一种非暴露空间卫星导航信号定位装置及方法

本发明基于卫星定位技术，提出一种非暴露空间卫星定位信号定位装置及方法。

背景技术：

1、目前，通过全球卫星导航系统接收卫星提供的无线信号在无遮挡的环境下可提供米级的位置服务。传统的卫星定位系统受到技术限制无法满足非暴露空间定位需求。包括北斗在内的全球卫星导航系统，由于中圆地球轨道体制、轨道高度较高，卫星信号在到达地面的时候就已经比较微弱，并且卫星信号在经过遮挡和反射后，到达室内的信号更加微弱，pnt(位置、导航、授时)服务的可用性、连续性和可靠性无法保证。因此非暴露空间的导航与位置服务在诸多应用场景的迫切需求已经日趋显著，成为专家学者的重点研究方向。

2、非暴露空间是相对于暴露空间定义的，据统计，人类处于室内等非暴露空间的时间占活动时间的70％-90％，虽然gnss系统可以在暴露空间提供高精度的定位服务，但由于其穿透能力差，在非暴露空间导航与位置服务中仍存在壁垒，因此人们对于解决在非暴露空间的定位问题和快速准确地获得移动终端的位置信息的需求日益迫切。这时，必须考虑采用一些措施实现非暴露空间的高精度定位。

3、非暴露空间定位在军事领域和民用领域都有着巨大的需求和应用潜力，现有的非暴露空间定位技术有红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、wlan室内定位技术、射频识别(rfid)室内定位技术、超宽带(uwb)室内定位技术、惯性导航技术和地磁定位技术、zigbee室内定位技术、蓝牙(bluetooth)室内定位技术、蜂窝移动网络定位技术和伪卫星定位技术等等。

4、红外线定位技术，定位精度较高，但其具有可视距传播和传输距离短、造价高、易受光线干扰等缺点；超声波技术虽然精度高、结构简单，但超声波频率容易受到多径效应和环境温度的影响，造成信号的明显衰减；目前使用较多的wlan定位技术已经使用较成熟，已经在日常生活场所大量部署，不需要额外的设备，所以部署成本低加上其较高的精度，适合大面积推广。wifi定位技术使用非常广泛，且定位精度较高，所以在日常生活场所中已经得到大量使用，缺点是容易受到环境的影响，且wifi定位的算法非常复杂。超宽带技术定位精度可以达到亚米级，其本身穿透力强、精度高，但是建设成本高，因此很难大范围实现室内定位覆盖。惯性导航技术广泛使用在制导武器、飞机、火箭等的导航追踪上，不依赖外部环境，但其推算方法随时间会存在累积误差，影响定位精度。地磁定位技术是指利用地磁场特征的特异性获取位置信息的技术，该技术不依赖额外设备且成本低，但是前期需要大量采集地磁数据，稳定性差，所以多用于误差对比纠正方面。蓝牙和zigbee定位技术类似，都基于短距离低功耗通信协议，有部分重合频段，都具有低成本低功耗的特点，其定位精度受环境影响，稳定性较差。伪卫星导航定位技术是现在讨论的热门话题，它具有精度高，覆盖范围大，能满足大多数情况的定位需求的特点。

5、本专利提出的一种非暴露空间卫星导航信号定位装置及方法，通过隧道两端卫星信号转发器接收天空的卫星的信号，且两个转发器根据伪距修正误差比例系数来选择转发不同的卫星信号，隧道内定位接收器根据接收到的转发信号、转发器位置和伪距修正误差比例系数，构造新的定位方程，一次或者多次迭代计算获取自身坐标。由于都使用实时的卫星导航信号，该方法能实现隧道内外的无缝定位。

技术实现思路

1、发明目的：本发明为了克服现有技术中存在的不足，提出一种能实现非暴露空间高精度定位的方法。

2、技术方案：为了达到上述发明目的，本发明提供一种非暴露空间卫星导航信号定位装置，包括隧道两端卫星信号转发器和隧道定位接收器，隧道两端卫星信号转发器接收天空的卫星的信号，并将卫星导航信号提纯转发，且两个转发器根据伪距修正误差比例系数转发不同的卫星信号，隧道定位接收器根据接收到的转发信号、转发器位置和伪距修正修正误差比例系数，构造新的定位方程，一次或者多次迭代计算获取自身坐标，该方法能实现隧道内外的无缝定位。

3、进一步，所述伪距修正误差比例系数定义为卫星通过隧道转发器再由转发器到达隧道内标定点的路程与卫星和隧道内标定点的直线距离之差与该标定点到该转发器之间的水平距离的比值。

4、进一步，所述隧道内接收器事先通过通信或其他先验信息等方式获取隧道两端卫星信号转发器的三维坐标和每个转发器转发的卫星prn编号。

5、进一步，所述隧道两端的转发器需要进行选星操作，选星的原则是选择在该段时间内伪距修正误差比例系数变化率的绝对值较小的卫星。

6、进一步，所述隧道定位接收器位置定位计算采用加入伪距修正误差比例系数的新的定位方程进行定位求解。方程形式为

7、

8、

9、上式(1)为从隧道卫星信号转发器a点转发的定位公式，其中ρn为隧道内接收器测量得到的第n个卫星的伪距，ka,n,t为第n个卫星在t时刻的关于a转发器的伪距修正误差比例系数，n代表卫星的编号，xa、ya、za为隧道卫星信号转发器a的坐标，xn、yn、zn为卫星坐标，xu、yu、zu为用户坐标点。上式(2)为从隧道卫星信号转发器b点转发的定位公式，其中ρm为隧道接收器测量得到的第m个卫星的伪距，kb,m,t为第m个卫星在t时刻的关于b转发器的伪距修正误差比例系数，m代表卫星编号，且m代表的卫星编号与n代表的卫星编号互不重合，xb、yb、zb为隧道卫星信号转发器b的坐标，xm、ym、zm为卫星坐标。

10、进一步，所述隧道内定位接收器在进行位置计算时，可以进行多次迭代，迭代方式为公式(1)和(2)计算出隧道内定位点位置后，基于该位置重新计算每颗卫星的伪距修正误差比例系数，基于该组新的比例系数，代入公式(1)和(2)重新求解，以进一步提高定位精度。

11、有益效果：与虚拟卫星定位相比，本发明可以实现室内外无缝定位，本发明与单路转发相比能实现更高精度定位，本发明与3路或者更多路转发相比成本更低，所以本发明使用的方法更能适应市场的需求。

技术特征：

1.一种非暴露空间卫星导航信号定位装置，其特征在于：包括隧道两端卫星信号转发器和隧道内定位接收器，隧道两端卫星信号转发器接收天空的卫星的信号，并将卫星导航信号提纯转发，且两个转发器根据伪距修正误差比例系数转发不同的卫星信号,隧道定位接收器根据接收到的转发信号、转发器位置和伪距修正误差比例系数，构造新的定位方程，一次或者多次迭代计算获取自身坐标。

2.根据权利要求1所述的一种非暴露空间卫星导航信号定位装置，其特征在于：所述伪距修正误差比例系数定义为卫星通过隧道转发器再由转发器到达标定点的路程与卫星和隧道内标定点的直线距离之差与该标定点到该转发器之间的水平距离的比值。

3.根据权利要求1所述的一种非暴露空间卫星导航信号定位装置，其特征在于：隧道两端的转发器需要进行选星操作，选星的原则是选择在该段时间内伪距修正误差比例系数变化率的绝对值较小的卫星。

4.根据权利要求1所述的一种非暴露空间卫星导航信号定位装置，其特征在于：所述隧道定位接收器位置定位计算采用加入伪距修正误差比例系数的新的定位方程进行定位求解，方程形式为

5.根据权利要求1所述的一种非暴露空间卫星导航信号定位装置，其特征在于：隧道内定位接收器在进行位置计算时，可以进行多次迭代，迭代方式为公式(1)和(2)计算出隧道内定位点位置后，基于该位置重新计算每颗卫星的伪距修正误差比例系数，基于该组新的比例系数，代入公式(1)和(2)重新求解，以进一步提高定位精度。

6.一种采用如权利要求1-5任意一项所述一种非暴露空间卫星导航信号定位装置的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种非暴露空间卫星导航信号定位装置及方法，包括隧道两端卫星信号转发器和隧道内定位接收器，隧道两端卫星信号转发器接收天空的卫星的信号，并将卫星导航信号提纯转发，且两个转发器根据伪距修正误差比例系数来选择转发不同的卫星信号，隧道内定位接收器根据接收到的转发信号、转发器位置和伪距修正误差比例系数，构造新的定位方程，一次或者多次迭代计算获取自身坐标。由于都使用实时的卫星导航信号，该方法能实现隧道内外的无缝定位，定位方法能在现有接收器软件实现，从而实现低成本高精度定位。

技术研发人员：巴晓辉,向彬,姜维,蔡伯根,王剑,上官伟,刘江,陆德彪,柴琳果,梁坤
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13