室內(nèi)微弱信號(hào)環(huán)境中的五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航算法

劉澤輝,黃志勇,王 彤,于廣瑞,彭 春,左國(guó)軍

(1.61175部隊(duì),武漢 430074;2.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院,鄭州 450052; 3.中國(guó)天繪衛(wèi)星中心,北京 102102;4.61206部隊(duì),北京 100086)

室內(nèi)微弱信號(hào)環(huán)境中的五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航算法

劉澤輝1,黃志勇2,3,王 彤1,于廣瑞4,彭 春4,左國(guó)軍4

(1.61175部隊(duì),武漢 430074;2.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院,鄭州 450052; 3.中國(guó)天繪衛(wèi)星中心,北京 102102;4.61206部隊(duì),北京 100086)

針對(duì)傳統(tǒng)接收機(jī)在室內(nèi)等微弱信號(hào)環(huán)境下無(wú)法捕獲衛(wèi)星信號(hào),難以獲得定位結(jié)果的問題,本文利用A-GNSS接收機(jī)在微弱信號(hào)環(huán)境下捕獲的偽碼相位值,提出了采用五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航方程進(jìn)行快速定位的方法。該方法能夠應(yīng)用于濃密森林、城市峽谷、室內(nèi)等微弱信號(hào)領(lǐng)域?qū)Ш健１疚南到y(tǒng)總結(jié)了粗時(shí)段導(dǎo)航技術(shù),推導(dǎo)了其解算流程,并設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法在微弱信號(hào)環(huán)境下定位的可行性。結(jié)果表明:五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航算法能夠提供精度較高的定位結(jié)果。

輔助全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);粗時(shí)段導(dǎo)航;室內(nèi)定位;碼相位;微弱信號(hào)定位

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)接收機(jī)在室外開闊環(huán)境時(shí)擁有良好的信號(hào)環(huán)境,然而人們希望在任何地點(diǎn)都能使用GNSS,包括室內(nèi)等弱信號(hào)環(huán)境下,于是出現(xiàn)了輔助全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(assisted-GNSS,A-GNSS)的構(gòu)想和技術(shù)。A-GNSS通過位置服務(wù)器和移動(dòng)基站提供給接收機(jī)輔助信息,增強(qiáng)了傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)的使用范圍,使得其在強(qiáng)烈衰減的室內(nèi)環(huán)境下仍能獲得定位結(jié)果。

引導(dǎo)A-GNSS定位技術(shù)邁向產(chǎn)業(yè)化的標(biāo)志性事件是1996年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)E911(Enhanced 911)法令的頒布[1]。該法令要求移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為手機(jī)用戶提供緊急求助服務(wù),要求的精度為: (1999年10月版)基于網(wǎng)絡(luò)的定位提供的精度為100 m(67%)和300 m(95%);基于終端的定位提供的精度為50 m(67%)和150 m(95%)[2]。為了達(dá)到E911法令的要求,各種室內(nèi)外定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于個(gè)人定位服務(wù)之中。目前在城市和室內(nèi)環(huán)境中通常采用的個(gè)人定位技術(shù)有:蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)如小區(qū)識(shí)別碼(Cell-ID)、到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)、增強(qiáng)測(cè)量時(shí)間差(enhanced observed time difference,E-OTD),無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)定位,超寬帶定位(ultra wideband,UWB),慣性導(dǎo)航輔助定位。然而蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)定位精度較低,很多情況下難以達(dá)到E911法案規(guī)定的精度要求,其他定位技術(shù)大都存在覆蓋范圍有限或者需要巨額投資的問題。而A-GNSS定位技術(shù)保留了傳統(tǒng)GNSS定位技術(shù)全天候、實(shí)時(shí)、全球性、高精度的特點(diǎn),同時(shí)增加了輔助信息帶來的高靈敏度、快速定位的優(yōu)勢(shì),為用戶實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位提供了基礎(chǔ),因此,A-GNSS定位技術(shù)成為了E911定位的首選方案。

然而,當(dāng)A-GNSS接收機(jī)處于室內(nèi)等極微弱的信號(hào)環(huán)境時(shí),由于導(dǎo)航電文解調(diào)誤碼率太高, A-GNSS接收機(jī)僅能通過跟蹤(捕獲或精細(xì)捕獲)過程從碼跟蹤環(huán)路中獲得偽碼相位值與多普勒頻移值,無(wú)法進(jìn)行后面的位同步、幀同步以及解調(diào)導(dǎo)航電文。由于接收機(jī)僅能測(cè)量部分的偽距,只能恢復(fù)部分的信號(hào)發(fā)射時(shí)間,而不能得到衛(wèi)星在發(fā)射信號(hào)時(shí)的具體位置,該問題又被稱作“粗時(shí)段導(dǎo)航(coarse-time navigation)問題”。

針對(duì)粗時(shí)段導(dǎo)航問題,文獻(xiàn)[3]改進(jìn)了增強(qiáng)型三角測(cè)量法,提出了一種采用Lambda-fraction函數(shù)消除衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻模糊度的方法,但該方法對(duì)迭代方程初始值誤差有限制,特別是要求用戶初始位置誤差在150 km內(nèi),而且文獻(xiàn)[3]沒有給出有效的初值選取方法。文獻(xiàn)[4]提出了基于未知位置和粗時(shí)空間的代價(jià)函數(shù)最小化的迭代方法,但他們都沒有解決如何構(gòu)造全偽距去解決整數(shù)毫秒翻轉(zhuǎn)問題。文獻(xiàn)[5]提出了一種構(gòu)造全偽距法,解決整數(shù)毫秒模糊度的問題,但要求先驗(yàn)位置與粗時(shí)間的總誤差在150 km以內(nèi)。文獻(xiàn)[6]在其基礎(chǔ)上,提出了一種基于多普勒定位提供初值的粗時(shí)段導(dǎo)航算法。

本文通過研究室內(nèi)微弱信號(hào)的特點(diǎn),提出了利用粗時(shí)段導(dǎo)航技術(shù)解決室內(nèi)定位問題的思路,推導(dǎo)了5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航方程,指出了算法對(duì)初始狀態(tài)的要求和參考衛(wèi)星的選擇方法,最后通過接收機(jī)獲得的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其可行性。

1 粗時(shí)段導(dǎo)航

1.1 5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航方程

輔助GNSS接收機(jī)大多數(shù)情況下沒有精時(shí)間輔助全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(universal mobile telecommunications system,UMTS)、寬帶碼分多址(wideband code division multiple access,WCDMA)時(shí)間精度1～2 s,碼分多址(code division multiple access,CDMA)時(shí)間精度為微秒級(jí))。正常信號(hào)情況下,接收機(jī)通過解碼周內(nèi)時(shí)間(time of week,TOW)的轉(zhuǎn)換字(hand over word, HOW)來獲得精時(shí)間(fine-time),然而這需要耗費(fèi)數(shù)秒的時(shí)間。而且在信號(hào)極其微弱的情況下,長(zhǎng)時(shí)間亦無(wú)法解碼星歷,無(wú)法獲得HOW。衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起了粗時(shí)段導(dǎo)航的問題,可以計(jì)算每顆衛(wèi)星的相對(duì)速度,運(yùn)用導(dǎo)航方程去求解用戶位置Xu(xu,yu,zu)和接收機(jī)公共偏差b以及粗時(shí)誤差tc。即可以求出時(shí)間,而不依靠于解碼得到它,這樣也縮短了首次定位時(shí)間,自己估計(jì)TOW進(jìn)行粗時(shí)段導(dǎo)航可以帶來以下三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):

1)更短的首次定位時(shí)間;

2)在信號(hào)微弱低于解碼導(dǎo)航電文所需信號(hào)強(qiáng)度門限的情況下獲取定位結(jié)果;

3)該定位算法僅需完成信號(hào)的捕獲,耗費(fèi)時(shí)間極短,不需要花費(fèi)6 s或更長(zhǎng)時(shí)間來解碼TOW。

而完成粗時(shí)段導(dǎo)航需要以下先驗(yàn)信息:

1)有效的星歷信息(用以計(jì)算衛(wèi)星位置并估計(jì)預(yù)測(cè)偽距);

2)幾十千米精度的近似用戶位置;

3)數(shù)秒精度的周內(nèi)時(shí);

4)亞毫秒偽距測(cè)量值,即碼相位值。

對(duì)于全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)衛(wèi)星來說,10 ms左右的粗時(shí)誤差與其最大的偽距速率(800 m/s)的積會(huì)產(chǎn)生10 m左右的偽距誤差,將帶來10 m左右的定位誤差。因此10 ms定義為精時(shí)間和粗時(shí)間的分界點(diǎn)[7]。

與普通的四狀態(tài)導(dǎo)航方程相比,多了一個(gè)粗時(shí)誤差參數(shù),因此叫做五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航。五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航方程如式(1)所示。式(1)中,ρ(k)表示實(shí)測(cè)的偽距值,^ρ(k)表示預(yù)測(cè)的偽距值,δρ(k)表示偽距殘差,對(duì)于每顆衛(wèi)星,δρ(k)和五個(gè)先驗(yàn)參數(shù)的更新值δx=(δxyz,δb,δtc)之間的關(guān)系為

然而,實(shí)測(cè)的偽距值ρ(k)并未得到,只能由捕獲過程測(cè)得偽碼相位值(code phase),即亞毫秒偽距(fractional pseudoranges),因此如何利用偽碼相位值獲得全偽距值是解決粗時(shí)段導(dǎo)航問題的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[5]根據(jù)給定的先驗(yàn)位置和粗時(shí)間,提出了一種避免產(chǎn)生整數(shù)毫秒模糊度的重構(gòu)全偽距法,該算法流程為:

圖1 偽距重構(gòu)算法流程圖

1)選擇一顆衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星(最好選擇高度角較高的衛(wèi)星),指定該衛(wèi)星的整數(shù)毫秒模糊度為,測(cè)得的偽碼相位值為z(1),這樣得到第一顆衛(wèi)星的測(cè)量偽距為

3)將式(6)減去式(5),消去相同的公共誤差,

1.2 初始狀態(tài)和參考衛(wèi)星的選擇

由于需要由部分偽距重構(gòu)全部的偽距,因此對(duì)初始狀態(tài)(位置和時(shí)間)與參考衛(wèi)星的選擇有一定要求,如果初始位置和時(shí)間誤差過大,可能出現(xiàn)預(yù)測(cè)的個(gè)別或全部衛(wèi)星的偽距與真實(shí)偽距值相差整數(shù)毫秒值的情況。

參考衛(wèi)星的最佳選擇是高度角最高的衛(wèi)星,其理由如下所述。

在推導(dǎo)偽距重構(gòu)算法時(shí),式(8)表明先驗(yàn)位置和時(shí)間誤差不超過150 km時(shí),不會(huì)出現(xiàn)整數(shù)毫秒偏轉(zhuǎn)的情況。在輔助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(assisted-BDS,A-BDS)中,接收機(jī)先驗(yàn)位置一般由蜂窩網(wǎng)無(wú)線電定位技術(shù)(如Cell-ID)獲得,先驗(yàn)位置誤差優(yōu)于幾千米,先驗(yàn)時(shí)間誤差精度優(yōu)于2 s,故能滿足上述要求。然而當(dāng)接收機(jī)處于特殊情況下,如網(wǎng)絡(luò)為漫游狀態(tài)或設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)間或連接時(shí),獲得的先驗(yàn)位置和時(shí)間誤差較大,可能超過150 km時(shí)。要想確保滿足要求,最保守的估計(jì)為

此時(shí)我們希望盡量放寬該算法的適用條件,通過合理的選擇參考衛(wèi)星與控制參與解算的衛(wèi)星高度角可以有效的解決該問題,使得單顆衛(wèi)星先驗(yàn)位置和時(shí)間誤差遠(yuǎn)大于75 km時(shí),該算法依然成立。

2 粗時(shí)段導(dǎo)航室內(nèi)定位仿真驗(yàn)證

在室內(nèi)等微弱信號(hào)環(huán)境中,衛(wèi)星信號(hào)極其微弱,接收機(jī)僅能獲得偽碼相位值,因此粗時(shí)段導(dǎo)航算法適用于該環(huán)境。而室內(nèi)信號(hào)面臨著強(qiáng)烈的信號(hào)衰減、多路徑效應(yīng)和非視距傳播(non line of sight,NLOS)信號(hào)和互相關(guān)效應(yīng)的影響,獲得的偽距值或偽碼相位值可能含有較大的誤差,此時(shí)可以結(jié)合接收機(jī)完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)[8](receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)來檢查并剔除含有較大誤差的觀測(cè)值。本文在仿真驗(yàn)證時(shí)不考慮強(qiáng)烈的多路徑、非視距傳播和信號(hào)中斷等特殊情況帶來的影響。

選取在上海地區(qū)采用和芯星通公司生產(chǎn)的UB240-COR SBDS/GPS雙系統(tǒng)四頻接收機(jī)(GPS: L1、L2;BDS:B1、B2)獲取的采樣間隔為30 s 的2 652個(gè)歷元的GNSS數(shù)據(jù),選取其中的BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行粗時(shí)段導(dǎo)航算法的仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

粗時(shí)段導(dǎo)航算法中無(wú)法獲取完整的偽距觀測(cè)值,而實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)為完整偽距值,因此利用對(duì)偽距取模1 ms值來獲得碼相位值(不考慮NH碼的影響)。為了使算法在粗時(shí)段導(dǎo)航模式下進(jìn)行,忽略了衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間[9],并且取粗時(shí)誤差分別為1 s、5 s、20 s,來驗(yàn)證不同粗時(shí)誤差對(duì)定位精度的影響。首先對(duì)四狀態(tài)偽距導(dǎo)航(4-state navigation)和五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航(5-state coarse time navigation)的水平精度因子HDOP進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖2。

由圖2可知,五狀態(tài)粗時(shí)導(dǎo)航水平精度因子總是大于四狀態(tài)偽距導(dǎo)航水平精度因子。而某些情況下,它們的差別近似為0,并且五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航的HDOP值全部在3以內(nèi),表明能夠?yàn)橛脩籼峁┹^為可靠的定位結(jié)果。

取不同的粗時(shí)誤差分別為1 s、5 s、20 s,得到粗時(shí)誤差為1 s時(shí),東、北、天三個(gè)方向的誤差序列圖,并且統(tǒng)計(jì)得到不同粗時(shí)誤差下的五狀態(tài)導(dǎo)航RMS與四狀態(tài)導(dǎo)航RMS統(tǒng)計(jì)表如圖3。

圖2 4-狀態(tài)偽距導(dǎo)航和5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航HDOP對(duì)比

圖3 5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航東、北、天三個(gè)方向的誤差序列圖

由圖3可知,在粗時(shí)誤差為1s時(shí),五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航提供的定位精度水平方向上在15m以內(nèi),高程方向在20 m以內(nèi),表明五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航能夠提供精度較高的定位結(jié)果。不同粗時(shí)誤差下的5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航與4-狀態(tài)偽距導(dǎo)航的均方根值(root mean square,RMS)對(duì)比見表1。

表1 不同粗時(shí)誤差下的5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航與4-狀態(tài)偽距導(dǎo)航RMS對(duì)比

由表1可知,粗時(shí)段導(dǎo)航提供的定位結(jié)果水平方向RMS在6 m左右,接近于四狀態(tài)偽距導(dǎo)航,并且在粗時(shí)誤差為20 s時(shí)仍能獲得定位結(jié)果,水平方向RMS在30 m以內(nèi)。表明在不含有較大偽距誤差時(shí),粗時(shí)段導(dǎo)航算法精度接近于傳統(tǒng)四狀態(tài)偽距導(dǎo)航。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)GNSS接收機(jī)在室內(nèi)環(huán)境中面臨的問題,提出了利用A-GNSS粗時(shí)段導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)等微弱信號(hào)環(huán)境下的定位的思路,并利用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該算法的可靠性。實(shí)驗(yàn)表明粗時(shí)段導(dǎo)航精度接近于傳統(tǒng)4-狀態(tài)偽距導(dǎo)航,且具有連續(xù)可用性,能夠運(yùn)用于微弱信號(hào)環(huán)境;而5-狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航在粗時(shí)誤差為1 s時(shí),定位結(jié)果水平方向RMS在10 m以內(nèi);在粗時(shí)誤差達(dá)到20 s時(shí)仍能提供較好的定位結(jié)果。然而室內(nèi)獲得的衛(wèi)星信號(hào)由于受到含有較大的誤差,此時(shí)可以結(jié)合RAIM算法來檢測(cè)并剔除含有較大的誤差的觀測(cè)值。在未來將具有更多的GNSS衛(wèi)星和更好的衛(wèi)星信號(hào)設(shè)計(jì),屆時(shí),利用A-GNSS粗時(shí)段導(dǎo)航算法解決室內(nèi)定位問題將具有極大的可行性。

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The 5-state Coarse-time Navigation Algorithm in Indoor Weak Signal Environment

LIU Zehui1,HUANG Zhiyong2,3,WANG Tong1,YU Guangrui4,PENGChun4,ZUO Guojun4
(1.Troops 61175,Wuhan 430074,China; 2.School of Mapping and Surveying,Information Engineering University,Zhengzhou 450052,China; 3.China Aerospace Surveying&Mapping Center,Beijing 102102,China; 4.Troops 61206,Beijing 100086,China)

In response to address the issue that the traditional weak signal receiver cannot acquire satellite signals in indoor environments,which make it difficult for users to obtain positioning results;with the Coarse-Time Navigation technology based on assisted-GNSS using the Code phase values acquired in weak signal environments and adopts,the five states Coarse-Time Navigation equation for fast positioning is proposed.It can be used in dense forests,urban canyons and indoor weak signal areas navigation.This paper systematically summarizes the Coarse-Time Navigation technology,and its calculation process is deduced.It designs simulation experiments to show the feasibility of the algorithm in the indoor environment positioning.The results demonstrates that the five states Coarse-Time Navigation can provide a high accuracy Positioning result.

assisted global navigation satellite system;coarse-time navigation;indoor positioning;code phase;weak signal positioning

P228

A

2095-4999(2015)-04-0069-05

2014-10-16

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院創(chuàng)新基金(2014_CXJJ-DH_14)。

劉澤輝,男(1989—),湖北隨州人,助理工程師,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理理論與方法研究。

劉澤輝,黃志勇,王彤,等.室內(nèi)微弱信號(hào)環(huán)境中的五狀態(tài)粗時(shí)段導(dǎo)航算法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2015,3(4):69-73.LIU Zehui,HUANG Zhiyong,WANG Tong,et al.The 5-state Coarse-time Navigation Algorithm in Indoor Weak Signal Environment[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):69-73.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150413