CN112327341B - 一种通过网络辅助gnss终端实现亚米级定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信与卫星导航领域，特别涉及一种通过网络辅助GNSS终端实现亚米级定位的方法。本发明在传统定位模式的基础上，向终端传输状态域SSR改正数，包括卫星轨道、钟差、电离层和码偏差等，之后移动终端获取高精度定位辅助数据并进行实时精密单点定位解算，实现广域高精度定位。本发明无需改造移动设备的硬件结构，即可应用于具有通信功能的智能手机、平板电脑、测量型接收机等设备。与其他提高终端定位精度的方法相比，本发明在定位时效性、有效性和经济性等方面优势突出，而且终端改造程度低、无需参考站辅助、具有较大的社会经济效益等。

Description

一种通过网络辅助GNSS终端实现亚米级定位的方法

技术领域

本发明属于移动通信与卫星导航领域，特别涉及一种通过网络辅助GNSS终端实现亚米级定位的方法。

背景技术

全球卫星导航系统GNSS可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供导航定位服务。卫星向地面用户不断地播发导航电文，终端通过接收电文信息并解码得到星历数据，从而进行标准单点定位。在终端独立搜索卫星进行定位的情境下，首次定位时间TTFF往往较长(几十秒到几分钟不等)，极大地降低了用户体验。为了加速终端快速定位，移动设备基本都配备了网络辅助GNSS辅助定位功能，在有蜂窝网络的环境下使用位置服务即可触发辅助定位功能。网络辅助GNSS定位服务器借助蜂窝基站向终端传输星历数据，终端利用收到的星历数据快速捕获和跟踪卫星。该模式通常可在10秒内定位成功，大大缩短了首次定位时间。

然而，目前终端上的网络辅助GNSS方案仍然采用接收广播星历进行标准单点定位的模式。虽然在降低首次定位时间方面效果明显，但定位精度仍然较差(通常5-10米)。尤其在城市环境中，移动设备通常要遭受严重的信号遮挡以及多路径效应，使得定位精度进一步降低到十几米甚至更差。低精度的位置服务极大地影响了用户的定位效果和满意度，也影响了网络辅助GNSS的应用。

一些高精度定位方法如网络RTK(Network real-time kinematic)和PPP(Precisepoint positioning)，在传统接收机上精度提升显著。但是，网络RTK的应用需要在全球建立大规模参考站，对非专业设备的使用而言是不现实的；事后PPP精度虽然可以达到亚米级，但与实时性的移动应用场景不相符。这些因素使得传统高精度定位方法在移动终端上面的应用都受到限制。因此，如何在现有的硬件水平上，让通用的移动设备以快速且高精度的方式实现辅助定位功能，是目前移动平台(终端)定位领域期望解决的一个问题。

发明内容

针对传统网络辅助定位模式下，终端通过服务器获取广播星历进行标准单点定位解算，只能实现数十米或米级定位的缺陷，本发明在传统定位模式的基础上，向终端传输状态域差分改正数SSR(state space representation)信息，包括卫星轨道、钟差、电离层、码偏差等，移动终端获取高精度定位辅助数据并进行实时精密单点定位，可以实现广域高精度定位，而无需对终端原有的硬件结构进行改造。

为实现上述目的，本发明提供了一种通过网络辅助GNSS终端实现亚米级定位的方法，包括步骤：

S1：地面GNSS卫星参考站全天候记录卫星的广播星历和观测数据，并汇总到地面数据处理中心；

S2：所述数据处理中心根据所述观测数据实时计算精密卫星轨道、精密钟差、电离层和码偏差四个偏差项的SSR改正数，生成SSR产品，并将所述SSR产品采用RTCM-SSR改正数的格式通过internet协议进行广播，所述SSR产品包括基于所述卫星广播星历改正的卫星轨道和钟差以及改正的电离层延迟、码偏差；

S3：网络辅助GNSS定位服务器通过internet协议获取由所述数据处理中心播发的RTCM-SSR改正数以及所述卫星广播星历的数据流并保存，然后根据移动终端支持的数据格式将数据流封装传输；

S4：所述移动终端在打开位置服务后即可触发辅助定位功能，与所述网络辅助GNSS定位服务器建立通信连接；

S5：当所述移动终端向所述网络辅助GNSS定位服务器请求辅助定位时，所述网络辅助GNSS定位服务器将所述RTCM-SSR改正数以及所述卫星广播星历播发给所述移动终端；

S6：所述移动终端利用误差修正模型对卫星轨道、钟差、电离层延迟、码偏差四个误差项进行修正，之后采用实时精密单点定位法进行定位解算，实现亚米级高精度定位结果。

进一步，步骤S6中，所述误差修正模型包括卫星轨道误差模型、钟差误差模型、电离层延迟误差模型以及码偏差误差模型，所述移动终端利用所述误差修正模型对卫星轨道、钟差、电离层延迟、码偏差进行修正，具体过程为：

1)利用所述卫星轨道误差模型修正得到精密卫星轨道坐标：

其中，(X_b,Y_b,Z_b)表示基于广播星历计算出的卫星轨道坐标，

表示修正后的精密卫星轨道坐标，(δ_X,δ_Y,δ_Z)表示通过网络辅助GNSS定位服务器获得的卫星轨道SSR改正数；

2)利用所述钟差误差模型修正得到精密钟差：

其中，

表示基于广播星历计算出的卫星钟差，/>

表示修正后的精密卫星钟差，c为真空中的光速，δ_C表示通过网络辅助GNSS定位服务器获得的卫星钟差SSR改正数；

3)利用电离层误差模型修正得到斜路径上的电离层延迟：

其中，f_i,i＝1,2,...,n，表示卫星播发信号的第i个频率，n表示卫星播发信号频率的总数，F(t)表示倾斜因子，

表示用户穿刺点斜路径上的电离层延迟，I_ρ表示通过网络辅助北斗和GNSS定位服务器获得的电离层格网点上的垂直延迟；

4)利用码偏差误差模型修正得到不同频率信号的时延偏差改正：

其中，

i＝1,2,...,n，表示改正的卫星端硬件时延偏差，/>

表示通过网络辅助GNSS服务器获得的频率f_i的卫星端硬件时延偏差。

进一步，步骤S6中，所述采用实时精密单点定位法进行定位解算，具体过程如下：

在移动终端的定位过程中，其伪距和载波相位观测方程为：

ρ^j(t)＝((X_b-X_u)²+(Y_b-Y_u)²+(Z_b-Z_u)²)^1/2 (7)

其中，P^j(t)和

分别表示伪距和载波相位观测值，j为卫星号，ρ^j(t)表示卫星与接收机之间的几何距离，(X_b,Y_b,Z_b)表示卫星j的空间坐标，(X_u,Y_u,Z_u)表示移动终端的空间坐标，/>

表示接收机钟差，/>

表示卫星j的钟差，/>

和/>

分别表示卫星j的信号通过大气时的电离层延迟和对流层延迟，b_r,f表示卫星j的信号在卫星端硬件时延偏差，ε_p和/>

分别表示伪距和载波相位观测噪声，N为载波相位整周模糊度。

进一步，步骤S3中，根据第三代合作组织3GPP标准将所述数据流封装并传输给终端。

进一步，步骤S4中，通过4G和5G蜂窝网络与网络辅助北斗和GNSS定位服务器建立通信连接。

本发明的有益效果：

本发明在定位时效性、有效性和经济性等方面优势突出，而且终端改造程度低、无需参考站辅助、用户体验度和满意度高。具体表现为：

1)时效性很高；

与事后PPP技术相比，在达到同等定位精度下，本发明提出的定位方法需要的时间更短，在正常的网络时延范围内，终端通常仅需3-5秒即可达到亚米级定位精度；

2)无需参考站辅助；

与网络RTK技术相比，本发明利用终端集成的网络辅助GNSS定位模块传输状态域差分改正数，在单站模式下即可完成高精度定位，而需要不依赖其他参考站辅助；

3)无需对终端改造；

与外接天线提高精度的方式相比，本发明无需对终端做任何的硬件改造，且在支持SUPL能力的移动终端上均能部署，适用性强；

4)提升用户体验；

本发明借助于4G/5G通信网络系统低延时的数据链路，可将精密的辅助数据在毫秒级时间内传输给移动终端，尤其在对卫星信号观测条件良好的环境中可辅助终端实现实时亚米级定位，而整个过程对用户而言是无感知的，因而可以极大地提升用户的使用体验；

5)社会和经济效益高；

本发明显著提升了终端定位精度，可有效支持终端上的应用系统性能及服务能力的提升，具有较大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供的通过网络辅助GNSS终端实现亚米级定位的流程图；

图2为本发明实施例提供的网络辅助GNSS终端高精度定位原理图；

图3为本发明实施例提供的GNSS定位服务器与终端建立连接及数据交互的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

下面结合图1-3，对本实施例提供的通过网络辅助GNSS定位服务器辅助终端实现亚米级定位方法进行说明，所述定位方法包括如下步骤：

S1：地面GNSS参考站全天候监控GNSS卫星的运行状况，并实时记录卫星广播星历、观测数据等信息并实时汇总到地面数据处理中心。

S2：数据处理中心根据卫星广播星历和观测数据实时计算精密卫星轨道、精密钟差、电离层延迟、码偏差四个误差项的SSR改正数，并将所述SSR改正数采用RTCM-SSR改正数的格式通过internet协议进行广播，所述SSR改正数包括基于所述卫星广播星历改正的卫星轨道和钟差以及改正的电离层延迟、码偏差。

S3：网络辅助GNSS定位服务器通过internet协议获取由数据处理中心播发的RTCM-SSR改正数以及广播星历的数据流并保存，然后按照第三代合作组织3GPP的标准将数据流封装后传输。

S4：支持网络辅助定位的移动终端在打开位置服务后即可触发网络辅助定位功能，从而通过3G/4G/5G蜂窝网络与网络辅助GNSS定位服务器建立通信连接。

S5：当移动终端向网络辅助GNSS定位服务器请求辅助定位，则网络辅助GNSS定位服务器将RTCM-SSR改正数以及卫星广播星历播发给移动终端。

S6：移动终端在获取卫星广播星历和SSR改正数后，利用误差修正模型对卫星轨道、钟差、电离层延迟、码偏差四个误差项进行修正，之后采用实时精密单点定位法进行定位解算，可实现亚米级高精度定位结果。

具体地，本发明利用了移动终端内置的三个模块：通信模块，网络辅助GNSS服务模块，GNSS定位解算模块。通信模块用于建立终端的网络辅助GNSS服务模块与网络辅助GNSS定位服务器之间的连接。网络辅助GNSS服务模块用于接收GNSS定位服务器播发的RTCM-SSR改正数，并将数据发送到GNSS定位解算模块。GNSS定位解算模块用于对收到的数据进行实时精密单点定位解算，从而得到移动终端的高精度位置信息。这三个模块为移动终端内置的功能模块，因此无需对硬件结构改造。这些模块之间的协调工作，将使得移动终端具备实时亚米级高精度定位的能力。

本实施例所述的误差修正模型包括卫星轨道误差模型、钟差误差模型、电离层延迟误差模型以及码偏差误差模型。下面通过对卫星轨道、钟差、电离层延迟、码偏差的误差进行修正来进一步说明所述误差修正模型。

针对所述影响定位精度的参数，误差修正模型如下：

1)利用卫星轨道误差模型修正得到精密卫星轨道坐标：

其中，(X_b,Y_b,Z_b)表示基于广播星历计算出的卫星轨道坐标，

表示修正后的精密卫星轨道坐标，(δ_X,δ_Y,δ_Z)表示通过网络辅助服务器获得的卫星轨道SSR改正数；

2)利用钟差误差模型修正得到精密钟差

其中，

表示基于广播星历计算出的卫星钟差，/>

表示修正后的精密卫星钟差，c为真空中的光速，δ_C表示通过网络辅助服务器获得的卫星钟差SSR改正数。

3)利用电离层误差模型修正得到斜路径上的电离层延迟

其中，f_i(i＝1,2，…n)表示卫星信号的第i个频率，n表示卫星播发信号频率的总数，F(t)表示倾斜因子，可由相应参数得到，

表示用户穿刺点的斜路径上的电离层延迟，I_ρ表示通过网络辅助服务器获得的电离层格网点上的垂直延迟，可通过线性内插得到用户穿刺点处的垂直延迟。

4)利用码偏差误差模型修正得到卫星端硬件时延偏差

其中，

i＝1,2,...,n，表示改正的卫星端硬件时延偏差，/>

表示通过网络辅助GNSS服务器获得的频率f_i的卫星端硬件时延偏差。

在移动终端的定位过程中，其伪距和载波相位观测方程为：

ρ^j(t)＝((X_b-X_u)²+(Y_b-Y_u)²+(Z_b-Z_u)²)^1/2 (7)

其中，P^j(t)和

分别表示伪距和载波相位观测值，j为卫星号，ρ^j(t)表示卫星与接收机之间的几何距离，(X_b,Y_b,Z_b)表示卫星j的空间坐标，(X_u,Y_u,Z_u)表示移动终端的空间坐标，/>

表示接收机钟差，/>

表示卫星j的钟差，/>

和/>

分别表示卫星j的信号通过大气时的电离层延迟和对流层延迟，b_r,f表示卫星j的信号在卫星端硬件时延偏差，ε_p和/>

分别表示伪距和载波相位观测噪声，N为载波相位整周模糊度。

移动终端根据观测方程和误差修正模型进行实时精密单点定位，定位算法中具体的处理策略可参考下表1：

表1实时精密单点定位中的设置项以及处理策略

在观测环境良好的情况下，本发明基于载波相位和码相位观测的实时精密单点定位算法可实现优于一米的定位精度。

综上，采用本发明所提到的定位方法，只需移动终端在软件层面对定位解算方法进行改进，即增加误差修正模型从而进行实时精密单点定位解算。本发明将使现有的网络辅助定位模块更加完善，在时效性和定位精度两方面同时满足用户需求。此外，本发明无需对终端的硬件构造修改，因而具有较好的可移植性。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种通过网络辅助GNSS终端实现亚米级定位的方法，其特征在于，包括步骤：

S1：地面GNSS卫星参考站全天候记录卫星的广播星历和观测数据，并汇总到地面数据处理中心；

S2：所述数据处理中心根据所述观测数据实时计算精密卫星轨道、精密钟差、电离层和码偏差四个误差项的SSR改正数，生成SSR产品，并将所述SSR产品采用RTCM-SSR改正数的格式通过internet协议进行广播，所述SSR产品包括基于所述卫星广播星历改正的卫星轨道和钟差以及改正的电离层延迟、码偏差；

S3：网络辅助GNSS定位服务器通过internet协议获取由所述数据处理中心播发的RTCM-SSR改正数以及所述卫星广播星历的数据流并保存，然后根据移动终端支持的数据格式将数据流封装传输；

S4：所述移动终端在打开位置服务后即可触发辅助定位功能，与所述网络辅助GNSS定位服务器建立通信连接；

S5：当所述移动终端向所述网络辅助GNSS定位服务器请求辅助定位时，所述网络辅助GNSS定位服务器将所述RTCM-SSR改正数以及所述卫星广播星历播发给所述移动终端；

S6：所述移动终端利用误差修正模型对卫星轨道、钟差、电离层延迟、码偏差四个误差项进行修正，之后采用实时精密单点定位法进行位置解算，实现亚米级高精度定位结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中，所述误差修正模型包括卫星轨道误差模型、钟差误差模型、电离层延迟误差模型以及码偏差误差模型，所述移动终端利用所述误差修正模型对卫星轨道、钟差、电离层延迟、码偏差四个误差项进行修正，具体过程为：

1)利用所述卫星轨道误差模型修正得到精密卫星轨道坐标：

其中，(X_b,Y_b,Z_b)表示基于广播星历计算出的卫星轨道坐标，

表示修正后的精密卫星轨道坐标，(δ_X,δ_Y,δ_Z)表示通过网络辅助GNSS定位服务器获得的卫星轨道SSR改正数；

2)利用所述钟差误差模型修正得到精密钟差：

其中，

表示基于广播星历计算出的卫星钟差，/>

表示修正后的精密卫星钟差，c为真空中的光速，δ_C表示通过网络辅助GNSS定位服务器获得的卫星钟差SSR改正数；

3)利用电离层误差模型修正得到斜路径上的电离层延迟：

其中，f_i,i＝1,2,...,n，表示卫星播发信号的第i个频率，n表示卫星播发信号频率的总数，F(t)表示倾斜因子，

表示用户穿刺点斜路径上的电离层延迟，I_ρ表示通过网络辅助GNSS定位服务器获得的电离层格网点上的垂直延迟；

4)利用码偏差误差模型修正得到不同频率信号的时延偏差改正：

其中，

表示改正的卫星端硬件时延偏差，/>

表示通过网络辅助GNSS服务器获得的频率f_i的卫星端硬件时延偏差。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S6中，所述采用实时精密单点定位法进行定位解算，具体过程如下：

在移动终端的定位过程中，其伪距和载波相位观测方程为：

ρ^j(t)＝((X_b-X_u)²+(Y_b-Y_u)²+(Z_b-Z_u)²)^1/2 (7)

其中，P^j(t)和

分别表示伪距和载波相位观测值，j为卫星号，ρ^j(t)表示卫星与移动终端之间的几何距离，(X_b,Y_b,Z_b)表示卫星j的空间坐标，(X_u,Y_u,Z_u)表示移动终端的空间坐标，/>

表示接收机钟差，/>

表示卫星j的钟差，/>

和/>

分别表示卫星j的信号通过大气时的电离层延迟和对流层延迟，b_r,f表示卫星j的信号在卫星端硬件时延偏差，ε_p和/>

分别表示伪距和载波相位观测噪声，N为载波相位整周模糊度。

4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤S3中，根据第三代合作组织3GPP标准将所述数据流封装并传输给移动终端。

5.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤S4中，通过4G和5G蜂窝网络与网络辅助GNSS定位服务器建立通信连接。

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