【室内定位技术】——辅助GNSS技术

概述

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems）是唯一一个满足全球覆盖和独立于本地基地设备而运行的体系，目前全球有四大卫星导航系统，分别是美国的全球定位系统（Global positioning system,GPS)、俄国的格洛纳斯卫星导航系统（Global navigation satellite system, GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system,GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）。我们在日常生活中已经越来越离不开它，但是室内定位很难被导航卫星所覆盖，因此才让蓝牙、UWB、RFID、红外线、ZigBee、等各种不同的室内导航技术蓬勃发展

辅助全球导航卫星系统(AGNSS)是户外环境中完全标准化的定位方法，AGNSS接收机采用一条附加的数据链路来提供通常直接从地球同步卫星获得的卫星图像、年历、差分校正和定时信息。通常可显着提高全球导航卫星系统（GNSS）的启动性能，即首次定位时间（TTFF）。A-GNSS的工作原理是通过无线网络而不是慢速卫星链路向设备提供必要的数据，本质上是“预热”接收器以进行定位。当应用于GPS时，它被称为辅助GPS或增强GPS（通常缩写为A-GPS）。其它的辅助导航系统包括伽利略的A-GANSS和北斗的A-北斗。

全球导航卫星系统原理

每个GPS设备都需要有关卫星的轨道数据来计算其位置。卫星信号的数据速率仅为50位/秒，因此直接从卫星下载星历和年历等轨道信息通常需要很长时间，如果在获取此信息的过程中卫星信号丢失，则将其丢弃，独立系统必须从头开始。在信号异常差的条件下，例如在城市地区，卫星信号可能表现出多径传播，其中信号跳过结构，或因气象条件或树冠而减弱。一些在恶劣条件下使用的独立GPS导航仪由于卫星信号断裂而无法固定位置，必须等待更好的卫星接收。常规 GPS 设备可能需要长达 12.5 分钟（下载 GPS 年历和星历所需的时间）才能解决问题并提供正确的位置。

在A-GPS中，网络运营商部署A-GPS服务器，即GPS数据的缓存服务器。这些A-GPS服务器从卫星下载轨道信息并将其存储在数据库中。支持A-GPS的设备可以连接到这些服务器，并使用移动网络无线电承载（如GSM，CDMA，WCDMA，LTE）甚至使用其他无线电承载（如Wi-Fi或LoRa）下载此信息。这样手持设备就很快速的获取相关的卫星数据。因此在任何没有网络的情况下，所有的A-GPS都将变成常规GPS.辅助GNSS（A-GNSS）。加快了信号采集过程，并缩短了实现第一次定位所需的时间。它通过使用更快的数据连接（通常是无线网络或互联网）检索卫星数据，准确的时间和卫星状态来实现这一目标。借助 A-GNSS，即使在信号较差的条件下，GNSS 接收器也可以在几秒钟内确定其位置。

协议制定

A-GPS协议是由两个不同的标准化机构3GPP和开放移动联盟（OMA）来制定

控制端协议

• RRLP – 3GPP 定义的 RRLP（无线电资源定位协议），以支持 GSM 网络上的定位协议。
• TIA 801 – CDMA2000 系列为 CDMA 2000 网络定义了此协议。
• RRC位置协议 – 3GPP将此协议定义为UMTS网络的RRC标准的一部分。
• LPP – 3GPP 为 LTE 网络定义的 LPP 或 LTE 定位协议。

用户端协议

由 OMA 定义，用于支持分组交换网络中的定位协议。已经定义了三代安全用户端定位 （SUPL） 协议，从版本 1.0 到 3.0

信号衰减

A-GPS很难精确定位到室内的应用一个主要的原因是卫星信号的衰减。如果将天线增益考虑在内，GPS卫星的L1频率（L1指的是导航卫星信号的载波的波段，它所对应的载波频率是1575.42MHz，该频段的无线波在电离层内以直线传播，受噪声影响小）的C/A码（C/A码属于伪随机码，首先起到了将导航电文信号频谱加以扩展的作用，提高其抗干扰的能力，其次，C/A码提供了一种测量伪距的手段，可以确定接收信号的码相位并计算出从卫星到接收机的空间距离的）的功率约为500瓦(27dBW)。21000公里的卫星接收距离的自由空间路径损耗约为185 dBW(18个数量级)。因此，在地球表面预期有27 dBW–185 dBW =‐158 dbw =‐128 dBM的信号功率。信号采集的相关数量是接收器指定的信噪比(SNR-信号功率与噪声功率之间的比值 ),它不仅取决于接收的信号功率，还取决于接收器放大器。

除了自由空间路径损耗之外，建筑材料还会导致室内环境中卫星无线电信号的额外衰减，衰减系数主要取决于材料的电特性，如介电系数。与室外信号幅度相比，穿透钢筋混凝土墙的信号会导致20dB至30dB(100至1000倍)的衰减。各种材料的损耗系数，虽然木制住宅的衰减适中，为5dB至15dB，但典型的砖或混凝土建筑的损耗为30dB至30dB；在地下停车场和隧道中，对于> 30dB的GNSS接收机损耗因子，已经几乎检测不到卫星的信号.

更大的发射机功率将提高信号强度，并减轻对实际投入使用的卫星的影响。除了全球导航卫星系统信号的衰减，室内信号接收的主题更加复杂，反射、衍射或散射等现象会使无线电信号进入建筑物，多径接收导致单个时移测量值降低了接收信号的质量，并导致定位不太可靠。

辅助GNSS室内定位

使用GPS进行室内定位要克服的主要困难之一是如何确定用户在室内/云暴露下的位置。虽然辅助GPS在一定程度上缓解了这一点，但GPS三角测量在建筑物内仍然不清楚，因此必须创建一个系统来克服这一点。用其他技术搭配AGNSS来进行室内定位是一个比较有效而且方便的方式，例如QR(Quick-Response)二维码的技术应用可以作为一种理想方法，在建筑物或园区的每栋建筑物和楼层内都有一个布告栏，绘制建筑物的地图可以利用这一点，并放置一张带有QR码的海报，其中包含该建筑物/楼层GPS坐标，当智能手机扫描时，它将打开绘图应用程序并显示您在建筑物地图上的位置。这个应用方式已经在一些校园里做了尝试。