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一种基于转发节点的隧道定位系统及方法技术方案

技术编号:19932634 阅读:67 留言:0更新日期:2018-12-29 03:58
本发明专利技术公开了一种基于转发节点的隧道定位系统及方法,该系统包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心,数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接;所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块,用来将PPS秒脉冲信号和本地GPS/北斗接收机的解调数据发送给转发节点;所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据,实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移,并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹,并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。本发明专利技术设计简单,成本低廉,可在隧道内为车辆提供室内外一致的定位导航服务。

【技术实现步骤摘要】
一种基于转发节点的隧道定位系统及方法
本专利技术涉及隧道内用户实时定位监控应用,具体的为一种基于转发节点的隧道定位系统及方法。
技术介绍
卫星导航定位技术在现代社会中的科技研究、交通运输、地质勘测、工农业发展以及日常生活等方面得到广泛应用。在室内、隧道、矿井等GNSS卫星信号受到严重遮挡的情况下,无法通过直接利用GPS/北斗系统进行定位,提供位置服务,伪卫星定位系统在这种情况下具有先天的优势和优点。因此伪卫星已成为当前导航领域研究中的一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。基于转发节点的隧道定位系统是一种基于地面的能够传播类似GPS信号的简易信号发生器。而传统的伪卫星定位技术的应用模式分为三种:(1)伪卫星增强GPS系统:在可视GPS卫星数量受限时,通过在地表或空中增加一定数量的伪卫星,与GPS组合来进行定位,改善、增强GPS导航定位系统的性能;(2)独立伪卫星导航定位系统:在矿井隧道、地下掩体或者是遮挡严重的室内,GPS导航信号完全被遮挡,用户无法进行定位,利用伪卫星布设方便,位置灵活的特点,采用GPS的定位原理,伪卫星可以完全替代GPS卫星进行定位;(3)基于伪卫星的逆向定位系统:通过布设一系列位置已经精确确定的接收机阵列,给已安装了伪卫星发射器的移动物体进行定位。当前的伪卫星系统面临着远近效应、兼容与互操作、误差修正、多径效应等技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有伪卫星布设方案存在技术问题,提供一种基于转发节点的新隧道定位系统及方法。本专利技术提供的一种基于转发节点的隧道定位系统,包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心,数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接;所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块;其中:本地GPS/北斗接收机用来实时接收并解调卫星信号获得报文信息;时间同步模块用来驯服本地晶振,并输出PPS基准秒脉冲信号,以保证各转发节点与卫星时钟同步;数据处理模块用来通过网络获取卫星星历,并结合解算的报文信息获得卫星的轨道信息和运行状态,即伪距信息,之后将报文信息、伪距信息以及PPS基准秒脉冲信号发送给各转发节点;所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据,实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移,并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹,并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。进一步的,所述转发节点至少包括顺次相连的ARM处理器、FPGA芯片和射频调制模块,ARM处理器和FPGA芯片通过FSMC接口通信;其中:ARM处理器至少用来利用PPS基准秒脉冲信号进行时钟同步,并根据报文信息、伪距信息以及所在转发节点与卫星的相对距离,实时计算卫星信号的延迟和多普勒频移,以及推算卫星信号的频率、当前转发节点与本地GPS/北斗接收机之间信号的相位控制字,并将计算和推算出的导航电文发送给对应的基带单元;所述FPGA芯片设计有与各GPS/北斗卫星分别对应的若干基带单元,所述基带单元用来将ARM处理器输出的导航电文与C/A码、P码调制生成基带信号,并发送至射频调制模块;所述射频调制模块用来对基带信号进行QPSK扩频调制获得卫星调制信号,并发射给车载导航接收终端。进一步的,所述卫星信号的延迟采用公式计算,其中,lGPS表示卫星坐标;l0表示本地GPS/北斗接收机坐标,c为光速。进一步的,所述相位控制字采用公式计算,其中,φi为第i个转发节点的相位控制字;fc为载波频率;di为第i个转发节点与本地GPS/北斗接收机的相对距离,该相对距离预先标定。进一步的,若干转发节点的布设方案为:隧道内每隔相同间隔划分一个定位小区,每个定位小区中心处布设一转发节点,所述相同间隔为15米~30米。进一步的,本专利技术基于转发节点的隧道定位系统还包括安全监控模块,用来从各转发节点处获取车辆的号牌、位置与速度信息,并通过互联网提供给交通运输管理端。所述安全监控模块还用来当转发节点监控到隧道内发生危险时,向交通运输管理端发送报警信息。本专利技术提供的一种基于转发节点的隧道定位方法,包括:(1)利用布设于隧道外的数据处理中心所包含的本地GPS/北斗接收机接收并解调GPS/北斗卫星信号,得到GPS/北斗卫星的编号和报文;(2)数据处理中心通过网络获取GPS/北斗卫星的精密星历,并结合解算出的报文获得GPS/北斗卫星的精确轨道信息和运行状态,并发送给布设于隧道内的各转发节点;(3)数据处理中心所包含的时间同步模块驯服本地晶振,并向各转发节点输出PPS基准秒脉冲信号,以实现卫星信号同步;当PPS基准秒脉冲上升沿到来时,将GPS/北斗卫星的报文、精确轨道信息和运行状态发送给各转发节点;(4)各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理,调制生成还原的伪GPS/北斗卫星信号,并发射给车载导航接收终端;(5)车载导航接收终端根据接收的伪GPS/北斗卫星信号进行定位。进一步的,所述各转发节点对接收的报文、精确轨道信息和运行状态进行处理,具体为:各转发节点根据接收的报文、精确轨道信息和运行状态,并结合本地GPS/北斗接收机和自身的位置,计算各转发节点处GPS/北斗卫星信号的延迟和多普勒频移,根据延迟和多普勒频移还原GPS/北斗卫星信号。布设转发节点和数据处理中心时,首先,利用定位技术标定数据处理中心中本地GPS/北斗接收机的位置;接着,标定各转发节点相对本地GPS/北斗接收机的位置,从而计算各转发节点的位置。和现有技术相比,本专利技术具有如下优点和有益效果:(1)在定位精度要求不太高的情况下,具有设计简单,成本低廉的特点。(2)可在隧道内为车辆提供室内外一致的定位导航服务与对隧道内对重点营运车辆运行状态监控的功能。(3)在隧道内部以一定间隔布设线型分布的转发节点阵列,利用数据处理中心提供的时钟秒脉冲、卫星报文、精密星历等信息还原出转发节点所在位置各个GPS卫星的叠加信号并发射。(4)不改变现有车载GNSS接收设备的前提下,可实现隧道内外一致的定位导航服务。附图说明图1是基于转发节点的隧道定位系统结构图;图2是实施例中隧道内转发节点的布设方案;图3是转发节点内部结构组成框图;图4是单通道FFT算法GPS捕获原理;图5是转发节点定位系统信号处理流程图;图6是时间同步系统授时结果;图7是室内单个转发节点定位误差。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术和/或现有技术中的技术方案,下面将对照附图说明本专利技术的具体实施方式。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图,并获得其他的实施方式。需要说明的是,本文中GPS/北斗卫星信号指GPS和/或北斗卫星信号,本地GPS/北斗接收机指GPS和/或北斗接收机。如图1,所示为本专利技术基于转发节点的隧道定位系统的结构图,主要包括若干转发节点和数据处理中心,数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均通过光纤通信。若干转发节点布设于隧道内,转发节点用作GPS/北斗卫星信号的调制和发射,用来实时调整转发节点处GPS/北斗卫星信号的相位延迟和多普勒频移,以模拟真实在轨卫星的运行轨迹。数据处理中心为数据计算和数据管理中枢,用来为各转发节点提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于转发节点的隧道定位系统,其特征在于:包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心,数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接;所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块;其中:本地GPS/北斗接收机用来实时接收并解调卫星信号获得报文信息;时间同步模块用来驯服本地晶振,并输出PPS基准秒脉冲信号,以保证各转发节点与卫星时钟同步;数据处理模块用来通过网络获取卫星星历,并结合解算的报文信息获得卫星的轨道信息和运行状态,即伪距信息,之后将报文信息、伪距信息以及PPS基准秒脉冲信号发送给各转发节点;所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据,实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移,并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹,并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。

【技术特征摘要】
1.一种基于转发节点的隧道定位系统,其特征在于:包括均匀布设于隧道内的若干转发节点和布设于隧道外的数据处理中心,数据处理中心与各转发节点、以及各转发节点之间均信号连接;所述数据处理中心至少包括本地GPS/北斗接收机、时间同步模块和数据处理模块;其中:本地GPS/北斗接收机用来实时接收并解调卫星信号获得报文信息;时间同步模块用来驯服本地晶振,并输出PPS基准秒脉冲信号,以保证各转发节点与卫星时钟同步;数据处理模块用来通过网络获取卫星星历,并结合解算的报文信息获得卫星的轨道信息和运行状态,即伪距信息,之后将报文信息、伪距信息以及PPS基准秒脉冲信号发送给各转发节点;所述转发节点用来根据数据处理模块发送的数据,实时推算GPS/北斗卫星信号在当前转发节点处的延迟和多普勒频移,并模拟在轨GPS/北斗卫星的运行轨迹,并将模拟的运行轨迹发射给车载导航接收终端。2.如权利要求1所述的基于转发节点的隧道定位系统,其特征在于:所述转发节点至少包括顺次相连的ARM处理器、FPGA芯片和射频调制模块,ARM处理器和FPGA芯片通过FSMC接口通信;其中:ARM处理器至少用来利用PPS基准秒脉冲信号进行时钟同步,并根据报文信息、伪距信息以及所在转发节点与卫星的相对距离,实时计算卫星信号的延迟和多普勒频移,以及推算卫星信号的频率、当前转发节点与本地GPS/北斗接收机之间信号的相位控制字,并将计算和推算出的导航电文发送给对应的基带单元;所述FPGA芯片设计有与各GPS/北斗卫星分别对应的若干基带单元,所述基带单元用来将ARM处理器输出的导航电文与C/A码、P码调制生成基带信号,并发送至射频调制模块;所述射频调制模块用来对基带信号进行QPSK扩频调制获得卫星调制信号,并发射给车载导航接收终端。3.如权利要求2所述的基于转发节点的隧道定位系统,其特征在于:所述卫星信号的延迟采用公式计算,其中,lGPS表示卫星坐标;l0表示本地GPS/北斗接收机坐标,c为光速。4.如权利要求2所述的基于转发节点的隧道定位系统,其特征在于:所述相位控制字采用公式计算,其中,φi为第i个转发节点的相位控制字;fc为载波频率;di为第i个转发节点与本地GPS/北斗...

【专利技术属性】
技术研发人员:江鹏韩震张宇
申请(专利权)人:武汉大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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