CN105182384A - 一种双模实时伪距差分定位系统和伪距改正数据生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种双模实时伪距差分定位系统和伪距改正数据生成方法。本系统包括中心处理器及其连接的GNSS基准站和差分数据发送链路模块。GNSS基准站含BDS和GPS双模接收机及GNSS接收天线，安装点坐标精确已知。中心处理器含GNSS导航数据解算模块、差分数据生成模块和RTCM差分数据编码模块。差分数据发送链路模块包括顺序连接的MSK调制模块、发送器及发送天线。本伪距改正数据生成方法为：GNSS基准站接收同一时间点观测到的所有GPS和BDS卫星的星历及导航数据，实时发送给中心处理器；提取各星数据，计算站星距，得伪距改正数和伪距改正数变化率，经RTCM差分编码、MSK调制后发送给周边的GNSS用户。本发明大幅度提升实时导航定位精度。

Description

一种双模实时伪距差分定位系统和伪距改正数据生成方法

技术领域

本发明涉及高精度导航定位技术领域，具体涉及使用BDS和GPS两种系统卫星的一种双模实时伪距差分定位系统和伪距改正数据生成方法。

背景技术

全球卫星定位系统(GPS)是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、全能性、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。其已广泛运用于人们的日常生活中，特别是在车辆导航、精密定位等领域,甚至部分军事领域对GPS系统都有着很强的依赖性。

我国北斗二代卫星导航系统(BDS)作为国家空间安全和经济发展最重要的基础设施之一，已正式面向中国和周边地区位置服务，其对我国经济、科技和社会发展必将产生巨大深远的影响。如何利用BDS为人们生活、经济发展和社会进步服务是我国信息技术革新的重大科技攻关任务。

基于卫星导航系统的高精度定位在港口船舶进港、飞机降落、船舶及车辆导航等行业有着很强的需求。我国目前在电力、民航，甚至部分军事领域对GPS系统都有着很强的依赖性。作为我国新一代自主卫星导航系统，北斗区域导航系统的建成将为改变我国对GPS依赖的局面提供可能。但北斗卫星导航系统BDS的单点定位和GPS的单点定位具有同样的问题，就是它们的定位精度都不高，仅为10米左右，在实时导航领域甚至更低。为了解决定位精度不高这个问题，伪距差分是一种常用的方法。

伪距差分定位能够有效的提高定位精度，满足高精度导航定位的需要。单点定位之所以定位精度不高是因为存在着三类误差，第一类误差是每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差，星历误差，电离层误差，对流层误差，地球自转引起的误差，潮汐运动造成的误差等，第二类误差是不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差，第三类误差为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声，通道延迟，多径效应等。伪距差分技术能够极大的减弱甚至消除第一类误差的误差，因此能够提高定位精度。

在车载导航领域,由于GPS或BDS系统的导航精度都不高，一般导航精度在10米左右，远远达不到车辆精确导航的需求。用户需要提高导航定位精度。

发明内容

本发明的目的是设计一种双模实时伪距差分定位系统，包括中心处理器及其连接的地面GNSS基准站和差分数据发送链路模块。地面GNSS基准站包括一台BDS和GPS双模接收机及其配置的GNSS接收天线。中心处理器含有GNSS导航数据解算模块、差分数据生成模块和RTCM差分数据编码模块。

本发明的另一目的是设计一种双模实时伪距差分定位系统的伪距改正数据生成方法，中心处理器指令GNSS基准站接收多颗GPS和BDS卫星的信号，并指令各个模块根据多颗GPS卫星和BDS卫星的星历及导航数据解算所有观测到的卫星的星历、伪距以及载波相位数据，据以计算站星距，得到各BDS和GPS卫星的伪距改正数和变化率信息，RTCM编码和调制后发送到各用户。

本发明设计的一种双模实时伪距差分定位系统包括中心处理器及其连接的GNSS基准站和差分数据发送链路模块。GNSS为全球卫星导航系统的英文缩写，原文为GlobalNavigationSatelliteSystem。

所述GNSS基准站包括一台BDS和GPS双模接收机及其配置的GNSS接收天线，GNSS基准站固定安装于某地点，其坐标位置精确已知，GNSS基准站通过GNSS接收天线实时差分接收多颗GPS和BDS卫星的信号。

所述中心处理器含有GNSS导航数据解算模块、差分数据生成模块和RTCM差分数据编码模块。

差分数据发送链路模块包括顺序连接的MSK调制模块、发送器及发送天线。MSK(MinimumShiftKeying)调制为最小频移键控调制。

所述中心处理器经RS232串行通信口与GNSS基准站的BDS和GPS双模接收机连接，二者进行双向通讯。

所述GNSS基准站的BDS和GPS双模接收机根据中心处理器的指令接收多颗BDS和GPS卫星的星历数据，伪距，多普勒频率，载波相位等信息后，送入中心处理器，GNSS导航数据解算模块解算所有观测到的卫星的星历、伪距以及载波相位数据，差分数据生成模块根据GNSS基准站的准确位置数据解算卫星位置，得到站星距，通过站星距与伪距相比较，得到伪距改正数等信息，送入RTCM差分数据编码模块，将其RTCM差分编码，编码后的信息发送到MSK调制模块进行调制，调制后的高频信号由数据发送模块发送给周边的GNSS用户。

本发明一种双模实时伪距差分定位系统的伪距改正数据生成方法的主要步骤如下：

步骤1：中心处理器通过RS232串行通信口发送指令给GNSS基准站，命令GNSS基准站接收卫星信号并输出相应的观测数据。

步骤2：地面GNSS基准站在接收到指令后，接收同一时间点观测到的所有GPS卫星和BDS卫星的星历及导航数据，并实时发送给中心处理器；

步骤3：中心处理器接收多颗GPS卫星和多颗BDS卫星导航数据，送入GNSS导航数据解算模块，提取所有观测到的各卫星的观测时间、星历、伪距、钟差以及载波相位数据，并保存；

步骤4：步骤3所得数据送入差分数据生成模块，由观测时间和星历数据计算所有观测到的卫星的坐标位置，由GNSS基准站的坐标和各卫星的坐标计算观测到的各颗卫星到GNSS基准站的真实距离，即站星距，通过站星距和伪距的比较，得到各BDS和GPS卫星的伪距改正数，并计算伪距改正数变化率。计算公式如下：

设GNSS基准站的精确坐标为(x₀,y₀,z₀)位置精确已知，利用第i颗卫星的观测时间和星历数据计算出的第i颗卫星轨道位置为(x_i,y_i,z_i)，第i颗卫星到基准站的站星距为：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}---\left(1\right)$

GNSS基准站对第i颗卫星的伪距测量值为ρ_i，伪距包括各种误差，与真实距离不同。由下式求出伪距改正数以及伪距改正数变化率：

伪距改正数为：Δρ＝R_i-ρ_i(2)

伪距改正数变化率为:

步骤5：步骤4的计算结果送入RTCM差分数据编码模块，将BDS和GPS的伪距改正数和伪距改正数变化率信息进行RTCM差分编码，生成国际通用的RTCMSC104V2.3版本格式的伪距差分信息，产生二进制的数据流；

步骤6：步骤5所得各BDS和GPS卫星的RTCM编码伪距差分信息送到MSK调制模块进行MSK调制，得到甚高频的VHF(VeryHighFrequency)数据；

步骤7：步骤6的VHF数据通过数据发送模块发送给周边的GNSS用户。用户根据各BDS和GPS卫星的实时伪距差分数据，大幅度提升了实时导航定位精度。

与现有技术相比，本发明一种双模实时伪距差分定位系统和伪距改正数据生成方法的有益效果为：1、在GPS单模的伪距差分的基础上，将GPS和BDS卫星伪距差分相结合，成为联合的BDS和GPS双模实时伪距差分系统，大幅度提升实时导航定位精度，将目前十米级的实时导航精度提高至米级甚至亚米级，为车辆导航、船舶导航、精准农业等要求较高精度导航的行业用户，提供高精度的可靠的伪距差分信息；2、可以根据实际需要调整伪距改正数的更新时间，最短可达每秒钟更新一次，且可根据用户需要调整，灵活性大；3、系统简单有效，易于实施推广。

附图说明

图1是本双模实时伪距差分定位系统实施例的结构示意图。

图2是本双模实时伪距差分定位系统的伪距改正数据生成方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步阐述。

双模实时伪距差分定位系统实施例

本BDS和GPS双模实时伪距差分定位系统实施例的结构如图1所示，包括中心处理器及其连接的GNSS基准站和差分数据发送链路模块。本例GNSS基准站包括一台BDS和GPS双模接收机及其配置的GNSS接收天线，GNSS基准站固定安装于某地点，其坐标位置精确已知，GNSS基准站通过GNSS接收天线实时接收多颗GPS和BDS卫星的信号。

本例中心处理器含有GNSS导航数据解算模块、差分数据生成模块和RTCM差分数据编码模块。

差分数据发送链路模块包括顺序连接的MSK调制模块、发送器及发送天线。MSK调制为最小频移键控调制。

本例中心处理器经RS232串行通信口与GNSS基准站的BDS和GPS双模接收机连接，二者进行双向通讯。

双模实时伪距差分定位系统的伪距改正数据生成方法实施例

本实施例采用上述双模实时伪距差分定位系统，流程图如图2所示，主要步骤如下：

步骤1：中心处理器通过RS232串行通信口发送指令给GNSS基准站，命令GNSS基准站接收卫星信号并输出相应的观测数据。

步骤2：地面GNSS基准站在接收到指令后，接收同一时间点观测到的所有GPS卫星和BDS卫星的星历及导航数据，并实时发送给中心处理器；

步骤3：中心处理器接收多颗GPS卫星和多颗BDS卫星导航数据，送入GNSS导航数据解算模块，提取所有观测到的卫星的观测时间、星历、伪距、钟差以及载波相位数据，并保存；

步骤4：步骤3所得数据送入差分数据生成模块，由观测时间和星历数据计算所有观测到的卫星的坐标位置，由GNSS基准站的坐标和卫星的坐标计算观测到的各颗卫星到GNSS基准站的真实距离，即站星距，通过站星距和伪距的比较，得到各BDS和GPS卫星的伪距改正数，并计算伪距改正数变化率信息。计算公式如下：

已知GNSS基准站的精确坐标为(x₀,y₀,z₀)，利用第i颗卫星的观测时间和星历数据计算出的第i颗卫星轨道位置为(x_i,y_i,z_i)，第i颗卫星到基准站的站星距为：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}---\left(1\right)$

GNSS基准站对第i颗卫星的伪距测量值为ρ_i，

伪距改正数为：Δρ＝R_i-ρ_i(2)

伪距改正数变化率为:

步骤5：步骤4的计算结果送入RTCM差分数据编码模块，将BDS和GPS的伪距改正数和伪距改正数变化率信息进行RTCM差分编码，生成国际通用的RTCMSC104V2.3版本格式的伪距差分信息，产生二进制的数据流；

步骤6：步骤5所得各BDS和GPS卫星的RTCM编码伪距差分信息送到MSK调制模块进行MSK调制，得到甚高频的VHF数据；

步骤7：步骤6的VHF数据通过数据发送模块发送给周边的GNSS用户。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双模实时伪距差分定位系统，包括中心处理器，其特征在于：

中心处理器连接GNSS基准站和差分数据发送链路模块；

所述GNSS基准站包括一台BDS和GPS双模接收机及其配置的GNSS接收天线，GNSS基准站固定安装于某地点，其坐标位置精确已知，GNSS基准站通过GNSS接收天线实时差分接收多颗GPS和BDS卫星的信号；

所述中心处理器含有GNSS导航数据解算模块、差分数据生成模块和RTCM差分数据编码模块；

差分数据发送链路模块包括顺序连接的MSK调制模块、发送器及发送天线。

2.根据权利要求1所述的双模实时伪距差分定位系统，其特征在于：

所述中心处理器经RS232串行通信口与GNSS基准站的BDS和GPS双模接收机连接，二者进行双向通讯。

3.根据权利要求1或2所述的双模实时伪距差分定位系统的伪距改正数据生成方法，其特征在于主要步骤如下：

步骤1：中心处理器通过RS232串行通信口发送指令给GNSS基准站，命令GNSS基准站接收卫星信号并输出相应的观测数据；

步骤2：地面GNSS基准站在接收到指令后，接收同一时间点观测到的所有GPS卫星和BDS卫星的星历及导航数据，并实时发送给中心处理器；

步骤3：中心处理器接收多颗GPS卫星和多颗BDS卫星导航数据，送入GNSS导航数据解算模块，提取所有观测到的卫星的观测时间、星历、伪距、钟差以及载波相位数据，并保存；

步骤4：步骤3所得数据送入差分数据生成模块，由观测时间和星历数据计算所有观测到的卫星的坐标位置，由GNSS基准站的坐标和卫星的坐标计算观测到的各颗卫星到GNSS基准站的真实距离，即站星距，通过站星距和伪距的比较，得到各BDS和GPS卫星的伪距改正数，并计算伪距改正数变化率；

步骤5：步骤4的计算结果送入RTCM差分数据编码模块，将各BDS和GPS卫星的伪距改正数和伪距改正数变化率信息进行RTCM差分编码，生成国际通用的RTCMSC104V2.3版本格式的伪距差分信息，产生二进制的数据流；

步骤6：步骤5所得各BDS和GPS卫星的RTCM编码伪距差分信息送到MSK调制模块进行MSK调制，得到甚高频的VHF数据；

步骤7：步骤6的VHF数据通过数据发送模块发送给周边的GNSS用户。

4.根据权利要求3所述的双模实时伪距差分定位系统的伪距改正数据生成方法，其特征在于：

步骤4中各卫星的站星距、伪距改正数和伪距改正数变化率计算公式如下：

已知GNSS基准站的精确坐标为(x₀,y₀,z₀)，利用第i颗卫星的观测时间和星历数据计算出的第i颗卫星轨道位置为(x_i,y_i,z_i)，第i颗卫星到基准站的站星距为：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}---\left(1\right)$

GNSS基准站对第i颗卫星的伪距测量值为ρ_i，

伪距改正数为：△ρ＝R_i-ρ_i(2)

伪距改正数变化率为: $\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i={\mathrm{\Δ\ρ}}_i/\mathrm{\Δ}t---\left(3\right).$