CN105044750A - 面向大众应用的高精度连续定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种面向大众应用的高精度连续定位系统和方法，包括：差分服务系统及连续定位终端，其中：差分服务系统与地面基准站相连并获取卫星原始观测数据，计算得到伪距差分数据，连续定位终端定时向差分服务系统提交数据申请以获取伪距差分数据，并通过伪距差分算法得到精确定位结果。本发明可以动态调整获取差分数据的频率，适时发起申请，由差分服务系统向连续定位终端提供差分数据；在确保可用性的前提下，在连续定位的使用场景中，能显著减少数据量，大幅降低使用成本，满足高精度定位在导航等大众应用领域的应用需求。

Description

面向大众应用的高精度连续定位系统和方法

技术领域

本发明涉及的是一种卫星定位导航技术领域的系统及方法，具体是一种基于地面基准站增强系统和差分定位技术，面向大众应用的高精度连续定位系统及方法。

背景技术

高精度差分定位技术的基本原理是：根据地面基准站增强系统的地面基准站已知精准坐标，计算出地面基准站到卫星的距离改正数，并由地面基准站实时将这一数据发送出去。终端在进行卫星观测的同时，也接收到地面基准站发出的差分数据，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

大众应用对高精度定位系统的要求是：设备成本及使用成本低，同时稳定性要高。

根据采用差分数据的不同，高精度差分定位技术主要分为载波相位差分和伪距差分两种，其中载波相位差分定位技术的实时定位精度达到厘米级，但对设备要求高，成本也高，可用性低，主要用在测绘领域；伪距差分定位技术，根据所用设备的不同，实时精度为米级到亚米级，对设备要求低，设备成本低，可用性高，可以用在大众领域。

国际海运事业无线电技术委员会第104工作组(RTCMSC104：RadioTechnicalCommissionforMaritimeServicesSpecialCommittee104)定义了差分数据的格式标准，即RTCM标准。定位终端和地面基准站之间通过协议NTRIP(NetworkedTransportofRTCMviaInternetProtocol)进行交互，获得RTCM格式的差分数据。

定位终端与地面基准站之间一般都通过无线公网(GPRS，3G和4G等)进行连接；按照NTRIP协议，地面基准站每秒会发送一次RTCM格式的差分数据到定位终端。这会产生大量的数据流量，对于价格比较敏感的大众应用而言，流量过大会给用户带来巨大的使用成本压力，制约产业的发展。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103293541A公开(公告)日2013.09.11，公开了一种基于Ntrip测定任意坐标成果的RTD方法。其对源节点进行扩展，使得RTD实时测量放样参星坐标系坐标和正常高得以实现，从而提高了测绘效率。其对位置增强数据播发服务器进行改造增加了坐标转换功能，但其需要根据每个客户端的请求实时计算结果，且每秒都需要给终端返回消息。这大幅度的消耗了服务器的CPU和带宽，也增加了客户端的使用成本。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104267418A申请日2014.09.03，公开了一种伪距差分数据编码系统。其基于RTCM数据格式，设计了一种新的伪距差分编码方法，降低了数据量，从而减少带宽。但该发明只是在数据编码格式上采用了新的编码格式，在数据发布频率上，地面基准站每秒向定位终端发送一次数据，这还是会产生大量的带宽消耗。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104202723A公开日2014.12.10，公开了一种位置增强数据播发系统及方法。其基于RTCM数据格式和NTRIP方法，设计了一种位置增强数据播发系统，通过缓存降低服务器CPU消耗，通过按需发布和短连接的方式，降低了通信带宽消耗。但该发明适用于非连续型定位的应用场景；对于导航等连续定位的应用需求，定位终端通常需要每秒产生一个定位结果；如果采用该发明的按需定位方式，连续定位终端和位置增强系统需要每秒进行一次交互，对于带宽的消耗很大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向大众应用的高精度连续定位系统和方法，基于地基增强系统和差分技术；利用该系统和方法，连续定位终端动态调整获取差分数据的频率，适时发起申请，由差分服务系统向连续定位终端提供差分数据。使用该系统和方法，在确保可用性的前提下，在连续定位的使用场景中，能显著减少数据量，大幅降低使用成本，满足高精度定位在导航等大众应用领域的应用需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种面向大众应用的高精度连续定位系统，包括：差分服务系统及连续定位终端，其中：差分服务系统与地面基准站相连并获取卫星原始观测数据，计算得到伪距差分数据，连续定位终端定时向差分服务系统提交数据申请以获取伪距差分数据，并通过伪距差分算法得到精确定位结果。

所述的差分服务系统包括：主备数据采集子系统、主备解算子系统、服务发布子系统和主备负载均衡设备，其中：主备数据采集子系统与若干个地面基准站实现网络连接，获得各个地面基准站的卫星原始观测数据并发送给主备解算子系统，各个主备解算子系统分别独立对卫星原始观测数据进行解码，获得各地面基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，产生伪距差分数据，供服务发布子系统使用，主备负载均衡设备根据接入的用户数量，将请求均衡地导引到各个服务发布子系统，平衡多个服务发布子系统的负载，服务发布子系统接收连续定位终端的伪距差分数据申请，根据申请信息进行计算，选择合适的伪距差分数据，发送给连续定位终端。

所述的差分服务系统采用主备设计，其作用在于提高系统的可用性，即在主用系统发生故障时，由备用系统接管业务，提供服务。

所述的连续定位终端包括：通信模块、差分算法模块和GNSS芯片，其中：通信模块管理终端与差分服务系统之间的通信连接，并接收差分数据，发送给差分算法模块；差分算法模块读取GNSS芯片得到的卫星观测数据，结合差分数据，运行差分算法，获得高精度定位结果。

所述的定时，通过设置于连续定位终端内的定时器来控制伪距差分数据的申请频率。

所述的定时，与通信状态的好坏质量呈反比。

所述的连续定位终端内设有业务模块，该模块调用终端的其他模块，实现终端特定的业务功能。

本发明涉及上述系统的高精度连续定位方法，包括以下步骤：

1)差分服务系统计算伪距差分数据

1.1)差分服务系统的数据采集子系统与各地面基准站建立网络连接，管理连接状态；

1.2)差分服务系统的数据采集子系统定时从地面基准站获得卫星原始观测数据，并转发给解算子系统；

所述的数据采集子系统每秒从地面基准站获得卫星原始观测数据，并转发给解算子系统；

1.3)解算子系统对卫星原始观测数据进行解码，获得各地面基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，产生伪距差分数据。

2)连续定位终端申请伪距差分数据：

2.1)连续定位终端业务模块通知通信模块和定位算法模块，启动差分运算模式；

2.2)连续定位终端通信模块与差分服务系统服务发布子系统建立网络连接；

2.3)连续定位终端通信模块提交用户认证信息，与差分服务系统服务发布子系统建立服务连接；

2.4)连续定位终端算法模块通过GNSS芯片获得卫星原始观测数据，计算出概要位置；

2.5)连续定位终端通信模块根据实际运行中与差分服务系统之间的通信质量来动态调整伪距差分数据申请定时器的时间间隔，默认为15秒；在通信质量良好情况时，将定时器实际间隔增加5秒，最大为30秒；在通信质量较差情况时，则定时器时间间隔减少5秒，最小为1秒；

所述的通信质量是指：

良好情况：累计20次伪距差分数据申请，19次或以上返回有效伪距差分数据；

较差：累计20次伪距差分数据申请，不满10次返回有效伪距差分数据。

所述的增加或减少可重复叠加操作。

2.6)连续定位终端通信模块由伪距差分数据申请定时器触发，向差分服务系统发送伪距差分数据申请。

3)差分服务系统响应申请：

3.1)差分服务系统服务发布子系统收到终端申请之后，从提交的信息中解析出概要位置；

3.2)差分服务系统服务发布子系统根据概要位置，通过计算选择合适的地面基准站；

3.3)差分服务系统服务发布子系统从缓存中取得对应地面基准站的伪距差分数据，发送给终端。

4)连续定位终端运行伪距差分算法

4.1)连续定位终端信模块收到伪距差分数据，转发给定位算法模块，放入缓存；

4.2)连续定位终端定位算法模块每秒读取GNSS芯片观测到的卫星观测数据；

4.3)连续定位终端定位算法模块每秒采用当前秒的卫星观测数据，以及缓存中最新的伪距差分数据，运行伪距差分算法，得到高精度结果；

4.4)连续定位终端差分计算模块向终端业务模块输出高精度定位结果。

4.5)连续定位终端业务模块确定是否继续停止差分运算模式

4.5.1)如不停止差分服务，则跳转至步骤2.5；

4.5.2)如停止差分服务，用户断开连接，服务器关闭会话和数据连接。

技术效果

与现有技术相比，本发明公布的高精度连续定位方法实现简单，基于该方法的高精度连续定位系统，能够动态调整伪距差分数据的申请频率：在一般通信质量条件下，伪距差分数据量为普通差分定位技术的5％；在通信质量差的环境中，也能在确保可用性的前提下，尽可能减少数据量，其数据量远远小于普通差分定位技术。因此，本系统能够大幅降低使用成本，推进高精度在导航等有连续定位要求的大众应用领域的发展。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为实施例中高精度连续定位方法的流程图。

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，本实施例包括：差分服务系统及连续定位终端；其中：差分服务系统采集地面基准站的卫星原始观测数据，进行处理，计算出伪距差分数据；连续定位终端在伪距差分数据申请定时器的触发下向差分服务系统提交数据申请，差分服务系统响应申请，发送伪距差分数据给连续定位终端；连续定位终端使用伪距差分数据进行结算，得到定位结果。

所述的差分服务系统包括：主备数据采集子系统、主备解算子系统，服务发布子系统，以及主备负载均衡设备。根据业务的需要，服务发布子系统可以进行扩展，其中：主备数据采集子系统与若干个地面基准站实现网络连接，获得各个地面基准站的卫星原始观测数据并发送给主备解算子系统；各解算子系统独立工作，对卫星原始观测数据进行解码，获得各地面基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，产生伪距差分数据，供服务发布子系统使用；主备负载均衡设备根据接入的用户数量，将请求均衡地导引到各个服务发布子系统，平衡多个服务发布子系统的负载；服务发布子系统接收连续定位终端的伪距差分数据申请，根据申请信息进行计算，选择合适的伪距差分数据，发送给终端。

所述的差分服务系统采用主备设计，其作用在于提高系统的可用性，即在主用系统发生故障时，由备用系统接管业务，提供服务。

所述的连续定位终端包括：通信模块、伪距差分算法模块、GNSS芯片，其中：通信模块管理终端与差分服务系统之间的通信连接，并接收伪距差分数据，发送给伪距差分算法模块；伪距差分算法模块读取GNSS芯片得到的卫星观测数据，结合伪距差分数据，运行伪距差分算法，获得高精度定位结果。

所述的连续定位终端为车载式、手持式或手机。

如图2所示，上述系统按以下方式进行工作：

1)差分服务系统计算伪距差分数据

1.1)差分服务系统的主备数据采集子系统与各地面基准站建立网络连接，管理连接状态；

1.2)差分服务系统的主备数据采集子系统定时(每秒)从地面基准站获得卫星原始观测数据，并转发给解算子系统；

1.3)主备解算子系统对卫星原始观测数据进行解码，获得各地面基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，产生伪距差分数据，放到缓存中，供服务发布子系统使用。

2)连续定位终端申请伪距差分数据：

2.1)连续定位终端业务模块通知通信模块和定位算法模块，启动差分运算模式；

2.2)连续定位终端通信模块与差分服务系统服务发布子系统建立网络连接；

2.3)连续定位终端通信模块提交用户认证信息，与差分服务系统服务发布子系统建立服务连接；

2.4)连续定位终端算法模块通过GNSS芯片获得卫星原始观测数据，计算出概要位置；

2.5)连续定位终端通信模块根据实际运行中与差分服务系统之间的通信质量来动态调整伪距差分数据申请定时器的时间间隔，默认为15秒；在通信质量好的情况下(累计20次伪距差分数据申请，19次或以上返回有效伪距差分数据)，将定时器实际间隔增加5秒(可重复增加)，最大为30秒；在通信质量差的情况下(累计20次伪距差分数据申请，不满10次返回有效伪距差分数据)，则定时器时间间隔减少5秒(可重复减少)，最小为1秒；

2.6)连续定位终端通信模块由伪距差分数据申请定时器触发，向差分服务系统发送伪距差分数据申请。

3)差分服务系统响应申请：

3.1)差分服务系统的服务发布子系统收到连续定位终端申请之后，从提交的信息中解析出概要位置；

3.2)差分服务系统的服务发布子系统根据概要位置，通过计算选择合适的地面基准站；

3.3)差分服务系统的服务发布子系统从缓存中取得对应地面基准站的伪距差分数据，发送给连续定位终端。

4)连续定位终端运行伪距差分算法

4.1)连续定位终端信模块收到伪距差分数据，转发给定位算法模块，放入缓存；

4.2)连续定位终端定位算法模块每秒读取GNSS芯片观测到的卫星观测数据；

4.3)连续定位终端定位算法模块每秒采用当前秒的卫星观测数据，以及缓存中最新的伪距差分数据，运行伪距差分算法，得到高精度结果；

4.4)连续定位终端差分计算模块向终端业务模块输出高精度定位结果。

4.5)连续定位终端业务模块确定是否继续停止差分运算模式

4.5.1)如不停止差分服务，则跳转到2.5；

4.5.2)如停止差分服务，用户断开连接，服务器关闭会话和数据连接。

在典型城市道路，经测试，上述系统在差分定位精度无任何损失的情况下，所使用的差分数据量，仅为普通差分技术的3.3％～10％，大大减少了通讯带宽的需求。

Claims (9)

1.一种面向大众应用的高精度连续定位系统，其特征在于，包括：差分服务系统及连续定位终端，其中：差分服务系统与地面基准站相连并获取卫星原始观测数据，计算得到伪距差分数据，连续定位终端定时向差分服务系统提交数据申请以获取伪距差分数据，并通过伪距差分算法得到精确定位结果；

所述的差分服务系统包括：主备数据采集子系统、主备解算子系统、服务发布子系统和主备负载均衡设备，其中：主备数据采集子系统与若干个地面基准站实现网络连接，获得各个地面基准站的卫星原始观测数据并发送给主备解算子系统，各个主备解算子系统分别独立对卫星原始观测数据进行解码，获得各地面基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，产生伪距差分数据，供服务发布子系统使用，主备负载均衡设备根据接入的用户数量，将请求均衡地导引到各个服务发布子系统，平衡多个服务发布子系统的负载，服务发布子系统接收连续定位终端的伪距差分数据申请，根据申请信息进行计算，选择合适的伪距差分数据，发送给连续定位终端。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的连续定位终端包括：通信模块、差分算法模块和GNSS芯片，其中：通信模块管理终端与差分服务系统之间的通信连接，并接收差分数据，发送给差分算法模块；差分算法模块读取GNSS芯片得到的卫星观测数据，结合差分数据，运行差分算法，获得高精度定位结果。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的差分服务系统按需提供伪距差分数据，即连续定位终端每申请一次伪距差分数据，伪距差分服务系统发送、且仅发送一次伪距差分数据。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的定时，通过设置于连续定位终端内的定时器来控制伪距差分数据的申请频率。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的定时，与通信状态的好坏质量呈反比。

6.根据上述任一权利要求所述系统的差分播发服务方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)差分服务系统计算差分改正数据；

2)连续定位终端申请伪距差分数据：

2.1)连续定位终端业务模块通知通信模块和定位算法模块，启动差分运算模式；

2.2)连续定位终端通信模块与差分服务系统服务发布子系统建立网络连接；

2.3)连续定位终端通信模块提交用户认证信息，与差分服务系统建立服务连接；

2.4)连续定位终端算法模块通过GNSS芯片获得卫星原始观测数据，计算出概要位置；

2.5)连续定位终端通信模块根据实际运行中与差分服务系统之间的通信质量来动态调整伪距差分数据申请定时器的时间间隔，默认为15秒；在通信质量好的情况下，将定时器实际间隔增加5秒，最大为30秒；在通信质量差的情况下，则定时器时间间隔减少5秒，最小为1秒；

2.6)连续定位终端通信模块由伪距差分数据申请定时器触发，向差分服务系统申请伪距差分数据；

3)差分服务系统响应申请；

4)连续定位终端运行伪距差分算法：

4.1)连续定位终端信模块收到伪距差分数据，转发给定位算法模块，放入缓存；

4.2)连续定位终端定位算法模块每秒读取GNSS芯片观测到的卫星观测数据；

4.3)连续定位终端定位算法模块利用上述数据运行伪距差分算法，得到高精度结果；

4.4)连续定位终端差分计算模块向终端业务模块输出高精度定位结果；

4.5)连续定位终端业务模块确定是否继续停止差分运算模式；

4.5.1)如不停止差分服务，则跳转到2.5；

4.5.2)如停止差分服务，用户断开连接，服务器关闭会话和数据连接。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的增加或减少可重复叠加操作。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的步骤1，具体包括：

1.1)差分服务系统的数据采集子系统与各地面基准站建立网络连接，管理连接状态；

1.2)差分服务系统的数据采集子系统定时从地面基准站获得卫星原始观测数据，并转发给解算子系统；

1.3)解算子系统对卫星原始观测数据进行解码，获得各地面基准站观测到的所有可视卫星的伪距观测值，结合各地面基准站的精准坐标，产生伪距差分数据。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的步骤3，具体包括：

3.1)差分服务系统服务发布子系统收到终端申请之后，从提交的信息中解析出概要位置；

3.2)差分服务系统服务发布子系统根据概要位置，通过计算选择合适的地面基准站；

3.3)差分服务系统服务发布子系统从缓存中取得对应地面基准站的伪距差分数据，发送给终端。