基于云计算的低功耗北斗接收机及其定位方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103323866 A (43)申请公布日 2013.09.25 CN 103323866 A *CN103323866A* (21)申请号 201310233726.5 (22)申请日 2013.06.13 G01S 19/34(2010.01) H04W 84/18(2009.01) G01S 19/42(2010.01) (71)申请人 华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381 号 (72)发明人 姜小波 梁祥泰 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 蔡茂略 (54) 发明名称 基于云计算的低功耗北

2、斗接收机及其定位方 法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于云计算的低功耗北斗 接收机及其定位方法， 所述接收机包括相连的用 户端和云端 ； 所述定位方法是用户端向云端发送 定位请求， 并向云端发送中频数据 ； 云端接收到 用户端的定位请求后， 接收用户端发送的中频数 据， 采用粗时间导航方法实现用户端位置的解算 ； 云端向用户端发送定位结果 ； 当用户端接收到定 位结果， 则完成一次定位， 进入低功耗模式， 等待 下一次的定位请求。本发明的北斗接收机由于云 端采用粗时间导航的方法， 用户端仅需要采集数 毫秒的中频数据并发送到云端， 相对于独立北斗 接收机至少 30 秒的工作时间， 使用户端的

3、工作时 间大大减少， 更多的时间处于关闭或低功耗模式。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103323866 A CN 103323866 A *CN103323866A* 1/1 页 2 1. 基于云计算的低功耗北斗接收机， 其特征在于 ： 所述北斗接收机包括相连的用户端 和云端， 其中 ： 所述用户端， 用于采集北斗卫星信号以及与云端进行通信 ； 所述云端， 用于更新和维护北斗星历数据库和基站的信息表以及与用户端进行通信。 2.

4、 根据权利要求 1 所述的基于云计算的低功耗北斗接收机， 其特征在于 ： 所述用户端 为移动终端， 包括射频前端模块、 控制器模块、 数据缓冲模块和无线数据传输模块， 其中 ： 所述射频前端模块， 用于通过天线接收北斗卫星信号并把北斗卫星信号频段的高频信 号下变频由 ADC 转换器采样为中频数据 ； 所述控制器模块， 用于将中频数据写入数据缓冲模块与读取数据缓冲模块的中频数 据 ； 所述数据缓冲模块， 用于存储中频数据 ； 所述无线数据传输模块， 用于向云端发送中频数据与接收云端发送的定位结果。 3. 基于权利要求 2 所述北斗接收机的定位方法， 其特征在于包括以下步骤 ： 1) 用户端在默认

5、状态下， 其各个模块处于低功耗模式， 当用户端向云端发送定位请求 时， 执行步骤 2)。 2) 用户端的射频前端模块开始输出中频数据， 在控制器模块的控制下把中频数据写入 数据缓冲模块中， 与此同时， 控制器模块读取数据缓冲模块的中频数据， 与时间标签、 当前 通信基站 ID 形成数据包， 并通过无线数据传输模块把数据包发送到云端 ； 3) 云端接收到用户端的定位请求后， 开始接收用户端发送的数据包， 当用户端的数据 包发送完毕后关闭射频前端模块， 等待云端的响应 ； 4) 云端对接收到的数据包进行处理， 提取出时间标签、 基站 ID 和中频数据， 采用粗时 间导航方法， 实现用户端位置的解算

6、 ； 5) 云端向用户端发送定位结果 ； 6) 当用户端通过无线数据传输模块接收到定位结果， 则完成一次定位， 进入低功耗模 式， 则返回步骤 1) 等待下一次的定位请求 ； 当用户端等待的时间大于某个设定的阈值， 仍 无收到云端的响应， 则返回步骤 2) 重新进行中频数据采集与发送。 4. 根据权利要求 3 所述的北斗接收机的定位方法， 其特征在于 ： 步骤 4) 所述云端采用 粗时间导航方法， 实现用户端位置的解算， 具体如下 ： a)根据当前通信基站ID， 查表得知基站的CGCS2000大地坐标系坐标， 再根据时间标签 计算出该时刻可见的卫星数以及卫星的位置信息 ； b) 计算出基站和各

7、卫星之间的距离及信号传输时间， 把传输时间用毫秒表示， 取其整 数部分 ； c) 对中频数据进行卫星信号捕获处理， 得到各卫星的码相位及其代表的传输时间毫秒 数的小数部分， 结合步骤 b) 中整数部分， 并加入北斗星历数据库中的延迟修正项， 得到卫 星信号到用户端的总传输时间 Tr； d) 把总传输时间 Tr乘以光速得到卫星到用户端的伪距观测量， 结合步骤 a) 中的卫星 位置信息， 利用三边测量原理和最小二乘法的迭代方法， 求出用户端的所在位置。 权 利 要 求 书 CN 103323866 A 2 1/4 页 3 基于云计算的低功耗北斗接收机及其定位方法 技术领域 0001 本发明涉及一种

8、北斗接收机及其定位方法， 尤其是一种基于云计算的低功耗北斗 接收机及其定位方法， 属于北斗接收机云计算领域。 背景技术 0002 近年来， 智能手机和平板电脑的兴起， 特别是目前非常热门的基于位置服务 (LBS)， 更是刺激了卫星导航接收机全民普及的趋势， 卫星导航接收机已经成为智能手机、 平板电脑等便携式设备的标准配置。 0003 便携式设备所用的北斗接收机需要完成卫星信号的捕获， 跟踪， 导航电文的提取， 定位解算等流程， 由于卫星星历数据的传输速率很低， 以 D1 导航电文格式为例， 数据速率 仅 50bps， 因此独立的北斗接收机需要连续接收完整的星历数据才能完成定位， 此过程至少 耗

9、时 30 秒。此外， 接收机的捕获跟踪模块需要连续工作才能保持对卫星信号的跟踪， 因此 便携式设备的北斗接收芯片很难周期性的工作以降低功耗。 发明内容 0004 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷， 提供了一种可以大大减少用户端 工作时间， 且大幅降低用户端功耗的基于云计算的低功耗北斗接收机。 0005 本发明的另一目的在于提供一种基于云计算的低功耗北斗接收机的定位方法。 0006 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到 ： 0007 基于云计算的低功耗北斗接收机， 其特征在于 ： 所述北斗接收机包括通过移动通 信网络相连的用户端和云端， 其中 ： 0008 所述用户端， 用于采集北斗

10、卫星信号以及与云端进行通信 ； 所述与云端进行通信 的内容为向云端发送定位请求与中频数据以及接收云端发送的定位结果。 0009 所述云端， 用于更新和维护北斗星历数据库和基站的信息表以及与用户端进行通 信 ； 所述与用户端进行通信的内容为接收用户端发送的定位请求与中频数据， 对中频数据 进行信号捕获处理， 获取用户端采集的卫星信号的码相位和多普勒频移， 结合北斗星历数 据库中的导航电文， 计算出用户端的位置， 并把位置信息发送回到用户端。 0010 作为一种优选方案， 所述用户端为移动终端， 包括射频前端模块、 控制器模块、 数 据缓冲模块和无线数据传输模块， 其中 ： 0011 所述射频前端

11、模块， 用于通过天线接收北斗卫星信号并把北斗卫星信号频段的高 频信号下变频由 ADC 转换器采样为中频数据 ； 0012 所述控制器模块， 用于将中频数据写入数据缓冲模块与读取数据缓冲模块的中频 数据 ； 0013 所述数据缓冲模块， 用于存储中频数据 ； 该模块是一个读写时钟异步的双端口 FIFO， 数据输入位宽为 Nbit， 数据输出位宽为 Mbit， 写时钟由中频数据的采样时钟反相所 得， 读时钟跟无线数据传输模块的数据传输速率一致， 其中 N、 M 为自然数。 说 明 书 CN 103323866 A 3 2/4 页 4 0014 所述无线数据传输模块， 用于向云端发送中频数据与接收云

12、端发送的定位结果。 0015 本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到 ： 0016 基于云计算的低功耗北斗接收机的定位方法， 其特征在于包括以下步骤 ： 0017 1) 用户端在默认状态下， 其各个模块处于低功耗模式， 当用户端向云端发送定位 请求时， 执行步骤 2)。 0018 2) 用户端的射频前端模块开始输出中频数据， 在控制器模块的控制下把中频数据 写入数据缓冲模块中， 与此同时， 控制器模块读取数据缓冲模块的中频数据， 与时间标签、 当前通信基站 ID 形成数据包， 并通过无线数据传输模块把数据包发送到云端 ； 0019 3) 云端接收到用户端的定位请求后， 开始接收用户端发送

13、的数据包， 当用户端的 数据包发送完毕后关闭射频前端模块， 等待云端的响应 ； 0020 4) 云端对接收到的数据包进行处理， 提取出时间标签、 基站 ID 和中频数据， 采用 粗时间导航方法， 实现用户端位置的解算 ； 0021 5) 云端向用户端发送定位结果 ； 0022 6) 当用户端通过无线数据传输模块接收到定位结果， 则完成一次定位， 进入低功 耗模式， 则返回步骤 1) 等待下一次的定位请求 ； 当用户端等待的时间大于某个设定的阈 值， 仍无收到云端的响应， 则返回步骤 2) 重新进行中频数据采集与发送。 0023 作为一种优选方案， 步骤 4) 所述云端采用粗时间导航方法， 实现

14、用户端位置的解 算， 具体如下 ： 0024 a)根据当前通信基站ID， 查表得知基站的CGCS2000大地坐标系坐标， 再根据时间 标签计算出该时刻可见的卫星数以及卫星的位置信息 ； 0025 b) 计算出基站和各卫星之间的距离及信号传输时间， 把传输时间用毫秒表示， 取 其整数部分 ； 0026 c) 对中频数据进行卫星信号捕获处理， 得到各卫星的码相位及其代表的传输时间 毫秒数的小数部分， 结合步骤 b) 中整数部分， 并加入北斗星历数据库中的延迟修正项， 得 到卫星信号到用户端的总传输时间 Tr； 0027 d) 把总传输时间 Tr乘以光速得到卫星到用户端的伪距观测量， 结合步骤 a)

15、 中的 卫星位置信息， 利用三边测量原理和最小二乘法的迭代方法， 求出用户端的所在位置。 0028 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果 ： 0029 1、 本发明的北斗接收机划分为用户端和云端两部分， 利用云计算技术， 把功耗较 大的信号处理工作交由云端处理， 由于云端采用粗时间导航(Coarse-Time Navigation)的 方法， 用户端仅需要采集数毫秒的中频数据并发送到云端， 相对于独立北斗接收机至少 30 秒的工作时间， 使用户端的工作时间大大减少， 更多的时间处于关闭或低功耗模式。 0030 2、 本发明的北斗接收机经过实验测试表明， 当用户端发送的中频数据为 10 毫秒，

16、 定位精度小于 35 米时， 用户端的功耗相比独立北斗接收机可以降低 3 个数量级。 附图说明 0031 图 1 为本发明北斗接收机的原理示意图。 0032 图 2 为本发明北斗接收机的用户端结构框图。 0033 图 3 为本发明北斗接收机的定位流程图。 说 明 书 CN 103323866 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0034 实施例 1 ： 0035 如图1和图2所示， 本实施例的北斗接收机包括相连的用户端和云端， 所述用户端 为移动终端， 包括射频前端模块、 控制器模块、 数据缓冲模块和无线数据传输模块。 0036 如图 1 和如图 3 所示， 本实施例的北斗接收机定位过程如下

17、 ： 0037 1) 用户端默认处于低功耗模式， 用户端在某一时刻向云端发送定位请求， 用户端 的各个模块开始工作， 射频前端模块以 16.368MHz 的采样速率输出中频数据， 位宽为 2bit， 在控制器模块的控制下把中频数据写入数据缓冲模块中， 与此同时， 控制器模块读取数据 缓冲模块的中频数据， 与时间标签(设为2013年3月5日12:06:51:43， 精确到毫秒)、 当前 通信基站 ID( 设为基站 1) 形成数据包， 然后把数据包通过无线数据传输模块发送给云端， 当获取的中频数据达到 10 毫秒， 即数据包发送完毕， 关闭射频前端模块， 等待的云端响应。 0038 2) 云端定时

18、更新和维护北斗星历数据库， 等待用户端的定位请求， 当接收到用户 端的定位请求时， 开始接收用户端的发送的数据包， 接收到 10 毫秒的中频数据后， 对数据 包进行解析， 获得时间标签 (2013 年 3 月 5 日 12:06:51:43) 和通信基站 ID( 基站 1) 以及 10 毫秒的中频数据， 云端进入数据处理流程。 0039 3)根据基站1的ID， 查表得知基站1的CGCS2000大地坐标系坐标为(2324618.18， 5387354.96， 2492408.88)， 再根据时间标签计算出该时刻可见的卫星数以及卫星的位置信 息， 如下表 1 所示 ； 0040 卫星数目xyz 1

19、1124894.6926328623.45-1163400.31 2-8032593.7621225863.5413506451.41 3-2879333.4824418522.299718608.15 4-6619037.5413311345.6622196912.84 57672981.8223008060.4011558236.80 6-21705981.3214854175.883295851.24 7-22434745.562008362.9714097960.22 0041 表 1 可见卫星数及卫星位置 0042 进而计算出基站 1 和各卫星之间的距离及信号传输时间， 如下表 2

20、所示。 0043 说 明 书 CN 103323866 A 5 4/4 页 6 0044 表 2 各卫星与基站 1 之间的距离及信号传输时间 0045 对中频数据进行卫星信号捕获处理， 得到各卫星的码相位及其代表的传输时间毫 秒数的小数部分， 结合表 2 的整数部分并加入北斗星历数据库中的延迟修正项， 得到卫星 信号到用户端的总传输时间， 如下表 3 所示。 0046 0047 0048 表 3 卫星信号到用户端的传输时间 0049 总传输时间乘以光速 (c 299792458m/s) 可以得到卫星到用户端的伪距观测 量。联合前面所述的卫星位置信息， 利用三边测量原理和最小二乘法的迭代方法求出

21、用 户端的位置， 本实施例定位结果的 CGCS2000 大地坐标系表示为 (-2324476.21885593， 5387473.61845432， 2492372.38064152)， 化为测地坐标系 (LLH 坐标系 ) 的结果为 ： 经度 23.1532、 纬度 113.3382和高度 95.2277m。 0050 至此， 云端定位解算完毕， 云端把定位结果发送回用户端。 0051 4) 当用户端通过无线数据传输模块接收到云端的定位解算结果后， 重新进入低功 耗模式， 等待下一次定位请求。 0052 以上所述， 仅为本发明优选的实施例， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内， 根据本发明的技术方案及其发明构思 加以等同替换或改变， 都属于本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103323866 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103323866 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103323866 A 8