專利名稱：使用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行隧道內(nèi)定位的系統(tǒng)的制作方法
使用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行隧道內(nèi)定位的系統(tǒng)
本發(fā)明提出了一種使用通常用于室外定位的衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量隧道 內(nèi)物體位置的系統(tǒng)。提出的系統(tǒng)能夠確定物體的位置和它在隧道內(nèi)的 速度，測(cè)量誤差約為幾十米。
提出的系統(tǒng)包括兩個(gè)既分離又彼此交互的部件，在下文被稱作子 系統(tǒng)，其詳細(xì)特4正如下。
1. 第 一個(gè)子系統(tǒng)包括在隧道內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的所有必要的功 能。
2. 第二個(gè)子系統(tǒng)是一個(gè)嵌入在用于定位的通用衛(wèi)星接收機(jī)上 的處理器，此處理器用于執(zhí)行根據(jù)包含在衛(wèi)星信號(hào)中的信 息計(jì)算隧道內(nèi)物體的位置所需的所有功能，所述衛(wèi)星信號(hào) 通過前述的第 一個(gè)子系統(tǒng)在隧道內(nèi) 一皮重發(fā)射。
根據(jù)不同的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，用于將衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射到隧道中的子系 統(tǒng)可以以兩種不同的模式來運(yùn)行直接發(fā)射和引導(dǎo)發(fā)射。對(duì)于每一個(gè) 運(yùn)行模式此系統(tǒng)具有不同的發(fā)射子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。
圖1示出了用于在隧道內(nèi)的發(fā)射的直接發(fā)射子系統(tǒng)方案?？梢娦l(wèi) 星發(fā)射的信號(hào)被位于隧道外并靠近隧道入口的適宜的導(dǎo)向天線接收。 隨后，這些信號(hào)被子系統(tǒng)AMP所放大并通過傳輸線LT發(fā)送到位于入 口或隧道內(nèi)的電》茲發(fā)射器RAD中。
圖2示出了本發(fā)明的主體，用于在隧道內(nèi)的發(fā)射的引導(dǎo)發(fā)射子系 統(tǒng)方案。可見衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)一皮位于隧道外部并靠近隧道入口的天線 所接收。隨后，這些信號(hào)被圖2中所示的子系統(tǒng)AMP所放大并通過傳 輸線LT作為輸入傳送到圖2中所示的電光變換器E/0中，此電光變 換器的主要任務(wù)是將這些信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)或多個(gè)不同長(zhǎng)度的光纖F0 上。每一個(gè)F0的端點(diǎn)接在光電轉(zhuǎn)換器0/E上，并且轉(zhuǎn)換所得的電信 號(hào)作為輸入被送到電磁發(fā)射器RAD中。發(fā)射器RAD可以隨意布置或者 有翔L律的以間距d沿隧道側(cè)面(profile);故置。多條光纖沿著隧道 的縱向延展。
在隧道內(nèi)以直接或引導(dǎo)方式發(fā)射的衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)受同樣的隧道傳 播延遲。這一附加的延遲的值直接依賴于隧道入口和位于隧道內(nèi)的衛(wèi) 星接收機(jī)之間的距離。由于在隧道內(nèi)的傳播所導(dǎo)致的附加延遲直接加 到與從衛(wèi)星到隧道入口的每個(gè)通道相關(guān)聯(lián)的傳播延遲上。
從此考慮出發(fā)，可以看到從衛(wèi)星到隧道內(nèi)的接收機(jī)的整個(gè)通道可以被方便的劃分為兩個(gè)部分
1. 衛(wèi)星和位于隧道外靠近隧道入口的天線之間的通道；
2. 從接收天線延伸到隧道內(nèi)的衛(wèi)星接收機(jī)的隧道內(nèi)的通道。 由于隧道內(nèi)的傳播導(dǎo)致的附加延遲在通用衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離的測(cè)量中會(huì)帶來附加的錯(cuò)誤，表示為偽距。這一附加的錯(cuò)誤可以 通過在偽距公式中引入表示隧道內(nèi)重發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過的距離并以曲 線坐標(biāo)表示的新的未知數(shù)而被計(jì)算出來。用s來表示該曲線坐標(biāo)，則 用于通用衛(wèi)星的偽距公式可以被重寫如下
<formula>complex formula see original document page 5</formula> 這里(x，y，z)是隧道入口的坐標(biāo)；(xk，yk, zk) k=l,2，...，Ns，是可見 衛(wèi)星Ns的坐標(biāo)；s是衛(wèi)星接收機(jī)到隧道入口的距離，Cb是時(shí)鐘偏差， 此時(shí)鐘偏差隨時(shí)間的行為可以通過已知且非常精確的數(shù)學(xué)模型預(yù)估 出來。當(dāng)衛(wèi)星接收機(jī)在隧道外時(shí)s=0。
用于定位的常規(guī)衛(wèi)星接收機(jī)沒有安裝硬件/軟件處理子系統(tǒng)，此 子系統(tǒng)能夠提取包含在全部時(shí)鐘偏差，即s+Cb，中的s值。因而s成 為常規(guī)衛(wèi)星接收機(jī)的附加噪音，這會(huì)在位置評(píng)估中引入顯著的錯(cuò)誤并 且當(dāng)此值增大到超過門限時(shí)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)操作的擁塞。
為了避免這種不便，有必要在常規(guī)或現(xiàn)在的衛(wèi)星接收機(jī)中嵌入新 的處理器P,本發(fā)明的主體，如圖3所示。
在圖3所示的方案中，衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)在隧道內(nèi)被重發(fā)射并被衛(wèi) 星接收機(jī)天線ANT-RIC所接收。此后信號(hào)被解調(diào)并被常規(guī)的子系統(tǒng) RCS處理以便獲得偽距和相位的測(cè)量結(jié)果。這些數(shù)據(jù)作為輸入被傳遞 到處理子系統(tǒng)ELAB中，其主要任務(wù)是確定偽距和/或相位數(shù)據(jù)以及全 部時(shí)鐘偏差Cb+s。
ELAB輸出的偽距和全部的時(shí)鐘偏差數(shù)據(jù)作為輸入被傳遞到新處 理器P中，其主要任務(wù)是從已測(cè)量的全部時(shí)鐘偏差，即Cb+s，開始計(jì) 算接收機(jī)在隧道內(nèi)的位置。
處理器P能夠通過使用硬件、軟件或軟硬件相結(jié)合的技術(shù)被實(shí)現(xiàn)。 如圖4所示，處理器P的功能可以通過引入兩個(gè)獨(dú)立的子處理器Pl 和P2來it明。Pl和P2都與圖4所示的通用衛(wèi)星"t妻收^/L子系統(tǒng)有沖妄口 ， 它們的任務(wù)將在下面詳細(xì)闡述。
子處理器Pl通過使用被ELAB子系統(tǒng)所測(cè)量的全部時(shí)鐘偏差數(shù)據(jù) 來確定接收機(jī)位于隧道的內(nèi)部還是外部。當(dāng)接收機(jī)位于隧道外部時(shí)， 如用N0標(biāo)記的箭頭所示，偽距和/或相位數(shù)據(jù)被直接傳遞到PRES子 系統(tǒng)，從而計(jì)算接收機(jī)位置并把此信息顯示給最終用戶。
當(dāng)接收機(jī)位于隧道內(nèi)部時(shí)，如用YES標(biāo)記的箭頭所示，來自于 ELAB的數(shù)據(jù)被作為輸入發(fā)送到子處理器P2中，P2的任務(wù)是根據(jù)被評(píng) 估的曲線坐標(biāo)s來修正偽距和/或相位數(shù)據(jù)，s與位于隧道入口處的天 線和位于隧道內(nèi)的接收機(jī)位置之間的距離是直接成比例的。此后，更 新后的數(shù)據(jù)被傳送到PRES子系統(tǒng)中以便計(jì)算接收機(jī)位置并把此信息 顯示給最終用戶。
Pl和P2的實(shí)現(xiàn)算法均以ELAB子系統(tǒng)提供的全部的時(shí)鐘偏差信息 s+Cb為基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種基于用于導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)所發(fā)射的信號(hào)定位隧道內(nèi)物體的系統(tǒng)，其特征在于，包括一個(gè)以直接或引導(dǎo)發(fā)射模式在隧道內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的子系統(tǒng)和用于處理從隧道內(nèi)所發(fā)射的信號(hào)中所獲得的數(shù)據(jù)的第二個(gè)子系統(tǒng)P，子系統(tǒng)P嵌入在通用衛(wèi)星接收機(jī)內(nèi)，位于用于測(cè)量偽距/相位的子系統(tǒng)ELAB和用于位置計(jì)算的子系統(tǒng)PRES之間，用于確定位于隧道內(nèi)的接收機(jī)位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括用于在隧道內(nèi)直接 發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)由接收天線ANT-RIC，放大器 AMP和一個(gè)隧道內(nèi)的電磁發(fā)射機(jī)(RAD )組成，并通過長(zhǎng)度與預(yù)期測(cè) 量精度相匹配的電纜、波導(dǎo)管或光纖連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括用于在隧道內(nèi)引導(dǎo) 發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)包括位于隧道外用于接收衛(wèi)星 信號(hào)的接收天線ANT-RIC,放大器AMP,如果必要，還包括傳輸線 LT用于把信號(hào)作為輸入發(fā)送到電光轉(zhuǎn)換器E/0上，所述電光轉(zhuǎn)換器 在多個(gè)光纖F0上發(fā)送信號(hào)集，每個(gè)光纖先連接到光電轉(zhuǎn)換器0/E， 之后連接到電磁發(fā)射機(jī)RAD。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括子系統(tǒng)P,當(dāng)嵌入 在用于定位的衛(wèi)星接收機(jī)內(nèi)時(shí)，通過使用在Pl子處理器中執(zhí)行的 算法，所述子系統(tǒng)P使用包含于在隧道內(nèi)被重發(fā)射的衛(wèi)星信號(hào)內(nèi)的 信息而確定接收機(jī)是否位于隧道內(nèi)部或外部，并在接收才幾位于隧道 內(nèi)時(shí)，使用在子處理器P2中執(zhí)行的算法評(píng)估接收機(jī)所在的位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括子系統(tǒng)P1，當(dāng)嵌入 在用于定位的衛(wèi)星接收機(jī)內(nèi)時(shí)，所述子系統(tǒng)Pl使用從接收到的衛(wèi) 星信號(hào)中所獲得的全部時(shí)鐘偏差信息來確定接收機(jī)是否位于隧道 內(nèi)部或外部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括子系統(tǒng)P2，當(dāng)嵌入 在用于定位的衛(wèi)星接收機(jī)內(nèi)時(shí)，所述子系統(tǒng)P2使用從在隧道內(nèi)發(fā) 射的衛(wèi)星信號(hào)中所獲得的全部時(shí)鐘偏移信息來計(jì)算隧道內(nèi)接收機(jī)的位置，所述衛(wèi)星信號(hào)由在權(quán)利要求2或3中所述的子系統(tǒng)所發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種使用衛(wèi)星信號(hào)定位隧道內(nèi)物體、人、車輛等的系統(tǒng)，所述衛(wèi)星信號(hào)通常用于室外定位。此系統(tǒng)能夠與每一種實(shí)際使用的衛(wèi)星無線定位系統(tǒng)協(xié)同工作，例如GPS/GLONASS及下一代技術(shù)GALILEO。此系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成一種用于在隧道內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的系統(tǒng)和一種硬件、軟件或軟硬件結(jié)合形式的處理器，此處理器附加在用于定位的通用衛(wèi)星接收機(jī)上，用于處理從在隧道內(nèi)被重發(fā)射的衛(wèi)星信號(hào)中收集到的信息以便確定在隧道內(nèi)的物體、人、車輛等的位置。
文檔編號(hào)G01S5/14GK101203771SQ200580049605
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者佛朗哥·馬曾加, 吉諾·迪曼布羅, 安東尼奧·薩伊托 申請(qǐng)人:佛朗哥·馬曾加;安東尼奧·薩伊托;吉諾·迪曼布羅