CN104833994A - 一种基于自组网方式的rtk北斗定位系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统，包括至少三个北斗定位基站、至少一个北斗定位移动站和多个无线通信模块；各北斗定位基站均分别与一个无线通信模块连接通信，北斗定位移动站均分别与一个无线通信模块连接通信，多个无线通信模块之间自组网；北斗定位基站生成基站定位数据，通过无线通信模块发送至自组网内的其他无线通信模块；北斗定位移动站生成移动站定位数据，并接收基站定位数据，北斗定位移动站根据基站定位数据和移动站定位数据实时解算虚拟基站的虚拟基站定位数据，北斗定位移动站实时解算得到高精度的北斗定位RTK坐标。本发明还公开了一种基于自组网方式的RTK北斗定位方法。

Description

一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统及其方法

技术领域

本发明属于通信及定位技术领域，尤其涉及一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统及方法。

背景技术

现有的高精度大范围定位的网络RTK技术GPS系统由基站、数据处理中心、数据通信链路和移动站组成。现有的RTK系统中，移动站坐标根据VRS载波相位观测值和移动站收到的GPS卫星信息来校正自身的坐标，提高定位精度。固定基站的GPS观测卫星数据通过通讯链不停地被传送到数据处理中心，数据处理中心会对每台固定基站的数据进行质量检测，去除数据中存在的较大误差及修正周跳，完成对数据质量的完善性检测，并通过分析双差相位观测量来计算电离层误差、对流层误差和星历误差。这些误差对网内任一移动站的影响也被模型化，因此常规RTK定位的系统误差能被明显地剔除。网络内移动站为得到虚拟基站的虚拟基站定位数据，必须向数据处理中心提供自身的近似位置，该过程通过蜂窝移动通讯采用标准的NMEA GGA数据串来完成。数据处理中心自动接收该近似定位信息，并对给定的位置进行几何替代处理，通过内插修正过的星历误差、电离层和对流层误差，为该移动站“生成”一个“虚拟基站”，由于相对其它固定基站，该“虚拟基站”的坐标与移动站的位置最近，所以提高了定位的精度。这种方法的缺点主要在于：

●安全隐患问题：由于高精度定位数据的RTK数据的解算与获取必须依靠数据处理中心通过公共蜂窝移动通信网络传输，如果遇到移动通信网络或数据处理中心服务器的故障、瘫痪，就会造成VRS数据的传输中断；GPS移动站必须将自身GPS坐标等数据发到数据处理中心，如果数据中途被恶意截取篡改以及数据处理中心遭遇恶意入侵时，会导致GPS移动站位置的暴露，不适用于安全性要求较高的场合。

●上述方法不适用于没有蜂窝移动通信网络覆盖区域，如山区，沙漠，森林，海洋等，不能实现无盲区的高精度定位。

●GSM信号可能在某些区域会被阻隔或屏蔽，产生通信盲区。当RTK网络覆盖区域大时，如果要求移动通信运营商增加基站的数量以达到无盲区覆盖，会增加系统的成本。此外，当遇到某些会移动的障碍物时，比如轻轨，公交车等金属，会导致通信盲区随之实时变化，即使增加基站数量也不容易达到整个RTK网络的无盲区覆盖。

●每台GPS移动站都需要使用移动通信网络，每年要支付一定的移动通信费用，成本高。

要想获得高精度的RTK数据，需要支付数据处理中心较高的费用，成本高。

●GPS移动站在移动时，如果遇到蜂窝通信越区切换，则容易造成数据的丢失和连接的中断。

●GPS网络RTK一定要基于和利用美国GPS卫星系统，在特殊时期GPS系统可能受到限制，会发生不能够进行定位或者定位精度下降。

●由于部分地区蜂窝移动通信运营商的基站数量较少或容量有限，如果GPS移动站数目较多，容易造成通信的拥塞，RTK数据丢失。

●该方式是GPS基站和GPS移动站将自身GPS坐标等数据发到数据处理中心的服务器端，该服务器将VRS的GPS信息通过GSM/GPRS方式发送给GPS移动站。这种做法在访问量较大时会有明显的缺陷：因为需要双向通信，因此通信速度慢，所有GPS移动站都会访问数据处理中心的服务器，很容易造成通信的中断或阻塞。

为解决上述问题，本发明提出了基于自组网无线通信模块的北斗RTK定位系统及其定位方法，该方式利用无线通信模块构建的自组网在北斗定位基站和北斗定位移动站之间进行信息的交互，北斗定位移动站根据各基站发来的基站定位信息并根据VRS算法解算出虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值，将北斗定位移动站的北斗卫星定位信息和上述虚拟基站载波相位观测值在北斗定位移动站本地进行解算，得出北斗定位移动站的RTK坐标。无线通信模块可以根据协议自组网，在新增或移除北斗定位移动站以后，能够进行网络的重组，实现一定区域内的高精度，无盲区定位。

发明内容

本发明提出了一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统，包括：至少三个北斗定位基站、至少一个北斗定位移动站和多个无线通信模块；各北斗定位基站均分别与一个无线通信模块连接通信，北斗定位移动站均分别与一个无线通信模块连接通信，多个无线通信模块之间以自组网通信连接；北斗定位基站用于接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据，通过与其相连的无线通信模块分时发送至自组网内的其他无线通信模块；北斗定位移动站用于接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成移动站定位数据，并通过与其相连的无线通信模块接收基站定位数据，北斗定位移动站根据基站定位数据和移动站定位数据实时解算虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值，北斗定位移动站再根据移动站定位数据和虚拟基站载波相位观测值在本地实时解算得到高精度的北斗定位RTK坐标。

本发明所述的基于自组网方式的RTK北斗定位系统中，所述北斗定位基站和所述北斗定位移动站分别配置有通信修复功能；当自组网内的其他无线通信模块损坏或关闭时，所述北斗定位基站和所述北斗定位移动站分别控制所述无线通信模块自动恢复自组网。

本发明还提出了一种基于自组网方式的RTK北斗定位方法，利用所述RTK北斗定位系统，包括如下步骤：

步骤一：北斗定位基站接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据；

步骤二：多个北斗定位移动站接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后分别生成各移动站的移动站定位数据；

步骤三：无线通信模块进行自组网；无线通信模块以自组网方式将基站定位数据传输给北斗定位移动站；

步骤四：北斗定位移动站根据基站定位数据和移动站定位数据判断其与北斗定位基站的距离，选取近距离的北斗定位基站相应的基站定位数据进行实时解算，得到虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值；

步骤五：北斗定位移动站根据移动站定位数据和虚拟基站载波相位观测值进行实时解算，得到高精度的北斗RTK坐标。

本发明所述的基于自组网方式的RTK北斗定位方法中，基站定位数据设置有跳转阈值，用于限制无线通信模块以自组网方式传输的次数。

本发明所述的基于自组网方式的RTK北斗定位方法中，无线通信模块以点到多点方式组建自组网。

本发明的有益效果在于：

本发明中没有数据处理中心，北斗定位移动站只被动接收基站信息，VRS信息在北斗定位移动站本地实时解算，北斗定位移动站不主动发送自身的定位数据到数据处理中心，RTK数据不容易被恶意截取篡改，北斗定位移动站位置不会暴露，适用于安全性要求较高的场合，同时，单向通信减少了通信的延时，北斗定位移动站无需访问数据处理中心的服务器，不容易造成通信的中断或阻塞。本发明中所使用的自组网通信模块的通信覆盖范围可通过转发的方式扩大，通信覆盖范围较广。适用于没有蜂窝移动通信网络覆盖区域，如山区，沙漠，森林，海洋等，能够实现无盲区定位。利用自组网络作为RTK北斗定位信息的交互手段，具有通信成本低的优点，不需要每年缴付高额的蜂窝移动通信费用。由于北斗定位基站的结构简单，硬件成本很低，通过自组网络就可获得高精度的RTK北斗定位数据，无需支付数据处理中心任何费用。不存在蜂窝移动通信中越区切换时可能造成的数据丢失和连接中断等问题。本发明利用北斗定位系统摆脱了对于美国GPS系统的依赖。

附图说明

图1是本发明基于自组网方式的RTK北斗定位方法的流程图。

图2是本发明基于自组网方式的RTK北斗定位系统的结构示意图。

图3是一实施例中基于自组网方式的RTK北斗定位系统的结构图。

图4是无线通信模块建立的自组网通信方式的示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1所示，本发明基于自组网方式的RTK北斗定位方法包括如下步骤：

步骤一：北斗定位基站10接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据；

步骤二：多个北斗定位移动站20接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成移动站定位数据；

步骤三：各无线通信模块30以Point-Multipoint方式进行自组网；无线通信模块30以自组网方式将基站定位数据分时传输给北斗定位移动站20；

步骤四：北斗定位移动站20根据基站定位数据和移动站定位数据判断其与北斗定位基站10的距离，选取较近距离的北斗定位基站10相应的基站定位数据进行实时解算，得到一个与移动站距离最近的虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值；

步骤五：北斗定位移动站20根据移动站定位数据和虚拟基站载波相位观测值在本地进行实时解算，得到高精度的北斗RTK坐标。

这种RTK北斗定位方法可以在较大范围内达到厘米级的定位精度，同时由于数据的存储和实时解算都在北斗定位移动站20进行，无需单独设置数据处理中心，也无需建立北斗定位基站10与数据处理中心以及移动站和数据处理中心之间的通信链路，成本较低。由于使用多个无线通信模块进行自组网式的通信，某个北斗定位基站和某个移动站之间的信息交互可通过多个无线通信模块30转发实现。因此，本发明定位方法可以解决传统无线电通信(如无线电台，蜂窝移动通信)中信号盲区问题，本方法适用于没有蜂窝移动通信网络覆盖区域，如山区，沙漠，森林，海洋等，实现一定区域内高精度，无盲区定位。

如图2所示，本发明基于自组网方式的RTK北斗定位系统包括：至少三个北斗定位基站10、至少一个北斗定位移动站20和多个无线通信模块30。北斗定位基站10与一个无线通信模块30通信连接，北斗定位移动站20与一个无线通信模块30通信连接，多个无线通信模块30之间以自组网方式通信连接。

北斗定位基站10用于接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据，通过相连的无线通信模块30分时发送至自组网内的无线通信模块30。

北斗定位移动站20用于接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成移动站定位数据，并通过相连的无线通信模块30接收基站定位数据。北斗定位移动站20根据接收到的基站定位数据和移动站定位数据实时解算出一个虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值，北斗定位移动站20再根据移动站定位数据和虚拟基站的载波相位观测值实时解算获得高精度的北斗定位RTK坐标。

其中，北斗定位基站10和北斗定位移动站20分别配置有通信修复功能；当自组网内的其他无线通信模块损坏或关闭时，北斗定位基站10和北斗定位移动站20分别控制无线通信模块30自动恢复自组网。

图3显示的是本发明定位系统的具体实施例，其中该定位系统包括北斗卫星100、北斗定位基站11，12，13、北斗定位移动站21，22，23以及无线通信模块31，32，33，34，35，36。

北斗定位基站11，12，13分别获得北斗卫星100的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据。北斗定位移动站21，22，23分别获得北斗卫星100的北斗卫星定位信息后生成移动站定位数据。无线通信模块31与北斗定位基站11连接，无线通信模块32与北斗定位移动站21连接，无线通信模块33与北斗定位基站12连接，无线通信模块34与北斗定位移动站22连接，无线通信模块35与北斗定位基站13连接，无线通信模块36与北斗定位移动站23连接。无线通信模块31，32，33，34，35，36之间以自组网方式通信连接。

当北斗定位基站11，12，13生成基站定位数据之后，将基站定位数据通过无线通信模块31，33，35以Point-to-Multipoint方式传输给其它各北斗定位移动站21，22，23的无线通信模块32，34，36。北斗定位移动站21，22，23各自生成移动站定位数据，并接收来自各北斗定位基站的基站定位数据。北斗定位移动站21，22，23判断一个或多个距离较近的北斗定位基站，利用VRS算法进行实时解算，算出一个距离最近的虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值。北斗定位移动站利用移动站定位数据和上述虚拟基站载波相位观测值，得出一个高精度的北斗RTK坐标。

本发明中，在北斗定位基站11，12，13所发出的基站定位数据中包含了一个“跳转阈值”，用于限制无线通信模块以自组网方式传输的次数。例如，将该跳转阈值规定为10，基站定位数据每传播到一个北斗定位移动站时，跳转阈值会减1，直至减为0时，该基站定位数据停止传输。又例如北斗定位移动站21可以接收到来自北斗定位基站13的基站定位数据，但是该基站定位数据需要通过无线通信模块34进行一次转发，故此处基站定位数据所包含的“跳转阈值”信息会减1，代表经过了一个无线通信模块的转发。所以，当距离较远时，北斗定位移动站只能接收到距离较近的北斗定位基站的基站定位数据。在本实施例中，规定每个北斗定位移动站能够接收到的基站定位数据可能来源于不同的北斗定位基站，因此对于每个北斗定位移动站而言都拥有一个对自身而言距离最近的虚拟基站，使得每个北斗定位移动站的定位精度都会提高。

图3中，如北斗定位移动站23距离其它北斗定位基站较远，因此只能够收到来自北斗定位基站13的基站定位数据。因此，对于北斗定位移动站23而言，北斗定位基站13等同于虚拟基站；对于北斗移动定位站22而言，其可以同时收到来自于北斗定位基站11，12，13的基站定位数据，可以据此确定出虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值。

图4显示的是无线通信模块建立的自组网通信方式的示意图。其中各无线通信模块均是通信网络中的节点，无线通信模块300是基本节点，由此开始将基站定位数据广播至中间节点，即无线通信模块310，320，330，再利用中间节点将基站定位数据转发至终止节点，即无线通信模块311，312，321，322，331，332。在这种组网方式中，首先将各无线通信模块配置为广播模式，各无线通信模块分别自动设置一个地址，该地址是由不同通信模块的出厂序列号生成，因此，在自组网中每个无线通信模块都有唯一一个地址(ID)。广播时，基站定位数据的发送和接收会配置到不同的信道中去，两个节点之间的通信要求发送节点的发送和接收节点的接收使用同一个信道，同一节点的发送和接收分别占用不同的信道的，避免同一节点接收到广播来的信息后又广播回发送节点。如无线通信模块300的发送信道和无线通信模块310，320，330的接收信道占用同一信道，无线通信模块310的发送信道和无线通信模块311，312的接收信道占用同一信道。如此，信息便可以广播至全网中。

无线通信模块发送的信息中包含一个信息发送起始标志，各节点收到的信息中一旦检测到信息发送起始标志，就开始广播发送信息，信息将逐字节从节点接收缓冲区中发出，直至接收缓冲区空。不同的节点配置为不同的节点模式，例如可以配置为基本节点，转发节点和终止节点，终止节点在接收到信息后，不会再广播出去；新增加的节点需要配置模块的通信方式，节点模式和信道等信息以后，就可以自组网通信。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (5)

1.一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统，其特征在于，包括：至少三个北斗定位基站(10)、至少一个北斗定位移动站(20)和多个无线通信模块(30)；所述各北斗定位基站(10)均分别与一个无线通信模块(30)连接通信，所述北斗定位移动站(20)均分别与一个无线通信模块(30)连接通信，所述多个无线通信模块(30)之间以自组网方式通信连接；所述北斗定位基站(10)用于接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据，通过与其相连的无线通信模块(30)分时发送至所述自组网内的其他无线通信模块(30)；所述北斗定位移动站(20)用于接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成移动站定位数据，并通过与其相连的无线通信模块(30)接收所述基站定位数据，所述北斗定位移动站(20)根据所述基站定位数据和所述移动站定位数据在本地实时解算虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值，所述北斗定位移动站(20)再根据所述移动站定位数据和所述虚拟基站载波相位观测值在本地实时解算得到高精度的北斗定位RTK坐标。

2.如权利要求1所述的基于自组网方式的RTK北斗定位系统，其特征在于，所述北斗定位基站(10)和所述北斗定位移动站(20)分别配置有通信修复功能；当自组网内的其他无线通信模块损坏或关闭时，所述北斗定位基站(10)和所述北斗定位移动站(20)分别控制所述无线通信模块(30)自动恢复自组网。

3.一种基于自组网方式的RTK北斗定位方法，利用如权利要求1至3中任一项所述的RTK北斗定位系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：北斗定位基站(10)接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后生成基站定位数据；

步骤二：多个北斗定位移动站(20)接收北斗卫星的北斗卫星定位信息后分别生成各移动站的移动站定位数据；

步骤三：无线通信模块(30)进行自组网，所述无线通信模块(30)以自组网方式将所述基站定位数据传输给所述北斗定位移动站(20)；

步骤四：所述北斗定位移动站(20)根据所述基站定位数据和移动站定位数据判断其与所述北斗定位基站(10)的距离，选取近距离的北斗定位基站(10)相应的所述基站定位数据进行实时解算，得到所述虚拟基站的虚拟基站定位数据，其中包括虚拟基站载波相位观测值；

步骤五：所述北斗定位移动站(20)在本地根据所述移动站定位数据和所述虚拟基站载波相位观测值进行实时解算，得到高精度的北斗RTK坐标。

4.如权利要求3所述的基于自组网方式的RTK北斗定位方法，其特征在于，所述基站定位数据设置有跳转阈值，用于限制所述无线通信模块(30)以自组网方式传输的次数。

5.如权利要求3所述的基于自组网方式的RTK北斗定位方法，其特征在于，所述无线通信模块(30)以点到多点方式组建自组网。