[發(fā)明專利]GPS室內(nèi)定位系統(tǒng)和基于GPS室內(nèi)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410027297.0
• 申請(qǐng)日: 2014-01-21
• 公開（公告）號(hào): CN104793227B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳武
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 香港理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S19/46
• 分類號(hào): G01S19/46;G01S19/40
• 代理公司: 深圳市順天達(dá)專利商標(biāo)代理有限公司 44217
• 代理人: 郭偉剛

1.一種基于GPS室內(nèi)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

S0）設(shè)置用于接收、及發(fā)送指定的GPS射頻信號(hào)的多個(gè)天線裝置（3）；

S1）接收室外GPS信號(hào)，將該室外GPS信號(hào)經(jīng)解調(diào)及調(diào)制所得到的GPS射頻信號(hào)通過室內(nèi)的多個(gè)天線裝置（3）轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)的移動(dòng)終端（5）；

S2）將由室外GPS信號(hào)得到的室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S，以及室內(nèi)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K通過無線通信裝置（4）發(fā)送至移動(dòng)終端（5），移動(dòng)終端（5）根據(jù)所述GPS射頻信號(hào)、并結(jié)合所述室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S、以及所述室內(nèi)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K計(jì)算定位數(shù)據(jù);

所述步驟S1具體包括如下步驟：

S11′)通過室外GPS接收裝置（1）接收來自多顆衛(wèi)星的室外GPS信號(hào)，并將所述室外GPS信號(hào)發(fā)送到室內(nèi)的GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）；

S12′）通過所述GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）將所述多個(gè)GPS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到包含多個(gè)用于對(duì)上述GPS信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的PRN碼、以及與該多個(gè)PRN碼一一對(duì)應(yīng)的多組導(dǎo)航電文的數(shù)字信號(hào)；

S13′）通過所述GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到多個(gè)包含PRN碼以及與該P(yáng)RN碼對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航電文的GPS射頻信號(hào)；

S14′）通過室內(nèi)的多個(gè)天線裝置（3）分別接收與之對(duì)應(yīng)的GPS射頻信號(hào)，并將接收到的GPS射頻信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)的移動(dòng)終端（5）;

所述步驟S11′還包括：將接收到的多個(gè)GPS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到與所述多個(gè)GPS信號(hào)一一對(duì)應(yīng)的多組導(dǎo)航電文，根據(jù)所述多組導(dǎo)航電文計(jì)算室外偽距觀測(cè)量d、以及與所述多個(gè)GPS信號(hào)對(duì)應(yīng)的多顆衛(wèi)星在太空的位置坐標(biāo)S，將所述室外偽距觀測(cè)量d、以及衛(wèi)星的位置坐標(biāo)S發(fā)送到室內(nèi)的無線通信裝置（4），以進(jìn)一步通過所述無線通信裝置（4）將所述室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星的位置坐標(biāo)S、及其存儲(chǔ)的多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K轉(zhuǎn)發(fā)到室內(nèi)的移動(dòng)終端（5）；

所述步驟S2具體包括如下步驟：

S21′）通過所述移動(dòng)終端（5）接收由所述多個(gè)天線裝置（3）轉(zhuǎn)發(fā)的GPS射頻信號(hào)、對(duì)所述GPS射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理以測(cè)量室內(nèi)偽距觀測(cè)量D；

S22′）由移動(dòng)終端（5）根據(jù)所述室內(nèi)偽距觀測(cè)量D、以及接收由所述室外GPS接收裝置（1）經(jīng)所述無線通信裝置（4）轉(zhuǎn)發(fā)的室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)S、多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K，計(jì)算移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)，并顯示所述定位數(shù)據(jù)；

所述步驟S21′還包括：通過所述移動(dòng)終端（5）對(duì)所述多個(gè)GPS射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到多組導(dǎo)航電文，根據(jù)所述多組導(dǎo)航電文來計(jì)算所述室內(nèi)偽距觀測(cè)量D；

所述步驟S22′中所述移動(dòng)終端（5）通過定位公式計(jì)算所述定位數(shù)據(jù)，所述定位數(shù)據(jù)可根據(jù)移動(dòng)終端（5）的GPS模塊（8）的不同輸出方式進(jìn)行計(jì)算；

如移動(dòng)終端（5）的GPS模塊（8）的輸出方式為室內(nèi)偽距觀測(cè)量D輸出，則所述定位公式如下所示：

X=（B^TB）^-1B^TL；

其中，X為移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)；

L=（D-d）；

D=（D₁，D₂，……D_n）^T；

d=（d₁，d₂，……d_n）^T；

B為由室內(nèi)的多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K決定的系數(shù)矩陣；

D表示每一顆衛(wèi)星與移動(dòng)終端（5）之間的室內(nèi)偽距觀測(cè)量；

d表示每一顆衛(wèi)星與室外GPS接收裝置（1）之間的室外偽距觀測(cè)量；

T表示矩陣轉(zhuǎn)置，^-1表示矩陣求逆；

或者，移動(dòng)終端（5）GPS模塊輸出基于室內(nèi)偽距觀測(cè)量D計(jì)算的位置結(jié)果X_r；

則所述定位公式如下所示：

X_r=（A^TA）^-1A^TD；

室外位置的影響改正如下：

X_m=X_r-(A^TA)^-1A^Td；

移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)為；

X=(C^TC)^-1C^TL；

其中，X為移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)；

L=（A^TA）X_m；

C=A^TB；

D=（D₁，D₂，……D_n）^T；

d=（d₁，d₂，……d_n）^T；

A為由GPS衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S決定的系數(shù)矩陣；

B為由室內(nèi)的多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K決定的系數(shù)矩陣；

D表示每一顆衛(wèi)星與移動(dòng)終端（5）之間的室內(nèi)偽距觀測(cè)量；

d表示每一顆衛(wèi)星與室外GPS接收裝置（1）之間的室外偽距觀測(cè)量；

T表示矩陣轉(zhuǎn)置，^-1表示矩陣求逆。

2.一種GPS室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括室外GPS接收裝置（1）、GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）、多個(gè)天線裝置（3）、無線通信裝置（4）以及移動(dòng)終端（5）；

所述室外GPS接收裝置（1）用于接收來自多顆衛(wèi)星的室外GPS信號(hào)，并將所述室外GPS信號(hào)發(fā)送到所述GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）；

所述GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）用于將所述多個(gè)GPS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到包含多個(gè)用于對(duì)上述GPS信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的PRN碼、以及與該多個(gè)PRN碼一一對(duì)應(yīng)的多組導(dǎo)航電文的數(shù)字信號(hào)；

所述GPS信號(hào)調(diào)制解調(diào)裝置（2）還用于對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到多個(gè)包含PRN碼以及與該P(yáng)RN碼對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航電文的GPS射頻信號(hào)；

所述多個(gè)天線裝置（3）用于分別接收與之對(duì)應(yīng)的GPS射頻信號(hào)，并將接收到的GPS射頻信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到所述移動(dòng)終端（5）；

所述無線通信裝置（4）用于存儲(chǔ)所述多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K，以及接收所述室外GPS接收裝置（1）的室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S，并將所述室外偽距觀測(cè)量d、所述衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S、以及所述多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K轉(zhuǎn)發(fā)到所述移動(dòng)終端（5）；

所述移動(dòng)終端（5）用于根據(jù)接收到的GPS射頻信號(hào)，以及室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S和多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K計(jì)算定位數(shù)據(jù)，并顯示所述定位數(shù)據(jù)；

所述室外GPS信號(hào)接收裝置（1）還用于將接收到的多個(gè)室外GPS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到與所述多個(gè)室外GPS信號(hào)一一對(duì)應(yīng)的多組導(dǎo)航電文，根據(jù)所述多組導(dǎo)航電文計(jì)算室外偽距觀測(cè)量d、以及與所述多個(gè)室外GPS信號(hào)對(duì)應(yīng)的多顆衛(wèi)星在太空的位置坐標(biāo)S，將所述室外偽距觀測(cè)量d、以及衛(wèi)星的位置坐標(biāo)S發(fā)送到所述無線通信裝置（4）；

所述移動(dòng)終端（5）還用于對(duì)所述多個(gè)GPS射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到多組導(dǎo)航電文，根據(jù)所述多組導(dǎo)航電文計(jì)算室內(nèi)偽距觀測(cè)量D；

所述移動(dòng)終端（5）還包括用于接收由所述多個(gè)天線裝置（3）轉(zhuǎn)發(fā)的多個(gè)GPS射頻信號(hào)的GPS模塊（8）、用于接收所述室外偽距觀測(cè)量d、所述衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S、所述多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K的無線信號(hào)接收模塊（11）、與所述GPS模塊（8）電連接，用于將所述GPS模塊（8）接收到的GPS射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（9）、用于根據(jù)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（9）轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)中的多組導(dǎo)航電文計(jì)算室內(nèi)偽距觀測(cè)量D，并結(jié)合所述無線信號(hào)接收模塊（11）接收到的室外偽距觀測(cè)量d、衛(wèi)星位置坐標(biāo)S、及所述多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K，通過預(yù)設(shè)的定位公式計(jì)算定位數(shù)據(jù)的CPU（10）；

所述定位公式由移動(dòng)終端（5）的GPS模塊（8）的輸出方式?jīng)Q定：

如移動(dòng)終端（5）GPS模塊的輸出方式為室內(nèi)偽距觀測(cè)量D輸出，則所述定位公式如下所示：

X=（B^TB）^-1B^TL

其中，X為移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)；

L=（D-d）；

D=（D₁，D₂，……D_n）^T；

d=（d₁，d₂，……d_n）^T；

B為由室內(nèi)的多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K決定的系數(shù)矩陣；

D表示每一顆衛(wèi)星與移動(dòng)終端（5）之間的室內(nèi)偽距觀測(cè)量；

d表示每一顆衛(wèi)星與室外GPS接收裝置（1）之間的室外偽距觀測(cè)量；

T表示矩陣轉(zhuǎn)置，^-1表示矩陣求逆；

或者，移動(dòng)終端（5）GPS模塊輸出基于室內(nèi)偽距觀測(cè)量D計(jì)算的位置結(jié)果X_r；

則所述定位公式如下所示：

X_r=（A^TA）^-1A^TD；

室外位置的影響改正如下：

X_m=X_r-(A^TA)^-1A^Td；

移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)為；

X=(C^TC)^-1C^TL；

其中，X為移動(dòng)終端（5）的定位數(shù)據(jù)；

L=（A^TA）X_m；

C=A^TB；

D=（D₁，D₂，……D_n）^T；

d=（d₁，d₂，……d_n）^T；

A為由GPS衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)S決定的系數(shù)矩陣；

B為由室內(nèi)的多個(gè)天線裝置（3）的位置數(shù)據(jù)K決定的系數(shù)矩陣；

D表示每一顆衛(wèi)星與移動(dòng)終端（5）之間的室內(nèi)偽距觀測(cè)量；

d表示每一顆衛(wèi)星與室外GPS接收裝置（1）之間的室外偽距觀測(cè)量；

T表示矩陣轉(zhuǎn)置，^-1表示矩陣求逆。