一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合卫星信号盲区定位方法

摘要

本发明属于电子通信与自动控制领域，涉及到一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合实现卫星信号盲区内接收机定位方法。该定位方法中，接收机利用基站转发的卫星信号将首先分别采用两种不同的方法独立计算位置坐标：一种方法是接收机基于前一时刻的定位结果推导下一时刻位置坐标；另一种方法是接收机利用卫星信号测量基站到接收机的伪距，再利用三角定位原理计算位置。然后，接收机将由两种方法获取的定位结果联合起来作为观测值，利用卡尔曼滤波算法对结果进行滤波以确定最终用户位置坐标。本发明在实际应用时布署成本低且安装容易，并可获得较高定位精度。

主权项

一种移动蜂窝网与卫星导航系统联合卫星信号盲区定位方法，包括以下步骤：步骤一：采用二种定位方法进行定位第一种定位方法：首先，消除信号转发处理时间误差；记在时间t_k接收机测得的信号从卫星s_i经基站b_j转发到接收机所经历的时间为则${\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_j,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_j}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_j,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_j,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_j}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_j}^{\left(t_k\right)},i,j=1,2,3,4---\left(1\right)$其中，是信号从卫星s_i到基站b_j的时间；是信号从基站b_j到接收机的时间；δt_c是接收机钟差；是信号从卫星s_i到基站b_j再到接收机所经历的传播误差；是信号从到达基站天线经基站处理后再从基站天线发射出去所经历的时间；代表其它测量误差；将来自同一卫星且经同一基站转发到接收机但在不同时刻测量的信号传播时间进行差分操作，得到：${\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_j,u}^{\left(t_0\right)}-{\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_j,u}^{\left(t_1\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_j}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_j,u}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_j,u}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_j}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_j}^{(t_0,t_1)},---\left(2\right)$其中，接收机钟差δt_c将被消除掉；t₀与t₁之间间隔小于等于1秒，和考虑为零；接收机在对卫星数据进行解码后获得卫星坐标；接收机在接入基站时通过信令获得基站的坐标信息，通过卫星和基站坐标计算获取；接收机分别对不同基站转发的信号在前后连续两个时刻(t₀和t₁)测量的传播时间进行差分操作，即$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_1,u}^{\left(t_0\right)}-{\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_1,u}^{\left(t_1\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_1}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_1,u}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_1}^{(t_0,t_1)}\\ {\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_2,u}^{\left(t_0\right)}-{\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_2,u}^{\left(t_1\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_2}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_2,u}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_2}^{(t_0,t_1)}\\ {\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_3,u}^{\left(t_0\right)}-{\mathrm{\Delta t}}_{s_i,b_3,u}^{\left(t_1\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_i,b_3}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_3,u}^{(t_0,t_1)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_3}^{(t_0,t_1)}\end{array}\right.---\left(3\right)$让表示为其中即在时刻t_i用户的坐标；为基站b_j(j＝1,2,3)的坐标，而代表在时刻t_i从基站b_j到用户接收机之间的距离；公式(3)进一步表示为：$\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,0}-{\overrightarrow{x}}_{b_1}\left|\right|-\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,1}-{\overrightarrow{x}}_{b_1}\left|\right|+{\rho }_1+e_1\\ l_2=\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,0}-{\overrightarrow{x}}_{b_2}\left|\right|-\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,1}-{\overrightarrow{x}}_{b_2}\left|\right|+{\rho }_2+e_2\\ l_3=\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,0}-{\overrightarrow{x}}_{b_3}\left|\right|-\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,1}-{\overrightarrow{x}}_{b_3}\left|\right|+{\rho }_3+e_3\end{array}\right.---\left(4\right)$公式(4)进一步整理为：$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,1}-{\overrightarrow{x}}_{b_1}\left|\right|=\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,0}-{\overrightarrow{x}}_{b_1}\left|\right|-l_1+{\rho }_1+e_1\\ \left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,1}-{\overrightarrow{x}}_{b_2}\left|\right|=\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,0}-{\overrightarrow{x}}_{b_2}\left|\right|-l_2+{\rho }_2+e_2\\ \left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,1}-{\overrightarrow{x}}_{b_3}\left|\right|=\left|\right|{\overrightarrow{x}}_{u,0}-{\overrightarrow{x}}_{b_3}\left|\right|-l_3+{\rho }_3+e_3\end{array}\right.---\left(5\right)$如果用户接收机在时刻t₀时的位置已知，则根据公式(5)，计算得出接收机在时刻t₁时的位置；计算得出的用户位置为${\overrightarrow{x}}_{u,1}=f({\overrightarrow{x}}_{u,0},{\overrightarrow{x}}_{b_i},{\rho }_i,l_i),i=1,2,3---\left(6\right)$第二种定位方法：当用户接收机接收到来自基站的转发信号后，其利用该信号测量从卫星经基站转发到用户信号所经历的时间在时刻t_k测得的时间将如公式(1)所示；来自同一颗卫星的信号通过不同的基站转发，其到达用户接收机所需的时间将不同；假设同一卫星(s₁)信号经四个基站b_j(j＝1,2,3,4)转发，则有$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta t}}_{s_1,b_1,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_1}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_1,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_1}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_1}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta t}}_{s_1,b_2,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_2}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_2,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_2,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_2}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_2}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta t}}_{s_1,b_3,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_3}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_3,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_3,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_3}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_3}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta t}}_{s_1,b_4,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_4}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_4,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_4,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_4}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_4}^{\left(t_k\right)}\end{array}\right.---\left(7\right)$让为测量值，而是信号从卫星s₁到基站b_j传播所需时间，通过卫星s₁和基站b_j的坐标计算得出；表示如下：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta T}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_1,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_1}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_1}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta T}}_{b_2,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_2,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_2,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_2}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_2}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta T}}_{b_3,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_3,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_3,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_3}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_3}^{\left(t_k\right)}\\ {\Delta }_{b_4,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_4,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_c+{\mathrm{\delta t}}_{s_1,b_4,u}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{b_4}^{\left(t_k\right)}+{\mathrm{\delta t}}_{m,b_4}^{\left(t_k\right)}\end{array}\right.---\left(8\right)$基站b_j(j＝1,2,3,4)相距近，接收机同时收到来自这四个基站的转发信号；认为是相等；每个基站的卫星信号转发处理时间假设相等；根据公式(8)，进一步获得：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta T}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}-{\mathrm{\Delta T}}_{b_2,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}-{\mathrm{\delta t}}_{b_2,u}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta T}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}-{\mathrm{\Delta T}}_{b_3,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}-{\mathrm{\delta t}}_{b_3,u}^{\left(t_k\right)}\\ {\mathrm{\Delta T}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}-{\mathrm{\Delta T}}_{b_4,u}^{\left(t_k\right)}={\mathrm{\delta t}}_{b_1,u}^{\left(t_k\right)}-{\mathrm{\delta t}}_{b_4,u}^{\left(t_k\right)}\end{array}\right.---\left(9\right)$让其中为时刻t_k用户接收机的坐标；为基站b_j的坐标；公式(9)写成：根据公式(10)，计算获得用户位置坐标的闭式解，记计算得出的用户位置为${\overrightarrow{x}}_{u,k}=g({\overrightarrow{x}}_{b_i},{\xi }_i),i=1,2,3---\left(11\right)$第二步：用卡尔曼滤波器将两种定位结果融合设卡尔曼滤波器的状态转移矩阵为单位阵，状态转移模型为：$\overrightarrow{x}\left(k\right)=\overrightarrow{x}(k-1)+\overrightarrow{w}\left(k\right)---\left(12\right)$其中代表在第k个测量时刻的用户位置坐标，而为过程噪声向量；通过第一种定位方法和第二种定位方法测得的定位结果联合起来作为卡尔曼滤波器的观测值，也即$\overrightarrow{y}\left(k\right)\stackrel{\Delta }{=}[{\overrightarrow{y}}_1^T\left(k\right),{\overrightarrow{y}}_2^T\left(k\right)]---\left(13\right)$其中而观测值与状态值之间的关系矩阵H(k)定义为：$H\left(k\right)\stackrel{\Delta }{=}[H_1^T\left(k\right),H_2^T\left(k\right)]---\left(14\right)$和定义为单位阵；相应的测量噪声矩阵定义为：$v\left(k\right)\stackrel{\Delta }{=}[v_1^T\left(k\right),v_2^T\left(k\right)]---\left(15\right)$其中，v₁(k)和v₂(k)分别为对应测量值和的测量误差与噪声。观测模型为$\overrightarrow{y}\left(k\right)=H\left(k\right)\overrightarrow{x}\left(k\right)+v\left(k\right)---\left(16\right)$利用标准卡尔曼滤波算法进行滤波，得出最终用户位置坐标。