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专利名称：基于gps信号的室内定位系统和具有室外定向天线的伪卫星的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于增加室外GPS信号到室内的覆盖的基于GPS (全球定位系统)信号的室内定位系统。
背景技术：
GPS是无线电导航系统，其提供平民可自由地获得的准确且可靠的定位、导航和定时服务。GPS为具有GPS接收机的任何人提供位置信息和准确的时间。GPS在全世界的任何地方始终提供位置和时间信息。GPS系统由在约20200 km的高度处每天绕着地球旋转两次的24个可操作GPS卫星、在网络侧的控制和监视站以及在用户侧的GPS接收机组成。GPS卫星以1575. 42 MHz的 频率从空中传输RF信号，并且GPS接收机拾取这些RF信号并下变频成中间频率(IF)以用于相关和进一步的基带处理。GPS接收机用本地生成的副本来执行下变频信号的相关并测量GPS卫星与GPS接收机之间的所谓伪距。该伪距是GPS接收机与GPS时间同步的情况下的GPS卫星与GPS接收机之间的实际距离。然而，最初，GPS接收机具有与GPS时间的时钟偏移，并且在伪距测量时看到此时钟偏移。在获得用于至少四个GPS卫星的伪距之后，GPS接收机提供其本身的位置和GPS时间。GPS接收机通过提供用于室外精确跟踪和导航的可负担装置来改进日常生活的质量。还存在GPS的使用可以有很大帮助的某些室内定位应用。尝试熄灭建筑物中的火灾的消防队员或尝试在医院中找到路的病人或在地震之后等待活着被救援的人是用于室内应用的某些典型示例。GPS信号来自20200 km的距离且它们的信号水平勉强够GPS接收机在开放领空(open sky)中对GPS信号上的消息和伪距的检测和估计。然而，由于附加损耗(其为约20_30dB)，常规的GPS接收机不能检测建筑物、隧道、矿井内或瓦砾下面的GPS信号。增加封闭空间中的GPS信号水平的一种方式是使用有源RF GPS重发器。有源GPS重发器用GPS天线拾取来自室外的GPS信号，并且在过滤和放大之后，GPS重发器用另一GPS天线向其中对于定位而言GPS信号水平过低的位置重新辐射GPS信号。室内定位要求多个GPS重发器的部署要求用于2D (二维)的至少三个重发器以及用于3D (三维)定位的四个重发器。然而，当放大多个GPS信号时，一个人必须非常谨慎。在多个天线处拾取多个GPS信号并随后从不同的天线重新辐射相同的GPS信号引起信号干扰。这减小GPS信号的覆盖以及增加定位误差。为了消除干扰问题，应将重发器及它们的天线设计为使得特定的GPS信号仅可以被一个重发器拾取。重发器可以拾取许多不同的GPS信号；然而，不应有其他的重发器接收已被另一重发器接收的GPS信号。换言之，被重发器接收的GPS信号集合应是互相排斥的。例如重发器I ;GPS卫星2、4和5、重发器2 =GPS卫星3、6和9、重发器3 15,16 和 17 等。在室内定位中非常关键的另一点是使用GPS算法根据伪距测量来计算位置。如果使用具有未修改算法的常规GPS接收机，则所计算的位置变成错误的。如果将有源RF重发器放置到建筑物以增强GPS信号室内的覆盖并使用常规GPS接收机来计算其位置，则由于RF波从GPS卫星到GPS接收机的非视线(NLOS)传播，所计算的位置可能是具有大误差的不正确位置。在图3中可以看到2D定位示例，其中，Ml、M2和M3是GPS卫星位置；并且NI、N2和N3是RF GPS重发器位置。“A”是GPS接收机的实际位置。如果在“A”处的GPS接收机处不存在时钟偏移且RF GPS重发器的时间延迟值被校准，则常规GPS算法搜索线路I、线路2和线路3的交叉点并产生三角形区域“D”中的位置，甚至是针对没有伪距测量误差的情况。因此，为了准确地计算室内位置，一个人还必须修改用于定位的算法。在美国专利号US2006208946中，一种室内GPS重发器单元包括用于从空中的预选区域中的一个或多个GPS卫星接收GPS信号的定向接收天线(aerial)、用于传输接收到的GPS信号的传输天线；以及用于在到室内区域的传输之前增强接收到的GPS信号的RF放大装置。一个或多个此类GPS重发器单元被用来在建筑物内或地下复制GPS卫星星座以在这些环境中提供GPS覆盖。在此申请中未提到关于算法的任何事。在重发GPS信号之后，应该应用附加室内定位算法来计算GPS接收机的位置。如果定位算法未被修改，则所计算的位置可能不是正确的。 在中国专利号CNl776447中，GPS信号覆盖设备包括GPS信号源、天线、滤波器、放大器和室内覆盖系统。为了引入GPS信号源，将已安装的室外接收天线依次连接到滤波器、放大器和室内覆盖系统。本发明将用于需要GPS信号的被覆盖地方的GPS信号放大。在此申请中未提到关于算法的任何事。在重发GPS信号之后，应该应用附加室内定位算法来计算GPS接收机的位置。如果定位算法未被修改，则所计算的位置可能不是正确的。在韩国专利号KR20080060502中，一种使用GPS开关重发器的室内测量系统包括GPS卫星、GPS基准天线、GPS开关重发器、GPS传输天线、室内GPS接收机和测量服务器。GPS基准天线从GPS卫星接收距离信息。GPS开关重发器调整GPS开关时间。除此之外，GPS开关重发器将GPS信号放大。GPS传输天线被耦合到GPS开关重发器并被安装在墙壁或天花板上以向GPS重发器传输GPS信号。室内GPS接收机测量通过GPS传输天线从GPS开关重发器传输的信号，并计算GPS传输天线与室内GPS接收机之间的距离。测量服务器通过将在GPS传输天线和GPS开关重发器中测量的值应用于测量算法来估计室内GPS接收机的位置。在此发明中，不存在关于定向天线的任何信息。在美国专利号US2003066345中，一种系统包括遍布服务区域放置的多个传输单元。每个传输单元反复地传输包括关于与传输单元相关联的位置有关的位置信息的信号。接收单元接收从传输单元传输的信号并基于接收到的指示来确定接收单元的位置。传输单元被放置为提供服务区域的均匀覆盖，因此提供其中GPS不适当地运转的室内和市区中的定位(position location)。US2003066345公开了一种用于使用RF路标设置(signposting)的自动化定位的系统和方法。此申请是关于通过使用RF信号进行的位置发现。在此发明中，不存在关于GPS系统的任何信息。已经存在用以找到室内位置的广泛研究努力，并且存在通过利用不同的RF技术的定位原型系统。这些RF技术中的某些使用建筑物内新安装的RF基础设施，并且这些系统中的某些使用已经可用的RF基础设置来找到位置。例如，在[I]中将超宽带微波系统用于资产定位系统，并且在[2]中概括了基于新安装设备的这些位置发现技术中的某些。这些系统将其自己的硬件用于定位并因此获得高度准确的位置。然而，这些系统的部署是复杂且相当昂贵的。还存在使用已经可用的基础设施的RF定位系统的示例，诸如WLAN[3]、蓝牙[4]、RFID[5]或GSM[6]。由于所有这些系统主要是出于通信目的部署的，所以它们中的大多数在定位准确度方面或在覆盖方面具有缺点。最后，如在[7]中的专利申请中指定的，存在通过使用天线和放大器来在室内重发GPS信号的系统。在此申请中，仅在从天空的各部分接收GPS信号方面指定了技术，并且在放大之后信号被在室内重新辐射。这种技术遭受RF信号从GPS卫星到RF重发器并随后从RF重发器到RF GPS接收机的非直接传播。在该申请中，不存在用于在GPS接收机中使用的算法的任何规范。

发明内容
本发明的目的是提供一种增加室外GPS信号到室内的覆盖的室内定位系统。本发明的进一步目的是提供一种具有与GPS的室外定位准确度相同的定位准确度的室内定位系统。


在附图中图示了被设计为实现本发明的目的的“一种室内定位系统”，在所述附图中
图I一是室内定位系统的不意图。图2—是具有定向GPS天线和GPS天线的RF GPS重发器的示意图。图3—是用于2D室内GPS示例的非视线传播。图4一是定向GPS天线的示意图。图5—是GPS天线的测量回波损耗(return loss)、定向GPS天线的仿真回波损耗和定向GPS天线的测量回波损耗对比频率的图示。图6—是GPS天线和定向GPS天线各自的仿真和测量辐射图的图示。图7—是Phi ( Φ )= O和Phi ( Φ )= 90度平面中的定向GPS天线的测量辐射图的图示。图8 — GPS接收机的位置计算方法的图示。图9一是“距离” 一 “发生次数”平面中的GPS接收机的分布的图示。图10—是“距离” 一 “尝试次数”平面中的GPS接收机的计算位置和GPS接收机的实际位置的图示。参考符号列表
I室内定位系统
2、2a、2b、2c定向 GPS 天线
3、3a、3b、3cRF GPS 重发器 4带通滤波器
5低噪放大器 6、6a、6b、6c GPS 天线
7GPS接收机
8GPS接收机的天线100位置计算方法
S、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8 GPS 卫星 T传输线 B建筑物 P接地板
C圆锥形浮置反射器(floating reflector)
Rl、R2、R3从GPS卫星到RF GPS重发器的距离 R3、R4、R5从RF GPS重发器到GPS接收机的距离 Ml、M2、M3 GPS卫星位置 N1、N2、N3 RF GPS接收机位置。
具体实施方式

参考图I，室内定位系统(I)包括用于拾取来自至少三个GPS卫星(SI、S4和S7)的特定GPS信号的至少三个定向GPS天线(2a、2b和2c)、用于将来自定向GPS天线(2a、2b和2c)的GPS信号放大的至少三个RF GPS重发器(3a、3b和3c)、用于向室内传输来自RFGPS重发器(3a、3b和3c)的GPS信号的至少三个GPS天线(6a、6b和6c)、用于通过其(7)天线(8)拾取来自GPS天线(6a、6b和6c)的GPS信号的至少一个GPS接收机(7)和用于计算GPS时间并二维地找到定位的位置计算方法(100)。如果存在三个RF GPS重发器(3)，则可以进行2D定位且GPS时间可以变成可用的。如果存在四个RF GPS重发器(3)，则可以进行3D定位且GPS时间可以变成可用的。参考图2，每个RF GPS重发器(3)包括用以降低噪声水平的带通滤波器(4)、用以将GPS信号放大的低噪放大器(5)和用于从定向GPS天线(2)向GPS天线(6)传输GPS信号的传输线(T)。在定向GPS天线(2)与RF GPS重发器(3)之间和在RF GPS重发器(3)与定向GPS天线(2)之间也存在传输线(T)。定向GPS天线(2)在特定的角方向上辐射更大的功率，这允许传输、接收和减少来自不期望的源的干扰方面的增加的性能。在室内定位系统(I)中，定向GPS天线(2a、2b和2c)位于建筑物(B)、隧道、矿井或瓦碌外面。如果在室外使用GPS天线(6a、6b和6c)而不是定向GPS天线(2a、2b和2c )，则一个GPS信号被多个GPS天线(6a、6b和6c )拾取。因此，当这些GPS信号被重新辐射到建筑物(B)中时，它们在建筑物(B)内部相互干扰。因此，这减小室内的GPS信号覆盖，因为GPS信号的干扰衰退并在建筑物(B)内部形成深零点(deepnull)。此干扰还在找到GPS接收机(7)的位置时增加误差。在室内定位系统(I)中，一个GPS卫星(S)仅被仅一个定向GPS天线(2)拾取。例如；如在图I中看到的，由于它们辐射图的适当设计，定向GPS天线(2a)从仅一个GPS卫星(SI)拾取GPS信号，其中，另一定向GPS天线(2b)从仅另一 GPS卫星(S4)拾取GPS信号，并且另一定向GPS天线(2c)从仅另一 GPS卫星(S7)拾取GPS信号。定向GPS天线(2)拾取落到它们主波束方向中的所有GPS卫星(S)信号。可以选择这些天线(2a、2b和2c)的方向性，使得可以调整交叉GPS信号水平。
在本发明中，将定向GPS天线(2 )与侧圆锥形浮置反射器(C)一起使用以增加它们
(2)方向性，如图4中所示。参考图4，在定向GPS天线(2)的设计中使用放置于接地板(P)上的GPS天线(6)，并且通过圆锥形浮置反射器(C)的使用来实现方向性增加。本发明中的定向GPS天线(2a、2b和2c)优选地在1575. 42 MHz频率下工作，具有RHCP (右旋圆极化)。侧圆锥形浮置反射器(C)优选地由金属制成并且增加定向GPS天线(2)的方向性。圆锥形浮置反射器(C)不接触接地板(P)。在诸如碟形天线的许多天线中使用来自金属的反射以增强天线的增益。到达天线的许多波被以同相地从金属表面反射以增加天线处的信号水平。在定向GPS天线(2)设计中使用GPS天线(6)，并且通过GPS天线(6)周围的圆锥形浮置反射器(C)的使用来实现方向性增加。制造圆锥形浮置反射器(C)并将其与GPS天线(6)集成，并且最后测量定向GPS天线(2)的性能。在图5中可以看到本发明中的具有GPS天线(6)的测量回波损耗的定向GPS天线
(2)的仿真和测量回波损耗。如在图5中看到的，圆锥形浮置反射器(C)略微改变输入阻抗。然而，定向GPS天线(2)在1575.42 MHz频率下仍具有小于12 dB的回波损耗。RF GPS重发器(3)通过用位于建筑物(B)外面的定向GPS天线(2)来接收GPS信号来操作并将那些GPS信号重新辐射到室内区域或被覆盖空间。当从定向GPS天线(2)接收到GPS信号时，GPS信号首先被带通滤波器(4)滤波，此后被用低噪放大器(5)放大并最后再次被带通滤波器(4)滤波，并且然后被RF GPS重发器(3)重新辐射到建筑物(B)中。在放大之后，GPS信号被通过GPS天线(6)传输到GPS接收机(7)。具有天线(2、6)的典型RF GPS重发器(3)如图2所示。本发明中的RF GPS重发器(3a、3b和3c)仅要求DC (直流)功率。
GPS天线(6)从RF GPS重发器(3)接收GPS信号并将该GPS信号传输到GPS接收机(7 )。每个GPS天线(6 )在相关定向GPS天线(2 )的频率处匹配良好并具有右旋圆极化。在图6中可以看到本发明中的GPS天线(6)和定向GPS天线(2)的仿真和测量辐射图。定向GPS天线(2)的3 dB波束宽度是60度。增益在波束宽度角减小时增加。在图6中可以容易地看到与圆锥形浮置反射器(C)的波束宽度角的减小。定向GPS天线(2)的轴比被测量为I dB，其指示定向GPS天线(2)在GPS频率下是圆极化的，如图7所示。定向GPS天线(2)的仿真增益是10 dB，并且整个系统(GPS天线(6)和圆锥形浮置反射器(C))的测量最大增益是9 dB。GPS天线(6)的仿真增益是4 dB。圆锥形浮置反射器(C)带给GPS天线(6)附加的5 dB增益。GPS接收机(7)通过其(7)天线(8)拾取来自GPS天线(6)的GPS信号并计算定位。在本发明中，GPS接收机(7)优选地在1575. 42 MHz频率下操作。在本发明中，GPS接收机(7 )还具有新颖位置计算方法(100 )。位置计算的智能方式是从规定方向拾取特定GPS信号并将仅来自被连接到定向GPS天线(2)的该RF GPS重发器(3)的该GPS信号放大。对于2D定位而言，这应至少针对用于三个不同RF GPS重发器(3)的三个不同GPS信号进行重复。这减轻用于GPS信号的自干扰的问题。对于GPS接收机(7)的位置的计算，GPS接收机(7)测量室内的伪距(距离+时钟偏移+时间延迟)。然而，当GPS信号来自GPS卫星(S)时，它们遵循RF路径GPS卫星(SI或S4或S7)至RF GPS重发器(3a或3b或3c)和RF GPS重发器(3a或3b或3c)至GPS接收机(7)，其如图I所示不是直线。由于RF路径不是直线且还包括RF GPS重发器(3)、低噪放大器(5)、带通滤波器(4)、传输线(T)和天线(2、6)延迟，所以使用未修正伪距测量的GPS接收机(7)在有误差的情况下计算其(7)位置。假设可以借助于网络分析器在先地测量来自定向GPS天线(2 )、GPS天线(6 )、带通滤波器(4 )、低噪放大器(5 )和传输线(T )的RFGPS重发器(3)中的所有硬件延迟并根据伪距测量来进行校准。在这种情况下，如果GPS接收机(7)使用未修改定位计算算法，则其(7)尝试对用于2D定位的以下方程组(Y)求解
权利要求
1.一种室内全球定位系统(1)，包括用于拾取来自至少三个GPS卫星(S1、S4和S7)的特定GPS信号的至少三个定向GPS天线(2a、2b和2c )、用于将来自定向GPS天线(2a、2b和2c)的GPS信号放大的至少三个RF GPS重发器(3a、3b和3c)、用于向室内传输来自RF GPS重发器(3a、3b和3c)的GPS信号的至少三个GPS天线(6a、6b和6c)、用于通过其(7)天线(8)拾取来自GPS天线(6a、6b和6c)的GPS信号的至少一个GPS接收机(7)，并且其特征在于用于计算GPS时间并二维地找到定位的位置计算方法(100)，该方法包括步骤 -测量用于不同GPS卫星(S)的伪距(101)， -判定RF GPS重发器(3)- GPS卫星(S)对(102)， -对近似GPS接收机(7)的时钟偏移求解(103)， -获得GPS卫星(S)的位置(104)， -计算RF GPS重发器(3)与GPS卫星(S)之间的距离(105)， -修改测量的伪距(106), -通过使用LS (最小二乘)或确切算法来测量GPS接收机(7)的室内位置以及GPS卫星(S)与GPS接收机(7)的时钟之间的时钟偏移(107)， -检验测量的GPS接收机(7)的室内位置准确度(108)， -在检验测量的GPS接收机(7)室内位置准确度(108)的步骤中，如果测量的GPS接收机(7)室内位置是不准确的，则GPS接收机(7)找到GPS接收机(7)的位置并随后计算GPS卫星(S)的位置(103)(换言之，转到103的步骤)， -在检验测量的GPS接收机(7)室内位置准确度(108)的步骤中，如果测量的GPS接收机(7)的室内位置是准确的，则停止位置计算操作(109)。
2.如权利要求I所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于RFGPS重发器(3)包括用以降低噪声水平的带通滤波器(4)、用以放大GPS信号的低噪放大器(5)和用于从定向GPS天线(2 )向GPS天线(6 )传输GPS信号的传输线(T )。
3.如权利要求I或权利要求2所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于定向GPS天线(2)与侧圆锥形浮置反射器(C) 一起使用以增加它们(2)的方向性。
4.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(I)，其特征在于GPS接收机(7)包括由RF GPS重发器(3a、3b和3c)内部的带通滤波器(4)、低噪放大器(5)和传输线(T)引起的RF GPS重发器(3a、3b和3c)的位置和时间延迟值的数据库。
5.如权利要求4所述的室内全球定位系统(I),其特征在于GPS接收机(7)从其数据库知道RF GPS重发器(3a、3b和3c)的位置，并且还从GPS消息知道ECEF (地心地固坐标系)中的GPS卫星(S)的角坐标。
6.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在测量用于不同GPS卫星(S)的伪距(101)和修改测量的伪距(106)的步骤中，伪距包括GPS接收机(7)和GPS卫星(S)与实际GPS时间的时钟偏移值、RF GPS重发器(3a、3b和3c)的时间延迟值及诸如GPS卫星(S)仪器延迟、电离层效应和对流层效应和地球旋转的不期望效应。
7.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在测量用于不同GPS卫星(S)的伪距(101)和修改测量的伪距(106)的步骤中，由GPS接收机(7)根据GPS消息来确定GPS卫星(S)与实际GPS时间的时钟偏移值。
8.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在判定RFGPS重发器(3) — GPS卫星(S)对的步骤(102)中，基于RF GPS重发器(3a、3b和3c)的角信息和GPS信号来确定哪些GPS信号来自哪个RF GPS重发器(3)。
9.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在对近似GPS接收机(7)时钟偏移求解的步骤(103)中通过让GPS接收机(7)用测量和未修改的伪距来获得定位并根据该近似GPS时间解获得时钟偏移来找到近似GPS时间。
10.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(I)，其特征在于根据GPS接收机(7)的近似GPS时间来执行获得GPS卫星(S)的位置的步骤(104)。
11.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(I)，其特征在于通过取GPS卫星(S)代码与本地生成的GPS代码的相关来执行计算RF GPS重发器(3)与GPS卫星(S)之间的距离的步骤(105)。
12.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于通过如在方程组(Z)中给定的那样从测量的伪距减去RF GPS重发器(3)与GPS卫星(S)之间的距离及诸如GPS接收机(7)和GPS卫星(S)与实际GPS时间的时钟偏移值、RF GPS重发器(3a、3b和3c)的时间延迟值的对伪距的不期望效应和诸如GPS卫星(S)仪器延迟、电离层效应和对流层效应以及地球旋转的不期望效应来修改测量的伪距
13.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在通过使用LS或确切算法来测量GPS接收机(7)的室内位置以及GPS卫星(S)和GPS接收机(7)的时钟之间的时钟偏移的步骤(107)中在三个圆的交集中对方程组(Z)求解。
14.如权利要求4至9中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在通过使用LS或确切算法来测量GPS接收机(7)的室内位置以及GPS卫星(S)和GPS接收机(7)的时钟之间的时钟偏移的步骤(107)中在两个双曲线的交集中对方程组(Z)求解。
15.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于在通过使用LS或确切算法来测量GPS接收机(7)的室内位置以及GPS卫星(S)和GPS接收机(7)的时钟之间的时钟偏移的步骤(107)中使用TDOA三角测量来找到GPS接收机(7)的室内位置以及时钟偏移。
16.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于通过将用来找到GPS卫星(S)位置并去除不期望效果的时钟偏移解与定位之后的时钟偏移解相比较来执行检验所测量的GPS接收机(7)室内位置准确度的步骤(108)。
17.如前述权利要求中的任一项所述的室内全球定位系统(1)，其特征在于通过比较(103)的步骤处的时钟偏移值与(107)的步骤处的时钟偏移值之间的差的绝对值是否小于·O.Ims来执行检验测量的GPS接收机(7)室内位置准确度的步骤(107)。
全文摘要
本发明包括用于从至少三个GPS卫星(S)拾取特定GPS信号的至少三个定向GPS天线(2)、用于将来自定向GPS天线(2)的GPS信号放大的至少三个RFGPS重发器(3)、用于向室内传输来自RFGPS重发器(3)的GPS信号的至少三个GPS天线(6)、用于通过其(7)天线(8)来拾取来自GPS天线(6)的GPS信号的至少一个GPS接收机(7)、新颖位置计算方法(100)并涉及增加室外GPS信号到室内的覆盖。
文档编号G01S19/11GK102782521SQ200980163234
公开日2012年11月14日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者A.博库特, I.特金, K.奥滋索伊 申请人:萨班吉大学