一种隧道定位系统和方法技术方案

本申请适用于隧道定位领域，提供了一种隧道定位系统和方法，隧道定位系统包括：布设在隧道内的多个级联节点，每级节点包括依次电连接的GNSS信号接收设备、GNSS信号模拟器和信号控制器。解决了设备复杂、难拓展、无法连续定位的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道定位系统和方法


[0001]本申请属于隧道定位领域，尤其涉及一种隧道定位系统和方法。

技术介绍

[0002]常用的卫星信号的定位方法主要有：伪卫星定位法、模拟卫星信号的定位法、转发卫星信号的定位方法。这一类方法通过播发处理过的卫星导航信号，在不改变卫星导航接收终端的情况下，实现隧道内高精度定位；但是隧道内外环境差异大，高遮蔽角，信号接续性不好，容易造成导航终端定位混乱甚至无法连续定位。
[0003]使用非卫星的定位方法主要包括：可见光定位法、RFID定位法、WIFI定位法、ZigBee定位法以及UWB定位法。其中可见光定位法精度高、定位速度快，但是容易受到光线的影响；RFID定位法体积小、精度高，但是定位距离短；WIFI定位法成本低，但是计算量大且精度低；ZigBee定位法功耗低、效率高，但是需要大量的节点网络，复杂度高；UBW定位法精度高、功耗低、抗多径及抗干扰能力强，但是设备成本高。
[0004]多种定位技术结合的典型应用为卫星导航与非卫星导航的结合。此类方法一般由两种以上的定位技术组成，技术复杂、实施难度大、不易维护，需要安装专用的定位设备。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种隧道定位系统和方法，旨在解决隧道定位中，高遮蔽角，信号接续性不好，以及设备复杂、难拓展和不易维护的问题。
[0006]第一方面，本申请提供了一种隧道定位系统，包括：
[0007]布设在隧道内的多个级联节点，每级节点包括依次电连接的GNSS信号接收设备、GNSS信号模拟器和信号控制器；
[0008]所述GNSS信号接收设备在第一级节点接收的是隧道口的卫星发射的导航信号，在第一级节点之外的节点接收上一级节点的GNSS信号模拟器实时再生的导航信号，并对接收的导航信号进行解调，提取星历数据和时间信息并发送到GNSS信号模拟器；
[0009]所述GNSS信号模拟器接收GNSS信号接收设备发送的星历数据和时间信息，利用时间同步算法进行频率校准，产生本地时钟频率，对接收的星历数据进行再处理，结合时延控制算法和预设的位置坐标数据，对导航信号进行实时再生，并将实时再生的导航信号同步到信号控制器；
[0010]所述信号控制器是对GNSS信号模拟器实时再生后的导航信号进行波束赋形，控制导航信号发射功率，以及控制导航信号的投射角度和投射方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。
[0011]进一步地，所述信号控制器包括：依次连接的数字信号波束赋形模块、差异化功率控制模块和信号发射模块；
[0012]所述数字信号波束赋形模块用于将同步后的实时再生的导航信号的波束引向预期方向的车道面；
[0013]所述差异化功率控制模块在相邻两级节点之间预设个性化的功控区间，控制导航信号的发射功率，使信号覆盖区域的导航信号强度高于可接收的信号强度阈值；
[0014]信号发射模块计算发射信号的最优传输路径和最优接收方向，控制投射角度和投射方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。
[0015]进一步地，所述数字信号波束赋形模块是根据隧道弯曲度、坡度和宽度，对导航信号采用数字波束赋形，产生多个波束基带信号，改变各通道信号的加权值，即幅度和相位，改善方向图，将波束引向预期方向的车道面，将零信号引导至不需要干涉的方向，再抑制除预期方向外的多径信号。
[0016]进一步地，所述差异化功率控制模块是对每级节点的导航信号进行差异化功率控制，根据每级节点间的链路状态不同，控制任一级节点使用不同的发射功率发射无线信号，在隧道内相邻的两级节点之间，控制节点当中的其中一个方向的波束，使两级节点之间形成个性化的功控区间，在区间中，减少相邻两级节点的导航信号的互相干扰，提升相邻两级节点的导航信号增益，补偿导航信号的衰落，使信号覆盖区域始终处于导航信号强度高于可接收的信号强度阈值的环境。
[0017]第二方面，本申请提供了一种隧道定位方法，包括：
[0018]由布设在隧道内的级联节点中的第一级节点的GNSS信号接收设备接收卫星发射的导航信号，并对接收的卫星发射的导航信号进行解调，提取星历数据和时间信息，并传送到第一级节点的GNSS信号模拟器；
[0019]GNSS信号模拟器接收到星历数据和时间信息，利用时间同步算法对时间信息进行频率校准，产生本地的时钟频率，对星历数据进行再处理，结合时延控制算法和预设的位置坐标数据，对卫星发射的导航信号进行实时再生，并将实时再生后的导航信号同步到第一级节点的信号控制器；
[0020]第一级节点的信号控制器对实时再生后的导航信号进行波束赋形，并控制导航信号的发射功率，以及导航信号的发射角度和方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。
[0021]进一步地，所述将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备之后，还包括：
[0022]第二级节点的GNSS信号接收设备接收到第一级节点的信号控制器传送的实时再生的导航信号，在第二级节点重复第一级节点的操作步骤，输出第二级节点的导航信号；
[0023]多次重复，输出第n级节点的导航信号，n为大于或等于三的自然数。
[0024]进一步地，所述信号控制器对实时再生后的导航信号进行波束赋形，并控制导航信号的发射功率，以及导航信号的发射角度和方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备，具体为：
[0025]根据隧道环境，将同步后的实时再生的导航信号的波束引向预期方向的车道面，抑制除预期方向外的多径信号；
[0026]在相邻两级节点之间预设个性化的功控区间，控制实时再生的导航信号的发射功率，使信号覆盖区域的导航信号强度高于可接收的信号强度阈值；
[0027]计算发射信号的最优传输路径和最优接收方向，控制投射角度和投射方向发射实时再生的导航信号，将第一级节点的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。
[0028]进一步地，所述根据隧道环境，将同步后的导航信号的波束引向预期方向的车道面，抑制除预期方向外的多径信号，具体为：
[0029]根据隧道弯曲度、坡度和宽度，对导航信号采用数字波束赋形，产生多个波束基带信号，改变各通道信号的加权值，即幅度和相位，改善方向图，将波束引向预期方向的车道面，将零信号引导至不需要干涉的方向，再抑制除预期方向外的多径信号；即：
[0030]预设在车道上形成N个波束，波束的数量根据节点位置和隧道结构进行选取，为获得主瓣方向对准σ1、σ2、σ3、
…
σ
N
，第i个阵元的空间坐标σ
i
为σ
i
(σ
xi
,σ
yi
,σ
zi
)，取权矢量为：
[0031][0032]波束形成后的输出信号为：
[0033][0034]其中，ω
i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道定位系统，其特征在于，包括：布设在隧道内的多个级联节点，每级节点包括依次电连接的GNSS信号接收设备、GNSS信号模拟器和信号控制器；所述GNSS信号接收设备在第一级节点接收的是隧道口的卫星发射的导航信号，在第一级节点之外的节点接收上一级节点的GNSS信号模拟器实时再生的导航信号，并对接收的导航信号进行解调，提取星历数据和时间信息并发送到GNSS信号模拟器；所述GNSS信号模拟器接收GNSS信号接收设备发送的星历数据和时间信息，利用时间同步算法进行频率校准，产生本地时钟频率，对接收的星历数据进行再处理，结合时延控制算法和预设的位置坐标数据，对导航信号进行实时再生，并将实时再生的导航信号同步到信号控制器；所述信号控制器是对GNSS信号模拟器实时再生后的导航信号进行波束赋形，控制导航信号发射功率，以及控制导航信号的投射角度和投射方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号控制器包括：依次连接的数字信号波束赋形模块、差异化功率控制模块和信号发射模块；所述数字信号波束赋形模块用于将同步后的实时再生的导航信号的波束引向预期方向的车道面；所述差异化功率控制模块在相邻两级节点之间预设个性化的功控区间，控制导航信号的发射功率，使信号覆盖区域的导航信号强度高于可接收的信号强度阈值；信号发射模块计算发射信号的最优传输路径和最优接收方向，控制投射角度和投射方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字信号波束赋形模块是根据隧道弯曲度、坡度和宽度，对导航信号采用数字波束赋形，产生多个波束基带信号，改变各通道信号的加权值，即幅度和相位，改善方向图，将波束引向预期方向的车道面，将零信号引导至不需要干涉的方向，再抑制除预期方向外的多径信号。4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述差异化功率控制模块是对每级节点的导航信号进行差异化功率控制，根据每级节点间的链路状态不同，控制任一级节点使用不同的发射功率发射无线信号，在隧道内相邻的两级节点之间，控制节点当中的其中一个方向的波束，使两级节点之间形成个性化的功控区间，在区间中，减少相邻两级节点的导航信号的互相干扰，提升相邻两级节点的导航信号增益，补偿导航信号的衰落，使信号覆盖区域始终处于导航信号强度高于可接收的信号强度阈值的环境。5.一种隧道定位方法，其特征在于，包括：由布设在隧道内的级联节点中的第一级节点的GNSS信号接收设备接收卫星发射的导航信号，并对接收的卫星发射的导航信号进行解调，提取星历数据和时间信息，并传送到第一级节点的GNSS信号模拟器；GNSS信号模拟器接收到星历数据和时间信息，利用时间同步算法对时间信息进行频率校准，产生本地的时钟频率，对星历数据进行再处理，结合时延控制算法和预设的位置坐标数据，对卫星发射的导航信号进行实时再生，并将实时再生后的导航信号同步到第一级节点的信号控制器；
第一级节点的信号控制器对实时再生后的导航信号进行波束赋形，并控制导航信号的发射功率，以及导航信号的发射角度和方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备之后，还包括：第二级节点的GNSS信号接收设备接收到第一级节点的信号控制器传送的实时再生的导航信号，在第二级节点重复第一级节点的操作步骤，输出第二级节点的导航信号；多次重复，输出第n级节点的导航信号，n为大于或等于三的自然数。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信号控制器对实时再生后的导航信号进行波束赋形，并控制导航信号的发射功率，以及导航信号的发射角度和方向，并将实时再生后的导航信号发送到下一级节点的GNSS信号接收设备，具体为：根据隧道环境，将同步后的实时再生的导航信号的波束引向预期方向的车道面，抑制除预期方向外的多径信号；在相邻两级节点之间预设个性化的功控区间，控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪元法，戴远流，孙希延，付文涛，白杨，梁维彬，贾茜子，李晶晶，李龙，严素清，赵松克，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：