CN110988938B - 一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统及方法，该系统包括控制总平台、云解算分平台和站点，云解算分平台连接有多个站点，云解算分平台和站点组成云分区，控制总平台连接有多个云分区；所述的站点包含用户站、流动采集站两种工作模式，不需要具备定位解算功能；所述的云解算分平台具备监测和定位解算功能；本发明流动采集站不需要具备定位解算功能，只需完成数据采集和传输，将观测数据发送到云解算平台，实现定位解算，能够极大程度地降低站点定位终端的运算压力和功耗，增大定位终端的使用寿命。

Description

一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统及方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统及方法。

背景技术

在卫星导航技术快速发展、竞争日益剧烈的背景下，卫星导航系统性能问题逐渐引起广泛关注，卫星导航系统性能直接影响其操作、服务水平。卫星导航监测评估的主要目标是通过建立导航卫星全弧段、多重覆盖的全球近实时跟踪网，以及具备数据采集、存储、分析、管理、发布等功能的信息服务平台，对全球卫星导航系统运行状况和主要性能指标进行监测和评估，实现星座可用性监测、空间信号质量监测评估、导航信息监测评估和导航服务性能监测评估，并生成各类监测评估产品，向用户提供卫星导航观测资料以及各类数据产品，支持卫星导航技术试验、监测评估、大地测量、科学研究和各类应用。现有卫星导航监测站及评估系统主要有如下几类：一是卫星导航内部运控系统的监测站，二是由国际协作组织建设的国际卫星导航服务(IGS)，三是由中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心建设的卫星导航监测评估系统(iGMAS)等，四是行业用户根据自身需求自建的监测系统。

然而，对于不断增长的海量卫星导航用户来说，最具时效性和实用价值的卫星导航监测信息主要为强时空关联度的观测数据质量信息，即任意时刻任意地点的卫星导航观测数据的可用性信息，观测数据包括伪距观测量、载波相位观测量和导航电文，是用户使用卫星导航实现定位导航的基础和关键。现有卫星导航监测评估系统仍存在以下局限性：(1)主要用于监测卫星导航系统总体运行状况，不适用于针对海量用户的观测数据灵活应用场景；(2)采集站网络覆盖范围有限，其观测环境与用户观测环境的空间关联度较低，若依照现有方案需建设大量采集站才能扩大监测覆盖范围，维护成本高；(3)现有监测需要处理的数据量大、种类多，处理压力和传输压力大。因此存在一定的传输延迟和处理延迟，其评估结果无法及时直接地接入用户供用户使用，大多监测评估服务及产品需要从网站下载，用于事后解算对比分析，观测数据产品的时间关联度低。

监测系统主要由站点和监测平台两大部分组成，站点(即用户接收机)部署于不同的地区组成采集站网络，主要完成卫星导航的信号接收和测量、原始观测数据的采集，部分采集站具备一定的数据分析和监测能力；监测平台接收采集站发送的数据，开展数据质量分析，实现星座可用性监测、空间信号质量监测评估、导航信息监测评估和导航服务性能监测评估，然后面向各类用户发布产品及服务。在上述条件下，要获取任意时空条件下的卫星导航观测大数据，需要海量的卫星导航站点(用户接收机)，而接收机的定位解算能力是影响功耗的重要因素，是制约卫星导航接收机的长时间、大规模应用的关键因素。因此，设计一种低功耗的卫星导航采集系统十分有必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统及方法。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统，包括控制总平台、云解算分平台和站点，云解算分平台连接有多个站点，云解算分平台和站点组成云分区，控制总平台连接有多个云分区；所述的站点包含用户站、流动采集站两种工作模式，不需要具备定位解算功能；所述的云解算分平台具备监测和定位解算功能；

所述控制总平台用于接收站点的地理位置信息，以此为依据向站点分配所属的云解算分平台，站点在移动切换至其它区域后，根据站点的地理位置和云解算分平台的处理压力，选择最优的云解算分平台，以降低观测数据传输延迟和处理延迟，增强观测数据监测信息产品的时空关联度，提升用户体验；

所述云解算分平台用于接收管辖的云分区范围内流动采集站上传的时空观测数据等信息；根据流动采集站云定位解算申请，利用其上传的观测数据在云解算分平台完成流动采集站的定位解算，并将定位解算结果传回给流动采集站；用于对流动采集站上传的观测数据进行处理与分析，包含数据维度的构建与划分，生成时空观测大数据的监测信息，并向下属站点播发卫星导航时空观测大数据的监测信息；用于对用户站提交的流动采集站工作模式切换申请进行审核，下发模式切换执行，并根据审核策略对流动采集站进行定期检验，若判断该流动采集站不再满足采集站要求，则将其切换回用户站模式；

所述用户站根据云解算分平台播发的卫星导航时空观测大数据的质量监测信息，剔除异常数据，提高观测数据质量，优化解算效率和定位精度，增强定位可靠度；站点接入网络系统后，默认初始模式为用户站模式，用户站可申请切换为流动采集站工作模式，申请通过可执行流动采集站功能；

所述流动采集站由用户站通过模式切换而来，实现卫星导航数据采集功能，不需要具备定位解算功能，只需上传自身的卫星导航观测数据至云解算分平台，并通过云解算分平台得到定位解算信息。

本发明还提供一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，包括以下步骤：

S1.站点接入系统后，初始默认工作模式为用户站模式，并将定位结果通过通信网络发送至控制总平台；

S2.依据跨区域匹配策略，控制总平台根据用户站位置向用户站首次分配所属的云解算分平台，即用户站与云解算分平台进行最优匹配，从属于该云解算分平台管辖的云分区；

S3.云解算分平台向其管辖的云分区内的下属站点播发卫星导航时空观测大数据监测信息产品；

S4.用户站若希望切换为流动采集站的工作模式，则向该云分区的云解算分平台提交申请，云解算分平台收到用户站的申请后，通过基础信息的完整性和真实性审查，判断该用户站能否成为流动采集站；

S5.当用户站切换为流动采集站工作模式之后，执行流动采集站功能，向云解算分平台实时传送卫星导航观测数据；

S6.基于云解算分平台的定位解算功能，流动采集站可向云解算分平台提交云解算申请，云解算分平台完成其定位解算后，将其定位结果传回至该流动采集站；

S7.云解算分平台根据数据维度划分策略，将其管辖的云分区内的流动采集站上传的观测数据，按照时空信息、类型信息进行维度划分，与其他流动采集站的数据汇总后，供云解算分平台进行处理分析，生成该云分区的时空观测大数据监测信息产品，并播发给云分区内的所有站点；

S8.云解算分平台对该云分区的流动采集站进行定期检验，通过数据可信度判断本流动采集站是否能继续维持采集站工作模式；

S9.控制总平台定期更新云解算分平台下属云分区的站点信息。

步骤S2中，所述的跨区域匹配策略，具体方案为：

每个云解算分平台管理一个云分区，因此其管理区域的划分是决定站点归属的关键，控制总平台根据站点地理位置及云解算分平台处理压力联合判定，为站点分配最优的云解算分平台，控制总平台下属共n个云解算分平台，其序号i＝1，2，…n，则分配给用户站u所属的云解算分平台为：

γ＝{满足ΔD_i＜DS的云解算分平台的集合}

式中：

i_u表示用户站u所属的云解算分平台序号；

表示在i∈γ条件下，m_i为最小值时i的取值；

m_i表示第i个云解算分平台下属所有站点(包含用户站和流动采集站)的总数量；

为该站点到第i个云解算分平台的距离，该站点位置为(X_u，Y_u，Z_u)，第i个云解算分平台的位置为(X_i，Y_i，Z_i，)；

DS表示用户站与云解算分平台之间的距离阈值；DS的取值决定了云解算分平台与站点的匹配程度，DS取值过大会使得站点的卫星导航服务环境与云解算分平台关联度降低，且传输延迟增大，DS取值过小可能导致不存在与当前用户站配对的云解算分平台。

云解算分平台会定期将下属站点的位置信息上报至控制总平台，控制总平台根据站点的位置信息，判断站点是否已经已移动越区至其它云解算分平台的管理区域，如果发生偏离，则更新站点所属的云解算分平台，并且告知当前云解算分平台，将该站点从其站点集合中删除信息，并将信息添加越区后的云解算分平台。

步骤S4中，所述的基础信息包括但不限于接收机类型、型号、生产厂家、位置信息。

步骤S4中，所述的判断该用户站能否成为流动采集站，具体策略为：

若该用户站通过审核成为流动采集站，则云解算分平台下发模式切换指令，将该用户站切换为流动采集站工作模式；

若未通过审核，比如信息不全，则继续保持为用户站工作模式，完善申请信息后可提交下一次审核申请。

步骤S6中，所述流动采集站只需向云解算分平台发送云解算申请和对应的观测数据，即可在云解算分平台完成对该流动采集站的定位解算，以此实现低功耗的长时间、大规模应用，具体流程如下：

(1)申请云解算的流动采集站不需要具备定位解算功能，只需完成数据采集和传输，包括射频信号的接收、放大、下变频、A/D变换(模数转换)，然后将生成的观测数据通过现有通信链路传给云解算分平台；

(2)云解算分平台接收流动采集站云解算申请和观测数据；

(3)云解算分平台首先根据流动采集站的伪距信息得到流动采集站的粗定位结果；

(4)云解算分平台根据流动采集站的粗定位结果选取其所在区域的卫星导航时空观测大数据质量信息作为解算参考，去除有问题或者误差较大的观测信号，提高该流动采集站的观测数据质量，优化解算效率和定位精度，再利用观测数据实现该流动采集站的可靠定位；

(5)若待解算的流动采集站所在区域有具备高精度定位能力的流动采集站，则利用高精度流动采集站的高精度定位位置和观测数据，以及待解算的流动采集站的观测数据，通过相对定位完成该流动采集站的高精度定位，随后，可再向其他申请云解算的流动采集站提供服务，形成优化卫星导航定位的生态服务；

(6)云解算分平台将定位结果发送给相应的流动采集站，结束云定位解算流程。

步骤S8中，所述的判断本流动采集站是能否继续维持采集站工作模式，具体策略为：

若本流动采集站通过检验，则继续保持采集站工作模式；

若未通过检验，则流动采集站模式切换为用户站工作模式，仅执行用户站功能，可在修正后提交下一次流动采集站工作模式切换申请。

所述的流动采集站模式切换为用户站模式，具体策略为：

云解算分平台通过定期判断流动采集站上传的观测数据可信度，来决定流动采集站是否可维持此工作模式，观测数据可信度是指流动采集站上传给云解算分平台的观测数据为客观真实数据的度量，观测数据包含导航电文、伪距、载波相位，不同的流动采集站上传的同一时间和同一空间的观测数据应满足一定规律，其中，伪距观测量和载波相位观测量应在一定的数值区间内，导航电文内容应一致。因此可通过对比检验不同流动采集站上传的同一时空观测数据，来判断某一流动采集站上传的数据是否客观真实。

进一步，针对导航电文这类非数值型观测数据，通过对比不同流动采集站上传导航电文的一致性来判定其可信度，实现步骤如下：

1)统计某一时空(同一时间和同一空间)共n个流动采集站上传的导航电文，记为{M₁，M₂，...，M_i，...，M_n}；

2)针对某一流动采集站i上传的导航电文M_i，将其与同一时空其余电文进行两两比对，按位进行异或运算，若异或值为1则表示不一致，统计与M_i一致的导航电文数量记为m；

3)将可信度阈值设置为θ(可取θ＝0.9)，若m/(n-1)≥θ，则认为流动采集站i上传的导航电文M_i可信度不小于θ，该导航电文内容客观真实，否则将该流动采集站上传的导航电文状态标记为异常。

进一步，针对伪距观测量和载波相位观测量这类数值型观测数据，通过计算数值是否在合理区间来判断其是否可信，实现步骤如下：

a)设某一时空共n个流动采集站，首先针对某个流动采集站i(i＝1,2…n)接收到所有卫星所有频点计算其伪距观测量有效值(即所有卫星所有频点的伪距观测量的均方根值)C_i，以及载波观测量的有效值P_i；

b)统计n个流动采集站的伪距观测量{C₁，C₂，...，C_i，...，C_n}的均值u(C)和标准差σ(C)，以及载波相位观测量{P₁，P₂，...，P_i，...，P_n}的均值u(P)和标准差σ(P)：

c)统计这组伪距观测量{C₁，C₂，...，C_i，...，C_n}，计算其合理取值的上下限T_C和B_C，T_C＝x_C+1.5(x_C-y_C)，B_C＝x_C+1.5(x_C-y_C)，其中x_C表示某一伪距观测量且有1/4的伪距观测量大于这一观测量，y_C表示某一伪距观测量且有1/4的伪距观测量小于这一观测量；同理得到载波相位观测量{P₁，P₂，...，P_i，...，P_n}的T_P和B_P；

d)若流动采集站i的伪距观测量满足：

{|C_i-u(C)|＞3σ(C)}＆＆{C_i∈(-∞，B_C)∪(T_C，+∞)}，则认为该流动采集站的伪距观测量不在合理区间内即为不可信数据，将其状态标记为异常；

同理，若流动采集站i的载波相位观测量满足：

{|P_i-u(P)|＞3σ(P)}＆＆{P_i∈(-∞，B_C)∪(T_C，+∞)}，则认为其载波相位观测量不可信，将其状态标记为异常。

综上，云解算分平台定期(比如每60min)对流动采集站的数据进行一次检验，若通过计算，伪距观测量、载波相位观测量、导航电文中只要一项为被标记为异常数据，则云解算分平台提高对相应采集站上传数据的检验频度(比如10min一次)，若异常数据维持时间超过阈值t(可取60min)，则认为该流动采集站上传观测数据不可信，不再采用该流动采集站观测数据并通知该流动采集站，流动采集站可在规定时限内(比如2天)进行解释或调整，否则将其切换为用户站模式。

步骤S9中，所述的控制总平台定期更新站点信息，具体为：

云解算分平台将下属用户站、流动采集站定位信息上报至控制总平台，控制控平台根据站点的地理位置信息，判断用户站或流动采集站是否已经移动越区至其他云解算分平台的云分区，若已发生偏移，则更新该站点所属的云解算分平台信息，将该站点从当前云解算分平台下属站点集合中删除，然后添加至越区后的云解算分平台下属站点集合中，该用户站或流动采集站更新自身所属云解算分平台信息。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

(1)本发明提供一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集站方法，基于云解算模式，以及用户站归属云解算分平台的分配策略、用户站-流动采集站可动态切换的模式和观测的维度划分策略，申请云解算的流动采集站可将观测数据发送到云解算分平台，在云解算分平台实现定位解算并通过卫星导航时空观测大数据的质量监测信息优化解算效率和定位可靠度，若同一区域有具备高精度定位能力的其他流动采集站，则可通过相对定位完成申请云解算的流动采集站的高精度定位，此外，站点在移动切换至其它区域后，根据站点的地理位置和云解算分平台的处理压力，选择最优的云解算分平台，尽可能地降低观测数据传输延迟和处理延迟，增强观测数据监测信息产品的时空关联度，提升用户体验。

(2)本发明站点定位终端不需要具备定位解算功能，只需完成数据采集和传输，包括射频信号的接收、放大、下变频、A/D变换(模数转换)，然后将生成的观测数据通过现有通信链路传给云解算平台，能够极大程度地降低站点定位终端的运算压力和功耗，增大定位终端的使用寿命，非常适用于低功耗卫星导航采集站的长时间、大规模推广应用。

附图说明

图1为跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的原理示意图。

图2为用户站-流动采集站的运行流程图。

图3为云解算分平台的运行流程图。

图4为控制总平台运行流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：

图1为本实施例中跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的原理示意图，该系统包括包括控制总平台、云解算分平台和站点，云解算分平台连接有多个站点，云解算分平台和站点组成云分区，控制总平台连接有多个云分区；所述的站点包含用户站、流动采集站两种工作模式，不需要具备定位解算功能；所述的云解算分平台具备监测和定位解算功能；

控制总平台：本方案需要一个控制总共平台，下属多个云解算分平台，用于接收站点的地理位置信息，以此为依据向站点分配所属的云解算分平台，站点在移动切换至其它区域后，根据站点的地理位置和云解算分平台的处理压力，选择最优的云解算分平台，以降低观测数据传输延迟和处理延迟，增强观测数据监测信息产品的时空关联度，提升用户体验；

云解算分平台：本方案需要多个云解算分平台，每个云解算分平台下属多个站点，根据下属站点位置划分各个云解算分平台的管理区域，称为云分区，

云解算分平台的功能如下：用于接收管辖的云分区范围内流动采集站上传的时空观测数据等信息；根据流动采集站云定位解算申请，利用其上传的观测数据在云解算分平台完成流动采集站的定位解算，并将定位解算结果传回给流动采集站；用于对流动采集站上传的观测数据进行处理与分析，包含数据维度的构建与划分，生成时空观测大数据的监测信息，并向下属站点播发卫星导航时空观测大数据的监测信息；用于对用户站提交的流动采集站工作模式切换申请进行审核，下发模式切换执行，并根据审核策略对流动采集站进行定期检验，若判断该流动采集站不再满足采集站要求，则将其切换回用户站模式；

用户站：根据云解算分平台播发的卫星导航时空观测大数据的质量监测信息，剔除异常数据，提高观测数据质量，优化解算效率和定位精度，增强定位可靠度；站点接入网络系统后，默认初始模式为用户站模式，用户站可申请切换为流动采集站工作模式，申请通过可执行流动采集站功能；

流动采集站：由用户站通过模式切换而来，实现卫星导航数据采集功能，不需要具备定位解算功能，只需上传自身的卫星导航观测数据至云解算分平台，并通过云解算分平台得到定位解算信息。

本实施例还提供一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，包括以下步骤：

步骤1：站点接入本方案监测系统后，初始默认工作模式为用户站模式，并将定位结果通过通信网络发送至控制总平台；

步骤2：控制总平台根据用户站位置向用户站首次分配所属的云解算分平台，即用户站与云解算分平台进行最优匹配，从属于该云解算分平台管辖的云分区；

步骤3：云解算分平台向其管辖的云分区内的下属站点播发卫星导航时空观测大数据监测信息产品；

步骤4：用户站若希望切换为流动采集站的工作模式，则向该云分区的云解算分平台提交审核申请，云解算分平台收到用户站的申请后，通过基础信息(包括但不限于接收机类型、型号、生产厂家、位置信息)的完整性和真实性审查，判断该用户站否能成为流动采集站；

经判断，若该用户站通过审核成为流动采集站，则云解算分平台下发模式切换指令，将该用户站切换为流动采集站工作模式；若未通过审核(比如信息不全)则继续保持为用户站工作模式，完善申请信息后可提交下一次审核申请；

S5.当用户站切换为流动采集站工作模式之后，执行流动采集站功能，向云解算分平台实时传送卫星导航观测数据；

S6.基于云解算分平台的定位解算功能，流动采集站可向云解算分平台提交云解算申请，云解算分平台完成其定位解算后，将其定位结果传回至该流动采集站；

S7.云解算分平台根据数据维度划分策略，将其管辖的云分区内的流动采集站上传的观测数据，按照时空信息、类型信息进行维度划分，与其他流动采集站的数据汇总后，供云解算分平台进行处理分析，生成该云分区的时空观测大数据监测信息产品，并播发给云分区内的所有站点；

S8.云解算分平台对该云分区的流动采集站进行定期检验，通过数据可信度判断本流动采集站是否能继续维持采集站工作模式；

经判断，若本流动采集站通过检验，则继续保持采集站工作模式，若未通过检验，则切换为用户站工作模式，仅执行用户站功能，可在修正后提交下一次流动采集站工作模式切换申请；

S9.控制总平台定期更新云解算分平台下属云分区的站点信息：

云解算分平台将下属用户站、流动采集站定位信息上报至控制总平台，控制控平台根据站点的地理位置信息，判断用户站或流动采集站是否已经移动越区至其他云解算分平台的云分区，若已发生偏移，则更新该站点所属的云解算分平台信息。将该站点从当前云解算分平台下属站点集合中删除，然后添加至越区后的云解算分平台下属站点集合中，该用户站或流动采集站更新自身所属云解算分平台信息。

其中，跨区域匹配策略的具体方案为：

每个云解算分平台管理一个云分区，因此其管理区域的划分是决定站点归属的关键，控制总平台根据站点地理位置及云解算分平台处理压力联合判定，为站点分配最优的云解算分平台，控制总平台下属共n个云解算分平台，其序号i＝1，2，…n，则分配给用户站u所属的云解算分平台为：

γ＝{满足ΔD_i＜DS的云解算分平台的集合}

式中：

i_u表示用户站u所属的云解算分平台序号；

表示在i∈γ条件下，m_i为最小值时i的取值；

m_i表示第i个云解算分平台下属所有站点(包含用户站和流动采集站)的总数量；

为该站点到第i个云解算分平台的距离，该站点位置为(X_u，Y_u，Z_u)，第i个云解算分平台的位置为(X_i，Y_i，Z_i，)；

DS表示用户站与云解算分平台之间的距离阈值；DS的取值决定了云解算分平台与站点的匹配程度，DS取值过大会使得站点的卫星导航服务环境与云解算分平台关联度降低，且传输延迟增大，DS取值过小可能导致不存在与当前用户站配对的云解算分平台。在实际操作过程中，可首先将DS设置为100km，若发现有云解算分平台，则配对，若没有发现可以配对的参考站，再将DS增加50km，直到发现有配对的云解算分平台为止，其中DS最多累加到500km。

云解算分平台会定期将下属站点的位置信息上报至控制总平台，控制总平台根据站点的位置信息，判断站点是否已经已移动越区至其它云解算分平台的管理区域，如果发生偏离，则更新站点所属的云解算分平台，并且告知当前云解算分平台，将该站点从其站点集合中删除信息，并将信息添加越区后的云解算分平台。

其中，流动采集站的模式切换策略的具体方案为：

接入本方案的站点至少需具备用户站模式，具备接收云解算分平台播发的监测信息功能，不具备观测数据采集上传功能；

若希望成为流动采集站，则需同时具备两种工作模式：一是普通的用户站模式，二是流动采集站工作模式，不仅具备接收云解算分平台播发的监测信息功能，还具备观测数据采集上传功能。

(1)用户站模式切换为流动采集站模式

站点初始默认工作模式为用户站模式，若希望切换为即时采集模式，则需向云解算分平台提交基础信息(包括但不限于接收机类型、型号、生产厂家、位置信息)，云解算分平台对提交信息的完整性和真实性审查后，若通过审查则向该用户站发布模式切换指令，便可切换为流动采集站工作模式；

(2)流动采集站模式切换为用户站模式

云解算分平台通过定期判断流动采集站上传的观测数据可信度，来决定流动采集站是否可维持此工作模式，观测数据可信度是指流动采集站上传给云解算分平台的观测数据为客观真实数据的度量，观测数据包含导航电文、伪距、载波相位，不同的流动采集站上传的同一时间和同一空间(详见“观测数据的维度划分策略”)的观测数据应满足一定规律，其中，伪距观测量和载波相位观测量应在一定的数值区间内，导航电文内容应一致。因此可通过对比检验不同流动采集站上传的同一时空观测数据，来判断某一流动采集站上传的数据是否客观真实；

针对导航电文这类非数值型观测数据，通过对比不同流动采集站上传导航电文的一致性来判定其可信度，实现步骤如下：

1)统计某一时空(同一时间和同一空间)共n个流动采集站上传的导航电文，记为{M₁，M₂，...，M_i，...，M_n}；

2)针对某一流动采集站i上传的导航电文M_i，将其与同一时空其余电文进行两两比对，按位进行异或运算，若异或值为1则表示不一致，统计与M_i一致的导航电文数量记为m；

3)将可信度阈值设置为θ(可取θ＝0.9)，若m/(n-1)≥θ，则认为流动采集站i上传的导航电文M_i可信度不小于θ，该导航电文内容客观真实，否则将该流动采集站上传的导航电文状态标记为异常。

针对伪距观测量和载波相位观测量这类数值型观测数据，通过计算数值是否在合理区间来判断其是否可信，实现步骤如下：

a)设某一时空共n个流动采集站，首先针对某个流动采集站i(i＝1，2…n)接收到所有卫星所有频点计算其伪距观测量有效值(即所有卫星所有频点的伪距观测量的均方根值)C_i，以及载波观测量的有效值P_i；

b)统计n个流动采集站的伪距观测量{C₁，C₂，...，C_i，...，C_n}的均值u(C)和标准差σ(C)，以及载波相位观测量{P₁，P₂，...，P_i，...，P_n}的均值u(P)和标准差σ(P)：

c)统计这组伪距观测量{C₁，C₂，...，C_i，...，C_n}，计算其合理取值的上下限T_C和B_C，T_C＝x_C+1.5(x_C-y_C)，B_C＝x_C+1.5(x_C-y_C)，其中x_C表示某一伪距观测量且有1/4的伪距观测量大于这一观测量，y_C表示某一伪距观测量且有1/4的伪距观测量小于这一观测量；同理得到载波相位观测量{P₁，P₂，...，P_i，...，P_n}的T_P和B_P；

d)若流动采集站i的伪距观测量满足：

{|C_i-u(C)|＞3σ(C)}＆＆{C_i∈(-∞，B_C)∪(T_C，+∞)}，则认为该流动采集站的伪距观测量不在合理区间内即为不可信数据，将其状态标记为异常；

同理，若流动采集站i的载波相位观测量满足：

{|P_i-u(P)|＞3σ(P)}＆＆{P_i∈(-∞，B_C)∪(T_C，+∞)}，则认为其载波相位观测量不可信，将其状态标记为异常。

综上，云解算分平台定期(比如每60min)对流动采集站的数据进行一次检验，若通过计算，伪距观测量、载波相位观测量、导航电文中只要一项为被标记为异常数据，则云解算分平台提高对相应采集站上传数据的检验频度(比如10min一次)，若异常数据维持时间超过阈值t(可取60min)，则认为该流动采集站上传观测数据不可信，不再采用该流动采集站观测数据并通知该流动采集站，流动采集站可在规定时限内(比如2天)进行解释或调整，否则将其切换为用户站模式。

其中，低功耗流动采集站方法的具体方案为：

流动采集站不需要具备定位解算功能，只需向云解算分平台发送云解算申请和对应的观测数据，即可在云解算分平台完成对该流动采集站的定位解算，以此实现低功耗的长时间、大规模应用，具体流程如下：

(1)申请云解算的流动采集站不需要具备定位解算功能，只需完成数据采集和传输，包括射频信号的接收、放大、下变频、A/D变换(模数转换)，然后将生成的观测数据通过现有通信链路传给云解算分平台；

(2)云解算分平台接收流动采集站云解算申请和观测数据；

(3)云解算分平台首先根据流动采集站的伪距信息得到流动采集站的粗定位结果；

(4)云解算分平台根据流动采集站的粗定位结果选取其所在区域的卫星导航时空观测大数据质量信息作为解算参考，去除有问题或者误差较大的观测信号，提高该流动采集站的观测数据质量，优化解算效率和定位精度，再利用观测数据实现该流动采集站的可靠定位；

(5)若待解算的流动采集站所在区域有具备高精度定位能力的流动采集站，则利用高精度流动采集站的高精度定位位置和观测数据，以及待解算的流动采集站的观测数据，通过相对定位完成该流动采集站的高精度定位，随后，可再向其他申请云解算的流动采集站提供服务，形成优化卫星导航定位的生态服务；

(6)云解算分平台将定位结果发送给相应的流动采集站，结束云定位解算流程。

其中，观测数据的维度划分策略的具体方案为：

切换为流动采集站工作模式后，流动采集站向云解算分平台实时上传卫星导航观测数据等信息，云解算分平台根据观测数据的时空信息、高精度定位信息建立观测数据的三个维度，即空间维度、时间维度、精度维度，每个流动采集站采集的观测数据的基础配置信息都含有上述三个维度的信息。其中，每一个维度的最小单位由云解算分平台配置，监测信息播发给用户后，用户可在实际使用时在用户端向上修改最小单位的配置，即根据用户使用环境扩大观测数据的空间、时间、精度最小度量单位，详细方案如下：

(1)空间维度SPACE

以位置信息为依据，按照经纬高信息将地理的三维位置空间划分为x*y*z(单位：米)的网格信息，将处于同一网格空间的流动采集站上传的观测数据划分为同一空间维度，观测数据的空间维度取值标记为SPACE[Value]。云解算分平台可将网格参数x、y、z配置为10米，即空间维度的三维网格空间最小单位为5*5*10(单位：米)，云解算分平台向用户播发以该空间为最小单位的观测数据，用户在实际使用过程中，若想获取以更广覆盖范围为基准的观测数据监测信息，则可在用户端的对观测数据空间维度最小单位向上乘倍数，即把空间范围修改为5n*5m*10l(单位：米)，其中n、m、l为正整数，选择覆盖某一区域的空间，获取相应空间的观测数据监测信息。

(2)时间维度TIME

以时间信息为依据，以t(单位：秒)为基准，将时间划分长度为t的不同时间段，对于处在同一时间段的流动采集站采集的观测数据，将其划分为同一时间，流动采集站的时间维度取值标记为TIME[Value]。云解算分平台可将t配置为1秒钟，即观测数据的时间维度最小单位为1秒钟，云解算分平台向用户播发以该时间为最小单位的观测数据，用户在实际使用过程中，若想获取以更厂时间段的观测数据监测信息，则可在用户端的对观测数据时间维度最小单位向上乘倍数，即把时间范围修改为1*n，其中n为正整数，选择覆盖某一时期的时间段，获取相应时期的观测数据监测信息。

(3)类型维度ACC

以流动采集站是否具备高精度定位能力为依据，将观测数据划分为高精度观测数据类型和普通观测数据类型，分别标记为ACC[hig]和ACC[gen]。若流动采集站不具备高精度定位功能，则只需向云解算分平台上传卫星导航观测数据和解算结果，其观测数据标记为普通观测数据ACC[gen]；若即时采集具备高精度定位功能，可向云解算分平台上传卫星导航观测数据和解算结果，以及高精度位置数据，其观测数据标记为高精度观测数据ACC[hig]。

本发明流动采集站不需要具备定位解算功能，只需完成数据采集和传输，将观测数据发送到云解算平台，实现定位解算，能够极大程度地降低站点定位终端的运算压力和功耗，增大定位终端的使用寿命。

Claims (8)

1.一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.站点接入系统后，初始默认工作模式为用户站模式，并将定位结果通过通信网络发送至控制总平台；

S2.依据跨区域匹配策略，控制总平台根据用户站位置向用户站首次分配所属的云解算分平台，即用户站与云解算分平台进行最优匹配，从属于该云解算分平台管辖的云分区；

S3.云解算分平台向其管辖的云分区内的下属站点播发卫星导航时空观测大数据监测信息产品；

S4.用户站若希望切换为流动采集站的工作模式，则向该云分区的云解算分平台提交申请，云解算分平台收到用户站的申请后，通过基础信息的完整性和真实性审查，判断该用户站能否成为流动采集站；

S5.当用户站切换为流动采集站工作模式之后，执行流动采集站功能，向云解算分平台实时传送卫星导航观测数据；

S6.基于云解算分平台的定位解算功能，流动采集站可向云解算分平台提交云解算申请，云解算分平台完成其定位解算后，将其定位结果传回至该流动采集站；

S7.云解算分平台根据数据维度划分策略，将其管辖的云分区内的流动采集站上传的观测数据，按照时空信息、类型信息进行维度划分，与其他流动采集站的数据汇总后，供云解算分平台进行处理分析，生成该云分区的时空观测大数据监测信息产品，并播发给云分区内的所有站点；

S8.云解算分平台对该云分区的流动采集站进行定期检验，通过数据可信度判断本流动采集站是否能继续维持采集站工作模式；

S9.控制总平台定期更新云解算分平台下属云分区的站点信息；

具体实施时，针对导航电文这类非数值型观测数据，通过对比不同流动采集站上传导航电文的一致性来判定其可信度，实现步骤如下：

1)统计某一时空共n个流动采集站上传的导航电文，记为{M₁,M₂,...,M_i,...,M_n}；

2)针对某一流动采集站i上传的导航电文M_i，将其与同一时空其余电文进行两两比对，按位进行异或运算，若异或值为1则表示不一致，统计与M_i一致的导航电文数量记为m；

3)将可信度阈值设置为θ，若m/(n-1)≥θ，则认为流动采集站i上传的导航电文M_i可信度不小于θ，该导航电文内容客观真实，否则将该流动采集站上传的导航电文状态标记为异常；

一种跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法所构建的跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统，包括控制总平台、云解算分平台和站点，云解算分平台连接有多个站点，云解算分平台和站点组成云分区，控制总平台连接有多个云分区；所述的站点包含用户站、流动采集站两种工作模式，不需要具备定位解算功能；所述的云解算分平台具备监测和定位解算功能；

所述控制总平台用于接收站点的地理位置信息，以此为依据向站点分配所属的云解算分平台，站点在移动切换至其它区域后，根据站点的地理位置和云解算分平台的处理压力，选择最优的云解算分平台，以降低观测数据传输延迟和处理延迟，增强观测数据监测信息产品的时空关联度，提升用户体验；

所述云解算分平台用于接收管辖的云分区范围内流动采集站上传的时空观测数据等信息；根据流动采集站云定位解算申请，利用其上传的观测数据在云解算分平台完成流动采集站的定位解算，并将定位解算结果传回给流动采集站；用于对流动采集站上传的观测数据进行处理与分析，包含数据维度的构建与划分，生成时空观测大数据的监测信息，并向下属站点播发卫星导航时空观测大数据的监测信息；用于对用户站提交的流动采集站工作模式切换申请进行审核，下发模式切换执行，并根据审核策略对流动采集站进行定期检验，若判断该流动采集站不再满足采集站要求，则将其切换回用户站模式；

所述用户站根据云解算分平台播发的卫星导航时空观测大数据的质量监测信息，剔除异常数据，提高观测数据质量，优化解算效率和定位精度，增强定位可靠度；站点接入网络系统后，默认初始模式为用户站模式，用户站可申请切换为流动采集站工作模式，申请通过可执行流动采集站功能；

所述流动采集站由用户站通过模式切换而来，实现卫星导航数据采集功能，不需要具备定位解算功能，只需上传自身的卫星导航观测数据至云解算分平台，并通过云解算分平台得到定位解算信息。

2.根据权利要求1所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，步骤S2中，所述的跨区域匹配策略，具体方案为：

每个云解算分平台管理一个云分区，因此其管理区域的划分是决定站点归属的关键，控制总平台根据站点地理位置及云解算分平台处理压力联合判定，为站点分配最优的云解算分平台，控制总平台下属共n个云解算分平台，其序号i＝1,2,…n，则分配给用户站u所属的云解算分平台为：

i_u＝arg min_i∈γ(m_i),γ＝{满足ΔD_i＜DS的云解算分平台的集合}

式中：

i_u表示用户站u所属的云解算分平台序号；

arg min_i∈γ(m_i)表示在i∈γ条件下，m_i为最小值时i的取值；

m_i表示第i个云解算分平台下属所有站点的总数量；

为该站点到第i个云解算分平台的距离，该站点位置为(X_u,Y_u,Z_u)，第i个云解算分平台的位置为(X_i,Y_i,Z_i)；

DS表示用户站与云解算分平台之间的距离阈值；DS的取值决定了云解算分平台与站点的匹配程度，DS取值过大会使得站点的卫星导航服务环境与云解算分平台关联度降低，且传输延迟增大，DS取值过小可能导致不存在与当前用户站配对的云解算分平台。

3.根据权利要求2所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，步骤S4中，所述的判断该用户站能否成为流动采集站，具体策略为：

若该用户站通过审核成为流动采集站，则云解算分平台下发模式切换指令，将该用户站切换为流动采集站工作模式；

若未通过审核，比如信息不全，则继续保持为用户站工作模式，完善申请信息后可提交下一次审核申请。

4.根据权利要求3所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，步骤S6中，所述流动采集站只需向云解算分平台发送云解算申请和对应的观测数据，即可在云解算分平台完成对该流动采集站的定位解算，以此实现低功耗的长时间、大规模应用，具体流程如下：

(1)申请云解算的流动采集站不需要具备定位解算功能，只需完成数据采集和传输，包括射频信号的接收、放大、下变频、A/D变换，然后将生成的观测数据通过现有通信链路传给云解算分平台；

(2)云解算分平台接收流动采集站云解算申请和观测数据；

(3)云解算分平台首先根据流动采集站的伪距信息得到流动采集站的粗定位结果；

(4)云解算分平台根据流动采集站的粗定位结果选取其所在区域的卫星导航时空观测大数据质量信息作为解算参考，去除有问题或者误差较大的观测信号，提高该流动采集站的观测数据质量，优化解算效率和定位精度，再利用观测数据实现该流动采集站的可靠定位；

(5)若待解算的流动采集站所在区域有具备高精度定位能力的流动采集站，则利用高精度流动采集站的高精度定位位置和观测数据，以及待解算的流动采集站的观测数据，通过相对定位完成该流动采集站的高精度定位，随后，可再向其他申请云解算的流动采集站提供服务，形成优化卫星导航定位的生态服务；

(6)云解算分平台将定位结果发送给相应的流动采集站，结束云定位解算流程。

5.根据权利要求4所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，步骤S8中，所述的判断本流动采集站是能否继续维持采集站工作模式，具体策略为：

若本流动采集站通过检验，则继续保持采集站工作模式；

若未通过检验，则流动采集站模式切换为用户站工作模式，仅执行用户站功能，可在修正后提交下一次流动采集站工作模式切换申请。

6.根据权利要求5所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，所述的流动采集站模式切换为用户站模式，具体策略为：

云解算分平台通过定期判断流动采集站上传的观测数据可信度，来决定流动采集站是否可维持此工作模式，观测数据可信度是指流动采集站上传给云解算分平台的观测数据为客观真实数据的度量，观测数据包含导航电文、伪距、载波相位，不同的流动采集站上传的同一时间和同一空间的观测数据应满足一定规律，其中，伪距观测量和载波相位观测量应在一定的数值区间内，导航电文内容应一致；因此可通过对比检验不同流动采集站上传的同一时空观测数据，来判断某一流动采集站上传的数据是否客观真实。

7.根据权利要求6所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，针对伪距观测量和载波相位观测量这类数值型观测数据，通过计算数值是否在合理区间来判断其是否可信，实现步骤如下：

a)设某一时空共n个流动采集站，首先针对某个流动采集站i，i＝1,2…n，接收到所有卫星所有频点计算其伪距观测量有效值C_i，以及载波观测量的有效值P_i；

b)统计n个流动采集站的伪距观测量{C₁,C₂,...,C_i,...,C_n}的均值u(C)和标准差σ(C)，以及载波相位观测量{P₁,P₂,...,P_i,...,P_n}的均值u(P)和标准差σ(P)：

c)统计这组伪距观测量{C₁,C₂,...,C_i,...,C_n}，计算其合理取值的上下限T_C和B_C，T_C＝x_C+1.5(x_C-y_C)，B_C＝x_C+1.5(x_C-y_C)，其中x_C表示某一伪距观测量且有1/4的伪距观测量大于这一观测量，y_C表示某一伪距观测量且有1/4的伪距观测量小于这一观测量；同理得到载波相位观测量{P₁,P₂,...,P_i,...,P_n}的上下限T_P和B_P；

d)若流动采集站i的伪距观测量满足：

{|C_i-u(C)|＞3σ(C)}&&{C_i∈(-∞,B_C)∪(T_C,+∞)}，则认为该流动采集站的伪距观测量不在合理区间内即为不可信数据，将其状态标记为异常；

同理，若流动采集站i的载波相位观测量满足：

{|P_i-u(P)|＞3σ(P)}&&{P_i∈(-∞,B_P)∪(T_P,+∞)}，则认为其载波相位观测量不可信，将其状态标记为异常。

8.根据权利要求7所述跨区域场景下的低功耗卫星导航流动采集系统的构建方法，其特征在于，步骤S9中，所述的控制总平台定期更新站点信息，具体为：

云解算分平台将下属用户站、流动采集站定位信息上报至控制总平台，控制控平台根据站点的地理位置信息，判断用户站或流动采集站是否已经移动越区至其他云解算分平台的云分区，若已发生偏移，则更新该站点所属的云解算分平台信息，将该站点从当前云解算分平台下属站点集合中删除，然后添加至越区后的云解算分平台下属站点集合中，该用户站或流动采集站更新自身所属云解算分平台信息。

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