CN109212567A - 实时差分定位系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实时差分定位系统和方法，该方法包括：用户终端向中央差分处理器发出登录请求；中央差分处理器在接收到登录请求后，利用反应器来实现登陆信息的分发，并调用身份验证模块完成用户登录验证；在用户登录验证成功后，向中央差分处理器实时发送GNSS原始观测数据；中央差分处理器同样通过反应器来接收用户以及基准站的GNSS原始观测数据后进行解码，从而通过解码后的数据进行终端定位和数据服务。因此，采用本发明，提高单次差分计算效率，降低计算资源消耗，进一步提供各类专项定制服务，服务于行业用户，有利于高精度定位技术向民用领域渗透，扩大用户群。

Description

实时差分定位系统和方法
技术领域
本发明属于卫星定位增强应用领域，涉及基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位方案，具体涉及一种实时差分定位系统和方法，利用反应器模式提升系统用户容量并利用分布式中央处理器进行用户差分运算，从而实现基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，以下简称为GNSS)实时差分定位是当前应用十分广泛的高精度定位技术之一，已广泛应用到航空航天、地学研究、勘察测量、智能交通等诸多领域，然而在传统的实时差分定位技术应用中，差分过程是在用户端完成，此方式增加了接收机制造的复杂度和生产成本，增加了终端设备价格，导致设备软件更新维护方面的困难，逆向实时运动(Real Time Kinematic，以下简称为RTK)技术中由差分服务器完成差分任务，此问题得以解决。
然而，根据现有技术当前的发展情况，仍存在不完善之处，具体如下：
(1)用户容量较小——在解决了终端成本问题后，高精度定位技术的民用推广会加速发展，用户数量的上升会导致基于传统技术的逆向差分服务器数据处理压力增加，提升系统实时的数据吞吐和用户容量成为待解决问题之一；
(2)定位数据利用不充分，深层次挖掘不足——用户定位结果数据相互隔离，造成系统对用户的统一监控及调度管理困难，系统管理者无法利用用户定位结果对用户进行有效的管理；
(3)用户原始观测数据相互隔离，原始数据中所含的大量可利用信息得不到统一处理分析和深层次挖掘，不利用用户定位性能的提升和系统对外服务类别的多样化实现。
发明内容
为了解决现有技术中的逆向差分系统的大并发处理问题，本发明提出了一种方案，利用反应器模式提升了系统用户容量，利用分布式中央差分处理器完成用户差分计算，分散运算处理整体负担，提高系统整体处理能力，针对单次差分定位采用Bancroft算法减少运算迭代次数，降低计算过程对系统资源的消耗，提高了系统整体计算速度和运行效率。
本发明的一个方面提供了一种实时差分定位系统，利用反应器模式提升系统用户容量并利用分布式中央处理器进行用户差分运算，从而实现基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位，包括：中央差分处理器，采用分布式结构，各处理模块可独立布设于多台服务器，用于对用户和基准站的GNSS原始观测数据进行解码，并将解码后的数据一方面发送至差分解算模块来进行差分定位解算，以实现终端实时定位，而另一方面发送至信息挖掘模块来生成深层次分析产品，以对外提供多样化数据服务；差分解算模块，用于利用Bancroft算法进行差分初值计算，从而快速获得差分定位结果并提高定位精度；信息挖掘模块，用于收集大量用户的实时观测数据，并对服务范围内的目标状态进行监控、提取误差并分析其时空变化，从而将专题数据发送给定制业务用户；数据收发模块，用于接收GNSS原始观测数据，其中嵌入有用于实现用户登录信息分发的反应器；运行监控模块，用于收集系统信息，监控系统内各模块的运行状态。
额外地，本发明的实时差分定位系统还包括：身份验证模块，用于在反应器分发用户登录信息后，对用户的登录进行验证，其中，数据收发模块还用于将用户的登录动作注册至反应器中以及反应器还用于将数据收发模块收到的用户登录请求分发给身份验证模块进行验证。
具体地，中央差分处理器还包括：解码模块，用于根据预定协议采用预定解码函数对 GNSS原始观测数据进行数据解码。
本发明的另一个方面提供了一种实时差分定位方法，包括：步骤一，用户终端向中央差分处理器发出登录请求；步骤二，中央差分处理器在接收到登录请求后，利用反应器来实现登陆信息的分发，并调用身份验证模块完成用户登录验证；步骤三，在用户登录验证成功后，向中央差分处理器实时发送GNSS原始观测数据；步骤四，中央差分处理器同样通过反应器来接收用户以及基准站的GNSS原始观测数据后进行解码，从而通过解码后的数据进行终端定位和数据服务。
在步骤二中执行：启动数据收发模块，将用户的登录动作注册至反应器中；启动反应器，以等待用户发起登录请求；在数据收发模块接收到用户发来的登录请求后，反应器将登录请求分发至身份验证模块；身份验证模块对收到的登录信息进行确认，并将确认后的登录结果回传至用户终端，从而完成用户登录操作。
在步骤四中执行的解码操作包括：启动数据收发模块，并且在用户登录完成后，将用户的GNSS观测数据的接收解码动作注册至反应器中；启动反应器，以等待用户发送GNSS观测数据；在数据收发模块接收到GNSS观测数据后，反应器将GNSS观测数据分发至解码模块，从而根据预定协议采用预定解码函数对GNSS原始观测数据进行数据解码。
在步骤四中包括：对解码后的数据进行差分定位解算，利用Bancroft算法完成差分初值计算，快速获得差分定位结果，实现终端实时定位；将解码后的数据发送至信息挖掘模块，生成深层次分析产品，对外提供多样化数据服务。
另外，本发明的实时差分定位方法还包括：通过信息挖掘模块收集大量用户的实时观测数据，并对服务范围内的目标状态进行监控、提取误差并分析其时空变化。
优选地，在本发明中，目标状态至少包括：各时段、各子区域卫星的可见数量、分布规律、可用状态等、用户分布情况、定位误差时空变化规律趋势等。
因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：
本发明优点及有益效果：
1)利用反应器模式提升数据吞吐量，实现大用户量GNSS原始数据并发接入和差分定位结果的发送；
2)由分布式中央差分处理器完成所有用户的实时差分解算工作，处理过程中利用Bancroft 算法提高单次差分计算效率，降低计算资源消耗；
3)提供大容量实时定位服务的同时，系统可利用接收到的原始观测数据和解算获得的用户定位信息进行大数据统计分析，获得服务范围内导航星基本状态信息(包括各时段、各子区域卫星可见数量、分布规律、可用状态等)、用户分布情况、定位误差时空变化规律趋势等；
4)能够进一步提供各类专项定制服务，服务于行业用户，有利于高精度定位技术向民用领域渗透，扩大用户群。
附图说明
图1是本发明的实时差分定位方法的流程图；
图2是本发明的实时差分定位方案所涉及的系统结构图。
具体实施方式
应了解，本发明利用反应器模式提升了系统用户容量，利用分布式中央差分处理器完成用户差分计算，分散运算处理整体负担，提高系统整体处理能力，针对单次差分定位采用 Bancroft算法减少运算迭代次数，降低计算过程对系统资源的消耗，提高了系统整体计算速度和运行效率。下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所涉及的基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位方法包括如下步骤：
步骤1：用户终端向中央差分处理器发出登录请求；
步骤2：中央差分处理器接收登录请求后，利用反应器实现登陆信息的分发，调用身份验证模块完成用户登录验证；
步骤3：用户登录后向中央差分处理器实时发送GNSS原始观测数据；
步骤4：中央差分处理器同样通过反应器模式接收用户以及基准站GNSS原始观测数据后进行解码，解码后的数据一方面被用来进行差分定位解算，利用Bancroft算法完成差分初值计算，快速获得差分定位结果，实现终端实时定位；另一方面发送至信息挖掘模块，生成深层次分析产品，对外提供多样化数据服务。
在步骤2中，用户身份验证的过程为：
启动数据收发模块，将用户登录动作注册至反应器中；
启动反应器，等待用户发起登录请求；
数据收发模块接收到用户登录请求后，反应器将该请求分发至身份验证函数；
系统对发送的登录信息进行确认，将登录结果回传至用户终端，完成用户登录操作。
另外，在步骤4中，用户GNSS原始观测数据接收和解码的过程为：
启动数据收发模块，若用户登录完成，将用户GNSS观测数据接收解码动作注册至反应器中；
启动反应器，等待该用户发送GNSS观测数据；
数据收发模块接收到GNSS观测数据后，反应器将观测数据分发至解码函数，依照RTCM SC-104协议完成数据解码。
参看图2，对本发明具体实施方式所涉及的基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位过程进行详细描述如下：
(1)启动中央差分处理器，向数据收发模块的反应器组件中注册用户登录事件；
(2)启动反应器，进入无限循环，等待用户终端发起登录请求；
(3)用户终端设备通过无线网络(2G/3G/4G)，依照登录协议向中央差分处理器发送登录信息，主要包括用户ID、服务类型及登录识别信息等；
(4)数据收发模块接收到用户登录请求后，反应器将该请求分发至身份验证函数；
(5)身份验证函数调取数据库中用户注册信息对发送的登录信息进行确认，将登录结果回传至用户终端；
(6)若用户登录成功，将用户GNSS观测数据接收解码动作注册至反应器中；
(7)数据接收模块等待该用户发送GNSS观测数据；
(8)用户接收到登录完成提示后，向中央差分处理器实时发送GNSS原始观测数据；
(9)数据收发模块接收到GNSS观测数据后，反应器将各用户的观测数据分发至解码函数，依照RTCM SC-104协议完成数据解码；
(10)解码后的数据发送至差分解算模块，差分模式包含实时伪距差分和载波相位差分两种，根据用户注册信息匹配对应的差分模式，进入差分定位过程；
(11)利用Bancroft算法完成差分初值计算；
首先，对于当前历元观测到的每颗卫星列立如下观测方程：
其中，Li为伪距残差，(xi,yi,zi)为地心地固坐标系下的卫星坐标，(x,y,z)为待求差分初值坐标，c为光速，Δt为待求终端钟差参数。
将观测方程两边平方，整理成如下形式：
(xi2+yi2+zi2-Li2)-2(xix+yiy+ziz-LicΔt)＝-(x2+y2+z2-c2Δt2)
根据Lorentz内积定义：
＜g,h＞＝gTMh
其中，
平方整理后的方程可进一步表示为Lorentz内积方程：
其中，将所有卫星的Lorentz内积方程联立后即可解算出差分初值坐标。
(12)将坐标初值代入差分解算方程求出用户最终定位结果，该结果一方面通过数据收发模块利用无线网络发送给用户，另一方面发送给运行监控模块，用于用户位置实时监控调度；
(13)用户原始GNSS观测数据除用于差分解算外，同时发送至信息挖掘模块，该模块通过对大量用户实时观测数据的不断收集，对服务范围内导航星基本状态(包括各时段、各子区域卫星可见数量，分布规律，可用状态等)进行监控、提取观测数据中的各类误差并分析其时空变化。分析结果一方面传送至运行监控模块，另一方面通过数据收发模块发送给定制业务用户。
综上所述，本发明在系统启动过后用户终端设备向系统发出登录申请，完成登录后将实时采集的GNSS卫星观测数据通过无线网络发送至中央差分处理器，对于大量用户并发数据的实时处理，中央差分处理器采用分布式方案布设，同时采用反应器模式进行数据接收与分流解算，将用户定位请求作为反应器事件注册至反应器管理器，管理器将用户发送的定位业务数据分发到用于处理各事件的业务程序(差分定位模块)中，利用基站观测数据完成差分解算。针对差分解算坐标初值获得过程中迭代计算耗时问题，使用Bancroft算法加以改善，该算法不需要对线性化后的误差方程进行牛顿迭代逼近，利用构造Lorentz内积方程实现坐标初值的直接求解，具有计算快速、资源消耗低的优点。解算后获得的用户定位结果一方面通过无线网络发送给用户完成其实时定位，另一方面连同原始观测数据一起提供给监控管理系统用于用户综合管理调度、服务范围内导航星基本状态(包括各时段、各子区域卫星可见数量、分布规律、可用状态等)监控、定位误差时空变化趋势分析等，进而提供各类专项服务，服务于行业用户。基于反射器模式的大用户并发逆向实时差分系统可有效提升系统吞吐，增加用户容量，并具有较低的资源消耗。
本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种实时差分定位系统，利用反应器模式提升系统用户容量并利用分布式中央处理器进行用户差分运算，从而实现基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位，其特征在于，包括：
中央差分处理器，采用分布式结构，每台处理器上对应布设有独立的处理模块，用于对用户和基准站的全球导航卫星系统原始观测数据进行解码，并将解码后的数据一方面发送至差分解算模块来进行差分定位解算，以实现终端实时定位，而另一方面发送至信息挖掘模块来生成深层次分析产品，以对外提供多样化数据服务；
所述差分解算模块，用于利用Bancroft算法进行差分初值计算，从而快速获得差分定位结果并提高定位精度；
所述信息挖掘模块，用于收集大量用户的实时观测数据，并对服务范围内的目标状态进行监控、提取误差并分析其时空变化，从而将专题数据发送给定制业务用户；
数据收发模块，用于接收所述全球导航卫星系统原始观测数据，其中嵌入有用于实现用户登录信息分发的反应器；
运行监控模块，用于收集系统信息，监控系统内各模块的运行状态。
2.根据权利要求1所述的实时差分定位系统，其特征在于，还包括：
身份验证模块，用于在所述反应器分发所述用户登录信息后，对用户的登录进行验证，
其中，所述数据收发模块还用于将用户的登录动作注册至所述反应器中以及所述反应器还用于将所述数据收发模块收到的用户登录请求分发给所述身份验证模块进行验证。
3.根据权利要求1所述的实时差分定位系统，其特征在于，所述中央差分处理器还包括：
解码模块，用于根据预定协议采用预定解码函数对所述全球导航卫星系统原始观测数据进行数据解码。
4.根据权利要求1所述的实时差分定位系统，其特征在于，所述目标状态至少包括：各时段、各子区域卫星的可见数量、分布规律、可用状态、用户分布情况、定位误差时空变化规律趋势。
5.一种实时差分定位方法，采用上述权利要求中任一项所述的实时差分定位系统，以反应器模式提升系统用户容量且通过分布式中央处理器进行用户差分运算，从而实现基于反应器模式的大用户并发逆向实时差分定位，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，用户终端向所述中央差分处理器发出登录请求；
步骤二，所述中央差分处理器在接收到所述登录请求后，利用所述反应器来实现登陆信息的分发，并调用身份验证模块完成用户登录验证；
步骤三，用户登录验证成功后，向所述中央差分处理器实时发送全球导航卫星系统原始观测数据；
步骤四，所述中央差分处理器同样通过反应器来接收用户以及基准站的全球导航卫星系统原始观测数据后进行解码，从而通过解码后的数据进行终端定位和数据服务。
6.根据权利要求5所述的实时差分定位方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：
启动数据收发模块，将用户的登录动作注册至所述反应器中；
启动所述反应器，以等待用户发起登录请求；
在所述数据收发模块接收到用户发来的所述登录请求后，所述反应器将所述登录请求分发至身份验证模块；
所述身份验证模块对收到的登录信息进行确认，并将确认后的登录结果回传至用户终端，从而完成用户登录操作。
7.根据权利要求5所述的时实时差分定位方法，其特征在于，在所述步骤四中执行的解码操作包括：
启动所述数据收发模块，并且在用户登录完成后，将用户的所述全球导航卫星系统观测数据的接收解码动作注册至所述反应器中；
启动所述反应器，以等待用户发送所述全球导航卫星系统观测数据；
在所述数据收发模块接收到所述全球导航卫星系统观测数据后，所述反应器将所述全球导航卫星系统观测数据分发至解码模块，从而根据预定协议采用预定解码函数对所述全球导航卫星系统原始观测数据进行数据解码。
8.根据权利要求7所述的实时差分定位方法，其特征在于，在所述步骤四中包括：
对解码后的数据进行差分定位解算，利用Bancroft算法完成差分初值计算，快速获得差分定位结果，实现终端实时定位；
将解码后数据发送至信息挖掘模块，生成深层次分析产品，对外提供多样化数据服务。
9.根据权利要求5所述的实时差分定位方法，其特征在于，还包括：
通过信息挖掘模块收集大量用户的实时观测数据，并对服务范围内的目标状态进行监控、提取误差并分析其时空变化。
10.根据权利要求9所述的实时差分定位方法，其特征在于，所述目标状态至少包括：各时段、各子区域卫星的可见数量、分布规律、可用状态、用户分布情况、定位误差时空变化规律趋势。
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