CN105372685A - 一种区域高精度位置增强系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种区域高精度位置增强系统，所述GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取观测数据和导航电文参数，并将所述观测数据和导航电文参数发送至数据处理模块；所述卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取用户位置信息，并将所述用户位置信息发送至数据处理模块；所述数据处理模块根据接收的观测数据和导航电文参数、所述用户位置信息，实时产生高精度位置信息，并将所述高精度位置信息发送给用户终端和远端服务平台。本发明的区域高精度位置增强系统，通过内部集成GNSS基准站、高精度位置服务数据处理模块和卫星导航终端，各模块可以同时正常工作，完成区域高精度位置服务。

Description

一种区域高精度位置增强系统及方法

【技术领域】

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种区域高精度位置增强系统及方法。

【背景技术】

随着我国卫星导航事业的蓬勃发展，卫星导航的应用越来越广，人们对于导航位置服务的需要也越来越紧密。现阶段，手机导航、车载导航等设备应用的普及，导航位置服务已经逐步走向大众应用。

目前，我国卫星导航设备的定位精度约为15米以内；但是，随着导航位置服务应用不断深入，面向更高精度的位置服务越来越迫切。现有方法中，主要是修改GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统)接收机硬件以及软件，提升定位精度，将大幅增加终端复杂度和成本。

【发明内容】

基于此，本发明的目的在于提供一种区域高精度位置增强系统，提升导航位置服务的定位精度。

为了实现本发明的目的，提供一种区域高精度位置增强系统，所述系统包括GNSS基准站、数据处理模块和卫星导航终端；其中，

所述GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将所述原始观测数据和所述导航电文参数发送至数据处理模块；

所述卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述原始用户位置信息发送至数据处理模块；

所述数据处理模块根据接收的所述原始观测数据、所述导航电文参数及所述原始用户位置信息进行数据处理，实时产生优化后的用户位置信息，并将所述优化后的用户位置信息发送给用户终端和远端服务平台。

优选地，所述数据处理模块包括观测量生成子模块、伪距误差计算子模块和定位解算子模块。

优选地，所述观测量生成子模块实时接收外部发送的GNSS基准站位置信息、卫星导航终端位置信息、所述原始观测数据和所述导航电文参数，生成GNSS基准站仿真观测数据和卫星导航终端仿真观测数据；

所述伪距误差计算子模块根据所述GNSS基准站仿真观测数据和接收的所述GNSS基准站观测数据相减得到残差，并将所述残差修正到所述卫星导航终端仿真观测数据中，生成修正的卫星导航终端观测数据，发送至所述定位解算子模块；

所述定位解算子模块根据所述修正的卫星导航终端观测数据和所述导航电文参数，进行定位解算生成优化后的定位信息。

优选地，所述GNSS基准站位置信息包括GNSS基准站的经度、纬度、高度、WGS-84坐标系下的X轴、Y轴、Z轴坐标和UTC时间信息；

所述卫星导航终端位置信息包括卫星导航终端的经度、纬度、高度和和UTC时间信息；

所述导航电文信息包括导航卫星星历参数、导航卫星钟差参数和电离层参数；

所述GNSS基准站仿真观测数据和卫星导航终端仿真观测数据包括可见卫星编号、伪距、功率、方位角和俯仰角。

优选地，所述导航卫星钟差参数包括三个卫星时钟校正参数af₀、af₁、af₂；所述电离层参数包括四个振幅参数α₀、α₁、α₂、α₃，所述四个振幅参数为β₀、β₁、β₂、β₃。

优选地，所述修正的卫星导航终端观测数据包括伪距、可见卫星信息。

优选地，所述优化后的定位信息包括经度、纬度、高度和UTC时间信息。

优选地，所述伪距误差计算子模块包括伪距单差计算单元和伪距单差补偿单元。

本发明还提供一种区域高精度位置增强方法，包括GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将所述原始观测数据和所述导航电文参数发送至数据处理模块；卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述原始用户位置信息发送至数据处理模块；数据处理模块根据接收的所述原始观测数据、所述导航电文参数及所述原始用户位置信息进行数据处理，实时产生优化后的用户位置信息，并将所述优化后的用户位置信息发送给用户终端和远端服务平台。

区别于现有技术，上述区域高精度位置增强系统，通过内部集成GNSS基准站、高精度位置服务数据处理模块和通用卫星导航终端，各模块可以同时正常工作，完成区域高精度位置服务；通过采用高精度位置服务数据处理模块，相比较现有技术，不需要改变通用卫星导航终端硬件，仅在位置数据处理后台增加相应高精度位置服务数据处理模块，完成亚米级精度位置服务。

【附图说明】

图1为本发明一个实施例中区域高精度位置增强系统的示意图。

图2为本发明一个实施例中区域高精度位置增强系统的数据处理模块组成示意图。

图3为本发明一个实施例中区域高精度位置增强系统的观测量生成子模块示意图。

图4为本发明一个实施例中区域高精度位置增强系统的伪距误差计算子模块示意图。

【具体实施方式】

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

一种区域高精度位置增强系统，所述系统包括GNSS基准站、数据处理模块和卫星导航终端。卫星导航终端包括车载导航终端、手机卫星导航、人员导航。

所述GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将所述原始观测数据和导航电文参数发送至数据处理模块；所述卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述原始用户位置信息发送至数据处理模块；所述数据处理模块根据接收的原始观测数据和导航电文参数、所述用户位置信息，实时产生高精度位置信息，并将所述高精度位置信息发送给用户终端和远端服务平台。

本发明的区域高精度位置增强系统，通过内部集成GNSS基准站、高精度位置服务数据处理模块和卫星导航终端，各模块可以同时正常工作，完成区域高精度位置服务；通过采用高精度位置服务数据处理模块，相比较现有技术，不需要改变通用卫星导航终端硬件，仅在位置数据处理后台增加相应高精度位置服务数据处理模块，完成亚米级精度位置服务。

如图1所示，本发明实施例中，提供一种区域高精度位置增强系统该系统包括GNSS基准站1、数据处理模块2和卫星导航终端3。

其中，GNSS基准站1对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将上述原始观测数据和导航电文参数发送至数据处理模块2；该GNSS基准站1可以采用标准的GPS、BDS、GLONASS或Galileo高精度接收机。

卫星导航终端3实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述用户位置信息发送至数据处理模块2。

数据处理模块2根据实时接收的原始观测数据、导航电文参数及上述原始用户位置信息进行数据处理，实时产生优化后的高精度用户位置信息，并将该优化后的高精度用户位置信息发送给用户终端和远端服务平台4(用户App)。其中，该数据处理模块2为高精度位置服务数据处理模块2。

在进一步优化方案中，如图2所示，该数据处理模块2包括观测量生成子模块21、伪距误差计算子模块22和定位解算子模块23，根据实时接收的原始观测数据和导航电文参数、上述用户位置信息，实时产生优化后的高精度用户位置信息，并将该高精度位置信息发送给用户终端和远端服务平台。

该观测量生成子模块21实时接收外部发送的GNSS基准站位置信息、卫星导航终端位置信息、观测数据和导航电文参数，生成GNSS基准站仿真观测数据和卫星导航终端仿真观测数据；其中该GNSS基准站位置信息、卫星导航终端位置信息为用户位置信息。

可选择的，上述GNSS基准站位置信息包括基准站的经度、纬度、高度、WGS-84坐标系下的X轴、Y轴、Z轴坐标和UTC时间信息；卫星导航终端位置信息包括终端的经度、纬度、高度和和UTC时间信息；GNSS基准站仿真观测数据和卫星导航终端仿真观测数据包括可见卫星编号、伪距、功率、方位角和俯仰角。

导航电文信息包括导航卫星星历参数、导航卫星钟差参数和电离层参数；其中，该导航卫星钟差参数包括三个卫星时钟校正参数af₀、af₁、af₂；电离层参数包括四个振幅参数α₀、α₁、α₂、α₃，上述四个振幅参数为β₀、β₁、β₂、β₃；导航卫星星历参数详见表1所示。

表1

在进一步优化方案中，该观测量生成子模块21包括卫星轨道计算单元211、卫星钟差计算单元212、相对论效应计算单元213、电离层延迟计算单元214、对流层延迟计算单元215、观测量生成单元216。如图3所示，

S1、卫星轨道计算单元211：采用卫星星历方式，产生卫星位置、速度信息。并在该步骤后计算可见性。

S2、卫星钟差计算单元212:该卫星钟差采用二次多项式拟合计算：

Δt＝af₀+af₁(t-t_oc)+af₂(t-t_oc)²

其中，t_oc为钟差参考时间；af₀、af₁、af₂为卫星时钟校正参数。

S3、相对论效应计算单元213:相对论引起的误差校正量如下：

$\mathrm{\Δ}t={\mathrm{Fe}}_s\sqrt{a_s}{\mathrm{sinE}}_k$

其中，F＝-4.442807633×10¹⁰[s/m^1/2]

S4、电离层延迟计算单元214：电离层模型采用ICD公布的8参数的KOLBUCHAR模型

$I_z=\left\{\begin{array}{cc}5\&times;{10}^{-9}+Acos\left(\frac{t-50400}{T}2\mathrm{\&pi;}\right),& |t-50400|<\frac{T}{4}\\ 5\&times;{10}^{-9},& |t-50400|\&GreaterEqual;\frac{T}{4}\end{array}\right.$

其中，振幅A由参数α₀，α₁，α₂，α₃计算得到，周期T由参数β₀，β₁，β₂，β₃计算得到。

S5、对流层延迟计算单元215：所述的对流层采用Hopfield模型，综合对流层干分量和湿分量。

T＝T_zdF_d+T_zwF_w

$F_d=\frac{1}{\sin \sqrt{{\mathrm{\&theta;}}^2+{\left(\frac{2.5\mathrm{\&pi;}}{180}\right)}^2}}$

$F_w=\frac{1}{sin\sqrt{{\mathrm{\&theta;}}^2+{\left(\frac{1.5\mathrm{\&pi;}}{180}\right)}^2}}$

$T_{zd}=1.552\&times;{10}^{-5}\frac{P_0}{T_{k0}}{H}_d$

H_d＝40136+148.72×(T_k-273.16)

S6、观测量生成单元216：观测量生成通过从接收时刻反向计算卫星发播信号的发射时刻，乘以光速得到观测量。伪距计算公式如下：

ρ＝r+c(δt_k-δt^s)+δρ_Ion+δρ_Tro+δρ_Rel+δρ_Off

其中，ρ表示伪距，r表示真距，δt_k表示接收机钟差，δt^s表示导航卫星钟差，δρ_Ion表示电离层误差，δρ_Tro表示对流层误差，δρ_Rel表示相对论效应误差，δρ_Off表示地球自转误差。

传播延迟τ计算如下：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{R(T_{rece}-\mathrm{\&tau;},T_{rece})-c\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;t}}^s}{c}+{\mathrm{\&delta;\&rho;}}_{Ion}+{\mathrm{\&delta;p}}_{Tro}+{\mathrm{\&delta;\&rho;}}_{\mathrm{Re}l}+{\mathrm{\&delta;\&rho;}}_{Off}$

R(T_rece-τ,T_rece)表示T_rece-τ时刻卫星位置至T_rece时刻接收机位置的几何距离，由于τ和R(T_rece-τ,T_rece)有关，因此采用迭代算法计算τ。

迭代初始时设：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&tau;}}_0=0\\ R_0=R(T_{rece}-{\mathrm{\&tau;}}_0,T_{rece})\end{array}\right.$

R₀为迭代初始的星地几何距离法计算。

$R_0=\sqrt{{\left(X^s\right(T_{rece})-X_k(T_{rece}\left)\right)}^2+{\left(Y^s\right(T_{rece})-Y_k(T_{rece}\left)\right)}^2+{\left(Z^s\right(T_{rece})-Z_k(T_{rece}\left)\right)}^2}$

此后每次迭代按以下顺序进行：

a)τ_i＝R_i-1/c

b)计算(T_rece-τ)时刻卫星位置，在地固坐标系中计算，需要对卫星坐标进行地球自转改正：

$\left\{\begin{array}{c}{X}^s\left(T_{rece}\right)=X^s(T_{rece}-{\mathrm{\&tau;}}_i)cos\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_i\right)+Y^s(T_{rece}-{\mathrm{\&tau;}}_i)sin\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_i\right)\\ Y^s\left(T_{rece}\right)=Y^s(T_{rece}-{\mathrm{\&tau;}}_i)\cos \left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_i\right)-X^s(T_{rece}-{\mathrm{\&tau;}}_i)\sin \left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_i\right)\\ Z^s\left(T_{rece}\right)=Z^s(T_{rece}-{\mathrm{\&tau;}}_i)\end{array}\right.$

c)计算ρ_i＝R(T_rece-τ_i)+δρ_Ion+δρ_Tro+δρ_Rel+δρ_Off

直到|ρ_i/c-τ_i|＜ε或|ρ_i-ρ_i-1|＜ε

伪距误差计算子模块22根据GNSS基准站仿真观测数据和接收的观测数据相减得到残差，并将残差修正到所述卫星导航终端仿真观测数据中，生成修正的卫星导航终端观测数据，发送至所述定位解算子模块23。

可选择的，修正的卫星导航终端观测数据包括伪距、可见卫星信息。

如图4所示，该伪距误差计算子模块22根据GNSS基准站测量观测数据和还原观测数据进行单差，计算伪距误差，并将误差补偿在用户终端还原观测数据中；伪距误差计算子模块22包括伪距单差计算单元221和伪距单差补偿单元222。

在进一步优化方案中，该伪距单差计算单元221，通过对GNSS基准站原始测量观测数据和基准站仿真观测数据计算共视星伪距差值，将GNSS基准站伪距单差发送至伪距单差补偿单元。

该伪距单差补偿单元222，根据GNSS基准站伪距单差和用户终端仿真观测数据，产生补偿后的用户终端伪距。

用户终端伪距ρ＝ρ_Sim+ρ_err

其中，ρ_Sim表示用户终端仿真观测数据，ρ_err表示基准站伪距单差，ρ表示补偿后的用户终端伪距。

定位解算子模块23根据所述修正的终端观测数据和导航电文参数，进行定位解算生成高精度定位信息。可选择的，高精度定位信息包括经度、纬度、高度和UTC时间信息。

本发明还提供一种区域高精度位置增强方法，利用上述实施例中的系统。该区域高精度位置增强方法，包括GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将所述原始观测数据和导航电文参数发送至数据处理模块；卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述原始用户位置信息发送至数据处理模块；数据处理模块根据接收的观测数据和导航电文参数、所述原始用户位置信息进行数据处理，实时产生高精度优化后的用户位置信息，并将所述高精度优化后的用户位置信息发送给用户终端和远端服务平台。

本发明实施例的区域高精度位置增强系统和方法，通过内部集成GNSS基准站、高精度位置服务数据处理模块和通用卫星导航终端，各模块可以同时正常工作，完成区域高精度位置服务；通过采用高精度位置服务数据处理模块，相比较现有技术，不需要改变通用卫星导航终端硬件，仅在位置数据处理后台增加相应高精度位置服务数据处理模块，完成亚米级精度位置服务；通过采用区域高精度位置增强方法，可以广泛应用于车道级导航等位置服务应用。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上上述仅为本发明型的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述系统包括GNSS基准站、数据处理模块和卫星导航终端；

其中，

所述GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将所述原始观测数据和所述导航电文参数发送至数据处理模块；

所述卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述原始用户位置信息发送至数据处理模块；

所述数据处理模块根据接收的所述原始观测数据、所述导航电文参数及所述原始用户位置信息进行数据处理，实时产生优化后的用户位置信息，并将所述优化后的用户位置信息发送给用户终端和远端服务平台。

2.根据权利要求1所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述数据处理模块包括观测量生成子模块、伪距误差计算子模块和定位解算子模块。

3.根据权利要求2所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述观测量生成子模块实时接收外部发送的GNSS基准站位置信息、卫星导航终端位置信息、所述原始观测数据和所述导航电文参数，生成GNSS基准站仿真观测数据和卫星导航终端仿真观测数据；

所述伪距误差计算子模块根据所述GNSS基准站仿真观测数据和接收的所述GNSS基准站观测数据相减得到残差，并将所述残差修正到所述卫星导航终端仿真观测数据中，生成修正的卫星导航终端观测数据，发送至所述定位解算子模块；

所述定位解算子模块根据所述修正的卫星导航终端观测数据和所述导航电文参数，进行定位解算生成优化后的定位信息。

4.根据权利要求3所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述GNSS基准站位置信息包括GNSS基准站的经度、纬度、高度、WGS-84坐标系下的X轴、Y轴、Z轴坐标和UTC时间信息；

所述卫星导航终端位置信息包括卫星导航终端的经度、纬度、高度和和UTC时间信息；

所述导航电文信息包括导航卫星星历参数、导航卫星钟差参数和电离层参数；

所述GNSS基准站仿真观测数据和卫星导航终端仿真观测数据包括可见卫星编号、伪距、功率、方位角和俯仰角。

5.根据权利要求4所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述导航卫星钟差参数包括三个卫星时钟校正参数af₀、af₁、af₂；所述电离层参数包括四个振幅参数α₀、α₁、α₂、α₃，所述四个振幅参数为β₀、β₁、β₂、β₃。

6.根据权利要求3所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述修正的卫星导航终端观测数据包括伪距、可见卫星信息。

7.根据权利要求3所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述优化后的定位信息包括经度、纬度、高度和UTC时间信息。

8.根据权利要求3所述的区域高精度位置增强系统，其特征在于，所述伪距误差计算子模块包括伪距单差计算单元和伪距单差补偿单元。

9.利用权利要求1至8中任一项所述的区域高精度位置增强系统的方法，其特征在于，GNSS基准站对卫星导航信号连续监测，获取原始观测数据和导航电文参数，并将所述原始观测数据和所述导航电文参数发送至数据处理模块；

卫星导航终端实时接收所述卫星导航信号，获取原始用户位置信息，并将所述原始用户位置信息发送至数据处理模块；

数据处理模块根据接收的所述原始观测数据、所述导航电文参数及所述原始用户位置信息进行数据处理，实时产生优化后的用户位置信息，并将所述优化后的用户位置信息发送给用户终端和远端服务平台。