一种基于虚拟卫星的隧道内卫星导航信号增强方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟卫星的隧道内卫星导航信号增强方法，它在隧道两端设置信号发射机，利用卫星导航信号模拟技术产生虚拟卫星信号，其虚拟卫星信号不同于室外的可见星信号、固定位置伪卫星信号和转发式伪卫星信号，它包含卫星运动的多普勒和伪距变化特性，虚拟卫星星座分布更有利于隧道内一维定位需求，并采用预补偿技术改正发射信号伪距，使接收机接到信号就像隧道延长线两端空中卫星发来的信号一样，实现了隧道内卫星导航接收机仍能连续定位测速功能，解决了隧道内卫星导航接收机不能定位跟踪的问题。

A method of satellite navigation signal enhancement in tunnel based on virtual satellite

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟卫星的隧道内卫星导航信号增强方法一、
本专利技术属于卫星导航领域，涉及隧道内卫星导航信号不能覆盖的信号增强技术。二、
技术介绍
隧道定位一直是现代定位技术中的难点。目前有多种针对隧道定位的解决方法：超宽带定位系统、远距离无线定位系统LoRa(LongRangeRadio)等系统要专门的用户接收机，无线局域网信号定位覆盖范围有限，不适于隧道环境，惯性导航定位存在累积偏差和校准问题，惯性与其它传感器组合存在组合复杂性问题，也不够普及。最普及的卫星导航接收机在隧道路内都接收不到卫星信号，无法定位。简单地在隧道内放置卫星导航模拟源，或用转发式伪卫星增强，也只有解决定点信号覆盖问题，接收机在信号覆盖区域内的定位位置是不变的，不能实现连续定位测速功能。然而，智能交通和现代物流的快速度发展，迫切需要解决隧道内用户定位跟踪等难题。三、
技术实现思路
1、专利技术目的本专利技术的目的是提供一种隧道内卫星导航增强方法，解决隧道内普通卫星导航接收机无法定位跟踪的问题。2、技术方案为了达到上述专利技术目的，本专利技术包括下列步骤：(1)虚拟卫星星座设计为了使接收机与虚拟卫星信号发射机之间有正确的伪距信息，本专利技术将虚拟卫星的位置控制于隧道延长线方向附近位置运动，使虚拟卫星、隧道口发射机、接收机三点折线构成较大的钝角关系，虚拟卫星星座相对于隧道的几何分布如图1所示，隧道两端分别设置卫星导航信号模拟源发射机，模拟1、2和3、4颗卫星的信号并向隧道内发射，或对隧道路内的泄漏电缆激励，虚拟卫星的导航信号模拟了从卫星到达模拟源发射机的多普勒和伪距变化特性，接收机接收到的信号反映了发射点到接收点的距离和用户运动信息，但接收机测得伪距信号是卫星星历中卫星位置到接收机的距离加钟差。如果用真实卫星星座，卫星、模拟源发射机、接收机三点折线不成钝角关系，测得伪距与三点折线距离偏差太大，不能正确定位。因此，本专利技术提出采用虚拟卫星星座，使虚拟星座更适应于隧道路内的一维定位特殊需求。为了使虚拟卫星、模拟源发射机、接收机三点构成折线的钝角尽量大，本专利技术利用卫星沿轨道运动具有周期性的特点，通过调整个别卫星轨道偏置时间的方法，提出了一种基于卫星位置搬移的任意时刻虚拟位置卫星导航电文的生成方法。步骤如下：①利用布设于隧道外的卫星导航接收机或网络获取当前时间和同步信息，接收真实卫星的时间参数和星历数据；②根据已知的隧道坐标和几何确定虚拟卫星位置，通过调整个别卫星星历参数，产生虚拟卫星星座；③修改备选卫星时间参数，解决星历中卫星间同步问题；④根据卫星导航系统标准接口文件格式生成虚拟导航电文。(2)虚拟卫星信号模拟与发射利用上述流程生成导航电文，产生虚拟卫星星座的导航信号，模拟由上述位置卫星发射的导航信号到达隧道口时的信号参数。由于卫星与模拟源发射机之间的相对运动，导航信号存在多普勒频偏，导航信号到达隧道两端点发射机的形成可表示为：其中，PC为模拟的第j颗卫星信号的模拟源发射功率，C1(t)为C/A码数据序列，D(t)为导航电文数据，f1为GPS的L1信号频率，为载波初相，j为卫星的标号，fd表示多普勒频移，τcode表示C/A码传输时延。由此可实现虚拟卫星导航信号的生成，并通过模拟源硬件发射，分别激励天线或隧道内的泄漏电缆。(3)伪距偏差预补偿与真实的卫星导航信号相比，虚拟卫星的信号传播路径由直线变成折线，本专利技术中虚拟卫星、隧道和接收机的相对位置关系如图2所示，A是虚拟卫星的位置，B和C是发射机所在的隧道口的两个端点，D为接收机在隧道中的位置，设AD长度为x，隧道BC长度为lt，虚拟卫星导航信号传播路径长度为l+x，其中l是硬件系统模拟路径，是根据隧道和虚拟卫星位置计算出的确定值，x是信号实际传输路径长度，p为接收机与虚拟卫星的伪距，是关于x的函数：伪距偏差是信号传播路径与伪距的差：E(x)＝l+x-p(x)(3)由于l比隧道长度大得多，E(x)与x近似成线性关系，为使接收机在整个隧道内的最大定位误差尽量小，取隧道中点为补偿参考点，将中点处的偏差预补偿到信号伪距中，可以计算出特定隧道环境的伪距残差。3、本专利技术具有的有益效果(1)只需在隧道两出入口设置发射机，激励定向天线或泄漏电缆，普通卫星导航接收机即可实现隧道内的定位，隧道中无需安装参考设备或传感器；(2)定位结果是接收机的实时定位，不只是某些位置的定点覆盖；(3)采用虚拟卫星实现定位，不受真实卫星状态影响。四、附图说明图1虚拟卫星分布位置示意图图2虚拟卫星、隧道口发射机和接收机的相对位置关系图3预补偿后隧道不同位置的伪距残差图图4隧道中卫星导航接收机接收到的虚拟卫星星座图图5使用该增强方法的隧道中卫星导航接收机定位结果图6使用该增强方法的隧道中卫星导航接收机的定位轨迹图五、具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图以及使用的硬件平台的实施实例，对本专利技术进一步进行详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。工作流程如下：1、输入隧道出入口经纬度坐标，分别为0°0′0″N，50°0′0″E与0°0′1.076″N，50°0′0″E(隧道长35米)，查询该位置不同时刻的可见星分布图，得知2019年5月5日17：00时G14，G21，G25卫星与2019年5月5日22：30时G22卫星符合上述位于隧道延长线方向且与隧道口、接收机成较大钝角的特性，因此下载相应RINEX文件后，修改星历参数，生成与该时刻的虚拟卫星导航电文；2、读取步骤1中的导航电文，用模拟器硬件生成虚拟卫星信号，模拟信号到达隧道口时的信号状态；3、进行伪距偏差预补偿：首先根据导航电文和隧道坐标，计算出图2中l＝24123.7546km，α＝163.4895°，减小模拟路径长度使即为24123.7539km，对应信号时延的减少量为：Δτ＝(24123.7546-24123.7539)/c≈2.33ns(4)因此将信号延迟减小2.33ns并对信号相位做相应调整，完成伪距偏差的预补偿，计算预补偿后的隧道中不同位置的伪距残差大小如图3所示；4、发射虚拟卫星导航信号，激励隧道两端天线；5、在隧道内使用普通卫星导航接收机接收虚拟卫星的导航信号进行定位，对接收机通过隧道过程的定位结果进行记录，接收到的卫星星座图如图4所示，得到接收机在隧道中移动时的定位坐标如图5所示，隧道通行轨迹变化过程如图6所示。由此验证了该增强方法的隧道定位功能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟卫星的隧道内卫星导航信号增强方法，其特征在于，在隧道内两端口设置预补偿的卫星导航模拟源发射机，向隧道内发射或对隧道内的泄漏电缆两端激励虚拟卫星导航信号，信号包含卫星运动的多普勒和伪距变化特性，采用预补偿技术改正发射信号伪距，补偿信号传播过程的虚拟卫星、发射机和接收机虚拟折线与卫星到接收机信号伪距不一致的偏差，使隧道中点处伪距偏差为零，实现了隧道内普通卫星导航接收机仍能连续定位测速跟踪功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟卫星的隧道内卫星导航信号增强方法，其特征在于，在隧道内两端口设置预补偿的卫星导航模拟源发射机，向隧道内发射或对隧道内的泄漏电缆两端激励虚拟卫星导航信号，信号包含卫星运动的多普勒和伪距变化特性，采用预补偿技术改正发射信号伪距，补偿信号传播过程的虚拟卫星、发射机和接收机虚拟折线与卫星到接收机信号伪距不一致的偏差，使隧道中点处伪距偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋茂忠，钟南，刘皓凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32