CN111308503A - 从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法和设备，其中方法包括获取空间状态域信息、获取观测域差分信息、获取虚拟观测距离信息、电离层与对流层延迟信息的获得，本发明实现了一种从空间域差分信息转换为观测域差分信息的转换算法，转换出的观测域差分信息遵循国际标准协议，能够为大部分GNSS接收机所接收；以及基于该方法完成转换设备的研发，可以实现将观测域差分信息转发给GNSS接收机，使其能够获得高精度的定位结果。

Description

从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法和设备
技术领域
本发明涉及GNSS定位、导航领域、自动驾驶、农业机械引导系统、星基增强系统、地基增强、地理信息等领域，具体为从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法和设备。
背景技术
现有的星基增强系统如果直接播发遵循国际标准协议的OSR信号，可以使得大部分GNSS设备直接使用，但是OSR信号对于通讯带宽要求高，同时要求数据延迟非常低，如果直接使用会使卫星长期大功率运转，增加卫星的损耗，所以都采用占用带宽更小的SSR信息来播发。
现有的星基增强系统均采用通过卫星播发空间域差分信息(SSR)给用户传输差分数据的方式，但是这种增强信息一般经过了特有的压缩处理，不是国际通用标准，故只能服务于特定型号的GNSS接收机，不具有普适性。市场上现存的大部分GNSS接收机，均无法使用该信号。
而且星基增强播发的SSR信号非常昂贵，增加了用户的使用成本，限制了重点设备的应用范围。
发明内容
针对上述问题，本发明为解决普通的GNSS接收机，无法直接使用SSR导航增强信号，创新地提出了一种将空间域差分信息(State Space Reputation,SSR)转换为观测域差分信息(Observation Space Reputation,OSR)的方法；以及发明了一款转发设备，可同时接收4G或卫星的SSR信息，实现将SSR增强信息转换为OSR信息，通过wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、电台等接口，发送给导航定位终端，使其能够获得等同于收到SSR信息的效果。以及提出了一种对L波段、S波段等多频率卫星天线进行一体化兼容设计的构想，该构想能够减轻天线的体积，并同时接收多频率信号。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，包括获取空间状态域信息、获取观测域差分信息、获取虚拟观测距离信息、电离层与对流层延迟信息的获得。
优选的，所述获取空间状态域信息具体包括：卫星轨道、卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟空间状态改正信息，该改正信息通过卫星、移动网络、电台进行播发。
优选的，所述获取观测域差分信息包括：遵循RTCM协议的数据，及包含RTCM协议信息的重新排列组合。
优选的，所述获取虚拟观测距离信息包括：根据参考点坐标，计算出卫星与参考点几何距离，根据卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟对几何距离进行修正，得到虚拟观测距离。
优选的，所述电离层与对流层延迟信息的获得包括：提取阶段，通过PPP的方法提取得到不依赖基准站的绝对电离层、对流层值；建模阶段，根据区域参考点坐标，构建基于空间关系的电离层、对流层参数；使用阶段，根据接收机参考点坐标与区域参考点坐标关系，恢复参考点电离层、对流层延迟量。
本发明还提供了从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，包括卫星天线，GNSS板卡、电台天线、移动网络模组及天线、蓝牙模组及天线，wifi模组及天线、状态指示灯、多种输出接口、供电单元。
优选的，所述卫星天线同时或者单独接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星的信号；移动网络支持2G、3G、4G、5G移动通信网络；移动网络天线可与蓝牙、wifi天线进行集成；多种输出接口包括wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN；以及通过内嵌的GNSS芯片或者外部的设备，获取到当前位置和广播星历，与其他SSR信号结合，共同生成OSR信号，其中内嵌的GNSS信号和外部设备的GNSS信号可独立使用或合成后再使用。
优选的，经过转换传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的卫星信号来自GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星，以及路径中卫星播发的信号SSR信号的全部或部分特征；路径中接收卫星信号的天线可接收L、S、C、Ku、Ka频点；路径通过wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN、电台接口将OSR信息传输到导航定位设备中；本路径中传输至导航定位设备的信号OSR信号的全部或部分特征。
优选的，经过转换传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的网络链路，为2G、3G、4G、5G，通信协议包括了TCP、UDP、Ntrip协议；本路径中包含了移动通信模组及其天线。
优选的，经过转换与融合，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端可同时卫星信号和网络信号，对多源的信号进行融合；以及传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的卫星信号同时接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星的多源数据，并对多种卫星链路的数据进行融合。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过GNSS全误差的精细建模，对轨道、钟差、FCB、电离层、对流层的误差进行解耦后的再通过观测域方程的转换，实现服务区域内任意地点、高精度、实时观测值虚拟，将空间状态改正信息转化为国际标准的观测域差分信息。
2、本发明开发了基于该方法的转换设备，该设备体积小，易安装，使得其能够加装在常规导航接收机上，接收空间域差分信息服务信息，并转为常规的观测域差分信息，实现用一个转换设备可为多个GNSS接收机提供服务的功能，使GNSS接收机都可获得等同于收到SSR信息的效果。
3、本发明实现了一种从空间域差分信息转换为观测域差分信息的转换算法，转换出的观测域差分信息遵循国际标准协议，能够为大部分GNSS接收机所接收；以及基于该方法完成转换设备的研发，可以实现将观测域差分信息转发给GNSS接收机，使其能够获得高精度的定位结果。同时提出了一种对L波段、S波段等多频率卫星天线进行一体化兼容设计的构想，创造了未来设备小型化的可能。该方法可能会降低用户直接使用SSR信号的成本，使得精准农业、数字施工、海洋工程、测绘等领域的用户受益。
附图说明
图1、图2为本发明从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备的局部示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1、图2所示，本发明提供的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，包括获取空间状态域信息、获取观测域差分信息、获取虚拟观测距离信息、电离层与对流层延迟信息的获得，其中，获取空间状态域信息具体包括：卫星轨道、卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟空间状态改正信息，该改正信息通过卫星、移动网络、电台进行播发；获取观测域差分信息包括：遵循RTCM协议的数据，及包含RTCM协议信息的重新排列组合；获取虚拟观测距离信息包括：根据参考点坐标，计算出卫星与参考点几何距离，根据卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟对几何距离进行修正，得到虚拟观测距离；电离层与对流层延迟信息的获得包括：提取阶段，通过PPP的方法提取得到不依赖基准站的绝对电离层、对流层值；建模阶段，根据区域参考点坐标，构建基于空间关系的电离层、对流层参数；使用阶段，根据接收机参考点坐标与区域参考点坐标关系，恢复参考点电离层、对流层延迟量。
在本发明中，从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，包括卫星天线，GNSS板卡、电台天线、移动网络模组及天线、蓝牙模组及天线，wifi模组及天线、状态指示灯、多种输出接口、供电单元，其中，卫星天线同时或者单独接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星的信号；移动网络支持2G、3G、4G、5G移动通信网络；移动网络天线可与蓝牙、wifi天线进行集成；多种输出接口包括wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN；以及通过内嵌的GNSS芯片或者外部的设备，获取到当前位置和广播星历，与其他SSR信号结合，共同生成OSR信号，其中内嵌的GNSS信号和外部设备的GNSS信号可独立使用或合成后再使用；经过转换传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的卫星信号来自GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星，以及路径中卫星播发的信号SSR信号的全部或部分特征；路径中接收卫星信号的天线可接收L、S、C、Ku、Ka频点；路径通过wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN、电台接口将OSR信息传输到导航定位设备中；本路径中传输至导航定位设备的信号OSR信号的全部或部分特征；经过转换传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的网络链路，为2G、3G、4G、5G，通信协议包括了TCP、UDP、Ntrip协议；本路径中包含了移动通信模组及其天线；经过转换与融合，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端可同时卫星信号和网络信号，对多源的信号进行融合；以及传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的卫星信号同时接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星的多源数据，并对多种卫星链路的数据进行融合。
在本发明中，通过以下算法实现
(1)转换方程
与常规算法中将卫星、基站位置相关误差隐含在观测量中不同，PPP-RTK算法中对包括卫星轨道、卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟等实现精细建模，从而形成了一套基于空间状态域的改正量。
本发明在空间状态域改正量的基础上，对轨道、钟差、FCB、电离层、对流层的误差先进行解耦，在服务范围内的任意地点，均可用下式的观测方程，将这些空间状态域差分信息转换为观测域差分信息。
φ＝ρ+c(dtR-dts)+T-I+λN+Bs-bR (1)
P＝ρ+c(dtR-dts)+T+I (2)
其中ρ为卫地距，可由观测域差分信息的参考点及精密轨道计算获得；dts为卫星钟差；T、I分别为参考点的对流层及电离层，可根据区域建模结果拟合获得；BS为卫星硬件延迟。无法精确建模的接收机钟差dtR、接收机硬件延迟BR，模糊度N均可在基于OSR的RTK定位中通过星间差分消除。
(1)精密大气参数获取
为了获取高精度的大气延迟信息，本项目使用非差非组合PPP估计电离层和对流层延迟，待到PPP获得固定解之后，从中将大气信息提取出来供建模使用。采用的非差PPP观测方程如下：
Figure BDA0002400905000000071
Figure BDA0002400905000000072
Figure BDA0002400905000000073
Figure BDA0002400905000000074
其中P1、P2为伪距观测值；L1、L2为相位观测值；ρ为卫地距；c为真空中光速；dtR为接收机钟差；dtS为卫星钟差；T为对流层延迟；I1为L1频率上的电离层延迟；
Figure BDA0002400905000000075
为伪距多路径延迟；
Figure BDA0002400905000000076
为相位多路径延迟；ε为测量噪声。一旦非差PPP相位整周模糊度成功固定，PPP即可获得厘米级的精密位置解以及毫米级或厘米级的高精度对流层延迟改正值T和电离层延迟改正值I1。
(2)广域星间单差电离层改正模型
对于较大范围且基站稀疏情况下的电离层模型，可以考虑采用广域星间单差的方案进行建模。斜路径电离层延迟通常表示为投影函数以及天顶电离层延迟的组合：
Is＝F·mfs·VTECs
式中，F代表第一频点TECu单位向距离单位的转换系数，
Figure BDA0002400905000000077
mf代表电离层投影函数，VTEC为天顶电离层延迟。
Figure BDA0002400905000000078
Figure BDA0002400905000000079
H＝450km，RE为地球半径，z为测站天顶距，α＝0.9782。
选定一个参考卫星，进行等效斜路径星间单差：
Figure BDA00024009050000000710
式中，上标s、ref分别代表卫星号和参考卫星号，其他符号含义与上述相同。由上式可知，单差建模可以消除接收机端的硬件延迟。
对于区域乃至广域(如一个大陆板块)覆盖的台站网，区域内天顶电离层延迟VTEC通常采用多项式进行建模：
Figure BDA0002400905000000081
其中，n、m分别为纬度和经度对应的阶数；Eij为模型待估参数；φ、φ0分别为观测时刻卫星电离层穿刺点大地纬度和建模中心大地纬度；S、S0分别为观测时刻太阳时角和建模中的太阳时角。
可得到最终模型表达为：
Figure BDA0002400905000000082
基于解算电离层延迟系数时，必须为每一个测站的每个卫星系统选择一颗参考卫星，可选择高度角最高的卫星。利用多个测站组成的参考站网求解天顶电离层模型参数时，对建模时段内每个历元所有测站以及所有卫星系统的法方程进行叠加。
为满足实时性要求，模型必须有短期预报高精度的特点，以上建模可采用参考时刻前后短时期内的数据，并设置最优的多项式阶数。建模过程中，每个时段内实际所用到的站是不一样的，每个建模时段内的参考中心理论上也是不尽相同的。因此，多项式模型的中心点应该基于实际参与建模测站的分布进行计算。此外，多项式模型是以卫星穿刺点的垂直天顶电离层延迟作为模型的观测值，在计算建模中心时也应考虑每个站的参与建模的观测值数目，加权计算建模中心点的大地坐标。需要注意的是，由于STEC中包含了接收机端硬件延迟，故进行内插之前，一般利用星间单差后的STEC对接收机端硬件延迟进行消除。
(3)局域电离层及对流层建模
在局域网中，为了实现更高的模型精度，一般多采用内插模型。目前电离层、对流程局域网建模模型主要有线性内插模型(LIM)、低阶趋势面模型(LSM)、反距离内插模型(IDW)、线性组合模型(LCM)以及最小二乘配置模型(LSC)等。
本发明采用LSM模型，并在该模型基础上加入高程因子，其具体形式如下:
ZTD＝a0+a1dL+a2dB+a3dH
STEC＝b0+b1dL+b2dB+b3dH
其中：a0～a3为对流层模型参数，b0～b3为电离层模型参数，dL、dB、dH分别为参考站到中心点的纬度、经度、高程之差。中心点一般选取所有参考站的几何中心。
在平缓地区模型中可以不考虑高程，但是在高程变化剧烈地区，考虑高程可使内插精度改善60％，故本发明中采用的模型增加高程参数。需要注意的是，由于STEC中包含了接收机端硬件延迟，故进行内插之前，一般利用星间单差后的STEC对接收机端硬件延迟进行消除。
以下提供一具体的实施方式
实施例1
参照图1、图2所示；从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，该方法中包含的空间状态域特征、观测域特征、转换方程的特征、电离层与对流层延迟计算方法的特征分别如下：
空间状态域差分信息特征：其中包含了卫星轨道、卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟等空间状态改正信息，该改正信息可通过卫星、移动网络、电台等进行播发。也可以对其进行压缩或加密后再播发。
观测域差分信息的特征：遵循RTCM协议的数据，及包含RTCM协议信息的重新排列组合
转换方法的特征：根据参考点坐标，计算出卫星与参考点几何距离，根据卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟等对几何距离进行修正，得到虚拟观测距离。
电离层、对流层延迟计算方法特征：提取阶段，通过PPP的方法提取得到不依赖基准站的绝对电离层、对流层值；建模阶段，根据区域参考点坐标，构建基于空间关系的电离层、对流层参数；使用阶段，根据接收机参考点坐标与区域参考点坐标关系，恢复参考点电离层、对流层延迟量。
实施例2
在本发明中从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，包括了卫星天线，GNSS板卡、电台天线、移动网络模组及天线、蓝牙模组及天线，wifi模组及天线、状态指示灯、多种输出接口、供电单元等。其中，卫星天线可同时或者单独接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星等多种卫星的信号；移动网络可支持2G、3G、4G、5G等移动通信网络；移动网络天线可与蓝牙、wifi等天线进行集成；多种输出接口包括了wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN等方式。
本发明中的设备形态可以是独立的终端设备，也可以是芯片、模组等，或内嵌于GNSS设备中。
本发明中可通过内嵌的GNSS芯片或者外部的设备，获取到设备的当前位置和广播星历，与其他SSR信号结合，共同生成OSR信号。内嵌的GNSS信号和外部设备的GNSS信号可独立使用，也可进行合成后再使用。
本发明中可支持1个或者多个导航定位设备。
实施例3
从卫星播发改正数，经过本发明的终端转换，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径。本路径中，转换终端接收的卫星信号可来自GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星等多种卫星，卫星频率可以是L、S、C、Ku、Ka等；本路径中卫星播发的信号具备上述从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法中SSR信号的全部或部分特征；本路径中接收卫星信号的天线可接收L、S、C、Ku、Ka等各种频点；本路径中包含的转换方法如上所述；本路径可通过wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN、电台等接口将OSR信息传输到导航定位设备中；本路径中传输至导航定位设备的信号具备从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法中所述OSR信号的全部或部分特征；
实施例4
在本发明中从网络链路，经过实施例2的终端转换，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径。本路径中，转换终端接收的网络链路，可以是2G、3G、4G、5G等，通信协议包括了TCP、UDP、Ntrip等多种协议；本路径中包含了移动通信模组及其天线；其他与实施例3相同。
实施例5
本发明网络链路和卫星链路同时播发信号，经过实施例2的终端转换与融合，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径。本路径中，转换终端可同时接收实施例3中的卫星信号和实施例4中的网络信号，对多源的信号进行融合；其他与实施例3相同。
实施例6
本发明从多个卫星进行改正数播发，经过实施例2的终端转换，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径。本路径中，转换终端接收的卫星信号同时接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星等多源数据，并对多种卫星链路的数据进行融合；其他与实施例3相同。
实施例6
在本发明中，从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备提出了对L波段、S波段等多频率天线进行一体化兼容设计的构想，该构想能够减轻天线的体积，并同时接收多频率信号，需要予以保护。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，其特征在于：包括获取空间状态域信息、获取观测域差分信息、获取虚拟观测距离信息、电离层与对流层延迟信息的获得。
2.根据权利要求1所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，其特征在于：所述获取空间状态域信息具体包括：卫星轨道、卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟空间状态改正信息，该改正信息通过卫星、移动网络、电台进行播发。
3.根据权利要求2所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，其特征在于：所述获取观测域差分信息包括：遵循RTCM协议的数据，及包含RTCM协议信息的重新排列组合。
4.根据权利要求3所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，其特征在于：所述获取虚拟观测距离信息包括：根据参考点坐标，计算出卫星与参考点几何距离，根据卫星钟差、电离层、对流层、天线PCO、天线PCV、固体潮、硬件延迟对几何距离进行修正，得到虚拟观测距离。
5.根据权利要求4所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的方法，其特征在于：所述电离层与对流层延迟信息的获得包括：提取阶段，通过PPP的方法提取得到不依赖基准站的绝对电离层、对流层值；建模阶段，根据区域参考点坐标，构建基于空间关系的电离层、对流层参数；使用阶段，根据接收机参考点坐标与区域参考点坐标关系，恢复参考点电离层、对流层延迟量。
6.从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，其特征在于：包括卫星天线，GNSS板卡、电台天线、移动网络模组及天线、蓝牙模组及天线，wifi模组及天线、状态指示灯、多种输出接口、供电单元。
7.根据权利要求6所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，其特征在于：所述卫星天线同时或者单独接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星的信号；移动网络支持2G、3G、4G、5G移动通信网络；移动网络天线可与蓝牙、wifi天线进行集成；多种输出接口包括wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN；设备形态为独立的终端设备或芯片的形式或模组的形式或内嵌于GNSS设备中；以及通过内嵌的GNSS芯片或者外部的设备，获取到当前位置和广播星历，与其他SSR信号结合，共同生成OSR信号，其中内嵌的GNSS信号和外部设备的GNSS信号可独立使用或合成后再使用；可支持1个或者多个导航定位设备。
8.根据权利要求6所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，其特征在于：经过转换传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的卫星信号来自GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星，以及路径中卫星播发的信号SSR信号的全部或部分特征；路径中接收卫星信号的天线可接收L、S、C、Ku、Ka频点；路径通过wifi、蓝牙、RJ45、RS232、RS485、CAN、电台接口将OSR信息传输到导航定位设备中；本路径中传输至导航定位设备的信号OSR信号的全部或部分特征。
9.根据权利要求6所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，其特征在于：经过转换传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的网络链路，为2G、3G、4G、5G，通信协议包括了TCP、UDP、Ntrip协议；本路径中包含了移动通信模组及其天线。
10.根据权利要求6所述的从空间域差分信息转换为观测域差分信息的设备，其特征在于：经过转换与融合，传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端可同时卫星信号和网络信号，对多源的信号进行融合；以及传输到导航定位设备中增强定位效果的实现路径中，转换终端接收的卫星信号同时接收GEO卫星、低轨卫星、GNSS卫星的多源数据，并对多种卫星链路的数据进行融合；而且对L波段、S波段多频率天线进行一体化兼容设计，能够减轻天线的体积，并同时接收多频率信号。
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