專利名稱：一種內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統的制作方法
技術領域：
本發明是一種內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，屬于內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統的改造技術。
背景技術：
全球導航衛星系統(GNSS)已被世界各地的人民廣泛應用于其生活的各方面。每年已售出數千萬的個人導航設備(PND)和具備全球衛星導航功能的手機。全球導航衛星系統也廣泛應用于工業，農業，軍事，建筑，交通運輸和安全應用。目前最主要的運行系統是美國的全球定位系統(GPS)(圖I)。歐洲的伽利略，俄羅斯的GN0LASS和中國的北斗II也在不久的將來能夠與GPS系統競爭的定位系統。GNSS系統是由20至30顆中等地球軌道衛星I組成的，每個衛星在其準確的原子鐘控制下廣播其不同的偽隨機噪聲和其星歷表。用戶設備2(GNSS接收機)解碼偽隨機噪聲并獲得衛星信號傳送到用戶位置的時間。當對有4顆 以上的衛星的信號進行跟蹤時，用戶的三維位置和用戶時鐘偏移就能解算出來。GNSS系統也可以為通信網絡的同步提供準確的時間信號。實際上，GNSS系統正被廣泛應用于現代蜂窩網絡的同步。全球定位系統雖然為人們提供了巨大的便利，但它也有它的限制。絕大多數的用戶都只配備了廉價的單頻LI頻段接收機。它們在最好的情況下測量精度僅為10米左右。大多數誤差是由于電離層延遲估計誤差(7. I米)，衛星的時鐘誤差(I. I米)和相對于它的廣播星歷的衛星位置誤差(0.8米)。為了提高精確度，美國開發了基于衛星的增強系統(SBAS)。在沒有增加用戶設備硬件復雜度的情況下，SBAS系統可提高約10米至2米的GPS定位精度。SBAS系統由數顆地球靜止衛星組成，用于廣播GPS衛星時鐘，星歷，位置和速度以及電離層延遲的校正信息，地面參考站，主控制系統和上行鏈路中繼到地球同步軌道衛星的信息。不幸的是，這個系統十分昂貴。它涵蓋世界各地的面積有限。SBAS目前僅在北美(WAAS)，歐盟(EGNOS)和日本(MSAS)運行。SBAS并沒有覆蓋包括中國的大部分，俄羅斯和非洲的遼闊地區。在一些區域如被高層建筑充滿的大城市，被樹木和枝葉覆蓋的農村地區或者在室內，GPS信號都能夠被遮擋。獨立的GPS設備可能無法獲得足夠的GPS衛星信號來計算用戶的位置。在這些條件下，人們可以利用網絡輔助GPS(A-GPS)技術(美國專利6625458)。當沒有GPS信號接收時，A-GPS接收機用手機基站提供的信息定位。當GPS信號弱時，具有A-GPS功能的接收機可以通過一個通用的蜂窩網絡來獲得星歷和年歷。A-GPS也可以從蜂窩網絡獲得粗頻和碼延時信息以幫助GPS信號的采集。高通公司的GPSOne就是這樣的一個實現例子。它是由A-GPS終端3，(通常是移動手機內置GPS接收器)；一個能夠提供GPS輔助信息如衛星星歷與當GPS信號太弱時，無法解碼的從中央定位服務器6到A-GPS接收機的年歷的蜂窩網絡4組成。A-GPS可以比獨立的GPS系統有更高的的可用性。但它不能提高GPS定位的精度。在沒有增強SBAS的系統下，A-GPS在最佳條件下，精度為10米。在美國，歐盟和日本，SBAS是有效的，GPS和A-GPS接收機能獲得更好的精度。如果接收機可以從地球靜止WAAS衛星獲得SBAS信號或從蜂窩網絡4獲得SBAS信息，精度可達2米。由于A-GPS系統不是一個差分增強系統，它不需要蜂窩基站配備GPS接收機。所有的A-GPS輔助信息是從GPS或SBAS衛星獲得的沒有任何進一步修改或更正的信息。該系統不計算任何衛星鐘差、軌道誤差、電離層和對流層的誤差。提高GPS定位精度的一個方法是使用一個專門的連續運行參考站網絡(CORS)。它通常是基于一套固定地理位置的參考站提供的差分信號，來修正電離層的延時，衛星時鐘和軌道誤差，對流層延遲誤差。舉個例子，Trimble的虛擬參考站技術(VRS)是由3個或更多的用于測量衛星信號的高精度參考站和用于在參考站和用戶之間，中央服務器和用戶，以及中央服務器軟件之間傳遞信號的專用高速網絡組成。參考站計算修正信息通過高速網絡傳遞到最終的用戶。通常參考站同時測 量偽距和載波相位，而定位軟件則是基于實時動態(RTK)技術。這些系統可以達到厘米級的驚人精度。但系統的通信網絡主要采用了專有的標準，而不是開放式蜂窩網絡標準，如目前的2G，2. 5G，3G和4G網絡GSM，CDMA, WCDMA,CDMA2000, TD-SDMA或LTE。與蜂窩網絡相比，專有的網絡能夠支持的用戶數量和覆蓋面積都要小很多。它不能支持語音通話。視頻、數據和物聯網的接入也顯然不行。目前CORS系統還需要專用的，昂貴的接收機來解碼和實現定位的更正。由于這些原因，系統的建設和維護是極其昂貴的，并且只能覆蓋世界的小部分領域。高精度定位的重要用途之一是結構健康監測。基于實時動態(RTK)技術的GPS系統能夠提供厘米級的相對運動監測精度。因此，它是流行的大型結構如高層建筑和橋梁的健康監測方式。目前為止，這類型的監測系統都是以專用的RTK網絡形式實現的。如果有多個多功能的傳感器，如應變傳感器，風力和濕度以及壓力傳感器，也能對結構健康測量提供不少便利。壓電變換器可誘發結構的機械振動，通過壓電傳感器獲取它的響應來分析結構的力學變化。與傳感器的輸出相結合，監控系統能更有效。當前的系統都是孤立的部分，每一個系統對應一個結構，而通過一個聯網的中央位置監控連接不同結構的所有傳感器的輸出應該是最佳的選擇。

發明內容
本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種成本低，定位準確的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統。本發明設計合理，方便實用。本發明的技術方案是本發明的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，包括有蜂窩基站、裝設在蜂窩基站附近固定位置的衛星定位接收機、蜂窩系統的核心網絡、蜂窩網絡的定位增強服務器、移動終端，蜂窩基站與裝設在蜂窩基站附近固定位置的衛星定位接收機及移動終端組成蜂窩網絡，蜂窩系統的核心網絡分別與蜂窩基站及蜂窩網絡的定位增強服務器連接，且蜂窩網絡的蜂窩基站的電腦上設有數據采集和管理軟件模塊，蜂窩網絡的定位增強服務器上裝有中央廣域增強系統服務器軟件，移動終端上裝有廣域增強系統客戶端軟件。上述標準用戶使用的移動終端是指手機或者集成了 GNSS接收模塊和上述所說的蜂窩網絡通信模塊的汽車導航設備。上述標準用戶使用的移動終端是能夠進行載波相位測量的GNSS接收模塊，和用于蜂窩網絡的高速通信模塊。
上述中央廣域定位增強服務器與不同蜂窩網絡的用戶之間設有能建立廣域增強系統信息路徑的增強系統數據交換服務器。上述移動終端與蜂窩網絡之間還設有傳感器網絡，傳感器網絡通過Zigbee集線器與蜂窩網絡的通信接口連接。上述傳感器網絡包括帶Zigbee收發器的傳感器，移動終端通過帶Zigbee收發器的傳感器形成一個或多個ZigBee網絡,并與一個或多個結構健康監測的ZigBee樞紐連接到蜂窩網絡。上述帶Zigbee收發器的傳感器包括應變傳感器，壓電傳感器和壓電換能器。上述蜂窩網絡是基于其中一個通用和開放的標準GSM，CDMA, WCDMA, CDMA2000,TD-SCDMA LTE并提供移動電話，短信和互聯網連接；上述衛星定位接收機輸出原始數據包括偽距，多普勒頻移，載波相位測量以及衛星星歷；上述衛星定位接收機接收來自一個或多、個衛星定位星座的一個或多個衛星定位頻率。上述數據采集和管理軟件模塊運行在蜂窩基站的電腦上以記錄環形緩沖器中的原始數據；上述廣域增強系統服務器軟件通過主機蜂窩網絡從蜂窩基站的電腦獲得原始數據，解決每個空間網格上的電離層和對流層延時修正，并修正衛星的鐘差和軌道誤差；上述廣域增強系統服務器軟件是基于相鄰基站載波相位測量的雙差算法之上；上述廣域增強系統服務器軟件是基于載波相位測量整周模糊度的解決；上述廣域增強系統服務器軟件通過蜂窩網絡向移動終端發送電離層延遲，對流層延遲，衛星軌道誤差和鐘差修正信息。上述高精度定位用戶的廣域增強系統客戶端軟件通過移動設備和最近的基站獲得電離層和對流層延時修正，衛星軌道和時鐘偏移和載波相位測量來解決整周模糊度，并獲得高精度定位；上述廣域增強系統客戶端軟件通過蜂窩網絡整合廣域增強系統的電離層和對流層延遲，衛星軌道誤差和鐘差的修正信息于定位解算中。本發明與現有技術相比，本發明利用現有的蜂窩網絡的硬件，嵌在一個通用的蜂窩網絡系統上。本發明在不增加任何硬件的情況下，增強系統使用現有的衛星定位接收機，無線和寬帶通信網絡和中央服務器的計算資源，為移動用戶提供定位服務。本發明的廣域增強系統，以覆蓋數十億手機用戶的大面積，同時該系統還可以為付費用戶和結構健康監測提供高精度的定位(厘米級)。本發明是一種低成本，定位準確的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統。


圖I是一個典型的全球導航衛星系統美國的GPS系統，包括GPS衛星I和移動用戶2 ；圖2是一個由高通公司實現的衛星定位輔助網絡(A-GPS)，GPSOne。當衛星定位信號很弱時，中央輔助服務器6通過蜂窩網絡為A-GPS用戶提供精確的衛星軌道和時鐘信
肩、O圖3是一個典型的標準通用蜂窩網絡系統的拓撲結構。由基站4的和它附近的固定位置的衛星定位接收機8組成，衛星定位接收機為網絡10和用戶9提供精確的同步。圖4是本發明嵌入式的衛星定位增強系統架構。圖5是本發明嵌入式廣域增強系統和主機蜂窩網絡系統的拓撲結構。
圖6是本發明嵌入增強系統服務于多個蜂窩網絡(A17和B18)的多個衛星定位星座(GPS衛星I和伽利略衛星16為例)。虛線代表的是無線通信，而箭頭塊代表的是寬帶網絡。圖7是本發明高精度定位服務為基礎的健康監測系統。該系統包括一個或多個移動終端12，應變傳感器和Zigbee終端設備23，位于移動終端12或基站4 (不包括在此圖)的Zigbee集線器。圖中I、定位衛星；2、獨立的移動衛星導航接收機；3、網絡輔助衛星定位(A-GPS)接收機；4、蜂窩基站；5、蜂窩網絡；6、GPS全球定位系統輔助服務器；7、可以下載衛星輔助信息的互聯網；8、蜂窩基站附近的固定位置的衛星定位接收機；9、移動用戶；10、蜂窩系統的核心網絡；11、蜂窩網絡的定位增強服務器；12、移動終端；13、中央廣域增強系統服務器軟件；14、位于基站電腦的數據采集軟件；15、廣域增強系統客戶端軟件；16、伽利略衛星；17、 蜂窩A的核心網絡；18、蜂窩B的核心網絡；19、蜂窩A的系統增強服務器；20、蜂窩B的定位增強服務器；21、增強系統數據交換服務器；22、需要監測的結構；23、帶Zigbee收發器的傳感器；24、與蜂窩通信接口的Zigbee集線器。
具體實施例方式實施例本發明的結構示意圖如圖4所示，本發明是面向全球導航衛星系統在蜂窩網絡系統的嵌入式差分廣域增強系統和實時動態系統。本發明利用已經建立的一個現代化通訊蜂窩網絡系統的硬件和網絡資源的優勢，本發明的差分廣域增強系統不需要對蜂窩網絡主機增加任何硬件。因此，它可以大大降低系統成本。并且，它可以為廣大的移動用戶提供標準的精度以及為那些在蜂窩網絡覆蓋范圍內選定的高級用戶提供高精度定位。本發明利用現代無處不在，始終可用的覆蓋蜂窩網絡，本發明可以不需建造昂貴的專用參考站和地球靜止衛星來建立廣域增強系統和實時動態定位系統。現代蜂窩網絡如圖3所示，需要蜂窩基站之間嚴格的時間同步。例如WCDMA，部署最廣泛的3G網絡標準，為了非墜呼叫和減少網絡內的干擾，基站之間的同步誤差要小于
2.5e-06秒。目前唯一可行的解決方案是在每個蜂窩基站4部署衛星定位接收機8，用來提供時間同步。該系統具有三個主要部分衛星定位接收機，提供基站時間同步，蜂窩網絡的定位增強服務器11 ;連接蜂窩基站4和定位增強服務器11的核心網絡10。圖5是本發明嵌入式廣域增強系統和其蜂窩主機網絡系統的系統拓撲。本發明的增強系統對于蜂窩網絡無需額外的硬件。它利用其所有的主機網絡所需的硬件資源1)移動終端12提供高速無線連接到基站4。2)密集分布的衛星接收機8固定在網絡的基站4(節點B)上充當連續運行參考站(CORS)。3)連接蜂窩基站4到核心網絡10和蜂窩網絡的定位增強服務器11的高速網絡。4)蜂窩網絡的定位增強服務器11。在星基增強系統SBAS不可用的地區(中國、俄羅斯、南美、大洋洲和非洲國家)，本發明的系統是尤其有用的。它可以用最低的成本提供高度準確的定位服務。另外，本發明的系統還可以提供高精度定位服務。這樣的高精度服務目前是非常昂貴而且只在非常小的面積里可用。使用蜂窩網絡系統的硬件資源，本發明僅通過增加軟件就可以為GNSS建立一個廣域增強系統。此外，本發明的系統也可以作為一個連續運行參考站(CORS)網路，而無需額外的硬件，為高精度用戶服務。系統分為幾個軟件部分，添加到蜂窩網絡中來，建立一個廣域增強系統，如圖5所示a.在蜂窩基站4電腦上的數據采集軟件模塊14，b.在定位增強服務器11上運行的廣域增強系統服務器軟件13，c.運行在移動終端12上的廣域增強系統服務器軟件15，用于提供本地衛星定位測量的誤差修正。a.數據采集軟件模塊14數據采集軟件模塊14在蜂窩基站4的計算機上運行。其任務是記錄和管理來自衛星定位接收機的原始數據。一般地在蜂窩基站4的衛星定位接收機8不僅可以產生同步信號。它也可以測量每個可見的定位衛星的偽距，多普勒頻移和載波相位。例如，對WCDMA同步廣泛使用的衛星定位接收機，U-BLOX LEA-4T，可以輸出偽距，多普勒頻移和載波相位測量。高精度定位需要載波相位測量。此外，衛星定位接收機也輸出衛星的星歷，時鐘偏移，電離層延遲等。許多衛星定位接收機，例如LEA-4T，可以在IOHz的速率輸出原始數據。從衛星定位的原始輸出數據，可以迅速填滿蜂窩基站4計算機的有限存儲空間。但是，我們只需要本地存儲最近的測量。這個任務可以通過使用一個環形緩沖區來實現。由于廣域增強系統服務器軟件需要同步數據用以數值分析來獲得高精度定位，緩沖區需要確保衛星定位數據的時間戳的記錄。廣域增強系統服務器從環形緩沖區中獲取數據，實時計算廣域增強系統修正，轉發給需要的用戶。此外，在蜂窩基站附近的移動用戶也可以通過蜂窩無線通信通過實時動態技術實時獲得高精度定位。b.廣域增強系統服務器軟件13廣域增強系統服務器軟件13在蜂窩網絡的定位增強服務器11上運行。它的目的是分析原始數據，提煉出誤差分量。本發明的分析方法是基于差分廣域增強系統從不同的地方采集測量原始數據。原始數據包括同步的偽距離、多普勒頻漂、載波相位和衛星星歷。廣域增強系統服務器軟件解出空間格點的電離層和對流層延時和衛星鐘差、衛星軌道校正。假設分布在一個地區上，有N個帶衛星定位接收機的基站，i代表接收機(i =I.. N)，每個接收機可以看見M個定位衛星。j代表定位衛星(j = l..M)。偽距離、多普勒頻漂、載波相位的測量方程可以是
權利要求
1.一種內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于包括有蜂窩基站(4)、裝設在蜂窩基站(4)附近固定位置的衛星定位接收機(8)、蜂窩系統的核心網絡(10)、蜂窩網絡的定位增強服務器(11)、移動終端(12)，蜂窩基站(4)與裝設在蜂窩基站(4)附近固定位置的衛星定位接收機(8)及移動終端(12)組成蜂窩網絡(5)，蜂窩系統的核心網絡(10)分別與蜂窩基站(4)及蜂窩網絡的定位增強服務器(11)連接，且蜂窩網絡的蜂窩基站(4)的電腦上裝設有數據采集和管理軟件模塊(14)，蜂窩網絡的定位增強服務器(11)上裝有中央廣域增強系統服務器軟件(13)，移動終端(12)上裝有廣域增強系統客戶端軟件(15)。
2.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述標準用戶使用的移動終端(12)是指手機或者集成了衛星定位接收模塊和上述所說的蜂窩網絡通信模塊的汽車導航設備。
3.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述標準用戶使用的移動終端(12)是能夠進行載波相位測量的衛星電視接收模塊，和用于蜂窩網絡的高速通信模塊。
4.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述中央定位增強服務器(11)與不同蜂窩網絡(5)的用戶之間設有能建立廣域增強系統信息路徑的增強系統數據交換服務器(21)。
5.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述移動終端(12)與蜂窩網絡(5)之間還設有傳感器網絡，傳感器網絡通過Zigbee集線器(24)與蜂窩網絡(5)的通信接口連接。
6.根據權利要求5所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述傳感器網絡包括帶Zigbee收發器的傳感器(23)，移動終端(12)通過帶Zigbee收發器的傳感器(23)形成一個或多個ZigBee網絡，并與一個或多個結構健康監測的ZigBee樞紐連接到蜂窩網絡(5)。
7.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述帶Zigbee收發器的傳感器(23)包括應變傳感器，壓電傳感器和壓電換能器。
8.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述蜂窩網絡(5)是基于其中一個通用和開放的標準GSM，CDMA, WCDMA, CDMA2000,TD-SCDMA LTE并提供移動電話、短信和互聯網連接；上述衛星定位接收機(8)輸出原始數據包括偽距，多普勒頻移，載波相位測量以及衛星星歷；上述衛星定位接收機(8)接收來自一個或多個全球衛星定位星座的一個或多個衛星定位頻率。
9.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述數據采集和管理軟件模塊(14)運行在蜂窩基站(4)的電腦上以記錄環形緩沖器中的原始數據；上述廣域增強系統服務器軟件(13)通過主機蜂窩網絡從蜂窩基站(4)的電腦獲得原始數據，解決每個空間網格上的電離層和對流層延時修正，并修正衛星的鐘差和軌道誤差；上述廣域增強系統服務器軟件(13)是基于相鄰基站載波相位測量的雙差算法之上；上述廣域增強系統服務器軟件(13)是基于載波相位測量整周模糊度的解決；上述廣域增強系統服務器軟件(13)通過蜂窩網絡向移動終端(12)發送電離層延遲，對流層延遲，衛星軌道誤差和鐘差修正信息。
10.根據權利要求I所述的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統，其特征在于上述高精度定位用戶的廣域增強系統客戶端軟件(15)通過移動設備和最近的基站獲得電離層和對流層延時修正，衛星軌道和時鐘偏移和載波相位測量來解決整周模糊度，并獲得高精度定位；上述廣域增強系統客戶端軟件(15)通過蜂窩網絡整合廣域增強系統的電離層和對流層延遲，衛星軌道誤差和鐘差的修正信息于定位解算中。
全文摘要
本發明是一種內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統。包括有蜂窩基站(4)、裝設在蜂窩基站(4)附近固定位置的衛星定位接收機(8)、蜂窩系統的核心網絡(10)、蜂窩網絡的定位增強服務器(11)、移動終端(12)，蜂窩基站(4)與裝設在蜂窩基站(4)附近固定位置的衛星定位接收機(8)及移動終端(12)組成蜂窩網絡(5)，蜂窩系統的核心網絡(10)分別與蜂窩基站(4)及蜂窩網絡的定位增強服務器(11)連接，且蜂窩網絡基站(4)電腦上設有數據采集和管理軟件模塊(14)，蜂窩網絡的定位增強服務器(11)上裝有中央廣域增強系統服務器軟件(13)，移動終端(12)上裝有廣域增強系統客戶端軟件(15)。本發明是一種成本低，定位準確的內嵌在蜂窩網絡中的全球導航衛星廣域增強系統。
文檔編號H04W4/02GK102739301SQ20121000689
公開日2012年10月17日 申請日期2012年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者王峰 申請人:廣東工業大學