基于伪卫星的室内实时动态定位模型与算法研究

摘要：本文主要研究伪卫星室内高精度实时动态定位系统，介绍了伪卫星定位关键问题；探讨了伪卫星星座布设的方案；设计了室内定位坐标系的建立方法和固定位置上伪卫星坐标的标定手段，并建立了一套室内伪卫星动态定位的系统。

关键词：伪卫星;实时动态;差分;室内定位

Abstract: This paper studies the pseudolite indoor precision real-time dynamic positioning system, introducing the key issues of the pseudo-satellite positioning; investigate the pseudo-satellite constellation program laid; design the establishment methods of the c indoor positioning oordinate system and calibrationthe means of pseudo-satellites in a fixed position coordinates, established an indoor pseudolite dynamic positioning system.Key words: pseudo-satellite; real-time dynamic; difference; indoor positioning

中图分类号：O241.84 文献标识码：A文章编号：

GPS、GALILEO等常规卫星导航系统,其定位精度都依赖于观测到的可见星数目及其空间几何分布,在一些特殊地区很难发挥作用,例如在城市高楼密集区的“城市峡谷”、山谷中的矿区、隧道、地下停车场、地铁及人力难以到达的地方,在这些地方卫星接收机天线受到遮挡,只有2－3颗甚至更少的可见星被跟踪,并且卫星定位的几何精度因子也很差,这使得卫星定位精度大大降低,不能满足导航定位的要求。伪卫星定位技术为这些问题的解决提供了新的办法[1],利用伪卫星能够增加可见星的数目并改善其几何图形分布,提高系统的定位精度,甚至可以完全代替空中卫星进行定位。针对某项目“基于伪卫星的高精度实时动态定位关键技术研究”,本文研究了独立伪卫星下室内高精度实时动态定位试验场的搭建问题,包括伪卫星星座的布设、试验场坐标系的建立，并依此建立了一套模拟室内动态定位系统。

1 伪卫星定位关键问题

目前伪卫星用于室内定位的主要技术问题包括：对流层改正模型、时间同步问题、伪卫星位置偏差、多路径效应等。

由于伪卫星布设于地面附近,其信号只在对流层中传播。电磁波受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关，有很多对流层模型如Hopfield模型等[2]可对其进行修正。但对于伪卫星,其信号主要为水平方向穿过,水蒸气集中的4km高空以下,影响明显且复杂，显然标准的对流层模型不能用来补偿伪卫星对流层延迟的影响。针对伪卫星情况，可使用将仰角及折射率作为参数的改进的大气延迟模型。

时钟同步指的是在伪卫星组网中所有伪卫星发射信号在码相位和载波相位上保持一致。因此在伪卫星组网系统中,主控站的首要任务是保持参与组网的伪卫星时钟同步。要提高系统同步性能,首先要有高精度的频率源作为保证,其次要选择好的同步方案。对于地面伪卫星发射器,由于受体积和成本等的限制,不可能采用原子钟,普遍使用廉价的晶振作为时间基准,因此其时钟精度不高,时钟同步问题较为严重。本文依托伪卫星注入信号的时间，以一台伪卫星时间为基准不断监测并实时为其他为卫星时钟添加改正数的方式使伪卫星时钟基本保持同步。为进一步彻底消除伪卫星时钟残余同步误差的影响,在定位数据处理时采用双差模型（伪卫星-用户接收机双差）,消除伪卫星和接收机的钟差。这种方式要求基准站接收机要同时跟踪接收GPS信号(由于要同GPS信号作差分)和所有伪卫星信号,并作差分处理。因此基准站需要配备一个无线电发射台用以向用户接收机发射差分改正信息(如GPS-RTK)。

与GPS测量中的卫星轨道误差相对应,伪卫星位置偏差有其独特性。作为地面卫星定位系统的伪卫星与GPS的位置不同,GPS是高速运动的,伪卫星是静止的,伪卫星位置偏差将会是一个恒量,这个恒定(或者说几乎不变)的偏差可以进行估计,并通过适当的算法加以消除。即使是动态应用,也可以利用GPS、全站仪或其他传统测量技术预先精密确定伪卫星的位置。

伪卫星装置的高度角非常低,所以多路径效应也会非常明显,尤其是在室内,伪卫星信号易受到墙壁之类物体的强反射。如果伪卫星与接收机都处于静态时,由于伪卫星、基站、流动站之间相对位置保持不变,多路径误差将接近一个常量,可以通过事先校准的方式在开始观测前就将多路径误差确定下来,然后在以后的静态测量数据处理中将其作为误差改正加入计算即可；而在动态测量中为了削弱多路径误差通常采取选择合适的伪卫星和接收机位置、改进伪卫星信号和发射方式、使用抗多路径的接收机天线、采用新的信号跟踪技术或数据后处理等方法。

2 伪卫星室内定位模型

2.1伪卫星设备

所谓伪卫星（Pseudo-Satellite或Pseudolite,缩写为PL）,是布设于地面上发射某种定位信号的发射器,通常都是发射类似于GPS的信号。伪卫星可以固定在地面上或装载在各种飞机、飞艇等离地面较近的载体上,按此可分为地基伪卫星和空基伪卫星[3]。目前,伪卫星的应用以地基伪卫星为主。出于结构复杂程度和成本的考虑,伪卫星发射器一般设计为单频。而由于设计理念及功能的不同,伪卫星可以有很多种类型。其中较为常见的主要有简单式伪卫星（Simple Pseudolite）、脉冲式伪卫星（Pulsed Pseudolite）和同步式伪卫星（Synchrolite）等。

本文室内定位实验的伪卫星为简单式伪卫星，设备采用的是瑞典的Pendulum Instruments公司生产的单频伪卫星GSG-L1，其基本设定参数如下：

PRN：1-32(GPS) Power：-125 dBm Doppler：0 Hz RF Mode：ON

通过该伪卫星设备自带控制软件，可以对每台伪卫星的PRN码作初始设置。该伪卫星信号强度较弱，可以通过修改Power来增强或减弱信号，小范围室内定位实验中信号不宜过强（会阻塞近处接收机的接收通道），也不宜过弱（会使接收机接收信号不稳定或接收不到相对远处的伪卫星信号）

2.2 伪卫星通讯

伪卫星信号可以模拟GPS、GALILEO或者GLONASS系统,有些特殊用途的伪卫星采用自定义信号格式,但目前应用最广泛的是GPS,但由于伪卫星自身的特点,其导航电文格式与GPS基本相同但又略有差别：伪卫星是固定在地面上已知点的卫星,因此对应与GPS卫星导航电文中关于卫星轨道参数和摄动参数之类的数据,在伪卫星的电文中将有所不同；再者,伪卫星因为放置在地面附近或低空空域,信号不需穿越大气层的电离层区域,故无需在其电文中包含电离层延迟因子；另外,通常伪卫星只采用C/A码而没有用P码来调制载频,所以其电文目前也没有包含C/A码转化到P码的捕获信息等。

伪卫星室内定位试验中的接收机有两台,分别作为参考站（基站）接收机和用户端（移动站）接收机。本文实验采用接收机为Novatel Propak-v3卫星接收机,接收机天线采用Novatel 720型（可接收L1和L2信号）。室内定位实验中伪卫星信号中调制的导航电文中星历信息为随机伪星历,主要用来匹配GPS卫星信号格式使NOVATEL接收机能够正常接收信号,也可用于时间同步处理。基站发送差分数据采用无线发报装置,差分数据链模式计划拟采用TCP\IP网络的模式,在基准站建立服务器,通过无线电模块与流动站客户端实现快速通讯。

2.3 伪卫星星座布设

在基于伪卫星的定位系统中,导航星座由伪卫星构成,通过分析其伪卫星数量和分布,可确定其对定位结果的影响。为保证用户的定位精度,伪卫星星座的布设应能确保在整个用户工作区域内,用户接收机与伪卫星间构成良好的几何图形,其评判可通过对定位设计矩阵的协因数阵进行分析来进行,具体评判指标可以是传统上的综合指标DOP（绝对定位）或RDOP（相对定位）,也可以是更为细致的误差椭球、误差椭圆等。

DOP用来描述在卫星导航系统的定位精度因子。主要有水平方向精度因子(HDOP),垂直方向精度因子(VDOP)以及几何精度因子(GDOP)。在定位解算的过程中通过对这些精度因子的计算,其结果显示了这些精度因子的大小与定位卫星所围成的几何图形的大小成反比。若用4颗伪卫星进行定位时,为了得到最小的精度因子,应该在配置它们的位置时,使得它们所构成的几何图形达到最大,如图1所示。

图1 伪卫星几何分布图

从图中可以看出:负责定位的4颗伪卫星在以观测点为中心的单位球面的4个投影点构成一个四面体ABDC,研究DOP的算法可以得到:GDOP反比于VABCD。DOP值越大,定位的误差也就越大,因此在伪卫星组网的布局中要尽量减小DOP值以保证定位精度。由于在大多数场合,水平定位精度更为关键,而且在仅4颗伪卫星的情况下,VDOP难以得到保证,因此在目前的伪卫星定位系统中,应尽量减小水平精度因子HDOP的值,以减小平面内的定位误差，在完成伪卫星组网的星座布局之后,还需计算DOP值,作为系统性能的一个参数。

2.4 室内定位坐标系

本文针对室内定位坐标系的建立和卫星位置的标定提出两种方案。

一种是采用实验的方法,首先利用常规手段,如坐标纸或全站仪,较精确地确定出两台（或两台以上的）伪卫星设备物理上的天线相位中心大致位置附近的多个标记点的坐标,然后利用两台已知位置的接收机对其进行观测；然后移动其中一台伪卫星到新位置，并再次确定新位置上该伪卫星上所有标记点的坐标，接收机位置不变再观测第二时段；反复进行多次以后，将对这些伪卫星的观测数据作基线解算，其中伪卫星的天线相位中心由这些伪卫星上的标记点内插出来，通过基线解算的效果判断出来内插点是否为伪卫星相位中心点。观测效果越好、时段数越多、标记点越接近真实相位中心点则卫星相位中心标定越准确，但要说明的是，由于实验条件精度有限，此方法只能确定亚厘米级左右的伪卫星星固相位中心位置。

另外，通过全站仪或已知控制点联测的方式确定N个伪卫星（4颗以上）的大致几何中心位置坐标，将基站接收机固定在已知坐标位置上，移动站分别轮流固定在3×N个已知点位置上进行观测。由于每一站测量中，流动站的位置和参考站的位置都已知，每个伪卫星天线的大致几何中心位置的误差都远低于伪卫星信号波长（约19cm），所以可以直接通过两台接收机与各伪卫星参考位置的距离算出整周模糊度N。假设第i台伪卫星精确相位中心与参考位置的坐标偏差为Xi、Yi、Zi ，在每一站利用利用不足一周的相位观测值在接收机间和伪卫星间作双差消去钟差和传播误差后，结合算得的整周模糊度N即可建立两台接收机和四台伪卫星构建的距离方程，则4台伪卫星12个位置改正参数即可通过12个以上的时段观测数据解出。实际试验中，还要考虑伪卫星信号本身的定位精度，利用相应的算法消除各种定位误差。伪卫星定位系统的精度越高，用此方法快速搭建定位试验平台的效果越好。

3 伪卫星室内动态定位系统

本文研究所搭建的导航导航系统由伪卫星发射器、发射天线、接收天线、参考接收机、用户接收机以及无线调制解调器和主控站PC机组成。发射天线安装在室内天花板上的各个角落,与伪卫星相连接。用户和参考接收机收集载波相位信号,然后通过无线调制解调器传送给PC机,再进行数据处理，结构图如图2。

图2 伪卫星室内动态定位结构图

该系统在一个由4颗以上的伪卫星所组成的伪卫星星座的支持下,利用载波相位观测值,采用双差模型进行高精度实时定位。系统结构类似于目前广为采用的常规GPS RTK系统,由一台基准站接收机和若干台流动站接收机组成,基准站通过无线电台实时向流动站发送伪卫星观测数据,流动站利用该数据及自身的伪卫星观测数据进行高精度实时定位。本文基本的观测方案采用的是类似“走走停停”的准动态定位方法，首先要在已知坐标的流动站上初始化接收机模糊度，由于室内环境下伪卫星信号不易失锁，在模糊度固定之后能够良好的实现定位。

本文伪卫星定位系统中的接收模块是RS-232串口与计算机之间的串行通讯。程序利用Windows API 通信函数实现接收机与串口的实时通讯,通过输入接收机各种指令,接收接收机返回数据即观测数据,分别以此方式对GPS信号和伪卫星信号进行接收信号测试,测试结果表明该接收机能够正常接收和读取GPS信号和伪卫星信号,通讯测试软件工作良好。程序结构如图3：

图3 通讯软件结构图

首先主界面设置串口参数,根据通讯协议,做串口设置，随后,在主界面上添加命令输入选项,用于向接收机发送各种指令对接收机进行操作，获取观测值反馈。模糊度获取如图4。

图 4 模糊度初始化固定程序

在左侧按PRN编号输入对应卫星的（参考坐标系下的）固定坐标,右侧输入初始化时基准站和流动站的位置坐标,点击“系统初始化”即可获得模糊度结果,结果显示出来并保存在程序变量中,结合基站和移动站实时观测数据中的相位观测值和整周计数和，加入各种误差改正,组成方程即可算出后续移动站坐标。

4 室内定位实验仿真

利用伪卫星、基站位置已知的特点，输入初始化位置的接收机坐标，即可通过这些数据初始化出基站和流动站的模糊度以及算出双差模糊度，之后输入下一站流动站的坐标，就可仿真出相应的相位观测值和整周计数，利用这些仿真观测值，可以测试各种算法下定位的精度。软件流程图如图5。

参考常规DGPS测量数据处理的方法,结合伪卫星室内定位的特殊环境,设计了基于L1波段下的滞后相位和多普勒计数观测值的实时定位算法。其中,整周模糊度通过初始化的方式进行固定，利用双差相位观测值消除伪卫星钟差及信号传播路径误差。

图5 观测值仿真程序流程图

设有5颗伪卫星A、B、C、D、E，坐标分别为（单位米）：A(-10，-10，40)；B(10，-10，40)；C(10，10，40)；D(-10，10，40)；E(0，0，40)

基准站和流动站坐标分别为：J(10，10，0)；L（5，5，0）

点击“初始化模糊度”，可以获得基准站和流动站的相位模糊度N和算出相位模糊度双差观测值如下：

基站：257.00235.00210.00235.00222.00

流动站：237.00226.00213.00226.00213.00

双差观测值模糊度： 11.0023.0011.0011.00

此时在流动站坐标框输入任意坐标作为下一站流动站坐标（坐标不能偏离试验场过远），如（6，7，8），点击“模拟载波相位观测值”，获得此测站接收机的相位观测值数据。以此观测值为仿真观测值，点击“计算结果”，经过4次迭代，最后获取坐标（5.9994，6.9993，8.0013）。仿真结果如图6.

图6 仿真计算运行结果

经过大量不同的流动站坐标计算发现，由于伪卫星处于同一高度，几何图形不是最优，在接收机高度越接近伪卫星高度时，会出现接收机高度坐标偏差很大或根本不能迭代的情况，此时通过更改伪卫星和基站的初始坐标，使5颗伪卫星不在一个平面且构成良好的几何图形来解决双差相位观测值算法在某些地方无法定位的情况。此仿真实验是建立在无误差基础上，实际上定位中存在各种误差，在之后的仿真试验中需考虑各种误差参数，包括对流层延迟、天线中心偏差、接收机钟差、电路延迟和天线相位中心偏差等。

5 结论与展望

本文采用4-5台简单式伪卫星,两台GPS接收机搭建小型室内差分定位系统，初步设计了室内动态定位的方案，最终目标是设计出一套完整的用户设备,包括伪卫星设备、通信组件、手簿及数据处理软件，要实现基于伪卫星的高精度实时动态定位,还需要找到可行的模糊度在航解算和实时周跳探测方法,这都有待以后的进一步研究。

针对室内大型工业设备安装、室内和地下高精度导航及工程构筑物变形监测的需求,伪卫星室内导航定位应运而生,其理论和应用研究已成为导航定位领域中的一个新的研究热点,得到了国际学术界的广泛重视,将与GPS一起构成真正意义上的全球导航定位系统[4]。

参考文献

[1] Cobb,H.Stewa.GPS Pseudolites:Theory,Design,And Applcation[M].中国科学技术出版社.2005:97

[2] 黄丁发,熊永良,袁林果.全球定位系统(GPS)―理论与实践[J].西南交通大学出版社，2006:57-61.

[3] 王宇, 孙国良，邹世开.机载伪卫星定位[J].GNSS World of China,2007,2：4-7.

[4] 黄声享,刘贤三,刘文建,曾怀恩.伪卫星技术及其应用[J].测绘信息与工程,2006,31(2)：49-51

[5] Wang J L,et al.GPS and Pseudosatellites Integration for Precise Positioning [ J ]. Geomat ics Research Australasia, 2001, 74(6)：103-117.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。