室內微弱信號環境中的五狀態粗時段導航算法

劉澤輝,黃志勇,王 彤,于廣瑞,彭 春,左國軍

(1.61175部隊,武漢 430074;2.信息工程大學地理空間信息學院,鄭州 450052; 3.中國天繪衛星中心,北京 102102;4.61206部隊,北京 100086)

室內微弱信號環境中的五狀態粗時段導航算法

劉澤輝1,黃志勇2,3,王 彤1,于廣瑞4,彭 春4,左國軍4

(1.61175部隊,武漢 430074;2.信息工程大學地理空間信息學院,鄭州 450052; 3.中國天繪衛星中心,北京 102102;4.61206部隊,北京 100086)

針對傳統接收機在室內等微弱信號環境下無法捕獲衛星信號,難以獲得定位結果的問題,本文利用A-GNSS接收機在微弱信號環境下捕獲的偽碼相位值,提出了采用五狀態粗時段導航方程進行快速定位的方法。該方法能夠應用于濃密森林、城市峽谷、室內等微弱信號領域導航。本文系統總結了粗時段導航技術,推導了其解算流程,并設計仿真實驗驗證了該算法在微弱信號環境下定位的可行性。結果表明:五狀態粗時段導航算法能夠提供精度較高的定位結果。

輔助全球衛星導航系統;粗時段導航;室內定位;碼相位;微弱信號定位

0 引言

全球衛星導航系統(global navigation satellite system,GNSS)接收機在室外開闊環境時擁有良好的信號環境,然而人們希望在任何地點都能使用GNSS,包括室內等弱信號環境下,于是出現了輔助全球衛星導航系統(assisted-GNSS,A-GNSS)的構想和技術。A-GNSS通過位置服務器和移動基站提供給接收機輔助信息,增強了傳統GNSS接收機的使用范圍,使得其在強烈衰減的室內環境下仍能獲得定位結果。

引導A-GNSS定位技術邁向產業化的標志性事件是1996年美國聯邦通信委員會E911(Enhanced 911)法令的頒布[1]。該法令要求移動運營商為手機用戶提供緊急求助服務,要求的精度為: (1999年10月版)基于網絡的定位提供的精度為100 m(67%)和300 m(95%);基于終端的定位提供的精度為50 m(67%)和150 m(95%)[2]。為了達到E911法令的要求,各種室內外定位技術被廣泛應用于個人定位服務之中。目前在城市和室內環境中通常采用的個人定位技術有:蜂窩網定位技術如小區識別碼(Cell-ID)、到達時間差(time difference of arrival,TDOA)、增強測量時間差(enhanced observed time difference,E-OTD),無線局域網(wireless local area network,WLAN)定位,超寬帶定位(ultra wideband,UWB),慣性導航輔助定位。然而蜂窩網定位技術定位精度較低,很多情況下難以達到E911法案規定的精度要求,其他定位技術大都存在覆蓋范圍有限或者需要巨額投資的問題。而A-GNSS定位技術保留了傳統GNSS定位技術全天候、實時、全球性、高精度的特點,同時增加了輔助信息帶來的高靈敏度、快速定位的優勢,為用戶實現室內外無縫定位提供了基礎,因此,A-GNSS定位技術成為了E911定位的首選方案。

然而,當A-GNSS接收機處于室內等極微弱的信號環境時,由于導航電文解調誤碼率太高, A-GNSS接收機僅能通過跟蹤(捕獲或精細捕獲)過程從碼跟蹤環路中獲得偽碼相位值與多普勒頻移值,無法進行后面的位同步、幀同步以及解調導航電文。由于接收機僅能測量部分的偽距,只能恢復部分的信號發射時間,而不能得到衛星在發射信號時的具體位置,該問題又被稱作“粗時段導航(coarse-time navigation)問題”。

針對粗時段導航問題,文獻[3]改進了增強型三角測量法,提出了一種采用Lambda-fraction函數消除衛星信號發射時刻模糊度的方法,但該方法對迭代方程初始值誤差有限制,特別是要求用戶初始位置誤差在150 km內,而且文獻[3]沒有給出有效的初值選取方法。文獻[4]提出了基于未知位置和粗時空間的代價函數最小化的迭代方法,但他們都沒有解決如何構造全偽距去解決整數毫秒翻轉問題。文獻[5]提出了一種構造全偽距法,解決整數毫秒模糊度的問題,但要求先驗位置與粗時間的總誤差在150 km以內。文獻[6]在其基礎上,提出了一種基于多普勒定位提供初值的粗時段導航算法。

本文通過研究室內微弱信號的特點,提出了利用粗時段導航技術解決室內定位問題的思路,推導了5-狀態粗時段導航方程,指出了算法對初始狀態的要求和參考衛星的選擇方法,最后通過接收機獲得的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system,BDS)數據驗證了其可行性。

1 粗時段導航

1.1 5-狀態粗時段導航方程

輔助GNSS接收機大多數情況下沒有精時間輔助全球移動通信系統(global system for mobile communication,GSM)、通用移動通信系統(universal mobile telecommunications system,UMTS)、寬帶碼分多址(wideband code division multiple access,WCDMA)時間精度1～2 s,碼分多址(code division multiple access,CDMA)時間精度為微秒級)。正常信號情況下,接收機通過解碼周內時間(time of week,TOW)的轉換字(hand over word, HOW)來獲得精時間(fine-time),然而這需要耗費數秒的時間。而且在信號極其微弱的情況下,長時間亦無法解碼星歷,無法獲得HOW。衛星的相對運動引起了粗時段導航的問題,可以計算每顆衛星的相對速度,運用導航方程去求解用戶位置Xu(xu,yu,zu)和接收機公共偏差b以及粗時誤差tc。即可以求出時間,而不依靠于解碼得到它,這樣也縮短了首次定位時間,自己估計TOW進行粗時段導航可以帶來以下三個方面的優勢:

1)更短的首次定位時間;

2)在信號微弱低于解碼導航電文所需信號強度門限的情況下獲取定位結果;

3)該定位算法僅需完成信號的捕獲,耗費時間極短,不需要花費6 s或更長時間來解碼TOW。

而完成粗時段導航需要以下先驗信息:

1)有效的星歷信息(用以計算衛星位置并估計預測偽距);

2)幾十千米精度的近似用戶位置;

3)數秒精度的周內時;

4)亞毫秒偽距測量值,即碼相位值。

對于全球定位系統(global positioning system, GPS)衛星來說,10 ms左右的粗時誤差與其最大的偽距速率(800 m/s)的積會產生10 m左右的偽距誤差,將帶來10 m左右的定位誤差。因此10 ms定義為精時間和粗時間的分界點[7]。

與普通的四狀態導航方程相比,多了一個粗時誤差參數,因此叫做五狀態粗時段導航。五狀態粗時段導航方程如式(1)所示。式(1)中,ρ(k)表示實測的偽距值,^ρ(k)表示預測的偽距值,δρ(k)表示偽距殘差,對于每顆衛星,δρ(k)和五個先驗參數的更新值δx=(δxyz,δb,δtc)之間的關系為

然而,實測的偽距值ρ(k)并未得到,只能由捕獲過程測得偽碼相位值(code phase),即亞毫秒偽距(fractional pseudoranges),因此如何利用偽碼相位值獲得全偽距值是解決粗時段導航問題的關鍵。文獻[5]根據給定的先驗位置和粗時間,提出了一種避免產生整數毫秒模糊度的重構全偽距法,該算法流程為:

圖1 偽距重構算法流程圖

1)選擇一顆衛星作為參考衛星(最好選擇高度角較高的衛星),指定該衛星的整數毫秒模糊度為,測得的偽碼相位值為z(1),這樣得到第一顆衛星的測量偽距為

3)將式(6)減去式(5),消去相同的公共誤差,

1.2 初始狀態和參考衛星的選擇

由于需要由部分偽距重構全部的偽距,因此對初始狀態(位置和時間)與參考衛星的選擇有一定要求,如果初始位置和時間誤差過大,可能出現預測的個別或全部衛星的偽距與真實偽距值相差整數毫秒值的情況。

參考衛星的最佳選擇是高度角最高的衛星,其理由如下所述。

在推導偽距重構算法時,式(8)表明先驗位置和時間誤差不超過150 km時,不會出現整數毫秒偏轉的情況。在輔助北斗衛星導航系統(assisted-BDS,A-BDS)中,接收機先驗位置一般由蜂窩網無線電定位技術(如Cell-ID)獲得,先驗位置誤差優于幾千米,先驗時間誤差精度優于2 s,故能滿足上述要求。然而當接收機處于特殊情況下,如網絡為漫游狀態或設備與網絡間或連接時,獲得的先驗位置和時間誤差較大,可能超過150 km時。要想確保滿足要求,最保守的估計為

此時我們希望盡量放寬該算法的適用條件,通過合理的選擇參考衛星與控制參與解算的衛星高度角可以有效的解決該問題,使得單顆衛星先驗位置和時間誤差遠大于75 km時,該算法依然成立。

2 粗時段導航室內定位仿真驗證

在室內等微弱信號環境中,衛星信號極其微弱,接收機僅能獲得偽碼相位值,因此粗時段導航算法適用于該環境。而室內信號面臨著強烈的信號衰減、多路徑效應和非視距傳播(non line of sight,NLOS)信號和互相關效應的影響,獲得的偽距值或偽碼相位值可能含有較大的誤差,此時可以結合接收機完好性監測技術[8](receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)來檢查并剔除含有較大誤差的觀測值。本文在仿真驗證時不考慮強烈的多路徑、非視距傳播和信號中斷等特殊情況帶來的影響。

選取在上海地區采用和芯星通公司生產的UB240-COR SBDS/GPS雙系統四頻接收機(GPS: L1、L2;BDS:B1、B2)獲取的采樣間隔為30 s 的2 652個歷元的GNSS數據,選取其中的BDS數據進行粗時段導航算法的仿真驗證實驗。

粗時段導航算法中無法獲取完整的偽距觀測值,而實驗獲得的數據為完整偽距值,因此利用對偽距取模1 ms值來獲得碼相位值(不考慮NH碼的影響)。為了使算法在粗時段導航模式下進行,忽略了衛星信號發射時間[9],并且取粗時誤差分別為1 s、5 s、20 s,來驗證不同粗時誤差對定位精度的影響。首先對四狀態偽距導航(4-state navigation)和五狀態粗時段導航(5-state coarse time navigation)的水平精度因子HDOP進行對比,結果如圖2。

由圖2可知,五狀態粗時導航水平精度因子總是大于四狀態偽距導航水平精度因子。而某些情況下,它們的差別近似為0,并且五狀態粗時段導航的HDOP值全部在3以內,表明能夠為用戶提供較為可靠的定位結果。

取不同的粗時誤差分別為1 s、5 s、20 s,得到粗時誤差為1 s時,東、北、天三個方向的誤差序列圖,并且統計得到不同粗時誤差下的五狀態導航RMS與四狀態導航RMS統計表如圖3。

圖2 4-狀態偽距導航和5-狀態粗時段導航HDOP對比

圖3 5-狀態粗時段導航東、北、天三個方向的誤差序列圖

由圖3可知,在粗時誤差為1s時,五狀態粗時段導航提供的定位精度水平方向上在15m以內,高程方向在20 m以內,表明五狀態粗時段導航能夠提供精度較高的定位結果。不同粗時誤差下的5-狀態粗時段導航與4-狀態偽距導航的均方根值(root mean square,RMS)對比見表1。

表1 不同粗時誤差下的5-狀態粗時段導航與4-狀態偽距導航RMS對比

由表1可知,粗時段導航提供的定位結果水平方向RMS在6 m左右,接近于四狀態偽距導航,并且在粗時誤差為20 s時仍能獲得定位結果,水平方向RMS在30 m以內。表明在不含有較大偽距誤差時,粗時段導航算法精度接近于傳統四狀態偽距導航。

3 結束語

本文針對GNSS接收機在室內環境中面臨的問題,提出了利用A-GNSS粗時段導航技術實現室內等微弱信號環境下的定位的思路,并利用仿真數據驗證了該算法的可靠性。實驗表明粗時段導航精度接近于傳統4-狀態偽距導航,且具有連續可用性,能夠運用于微弱信號環境;而5-狀態粗時段導航在粗時誤差為1 s時,定位結果水平方向RMS在10 m以內;在粗時誤差達到20 s時仍能提供較好的定位結果。然而室內獲得的衛星信號由于受到含有較大的誤差,此時可以結合RAIM算法來檢測并剔除含有較大的誤差的觀測值。在未來將具有更多的GNSS衛星和更好的衛星信號設計,屆時,利用A-GNSS粗時段導航算法解決室內定位問題將具有極大的可行性。

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The 5-state Coarse-time Navigation Algorithm in Indoor Weak Signal Environment

LIU Zehui1,HUANG Zhiyong2,3,WANG Tong1,YU Guangrui4,PENGChun4,ZUO Guojun4
(1.Troops 61175,Wuhan 430074,China; 2.School of Mapping and Surveying,Information Engineering University,Zhengzhou 450052,China; 3.China Aerospace Surveying&Mapping Center,Beijing 102102,China; 4.Troops 61206,Beijing 100086,China)

In response to address the issue that the traditional weak signal receiver cannot acquire satellite signals in indoor environments,which make it difficult for users to obtain positioning results;with the Coarse-Time Navigation technology based on assisted-GNSS using the Code phase values acquired in weak signal environments and adopts,the five states Coarse-Time Navigation equation for fast positioning is proposed.It can be used in dense forests,urban canyons and indoor weak signal areas navigation.This paper systematically summarizes the Coarse-Time Navigation technology,and its calculation process is deduced.It designs simulation experiments to show the feasibility of the algorithm in the indoor environment positioning.The results demonstrates that the five states Coarse-Time Navigation can provide a high accuracy Positioning result.

assisted global navigation satellite system;coarse-time navigation;indoor positioning;code phase;weak signal positioning

P228

A

2095-4999(2015)-04-0069-05

2014-10-16

中國航天科技集團公司衛星應用研究院創新基金(2014_CXJJ-DH_14)。

劉澤輝,男(1989—),湖北隨州人,助理工程師,主要從事GNSS數據處理理論與方法研究。

劉澤輝,黃志勇,王彤,等.室內微弱信號環境中的五狀態粗時段導航算法[J].導航定位學報,2015,3(4):69-73.LIU Zehui,HUANG Zhiyong,WANG Tong,et al.The 5-state Coarse-time Navigation Algorithm in Indoor Weak Signal Environment[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):69-73.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150413