CN110320540A - 高精度集中式差分定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明高精度集中式差分定位方法是一种新型高精度集中式差分定位的方法，适用于GPS、北斗和GLONASS等全球卫星定位系统，特别适用于提高大批量监控目标的定位精度。该方法包括1）由独立的各个终端接收卫星定位数据，并通过无线方式将该卫星定位数据发送到后台数据处理中心；2）数据处理中心通过差分基站或者第三方获得差分数据源，对多个终端的数据集中进行差分解算，得到每个终端的高精度位置信息；3）数据处理中心将步骤（2）得到的高精度位置信息传送给后台监控系统进行显示或通过无线通讯发回步骤（1）传送卫星定位数据的各终端。
Description
技术领域
本发明高精度集中式差分定位方法是一种新型高精度集中式差分定位的方法，适用于GPS、北斗和GLONASS等全球卫星定位系统，特别适用于提高大批量监控目标的定位精度。
背景技术
卫星定位系统由多颗卫星组成，如果已知天上卫星的位置，那么测量出3颗卫星与接收机之间的距离，就可求得地面接收机的三维坐标。在实际的卫星定位系统中，天上的卫星将其轨道数据（也就是星历）发送给地面接收机，从而让接收机可以计算出卫星的实时位置坐标。同时，接收机测量卫星信号传输到地面的时间，乘以无线电波的传输速度，即可求得卫星至接收机的距离。但是由于接收机的时钟与卫星上的标准时钟存在误差，所以把这个误差作为第4个未知数带入方程，利用4颗卫星的数据，求解4个方程，即可求得地面接收机的三维坐标以及时钟误差。
这种定位方式称为单点定位，其精度主要取决于两个方面：一是观测精度，二是所观测卫星的空间几何分布。GPS在全球覆盖率高达98%，定位精度在10-20米左右。北斗系统目前虽然覆盖率尚不如GPS，但是针对中国及其周边地区做了加强，所以在中国境内也可以达到与GPS相近的定位精度。
然而10米的定位精度对于一些需要高精度定位的应用，如汽车导航、无人驾驶、精准农业、无人机等，难以满足使用需求。为得到更高的定位精度，发展出了差分定位技术。其主要思想是通过一个或者多个安装于已知位置点上的接收机作为基准站接收机，通过对基准站接收机的定位数据以及已知精确的定位信息进行分析，然后将差分数据发送给移动站接收机，移动站接收机根据接收到的差分数据信息独立解算出相应的精确定位信息，以提高移动站接收机的定位精度。目前国内也有第三方差分数据供应商建立起覆盖全国的差分基准站，然后以收费服务的形式，通过3G/4G等移动无线网络或者Internet将差分数据发送给客户。这样用户无需建立自己的基准站，亦可实现差分定位。
采用这种差分定位方式，需要每个移动站接收机都具有差分数据接收单元和差分计算单元；如果是采用第三方提供的差分数据，则每台移动站接收机都需要支付差分服务费，致使移动站接收机的成本大大增加。
发明内容
本发明针对上述差分定位方式的不足，提出一种高精度集中式差分定位方法，该方法将各独立终端的卫星定位数据发送到后台数据处理中心，由后台统一进行差分解算，从而得到每个终端的位置信息。
本发明是采取以下技术方案实现的：
高精度集中式差分定位方法，包括如下步骤，
1）由独立的各个终端接收卫星定位数据，并通过无线方式将该卫星定位数据发送到后台数据处理中心；
2）数据处理中心通过差分基站或者第三方获得差分数据源，对多个终端的数据集中进行差分解算，得到每个终端的高精度位置信息；
3）数据处理中心将步骤（2）得到的高精度位置信息传送给后台监控系统进行显示或通过无线通讯发回步骤（1）传送卫星定位数据的各终端。
所述终端为移动站接收机。
后台数据处理中心采用计算机来进行数据差分解算。
后台监控系统具有显示屏和主机。
差分定位主要分为位置差分、伪距差分、载波相位差分等几种，可以达到米级，甚至厘米级别的实时定位精度。本发明可应用于上述差分定位方式。
通常我们使用的GPS、北斗等系统的卫星定位接收机，采用的是伪距定位原理。移动站接收机测出的接收机与卫星i间的距离P i ，满足以下方程：
式(1)
其中,
i为卫星的编号，取大于0的自然数；
P i 为伪距，也就是接收机测出的接收机到卫星i的距离；
p i 为卫星i到接收机的真实距离：
(X i , Y i , Z i )为卫星i的坐标，(X u , Y u , Z u )为用户接收机的准确坐标；
c为光速，dt u 为接收机时钟与卫星时钟之间的误差；
T和I分别为对流层延迟和电离层延迟；
为伪距噪声。
对于电离层和对流层延迟，可以使用电离层和对流层改正模型进行估算；对于伪距噪声，测量精度要求不高时可以忽略不计。
那么，式中只剩下四个未知数：移动站接收机的三维坐标（Xu, Yu, Zu）和钟差dt u 。如果能接收到4颗卫星的数据，分别代入式（1），列出4组方程，即可求解。
然而在实际应用过程中，由于卫星钟误差、星历误差、电离层模型误差、对流层模型误差、伪距噪声等的影响，这种单点定位方式的精度只能达到10米左右。
在移动站接收机与基准站接收机直线距离很近，可以通过同一组卫星进行定位的情况下，位置差分实现起来最为简单，定位精度可以得到一定程度的提高。常规位置差分，即利用一个已知精确坐标为（x r ，y r ，z r ）的基准站，该基准站利用上述单点定位方式解算得到测量坐标为(X r , Y r , Z r )，由于存在前述各种误差，基准站位置坐标的精确值与测量值之间存在差异，两者之间的差值即作为该基准站的位置坐标改正数：
；
同时可求得坐标改正数的变化率：
；
在满足位置差分应用条件的情况下，移动站的位置坐标改正数和改正数变化率可以参照基准站的相应数据，由基准站将坐标改正数（ΔXr，ΔYr，ΔZr）和改正数变化率（dΔXr，dΔYr，dΔZr）发送给移动站接收机，移动站据此可得修正后的位置坐标（x u ，y u ，z u ）：
；
其中，(t - t 0 )是移动站定位时间t与差分数据有效时间t 0 的差值。
在无法满足位置差分应用条件的情况下，可以直接利用伪距这一测量值，对其进行差分运算，以提高接收机的定位精度。
伪距差分，同样基于一个已知精确坐标为(X r , Y r , Z r )的基准站，根据卫星星历求得卫星i到基准站之间的真实距离r i ：
由于前述各种因素的影响，卫星i到基准站之间的真实距离r i 与基准站接收机测得的伪距R i 也存在着误差，两者之差就是伪距改正数ΔR i ：
同时可求得改正数的变化率：
在移动站与基准站相距不远的情况下，对于同一颗卫星，移动站的伪距改正数和改正数变化率可以参照基准站的相应数据。
移动站接收机据此求出修正后的伪距：
最后利用改正后的伪距P icor 解算出接收机的位置坐标。
在常规的伪距差分定位系统中，基准站将伪距改正数ΔR i 和伪距改正数变化率dR i 发送给移动站接收机，由移动站接收机据根据修正后的伪距计算出其准确位置。
除了伪距之外，移动站接收机从北斗、GPS等卫星信号中获取的另一个基本测量值为载波相位，利用载波相位进行差分运算可以实现精密定位。
考虑接收机钟差、卫星钟差以及各类延时等误差因素，移动站接收机的载波相位测量值Φ可由以下观测方程表示：
式（2）
其中，
λ为载波波长；
r为卫星与接收机之间的几何距离；
为接收机钟差；
为卫星钟差；
N为整周模糊度；
为接收机载波相位测量噪声。
基于载波相位测量值的精密相对定位，作为差分定位的一种形式，基准站向移动站直接播发其载波相位测量值，从而实现实时动态差分技术。
假定卫星信号全被持续锁定，各整周模糊度相应保持不变，首先考虑两个相距不远的移动站接收机u与基准站接收机r在单个时刻跟踪一颗编号为i的卫星，参照式（2），移动接收机u、基准站接收机r对卫星i的载波相位测量值、可分别表示为：
式（3）
式（4）
由此可得移动站接收机u和基准站接收机r之间对卫星i的单差载波相位测量值：
式（5）
其中，
；
；
；
；
；
；
由于移动站与基准站相距不远，单差电离层延时约等于零，而当两者又位于同一高度时，单差对流层延时也接近于零，故对于短基线系统来说，式（5）可简化为：
式（6）
在此基础上考虑移动接收机u和基准站接收机r在单个时刻跟踪卫星i和卫星j，参照式（6），可得移动接收机u、基准站接收机r对卫星j的单差载波相位测量值为：
式（7）
由此可得移动站接收机u和基准站接收机r之间对卫星i和卫星j的双差载波相位测量值：
式（8）
其中，
；
；
。
图18中：为移动站接收机u相对于基准站接收机r的基线向量；为移动站接收机u与基准站接收机r到卫星i的单差几何距离；为基准站接收机r对卫星i观测方向的单位向量；为移动站接收机u对卫星i的载波相位测量值；为基准站接收机r对卫星i的载波相位测量值。
如图18所示，考虑到精密定位的目标是求解基线向量，进而得到移动站的位置坐标。对于短基线系统而言，卫星离基准站和移动站的距离远远大于基线长度，使得在移动站和基准站对同一颗卫星的观测向量可视为相互平行，故向量移动站接收机u与基准站接收机r到卫星i的单差几何距离，可看作为移动站到基准站的基线向量在基准站对卫星i观测方向上投影的相反数，即
式（9）
参照式（9），式（8）可变形为：
式（10）
假设移动站接收机u与基准站接收机r同时对M颗卫星有测量值，即存在（M-1）个相互独立的双差载波相位测量值、、…、，参照式（10），省略双差测量噪声，上述（M-1）个双差测量值可表示为：
式（11）
在确定上述矩阵方程中各双差整周模糊度后，即可求解出基线向量，从而实现精密相对定位。
本发明方法的不同之处在于，本发明不是由基准站把伪距改正数ΔR i 和伪距改正数变化率dR i 发送给移动站接收机，而是由移动站接收机将其观测到的未经修正过的伪距P i 发送给数据处理中心，由数据处理中心根据基准站发来的伪距改正数ΔR i 和伪距改正数变化率dR i ，对移动站接收机发来的P i 进行修正，求得改正后的伪距P icor ，并进一步解算出移动站接收机的精确坐标；本发明应用于位置差分定位系统时，由移动站接收机将其观测到的未经修正过的坐标（Xu, Yu, Zu）发送给数据处理中心，由数据处理中心根据基准站发来的坐标改正数（ΔXr,ΔYr,ΔZr）和坐标改正数变化率（dΔXr, dΔYr,dΔZr），对移动站接收机发来的坐标信息进行修正，求得修正后的精确坐标数据；本发明应用于基于载波相位测量值的精密相对定位系统时，由移动站接收机将其观测到的未经修正过的载波相位测量值发送给数据处理中心，由数据处理中心根据基准站播发的载波相位测量值，对两者依次进行单差和双差载波相位运算，通过搜索方式求解得到整周模糊度，进而解算出基线向量，从而实现精密相对定位。
本发明方法由于不需要在每个终端设备上做差分运算，降低了终端设备的硬件成本。另外即使是采用第三方提供的差分数据，因为只有后台需要使用差分数据，也大大降低了差分服务费。此方法特别适用于针对大批量设备的高精度监控。只需在现有监控系统的基础上做少量修改，即可显著提高每台被监控设备的定位精度。
附图说明
图1是单点定位方式的示意图；
图2是常规差分定位方式的示意图；
图3是本发明方法的集中式差分定位方法的示意图；
图4是具体实施例中所使用的ASM2000模块的内部结构图；
图5是具体实施例中移动站接收机的测试电路图（PDF文件）；
图6是具体实施例中移动站接收机的实物结构图；
图7是具体实施例的整体测试方案架构示意图；
图8~图17分别表示在某市内选取的10个测试地点采集的单点定位数据与对应的集中式差分方法解算得到的位置信息数据的对比分析结果；
图18是本发明具体实施例的载波相位测量值单差示意图。
图6中：1、北斗卡，2、ASM2000模块，3、发射天线，4、接收天线。
具体实施方式
参照附图1，卫星定位系统由多颗卫星组成，如果已知天上卫星的位置，那么测量出3颗卫星与接收机之间的距离，就可求得地面接收机的三维坐标。在实际的卫星定位系统中，天上的卫星将其轨道数据（也就是星历）发送给地面接收机，从而让接收机可以计算出卫星的实时位置坐标。同时，接收机测量卫星信号传输到地面的时间，乘以无线电波的传输速度，即可求得卫星至接收机的距离。但是由于接收机的时钟与卫星上的标准时钟存在误差，所以把这个误差作为第4个未知数带入方程，利用4颗卫星的数据，求解4个方程，即可求得地面接收机的三维坐标以及时钟误差。
参照附图2，常规差分定位方式是通过一个或者多个安装于已知位置点上的接收机作为基准站接收机，通过对基准站接收机的定位数据以及已知精确的定位信息进行分析，然后将差分数据发送给移动站接收机，移动站接收机根据接收到的差分数据信息独立解算出相应的精确定位信息，以提高移动站接收机的定位精度。
参照附图3，一种高精度集中式差分定位方法，各个移动站接收机在接收到卫星定位数据以后，通过无线方式把数据发送到后台数据处理中心；数据处理中心通过差分基站或者第三方获得差分数据源，对多个移动站接收机的数据集中进行差分解算，从而得到每个移动站接收机的高精度位置信息。
数据处理中心计算获得的高精度位置信息可以在后台监控系统上直接进行显示，亦可通过无线通讯再发送回各个移动站接收机。因为不需要在每个移动站接收机上做差分运算，降低了移动站接收机的硬件成本。另外如果是采用第三方提供的差分数据，因为只有后台需要使用差分数据，也大大降低了差分服务费。
此方法特别适用于针对大批量设备的高精度监控。只需在现有监控系统的基础上做少量修改，即可实现差分定位，显著提高每台被监控设备的定位精度。
下面将通过具体实施例和实验来说明本发明方法的可行性和创造性。
1、搭建测试环境；
建立以市售的ASM2000模块为核心的终端，即移动站接收机，其电路图如图5所示；
所述ASM2000一键单发定位通信模块是具有GPS/北斗双模定位以及北斗短报文传输功能的专用模块，其内部结构如图4所示。ASM2000模块可以直接输出单点定位结果，亦可提供伪距和定位时间等数据，同时还具备北斗短报文传输功能。这样无需其它额外电路，即可把这些数据全部通过北斗短报文发送给后台的数据处理中心。移动站接收机的实物结构简图如图6所示，移动站接收机具有壳体，在壳体内装有电路板；北斗卡1插装在壳体上的卡槽中，用于存储后台数据处理中心接收方ID和通讯内容；ASM2000模块2设置在移动站接收机内的电路板上，北斗卡1经卡槽与ASM2000模块2通过导线相连接实现通信；发射天线3和接收天线4贴装于移动站接收机内的电路板上，分别通过射频线缆与ASM2000模块向连接，分别用于发送和接收卫星定位信号。
2、确定测试方案；
整体测试方案如图7所示。数据处理中心内装备有W135北斗短报文通讯终端和计算机，并通过Internet获取千寻精准位置服务公司的差分数据服务。北斗短报文通讯终端接收到移动站发来的数据以后，将其传给计算机；计算机一方面记录下移动站发来的单点定位数据，同时还从千寻获得相应的差分数据，结合移动站发来的定位数据，经过差分解算，求得移动站的差分定位数据。
3、具体测试；
将移动站接收机布局到位，本实施例中，将建立10个移动站接收机，分别放置在某市10个测试地点。在每个测试地点向后台数据处理中心发送十组定位数据，数据处理中心的计算机记录下每个移动站的单点定位数据，并通过差分解算，得到每个移动站的差分定位数据，最后对全部单点定位和差分定位数据进行对比分析。
4、对比分析；
图8~图17分别表示在10个测试地点采集的单点定位数据与对应的集中式差分方法解算得到的位置信息数据的对比分析结果。
为便于进行数据分析和展示，将位置信息数据由WGS-84坐标系转换为由高斯-克吕格(Gauss-Kruger)平面坐标系表示。图中圆点（·）为单点定位方式下采集的位置信息数据，叉号（X）为经集中式差分定位方法解算出的位置信息数据；虚线圆圈为单点定位方式下的CEP50定位精度，实线圆圈为集中式差分定位方式下的CEP50定位精度。为便于对照，图中用点划线标识出CEP50定位精度为10m的区域，双点划线标识出CEP50定位精度为3m的区域。
5、测试结果分析；
下表为各测试点的定位精度对比表
通过对上述测试数据的对比分析，采用单点定位方法定位精度最高为6m（CEP50），最低为 15m（CEP50）；采用集中式差分定位方法定位精度最高达到 2m（CEP50），最低为 4m（CEP50）。实测数据显示采用集中式差分定位方法的定位精度较单点定位有显著提高。
Claims (8)
1.高精度集中式差分定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）由独立的各个终端接收卫星定位数据，并通过无线方式将该卫星定位数据发送到后台数据处理中心；
2）数据处理中心通过差分基站或者第三方获得差分数据源，对多个终端的数据集中进行差分解算，得到每个终端的高精度位置信息；
3）数据处理中心将步骤（2）得到的高精度位置信息传送给后台监控系统进行显示或通过无线通讯发回步骤（1）传送卫星定位数据的各终端。
2.根据权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法，其特征在于：所述终端为移动站接收机。
3.根据权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法，其特征在于：后台数据处理中心采用计算机来进行数据差分解算。
4.根据权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法，其特征在于：后台监控系统具有显示屏和主机。
5.根据权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法，其特征在于：所述步骤（2）中，由终端将其观测到的未经修正过的伪距P i 发送给后台数据处理中心，由后台数据处理中心根据基准站发来的伪距改正数ΔR i 和改正数的变化率dR i ，对终端发来的P i 进行修正，求得改正后的伪距P icor ，并进一步解算出终端的精确坐标。
6.根据权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法，其特征在于：本方法应用于位置差分定位系统时，由移动站接收机将其观测到的未经修正过的坐标发送给数据处理中心，由数据处理中心根据基准站发来的坐标改正数和坐标改正数变化率，对移动站接收机发来的坐标信息进行修正，求得修正后的精确坐标数据。
7.根据权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法，其特征在于：本方法应用于基于载波相位测量值的精密相对定位系统时，由移动站接收机将其观测到的未经修正过的载波相位测量值发送给数据处理中心，由数据处理中心根据基准站播发的载波相位测量值，对两者依次进行单差和双差载波相位运算，通过搜索方式求解得到整周模糊度，进而解算出基线向量，从而实现精密相对定位。
8.一种用于权利要求1所述的高精度集中式差分定位方法的移动站接收机，其特征在于：移动站接收机具有壳体，在壳体内装有电路板；北斗卡插装在壳体上的卡槽中，用于存储后台数据处理中心接收方ID和通讯内容；ASM2000模块设置在移动站接收机内的电路板上，北斗卡经卡槽与ASM2000模块通过导线相连接实现通信；发射天线和接收天线贴装于移动站接收机内的电路板上，分别通过射频线缆与ASM2000模块向连接，分别用于发送和接收卫星定位信号。
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