CN102540228B - 一种单频gps高精度单点定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单频GPS高精度单点定位系统及方法，属于GPS定位技术领域，该定位系统由单频GPS接收机，完成GPS基带信号处理、GPS信号跟踪和PVT解算，并向精密单点定位解算模块提供所需的GPS观测数据、各种误差改正信息。由无线通讯模块（GPRS）完成通过无线网络传输的各项修正数据的接收，以及下载IGS精密星历、钟差、电离层延时等信息，进行电离层延迟误差、卫星钟差改正、卫星轨道误差改正，利用IGS网络数据完成精密单点定位处理。由ARM核心板接收来自GPS接收机板卡的各项观测数据、SBAS观测数据以及无线通讯模块的各项修正数据，并进行自主的精密单点定位算法处理运算。该系统具有数据采集简单且精度高的优点，提高了精密定位的可行性和灵活性。

Description

一种单频GPS高精度单点定位系统及方法

技术领域

本发明涉及GPS定位技术领域，尤其涉及一种单频GPS高精度单点定位系统及方法。

背景技术

卫星定位技术自1993年GPS建成以来，在导航、测量、定时、空间技术等方面得到广泛的应用，并成为继通信、互联网之后的第三个IT新增长点。GPS的定位方式分相对定位和绝对定位两种，后者也称为单点定位。GPS自投入使用以来，其相对定位的定位方式发展得很快，从最先的码相对定位到现在的RTK定位，使GPS的定位精度不断提高。但是，绝对定位即单点定位发展得比较缓慢，传统的GPS 单点定位是利用码伪距观测值以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟改正数进行的，其优点是，数据采集与处理较为方便、自由和简单，用户在任一时刻只需用一台GPS 接收机就能获得WGS--84坐标系中的三维坐标。但由于伪距观测值的精度一般为数分米至数米，用广播星历所求得的卫星位置的误差可达数米至数十米，卫星钟差的误差为±20 ns 左右，因而GPS单点定位接收机一般只能用于导航及资源调查、勘探等低精度的领域。

随着各国GPS测量应用领域的扩大和活动的增加，对定位精度也提出更高要求：如精密的海洋划界、精密海洋工程测量等，要求能够达到十几或几十厘米的定位精度。而采用伪距差分定位只能提供亚米级的定位精度，如果使用RTK功能，作业范围一般不超过15公里，因此作用距离又不能达到要求。双频单点定位研究已相当成熟，但双频接收机价格昂贵，不宜推广。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种单频GPS高精度单点定位系统及方法。采用单台单频GPS接收机，对全球范围内动态目标进行高精度定位、测速。提供高质量的定位位置信息。

本发明所采用的技术方案为：

所述的一种单频GPS高精度单点定位系统，由天线、GPS接收机、无线通讯模块（GPRS）、ARM核心板、母板、电源以及数据接口组成：

天线，用于接收GPS卫星导航系统的信号；

单频GPS接收机，主要完成GPS基带信号处理、GPS信号跟踪和PVT(位置、速度、时间)解算，并向精密单点定位解算模块提供所需的GPS观测数据（卫星星历数据、伪距观测量、载波相位观测量等）、SBAS观测数据（GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息等）；

无线通讯模块（GPRS）主要完成通过无线网络传输的各项修正数据（包括GPS卫星精密星历、GPS钟差修正数据和电离层误差修正数据等）的接收，下载IGS精密星历、钟差、电离层延时等信息，进行电离层延迟误差、卫星钟差改正、卫星轨道误差改正，实现利用IGS网络数据完成精密单点定位处理；

ARM核心板主要完成各数据接口的驱动加载；GPS接收机板卡和无线通讯模块的初始化；接收来自GPS接收机板卡的各项观测数据（GPS卫星星历数据、伪距观测量、载波相位观测量等）、SBAS观测数据（GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息等）；无线通讯模块的各项修正数据；进行自主的精密单点定位算法处理运算；

母板的作用主要是连接GPS接收机、ARM核心板、无线通讯模块；完成各模块供电；完成系统内、外通讯功能；

电源用于向系统供电，数据接口用于完成数据的输入输出工作。

进一步，所述无线通讯模块（GPRS）可通过移动通信、3G无线宽带通信等连接到IGS数据中心，完成数据下载。

进一步，所述IGS数据中心是指国际GPS数据服务组的一个数据分析中心。

进一步，所述SBAS观测数据，是指利用地球静止轨道卫星建立的区域性广域差分增强系统。本方案使用日本的MSAS多功能卫星增强系统。

进一步，所述数据接口包括RS232端口和USB接口。

本发明的另一个目的在于提供一种单频GPS高精度单点定位方法：

所述的方法包括以下步骤：

步骤1：系统启动：主要检查GPS板卡和无线通讯模块的初始化情况，以及完成ARM核心板中的操作系统的启动和各接口驱动的加载；

步骤2：GPS板卡数据通讯：主要完成GPS接收机板卡的GPS观测数据以及SBAS观测数据的提取；GPS接收机板卡的参数设置；

无线通讯模块数据通讯：主要完成无线通讯模块的数据提取、模块的参数设置和向模块写数据；

外围串口2通讯：通过外围串口2完成差分数据的收发；

步骤3：GPS数据计算与处理，完成单点定位处理；将GPS接收机的GPS数据和SBAS数据、无线通讯模块的修正数据、外围串口2的差分等数据进行综合处理和计算，完成精密单点定位；在精确获取到卫星轨道和卫星的钟差值后，再考虑影响定位结果的各种误差源并利用相应的改正模型对其进行改正；结合IGS站提供的GPS卫星精密星历求出高精度的卫星轨道，利用精密卫星钟差进行钟差改正；对单频单点定位的精度影响最大电离层误差，采用电离层格网模型来修正；在解算过程中，利用载波相位变化率探测周跳，利用切比雪夫多项式确定并修复周跳，使用Hatch滤波进行伪距相位平滑等数据预处理工作，再利用卡尔曼滤波方法进行待求参数的估计计算；

步骤4：收到卫星信号后，点亮GPS信号灯，高精度定位成功后，点亮高精度定位信号灯；

步骤5：单点定位处理后的GPS定位数据通过外围串口1、外围USB及外围串口2输出。

本发明的有益效果是：仅采用一台单频GPS接收机进行观测，结合从IGS站上下载的精密星历和精密钟差文件，利用观测得到的伪距和载波相位观测值进行解算，以获得该接收机在地球坐标系中精确的坐标。该技术具有数据采集简单且精度高的优点，很大程度上提高了精密定位的可行性和灵活性，与价格昂贵的双频GPS接收机相比采用低成本的单频GPS接收机，大大降低了项目费用。因此，单点定位技术已在GPS地面网的解算、运动载体动态定位、大气探测、时间传递、国土资源调查与管理、生态环境监测重大自然灾害与应急监测以及低轨卫星定轨、区域高精度的坐标框架维持等领域都具有广泛的应用，本发明以其自身优势具备广阔的产业化前景。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明提供的系统数据处理流程图。

图3为本发明提供的单频精密单点定位解算数据处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种单频GPS高精度单点定位系统，由天线101、GPS接收机102、无线通讯模块（GPRS）103、ARM核心板104、母板105、电源106以及数据接口107组成。

天线101，用于接收GPS卫星导航系统的信号；

单频GPS接收机102，主要完成GPS基带信号处理、GPS信号跟踪和PVT(位置、速度、时间)解算，并向精密单点定位解算模块提供所需的GPS观测数据（卫星星历数据、伪距观测量、载波相位观测量等）、SBAS观测数据（GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息等）。

 无线通讯模块（GPRS）103，主要完成通过无线网络传输的各项修正数据（包括GPS卫星精密星历、GPS钟差修正数据和电离层误差修正数据等）的接收。可通过移动通信、3G无线宽带通信连接到IGS数据中心，下载IGS精密星历、钟差、电离层延时等信息，进行电离层延迟误差、卫星钟差改正、卫星轨道误差改正，实现利用IGS网络数据完成精密单点定位处理。

 ARM核心板104，主要完成各数据接口的驱动加载；GPS接收机板卡和无线通讯模块的初始化；接收来自GPS接收机板卡的各项观测数据（GPS卫星星历数据、伪距观测量、载波相位观测量等）、SBAS观测数据（GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息等）；无线通讯模块的各项修正数据；进行自主的精密单点定位算法处理运算 。

 母板105的作用主要是连接GPS接收机102、无线通讯模块103、ARM核心板104；完成各模块供电；完成系统内、外通讯功能。

 电源106用于向系统供电，数据接口107用于完成数据的输入输出工作。

 如图2所示，一种单频GPS高精度单点定位方法：

 所述的方法包括以下步骤：

 步骤1：系统启动：首先进行GPS板卡初始化201、无线通讯模块的初始化202及系统的初始化203，初始化成功后204进行步骤2；

 步骤2：GPS板卡数据通讯205：主要完成GPS接收机板卡的GPS观测数据以及SBAS观测数据的提取；GPS接收机板卡的参数设置；

 无线通讯模块数据通讯206：主要完成无线通讯模块的数据提取、模块的参数设置和向模块写数据；

 外围串口2通讯207：通过外围串口2完成差分数据的收发，步骤2完成后进行步骤3；

 步骤3：GPS数据计算与处理，完成单点定位处理208；将GPS接收机的GPS数据和SBAS数据、无线通讯模块的修正数据、外围串口2的差分等数据进行综合处理和计算，完成精密单点定位；在精确获取到卫星轨道和卫星的钟差值后，再考虑影响定位结果的各种误差源并利用相应的改正模型对其进行改正；结合IGS站提供的GPS卫星精密星历求出高精度的卫星轨道，利用精密卫星钟差进行钟差改正；对单频单点定位的精度影响最大电离层误差，采用电离层格网模型来修正；在解算过程中，利用载波相位变化率探测周跳，利用切比雪夫多项式确定并修复周跳，使用Hatch滤波进行伪距相位平滑等数据预处理工作，再利用卡尔曼滤波方法进行待求参数的估计计算，步骤3完成后进入步骤4；

 步骤4：收到卫星信号后209，点亮GPS信号灯210，高精度定位成功后211，点亮高精度定位信号灯212，步骤4完成后进入步骤5；

 步骤5：单点定位处理后的GPS定位数据通过外围串口1输出213、外围USB输出214及外围串口2输出215。

 图3为单频精密单点定位解算数据处理流程，利用GPS接收机的输出数据以及无线通讯模块接收的各项修正数据，实现单频精密单点定位。

步骤301主要完成GPS单频观测数据（卫星星历观测数据、伪距观测量、载波观测量等）、导航文件、SBAS修正数据（星历修正、GPS卫星钟差修正、电离层修正等）、IGS精密星历和精密钟差文件、IGS的硬件延迟文件、电离层格网数据的接收；步骤302主要完成周跳探测、粗差剔除和利用相位平滑伪距的处理；步骤302完成后，进入步骤303误差改正和步骤304参数估计，步骤303中主要进行的是电离层、硬件延迟及对对流层等其它误差改正，并在步骤305中计算残值，步骤306对残值判定是否超限，如果超限则重新进入步骤304，如未超限，则进入步骤307，输出测站坐标、接收机钟、天顶对流层参数模糊度参数。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (6)

1.一种单频GPS高精度单点定位系统，由天线、单频GPS接收机、无线通讯模块（GPRS）、ARM核心板、母板、电源以及数据接口组成，其特征在于：

天线，用于接收GPS卫星导航系统的信号；

单频GPS接收机，主要完成GPS基带信号处理、GPS信号跟踪和PVT解算，并向精密单点定位解算模块提供所需的GPS观测数据、SBAS观测数据；

无线通讯模块（GPRS）主要完成通过无线网络传输的各项修正数据的接收，下载IGS精密星历、钟差、电离层延时等信息，进行电离层延迟误差、卫星钟差改正、卫星轨道误差改正，实现利用IGS网络数据完成精密单点定位处理；

ARM核心板主要完成各数据接口的驱动加载；GPS接收机板卡和无线通讯模块的初始化；接收来自GPS接收机板卡的各项观测数据、SBAS观测数据；无线通讯模块的各项修正数据；进行自主的精密单点定位算法处理运算；

母板的作用主要是连接GPS接收机、ARM核心板、无线通讯模块；完成各模块供电；完成系统内、外通讯功能；

电源用于向系统供电，数据接口用于完成数据的输入输出工作；

其中，所述PVT为位置、速度、时间；所述GPS观测数据为卫星星历数据、伪距观测量、载波相位观测量；所述SBAS观测数据为GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息；所述各项修正数据包括GPS卫星精密星历、GPS钟差修正数据和电离层误差修正数据；所述各项观测数据为GPS卫星星历数据、伪距观测量、载波相位观测量。

2.根据权利要求1所述的一种单频GPS高精度单点定位系统，其特征在于：所述无线通讯模块（GPRS）可通过移动通信、3G无线宽带通信连接到IGS数据中心，完成数据下载。

3.根据权利要求1所述的一种单频GPS高精度单点定位系统，其特征在于：所述IGS数据中心是指国际GPS数据服务组的一个数据分析中心。

4.根据权利要求1所述的一种单频GPS高精度单点定位系统，其特征在于：所述SBAS观测数据，是指利用地球静止轨道卫星建立的区域性广域差分增强系统；本方案使用日本的MSAS多功能卫星增强系统。

5.根据权利要求1所述的一种单频GPS高精度单点定位系统，其特征在于：所述数据接口包括RS232端口和USB接口。

6.一种单频GPS高精度单点定位方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤1：系统启动：主要检查GPS板卡和无线通讯模块的初始化情况，以及完成ARM核心板中的操作系统的启动和各接口驱动的加载；

步骤2：GPS板卡数据通讯：主要完成GPS接收机板卡的GPS观测数据以及SBAS观测数据的提取；GPS接收机板卡的参数设置；

无线通讯模块数据通讯：主要完成无线通讯模块的数据提取、模块的参数设置和向模块写数据；

外围串口2通讯：通过外围串口2完成差分数据的收发；

步骤3：GPS数据计算与处理，完成单点定位处理；将GPS接收机的GPS数据和SBAS数据、无线通讯模块的修正数据、外围串口2的差分数据进行综合处理和计算，完成精密单点定位；在精确获取到卫星轨道和卫星的钟差值后，再考虑影响定位结果的各种误差源并利用相应的改正模型对其进行改正；结合IGS站提供的GPS卫星精密星历求出高精度的卫星轨道，利用精密卫星钟差进行钟差改正；对单频单点定位的精度影响最大电离层误差，采用电离层格网模型来修正；在解算过程中，利用载波相位变化率探测周跳，利用切比雪夫多项式确定并修复周跳，使用Hatch滤波进行伪距相位平滑数据预处理工作，再利用卡尔曼滤波方法进行待求参数的估计计算；

步骤4：收到卫星信号后，点亮GPS信号灯，高精度定位成功后，点亮高精度定位信号灯；

步骤5：单点定位处理后的GPS定位数据通过外围串口1、外围USB及外围串口2输出。