CN112711048B - 基于北斗三号rdss短报文的ssr传输方法及高精度定位系统 - Google Patents

基于北斗三号rdss短报文的ssr传输方法及高精度定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法及高精度定位系统，根据观测数据估计出精密产品；根据精密产品和广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；将改正数SSR产品通过传输端传输至用户端，以使用户端根据改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；若匹配成功，将改正数SSR产品与卫星广播星历合成得到精密产品并与卫星观测数据进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。采用北斗三号RDSS短报文信道进行广域差分系统高精度改正数的传输，以获得高精度的实时厘米级导航定位结果。

Description

基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法及高精度定位系统
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及基于北斗三号RDSS短报文信道的SSR传输方法及高精度定位系统。
背景技术
实时高精度定位服务系统中基于PPP 技术的星站差分系统，利用全球分布的站点生成精密卫星轨道和钟差等，并通过地球静止轨道卫星或者 Internet协议的RTCM网络传输协议（NTRIP协议）进行播发给用户，可提供全球范围内实时分米乃至厘米级的定位服务。然而，在实时的PPP方法的应用中，通过Internet 网络的方式在海上传输是不可用的，而通过海事卫星进行在海上进行通信时价格昂贵，使用成本偏高。
发明内容
本发明目的在于，提供基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法及高精度定位系统，采用北斗短报文信道进行高精度改正数SSR的传输，以获得稳定、高精度的实时厘米级结果。
为实现上述目的，本发明实施例提供基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，包括：
获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括精密卫星轨道信息和钟差；
根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；
将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；
若匹配成功，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成得到所述精密产品，以使用户端根据获取的卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述精密产品中所述轨道信息包括，卫星的位置和卫星的速度，其中所述卫星的位置包括，在时间t内，卫星的精确位置
Figure SMS_1
如下：
Figure SMS_2
;
Figure SMS_3
;
Figure SMS_4
;
Figure SMS_5
;
Figure SMS_6
;
其中，
Figure SMS_8
代表的是广播星历计算的卫星位置，
Figure SMS_11
代表的是广播星历计算的卫星速度，
Figure SMS_15
,
Figure SMS_9
,
Figure SMS_12
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_14
,
Figure SMS_17
,
Figure SMS_7
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_10
,
Figure SMS_13
,
Figure SMS_16
分别代表卫星的径向、切向和法向三个方向的改正数。
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述卫星速度包括，根据所述卫星位置的计算，得到如下;
Figure SMS_18
;
其中，假设
Figure SMS_19
；
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述精密产品包括钟差，所述钟差
Figure SMS_20
的计算如下:
Figure SMS_21
;
Figure SMS_22
;
其中，
Figure SMS_23
为广播星历计算的钟差，其中其相对论效应改正方程如下：
Figure SMS_24
;
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括:
根据所述卫星的位置、速度和钟差获得所述第一改正数SSR产品，如下所示：
Figure SMS_25
;
其中，所述
Figure SMS_26
,
Figure SMS_27
,
Figure SMS_28
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_29
,
Figure SMS_30
,
Figure SMS_31
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_32
分别代表钟差、钟速和钟漂，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品。
优选地，所述将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输，包括:
所述北斗三号RDSS短报文信道，包括使用一张或多张ID卡区域短报文，可传输的最大值为每1秒可传输14000bits的数据，传输速率的最大值为14000bps。
优选地，所述若匹配成功，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成恢复得到所述精密产品，以使用户端根据获取卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值，包括:
在所述用户端，将所述卫星广播星历和所述改正数SSR进行匹配，若匹配成功，则将单个历元观测数据、对应精密产品合成的数据进行数据处理，所述数据处理包括读取一个历元观测数据并计算对应的该历元各类误差，根据卡尔曼滤波，若判断部分卫星残差正常，则保存结果，获取用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
本发明实施例提供还提供基于北斗三号RDSS短报文的高精度定位系统，包括：
采集模块，获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括精密卫星轨道信息和钟差；
计算模块，根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；
传输模块，将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；
生成模块，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成得到所述精密产品，以使用户端根据获取卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
所述计算模块根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述精密产品中所述轨道信息包括，卫星的位置和卫星的速度，其中所述卫星的位置包括，在时间t内，卫星的精确位置
Figure SMS_33
如下：
Figure SMS_34
;
Figure SMS_35
;
Figure SMS_36
;
Figure SMS_37
;
Figure SMS_38
;
其中，
Figure SMS_40
代表的是广播星历计算的卫星位置，
Figure SMS_43
代表的是广播星历计算的卫星速度，
Figure SMS_46
,
Figure SMS_41
,
Figure SMS_44
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_47
，
Figure SMS_49
，
Figure SMS_39
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_42
,
Figure SMS_45
,
Figure SMS_48
分别代表卫星的径向、切向和法向三个方向的改正数；
所述卫星速度包括，根据所述卫星位置的计算，得到如下;
Figure SMS_50
;
其中，
Figure SMS_51
秒；
所述精密产品包括钟差，所述钟差
Figure SMS_52
的计算如下:
Figure SMS_53
;
Figure SMS_54
;
其中，
Figure SMS_55
为广播星历计算的钟差，其中其相对论效应改正方程如下：
Figure SMS_56
；
根据所述卫星的位置、速度和钟差获得所述第一改正数SSR产品，如下所示：
Figure SMS_57
;
其中，所述
Figure SMS_58
,
Figure SMS_59
,
Figure SMS_60
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_61
,
Figure SMS_62
,
Figure SMS_63
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_64
分别代表钟差、钟速和钟漂。
优选地，所述传输模块，包括：
所述北斗三号RDSS短报文信道，包括使用一张或多张ID卡区域短报文，可传输的最大值为每1秒可传输14000bits的数据，传输速率的最大值为14000bps。
本发明实施例中，提供一种基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法及高精度定位系统，通过在服务端获取卫星的观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括卫星轨道信息和钟差，将精密产品与广播星历进行做差运算，获得改正数SSR产品，将所述改正数SSR产品由传输端传输至用户端，采用北斗三号RDSS短报文信道进行高精度改正数SSR的传输，用户端接收到所述改正数SSR，将所述改正数SSR与卫星广播星历进行匹配，若匹配成功，则合成所述精密产品，再将所述精密产品与卫星观测数据进行数据处理，获得用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值，获得稳定、高精度的实时厘米级导航定位结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法的流程示意图；
图2是本发明另一实施例提供的基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法的实现流程示意图；
图3是本发明又一实施例提供的基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法的用户端处理流程示意图；
图4是本发明某一实施例提供的基于北斗三号RDSS短报文的高精度定位系统的结构示意图。
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作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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，包括：
S101、获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括精密卫星轨道信息和钟差；
在具体的实施例中，在服务端获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，星站差分系统需要在全球范围均匀布设一定数量的地面跟踪站，利用这些跟踪站对GNSS卫星的观测值，观测值包括载波、伪距等，实时估计出精密卫星轨道信息和钟差。
S102、根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；
在具体的实施例中，根据步骤S101获取的数据进行计算改正数SSR（State SpaceRepresentation），改正数SSR为广域差分改正数或者状态空间改正数。在北斗三号RDSS短报文分为区域短报文服务（RSMC）和全球短报文服务（GSMC）。北斗三号RDSS短报文服务能力相对于北斗二代得到了极大提升，接收机发射功率降低到1-3W，单次通信能力提升到1000汉字，服务容量提高到 1000万次/小时以上。
请参照表1和表2，区域短报文功能性能以及其性能指标以及全球短报文功能性能的介绍如下：
表1 区域短报文功能性能
Figure SMS_65
表2 全球短报文功能性能
Figure SMS_66
RDSS是北斗系统的特点和亮点，是区别于GPS、GLONASS和Galileo系统的重要特色。北斗二代可为中国本土及周边区域北斗三代可以提供全球，快速定位、位置报告、短报文通信和高精度授时服务，因此短报文通信是RDSS服务的重要部分，是RDSS为实现位置报告衍生出的重要功能，在实际应用中获得了研究者的一致认可。
北斗短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。北斗短报文两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII 码的方式，另一种为BCD码方式。北斗短报文通信与其它的卫星通信方式相比，“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能，这为用户的灵活使用提供了充足的空间。短报文不仅可点对点双向通信，而且其提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利。传统的实时PPP应用中，改正数SSR校正是通过地面无线电或（无线）因特网用Ntrip或TCP/IP协议传输的。然而，这些通信媒介不适用于是互联网是不可访问的。因此，卫星通信将是在海洋上传输修正的一个更好的选择。然而，普通的通信卫星成本很高，而北斗卫星通信系统更经济。
本发明利用精密产品和广播星历进行做差计算，同时记录下当前计算的卫星系统的IOD（Issue of Data），为用户端进行精密产品的恢复匹配，作为第一改正数进行播发，具体的改正数生成如下：
轨道信息包括卫星的位置和卫星的速度，其中所述卫星的位置包括，在时间t内，卫星的精确位置
Figure SMS_67
如下：
Figure SMS_68
;
Figure SMS_69
;
Figure SMS_70
;
Figure SMS_71
；
Figure SMS_72
;
其中，
Figure SMS_74
代表的是广播星历计算的卫星位置，
Figure SMS_78
代表的是广播星历计算的卫星速度，
Figure SMS_80
,
Figure SMS_75
,
Figure SMS_77
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_81
,
Figure SMS_83
,
Figure SMS_73
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_76
,
Figure SMS_79
,
Figure SMS_82
分别代表卫星的径向、切向和法向三个方向的改正数。
其中，根据卫星位置的进行计算卫星速度，得到如下;
Figure SMS_84
;
其中，假设
Figure SMS_85
，则
Figure SMS_86
;
钟差的计算，根据精密产品进行计算，钟差
Figure SMS_87
的计算如下:
Figure SMS_88
;
Figure SMS_89
;
其中，
Figure SMS_90
为广播星历计算的钟差，其中其相对论效应改正方程如下：
Figure SMS_91
;
根据卫星的位置、速度和钟差获得所述第一改正数SSR产品，如下所示：
Figure SMS_92
;
其中，所述
Figure SMS_93
,
Figure SMS_94
,
Figure SMS_95
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_96
,
Figure SMS_97
,
Figure SMS_98
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_99
分别代表钟差、钟速和钟漂，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，其中第二改正数的获取，基于观测模型与设定的随机模型，根据预设的轨道与钟差，以及站点的坐标，估计出相位小数偏差、电离层、对流层等第二改正数。根据以上的计算获得改正数，一个位置，一个速度，一个钟差，在实际处理过程中会出现改成数SSR可以是相对于卫星质心COM也可以是卫星天线相位中心APC的，使用的时候需要根据播发的指示信息进行相应的修正。
相较于现有技术中获取改正数的方式，本发明采用强大的数据预处理算法，以获得稳定、精确的实时PPP结果。
S103、将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；
在具体的实施例中，将在服务端获得的改正数SSR产品、观测数据和广播星历采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输，北斗三号RDSS短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。北斗短报文两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII 码的方式，另一种为BCD码方式。北斗三号RDSS短报文通信与其它的卫星通信方式相比，“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能，这为用户的灵活使用提供了充足的空间。短报文不仅可点对点双向通信，而且其提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利。传统的实时PPP应用中，改正数SSR校正是通过地面无线电或（无线）因特网用Ntrip或TCP/IP协议传输的。然而，这些通信媒介不适用于是互联网是不可访问的。因此，卫星通信将是在海洋上传输修正的一个更好的选择。然而，普通的通信卫星成本很高，而北斗卫星通信系统更经济。
按照RTCM-SSR协议发展规划，第一步播发精密卫星轨道信息，卫星钟差以及卫星码偏差的发展，这与PPP 模式使用的IGS 产品是兼容的，可以满足使用双频接收机实时精密单点定位（DF-RT-PPP）的需要；第二步增加播发垂直总电子含量（VTEC）信息，可满足单频接收机实时精密单点定位（SF-RT-PPP）的需要；第三步快速固定解（PPP固定解+区域增强解），增加播发斜方向总电子含量、对流层信息、卫星相位偏差等信息，进而支持 PPP-RTK。
请参照表3和表4，GPS SSR 电文组由电文类型1057~1062 组成，GLONASS SSR 电文组由电文类型，1063~1068 组成，结构均分为电文头和若干组卫星数据体两部分，SSR 电文支持双频接收机的精密单点定位（PPP），轨道改正信息和钟差改正信息是相对于GPS 卫星广播电文（即IS-GPS-200D）的改正值。
表3 GPS SSR电文组
Figure SMS_100
表4GLONASS SSR电文组
Figure SMS_101
请参照表5和表6，以GPS电文类型1057来说明电文构成，提供GPS SSR轨道改正信息，电文头中的DF387（卫星数量）为卫星轨道数据体1057的总数量。
表5 电文1057电文头
Figure SMS_102
表6 电文1057数据体
Figure SMS_103
请参照表7，以GPS和GLONASS系统为例子来进行北斗三号RDSS短报文信道容量的计算，北斗三号RDSS短报文信道，包括使用一张或多张ID卡区域短报文，可传输的最大值为每1秒可传输14000bits的数据，传输速率的最大值为14000bps。在使用RTCM标准编码的情况下，拓展BDS与Galileo系统，本专利的可行性。
请参照表8以BDS系统为例子来进行北斗三号RDSS短报文信道容量的计算，Galileo系统类似。
表7 GPS与GLONASS SSR单个历元字节计算
Figure SMS_104
表8BDS SSR单个历元字节计算
Figure SMS_105
实现基本的PPP浮点结果，只需传递轨道与钟差改正数，而实现更高精度，则需要传递相位改正数SSR去实现模糊度固定。要实现快速收敛，则需要对流层，电离层改正数进行传递。
另外需要注意的是，为保证电文数据区最后一个字节的完整，应在循环冗余校验之前用“0”填充电文数据区的最后一个字节。因此差分电文总字节数是大于原有字节数的最小整数。例如，55.125 字节按照56 字节计算。
目前，GPS有卫星数31颗卫星可用，假设31颗卫星全部可以收到轨道钟差。
轨道与钟差分开来表示8.4 + 16.875*31 = 531.525 = 532字节；
8.375 + 9.5*31 = 302.875 = 303字节；
8.4 + 16.875*31 + 8.375 + 9.5*31 = 834.4 = 835字节
轨道钟差联合8.5 + 25.625*31 = 802.875 = 803字节
GLONASS有卫星数24颗卫星可用。
轨道与钟差分开来表示8.125 + 16.75*24 = 410.125 = 411字节；
8 +9.375*24 = 233字节；
8.125 + 16.75*24 + 8 + 9.375*24 = 643.125 = 644字节
轨道钟差联合8.125 + 25.5*24 = 620.125 = 621字节
BDS有44颗卫星可用，BDS的构造可以仿照GPS，所以BDS的构造如下所示：
轨道与钟差分开来表示8.4 + 16.875*44 = 750.9 = 751字节；
8.375 + 9.5*44 = 426.375 = 427字节
轨道钟差联合8.4 + 16.875*44 + 8.375 + 9.5*44 = 1177.275 = 1178字节
14000bits 等于 1750字节，560bits相当于70字节，也即是无论GPS，GLONASS，BDS系统，无论采用轨道钟差分开播发，还是一起播发，中国与亚太地区的区域短报文信道均满足单个历元容量要求。而全球短报文信道容量无法满足，此时考虑多张卡，以GPS轨道与钟差改正数联合播发为例子，需要835/70=12张卡就可以播发，实现全球实时PPP的应用。价格上，对于商业应用，例如StarFire可提供5cm的定位精度服务，应用领域包括陆地测绘，海洋定位，精密农业，空中摄影测量，GIS以及机械控制等。服务类型分为陆地服务和全球服务两种，可选购买期限有30天、90天、180天以及全年四种，其中陆地服务一年大概2万元（人民币）左右，全球服务一年大概7.5万元（人民币）。而一张北斗短报文卡平均为3000元每年，也即是采用北斗卡的方式，在中国区域乃至亚太地区，价格约相当于原来的二十分之一。
本发明为解决现有技术中校正延迟以及数据异常中断等问题，除了设计强大的数据预处理算法以外，通过还采用了北斗三号RDSS短报文信道进行传输，大大拓展了北斗卫星RDSS短报文信道的用途，同时也降低了海上定位技术的成本和提高了海上定位的准确度。
S104、若匹配成功，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成得到所述精密产品，以使用户端根据获取的卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
请参照表9和图3，在具体的实施例中，用户端中的广播星历的获取包括但不限于通过卫星、网络和接收机获取，根据用户端计算出的数据，包括改正数SSR产品、观测数据和广播星历，通过将改正数SSR产品进行传输至用户端，其中，将用户端获取的卫星广播星历与改正数SSR进行匹配，若匹配成功，则将单个历元观测数据，对应精密产品合成，将采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输的数据进行数据处理，首先读取一个历元观测数据并计算对应的该历元各类误差，基本的质量控制、周跳探测、粗差剔除，然后进行卡尔曼滤波，若部分卫星残差过大，则剔除残差过大的卫星，否则保存结果，最后得到用户所在位置的坐标、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
表9 详细的处理PPP数据的策略
Figure SMS_106
本发明实施例的优点在于，提出基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，利用北斗三号RDSS短报文信道进行传输，将添加压缩算法后的改正数SSR从服务端传向用户端，以使用户端成本低廉，并且在全球任意点均可实现高精度的PPP应用，与海事卫星通信相比，北斗三号RDSS短报文信道传输的改正数SSR可克服海上通信的局限性。因此，对于北斗短报文区域服务（表1所示），单张卡可实现实时PPP，对于北斗短报文全球服务（表2所示），只需要10张卡就可实现实时PPP。本发明在用户端处理中重新开发了更强大的数据处理算法，以应对各种挑战，如校正传输的时间延迟、数据中断和数据异常等。静态与动态实验结果表明，其水平精度为3cm，垂直精度优于5cm，收敛时间为15-30分钟，与通过互联网网络传输精度以及收敛所用的时间相当。总的来说，与使用卫星通信的PPP相比，所提出的短报文传输PPP SSR技术的好处在于成本高、精确度高和短融合。它将有很多应用前景位置基础设施服务，例如海上打桩、沙漠石油勘探和沙漠风力发电。
请参照图4，本发明实施例提供还提供一种基于北斗三号RDSS短报文高精度定位系统，包括：
采集模块11，获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括精密卫星轨道信息和钟差；
在具体的实施例中，在服务端获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，星站差分系统需要在全球范围均匀布设一定数量的地面跟踪站，利用这些跟踪站对GNSS卫星的观测值，观测值包括载波、伪距等，实时估计出精密卫星轨道信息和钟差。
计算模块12，根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；
在具体的实施例中，根据步骤S101获取的数据进行计算改正数SSR（Static SpaceRepresentation），改正数SSR为广域差分改正数或者状态空间改正数。在北斗三号RDSS短报文分为区域短报文服务（RSMC）和全球短报文服务（GSMC）。北斗三号RDSS短报文服务能力相对于北斗二代得到了极大提升，接收机发射功率降低到1-3W，单次通信能力提升到1000汉字，服务容量提高到 1000万次/小时以上。
请参照表1和表2，区域短报文功能性能以及其性能指标以及全球短报文功能性能的介绍如下：
表1 区域短报文功能性能
Figure SMS_107
表2 全球短报文功能性能
Figure SMS_108
RDSS是北斗系统的特点和亮点，是区别于GPS、GLONASS和Galileo系统的重要特色。北斗二代可为中国本土及周边区域北斗三代可以提供全球，快速定位、位置报告、短报文通信和高精度授时服务，因此短报文通信是RDSS服务的重要部分，是RDSS为实现位置报告衍生出的重要功能，在实际应用中获得了研究者的一致认可。
北斗短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。北斗短报文两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII 码的方式，另一种为BCD码方式。北斗短报文通信与其它的卫星通信方式相比，“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能，这为用户的灵活使用提供了充足的空间。短报文不仅可点对点双向通信，而且其提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利。传统的实时PPP应用中，改正数SSR校正是通过地面无线电或（无线）因特网用Ntrip或TCP/IP协议传输的。然而，这些通信媒介不适用于是互联网是不可访问的。因此，卫星通信将是在海洋上传输修正的一个更好的选择。然而，普通的通信卫星成本很高，而北斗卫星通信系统更经济。
本发明利用精密产品和广播星历进行做差计算，同时记录下当前计算的卫星系统的IOD（Issue of Data），为用户端进行精密产品的恢复匹配，作为第一改正数进行播发，具体的改正数生成如下：
轨道信息包括卫星的位置和卫星的速度，其中所述卫星的位置包括，在时间t内，卫星的精确位置
Figure SMS_109
如下：
Figure SMS_110
;
Figure SMS_111
;
Figure SMS_112
;
Figure SMS_113
;
Figure SMS_114
;
其中，
Figure SMS_116
代表的是广播星历计算的卫星位置，
Figure SMS_119
代表的是广播星历计算的卫星速度，
Figure SMS_122
,
Figure SMS_117
,
Figure SMS_120
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_123
,
Figure SMS_125
,
Figure SMS_115
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_118
,
Figure SMS_121
,
Figure SMS_124
分别代表卫星的径向、切向和法向三个方向的改正数。
其中，根据卫星位置的进行计算卫星速度，得到如下;
Figure SMS_126
;
其中，假设
Figure SMS_127
，则
Figure SMS_128
;
钟差的计算，根据精密产品进行计算，钟差
Figure SMS_129
的计算如下:
Figure SMS_130
;
Figure SMS_131
;
其中，
Figure SMS_132
为广播星历计算的钟差，其中其相对论效应改正方程如下：
Figure SMS_133
;
根据卫星的位置、速度和钟差获得所述第一改正数SSR产品，如下所示：
Figure SMS_134
;
其中，所述
Figure SMS_135
,
Figure SMS_136
,
Figure SMS_137
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure SMS_138
,
Figure SMS_139
,
Figure SMS_140
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure SMS_141
分别代表钟差、钟速和钟漂，进一步对相位小数偏差、电离层、对流层等误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，其中第二改正数的获取，基于观测模型与设定的随机模型，根据预设的轨道与钟差，以及站点的坐标，估计出相位小数偏差、电离层、对流层等第二改正数。根据以上的计算获得改正数，一个位置，一个速度，一个钟差。在实际处理过程中会出现改成数SSR可以是相对于卫星质心COM也可以是卫星天线相位中心APC的，使用的时候需要根据播发的指示信息进行相应的修正。
相较于现有技术中获取改正数的方式，本发明采用强大的数据预处理算法，以获得稳定、精确的实时PPP结果。
传输模块13，将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；
在具体的实施例中，将在服务端获得的改正数SSR产品、观测数据和广播星历采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输，北斗三号RDSS短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。北斗短报文两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII 码的方式，另一种为BCD码方式。北斗三号RDSS短报文通信与其它的卫星通信方式相比，“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能，这为用户的灵活使用提供了充足的空间。短报文不仅可点对点双向通信，而且其提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利。传统的实时PPP应用中，改正数SSR校正是通过地面无线电或（无线）因特网用Ntrip或TCP/IP协议传输的。然而，这些通信媒介不适用于是互联网是不可访问的。因此，卫星通信将是在海洋上传输修正的一个更好的选择。然而，普通的通信卫星成本很高，而北斗卫星通信系统更经济。
按照RTCM-SSR协议发展规划，第一步播发精密卫星轨道信息，卫星钟差以及卫星码偏差的发展，这与PPP 模式使用的IGS 产品是兼容的，可以满足使用双频接收机实时精密单点定位（DF-RT-PPP）的需要；第二步增加播发垂直总电子含量（VTEC）信息，可满足单频接收机实时精密单点定位（SF-RT-PPP）的需要；第三步快速固定解（PPP固定解+区域增强解），增加播发斜方向总电子含量、对流层信息、卫星相位偏差等信息，进而支持 PPP-RTK。
请参照表3和表4，GPS SSR 电文组由电文类型1057~1062 组成，GLONASS SSR 电文组由电文类型，1063~1068 组成，结构均分为电文头和若干组卫星数据体两部分，SSR 电文支持双频接收机的精密单点定位（PPP），轨道改正信息和钟差改正信息是相对于GPS 卫星广播电文（即IS-GPS-200D）的改正值。
表3 GPS SSR电文组
Figure SMS_142
表4GLONASS SSR电文组
Figure SMS_143
请参照表5和表6，以GPS电文类型1057来说明电文构成，提供GPS SSR轨道改正信息，电文头中的DF387（卫星数量）为卫星轨道数据体1057的总数量。
表5 电文1057电文头
Figure SMS_144
表6 电文1057数据体
Figure SMS_145
请参照表7，以GPS和GLONASS系统为例子来进行北斗三号RDSS短报文信道容量的计算，北斗三号RDSS短报文信道，包括使用一张或多张ID卡区域短报文，可传输的最大值为每1秒可传输14000bits的数据，传输速率的最大值为14000bps。在使用RTCM标准编码的情况下，拓展BDS与Galileo系统，本专利的可行性。
请参照表8以BDS系统为例子来进行北斗三号RDSS短报文信道容量的计算，Galileo系统类似。
表7 GPS与GLONASS SSR单个历元字节计算
Figure SMS_146
表8BDS SSR单个历元字节计算
Figure SMS_147
实现基本的PPP浮点结果，只需传递轨道与钟差改正数，而实现更高精度，则需要传递相位改正数去实现模糊度固定。要实现快速收敛，则需要对流层，电离层改正数进行传递。
另外需要注意的是，为保证电文数据区最后一个字节的完整，应在循环冗余校验之前用“0”填充电文数据区的最后一个字节。因此差分电文总字节数是大于原有字节数的最小整数。例如，55.125 字节按照56 字节计算。
目前，GPS有卫星数31颗卫星可用，假设31颗卫星全部可以收到轨道钟差。
轨道与钟差分开来表示8.4 + 16.875*31 = 531.525 = 532字节；
8.375 + 9.5*31 = 302.875 = 303字节；
8.4 + 16.875*31 + 8.375 + 9.5*31 = 834.4 = 835字节
轨道钟差联合8.5 + 25.625*31 = 802.875 = 803字节
GLONASS有卫星数24颗卫星可用。
轨道与钟差分开来表示8.125 + 16.75*24 = 410.125 = 411字节；
8 +9.375*24 = 233字节；
8.125 + 16.75*24 + 8 + 9.375*24 = 643.125 = 644字节
轨道钟差联合8.125 + 25.5*24 = 620.125 = 621字节
BDS有44颗卫星可用，BDS的构造可以仿照GPS，所以BDS的构造如下所示：
轨道与钟差分开来表示8.4 + 16.875*44 = 750.9 = 751字节；
8.375 + 9.5*44 = 426.375 = 427字节
轨道钟差联合8.4 + 16.875*44 + 8.375 + 9.5*44 = 1177.275 = 1178字节
14000bits 等于 1750字节，560bits相当于70字节，也即是无论GPS，GLONASS，BDS系统，无论采用轨道钟差分开播发，还是一起播发，中国与亚太地区的区域短报文信道均满足单个历元容量要求。而全球短报文信道容量无法满足，此时考虑多张卡，以GPS轨道与钟差改正数联合播发为例子，需要835/70=12张卡就可以播发，实现全球实时PPP的应用。价格上，对于商业应用，例如StarFire可提供5cm的定位精度服务，应用领域包括陆地测绘，海洋定位，精密农业，空中摄影测量，GIS以及机械控制等。服务类型分为陆地服务和全球服务两种，可选购买期限有30天、90天、180天以及全年四种，其中陆地服务一年大概2万元（人民币）左右，全球服务一年大概7.5万元（人民币）。而一张北斗短报文卡平均为3000元每年，也即是采用北斗卡的方式，在中国区域乃至亚太地区，价格约相当于原来的二十分之一。
本发明为解决现有技术中校正延迟以及数据异常中断等问题，除了设计强大的数据预处理算法以外，通过还采用了北斗三号RDSS短报文信道进行传输，大大拓展了北斗卫星RDSS短报文信道的用途，同时也降低了海上定位技术的成本和提高了海上定位的准确度。
生成模块14，若匹配成功，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成得到所述精密产品，以使用户端根据获取的卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
请参照表9和图3，在具体的实施例中，用户端中的广播星历的获取包括但不限于通过卫星、网络和接收机获取，根据用户端计算出的数据，包括改正数SSR产品、观测数据和广播星历，通过将改正数SSR产品进行传输至用户端，其中，将用户端获取的卫星广播星历与改正数SSR进行匹配，若匹配成功，则将单个历元观测数据，对应精密产品合成，将采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输的数据进行数据处理，首先读取一个历元观测数据并计算对应的该历元各类误差，基本的质量控制、周跳探测、粗差剔除，然后进行卡尔曼滤波，若部分卫星残差过大，则剔除残差过大的卫星，否则保存结果，最后得到用户所在位置的坐标、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
表9 详细的处理PPP数据的策略
Figure SMS_148
本发明实施例的优点在于，提出基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，利用北斗三号RDSS短报文信道进行传输，将添加压缩算法后的改正数SSR从服务端传向用户端，以使用户端成本低廉，并且在全球任意点均可实现高精度的PPP应用，与海事卫星通信相比，北斗三号RDSS短报文信道传输的改正数SSR可克服海上通信的局限性。因此，对于北斗短报文区域服务（表1所示），单张卡可实现实时PPP，对于北斗短报文全球服务（表2所示），只需要10张卡就可实现实时PPP。本发明在用户端处理中重新开发了更强大的数据处理算法，以应对各种挑战，如校正传输的时间延迟、数据中断和数据异常等。静态与动态实验结果表明，其水平精度为3cm，垂直精度优于5cm，收敛时间为15-30分钟，与通过互联网网络传输精度以及收敛所用的时间相当。总的来说，与使用卫星通信的PPP相比，所提出的短报文传输PPP SSR技术的好处在于成本高、精确度高和短融合。它将有很多应用前景位置基础设施服务，例如海上打桩、沙漠石油勘探和沙漠风力发电。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，其特征在于，包括：
获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括精密卫星轨道信息和钟差；
根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；
将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；
若匹配成功，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成得到所述精密产品，以使用户端根据获取的卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值；
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述精密产品中所述轨道信息包括，卫星的位置和卫星的速度，其中所述卫星的位置包括，在时间t内，卫星的精确位置
Figure QLYQS_1
如下：
Figure QLYQS_2
;
Figure QLYQS_3
;
Figure QLYQS_4
;
Figure QLYQS_5
;
Figure QLYQS_6
;
其中，
Figure QLYQS_8
代表的是广播星历计算的卫星位置，
Figure QLYQS_11
代表的是广播星历计算的卫星速度，
Figure QLYQS_14
,
Figure QLYQS_9
,
Figure QLYQS_12
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure QLYQS_15
，
Figure QLYQS_17
，
Figure QLYQS_7
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure QLYQS_10
,
Figure QLYQS_13
,
Figure QLYQS_16
分别代表卫星的径向、切向和法向三个方向的改正数；
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述卫星速度包括，根据所述卫星位置的计算，得到如下;
Figure QLYQS_18
;
其中，
Figure QLYQS_19
秒；
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述精密产品包括钟差，所述钟差
Figure QLYQS_20
的计算如下:
Figure QLYQS_21
;
Figure QLYQS_22
;
其中，
Figure QLYQS_23
为广播星历计算的钟差，其中其相对论效应改正方程如下：
Figure QLYQS_24
；
所述根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括:
根据所述卫星的位置、速度和钟差获得所述第一改正数SSR产品，如下所示：
Figure QLYQS_25
;
其中，所述
Figure QLYQS_26
,
Figure QLYQS_27
,
Figure QLYQS_28
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure QLYQS_29
,
Figure QLYQS_30
,
Figure QLYQS_31
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure QLYQS_32
分别代表钟差、钟速和钟漂，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品。
2.根据权利要求1所述的基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，其特征在于，所述将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输，包括:
所述北斗三号RDSS短报文信道，包括使用一张或多张ID卡区域短报文，可传输的最大值为每1秒可传输14000bits的数据，传输速率的最大值为14000bps。
3.根据权利要求1所述的基于北斗三号RDSS短报文的SSR传输方法，其特征在于，所述若匹配成功，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成恢复得到所述精密产品，以使用户端根据获取卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值，包括:
在所述用户端，将所述卫星广播星历和所述改正数SSR进行匹配，若匹配成功，则将单个历元观测数据、对应精密产品合成的数据进行数据处理，所述数据处理包括读取一个历元观测数据并计算对应的该历元各类误差，根据卡尔曼滤波，若判断部分卫星残差正常，则保存结果，获取用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值。
4.基于北斗三号RDSS短报文的高精度定位系统，其特征在于，包括：
采集模块，获取全球分布站点的卫星观测数据和广播星历，根据所述观测数据估计出精密产品，所述精密产品包括精密卫星轨道信息和钟差；
计算模块，根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品；
传输模块，将所述改正数SSR产品通过传输端进行传输至用户端，以使用户端根据接收到的所述改正数SSR产品和卫星广播星历进行匹配，其中，所述传输端采用北斗三号RDSS短报文信道进行传输；
生成模块，根据所述改正数SSR产品与所述卫星广播星历合成得到所述精密产品，以使用户端根据获取卫星观测数据和所述精密产品进行数据处理得到用户所在位置的坐标值、模糊度、系统间偏差值和钟差值；
所述计算模块根据所述精密产品和所述广播星历进行做差运算，获取第一改正数SSR产品，进一步对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品，包括：
所述精密产品中所述轨道信息包括，卫星的位置和卫星的速度，其中所述卫星的位置包括，在时间t内，卫星的精确位置
Figure QLYQS_33
如下：
Figure QLYQS_34
;
Figure QLYQS_35
;
Figure QLYQS_36
;
Figure QLYQS_37
;
Figure QLYQS_38
;
其中，
Figure QLYQS_39
代表的是广播星历计算的卫星位置，
Figure QLYQS_43
代表的是广播星历计算的卫星速度，
Figure QLYQS_46
,
Figure QLYQS_40
,
Figure QLYQS_42
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure QLYQS_45
，
Figure QLYQS_48
，
Figure QLYQS_41
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure QLYQS_44
,
Figure QLYQS_47
,
Figure QLYQS_49
分别代表卫星的径向、切向和法向三个方向的改正数；
所述卫星速度包括，根据所述卫星位置的计算，得到如下;
Figure QLYQS_50
;
其中，
Figure QLYQS_51
秒；
所述精密产品包括钟差，所述钟差
Figure QLYQS_52
的计算如下:
Figure QLYQS_53
;
Figure QLYQS_54
;
其中，
Figure QLYQS_55
为广播星历计算的钟差，其中其相对论效应改正方程如下：
Figure QLYQS_56
；
根据所述卫星的位置、速度和钟差获得所述第一改正数SSR产品，如下所示：
Figure QLYQS_57
;
其中，所述
Figure QLYQS_58
,
Figure QLYQS_59
,
Figure QLYQS_60
分别代表卫星的径向、切向和法向的位置，
Figure QLYQS_61
,
Figure QLYQS_62
,
Figure QLYQS_63
分别代表卫星的径向、切向和法向的速度，
Figure QLYQS_64
分别代表钟差、钟速和钟漂；对相位小数偏差误差、电离层误差、对流层误差进行分类提取，获取第二改正数SSR产品。
5.根据权利要求4所述的基于北斗三号RDSS短报文的高精度定位系统，其特征在于，所述传输模块，包括：
所述北斗三号RDSS短报文信道，包括使用一张或多张ID卡区域短报文，可传输的最大值为每1秒可传输14000bits的数据，传输速率的最大值为14000bps。
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