一种转发式室内定位设备及定位方法技术

本发明专利技术公开了一种转发式室内定位设备及定位方法，设备包括转发部分和用户接收机，转发部分包括至少4个转发单元，所述的转发单元通过无线与接收机连接。本发明专利技术根据室内用户的活动范围，建立几何精度因子（DOP）仿真模型，重点优化空间几何精度因子，指导转发单元的布设，使得该定位设备定位成本低，几何精度因子良好，定位精度高，高度方向定位精度提高，该定位方法实现简单，而且定位精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种转发式室内定位设备及定位方法
本专利技术属于导航定位
，具体涉及一种转发式室内定位方法及定位设备。
技术介绍
由于卫星导航系统本身的一些先天性因素制约，造成了一些难以克服的弱点。比如实际的卫星导航信号淹没在噪声信号中，本身很弱，当信号经过墙壁或者其他障碍物的遮挡时，信号就会更加微弱，普通的接收机就很难收到卫星信号，导致接收机就不能完成用户定位。一般的室内定位技术定位成本高昂而定位精度低。而卫星信号转发设备以其信号强、可以随意布设等特点，可以广泛应用于室内、地下停车场等场合。但是，当卫星信号转发设备应用于室内、地下停车场等场合时，由于布局受空间的限制，特别是高度方向，其几何精度因子很差，造成定位精度差，特别是高度方向定位精度更差。另外，现有的基于伪卫星基站、惯性导航和RSSI等技术的室内定位方法存在实现复杂、定位精度不高等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种转发式室内定位方法及定位设备，该定位设备定位成本低，几何精度因子良好，定位精度高，高度方向定位精度提高，该定位方法实现简单，而且定位精度高。实现本专利技术的技术方案是：一种转发式室内定位设备，包括转发部分和用户接收机，转发部分包括至少4个转发单元，所述的转发单元通过无线与接收机连接，其中所述的转发单元，包括温度及气压传感器模块、GPRS发送模块、超宽带测距模块、卫星信号转发模块、定向接收天线、发射天线、测距天线和通信天线；温度及气压传感器模块与GPRS发送模块的信号输入端连接，GPRS发送模块的信号输出端与通信天线连接；超宽带测距模块与测距天线连接；卫星信号转发模块的信号输入端与定向接收天线连接，信号输出端与发射天线连接；所述的接收部分为用户的接收机，包括顺序连接的下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、电文解码模块、中心位置解算模块、定位解算模块和定位显示模块，还包括温度及气压传感器模块、GPRS接收模块、超宽带测距模块、通信天线、测距天线和接收天线；接收天线与下变频模块连接；GPRS接收模块分别与温度及气压传感器模块、通信天线和定位解算模块连接；超宽带测距模块分别与测距天线、中心位置解算模块、定位解算模块和定位显示模块连接。所述的用户接收机设在n个转发单元所构成的空间几何中心位置。所述的n个转发单元，n≥4。所述的温度及气压传感器模块，用于采集转发单元所处的温度和气压。所述的超宽带测距模块，用于接收和发射超宽带信号，测量转发单元与活动范围内用户接收机间的距离。所述的GPRS发送模块，将转发单元处的气压、温度和三维位置信息传输至用户接收机。所述的定向接收天线，用于接收特定方向的导航卫星信号。所述的卫星信号转发器模块，将定向天线接收到的信号放大。所述的发射天线，用于发射卫星信号转发器模块的导航卫星信号。所述的接收天线，接收4个以上的转发单元发送来的信号；下变频模块对接收天线接收到的信号进行下变频为基带信号；信号捕获模块对下变频模块送入的基带信号进行捕获；信号跟踪模块对信号捕获模块捕获到的信号进行跟踪；电文解码模块对信号跟踪模块跟踪到的信号进行电文解调，以获得转发设备处的温度、气压和三维位置信息；用户中心位置解算模块，根据转发的卫星导航信号的电文，超宽带测距模块测量出的转发单元到用户的距离，计算用户处于转发单元所述构成的空间的几何中心位置时的坐标，并作为基准点坐标；定位解算模块，当用户处于中心位置时利用超宽带测距和高程约束解算出中心坐标，当用户移动时，利用超宽带测距和高程约束定位解算出当前位置坐标，后者减去前者就是用户位移矢量。将基准点坐标加上用户位移矢量，计算结果转换到经纬高坐标系下表示；温度及气压传感器模块，采集用户测点处的温度和气压信息，并传输至GPRS接收模块；GPRS接收模块接收GPRS发送模块和温度及气压传感器模块发送的气压、温度、位置信息数据流；超宽带测距模块测量用户接收机至转发单元间的距离；定位显示模块分别与中心位置解算模块、定位解算模块、超宽带测距模块相连，用于将中心位置解算模块所解算的中心位置信息、定位解算模块所解算出的用户的三维位置信息和超宽带测距模块测量的转发单元到用户的距离进行显示。一种转发式室内定位方法，具体包括如下步骤：1)在用户活动范围内设置n个转发单元，测出n个转发单元的三维位置；2)转发单元采集自身处的温度和气压信息，并将测得的温度和气压信息与步骤1)测得的转发单元的三维位置进行编号，通过GPRS发送模块发送至用户接收机；3)转发单元将定向接收天线接收到的卫星导航信号经卫星信号转发模块，由发射天线发射至用户接收机；4)将用户接收机设在与n个转发单元所构成的空间几何中心位置，用户接收机接收步骤3)中转发单元发送来的信号，并将这些信号经用户接收机的下变频模块变为基带信号；5)用户接收机对步骤4)基带信号进行捕获、跟踪和电文解调，获得的伪距ρi，与转发单元至用户接收机距离r，计算接收机处于转发单元中心时的位置，并将定位解算的位置(x0,y0,z0)信息保存，中心位置的解算原理方程为最小二乘法，其公式为：6)用户接收机的GPRS接收模块接收到用户测点处的温度和气压信息，并根据步骤2)中转发单元发送来的温度、气压和三维位置信息，计算用户测点的高程，即：(B)式中，h为用户测点的高程；ki为加权系数，且满足k1+k2+…kn＝1，加权系数ki的大小决定于用户与转发单元的相对高度差，即用户与转发单元的相对高度差越大加权系数ki越小；h0i为第i个转发单元的高程，这些值事先测得；Tmi为第i个转发单元与用户之间大气层平均温度，Tmi＝(T0i+T)/2，T0i为第i个转发单元的温度，T是用户测点的温度；P0i为第i个转发单元的气压，P为用户测点的气压；7)用户接收机根据步骤6)中所计算出的用户测点的高程，及各转发单元的三维位置，完成用户的超宽带定位解算，其定位解算方程为：式中，(X,Y,Z)为用户的三维位置；(Xi,Yi,Zi)为第i个转发单元的三维位置；ri为同一时刻利用超宽带测距测量到的第i个转发单元到用户的距离；a和b分别为地球基准椭圆的长半轴和短半轴；hi为用户测点的高程；i＝1，2，.....，n；8)当用户接收机偏离中心位置时，使用超宽带定位技术计算用户移动的距离矢量，再结合步骤5)中心位置的坐标计算出当前位置坐标，将当前位置坐标换算大地坐标系下的维度、经度和高度，上述(D)式和(E)式中，(X0,Y0,Z0)为利用超宽带定位解算出的中心位置点坐标，(X,Y,Z)为利用超宽带定位解算出的当前位置点坐标，(ΔX,ΔY,ΔZ)为用户移动的距离矢量，(x,y,z)为所求当前位置坐标。经过上述步骤，准确定位用户的位置。所述的n个转发单元，n≥4。所述步骤1)中，还包括根据室内用户的活动范围，建立几何精度因子仿真模型，指导转发单元的布设，其中PDOP值的计算公式为：其中，ai＝(axi,ayi,azi)是用户位置以线性化点指向第i个转发单元的单位矢量，三维位置精度因子PDOP值为：所述的转发单元的三维位置和高程，均由大地测量型卫星导航接收机测得。所述步骤7)中的定位解算方程(3)式，采用牛顿迭代及其线性化方法求解。所述的GPRS模块发送出去的数据，包含帧头、转发单元的编号、高度、温度、气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转发式室内定位设备，其特征在于，包括转发部分和接收部分，转发部分包括至少4个转发单元，所述的转发单元通过无线与接收部分连接，其中所述的转发单元，包括温度及气压传感器模块、GPRS发送模块、超宽带测距模块、卫星信号转发模块、定向接收天线、发射天线、测距天线和通信天线；温度及气压传感器模块与GPRS发送模块的信号输入端连接，GPRS发送模块的信号输出端与通信天线连接；超宽带测距模块与测距天线连接；卫星信号转发模块的信号输入端与定向接收天线连接，信号输出端与发射天线连接；所述的接收部分为用户接收机，包括顺序连接的下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、电文解码模块、中心位置解算模块、定位解算模块和定位显示模块，还包括温度及气压传感器模块、GPRS接收模块、超宽带测距模块、通信天线、测距天线和接收天线；接收天线与下变频模块连接；GPRS接收模块分别与温度及气压传感器模块、通信天线和定位解算模块连接；超宽带测距模块分别与测距天线、中心位置解算模块、定位解算模块和定位显示模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种转发式室内定位设备，其特征在于，包括转发部分和接收部分，转发部分包括至少4个转发单元，所述的转发单元通过无线与接收部分连接，其中所述的转发单元，包括温度及气压传感器模块、GPRS发送模块、超宽带测距模块、卫星信号转发模块、定向接收天线、发射天线、测距天线和通信天线；温度及气压传感器模块与GPRS发送模块的信号输入端连接，GPRS发送模块的信号输出端与通信天线连接；超宽带测距模块与测距天线连接；卫星信号转发模块的信号输入端与定向接收天线连接，信号输出端与发射天线连接；所述的接收部分为用户接收机，包括顺序连接的下变频模块、信号捕获模块、信号跟踪模块、电文解码模块、中心位置解算模块、定位解算模块和定位显示模块，还包括温度及气压传感器模块、GPRS接收模块、超宽带测距模块、通信天线、测距天线和接收天线；接收天线与下变频模块连接；GPRS接收模块分别与温度及气压传感器模块、通信天线和定位解算模块连接；超宽带测距模块分别与测距天线、中心位置解算模块、定位解算模块和定位显示模块连接。2.根据权利要求1所述的转发式室内定位设备，其特征在于，所述的用户接收机设在n个转发单元所构成的空间几何中心位置。3.根据权利要求2所述的转发式室内定位设备，其特征在于，所述的n个转发单元，n≥4。4.根据权利要求1所述的转发式室内定位设备，其特征在于，所述的温度及气压传感器模块，用于采集转发单元所处的温度和气压；所述的超宽带测距模块，用于接收和发射超宽带信号，测量转发单元与活动范围内用户接收机间的距离；所述的GPRS发送模块，将转发单元处的气压、温度和三维位置信息传输至用户接收机；所述的定向接收天线，用于接收特定方向的导航卫星信号；所述的卫星信号转发器模块，将定向天线接收到的信号放大；所述的发射天线，用于发射卫星信号转发器模块的导航卫星信号。5.根据权利要求1所述的转发式室内定位设备，其特征在于，所述的接收天线，接收4个以上的转发单元发送来的信号；下变频模块对接收天线接收到的信号进行下变频为基带信号；信号捕获模块对下变频模块送入的基带信号进行捕获；信号跟踪模块对信号捕获到模块捕获到的信号进行跟踪；电文解码模块对信号跟踪模块跟踪到的信号进行电文解调，以获得转发单元处的温度、气压和三维位置信息；用户中心位置解算模块，根据转发的卫星导航信号的电文，超宽带测距模块测量出的转发单元到用户的距离，计算用户处于转发单元所述构成的空间的几何中心位置时的坐标，并作为基准点坐标；定位解算模块，当用户处于中心位置时利用超宽带测距和高程约束解算出中心坐标，当用户移动时，利用超宽带测距和高程约束定位解算出当前位置坐标，后者减去前者就是用户位移矢量。将基准点坐标加上用户位移矢量，计算结果转换到经纬高坐标系下表示；温度及气压传感器模块，采集用户测点处的温度和气压信息，并传输至GPRS接收模块；GPRS接收模块接收GPRS发送模块和温度及气压传感器模块发送的气压、温度、位置信息数据流；超宽带测距模块测量用户接收机至转发单元间的距离；定位显示模块分别与中心位置解算模块、定位解算模块、超宽带测距模块相连，用于将中心位置解算模块所解算的中心位置信息、定位解算模块所解算出的用户的三维位置信息和超宽带测距模块测量的转发单元到用户的距离进行显示。6.一种转发式室内定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)在用户活动范围内设置n个转发单元，测出n个转发单元的三维位置；2)转发单元采集自身处的温度和气压信息，并将测得的温度和气压信息与步骤1)测得的转发单元的三维位置进行编号，通过GPRS发送模块发送至用户接收机，其中GPRS发送模块发送出去的数据，包括帧头、转发单元的编号、高度、温度、气压、X位置、Y位置、Z位置、帧尾；3)转发单元将定向接收天线接收到的卫星导航信号经卫星信号转发模块，由发射天线发射至用户接收机；4)将用户接收机设在与n个转发单元所...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪元法，陈立强，甄卫民，孙延希，符强，王守华，严素清，邓洪高，欧阳缮，廖桂生，蔚保国，范广伟，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45