CN108923842A - 星地一体多算法融合的高精度定位方法、系统和终端 - Google Patents

星地一体多算法融合的高精度定位方法、系统和终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种星地一体多算法融合的高精度定位方法、系统和终端，所述定位方法包括：终端接收来自卫星广播的数据；终端接收来自通信网络的数据；终端对接收到的数据进行解密和解码，终端根据自己的解密密钥对数据进行解密，根据预先约定的编码格式对数据进行解码；终端选择解密和解码后的数据，交给融合高精度定位解算模块进行解算；融合高精度定位解算模块基于接收到的数据，结合自身观测到的导航卫星数据，进行融合高精度定位解算，输出高精度定位结果。本发明提出的星地一体多算法融合的高精度定位方法满足了高精度定位应用的需求。

Description

星地一体多算法融合的高精度定位方法、系统和终端
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种星地一体多算法融合的高精度定位方法、系统和终端。
背景技术
RTK(Real Time Kinematics，载波相位差分)技术是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
RTD(Real Time Differential，实时动态码相位差分)技术在实时动态测量中，把实时动态码相位差分测量称作常规差分测量。
NRTK(网络RTK，也称基准站RTK)是在常规RTK和差分GPS的基础上建立起来的一种新技术。我们通常把在一个区域内建立多个(一般为三个或三个以上)的GPS参考站，对该区域构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准计算和发播GPS改正信息，从而对该地区内的GPS用户进行实时改正的定位方式称为GPS网络RTK，又称为多基准站RTK。
NRTD(网络RTD，也称基准站RTD)是在常规RTD基础上建立起来的一种新技术。
SSR(State Space Representation，状态值空间域)由德国GEO++公司提出，是误差状态空间表征的非差改正数标准，一般包括卫星端、空间段两类误差，是用于非差精密定位及导航技术的接口规范。
OSR(Observation Space Representation，观测值空间域)是以DGPS/RTK为典型代表的高精度定位技术。
PPP(Precise Point Positioning，精密单点定位技术)是状态空间表征的一类导航定位技术，通过使用卫星轨道、钟差、码偏差的改正数服务，按照非差处理的参数估计准则，进行非差高精度定位的过程。
PPP-AR(Precise Point Positioning with Ambiguity Resolution)是状态空间表征的一类导航定位技术，通过使用卫星轨道、钟差、码偏差、相位偏差、垂向电离层改正的数据产品，按照非差处理的参数估计准则，同时估计非差模糊度，计算实际的用户高精度位置，是一类优化改进的PPP定位技术。
PPP-RTK(Precise Point Positioning-Real Time Kinematic)是状态空间表征的一类导航定位技术，通过使用卫星轨道、钟差、码偏差、相位偏差、垂向电离层改正、区域斜向电离层改正、区域对流层延迟的全量改正数据产品，按照非差化处理的参数估计准则，同时估计非差模糊度，计算实际的用户高精度位置，是一类非差化的RTK定位技术。
Ntrip(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)是通过互联网进行RTCM网络传输的协议。
现有的高精度定位技术，一般可以分为OSR和SSR，其中OSR以NRTD/NRTK为典型代表，SSR以PPP，PPP-AR，PPP-RTK为典型代表。两种技术都可以达到厘米级的定位精度，但是各自有不同的特性(详见下表)。
目前在实际的高精度定位应用时，一般都是独立使用某个定位算法，或者某种播发方式，而没有考虑到多种定位算法和播发方式的融合。
单独使用基于OSR的技术，例如RTD/RTK(NRTD/NRTK)，在定位精度和收敛时间上略有优势，但是依赖于局域地基增强站，在没有地基增强站覆盖的地区，没有办法实现高精度定位。
单独使用基于SSR的技术，例如PPP，PPP-AR，PPP-RTK，相比较于NRTK技术，收敛时间会略长，定位精度会略低。
单独使用基于卫星L-Band射频的广播播发，覆盖区域广，但是在某些区域可能存在L-Band射频遮挡，导致终端暂时无法收到改正数据。
单独使用基于地面通信网络的播发，在没有地面通信网络覆盖的时候(例如在边远山区，或者300米以上的高空)，无法播发差分改正数据到终端，也就没有办法实现高精度定位。
某些高精度定位应用，例如汽车自动驾驶，或者无人机自动飞行，既需要厘米级定位精度，也需要快速的收敛，同时还需要在没有地面通信网络覆盖范围的地区或者在没有局域地基增强站覆盖范围的地区获取服务，以及连续高可靠的高精度定位服务(例如在某些异常情况下，如L-Band卫星射频暂时遮挡，继续使用高精度定位服务)。
发明内容
本发明通过基于OSR的NRTD/NRTK和基于SSR的PPP/PPP-AR/PPP-RTK等多种算法的融合，以及卫星L-Band射频和地面通信网络两种播发方式的互补，解决了单一定位算法或单一播发方式在某些特性(定位精度、收敛时间、覆盖范围、高可靠等)上的不足和限制，满足了一些实际的用户应用场景(例如汽车自动驾驶和无人机自动飞行)对于星地一体多算法融合高精度定位的需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，包括以下步骤：
终端接收来自卫星广播的数据；
终端接收来自通信网络的数据；
终端对接收到的数据进行解密和解码，终端根据自己的解密密钥对数据进行解密，根据预先约定的编码格式对数据进行解码；
终端选择解密和解码后的数据，交给融合高精度定位解算模块进行解算；
融合高精度定位解算模块基于接收到的数据，结合自身观测到的导航卫星数据，进行融合高精度定位解算，输出高精度定位结果。
进一步地，所述终端通过L-Band数据接收模块接收来自卫星广播的L-Band数据，通过通信网络数据接收模块接收来自通信网络的数据。
进一步地，所述卫星广播的数据由服务端通过卫星向终端播发，所述通信网络的数据由服务端向终端播发。
进一步地，服务端基于参考站的原始数据进行计算并产生改正数据，对改正数据进行编码和加密，根据统一播发配置模块的配置选择播发链路播发编码和加密后的数据。
进一步地，服务端通过上星播发链路将数据传送到卫星，并通过卫星的L-Band射频信号向终端播发数据；服务端通过网络播发链路向终端播发数据。
进一步地，通过卫星L-Band播发的数据包括PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据，卫星对终端进行无差别播发数据；
通过网络播发链路播发的数据包括PPP数据、PPP-AR数据、PPP-RTK数据、NRTD数据和NRTK数据，基于终端上传的概略位置，选择相应的网格点，播发终端对应的网格点的数据，根据地基增强站的位置和网格策略，启动数据切换逻辑。
进一步地，终端配置多个独立的解算引擎，基于不同的算法和数据进行高精度定位解算，对解算得到的结果进行评估，选择最优解作为最终输出的高精度定位解算的结果。
进一步地，终端根据通信网络和NRTK、PPP-RTK网格的覆盖范围接收数据并进行相应定位解算，具体如下：
当终端在既有通信网络，也在NRTK、PPP-RTK网格覆盖范围之内时，通过卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据，或者通过网络播发链路接收NRTK数据和PPP数据、PPP-AR数据、PPP-RTK数据；终端配置三个独立的解算引擎，第一个解算引擎基于卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据进行解算，第二个解算引擎基于网络播发链路接收NRTK数据进行解算，第三个解算引擎基于网络播发链路接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据进行解算，对解算得到的结果进行评估，选择最优解作为最终输出的高精度定位解算的结果；
当终端移动到没有通信网络覆盖的区域，但是在NRTK、PPP-RTK网格覆盖范围之内时，通过卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据；选择第一个解算引擎的结果作为最终输出的高精度定位解算的结果；
当终端移动NRTK覆盖范围之外，但是有通信网络覆盖时，通过卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据，或者通过网络播发链路接收PPP数据、PPP-AR数据、PPP-RTK数据；选择第一个和第三个解算引擎输出结果的最优解作为最终输出的高精度定位解算的结果。
本发明还提供了一种终端，包括：
卫星L-Band数据接收模块，用于接收来自卫星广播的数据；
通信网络数据接收模块，用于接收来自通信网络的数据；
数据解密和解码模块，用于对接收到的数据进行解密和解码；
数据选择模块，用于选择解密和解码后的数据，交给融合高精度定位解算模块进行解算；
融合高精度定位解算模块，用于基于接收到的数据，结合自身观测到的导航卫星数据，进行融合高精度定位解算，输出高精度定位结果。
本发明还提供了一种星地一体多算法融合的高精度定位系统，包括服务端和终端，所述服务端包括：
数据计算模块，用于基于参考站的原始数据进行计算并产生改正数据；
密钥管理模块，用于完成密钥的生成和维护；
统一播发配置模块，用于对播发格式、播发内容进行配置管理；
数据编码和加密模块，用于根据密钥以及播发内容对改正数据进行编码和加密；
上星播发链路，用于将编码和加密后的数据传送到卫星，并通过卫星的L-Band射频信号向终端播发数据；
网络播发链路，用于将编码和加密后的数据向终端播发。
本发明的有益效果在于，提出了星地一体多算法融合的高精度定位方法、系统和终端，可以满足高精度定位应用的需求。
附图说明
图1为本发明应用场景示意图；
图2为本发明系统架构图；
图3为本发明服务端实现流程图；
图4为本发明终端实现流程图。
具体实施方式
本发明提出了一种星地一体多算法融合的高精度定位方法和系统，典型的应用场景示如图1所示，下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
实施例一：
图1为本发明系统架构图，整个系统由服务端、卫星、终端组成，服务端(运行在云环境下的)是提供高精度定位服务的服务器平台，终端是接入并使用高精度定位服务的终端设备，如测量测绘设备，手机，汽车，无人机，自行车等。
服务端包括数据计算模块、密钥管理模块、统一播发配置模块、数据编码和加密模块、上星播发链路和网络播发链路，其中数据计算模块包括：
PPP数据计算模块，通过参考站的原始数据进行计算，得到卫星轨道、钟差、码偏差的改正数；
PPP-AR数据计算模块：通过参考站的原始数据进行计算，得到卫星轨道、钟差、码偏差、相位偏差、垂向电离层改正；
PPP-RTK数据计算模块：通过参考站的原始数据进行计算，得到卫星轨道、钟差、码偏差、相位偏差、垂向电离层改正、区域斜向电离层改正、区域对流层延迟的全量改正数据；
NRTD数据计算模块：通过参考站的原始数据进行计算，得到伪距差分改正数据；
NRTK数据计算模块：通过参考站的原始数据进行计算，得到载波相位差分改正数据。
密钥管理模块：由于通过卫星广播的数据需要加密，所以需要密钥管理模块完成密钥的生成和维护等功能。
统一播发配置模块：对于每种算法计算得到的改正数据，最终需要通过以电文消息的格式播发到终端，因此需要统一的播发配置模块，对所有电文消息播发的格式和内容等进行配置管理。
数据编码和加密模块：对于算法计算得到的改正数据，根据密钥管理模块的密钥，以及播发配置里的播发内容，对数据进行编码和加密。
上星播发链路：通过上星链路，将编码和加密之后的数据传送到卫星，最终通过卫星的L-Band射频信号进行广播。
网络播发链路：通过通信网络，将编码和加密之后的数据播发到终端设备。
卫星由数据接收和数据广播模块组成，不是本发明的重点。
终端包括卫星L-Band数据接收模块、通信网络数据接收模块、数据解密和解码模块、数据选择模块和融合高精度定位解算模块。
卫星L-Band数据接收模块：通过射频天线，接收来自于卫星L-Band射频广播的数据，并进一步给到数据解密和解码模块。
通信网络数据接收模块：通过通信网络接收改正数据，并进一步给到数据解密和解码模块。
数据解密和解码模块包括：
PPP数据解密和解码模块：对PPP中的卫星轨道、钟差、码偏差的改正数，进行数据解密和解码；
PPP-AR数据解密和解码模块：对PPP-AR中的卫星轨道、钟差、码偏差、相位偏差、垂向电离层改正，进行数据解密和解码；
PPP-RTK数据解密和解码模块：对PPP-RTK中的卫星轨道、钟差、码偏差、相位偏差、垂向电离层改正、区域斜向电离层改正、区域对流层延迟的全量改正数据，进行数据解密和解码；
NRTD数据解密和解码模块：对NRTD中的伪距差分改正数据，进行数据解密和解码；
NRTK数据解密和解码模块：对NRTK中的载波相位差分改正数据，进行数据解密和解码。
数据选择模块：合并和选择各种算法解密和解码之后的数据，交给融合高精度定位算法模块进行解算。
融合高精度定位解算：基于接收到的各种改正数据，以及自身观测到的导航卫星数据，进行融合高精度定位解算，输出最优的高精度定位结果。
实施例二：
图3为本发明服务端的实现方法流程图，包括以下步骤：
步骤S11，数据计算
此处的数据计算，指分别基于参考站的信息，进行多种算法改正数据的计算并最终产生改正数据。一般每种算法会有单独的算法模块。
步骤S12，数据编码
按照预先约定好的编码格式，对算法模块输出的改正数据进行编码。
步骤S13，根据密钥管理模块的配置，进行数据加密。
步骤S14，根据统一播发配置模块的配置，进行播发数据的链路选择。
步骤S15，通过上星链路，通过卫星L-Band射频进行数据广播。
步骤S16，通过通信网络，进行数据播发。
在本实施例的一个场景中，通过卫星L-Band射频进行广播的PPP，PPP-AR，PPP-RTK数据，对所有用户的终端设备进行全量数据的无差别广播，永远不会进行数据切换；
在本实施例的另一个场景中，通过通信网络播发的PPP，PPP-AR，PPP-RTK，NRTD，NRTD数据，可以基于用户的终端设备上传的概略位置，选择相应的网格点，对该用户只针对该网格点的数据。根据地基增强站的建设位置和网格策略，会启动相应的数据切换逻辑。
注1：概略位置：终端设备的定位手段有多种，例如，带有卫星接收机的终端设备，在没有获取到改正数据的情况下，也可以定位得到一个位置(称为单点定位)。通过单点定位计算出的位置的精度不高(一般在十米左右)，所以行业内一般称之为概略位置(一定概率范围内的粗略位置)。
注2：由于NRTK、NRTD、PPP-RTK等技术依赖的地基增强站的分布距离及组网策略不同，每种技术对应的网格大小也会不同(每个网格会产生不同的改正数据)，因此在实际应用中，经常会出现覆盖范围不一致的情况，例如，NRTD由于组网要求低，可以做到全国大部分范围覆盖，PPP-RTK组网要求高，某些地区可能无法覆盖，NRTK组网要求最高，很多偏远山区都无法覆盖。
当终端设备的位置离开NRTK服务区域范围的时候，差分数据播发服务可以自动从NRTK切换为PPP-RTK(或NRTD)，当终端设备的位置重新回到NRTK服务区域范围的时候，改正数据播发服务自动从PPP-RTK(或NRTD)切换为NRTK，可以把这种行为简称为“服务自动切换”。
优选地，服务自动切换可以配置打开和关闭，默认选项为关闭，可以配置为打开。
优选地，服务自动切换可以在每个用户的服务账号级别进行配置。
优选地，服务自动切换可以通过图形化控制台，OpenAPI等方式。
优选地，当终端设备的位置在NRTK服务区域范围内，但是NRTK服务因为种种原因暂时不可用的时候，不触发自动切换。
实施例三：
图4为本发明终端的实现方法流程图，包括以下步骤：
步骤S21，接收来自卫星L-Band射频的广播数据。
步骤S22，接收来自通信网络的数据。
步骤S23，数据解密和解码
根据终端设备自己的解密密钥，进行数据解密。并根据预先约定好的编码格式进行数据解码。
步骤S24，数据选择
选择数据并给到融合高精度定位解算模块。
步骤S25，融合高精度定位解算
基于得到的改正数据，以及导航卫星的观测数据，进行融合高精度定位解算。
优选地，根据终端设备的硬件资源(如CPU、内存等)，可以选择配置一个解算引擎，或多个独立的解算引擎。当终端硬件资源足够的情况下，一般推荐多个独立的解算引擎，分别基于不同的算法和改正数据进行高精度定位解算。多个独立的解算引擎得到的结果，通过基于方差等技术的评估，选择最优解作为最终输出的高精度定位解算结果。可以提高高精度定位的可靠性。
对于支持星地一体多算法融合定位的终端来说，由于会同时通过L-Band射频接收来自卫星的广播数据，以及通过通信网络接收来自互联网的数据，同时由于各种算法技术网格的覆盖范围不一致，因此需要支持数据切换的逻辑。
由于NRTK、NRTD、PPP-RTK等技术依赖的地基增强站的分布距离及组网策略不同，每种技术对应的网格大小也会不同(每个网格会产生不同的改正数据)，因此在实际应用中，经常会出现覆盖范围不一致的情况，例如，NRTD由于组网要求低，可以做到全国大部分范围覆盖，PPP-RTK组网要求高，某些地区可能无法覆盖，NRTK组网要求最高，很多偏远山区都无法覆盖。
在本实施例的一个场景中，当终端设备在既有通信网络，也在NRTK、PPP-RTK网格覆盖范围之内时，可以通过卫星收到PPP、PPP-AR，及PPP-RTK数据，也可以通过网络收到NRTK数据和PPP、PPP-AR，及PPP-RTK数据。此时可以配置为三个独立的解算引擎，第一个基于卫星收到的PPP系列改正数据进行解算，第二个基于网络收到的NRTK改正数据进行解算，第三个基于网络收到的PPP系列改正数据进行解算。三个独立的解算引擎得到的结果，通过基于方差等技术的评估，选择最优解作为最终输出的高精度定位解算结果。提高高精度定位的可靠性。
在本实施例的另一个场景中，当终端设备移动到没有通信网络覆盖的区域，但是在NRTK，PPP-RTK网格覆盖范围之内时，可以通过卫星收到PPP、PPP-AR，及PPP-RTK数据。此时之前配置的三个独立的解算引擎，只有第一个解算引擎可以正常输出结果。选择第一个解算引擎的结果作为最终输出的高精度定位解算结果。
在本实施例的另一个场景中，当终端设备移动NRTK覆盖范围之外，但是有通信网络覆盖时，可以通过卫星收到PPP，PPP-AR，及PPP-RTK数据，也可以通过网络收到PPP，PPP-AR，及PPP-RTK数据。此时之前配置的三个独立的解算引擎，第一个和第三个可以正常输出结果。选择第一个和第三个解算引擎输出结果的最优解作为最终输出的高精度定位解算结果。
总结起来，通过配置多个独立的解算引擎，可以在各种异常情况下，结合服务端播发的各种改正数据，稳定连续的输出可靠的高精度定位解算结果，提高了高精度定位的可靠性，满足例如汽车自动驾驶或无人机自动飞行的应用的要求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：
终端接收来自卫星广播的数据；
终端接收来自通信网络的数据；
终端对接收到的数据进行解密和解码，终端根据自己的解密密钥对数据进行解密，根据预先约定的编码格式对数据进行解码；
终端选择解密和解码后的数据，交给融合高精度定位解算模块进行解算；
融合高精度定位解算模块基于接收到的数据，结合自身观测到的导航卫星数据，进行融合高精度定位解算，输出高精度定位结果。
2.如权利要求1所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，所述终端通过L-Band数据接收模块接收来自卫星广播的L-Band数据，通过通信网络数据接收模块接收来自通信网络的数据。
3.如权利要求1所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，所述卫星广播的数据由服务端通过卫星向终端播发，所述通信网络的数据由服务端向终端播发。
4.如权利要求3所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，服务端基于参考站的原始数据进行计算并产生改正数据，对改正数据进行编码和加密，根据统一播发配置模块的配置选择播发链路播发编码和加密后的数据。
5.如权利要求4所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，服务端通过上星播发链路将数据传送到卫星，并通过卫星的L-Band射频信号向终端播发数据；服务端通过网络播发链路向终端播发数据。
6.如权利要求5所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，通过卫星L-Band播发的数据包括PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据，卫星对终端进行无差别播发数据；
通过网络播发链路播发的数据包括PPP数据、PPP-AR数据、PPP-RTK数据、NRTD数据和NRTK数据，基于终端上传的概略位置，选择相应的网格点，播发终端对应的网格点的数据，根据地基增强站的位置和网格策略，启动数据切换逻辑。
7.如权利要求6所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，终端配置多个独立的解算引擎，基于不同的算法和数据进行高精度定位解算，对解算得到的结果进行评估，选择最优解作为最终输出的高精度定位解算的结果。
8.如权利要求6所述的一种星地一体多算法融合的高精度定位方法，其特征在于，终端根据通信网络和NRTK、PPP-RTK网格的覆盖范围接收数据并进行相应定位解算，具体如下：
当终端在既有通信网络，也在NRTK、PPP-RTK网格覆盖范围之内时，通过卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据，或者通过网络播发链路接收NRTK数据和PPP数据、PPP-AR数据、PPP-RTK数据；终端配置三个独立的解算引擎，第一个解算引擎基于卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据进行解算，第二个解算引擎基于网络播发链路接收NRTK数据进行解算，第三个解算引擎基于网络播发链路接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据进行解算，对解算得到的结果进行评估，选择最优解作为最终输出的高精度定位解算的结果；
当终端移动到没有通信网络覆盖的区域，但是在NRTK、PPP-RTK网格覆盖范围之内时，通过卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据；选择第一个解算引擎的结果作为最终输出的高精度定位解算的结果；
当终端移动NRTK覆盖范围之外，但是有通信网络覆盖时，通过卫星接收PPP数据、PPP-AR数据和PPP-RTK数据，或者通过网络播发链路接收PPP数据、PPP-AR数据、PPP-RTK数据；选择第一个和第三个解算引擎输出结果的最优解作为最终输出的高精度定位解算的结果。
9.一种终端，其特征在于，所述终端包括：
卫星L-Band数据接收模块，用于接收来自卫星广播的数据；
通信网络数据接收模块，用于接收来自通信网络的数据；
数据解密和解码模块，用于对接收到的数据进行解密和解码；
数据选择模块，用于选择解密和解码后的数据，交给融合高精度定位解算模块进行解算；
融合高精度定位解算模块，用于基于接收到的数据，结合自身观测到的导航卫星数据，进行融合高精度定位解算，输出高精度定位结果。
10.一种星地一体多算法融合的高精度定位系统，其特征在于，包括服务端和如权利要求9所述的终端，所述服务端包括：
数据计算模块，用于基于参考站的原始数据进行计算并产生改正数据；
密钥管理模块，用于完成密钥的生成和维护；
统一播发配置模块，用于对播发格式、播发内容进行配置管理；
数据编码和加密模块，用于根据密钥以及播发内容对改正数据进行编码和加密；
上星播发链路，用于将编码和加密后的数据传送到卫星，并通过卫星的L-Band射频信号向终端播发数据；
网络播发链路，用于将编码和加密后的数据向终端播发。
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