节点参考位置信息，定位室内无线设备的位置。本发明在室内可见gnss卫星数量少，gnss卫星信号弱的情况下，控制背向散射信号发射电路在反弹gnss信号与吸收gnss信号之间切换，实现无线设备在室内的准确定位。
[0044]
该方案功耗低、体积小、价格便宜的背向散射节点附加在无线设备周围可见天空的位置，无线设备可以是任意可以进行gnss信号接收的设备，如手机等；背向散射节点用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播特征，最终帮助无线设备在室内定位。
[0045]
在一个具体的实施场景中，室内的环境中，即无线设备所能接收到的gnss卫星信号弱，能够接收到的卫星信号数少，无线设备的位置信息未知，无线设备仅需利用一个或多个功耗低、体积小、价格便宜的背向散射节点部署在周围可见天空的位置来进行定位。比如，在商场或者车站中，游客可以利用在窗户边部署的背向散射节点，来进行室内定位。
[0046]
基于此场景，将一个或多个功耗低、体积小、价格便宜的背向散射节点附加在无线设备周围可见天空的位置，无线设备可以是任意可以进行gnss信号接收的设备，如手机等；背向散射节点用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播特征，最终帮助无线设备在室内定位。
[0047]
本发明设计所述背向散射节点附加在无线设备周围可见天空位置，所述背向散射节点用于反弹无线信号以改变无线信号的多径传播；本发明实施例有以下几种技术，包括：
[0048]
(1)背向散射辅助定位技术：将被弹射后的卫星信号与直射路径的卫星信号加以区分后，根据卫星的星历数据推算卫星的实时位置，结合背向散射节点已知的位置坐标，短时间内采样卫星信号的累积观测值进行建模。
[0049]
传统的定位模型需要有至少四颗卫星的信号数据，而在本专利建立的定位模型中，卫星数量不足时，可利用背向散射节点与接收到的卫星进行组合定位，使得参与定位的最少卫星数量少于传统定位的最少卫星数量。例如在某室内环境下，手机仅能接收到来自卫星a和卫星b的信号，此时卫星数量为2小于传统定位模型所要求的4颗卫星数，当在合适的位置部署了背向散射节点a和b后，共有两颗卫星和两个背向散射节点，手机能接收到直接来自卫星a和b的信号和来自背向散射节点a和b的反射信号，组合建模即可得到手机的位置，完成定位。如图6所示。
[0050]
(2)多径误差修正技术：由于室内环境复杂，且卫星相对地面运动，接收端无线设备可能难以接收到卫星的直射信号，而是经过室内其他反射面的反射信号，同时背向散射节点和接收端无线设备之间可能存在阻挡，使得经过背向散射节点放大反射的信号无法直射到接收端无线设备，从而带来定位误差。将以上两种情况分为背向散射节点在接收端无线设备视线内和不在视线内的由多径反射带来的路径膨胀。
[0051]
具体的方案原理过程如下：
[0052]
(1)如图5所示，gnss卫星发射无线信号，当信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，可以收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和所述背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；无线设备对信号的载噪比进行噪声消除后，根据信号的载噪比强弱特点分离背向散射节点反弹路径对应的信号原始测量信息和未经背向散射节点反弹的信号原始测量信息；
[0053]
(2)如图6所示，无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的信号原始测量信息，根据背向散射节点的两个状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置；
[0054]
(3)如图7所示，无线设备所处室内条件复杂，为提高室内定位的精度，增强鲁棒性，提出室内多径误差的两种常见模型，修正模型减少误差。
[0055]
具体的，gnss卫星发射无线定位信号，无线设备在室内接收信号，当所述背向散射节点反弹信号时，无线设备接收到的信号为gnss卫星直射的信号和背向散射节点反弹的信号的总和；当背向散射节点不反弹信号时，无线设备接收到的信号为gnss卫星直射的信号；无线设备根据接收到的信号返回原始测量信息。
[0056]
如图8所示，无线设备首先需要分离背向散射节点反弹的信号。本方案利用背向散射节点能够对微弱信号提供可观增益和gnss卫星信号接收模块能够计算出接收端gnss信号强度的特点，检测背向散射节点反弹的信号。
[0057]
所述背向散射节点具有高灵敏度高增益的特点，能够对地面微弱的gnss卫星信号进行反射放大。当背向散射节点反弹信号时，无线设备将接收到gnss卫星信号和背向散射节点反弹信号的加和，相比较背向散射节点不反弹信号时，无线设备只能接收到直射的gnss卫星信号，放大加和信号强度强于直射路径信号。在gnss卫星信号的原始测量信息中，载波噪声比，即载噪比能直观地反映出信号的强弱。
[0058]
如图8所示，根据背向散射节点的反射状态，将系统状态分为两种状态，t2时刻背向散射节点吸收信号，无线设备仅能接收到来自卫星的直射路径信号；t1时刻背向散射节点反弹信号，无线设备能同时接收到来自卫星直射路径的信号和来自背向散射节点的信号，即为二者信号的加和。
[0059]
任意时刻gnss卫星的信号经过大气层到达地面，大气层中的电离层和对流层中将会使电磁波发生散射、反射、衍射等现象，导致信号发生一定时间延迟。在gnss接受器的定位系统中，位置的确定由信号传播路径的测量决定，因此定位精度依赖于信号传播时间的精确测量，而大气层带来的误差随时间变化且难以精确测量和估算，因此将由电离层和对流层时延产生的距离测算误差记分别为i,t。
[0060]
记分别为t1,t2时刻下无线设备接收到信号的几何传播路径的长度，即信号的实际传播距离。为提高定位精度，在无线设备上测量gnss卫星载波的相位，记为φ，拥有距离单位，表示无线设备捕获锁定卫星载波信号后累积的波程，由于载波信号是周期性的，锁定时将产生整周模糊度距离误差n。接收端无线设备测量信号传播时延时，由于本地系统的时钟稳定性与卫星的星载原子钟性能相差极大，称为钟差，其所产生的距离误差记为(t
(r,t)-t
(s,t)
)。对相邻两个不同状态时刻有：
[0061]
t1:
[0062]
t2:
[0063]
t1,t2时刻间隔很短，期间大气层状态可认为不变，所产生的大气层时延保持一致；为由信号在背向散射节点中的传播时延带来的距离误差，可通过仪器测量得到，ε
φ
表示相位测量的误差项；由于卫星距离地面很远，背向散射节点到无线设备距离远小于到卫星的距离，可认为卫星的信号平行到达地面；记分别为t1,t2时刻卫星到背向散射节点的几何距离，记从背向散射节点到无线设备的向量为基线向量t1时刻卫星到无线设备的单位方向向量为均为三维空间向量，则有：
[0064][0065][0066][0067]
φd＝φ
1-φ2,
[0068]
nd＝n
1-n2,
[0069][0070]
得：
[0071][0072]
求解基线向量即是无线设备相对背向散射节点的位置，将方程变形得到
[0073][0074]
等号左边为观测值和已知计算值，等号右边包含待求解量，此时方程为非线性方程，难以求解，于是将该非线性方程线性化求解。
[0075]
如图9所示，根据牛顿法对方程在处线性展开，
[0076][0077]
记
[0078][0079]
则：
[0080][0081]
其中包含有4个未知量，分别为基线向量的三维位置信息和无线设备的钟差，需要有4个线性无关的方程来完成求解，若可用卫星数量为m，背向散射节点数量为n，使得m
·
n≥4即可完成求解。
[0082]
接着使用迭代加权最小二乘(wls，weighted least squares)算法：
[0083][0084]
将背向散射节点反弹信号和直射信号代入计算得到：
[0085][0086]
其中w表示权重矩阵，由接收卫星信号质量决定，g由卫星与接收设备间单位方向矢量扩展得到。经过数次迭代wls运算，直到位置收敛到一定范围后，代入下式得到最终位置：
[0087][0088]
其中表示接收设备的实际基线向量，表示迭代的初始基线向量，为通过迭代得到的基线向量收敛矢量。得到的基线向量为相对于参考背向散射节点的相对位
置，换算即可得到无线设备的绝对位置。
[0089]
如图4所示，由于室内的环境复杂多变，无线信号在室内容易产生复杂的多径传播，从而导致实际无线设备接收到的信号传播路径不完全符合上述模型中的传播路径，代入计算得到的定位结果将产生一定的误差，因此有必要对室内的多径情况进行建模修正，以减少误差。无线设备接收卫星发射的导航信号时，可以通过参量“多径标志位”和“载波相位锁定状态”联合判断接收到的信号是否是非直射信号，在此基础上，提出并分析两种多径模型，根据无线设备与背向散射节点是否视线可及，分为直射路径膨胀和非直射路径膨胀。
[0090]
在直射路径膨胀中，卫星直射路径被遮挡，卫星信号经其他反射面反射后被无线设备接收，此时路径相对于原路径有所膨胀，并在反射点产生半波损失：
[0091][0092]
h为用户手持无线设备的高度，也是背向散射节点部署的垂直高度，取h≈1.2m。
[0093]
在非直射路径膨胀中，背向散射节点的反射路径被遮挡，反射信号经其他反射面反射后被无线设备接收，此时路径相对于原路径有所膨胀，并在反射点产生半波损失：
[0094][0095]
能够通过很少的迭代确定取值。
[0096]
其中，h为用户手持无线设备的高度，也是背向散射节点部署的垂直高度，取h≈1.2m；能够通过很少的迭代确定取值，分别为t1,t2时刻下无线设备接收到信号的几何传播路径的长度，即信号的实际传播距离；分别为t1,t2时刻卫星到背向散射节点的几何距离，记从背向散射节点到无线设备的向量为基线向量t1时刻卫星到无线设备的单位方向向量为均为三维空间向量,为卫星到背向散射节点的方向矢量,为背向散射节点到地心的方向矢量,是误差校正项，通过在0-2h范围内搜索获得。
[0097]
利用上述两种误差分析模型，在实际场景中灵活计算，能够减少误差，最终得到精确的室内定位。
[0098]
通过本发明，不需要对无线设备进行硬件或驱动的改动，即便在室内可见卫星数难以满足传统定位算法的环境中，也能实现精确定位。
[0099]
本发明还提供了一种多径误差修正的室内卫星定位系统，所述系统用于实现如前所述的多径误差修正的室内卫星定位方法，具体包括：
[0100]
原始信号测量模块，用于当gnss卫星发射无线信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；
[0101]
多径误差修正模块，用于在无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出
收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。
[0102]
请参阅图2为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图2所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器1310、处理器1320及存储在存储器1310上并可在处理器1320上运行的计算机程序1311，处理器1320执行计算机程序1311时实现以下步骤：s1，gnss卫星发射无线信号，当信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；
[0103]
s2，无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。
[0104]
请参阅图3为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图3所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质1400，其上存储有计算机程序1411，该计算机程序1411被处理器执行时实现如下步骤：s1，gnss卫星发射无线信号，当信号有遮挡时，室内的无线设备无法收到被遮挡的信号，通过收到无遮挡的直射路径gnss卫星信号和背向散射节点反弹的gnss卫星信号，并返回信号的原始测量信息；
[0105]
s2，无线设备从网络获取到卫星的星历数据后，可计算出收到的卫星信号对应卫星的实际位置，获取背向散射节点的已知位置，结合接收到的卫星信号的原始测量信息，根据背向散射节点的反射状态建立模型，列出观测方程，求解无线设备的位置。
[0106]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0107]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0108]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0109]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0110]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0111]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0112]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。