一種單系統實現大范圍室內外連續高精度定位的方法技術方案

本發明專利技術公開了一種單系統實現大范圍室內外連續高精度定位的方法，設有以下步驟，步驟一：確定適用于室內外連續定位的無線電導航信號體制，包括載波頻率的選擇以及調制方式的確定；選擇載波頻率：選擇50MHz?200MHz中的一個頻段作為無線電導航信號的載波頻段，寬度為5MHz以內；選擇調制方式：無線電信號采用CPM調制方式；步驟二：進行單系統室內外連續的高精度無線電定位。本發明專利技術定位精度高、作用范圍廣；信號發射站架設在室外，在反恐防暴等特殊的無電力環境下可用。

Method for realizing large range indoor and outdoor continuous high-precision positioning by single system

The invention discloses a method for a single system to achieve a wide range of indoor and outdoor continuous high precision positioning, with the following steps: step one to determine the suitable radio navigation signal system in the indoor localization, including the choice of carrier frequency and determine the modulation; carrier frequency selection: select a band 50MHz in 200MHz as a radio navigation signal carrier frequency, the width is less than 5MHz; selection of modulation: radio signal using CPM modulation; step two: high precision continuous single radio positioning system indoor. The invention has the advantages of high positioning accuracy and wide range of action; the signal transmitting station is erected outside, and can be used in the special electricity free environment, such as anti-terrorism, riot prevention, etc..

【技術實現步驟摘要】
一種單系統實現大范圍室內外連續高精度定位的方法
本專利技術涉及到無線電定位領域，尤其涉及到室內外連續高精度無線電定位方法。
技術介紹
由于GNSS技術在室內應用時受到極大限制，近年來室內外連續定位技術開始受到研究人員的關注，主要難點在于室內定位和室內外無縫定位。基于IEEE802.11b/g協議的WiFi信號強度定位技術日益受到重視，基于該技術可達到室內環境下優于3米的定位精度。但是該定位方法WiFi信號的覆蓋范圍有限，且需要事先建立信號指紋數據庫，系統建設成本過高。典型的室內定位手段還有偽衛星測距定位和慣性定位等。為便于與GNSS系統集成和算法優化，偽衛星的發播頻率多采用L波段，但在室內穿透力不足，多徑效應等影響帶來的誤差過大，尤其在偽衛星數量較少的情況下難以實現有效定位和室內外連續定位。慣性定位的主要問題是慣導系統的誤差隨時間累積，其中低成本的慣性器件短時間內發散產生的誤差更大。目前現有的室內外連續定位方法存在如下局限性：覆蓋范圍小或者定位精度低，或者兩者皆有；室內和室外定位采用的方法不同，使用的系統不同，增加了終端復雜度的同時也使難以解決室內外連續定位的問題；多源融合的組合導航方案，雖然可以提供較好的服務性能，但是結構復雜、成本高昂，不利于推廣應
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決上述問題，提出一種單無線電系統實現室內外連續高精度定位的方法，實現30-50Km范圍內的高精度定位。本專利技術定位方法具有獨立、大范圍和高精度的特點，也能夠應用于無電力背景下的室內外連續定位，可以在此基礎上建成相應的室內外無線電定位系統。本專利技術中室外的多個基站發射本專利技術設計的穿透力強的無線電導航信號，各基站根據目標區域按照較優的GDOP進行布局，基站的地理坐標事先或實時進行標定，基站之間的時間同步采用時間比對技術或衛星導航的差分技術(可輔以精密原子鐘)實現。室內外一體定位終端通過接收多個基站輻射的無線電導航信號，進行導航電文信息提取和無線電信號的粗測距和精測距，解算出終端用戶的高精度定位信息。本專利技術的優點在于：(1)定位精度高、作用范圍廣；(2)信號發射站架設在室外，在反恐防暴等特殊的無電力環境下可用。附圖說明圖1單系統大范圍室內外連續定位的無線電定位方法示意圖；圖2單系統大范圍室內外無線電定位實現步驟示意圖；圖3穿透能力的示意圖；圖4CPM調制與BPSK、BOC調制的功率譜比較圖；圖5載波相位整周模糊度的解算及高精度測距的實現示意圖。具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本專利技術作進一步的詳細說明。本專利技術是一種單系統實現大范圍室內外連續高精度定位的方法，包括以下幾個步驟：步驟一：確定適用于室內外連續定位的無線電導航信號體制，包括載波頻率的選擇以及調制方式的確定。選擇載波頻率：選擇50MHz-200MHz中的一個頻段作為無線電導航信號的載波頻段(寬度為5MHz以內)。選擇該頻率范圍綜合考慮了電磁波在室外空間和室內建筑墻體中的傳播性能、電磁波在界面的透射性能、定位精度的需求和硬件實現難度等。信號在建筑墻體中的衰減公式為其中ε”＝ε，ε'＝σ/ω，μ為磁導率、ε為墻體的介電常數、σ為電導率、ω為角頻率，可以看出，該頻率范圍的信號相比500MHz-20GHz范圍內的信號，無論在空氣中還是在建筑墻體內，其衰減會大大降低，尤其對建筑墻體及樓板的穿透能力大大增加，因此其在室內外的覆蓋范圍會大幅上升。選擇調制方式：本專利技術的無線電信號采用CPM調制方式，選擇該調制方式綜合考慮了可用帶寬、信號旁瓣的衰減程度等。相比于衛星導航的BPSK信號和BOC信號的調制頻譜，CPM信號功率集中度更高、旁瓣衰減更迅速、對帶外干擾更小，這樣在得到較高的信噪比的同時，對鄰近頻帶的信號干擾也較小，比較容易降到國家規定的范圍以內。步驟二：進行單系統室內外連續的高精度無線電定位，示意如圖1所示，實現過程包含如圖2所示的4個步驟，包括：第一，根據被服務區域大小及環境特征，架設信號發射基站，基站在架設時需保證被服務區域用戶在同一時間內至少收到4個不同基站發出的信號，基站之間的直線距離為1km至20km，為保證定位精度，各基站組成的定位網絡應使服務區域的DOP值盡量小；第二，基站架設完成后，需知道基站準確的地理位置，基站的地理坐標可通過事先標定，或采用GNSS差分技術獲取；第三，基站之間的時鐘同步，采用時間比對技術或衛星導航的差分技術(可輔以精密原子鐘)實現；第四，根據基站發射的導航信號進行室內外連續定位解算。步驟三：定位終端測量方法為偽隨機碼偽距測量和載波相位偽距測量相結合的方法：采用偽碼和載波相位相結合的方式進行偽距測量。首先，采用偽隨機碼除了可以得到擴頻增益外，偽碼測距進行粗測，可為載波相位整周模糊度的解算提供支持，如在碼片長度150米(偽碼速率2MHz)的條件下能實現1.5～3米的測距精度(0.01～0.02碼片)。其次，再以載波相位測距進行精確測量，如載波波長為6米(載波頻率為50MHz)時，載波相位測距精度會優于0.2m(約3％波長)，這樣就可以實現不存在整周模糊度(或整周模糊度很小易解算)，同時實現高精度的距離測量，進而得到高精度的定位的目的。圖3、4、5均是對本文涉及的某些技術手段進行的圖解說明。1.如圖3所示：四個基站發射的無線電導航信號經建筑墻體的阻隔后會發生衰減，衰減的程度跟墻體的自身參數與信號的頻率有關，衰減的理論公式如所述，一般頻率越高，衰減越大，一些實測數據表明衰減與頻率基本成正比關系。墻體參數在建筑建成時已經確定，本專利技術選擇的頻段載波頻率較低，能更好地穿透墻體，保證室內用戶接收到可用的信號強度，實現大范圍的室內外有效覆蓋。2.如圖4所示：本專利技術設計的無線電導航信號調制方式為CPM調制，圖3為MSK信號(CPM信號的一種)與BPSK信號、BOC信號功率譜的對比圖。從圖中可看出，相比于BPSK信號和BOC信號，MSK信號(CPM信號)能量更集中于低頻處、旁瓣衰減更快，因此更適合于載波頻率低、可用帶寬窄的幾十MHz-200MHz范圍中的某個頻段。3.如圖5所示：以2MHz的偽碼速率(碼片長度150米)和6m的載波波長(載波頻率為50MHz)為例進行測距精度的說明。首先進行碼相位偽距測量，可實現1.5m的粗測精度，解決精測時的整周模糊度；然后通過載波相位測量，可實現約0.2m的偽距精測。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單系統實現大范圍室內外連續高精度定位的方法，包括以下幾個步驟：步驟一：確定適用于室內外連續定位的無線電導航信號體制，包括載波頻率的選擇以及調制方式的確定；選擇載波頻率：選擇50MHz?200MHz中的一個頻段作為無線電導航信號的載波頻段，寬度為5MHz以內；選擇調制方式：無線電信號采用CPM調制方式；步驟二：進行單系統室內外連續的高精度無線電定位，包括：第一，根據被服務區域大小及環境特征，架設信號發射基站，被服務區域用戶在同一時間內至少收到4個不同基站發出的信號，基站之間的直線距離為1km至20km，各基站組成的定位網絡使得服務區域的DOP值最小；第二，事先標定基站的地理坐標，或采用GNSS差分技術獲取基站的地理坐標；第三，采用時間比對技術或衛星導航的差分技術實現基站之間的時鐘同步；第四，根據基站發射的導航信號進行室內外連續定位解算；其中，定位終端測量方法為偽隨機碼偽距測量和載波相位偽距測量相結合的方法。

【技術特征摘要】
1.一種單系統實現大范圍室內外連續高精度定位的方法，包括以下幾個步驟：步驟一：確定適用于室內外連續定位的無線電導航信號體制，包括載波頻率的選擇以及調制方式的確定；選擇載波頻率：選擇50MHz-200MHz中的一個頻段作為無線電導航信號的載波頻段，寬度為5MHz以內；選擇調制方式：無線電信號采用CPM調制方式；步驟二：進行單系統室內外連續的高精度無線電定位，包括：第一，根據被服務區域大小及環境特征，架設信號發射...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃智剛，劉卿，劉志杰，龔文浩，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京,11