CN114236583A - 一种空间地理范围编码方法及全球范围内的gnss差分增强定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间地理范围编码方法及全球范围内的GNSS差分增强定位方法，包括以下步骤：基于空间地理范围编码方法，将当前GNSS差分增强服务有效的空间地理范围进行编码，得到字符串形式的格网编码；从收到的差分增强服务中解析出格网编码，依据空间地理范围编码方法，计算出当前GNSS差分增强服务有效的空间地理范围。

Description

一种空间地理范围编码方法及全球范围内的GNSS差分增强定 位方法
技术领域
本发明属于全球卫星导航定位技术领域，具体涉及一种空间地理范围编码方法及全球范围内的GNSS差分增强定位方法。
背景技术
鉴于全球卫星导航定位系统在实际应用中受相对论效应、钟误差、卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟、多路径误差、以及其它误差如地球自转、天线相位缠绕和天线相位中心误差等多种因素影响，因此，在实际的GNSS高精度定位应用中需要对上述影响因素进行消除或改正，不同的GNSS差分增强服务模型和系统在不同时期孕育而生。目前使用较多的GNSS差分增强服务模型和系统主要包括PPP(Precise Point Positioning，简称：PPP)、RTK(Real-Time Kinematic，简称RTK)、Network RTK(简称N-RTK)、PPP-AR和PPP-RTK模型等。
不同GNSS差分增强服务模型和系统实现思路基本一致，都是采用在不同的空间范围内对上述影响因素整体或逐个消除或改正。因为不同的GNSS差分增强服务模型和系统应用于不同的应用场景、通常采用不同的技术路线和空间划分范围，空间划分范围的划分原则、划分方式、空间基准点、支持范围等都不尽相同；因此，不同的GNSS差分增强服务模型和系统不能共享和复用，更不能在全球范围内进行使用、共享和服务。
发明内容
发明目的：为解决不同的GNSS差分增强服务模型和系统不能共享和复用，更不能在全球范围内进行使用、共享和服务的问题，本发明提出了一种全球范围内的GNSS差分增强定位方法，通过在全球范围内采用多比例尺逐级空间范围的划分和统一编码，可以适用于不同GNSS卫星系统和不同差分增强服务的空间范围划分、定义和编码。
技术方案：一种空间地理范围编码方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：以经度0度和纬度0度为原点，以正东和正北为正方向，建立用于表示全球空间范围的平面直角坐标系，坐标单位为度；所述全球空间地理范围包括东经180度～西经180度、南纬90度～北纬90度；
步骤2：将步骤1建立的平面直角坐标系划分为东半球和西半球，其中，东半球的空间地理范围包括东经0度～180度、南纬90度～北纬90度，西半球的空间地理范围包括西经0度～180度、南纬90度～北纬90度；对东半球和西半球进行格网编码，得到格网E和格网W，编码等级为第0级；
步骤3：在格网E的基础上进行2×2平均划分，得到分割后的第1级格网，对四个均分空间格网进行编码，格网编码记为：E0、E1、E2和E3；在格网W的基础上进行2×2平均划分，得到分割后的第1级格网，对四个均分空间格网进行编码，记为：W0、W1、W2和W3；
步骤4：在第1级格网的基础上逐级进行2×2平均划分，分别构成第2级格网、第3级格网……，格网编码记为E00、E01、E02和E03……，E000、E001、E002和E003……；
步骤5：构建以格网E为根节点，以在格网E的基础上逐级进行2×2平均划分得到的第1级格网、第2级格网、第3级格网……为叶节点的东半球的四叉树编码索引树；同理，构建以格网W为根节点，以在格网W的基础上逐级进行2×2平均划分得到的第1级格网、第2级格网、第3级格网……为叶节点的西半球的四叉树编码索引树；
步骤6：将要进行编码的空间地理范围依据东半球的四叉树编码索引树或西半球的四叉树编码索引树，进行编码，得到字符串形式的格网编码，该格网编码的长度减去1表示对根结点的空间地理范围进行2×2平均划分的次数；
其中，格网编码的第一个字母E或W对应东半球或西半球，对应的空间地理范围为(0°，-90°，180°，90.0°)或者(-180°，-90°，0°，90.0°)；
从头开始依次顺序取出格网编码的数字，采用(1,t,r,b)表示该数字在四叉树编码索引树中的父结点的空间地理范围，其中，数字0代表(1/2×1+r),t,r,1/2×t+b))，数字1代表(1/2×(1+r),1/2×(t+b),r,b)，数字2表示(1,1/2×(t+b),1/2×(1+r),b)，数字3表示(1,t,1/2×(1+r),1/2×(t+b))。
本发明还公开了一种全球范围内的GNSS差分增强定位方法，包括：
基于空间地理范围编码方法，将当前GNSS差分增强服务有效的空间地理范围进行编码，得到字符串形式的格网编码；
从收到的差分增强服务中解析出格网编码，依据空间地理范围编码方法，计算出当前GNSS差分增强服务有效的空间地理范围。
进一步的，所述格网编码长度根据不同GNSS差分增强服务的模型、能力和范围进行确定。
进一步的，当GNSS差分增强服务为Network RTK时，格网编码长度为13。
进一步的，当GNSS差分增强服务为PPP-RTK时，格网编码长度为7。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明的格网编码中隐含了空间范围，实现了格网编码与格网空间的无缝统一；
(2)本发明的格网编码对于GNSS差分增强服务的提供方和GNSS差分增强服务的使用方完全透明，在GNSS增强服务提供的过程中可以直接传送格网编码，增强了增强服务传输效率；
(3)在GNSS差分增强服务中，GNSS差分增强服务的提供方需要GNSS高精定位终端的位置才能提供相应的差分增强服务内容。在NTRIP协议标准中GNSS高精定位终端通过使用GGA信息告诉GNSS差分增强服务提供方自己位置，这种提供准确位置的方式相当于暴漏了GNSS差分增强服务使用方的较为精确的坐标，和服务使用方的隐私保护要求不符。使用本发明的格网编码相对于在GNSS差分增强服务双方之间定义和传送了透明的空间标识，格网编码中隐含了相对宽泛的坐标范围，符合服务使用方的隐私包含需求，从而从根本上解决了个人隐私等问题；
(4)GNSS差分增强服务根据差分服务能力在不同的区域播发不同级别格网的GNSS增强服务，在重点区域采用高等级格网增强服务，在一般区域采用相对低等级格网增强服务；
(5)本发明的格网编码适用于不同GNSS卫星系统和不同差分增强服务的空间范围划分、定义和编码，支持在不同的GNSS差分增强服务模型和系统中进行共享和复用。
附图说明
图1为全球空间范围对应的平面直角坐标系；
图2为格网E和格网W的划分示意图：
图3为第一级格网的划分示意图；
图4为两个独立的四叉树编码索引模型的示意图；
图5为格网编码与格网空间范围的转换示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
随着GNSS高精度定位需求的增长，特别是无人配送、自动驾驶和无人驾驶汽车的快速发展，以及功能安全、个人隐私等要求，GNSS差分增强服务逐步从PPP、N-RTK向PPP-RTK方面发展，差分增强服务提供范围从局部范围或区域范围逐步向往全球范围发展。基于该发展趋势，本发明涉及的全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)的差分增强服务系统在星基增强和陆基增强系统中差分增强服务的空间范围(或称格网)的定位方法，本发明的定位方法适用于不同全球卫星导航定位系统，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：采用标准经纬度网，建立表示全球空间范围的平面直角坐标系，该平面直角坐标系以经度0度和纬度0度为原点，以正东和正北为正方向，坐标单位为度；本发明提及的全球空间范围包括东经180度到西经180度、南纬90度到北纬90度；具体可参见图1。
步骤2：将全球空间范围划分为东西两个半球，东半球的空间范围包括东经0度到180度、南纬90度到北纬90度；西半球的空间范围包括西经0度到180度、南纬90度到北纬90度。将东半球和西半球作为第0级，进行第0级格网编码，记为：E和W，，具体可参见图2；
步骤3：在E和W的基础上进行2×2平均划分，形成第1级8个空间格网。2×2分割后的四个均分格网按照顺时针编码，分别为0、1、2、3；也就是说，第1级格网编码分别记为E0、E1、E2、E3、W0、W1、W2、W3，具体可参见图3；
步骤4：在第1级格网的基础上逐级进行2×2平均划分，分别构成第2级格网、第3级格网……，构成的格网编码为E00、E01、E02和E03……，E000、E001、E002和E003……；以此类推，建立两个独立的四叉树编码索引模型，四叉树编码索引模型中同顺时针或逆时针给四个子格网编码，子格网编码中的编号隐含了其子格网的空间范围，具体可参见图4。
步骤5：基于四叉树子格网编码模型，得到字符串形式的格网编码，在该字符串中，字母E或W代表东西两个半球，同时隐含着两个半球的空间范围；格网编码的字符串长度为在东/西半球上进行2×2平均分割的次数，字符串形式的格网编码中隐含了格网空间范围，因此可以实现格网编码和格网空间范围的无缝转换。用格网编码(字符串)计算格网空间范围的步骤包括：
格网编码的第一个字母“E”或“W”对应第0零级四叉树索引树的根结点空间范围为(0°，-90°，180°，90.0°)或者(-180°，-90°，0°，90.0°)。
格网编码字符串的长度减去1得到四叉树索引树深度，即在四叉树索引根结点的空间范围上2x2均分的次数。
从头开始依次顺序取出格网编码字符串的一个数字，用(1,t,r,b)代表该数字代表的四叉树索引的父结点的空间范围。数字“0”代表(1/2×(1+r),t,r,1/2×(t+b))，数字1代表(1/2×(1+r),1/2×(t+b),r,b)，数字2表示(1,1/2×(t+b),1/2×(1+r),b)，数字3表示(1,t,1/2×1+r),1/2×t+b))。
用格网编码字符串的四叉树结点代表的数字为索引，取出本四叉树索引结点代表的空间范围。
参见图5，给出了格网编码E0123123，其代表在东半球空间范围的基础上进行了7次2×2逐级平均划分，其对应的格网位置为E、0、1，2、3、1、2、3，其中，格网的位置可以通过E格网的空间范围(0°，180°)和(-90°，90°)计算出格网E0123123的格网空间范围为[(140.62497500°，12.65624500°)，(142.03122500°，14.06249500°)]，中心点为(141.328100°，13.359370°)。
通过步骤(1)～步骤(5)划分操作后，一般情况下，截至12级2×2逐级平均划分后，就可以形成了覆盖全球范围的各级格网划分服务，具体的，在全球范围就形成了大约5千米×5千米的格网的全球划分覆盖。
本发明对全球时空范围进行统一划分和编码，不同GNSS差分增强服务可根据需要进行动态选择不同级别的格网划分和格网编码，换言之，根据需求差分服务特点，不同的GNSS差分增强服务可以对应选择不同长度的格网编码，如对于N-RTK，可采用12级的格网编码，对于PPP-RTK，可采用第6级格网编码，因此本发明方法可以支持不同GNSS差分增强服务(包括N-RTK、PPP-RTK或其它增强模型)的格网定义和编码。
本发明得到的格网编码对于GNSS增强服务的提供方和使用方透明，因此GNSS增强服务的提供方在提供服务的过程中可根据实际情况调整增强区域的范围。
本发明提出的格网编码可应用于包括但不限于无人配送、自动驾驶和无人驾驶汽车、智慧城市、智慧农业、智慧交通、智慧监测等领域的GNSS高精定位增强服务协议中对于GNSS差分增强服务适用的空间地理范围的编码和播发。在GNSS差分增强播发服务中，GNSS高精服务平台在差分增强服务播发中通过格网编码指定当前的GNSS差分增强服务有效的空间地理范围；GNSS高精定位终端从收到的差分增强服务中解析出格网编码，通过格网编码规则计算出差分增强服务的具体的空间地理范围(PPP-RTK)或者进一步计算出虚拟参考基站的精确位置(N-RTK)，虚拟参考基站的精确位置是差分增强服务的空间地理范围的中心点坐标。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程。可提供这些计算机程序指令到计算机，使计算机执行的指令产生用于实现在流程图中一个流程或多个流程指定的功能的作用。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机，使得在计算机执行一系列操作步骤以完成处理，从而在计算机执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种空间地理范围编码方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：以经度0度和纬度0度为原点，以正东和正北为正方向，建立用于表示全球空间范围的平面直角坐标系，坐标单位为度；所述全球空间地理范围包括东经180度～西经180度、南纬90度～北纬90度；
步骤2：将步骤1建立的平面直角坐标系划分为东半球和西半球，其中，东半球的空间地理范围包括东经0度～180度、南纬90度～北纬90度，西半球的空间地理范围包括西经0度～180度、南纬90度～北纬90度；对东半球和西半球进行格网编码，得到格网E和格网W，编码等级为第0级；
步骤3：在格网E的基础上进行2×2平均划分，得到分割后的第1级格网，对四个均分空间格网进行编码，格网编码记为：E0、E1、E2和E3；在格网W的基础上进行2×2平均划分，得到分割后的第1级格网，对四个均分空间格网进行编码，记为：W0、W1、W2和W3；
步骤4：在第1级格网的基础上逐级进行2×2平均划分，分别构成第2级格网、第3级格网……，格网编码记为E00、E01、E02和E03……，E000、E001、E002和E003……；
步骤5：构建以格网E为根节点，以在格网E的基础上逐级进行2×2平均划分得到的第1级格网、第2级格网、第3级格网……为叶节点的东半球的四叉树编码索引树；同理，构建以格网W为根节点，以在格网W的基础上逐级进行2×2平均划分得到的第1级格网、第2级格网、第3级格网……为叶节点的西半球的四叉树编码索引树；
步骤6：将要进行编码的空间地理范围依据东半球的四叉树编码索引树或西半球的四叉树编码索引树，进行编码，得到字符串形式的格网编码，该格网编码的长度减去1表示对根结点的空间地理范围进行2×2平均划分的次数；
其中，格网编码的第一个字母E或W对应东半球或西半球，对应的空间地理范围为(0°，-90°，180°，90.0°)或者(-180°，-90°，0°，90.0°)；
从头开始依次顺序取出格网编码的数字，采用(1,t,r,b)表示该数字在四叉树编码索引树中的父结点的空间地理范围，其中，数字0代表(1/2×(1+r),t,r,1/2×(t+b))，数字1代表(1/2×(1+r),1/2×(t+b),r,b)，数字2表示(1,1/2×(t+b),1/2×(1+r),b)，数字3表示(1,t,1/2×(1+r),1/2×(t+b))。
2.一种全球范围内的GNSS差分增强定位方法，其特征在于：包括：
基于空间地理范围编码方法，将当前GNSS差分增强服务有效的空间地理范围进行编码，得到字符串形式的格网编码；
从收到的差分增强服务中解析出格网编码，依据空间地理范围编码方法，计算出当前GNSS差分增强服务有效的空间地理范围；
所述空间地理范围编码方法为权利要求1所述的一种空间地理范围编码方法。
3.根据权利要求2所述的一种全球范围内的GNSS差分增强定位方法，其特征在于：所述格网编码长度根据不同GNSS差分增强服务的模型、能力和范围进行确定。
4.根据权利要求2所述的一种全球范围内的GNSS差分增强定位方法，其特征在于：当GNSS差分增强服务为Network RTK时，格网编码长度为13。
5.根据权利要求2所述的一种全球范围内的GNSS差分增强定位方法，其特征在于：当GNSS差分增强服务为PPP-RTK时，格网编码长度为7。
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