CN101770019A - 对卫星定位数据进行后差分计算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对卫星定位数据进行后差分的方法。为消除GPS卫星轨道误差、电离层效应以及由于SA政策引起的误差，在GPS定位中，我们应用了差分GPS技术，并选择了定位精度较高，技术上又切实可行的伪距差分方案。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距并求解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

Description

对卫星定位数据进行后差分计算的方法

技术领域  本发明公开了一种在利用卫星定位时，为提高定位精度消除误差而采用差分计算的后差分方法。

背景技术  自1994年美国全球定位系统(GPS)全部建成并投入运行以来，短短的四年中，这一技术发展极为迅速。GPS的应用也进入与定位有关的领域，获得了巨大的经济效益和社会效益。为消除GPS卫星轨道误差、电离层效应以及由于SA政策引起的误差，在GPS定位中，我们需要应用差分GPS技术。由于GSM系统数据不可广播的特性，我们无法采用一般的前向差分方案，因而使得后向差分方案的研制成为必要。其次为了减少移动台通讯的信息量，后差分法具有重要的意义。

发明内容  针对导航型接受机的定位精度不高和测地型接收机不能用于实时动态的情况，通过后差分计算将导航型接收机升级为差分GPS，使得其定位精度由原来的100米左右，提高为10米左右。

本发明对上述为消除误差，提高GPS定位精度的问题提出一种后差分方法，该方法通过基准站上的接收机求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距并求解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

一种对卫星定位数据进行后差分计算的方法，其基于车辆上设有卫星定位接收机(GPS接收机)、无线数字蜂窝电话通信器和对卫星定位数据进行处理及对通信器进行控制的通信控制器的移动台；设有卫星定位接收机、数据处理器以及能通过串口与监控中心通讯的差分基准站；在监控中心配备无线数字蜂窝电话通信器。

所述移动台通过无线数字蜂窝电话系统中心提供的点对点信息业务向监控中心传送定位数据，差分基准站通过串口也向监控中心传送定位数据，在监控中心对这两组数据进行后差分计算，以达到消除公共误差，提高定位精度的目的。

所述的卫星定位数据后差分方法，其是安置在移动台上的GPS接收机将所收到的GPS数据是通过无线数字蜂窝电话系统中心提供的点对点短信息业务传送到监控中心，安置在差分基准站上的GPS接收机将所收到的GPS数据通过串口传送到监控中心。两接收机是观测同一组卫星，显然卫星钟差和星历误差都是相同的，对基准站接收机和用户接收机观测同一颗卫星而获得的两个距离的影响也是相同的。这样，利用由基准站接收机观测求得的距离改正数对用户接收机观测量进行改正，就可以消除这部分公共误差，其中包括SA政策对卫星增大的误差、大部分的电离层延迟和部分对流层延迟。

我们选择了定位精度较高，技术上又切实可行的伪距差分方案伪距差分GPS定位之所以能提高精度，在于两者之间的空间相关性，即通过差分技术来抵消掉公共误差部分。但是，这种相关性是随距离而减弱的。因此，定位精度也随离基准站的距离而降低。要保证达到一定的精度，离基准站的距离不能过长，一般40km为限。

本发明移动台与监控中心的数据传输可以采用下述任意一种：常规对讲系统、双向寻呼、模拟集群、数字集群(如IDEN)、DataCell、CDPD、GSM数据传输、GSM/SMS/GPRS、CDMA。

附图说明：附图1为基准站、移动台与卫星的位置图。

具体实施方式：本发明具体实现原理如下：如图所示：

。基准站a                。移动台b

ρ′_ai表示卫星i到a点的伪距，其余同理(此数值可以从接收机中获取)

ρ_ai表示卫星i到a点的真实距离，其余同理(此数值可以从接收机中获取)

有公式 ${\mathrm{\ρ}}^{\′}=\mathrm{\ρ}+\mathrm{Sa}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_2+c_{t_1}+c_{t_2}$

其中Sa表不由于SA政策引起的误差；

Δρ₁表示延迟误差；

Δρ₂表示折射误差；

t₁表示卫星时钟误差；

t₂表示GPS接收机时钟误差；

设卫星i为基准卫星，分别列出a，b两点到卫星i的伪距方程

${{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ai}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ai}}+s_a+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1\left(i\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_2\left(i\right)+c_{t_1}\left(i\right)+c_{t_2}\left(a\right)$ .........1式

${{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{bi}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}+s_a+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1\left(i\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_2\left(i\right)+c_{t_1}\left(i\right)+c_{t_2}\left(b\right)$ .........2式

1式减去2式做一次差分，只要基准站和移动台的距离相对于地面到卫星的距离较小，则Δρ₁，Δρ₂，

可消掉，作差后得3式。

...........3式

再取一颗卫星(j)来做一次差分

${{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{aj}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aj}}+s_a+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1\left(j\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_2\left(j\right)+c_{t_1}\left(j\right)+c_{t_2}\left(a\right)$ .........4式

${{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{bj}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bj}}+s_a+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1\left(j\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_2\left(j\right)+c_{t_1}\left(j\right)+c_{t_2}\left(b\right)$ .........5式

4式减去5式做一次差分，只要基准站和移动台的距离相对于地面到卫星的距离较小，则Δρ₁，Δρ₂，

可消掉，作差后得6式。

...........6式

此时用3式减去6式做二次差分

ρ′_ai-ρ′_bi-ρ′_aj+ρ′_bj＝ρ_ai-ρ_bi-ρ_aj+ρ_bj

即 $\begin{array}{ccc}\▿& \mathrm{\Δ}& {{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ij}}\end{array}=\begin{array}{ccc}\▿& \mathrm{\Δ}& \end{array}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}$

..........7式

因为伪距值都可以由GPS接收机提供，所以7式左边为已知值。

建立数学模型计算得出如下：

x₀，y₀，z₀为GPS接收机提供给用户的位置坐标，x，y，z为GPS接收机准确的位置坐标。

Δx＝x-x₀，Δy＝y-y₀，Δz＝z-z₀

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(x^s-x)}^2+{(y^s-y)}^2+{(z^s-z)}^2}$ .............8式

x^s，y^s，z^s为卫星坐标(可以用Garmin的星历数据可计算出)，

x₀，y₀，z₀为GPS接收机提供给用户的位置坐标，x，y，z为GPS接收机准确的位置坐标。

Δx＝x-x₀，Δy＝y-y₀，Δz＝z-z₀

8式在(x₀，y₀，z₀)点作泰勒级数展开

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(x^s-x_0)}^2+{(y^s-y_0)}^2+{(z^s-z_0)}^2}+$

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x}{|}_{x=x_0}(x-x_0)+\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂y}{|}_{y=y_0}(y-y_0)+$

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂z}{|}_{z=z_0}(z-z_0)$ (高阶部分已经略去)

$=\widehat{\mathrm{\ρ}}+\frac{x^s-x_0}{\widehat{\mathrm{\ρ}}}\mathrm{\ΔX}+\frac{y^s-y_0}{\widehat{\mathrm{\ρ}}}\mathrm{\ΔY}+\frac{z^s-z_0}{\widehat{\mathrm{\ρ}}}\mathrm{\ΔZ}$

因为

x^s，y^s，z^s，x₀，y₀，z₀均为已知值，所以方程可以简写为：

ρ＝aΔX+bΔY+cΔZ+d               .............9式

在9式的基础上求 $\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ai}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aj}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bj}}$

ρ_ai＝a_aiΔX_a+b_aiΔY_a+c_aiΔZ_a+d_ai

其中 $d_{\mathrm{ai}}={\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{ai}}=\sqrt{{(x_i^s-x_{0a})}^2+{(y_i^s-y_{0a})}^2+{(z_i^s-z_{0a})}^2}$

$a_{\mathrm{ai}}=\frac{x_i^s-x_{0a}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{ai}}}$ $b_{\mathrm{ai}}=\frac{y_i^s-y_{0a}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{ai}}}$ $c_{\mathrm{ai}}=\frac{z_i^s-z_{0a}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{ai}}}$

因为a点为基准点，所以a点的准确位置可以借助其他测量工具求出，或者

可以通过多次测量算出其加全平均值代替准确位置，所以X_a，Y_a，Z_a为已知值，

而ΔX_a＝X_a-X_0a，ΔY_a＝Y_a-Y_0a，ΔZ_a＝Z_a-Z_0a

则ΔX_a，ΔY_a，ΔZ_a为已知值，所以ρ_ai也为已知值。

同理ρ_aj也为已知值。

ρ_bi＝a_biΔX_b+b_biΔY_b+c_biΔZ_b+d_bi

其中 $d_{\mathrm{bi}}={\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{bi}}=\sqrt{{(x_i^s-x_{0b})}^2+{(y_i^s-y_{0b})}^2+{(z_i^s-z_{0b})}^2}$

$a_{\mathrm{bi}}=\frac{x_i^s-x_{0b}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{bi}}}$ $b_{\mathrm{bi}}=\frac{y_i^s-y_{0b}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{bi}}}$ $c_{\mathrm{bi}}=\frac{z_i^s-z_{0b}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{\mathrm{bi}}}$

同理，ρ_bj＝a_bjΔX_b+b_bjΔY_b+c_bjΔZ_b+d_bj

则 $\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}=(a_{\mathrm{bj}}-a_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{X}_b+(b_{\mathrm{bj}}-b_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{Y}_b+(c_{\mathrm{bj}}-c_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{Z}_b+(d_{\mathrm{bj}}-d_{\mathrm{bi}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ai}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aj}})=\▿\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ij}}$

.................10式

同理可以求出

$\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ik}}=(a_{\mathrm{bk}}-a_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{X}_b+(b_{\mathrm{bk}}-b_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{Y}_b+(c_{\mathrm{bk}}-c_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{Z}_b+(d_{\mathrm{bk}}-d_{\mathrm{bi}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ai}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ak}})=\▿\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{ik}}$

.................11式

$\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{il}}=(a_{\mathrm{bl}}-a_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{X}_b+(b_{\mathrm{bl}}-b_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{Y}_b+(c_{\mathrm{bl}}-c_{\mathrm{bi}})\mathrm{\Δ}{Z}_b+(d_{\mathrm{bl}}-d_{\mathrm{bi}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ai}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{al}})=\▿\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{il}}$

.................12式

联立10，11，12式，三个未知数，三个方程，即可求解出ΔX_b，ΔY_b，ΔZ_b。

Claims (5)

1.一种对卫星定位数据进行后差分计算的方法，其基于是车辆上设有卫星定位接收机(GPS接收机)、无线数字蜂窝电话通信器和对卫星定位数据进行处理及对通信器进行控制的通信控制器的移动台；以及设有卫星定位接收机、数据处理器以及能通过串口与监控中心通讯的差分基准站；在监控中心配备无线数字蜂窝电话通信器，所述移动台通过无线数字蜂窝电话系统中心提供的点对点信息业务向监控中心传送定位数据，差分基准站通过串口也向监控中心传送定位数据，在监控中心对这两组数据进行后差分计算。

2.据权利要求1所述的卫星定位数据后差分方法，其特征是：安置在移动台上的GPS接收机将所收到的GPS数据是通过无线数字蜂窝电话系统中心提供的点对点信息业务传送到监控中心，安置在差分基准站上的GPS接收机将所收到的GPS数据通过串口传送到监控中心。

3.根据权利要求1所述的卫星定位数据后差分方法，其特征是利用二次差分方法，经建立数学模型得：

B点的精确位置 $\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_{0b}+\mathrm{\Δ}{x}_b\\ y_b=y_{0b}+\mathrm{\Δ}{y}_b\\ z_b=z_{0b}+\mathrm{\Δ}{z}_b\end{array}\right.$

x₀，y₀，z₀为GPS接收机提供给用户的位置坐标，

x，y，z为GPS接收机准确的位置坐标。

Δx＝x-x₀，Δy＝y-y₀，Δz＝z-z₀

4.根据权利要求1所述的卫星定位数据后差分方法，其特征是本发明移动台与监控中心的数据传输可以采用下述任意一种：常规对讲系统、双向寻呼、模拟集群、数字集群(如IDEN)、DataCell、CDPD、GSM数据传输、GSM/SMS/GPRS、CDMA。

5.根据权利要求1所述的卫星定位数据后差分方法，其特征是：移动台与监控中心的数据传输为蜂窝电话的短信息通道。

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