CN104267418A - 基于伪距差分数据编码的定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种卫星定位导航技术领域的基于伪距差分数据编码的定位方法及系统，通过从基站的增强信息中解析得到的该基站对应可见卫星的伪距及其精确坐标，根据计算得出的卫星离基站的真实距离与基站对应可见卫星的伪距之差对用户终端系统与卫星之间的伪距进行更新，最后基于更新后的伪距和用户终端系统的当前的概要位置信息得到当前精确位置。本发明可以完全消除卫星钟差及星历误差，消除大部分电离层及对流层误差，只需要获得伪距，即可以获得更高的精度；对终端的要求更低，传输数据量小，更适合民用。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种卫星定位导航技术领域的方法及系统，具体是一种DGNSS(差分全球卫星导航系统)方法：通过在基准站连续观测卫星数据，根据基准站已知精准坐标，计算出位置增强数据，利用位置增强数据提高终端定位精度的定位方法及系统。
背景技术
伪距差分定位技术的基本原理是：伪距差分技术通过在基准站连续观测卫星数据，根据基准站已知精准坐标，计算出位置增强数据，利用位置增强数据提高终端定位精度。
当前伪距差分的编码方式主要有两种，第一种是在基站计算伪距改正数，通过RTCM2.x(Radio Technical Commission for Maritime Services，国际海运事业无线电技术委员会)数据格式播发，这种方式因终端和基准站伪距改正数计算模型不同，以及对星历使用的问题，对定位精度造成一定程度的影响；第二种是直接通过RTCM3.0播发伪距载波等信息，在终端计算和运用伪距改正数；而RTCM3.0对于伪距差分算法而言，有大量的冗余数据。RTCM3.0中每颗卫星包含了两个波段(北斗三个波段)的伪距，载波相位模糊度，载噪比，锁定时间等数据，其中大部分数据应用于载波相位计算，差分算法只需要其中L1/B1上的伪距值就能完成计算了。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103852774A公开(公告)日2014.06.11，公开了一种GNSS接收器及其用于伪距和位置确定的计算方法。提供用于在全球导航卫星系统接收器中计算伪距和位置的方法和设备。计算卫星的第一伪距以用于全球导航卫星系统接收器的位置确定。计算卫星的第二伪距以用于全球导航卫星系统接收器的位置校正。使用第一伪距和第二伪距执行差分运算以消除误差。但该技术无法消除接收机公共误差如卫星钟差，星历误差等，此外，该技术定位模块需要获得第二伪距，对终端要求更高。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103559805A公开(公告)日2014.02.05，公开了一种基于北斗及惯性导航的高精度3G视频车载定位系统，包含车载视频终端和视频位置服务监控平台，车载视频终端的视频主处理单元连接有行驶记录单元、3G传输单元、定位信号处理单元以及惯性导航处理单元；通过3G传输单元与CORS控制中心建立通讯链路，接收差分数据，解算后得到精确的位置信息，该技术使视频车载系统不需要额外的接收模块，利用任何有3G网络的区域均可快速获取差分定位信号，具备高精度定位的能力，同时，通过惯性导航处理单元，在北斗信号遮蔽区域仍可无缝定位，在驾培系统、飞机场运输、港口运输、停车场诱导、国防车辆运输等方面将具有很大优势。但其使用的RTK数据提高定位精度，不仅数据量大，同时需要定位终端具有载波相位差分的能力，且对提供RTK数据的服务端性能也有较高的要求，传输的数据量也较大，这些因素综合导致其因终端和运营成本高而很难大规模民用。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺陷和不足，提出一种基于伪距差分数据编码的定位方法及系统，可以完全消除卫星钟差及星历误差，消除大部分电离层及对流层误差，只需要获得伪距，即可以获得更高的精度；对终端的要求更低，传输数据量小，更适合民用。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明涉及一种基于伪距差分数据编码的定位方法，通过从基站的增强信息中解析得到的该基站对应可见卫星的伪距及其精确坐标，根据计算得出的卫星离基站的真实距离与基站对应可见卫星的伪距之差对用户终端系统与卫星之间的伪距进行更新，最后基于更新后的伪距和用户终端系统的当前的概要位置信息得到当前精确位置。
该定位方法具体包括以下步骤：
步骤1：用户终端系统与位置增强系统建立连接，并向位置增强系统发送用户名密码以及服务类型信息；
步骤2：用户终端系统获得位置增强系统发送的ICY 200 OK指令后，向位置增强系统发送当前的概要位置信息；位置增强系统返回增强信息给终端用户；
步骤3：用户终端收到增强信息后，通过解析其内容，可以获得基站所有可见卫星的伪距Pi及基站的精确坐标(Xb，Yb，Zb)；
步骤4：用户终端系统通过其采集的卫星星历，计算出当前时刻卫星的坐标(Xi，Yi，Zi)；
步骤5：终端用户计算得到当前卫星离基站的真实距离
步骤6：用户终端系统计算改正数G＝R-Pi；
步骤7：将用户终端系统解析出的终端与卫星间的原始伪距Pold加上改正数G得到更新后的伪距Pcor；
步骤8：终端利用更新后的伪距Pcor，通过三角定位法联立方程即可求出其当前所在的位置。
本发明涉及一种实现上述方法的定位系统，包括：服务侧的位置增强系统以及用户侧的用户终端系统，位置增强系统包括：Ntrip服务模块、用于与基站进行通讯的基站通讯模块、解码模块及编码模块；用户终端系统包括：终端通讯模块、数据解析模块及定位模块；其中：位置增强系统的Ntrip服务模块通过Internet与用户终端系统相连，并根据用户终端系统中用户最后一次上传的坐标及挂载点类型，在基站中挑选离其最近的基站并向其发送对应挂载点类型的数据，Ntrip服务模块与编码模块相连并接收位置增强数据，基站通讯模块实时获取基站观测的原始数据并推送至解码模块；解码模块根据基站类型和原始数据对应的数据格式进行解码并封装到统一格式的结构体后输出至编码单元，编码单元基于RTCM3的数据编码方式，仅对结构体中的调制在L1和B1上的伪距进行编码，编码单元将编码后的位置增强数据实时在内存数据库中更新；终端通讯模块通过与位置增强系统建立连接并取得认证授权以获得位置增强数据，数据解析模块解析协议数据并获得解算所需要的包括L1和B1的增强数据，定位服务模块根据伪距差分算法得到定位结果。
所述的编码是指：计算剔除异常值后的GPS(北斗)卫星的伪距值所对应的合格卫星的卫星数，并以卫星数生成数组并填入来自于统一格式的结构体中的每颗卫星的整周模糊度和伪距数值，最后进行CRC校验。
所述的合格卫星的卫星数优选为4颗以上；
所述的数组是指：字节大小等于13+5*合格卫星的数目个的数组，该数组长度即为数据报头信息。
所述的整周模糊度等于原始伪距除以2299792.458后向下取整，所述的伪距数值等于原始伪距减去整周模糊度与2299792.458的乘积。
所述的Ntrip是指：通过互联网进行RTCM网络传输的协议(Networked TransportofRTCM via Internet Protocol)。
所述的Ntrip服务模块实现了Ntrip协议，根据终端用户所申请的服务类型和最后一次上报的位置信息，每秒向终端用户返回离其最近基站的位置增强数据。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例系统包括：服务侧的位置增强系统以及用户侧的用户终端系统，位置增强系统包括：Ntrip服务模块、用于与基站进行通讯的基站通讯模块、解码模块及编码模块；用户终端系统包括：终端通讯模块、数据解析模块及定位模块；其中：位置增强系统的Ntrip服务模块通过Internet与用户终端系统相连，并根据用户终端系统中用户最后一次上传的坐标及挂载点类型，在基站中挑选离其最近的基站并向其发送对应挂载点类型的数据，Ntrip服务模块与编码模块相连并接收位置增强数据，基站通讯模块实时获取基站观测的原始数据并推送至解码模块，解码模块根据基站类型和原始数据对应的数据格式进行解码并封装到统一格式的结构体后输出至编码单元，编码单元基于RTCM3的数据编码方式，仅对结构体中的调制在L1和B1上的伪距进行编码，而对在伪距差分中不会用到的L2、B2、B3上的数据以及载波相位数据不进行编码，编码单元将编码后的位置增强数据实时在内存数据库中更新；终端通讯模块通过与位置增强系统建立连接并取得认证授权以获得位置增强数据，数据解析模块解析协议数据并获得解算所需要的包括L1和B1的增强数据，定位服务模块根据伪距差分算法得到定位结果。
所述的位置增强系统的Ntrip服务模块包括：用于管理系统与终端用户连接的连接管理单元、用于解析用户申请信息并进行认证和授权的认证授权单元、用于根据用户所请求的服务类型从内存数据库中读取相应的增强数据并通过与终端用户的连接发送的数据分发单元。
所述的位置增强系统的基站通讯模块包括：用于管理与基站连接的基站连接管理单元、用于维护并向运维监控系统发送基站的状态信息的基站状态管理单元、用于将原始数据发送给解码模块的内部数据传送单元。
所述的位置增强系统的解码模块包括：用于从基站通讯模块传递的原始数据，并根据数据类型的不同进行解码的解码单元、用于将不同类型的原始数据转换为统一的内部数据结构的数据转换单元。
所述的位置增强系统的编码模块利用解码模块传递的卫星观测数据进行相应的编码，并将编码后的增强数据存入内置的数据库。
所述的用户终端的通讯模块包括：用于将服务申请及概要位置信息发送给位置增强系统的发送单元、用于侦听与位置增强系统的通讯，并将位置增强系统发送的数据转发给数据解析模块的接收单元。
所述的用户终端的数据解析模块将位置增强数据解析成差分运算所必需的L1及B1等数据。
所述的用户终端的定位模块包括：用于采集和处理用户终端收到的原始数据的卫星原始数据采集处理单元、根据历史及当前观测数据进行卫星筛选的剔星单元、运行伪距差分算法的算法单元、用于滤波和平滑定位结果的滤波单元、用于处理用户终端静止或低速运行情况下的定位结果漂移现象的静态抑制单元。
本实施例所述的系统通过以下方式实现伪距差分数据编码：
1)基站通讯模块用于与不同类型的基站进行通讯，实时获取基站观测的原始数据推送至解码模块；当链路故障时，基站通讯模块将进行重连，5次重连未果后基站通讯模块向运维监控系统发出报警信息并停止执行后续步骤；
2)解码模块从基站通讯模块获得原始数据，根据不同类型基站的不同数据格式进行解码，然后将解码结果汇总成一个基站观测数据的结构体，并推送给编码模块。
所述的基站观测数据的结构体是指：
| 数据域 | 字节数 |
| 报头信息 | 3 |
| 观测信息 | 6+5*卫星数 |
| 校验码 | 3 |
| 总计 | 12+5*卫星数 |
其中：校验码采用更适合2进制数据传输的CRC24校验码。
3)编码模块将同一个基站观测数据的结构体，分发给各个编码单元，进行编码。
4)编码模块利用解码模块传递的卫星观测数据进行相应的编码，具体步骤包括：
步骤S01：从解码模块获得格式化后的原始数据；
步骤S02：判断是否存在GPS或北斗系统卫星；
步骤S03：检查GPS或北斗卫星的伪距值是否在正常范围，如果值有异常则将星剔除；
步骤S04：计算合格卫星的卫星数，如果小于4颗则中止，否则就开辟对应大小的数组，数组大小为：12+5*合格卫星颗数个字节；
步骤S05：获得数据包长度即数组长度，并生成报头信息；
所述的报头信息是指：
| 数据域 | DF参数 | 数据类型 | 比特数 |
| 前序 | DF008 | 8位无符号整数 | 8 |
| 信息长度 | DF009 | 16位无符号整数 | 16 |
步骤S06：从格式化数据中获取时间、合格卫星数等信息填入观测信息；
所述的观测信息是指：
| 第一颗卫星的伪随机噪声码 | DF004 | Uint8 | 8 |
| 第一课卫星的整周模糊度 | DF005 | Unit8 | 8 |
| 第一课卫星的伪距值 | DF006 | Unit24 | 24 |
| …….第二颗 | |||
| 观测卫星序号 | |||
| 共计 | 48+观测个数*40 |
步骤S07：计算每颗卫星的整周模糊度和伪距，计算方法为：
整周模糊度＝原始伪距除以2299792.458并向下取整；
伪距＝原始伪距减去整周模糊度与2299792.458的乘积。
步骤S08：生成Crc24校验码，完成编码。
所述的观测信息中：增加电文类型101和102为压缩协议，其中电文101为GPS观测数据，电文102为北斗观测数据，基准站的坐标数据仍然采用RTCM3中使用的电文1006。
电文101和102的数据格式相同，详细定义如下：
本方法相对RTCM3数据格式，数据量减少了60～80％，相对于RTCM2数据格式，数据量减少了25％，具体如下：
| 卫星 | Rtcm2_GPS/BD改 | Rtcm2单GPS | Rtcm3单GPS | RTCM3单BD | CMR单GPS | 本方 |
| 数 | 正数 | 伪距 | 伪距 | 伪距 | 伪距 | 法 |
| 4 | 35 | 100 | 77 | 121 | 72 | 26 |
| 5 | 45 | 120 | 93 | 148 | 87 | 31 |
| 6 | 50 | 140 | 108 | 175 | 102 | 36 |
| 7 | 60 | 160 | 124 | 201 | 117 | 41 |
| 8 | 70 | 180 | 139 | 228 | 132 | 46 |
| 9 | 75 | 200 | 155 | 254 | 147 | 51 |
| 10 | 85 | 220 | 171 | 281 | 162 | 56 |
| 11 | 95 | 240 | 186 | 308 | 177 | 61 |
| 12 | 100 | 260 | 202 | 334 | 192 | 66 |
Claims (10)
1.一种基于伪距差分数据编码的定位方法，其特征在于，通过从基站的增强信息中解析得到的该基站对应可见卫星的伪距及其精确坐标，根据计算得出的卫星离基站的真实距离与基站对应可见卫星的伪距之差对用户终端系统与卫星之间的伪距进行更新，最后基于更新后的伪距和用户终端系统的当前的概要位置信息得到当前精确位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，具体包括以下步骤：
步骤1：用户终端系统与位置增强系统建立连接，并向位置增强系统发送用户名密码以及服务类型信息；
步骤2：用户终端系统获得位置增强系统发送的ICY 200 OK指令后，向位置增强系统发送当前的概要位置信息；位置增强系统返回增强信息给终端用户；
步骤3：用户终端收到增强信息后，通过解析其内容，可以获得基站所有可见卫星的伪距Pi及基站的精确坐标(Xb，Yb，Zb)；
步骤4：用户终端系统通过其采集的卫星星历，计算出当前时刻卫星的坐标(Xi，Yi，Zi)；
步骤5：终端用户计算得到当前卫星离基站的真实距离
步骤6：用户终端系统计算改正数G＝R-Pi；
步骤7：将用户终端系统解析出的终端与卫星间的原始伪距Pold加上改正数G得到更新后的伪距Pcor；
步骤8：终端利用更新后的伪距Pcor，通过三角定位法联立方程即可求出其当前所在的位置。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的基于伪距差分数据编码的定位系统，其特征在于，包括：服务侧的位置增强系统以及用户侧的用户终端系统，位置增强系统包括：Ntrip服务模块、用于与基站进行通讯的基站通讯模块、解码模块及编码模块；用户终端系统包括：终端通讯模块、数据解析模块及定位模块；其中：位置增强系统的Ntrip服务模块通过Internet与用户终端系统相连，并根据用户终端系统中用户最后一次上传的坐标及挂载点类型，在基站中挑选离其最近的基站并向其发送对应挂载点类型的数据，Ntrip服务模块与编码模块相连并接收位置增强数据，基站通讯模块实时获取基站观测的原始数据并推送至解码模块，解码模块根据基站类型和原始数据对应的数据格式进行解码并封装到统一格式的结构体后输出至编码单元，编码单元基于RTCM3的数据编码方式，仅对结构体中的调制在L1和B1上的伪距进行编码，编码单元将编码后的位置增强数据实时在内存数据库中更新；终端通讯模块通过与位置增强系统建立连接并取得认证授权以获得位置增强数据，数据解析模块解析协议数据并获得解算所需要的包括L1和B1的增强数据，定位服务模块根据伪距差分算法得到定位结果。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，当链路故障时，基站通讯模块将进行重连，5次重连未果后基站通讯模块向运维监控系统发出报警信息。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述系统对在伪距差分中不会用到的L2、B2、B3上的数据以及载波相位数据不进行编码。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的编码是指：计算剔除异常值后的GPS卫星的伪距值所对应的合格卫星的卫星数，并以卫星数生成数组并填入来自于统一格式的结构体中的每颗卫星的整周模糊度和伪距数值，最后进行CRC校验。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的合格卫星的卫星数为4颗以上。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的数组是指：字节大小等于13+5*合格卫星的数目个的数组，该数组长度即为数据报头信息。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的整周模糊度等于原始伪距除以2299792.458后向下取整，所述的伪距数值等于原始伪距减去整周模糊度与2299792.458的乘积。
10.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的Ntrip服务模块实现了Ntrip协议，根据终端用户所申请的服务类型和最后一次上报的位置信息，每秒向终端用户返回离其最近基站的位置增强数据。
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