CN113740885A - 基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统 - Google Patents

基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及卫星定位技术领域，公开了一种基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统，包括：NRTK服务模块，用于将接收到的原始观测数据和需要发起演练的指定类型的故障场景发送给故障数据获取模块；探针模块，用于根据接收到的指定类型的故障场景，动态地向NRTK服务模块的下游注入相应的故障数据获取模块；故障数据获取模块，用于将接收到的原始观测数据以及指定类型的故障场景发送给故障数据生成模块，并将接收到的故障模拟数据以及指定类型的故障场景发送给下游；故障数据生成模块，用于根据接收到的原始观测数据以及指定类型的故障场景，通过故障数据生成模型生成相应的故障模拟数据。

Description

基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统
技术领域
本申请涉及卫星定位技术领域，特别涉及卫星定位中的故障模拟技术。
背景技术
网络RTK(简称NRTK)差分定位技术需要为用户提供稳定实时差分数据服务。当地基增强系统的地面基站和空中卫星发生故障时，会直接影响定位服务的用户定位效果。因此，需要模拟卫星和基站问题评估对算法、服务乃至用户定位的影响程度。而当前业内对于基站和卫星模拟技术主要通过硬件资源模拟GPS接受机收到不同类型的干扰，这样做的问题在于，需要投入相对较大的专业人力资源和时间进行硬件资源的搭建，且无法融入网络服务做到正式用户影响评估，因此，不但灵活度不够，而且成本高、代价大、效率低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统，可以在无需对原有服务进行任何修改的情况下，模拟各种类型的场景的干扰，方便灵活，并且以更低地成本，更高的效率，增加定位系统的健壮性。
本申请公开了一种基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统，包括：
NRTK服务模块，用于将接收到的原始观测数据和需要发起演练的指定类型的故障场景发送给故障数据获取模块；
探针模块，用于根据接收到的所述指定类型的故障场景，动态地向所述NRTK服务模块的下游注入相应的故障数据获取模块；
故障数据获取模块，用于将接收到的所述原始观测数据以及指定类型的故障场景发送给故障数据生成模块，并将接收到的故障模拟数据以及指定类型的故障场景发送给下游；
故障数据生成模块，用于根据接收到的所述原始观测数据以及指定类型的故障场景，通过故障数据生成模型生成相应的故障模拟数据，并将所述指定类型的故障场景和相应的故障模拟数据发送给所述故障数据获取模块。
在一个优选例中，所述指定类型的故障场景为以下之一或其任意组合：多径场景，干扰场景，电离层闪烁场景，遮挡场景，以及星历误差场景。
在一个优选例中，所述故障数据生成模型用于根据所述指定类型的故障场景，对所述原始观测数据的伪距、和/或信号强度、和/或卫星时间增加相应的噪音，生成所述指定类型的故障场景下相应的故障模拟数据。
在一个优选例中，所述故障数据生成模块在线下环境下工作。
在一个优选例中，所述下游包括以下之一或其任意组合：用户模块、监控模块，或备份模块。
在一个优选例中，所述探针模块还用于撤销指定类型的故障场景相应的故障数据获取模块。
在一个优选例中，所述指定类型的故障场景是多径场景，所述故障数据生成模型通过对相对于基站呈不同方位角和高度角的卫星添加不同方差的伪距噪音，生成相应的故障模拟数据。
在一个优选例中，所述指定类型的故障场景是干扰场景，所述故障数据生成模型通过减少相应的干扰频段的信号强度，并对所述相应频段的伪距增加噪音，生成相应的故障模拟数据。
在一个优选例中，所述指定类型的故障场景是电离层闪烁场景，所述故障数据生成模型通过减少全量频段的信号强度，并对全量频段的伪距增加噪音，生成相应的故障模拟数据。
在一个优选例中，所述指定类型的故障场景是遮挡场景，所述故障数据生成模型通过对高度角超过预设的高度角阈值，和/或方位角超过预设的方位角阈值的卫星进行过滤，生成相应的故障模拟数据。
在一个优选例中，所述指定类型的故障场景是星历误差场景，所述故障数据生成模型通过对所述原始观测数据的卫星时间统一增加或者减少一个预先设定的数值，生成相应的故障模拟数据。
本说明书的实施例的基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统中，直接在服务端通过数据模型模拟基站在不同类型的场景的干扰下所产生的异常，可以在无需对原有服务进行任何修改的情况下，模拟各种类型的场景的干扰，方便灵活；进一步的，能够配合原有监控系统，更快速地定位不同基站和卫星问题对用户定位精度的影响程度；进一步的，通过动态注入和撤销故障数据获取模块，有效减少了故障模拟对原有服务产生的影响，降低故障模拟的成本，由此，以更低地成本，更高的效率，增加了定位系统的健壮性。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是根据本申请第一实施方式的基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统的结构示意图；
图2是根据本申请第一实施方式的基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统的工作场景示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
术语：
原始观测数据：是指GPS卫星接收机观测到卫星的原始观测数据，其中，GPS卫星接收机转化的原始二进制文件、将此二进制文件转化为与接收机无关的RTCM(全称“国际海运事业无线电技术委员会”)格式的数据。
故障模拟数据，是指根据不同类型的故障场景，通过故障模拟的方式，在原始观测数据的基础上生成的故障数据。
故障场景，是指发生故障的场景，例如，多径场景、干扰场景、电离层闪烁场景、遮挡场景、星历误差场景，等等。
星历数据，是一种星体轨道参数表，即用列表数据说明每隔一定时间某星体预定所在位置，或每隔一定时间某人造卫星预定所在位置。
RTK，全称是“Real-time kinematic”，是载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
NRTK，即网络RTK。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的第一实施方式涉及一种基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统，其结构如图1和图2所示，该基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统包括：NRTK服务模块、探针模块、故障数据获得模块，以及故障数据生成模块，具体的：
NRTK服务模块，即空间信息服务模块，用于接收卫星的原始观测数据，并在发起指定类型的故障场景的演练时，将所述原始观测数据和需要发起演练的指定类型的故障场景发送给故障数据获取模块；
优选地，在未发起演练时，NRTK服务模块则直接将卫星的原始观测数据发送给下游，下游可以是用户模块、监控模块，或备份模块，等等。
优选地，NRTK服务模块从上游接收卫星的原始观测数据，上游可以是例如RTCM/RAW接收转发模块，它将基站原始的二进制数据转化为与基站无关的RTCM/RAW格式。
优选地，卫星的原始观测数据可以是GPS卫星接收机转化的原始二进制文件、将此二进制文件转化为与接收机无关的RTCM格式的数据，RTCM是由国际海运事业无线电技术委员会(Radio Technical Commission for Maritimeservices)于1983年11月提出的GNSS差分信号格式。基站所在的地球坐标系的位置，包含：经度、纬度及高程。
探针模块，用于根据需要发起演练的指定类型的故障场景，动态地向NRTK服务模块的下游，包括：用户模块、监控模块，或备份模块，注入或撤销该指定类型的故障场景相应的故障数据获取模块。
具体地，注入故障数据获取模块，是通过在NRTK服务模块上动态增加故障数据获取模块的方式实现的，这种方式无需对原始NRTK服务做任何操作。
具体地，撤销故障数据获取模块，是指在NRTK服务模块上动态撤销故障数据获取模块，同样的，这种方式无需对原始NRTK服务做任何操作。
优选地，探针模块通过演练计划确定需要演练的指定类型的故障场景，该演练计划可以根据需要预先设定或调整。
优选地，指定类型的故障场景可以是：多径场景，干扰场景，电离层闪烁场景，遮挡场景，以及星历误差场景等等。
故障数据获取模块，用于将获取的卫星的原始观测数据以及指定类型的故障场景发送给故障数据生成模块，并将来自故障数据生成模块的故障模拟数据以及指定类型的故障场景发送给下游；
优选地，故障数据获取模块从NRKT服务模块获取卫星的原始观测数据。
优选地，下游可以是，例如：用户模块、监控模块，或备份模块。
故障数据生成模块，用于根据来自所述故障数据获取模块的所述原始观测数据以及指定类型的故障场景，通过故障数据生成模型，生成指定类型的故障场景的相应的故障模拟数据，并将所述故障模拟数据以及指定类型的故障场景发送给所述故障数据获取模块。故障数据生成模块是在线下环境下工作。
优选地，指定类型的故障场景可以是以下之一或其任意组合：
1)多径场景，根据反射物理距离，接收机的距离可分为远程回波和近程回波，远程回波和近程回波的数量分布分别呈现泊松分布，进一步的，远程回波数量相对近程回波数量少，不同卫星的仰角和多径延时造成的误差各不相同。当发生遮挡时，基站接收机会将多径信号当成卫星的直达信号，造成接收机伪距误差。
2)干扰场景：在干扰场景下，干扰会影响基站接收机的码跟踪、信号的捕获、载波跟踪和数据解调，由此导致基站接收机频繁丢星。
3)电离层闪烁场景：地球大气层中电离层的不规则性可能会导致基站接收机在短时间内无法跟踪一颗或更多的可见卫星。大多数情况下，电离层会在每一信号上附加一个延时，这个延时可以通过差分技术消除。然而，偶尔出现的电子密度不均匀会对卫星信号造成强干扰，需指出，电离层闪烁可能只对一颗或几颗卫星造成影响。
4)遮挡场景：在遮挡场景下，接收机会丢失遮挡位置的卫星信号。
5)星历误差场景：即，卫星系统轨迹误差，基站接收机接收到的卫星星历数据，例如：卫星时钟和轨迹等数据，可能存在误差。
优选地，所述故障数据生成模型用于根据所述指定类型的故障场景，对所述原始观测数据的伪距、和/或信号强度、和/或卫星时间增加相应的噪音，生成所述指定类型的故障场景下相应的故障模拟数据。
具体的，根据演练计划场景，对原始观测数据的伪距添加不同故障场景下，例如：多径场景、干扰场景、电离层闪烁场景、遮挡场景、星历误差场景下的相应的噪音。
更具体的，下面举例说明故障数据生成模型通过对原始观测数据的伪距添加不同的故障场景相应的噪音，获得不同的故障场景相应的故障模拟数据。
1)对于多径场景：故障数据生成模型可以通过对相对于基站呈不同方位角和高度角的卫星，添加不同方差的伪距噪音，以达到模拟多径场景下伪距异常的效果，生成相应的故障模拟数据。例如，原始伪距的值为：2.5341814438E7米，在此基础上增加20米的伪距：2.5341814458E7米。
2)对于干扰场景：故障数据生成模型可以通过减少相应的特定干扰频段的信号强度并对相应的特定频段的伪距增加噪音，生成相应的故障模拟数据。例如，GPS的L1频段原始信号强度为50DB(一般40 DB以上的信号强度为正常值)，修改之后GPS的L1频段信号强度变为35 DB。
3)对于电离层闪烁场景：故障数据生成模型可以通过减少全量频段的信号强度并对全量频段的伪距增加噪音，生成相应的故障模拟数据。例如，对全量各个卫星系统的全频段信号信号强度减少15DB的强度。
4)对于遮挡场景：故障数据生成模型可以通过对高度角超过预设的高度角阈值，和/或方位角超过预设的方位角阈值的卫星进行过滤，生成相应的故障模拟数据。例如，过滤方位角30度至50度，高度角小于60的卫星。
5)对于星历误差场景：故障数据生成模型可以通过对原始观测数据的卫星时间统一增加或者减少一预先设定的阈值，生成相应的故障模拟数据。其中，原始观测数据包含：卫星与观测站的伪距、信号强度和卫星时间，等等。例如，原始数据中GPS系统时间为1588904050106，再次基础上增加1秒的星历误差，则修改后的GPS系统时间为1588904051106。
本说明书的实施例的基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统中，直接在服务端通过数据模型模拟基站在不同类型的场景的干扰下所产生的异常，可以在无需对原有服务进行任何修改的情况下，模拟各种类型的场景的干扰，方便灵活；进一步的，能够配合原有监控系统，更快速地定位不同基站和卫星问题对用户定位精度的影响程度；进一步的，通过动态注入和撤销故障数据获取模块，有效减少了故障模拟对原有服务产生的影响，降低故障模拟的成本，由此，以更低地成本，更高的效率，增加了定位系统的健壮性。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种基于网络差分定位服务的基站和卫星故障模拟系统，其特征在于，包括：
NRTK服务模块，用于将接收到的原始观测数据和需要发起演练的指定类型的故障场景发送给故障数据获取模块；
探针模块，用于根据接收到的所述指定类型的故障场景，动态地向所述NRTK服务模块的下游注入相应的故障数据获取模块；
故障数据获取模块，用于将接收到的所述原始观测数据以及指定类型的故障场景发送给故障数据生成模块，并将接收到的故障模拟数据以及指定类型的故障场景发送给下游；
故障数据生成模块，用于根据接收到的所述原始观测数据以及指定类型的故障场景，通过故障数据生成模型生成相应的故障模拟数据，并将所述指定类型的故障场景和相应的故障模拟数据发送给所述故障数据获取模块。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定类型的故障场景为以下之一或其任意组合：多径场景，干扰场景，电离层闪烁场景，遮挡场景，以及星历误差场景。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述故障数据生成模型用于根据所述指定类型的故障场景，对所述原始观测数据的伪距、和/或信号强度、和/或卫星时间增加相应的噪音，生成所述指定类型的故障场景下相应的故障模拟数据。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述故障数据生成模块在线下环境下工作。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下游包括以下之一或其任意组合：用户模块、监控模块，或备份模块。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探针模块还用于撤销指定类型的故障场景相应的故障数据获取模块。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定类型的故障场景是多径场景，所述故障数据生成模型通过对相对于基站呈不同方位角和高度角的卫星添加不同方差的伪距噪音，生成相应的故障模拟数据。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定类型的故障场景是干扰场景，所述故障数据生成模型通过减少相应的干扰频段的信号强度，并对所述相应频段的伪距增加噪音，生成相应的故障模拟数据。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定类型的故障场景是电离层闪烁场景，所述故障数据生成模型通过减少全量频段的信号强度，并对全量频段的伪距增加噪音，生成相应的故障模拟数据。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定类型的故障场景是遮挡场景，所述故障数据生成模型通过对高度角超过预设的高度角阈值，和/或方位角超过预设的方位角阈值的卫星进行过滤，生成相应的故障模拟数据。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定类型的故障场景是星历误差场景，所述故障数据生成模型通过对所述原始观测数据的卫星时间统一增加或者减少一个预先设定的数值，生成相应的故障模拟数据。
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