[发明专利]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

说明书

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20-30 dB），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1；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，M1、M2和M3是GPS卫星位置；并且N1、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1、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。