CN106842265A - 一种自组织rtk定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组织RTK定位方法，包括流动站选择工作模式；选定参考站，设置高精度标准坐标位置，获取RTK定位所需的观测数据并传送给主流动站；从流动站接收卫星导航信号并传送主流动站；主流动站对自身和从流动站进行高精度联合定位解算，将定位结果发送从流动站。本发明还公开了应用所述定位方法定位的系统。本发明考虑主从流动站相互切换，根据一定的协同规则来确定流动站的主从模式；使用主从协同定位的方式，能够极大程度地降低定位终端的功耗，增大定位终端的使用寿命，并且能够及时追踪组内定位终端的相对位置，非常适用于高精度定位导航的大规模密集型应用；本发明定位功耗较低、定位精度高、大规模密集应用时数据处理压力小。

Description

一种自组织RTK定位方法及系统

技术领域

本发明具体涉及一种自组织RTK定位方法及系统。

背景技术

RTK(Real Time Kinematic)技术是一种基于载波相位差份的实时动态定位技术，它是建立在实时处理两个测站载波相位观测量的基础上，提供指定坐标系中的3维定位结果，实时定位精度可以达到厘米级，并具有实时性好、速度快等优点。RTK的基本原理为，参考站与流动站同时接收卫星信号，参考站将观测数据(主要为载波相位、伪距)和参考站标准坐标位置通过数据链(调制解调器、电台或通信网络)传输给流动站，流动站利用软件通过差分计算，降低流动站的观测误差，测算出流动站与参考站之间的相对坐标，根据参考站的标准坐标，实现精密定位，定位精度可达厘米级。RTK技术广泛应用于室外高精度定位导航相关的行业，例如，测绘，驾考，智能控制，无人驾驶，无人机，遥感等。

近年来，高精度卫星定位导航系统的应用从传统的测绘领域，延伸到了驾考，智能控制，无人驾驶，无人机，遥感等领域，从而导致高精度卫星导航终端(流动站)的数量在不断增加。然而，针对无人驾驶，无人机，智能控制等领域，高精度卫星导航终端都是批量式存在。尤其针对智能控制领域，一个工程机械车上需要多个高精度定位模块协同配合。考虑到高精度卫星导航终端的功耗较高，针对这种分组化的应用，不需要每一个高精度卫星导航终端都具备实时定位解算功能。现有专利“一种基于云服务的卫星导航接收机”提出了一种超低功耗的基于云服务器的卫星导航接收机方法和装置，可以有效地解决卫星导航定位终端高功耗的问题。然而，此方法在智能控制，无人驾驶，无人机等大规模密集型高精度定位领域有一定的局限性。首先，此方法需要一个云端服务器，云端服务器需要与各个终端模块连接internet网，对于没有网络存在的情况就不再适用；其次，数据回传到云端服务器解算，再到数据回传，其传输延迟较大，对于智能控制，无人机，无人驾驶这一类对时延敏感度较高的应用有很大的局限性；最后，卫星导航终端接收模块需要将采样的数据通过无线网络传输到云端，其无线数据发送模块的功耗较高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种定位功耗较低、定位精度高、大规模密集应用时数据处理压力小的自组织RTK定位方法。

本发明的目的之二在于提供一种应用所述自组织RTK定位方法的系统。

本发明提供的这种自组织RTK定位方法，包括如下步骤：

S1.流动站选择自身工作模式为主流动站或从流动站；

S2.选定参考站，设置该参考站的高精度标准坐标位置，同时该参考站实时观测获取RTK定位所需的观测数据；

S3.参考站将步骤S2得到的标准坐标位置和获取的观测数据传送给主流动站；

S4.从流动站接收卫星导航信号，并将接收的信号传送给主流动站；

S5.主流动站实时观测获取RTK定位所需观测数据，并结合参考站发送的标准坐标位置和观测数据，以及从流动站发送的观测数据，对自身和从流动站进行高精度联合定位解算，并将定位结果发送从流动站。

所述的自组织RTK定位方法还包括如下步骤：

S6.若从流动站在设定的时间内没有收到主流动站发送的定位信息，则开启自定位功能定位自身位置，并将定位结果上报主流动站；当从流动站进行自定位时，若恢复接收到主流动站发送的定位信息，则从流动站关闭相应的自定位功能；

S7.各个流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站。

步骤S6所述的从流动站开启自定位功能，具体为当从流动站开启自定位功能后，从流动站更新自身位置的频率下降，从而保证从流动站的功耗较低。

步骤S7所述的各个流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站，具体规则为：若无法从主流动站获取定位解算结果的从流动站的个数达到设定的阈值，或者无法与主流动站建立通信的从流动站的个数达到设定的阈值，则所有流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站。

步骤S1所述的流动站选择工作模式为主流动站或从流动站，具体为按照如下规则中的一条或多条进行选取：

R1.流动站的剩余电源因素：若流动站采用固定电源供电，则不考虑剩余电源因素；若流动站采用移动电源供电，则当流动站的剩余电量低于事先设定的阈值时，该流动站不能作为主流动站；

R2.流动站的观测数据质量因素：当流动站选择主从模式之前，所有流动站均接收参考站的观测数据并进行各自独立的RTK定位解算，当且仅当流动站能够解算得到自身的精密位置信息，该流动站才能成为主流动站；

R3.流动站之间的相对位置关系：当流动站选择主从模式之前，所有流动站均接收参考站的观测数据并进行各自独立的RTK定位解算并将解算结果上报参考站，参考站计算各个流动站与其他流动站的距离的方差值，并优先选取所述方差值小的流动站作为主流动站。

步骤S5所述的主流动站实时观测获取RTK定位所需观测数据，具体为采用如下步骤进行获取：

1)主流动站捕获自身卫星导航信号，得到捕获的卫星号、卫星的频点以及伪码信息；

2)根据主流动站和从流动站之间的通信距离限制L，主流动站捕获卫星的伪距信息，前后偏移LL距离的码片对所有从流动站进行信号的引导跟踪，所述的LL不小于L；

3)主流动站选定信号峰值最大的码片位置作为精确跟踪算法的输入，对从流动站信号实现小于一个码片距离的伪码和载波相位的精确跟踪，从而输出信号的粗定位结果、伪码信息和载波相位信息；

4)主流动站将步骤3)得到的主流动站和从流动站的粗定位结果、伪码信息和载波相位信息作为主流动站的联合定位解算算法的输入数据。

步骤S5所述的主流动站进行主流动站和从流动站的高精度联合定位解算，具体为采用如下步骤进行解算：

A.主流动站进行轮询解算：以参考站的观测数据为基准做差分，从自身开始，依次对主流动站和从流动站进行进行RTK定位解算；

B.主流动站根据步骤A得到的定位解算结果进行判断：

若主流动站得到所有从流动站的正确解算结果，则定位解算结束；

若主流动站未得到所有从流动站的正确解算结果，则主流动站将得到的定位解算结果的主流动站和从流动站进行编号，并按照伪距残差和载波相位残差排序，按照如下步骤选择流动站的观测数据为基准做差分，对暂未获得定位解算的从流动站进行重新定位解算：

a.采用如下公式计算该站点的第i颗卫星的第t个频点的伪距残差和载波相位残差：

式中第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和参考站的精确位置为(X^f,Y^f,Z^f)，第i颗卫星的位置为(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)；

b.按照如下公式计算该流动站点的伪距残差和载波相位残差：

其中，Δρ^c为伪距残差，Δρ^f为载波相位残差；

c.采用如下公式计算第j个流动站到第i个参考站的距离：

式中第h个流动站的精密位置为第j个流动站的定位位置为

d.计算所选定的作为基准站或流动站的流动站编号：

式中h_j即为第j个流动站所配对的参考站的编号；argmin()表示取最大值所在的索引值，γ＝{h＝1,...,H}。

本发明还公开了一种应用所述自组织RTK定位方法的系统，包括一个参考站、若干个流动站以及参考站、流动站之间进行数据交互的链路；所述流动站用于工作在主流动站或从流动站模式；所述从流动站模式的流动站用于获取自身的定位结果，或适时开启自身的定位功能；所述主流动站模式的流动站用于获取参考站和从流动站的数据信息，并结合自身数据信息进行自身和从流动站的定位解算；所述参考站用于获取观测数据和自身精确位置并传送给主流动站。

本发明考虑卫星导航定位终端相互之间距离较近的情况下，存在一个主流动站和其他若干从流动站模块，从流动站只接收卫星导航信号并将采集到的卫星导航信号传送给主流动站，主流动站完成所有从流动站和自身的定位解算，并将定位解算结果传送给从流动站。一旦从流动站脱离与主流动站通信连接的范围，则认为从流动站失去连接，从流动站在一定时间内接收不到主流动站传送的定位信息，进行自动报警，并开启从流动站的定位解算功能，上报位置信息以便主流动站和系统进行追踪。其次，本发明考虑主从流动站之间的相互切换，根据一定的协同规则来确定流动站的主从模式。本发明使用主从协同定位的方式，能够极大程度地降低定位终端的功耗，增大定位终端的使用寿命，并且能够及时追踪组内定位终端的相对位置，非常适用于高精度定位导航的大规模密集型应用。

附图说明

图1为本发明的系统的工作模式示意图。

图2为本发明的定位方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的系统的工作模式示意图：本发明开的这种应用所述自组织RTK定位方法的系统，包括一个参考站、若干个流动站以及参考站、流动站之间进行数据交互的链路；所述流动站用于工作在主流动站或从流动站模式；所述从流动站模式的流动站用于获取自身的定位结果，或适时开启自身的定位功能；所述主流动站模式的流动站用于获取参考站和从流动站的数据信息，并结合自身数据信息进行自身和从流动站的定位解算；所述参考站用于获取观测数据和自身精确位置并传送给主流动站。

如图2所示为本发明的定位方法的流程图：本发明提供的这种自组织RTK定位方法，包括如下步骤：

S1.流动站选择自身工作模式为主流动站或从流动站，具体可以按照如下规则中的一条或多条，综合考虑进行选取：

R1.流动站的剩余电源因素：若流动站采用固定电源供电(比如市电等)，则不考虑剩余电源因素；若流动站采用移动电源供电(比如电池等)，则当流动站的剩余电量低于事先设定的阈值(比如20％)时，该流动站不能作为主流动站；

R2.流动站的观测数据质量因素：当流动站选择主从模式之前，所有流动站均接收参考站的观测数据并进行各自独立的RTK定位解算，当且仅当流动站能够解算得到自身的精密位置信息，该流动站才能成为主流动站；

R3.流动站之间的相对位置关系：当流动站选择主从模式之前，所有流动站均接收参考站的观测数据并进行各自独立的RTK定位解算并将解算结果上报参考站，参考站计算各个流动站与其他流动站的距离的方差值，并优先选取所述方差值小的流动站作为主流动站；

S2.选定参考站，设置该参考站的高精度标准坐标位置，同时该参考站实时观测获取RTK定位所需的观测数据；

S3.参考站将步骤S2得到的标准坐标位置和获取的观测数据传送给主流动站；

S4.从流动站接收卫星导航信号，并将接收的信号传送给主流动站；

S5.主流动站实时观测获取RTK定位所需观测数据，具体为采用如下步骤进行获取：

1)主流动站捕获自身卫星导航信号，得到捕获的卫星号、卫星的频点以及伪码信息；

2)根据主流动站和从流动站之间的通信距离限制L，主流动站捕获卫星的伪距信息，前后偏移LL距离的码片对所有从流动站进行信号的引导跟踪，所述的LL不小于L；在实际应用时，考虑到从流动站与主流动站存在的近距离通信限制使得其通信距离通常不会超过1500米，利用主流动站捕获卫星的伪距信息，前后偏移2000米距离的码片(例如，北斗B1频点，一个码片距离为150米，那么前后偏移10个码片)对所有从流动站进行信号的引导跟踪

3)主流动站选定信号峰值最大的码片位置作为精确跟踪算法的输入，对从流动站信号实现小于一个码片距离的伪码和载波相位的精确跟踪，从而输出信号的粗定位结果、伪码信息和载波相位信息；

4)主流动站将步骤3)得到的主流动站和从流动站的粗定位结果、伪码信息和载波相位信息作为主流动站的联合定位解算算法的输入数据；

主流动站获取RTK定位所需观测数据后，并结合参考站发送的标准坐标位置和观测数据，以及从流动站发送的观测数据，对自身和从流动站进行高精度联合定位解算，并将定位结果发送从流动站；所述的联合定位解算具体为采用如下步骤进行解算：

A.主流动站进行轮询解算：以参考站的观测数据为基准做差分，从自身开始，依次对主流动站和从流动站进行进行RTK定位解算；

B.主流动站根据步骤A得到的定位解算结果进行判断：

若主流动站得到所有从流动站的正确解算结果，则定位解算结束；

若主流动站未得到所有从流动站的正确解算结果，则主流动站将得到的定位解算结果的主流动站和从流动站进行编号，并按照伪距残差和载波相位残差排序，按照如下步骤选择流动站的观测数据为基准做差分，对暂未获得定位解算的从流动站进行重新定位解算：

a.采用如下公式计算该站点的第i颗卫星的第t个频点的伪距残差和载波相位残差：

式中第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和参考站的精确位置为(X^f,Y^f,Z^f)，第i颗卫星的位置为(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)；

b.按照如下公式计算该流动站点的伪距残差和载波相位残差：

其中，Δρ^c为伪距残差，Δρ^f为载波相位残差；

c.采用如下公式计算第j个流动站到第i个参考站的距离：

式中第h个流动站的精密位置为第j个流动站的定位位置为

d.计算所选定的作为基准站或流动站的流动站编号：

式中h_j即为第j个流动站所配对的参考站的编号；argmin()表示取最大值所在的索引值，γ＝{h＝1,...,H}；

S6.若从流动站在设定的时间内没有收到主流动站发送的定位信息，则开启自定位功能定位自身位置，并将定位结果上报主流动站；当从流动站进行自定位时，若恢复接收到主流动站发送的定位信息，则从流动站关闭相应的自定位功能；当从流动站开启自定位功能后，从流动站更新自身位置的频率下降(比如下降为原来位置更新频率的1％)，从而保证从流动站的功耗较低；

S7.各个流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站，具体规则为：若无法从主流动站获取定位解算结果的从流动站的个数达到设定的阈值，或者无法与主流动站建立通信的从流动站的个数达到设定的阈值，则所有流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站；

比如，在无人驾驶环境中，若某主流动站对50％的从流动站的解算存在10次不成功(假设一秒更新一次解算结果，则认为10秒钟内解算不成功)，或者10秒内无法与50％的从流动站建立通信功能，则认定该流动站已经不再适合充当主流动站功能，系统重新向该组队的高精度定位终端发送重新选择主流动站的指令。

Claims (8)

1.一种自组织RTK定位方法，包括如下步骤：

S1.流动站选择自身工作模式为主流动站或从流动站；

S2.选定参考站，设置该参考站的高精度标准坐标位置，同时该参考站实时观测获取RTK定位所需的观测数据；

S3.参考站将步骤S2得到的标准坐标位置和获取的观测数据传送给主流动站；

S4.从流动站接收卫星导航信号，并将接收的信号传送给主流动站；

S5.主流动站实时观测获取RTK定位所需观测数据，并结合参考站发送的标准坐标位置和观测数据，以及从流动站发送的观测数据，对自身和从流动站进行高精度联合定位解算，并将定位结果发送从流动站。

2.根据权利要求1所述的自组织RTK定位方法，其特征在于还包括如下步骤：

S6.若从流动站在设定的时间内没有收到主流动站发送的定位信息，则开启自定位功能定位自身位置，并将定位结果上报主流动站；当从流动站进行自定位时，若恢复接收到主流动站发送的定位信息，则从流动站关闭相应的自定位功能；

S7.各个流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站。

3.根据权利要求2所述的自组织RTK定位方法，其特征在于步骤S6所述的从流动站开启自定位功能，具体为当从流动站开启自定位功能后，从流动站更新自身位置的频率下降，从而保证从流动站的功耗较低。

4.根据权利要求2所述的自组织RTK定位方法，其特征在于步骤S7所述的各个流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站，具体规则为：若无法从主流动站获取定位解算结果的从流动站的个数达到设定的阈值，或者无法与主流动站建立通信的从流动站的个数达到设定的阈值，则所有流动站重新选取自身工作模式为主流动站或从流动站。

5.根据权利要求1～4之一所述的自组织RTK定位方法，其特征在于步骤S1所述的流动站选择工作模式为主流动站或从流动站，具体为按照如下规则中的一条或多条进行选取：

R1.流动站的剩余电源因素：若流动站采用固定电源供电，则不考虑剩余电源因素；若流动站采用移动电源供电，则当流动站的剩余电量低于事先设定的阈值时，该流动站不能作为主流动站；

R2.流动站的观测数据质量因素：当流动站选择主从模式之前，所有流动站均接收参考站的观测数据并进行各自独立的RTK定位解算，当且仅当流动站能够解算得到自身的精密位置信息，该流动站才能成为主流动站；

R3.流动站之间的相对位置关系：当流动站选择主从模式之前，所有流动站均接收参考站的观测数据并进行各自独立的RTK定位解算并将解算结果上报参考站，参考站计算各个流动站与其他流动站的距离的方差值，并优先选取所述方差值小的流动站作为主流动站。

6.根据权利要求1～4之一所述的自组织RTK定位方法，其特征在于步骤S5所述的主流动站实时观测获取RTK定位所需观测数据，具体为采用如下步骤进行获取：

1)主流动站捕获自身卫星导航信号，得到捕获的卫星号、卫星的频点以及伪码信息；

2)根据主流动站和从流动站之间的通信距离限制L，主流动站捕获卫星的伪距信息，前后偏移LL距离的码片对所有从流动站进行信号的引导跟踪，所述的LL不小于L；

3)主流动站选定信号峰值最大的码片位置作为精确跟踪算法的输入，对从流动站信号实现小于一个码片距离的伪码和载波相位的精确跟踪，从而输出信号的粗定位结果、伪码信息和载波相位信息；

4)主流动站将步骤3)得到的主流动站和从流动站的粗定位结果、伪码信息和载波相位信息作为主流动站的联合定位解算算法的输入数据。

7.根据权利要求1～4之一所述的自组织RTK定位方法，其特征在于步骤S5所述的主流动站进行主流动站和从流动站的高精度联合定位解算，具体为采用如下步骤进行解算：

A.主流动站进行轮询解算：以参考站的观测数据为基准做差分，从自身开始，依次对主流动站和从流动站进行进行RTK定位解算；

B.主流动站根据步骤A得到的定位解算结果进行判断：

若主流动站得到所有从流动站的正确解算结果，则定位解算结束；

若主流动站未得到所有从流动站的正确解算结果，则主流动站将得到的定位解算结果的主流动站和从流动站进行编号，并按照伪距残差和载波相位残差排序，按照如下步骤选择流动站的观测数据为基准做差分，对暂未获得定位解算的从流动站进行重新定位解算：

a.采用如下公式计算该站点的第i颗卫星的第t个频点的伪距残差和载波相位残差：

${\mathrm{\Δ\ρ}}_{i,t}^c=\sqrt{{(X_{i,t}^c-X^i)}^2+{(Y_{i,t}^c-Y^i)}^2+{(Z_{i,t}^c-Z^i)}^2}-\sqrt{{(X^f-X^i)}^2+{(Y^f-Y^i)}^2+{(Z^f-Z^i)}^2}$

${\mathrm{\Δ\ρ}}_{i,t}^f=\sqrt{{(X_{i,t}^f-X^i)}^2+{(Y_{i,t}^f-Y^i)}^2+{(Z_{i,t}^f-Z^i)}^2}-\sqrt{{(X^f-X^i)}^2+{(Y^f-Y^i)}^2+{(Z^f-Z^i)}^2}$

式中第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和参考站的精确位置为(X^f,Y^f,Z^f)，第i颗卫星的位置为(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)；

b.按照如下公式计算该流动站点的伪距残差和载波相位残差：

${\mathrm{\Δ\ρ}}^c=\sqrt{\frac{1}{IT}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^I{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T{\left({\mathrm{\Δ\ρ}}_{i,t}^c\right)}^2}$

${\mathrm{\Δ\ρ}}^f=\sqrt{\frac{1}{IT}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^I{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T{\left({\mathrm{\Δ\ρ}}_{i,t}^f\right)}^2}$

其中，Δρ^c为伪距残差，Δρ^f为载波相位残差；

c.采用如下公式计算第j个流动站到第i个参考站的距离：

${\mathrm{\ΔD}}_{j,h}=\sqrt{{(X_j^c-X_h^f)}^2+{(Y_j^c-Y_h^f)}^2+{(Z_j^c-Z_h^f)}^2}$

式中第h个流动站的精密位置为第j个流动站的定位位置为

d.计算所选定的作为基准站或流动站的流动站编号：

$h_j=\arg \underset{h\∈\mathrm{\γ}}{min}{\mathrm{\Δ\ρ}}_h^f\·{\mathrm{\Δ\ρ}}_h^c$

式中h_j即为第j个流动站所配对的参考站的编号；argmin()表示取最大值所在的索引值，γ＝{h＝1,...,H}。

8.一种应用权利要求1～7所述的自组织RTK定位方法的系统，其特征在于包括一个参考站、若干个流动站以及参考站、流动站之间进行数据交互的链路；所述流动站用于工作在主流动站或从流动站模式；所述从流动站模式的流动站用于获取自身的定位结果，或适时开启自身的定位功能；所述主流动站模式的流动站用于获取参考站和从流动站的数据信息，并结合自身数据信息进行自身和从流动站的定位解算；所述参考站用于获取观测数据和自身精确位置并传送给主流动站。