СИСТЕМА И МЕТОД ОЦЕНКИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ВНУТРИ ПОМЕЩЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОГО СИГНАЛА
SYSTEM AND METHOD OF ESTIMATING LOCATION INSIDE ROOM USING DEVICE FOR GENERATING SATELLITE SIGNAL

Область технического применения
Настоящее изобретение, в целом, относится к системе и методу оценки местоположения внутри помещения с использованием устройства генерирования спутникового сигнала и, в частности, к системе и методу оценки местоположения, позволяющим определять местоположение без изменения аппаратных и программных средств приемного терминала спутникового сигнала (например, сотового телефона или навигационной системы), даже в зоне, недоступной для спутниковых сигналов, например внутри здания, в подземном торговом центре, в туннеле или метро.
Предпосылки создания изобретения
Как правило, система оценки местоположения представляет собой систему приема спутниковых сигналов от спутников, находящихся на высоте приблизительно от 19000 до 25000 км, и оценки местоположения приемного терминала с использованием метода триангуляции или аналогичного метода.
Таким образом, система оценки местоположения имеет ограничение в том, что местоположение может оцениваться только снаружи помещения, где осуществляется непосредственный прием спутниковых сигналов. Поэтому оценка местоположения не может выполняться в зданиях, подземных торговых центрах, туннелях или метро из-за невозможности приема спутниковых сигналов в таких местах.
Для устранения данного ограничения и с целью решения описанной выше проблемы, см. фиг.1, был предложен метод приема спутниковых сигналов на крыше с последующей передачей принятых спутниковых сигналов в помещение (в дальнейшем именуемый как традиционный метод).
Однако в традиционном методе имеются следующие проблемы:
Во-первых, существует вертикальная ошибка, связанная с тем, что координаты приемной антенны (RX ANT) определяются с использованием ретранслируемых сигналов, принимаемых через передающую антенну (ТХ ANT). Также существует горизонтальная ошибка, связанная с расстоянием до приемной антенны. Для устранения горизонтальной ошибки требуется наличие множества приемных антенн (RX ANT), что приведет к увеличению затрат на производство и установку.
Во-вторых, точка установки приемной антенны снаружи помещения и точка установки передающей антенны внутри помещения должны в точности соответствовать друг другу, но в связи с особенностями установки антенн на крыше установить множество приемных антенн в точном соответствии с передающими антеннами достаточно затруднительно.
В-третьих, в связи с изменением величины потери сигнала в зависимости от длины кабеля, показанного пунктирной линией на фиг.1, необходимо контролировать напряженность электрического поля в конечных терминалах передающих антенн.
В-четвертых, в зависимости от высоты установки приемных антенн будут определяться разные значения координат. Данный фактор значительно влияет на вертикальную ошибку.
В-пятых, если радиочастотная мощность передающих антенн не является одинаковой, терминал будет постоянно принимать сигналы от передающей антенны с более высокой радиочастотной мощностью.
Таким образом, изобретатели настоящего изобретения разработали систему, способную обеспечить оценку местоположения в помещении в условиях, аналогичных условиям наружной среды, посредством приема спутниковых сигналов, имеющих структуру, аналогичную структуре спутниковых сигналов, получения времени спутника из спутниковых сигналов, принимаемых приемной антенной, выбора по крайней мере четырех спутников, подходящих для оценки местоположения из всех существующих спутников на основе полученного времени спутника, передачи номеров спутников в устройство генерирования спутникового сигнала и генерирования спутниковых сигналов, соответствующих номерам спутников, с помощью устройства генерирования спутникового сигнала на основе предварительно вычисленной спутниковой информации в режиме реального времени для всех существующих спутников.
Подробное описание изобретения
Техническая проблема
Одним из аспектов настоящего изобретения является создание неразрывной среды для системы оценки местоположения, в которой переход между оценками местоположения снаружи и внутри помещения осуществлялся бы без изменения аппаратных и программных средств пользовательского терминала.
Другим аспектом настоящего изобретения является снижение производственных затрат за счет установки одного или нескольких устройств генерирования спутникового сигнала (в зависимости от размеров зоны установки) и передачи по крайней мере одного спутникового сигнала от установленного устройства генерирования спутникового сигнала, что позволяет регулировать количество устройств генерирования спутникового сигнала в месте установки.
Еще одним аспектом настоящего изобретения является значительное повышение точности оценки местоположения посредством выбора спутников, находящихся не только в пределах видимости, но и вне зоны видимости благодаря простой модификации программы приемника, позволяющей использовать спутниковые сигналы соответствующих спутников для оценки местоположения.
Техническое решение
Настоящее изобретение обеспечивает систему оценки местоположения внутри помещения с использованием устройства генерирования спутникового сигнала. Система оценки местоположения внутри помещения включает в себя приемную антенну для приема спутниковых сигналов, центральный контроллер для периодического приема и хранения обновлений спутниковой информации в режиме реального времени для всех существующих спутников, получения времени спутника из спутниковых сигналов, принимаемых приемной антенной для синхронизации, и выбора для оценки местоположения по крайней мере 4 спутников из всех существующих спутников на основе информации о времени спутника. Также система оценки местоположения внутри помещения включает в себя по крайней мере одно устройство генерирования спутникового сигнала, принимающее номера спутников, назначенные центральным контроллером, и генерирующее спутниковые сигналы, соответствующие номерам спутников, которые были назначены центральным контроллером. При этом система оценки местоположения внутри помещения обеспечивает среду, позволяющую пользователю приемного терминала спутникового сигнала оценивать свое местоположение на основе спутниковых сигналов, соответствующих по крайней мере четырем спутникам и передаваемых устройством генерирования спутникового сигнала.
Предпочтительно, чтобы центральный контроллер или устройство генерирования спутникового сигнала вычисляли расстояния между существующими спутниками и соответствующими устройствами генерирования спутникового сигнала для выбранных номеров спутников на основе координат соответствующих спутников и оцененных ранее координат местоположения соответствующих устройств генерирования спутникового сигнала, а также рассчитывали время задержки при передаче как отношение вычисленного расстояния к скорости света.
Более предпочтительно, когда устройство генерирования спутникового сигнала генерирует спутниковые сигналы, соответствующие выбранным спутникам таким образом, чтобы имела место задержка, равная времени задержки при передаче, определяемая центральным контроллером или вычисляемая автономно.
Наиболее предпочтительно, когда устройство генерирования спутникового сигнала принимает по крайней мере 4 номера спутников и генерирует спутниковые сигналы, соответствующие спутникам с заданными номерами.
Предпочтительно, чтобы для оценки местоположения центральный контроллер выбирал по крайней мере 4 номера спутников из всех существующих спутников, находящихся в видимости, на основе информации о времени спутника.
Предпочтительно, чтобы центральный контроллер выбирал из всех имеющихся спутников по крайней мере один спутник, находящийся в зоне видимости, и по крайней мере   три спутника, расположенных в пределах 120 градусов по широте и долготе относительно данного спутника.
Предпочтительные типы спутников: GPS, Galileo, ГЛОНАСС.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения метод оценки местоположения внутри помещения с помощью устройства генерирования спутникового сигнала включает в себя прием спутниковых сигналов приемной антенной и передачу принятых спутниковых сигналов в центральный контроллер; получение времени спутников из принятых спутниковых сигналов и синхронизацию системы на основе полученного времени спутников; выбор по крайней мере 4 спутников для оценки местоположения из всех существующих спутников на основе спутниковой информации в реальном времени для всех существующих спутников и информации о времени спутников; передачу выбранных номеров спутников в устройство генерирования спутникового сигнала; вычисление расстояний между существующими спутниками и соответствующими устройствами генерирования спутникового сигнала для выбранных спутников на основе координат соответствующих спутников, координат соответствующих устройств генерирования спутникового сигнала; вычисление времени задержки при передаче как отношение вычисленного расстояния и скорости света; генерирование спутниковых сигналов, соответствующих выбранным спутникам таким образом, чтобы для устройства генерирования спутникового сигнала имела место задержка, равная времени задержки при передаче; оценку местоположения приемного терминала спутникового сигнала, расположенного внутри помещения, на основе по крайней мере четырех номеров спутников, передаваемых от устройства генерирования спутникового сигнала.
Положительные эффекты
Настоящее изобретение характеризуется следующими положительными эффектами:
Во-первых, настоящее изобретение обеспечивает создание неразрывной среды для системы оценки местоположения, в которой переход между оценками местоположения снаружи и внутри помещения осуществляется без изменения аппаратных и программных средств пользовательского терминала.
Во-вторых, настоящее изобретение обеспечивает снижение производственных затрат за счет установки одного или нескольких устройств генерирования спутникового сигнала (в зависимости от размеров зоны установки) и передачи по крайней мере одного спутникового сигнала от установленного устройства генерирования спутникового сигнала, что позволяет регулировать количество устройств генерирования спутникового сигнала в месте установки.
В-третьих, настоящее изобретение обеспечивает значительное повышение точности оценки вертикального положения посредством выбора спутников, находящихся не только в пределах видимости, но и вне зоны видимости благодаря простой модификации программы приемника, позволяющей использовать спутниковые сигналы соответствующих спутников для оценки местоположения.
Краткое описание фигур
На фиг.1 показана схема, иллюстрирующая пример системы оценки местоположения внутри помещения в соответствии с известным уровнем техники;
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая систему оценки местоположения внутри помещения с использованием устройства генерирования спутникового сигнала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая метод выбора номеров спутников с учетом их видимости в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
На фиг.4 показана схема, иллюстрирующая видимость спутника;
На фиг.5 показана схема, иллюстрирующая пример, в котором устройства генерирования спутникового сигнала устанавливаются для малой и большой площади зоны установки;
На фиг.6 показана схема, иллюстрирующая метод вычисления расстояния между спутниками и соответствующими устройствами генерирования спутникового сигнала, а также метод вычисления времени задержки при передаче.
Способ осуществления изобретения
Ниже приводится описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры.
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая конфигурацию системы оценки местоположения внутри помещения в соответствии с настоящим изобретением.
Показанная на РИС.2 система оценки местоположения внутри помещения, использующая устройство генерирования спутникового сигнала в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя приемную антенну для приема спутникового сигнала; центральный контроллер для вычисления и обновления спутниковой информации в режиме реального времени для всех существующих спутников, получения времени спутника из спутниковых сигналов, принимаемых приемной антенной для синхронизации, и выбора для оценки местоположения по крайней мере 4 спутников из всех существующих спутников на основе информации о времени спутника. Также система оценки местоположения внутри помещения включает в себя по крайней мере одно устройство генерирования спутникового сигнала, принимающее номера спутников, назначенные центральным контроллером, и генерирующее спутниковые сигналы, соответствующие номерам спутников, которые были назначены центральным контроллером.
Приемная антенна представляет собой антенну, устанавливаемую снаружи помещения для приема спутниковых сигналов от существующих спутников. Функция приемной антенны заключается в приеме спутниковых сигналов от существующих спутников. Рекомендуется, чтобы приемная антенна устанавливалась на крыше здания (или в аналогичном месте), в котором установлена система оценки местоположения в соответствии с настоящим изобретением.
Центральный контроллер периодически принимает и сохраняет обновления спутниковой информации в режиме реального времени (например, информацию о положении спутников на орбите в режиме реального времени и т.д.) для всех существующих спутников (в настоящее время для 32 спутников), получает время спутника из спутниковых сигналов, принимаемых приемной антенной, и синхронизирует устройство генерирования спутникового сигнала. Кроме того, центральный контроллер выбирает, по крайней мере, четыре номера спутников, подходящих для оценки местоположения, из всех существующих спутников на основе информации о времени спутника и информации о местоположении, в котором установлена система в соответствии с настоящим изобретением. Также центральный контроллер задает в устройстве генерирования спутникового сигнала выбранные номера спутников и передает информацию о спутниковых сигналах существующих спутников, соответствующих выбранным номерам спутников, в устройство генерирования спутникового сигнала. В этом случае центральный контроллер может назначать один номер спутника для каждого установленного устройства генерирования спутникового сигнала с целью генерирования соответствующих сигналов и может назначать по крайней мере 4 номера спутников для одного устройства генерирования спутникового сигнала с целью генерирования соответствующих спутниковых сигналов.
Предпочтительно, как показано на фиг.3(а), чтобы из всех существующих спутников, находящихся в зоне видимости по отношению к текущему местоположению, были выбраны по крайней мере 4 спутника, подходящих для оценки местоположения. Очевидно, что с течением времени спутники, находящиеся в зоне видимости, изменят свое положение, и выбранные номера спутников могут быть изменены.
Например (см. фиг.4), в условиях видимости, показанных на фиг.4, спутники с номерами 3, 6, 16 и 21 могут быть выбраны в 9 ч, но с течением времени, например, через 12 ч, могут использоваться спутники с номерами 3, 11, 19 и 24.
Более предпочтительно, как показано на фиг.3(b), чтобы из всех существующих спутников выбирались один спутник, находящийся в видимости, и по крайней мере три спутника, расположенных в пределах 120 градусов по широте и долготе относительно данного спутника. То есть в соответствии с настоящим изобретением, как описано выше, могут быть выбраны не только спутник, находящийся в зоне видимости, но также спутники, находящиеся вне зоны видимости, и спутниковые сигналы от соответствующих спутников могут использоваться для оценки местоположения. Таким образом, точность оценки местоположения может быть значительно повышена.
Устройство генерирования спутникового сигнала генерирует спутниковые сигналы, соответствующие номерам спутников, которые были назначены центральным контроллером. В зависимости от размеров места установки могут использоваться одно или несколько устройств генерирования спутникового сигнала. См. фиг.5. Для подземных объектов большой площади используется множество устройств генерирования спутникового сигнала. В зданиях с относительно небольшой площадью используется одно устройство генерирования спутникового сигнала. Одно устройство генерирования спутникового сигнала может принимать по крайней мере 4 присвоенных номера спутников для генерирования множества спутниковых сигналов, независимо от установки в соответствии с зоной установки.
Для выбранных спутников центральный контроллер вычисляет расстояние между существующими спутниками и соответствующими устройствами генерирования спутникового сигнала на основе координат соответствующих спутников и координат места установки устройства генерирования спутникового сигнала, а также вычисляет время задержки при передаче как отношение вычисленного расстояния к скорости света для соответствующего устройства генерирования спутникового сигнала. В зависимости от обстоятельств устройство генерирования спутникового сигнала вычисляет время задержки при передаче, а затем передает соответствующие спутниковые сигналы с учетом вычисленного времени задержки.
Таким образом, спутниковые сигналы должны передаваться с учетом времени задержки, поскольку несмотря на то, что навигационные данные для существующего спутника и устройства генерирования спутникового сигнала имеют одинаковые позиционные координаты, устройство генерирования спутникового сигнала имеет фиксированные координаты, поэтому время, затрачиваемое на прохождение спутниковых сигналов через ионосферу и тропосферу, должно компенсироваться временем задержки при передаче.
Метод вычисления времени задержки при передаче схематично описан ниже (см. фиг.6).
Значения Xj, Yj, и Zj (j изменяется в зависимости от времени, поскольку спутник движется по орбите) являются широтой, долготой и высотой определенного спутника (SVi), выбранного в зоне видимости из 32 спутников в любой момент времени;
оборудование для воспроизведения сигнала спутника SVi между устройствами генерирования спутникового сигнала определяется как SSGI и имеет фиксированные координаты X1, Y1 и Z1;
псевдодиапазон SVi и SSGI определяется как ρi:
<mrow><mi>ρ</mi><mi>i</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>X</mi><mi>j</mi><mo>−</mo><mi>X</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Y</mi><mi>j</mi><mo>+</mo><mi>Y</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Z</mi><mi>j</mi><mo>+</mo><mi>Z</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
Время задержки при передаче определяется, как: ρiT=ρi/c+Bu,
8
где C - скорость света, равная 2.99792458×10 м/с, а Bu - неопределенное значение компенсации времени задержки, зависящее от длины кабеля, ошибки времени пользователя и зоны обслуживания.
Устройство генерирования спутникового сигнала генерирует спутниковые сигналы, соответствующие выбранным номерам спутников, с учетом времени задержки при передаче, полученного от центрального контроллера, для компенсации ошибки, вызванной различием расстояний между спутником и соответствующим устройством генерирования спутникового сигнала.
Рассмотренная в настоящем изобретении система оценки местоположения позволяет правильно оценивать местоположение приемного терминала спутникового сигнала внутри помещения посредством приема спутниковых сигналов (соответствующих по крайней мере четырем номерам спутников), передаваемых с устройства генерирования спутникового сигнала, не только снаружи, но и внутри помещения.
Ниже приводится описание метода оценки местоположения внутри помещения с помощью устройства генерирования спутникового сигнала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На первом этапе осуществляется прием спутникового сигнала приемной антенной и передача принятых спутниковых сигналов в центральный контроллер. На данном этапе приемная антенна, установленная снаружи помещения, принимает спутниковые сигналы от существующих спутников и передает полученные спутниковые сигналы в центральный контроллер в режиме реального времени.
На втором этапе выполняется определение времени спутников из принятых спутниковых сигналов и синхронизация системы на основе полученного времени спутников. На данном этапе центральный контроллер определяет время спутников из спутниковых сигналов, принятых приемной антенной, и синхронизирует полученное время и устройство генерирования спутникового сигнала.
На третьем этапе из всех существующих спутников выбираются по крайней мере 4 спутника, подходящих для оценки местоположения. Выбор спутников осуществляется на основе информации о времени спутников и информации по всем спутникам, получаемой в режиме реального времени. На данном этапе выбираются по крайней мере 4 спутника, подходящих для оценки местоположения с учетом текущего места установки на основе информации о времени спутников и информации по всем существующим спутникам в режиме реального времени, заранее вычисляемой и обновляемой центральным контроллером, а также осуществляется передача номеров выбранных спутников в устройство генерирования спутникового сигнала.
На четвертом этапе вычисляется расстояние между существующим спутником и соответствующим устройством генерирования спутникового сигнала для спутников с выбранными номерами на основе координат существующих спутников с соответствующими номерами и координат места установки соответствующего устройства генерирования спутникового сигнала. Также осуществляется передача в соответствующее устройство генерирования спутникового сигнала времени задержки, вычисляемого как отношение вычисленного расстояния и скорости света. На данном этапе вычисляется время задержки генерирования спутникового сигнала для устройства генерирования спутникового сигнала с целью компенсации ошибки, вызванной различиями расстояний между существующими спутниками, соответствующими выбранным номерам спутников, и передающими антеннами устройств генерирования спутникового сигнала, которые генерируют спутниковые сигналы, соответствующие выбранным номерам спутников, а также ошибок, вызванных размерами зоны обслуживания и разницей во времени.
На пятом этапе устройством генерирования спутникового сигнала генерируются спутниковые сигналы, соответствующие выбранным номерам спутников, с учетом времени задержки при передаче.
На шестом этапе выполняется оценка местоположения приемного терминала спутникового сигнала, находящегося внутри помещения, на основе спутниковых сигналов, соответствующих по крайней мере четырем номерам спутников, принятых от устройства генерирования спутникового сигнала. На данном этапе оценивается текущее местоположение пользовательского терминала на основе спутникового сигнала, принятого от устройства генерирования спутникового сигнала.
Описанный выше и показанный на фигурах вариант осуществления настоящего изобретения не должен рассматриваться как ограничивающий техническую идею настоящего изобретения. В частности, понятие "спутник" является всеобъемлющим и включает в себя спутники GPS, широко используемые в настоящее время, а также спутники Galileo и ГЛОНАСС, которые применяются в других странах. Объем правовой охраны настоящего изобретения ограничивается содержанием, описанным в формуле изобретения. Существует возможность изменения и модификации технических идей настоящего изобретения в различных формах специалистами, обладающими обычной квалификацией в данной области, к которой относится указанный предмет изобретения. Таким образом, изменения и модификации включены в объем правовой охраны настоящего изобретения при условии, что такие изменения и модификации являются очевидными для специалистов, обладающих обычной квалификацией в данной области.