CN114442128B - 一种基于天地一体化的广域高精度定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天地一体化的广域高精度定位系统，包括广域参考站、区域参考站、高精度增强服务平台、定位终端以及通信网络，其中，广域参考站和区域参考站用于接收来自GNSS卫星的原始观测数据，原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比和多普勒观测值；通信网络包括卫星通信网络和地面通信网络；高精度增强服务平台通过地面通信网络接收原始观测数据并根据原始观测数据获得实时增强信息并对实时增强信息进行播发；定位终端利用卫星通信网络或地面通信网络接收实时增强信息，并根据实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果。本发明能够同时兼顾PPP技术与网络RTK技术各自的优势，获得智能终端高精度定位结果。

Description

一种基于天地一体化的广域高精度定位系统及方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种基于天地一体化的广域高精度定位系统及方法。

背景技术

发达国家很早就使用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)技术于农业机械之中，在国外已经具有成熟的GPS技术应用于收割机和播种机。BDS(BeiDouNavigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统)的开通，未来定会为农业提供更加精确、智能的服务，北斗导航系统可应用于农机化技术通过卫星遥感、无人机、田间物联网设备共同架设"天眼地网"，定量、全面、立体化地获取农情数据，使用智能化农机设备精准控制农机耕种管收，从而实现农业机械化。

尽管BDS在农业机械领域的应用具有许多优势，例如精确定位、导航、实时数据统计以及作业质量与产量的实时监测，但是由于受许多现实情况的限制，卫星定位技术在中国农业机械发展上仍然有很多问题。卫星定位技术属于高新技术，所涉及的知识面非常广泛，所依托的技术层面和科学类别也很多，因此单独应用于农业机械的卫星定位技术的研发存在着较多的问题，由于现阶段对农机卫星的重视度不够高、研发经费非常有限、相关科研团队和从业人员比较少、农机卫星行业利润低等因素，都大大限制了农机卫星定位技术的发展。

另外，我国市场上用于农机的卫星定位产品一部分采用国外产品，从技术、终端产品、运行系统上整体上对国外产生了依赖，因而农机的卫星定位产品和技术必须全部实现国产化。但是，国内产品存在功能不完善、品种单一、质量不足等问题，国内相关产品生产公司不注重技术自主研发，一味地仿造国外先进产品，在技术先进程度、开发能力上有很大不足。

在农机自动化作业中，高精度的定位是重要基础保障，要实现实时、快速的高精度卫星定位，大气误差的精细修正、载波相位整周模糊度的归整固定、用户端单站实时增强定位解算技术是必须解决的科学技术问题。而PPP(Precise Point Positioning，精密单点定位)-RTK(Real-time kinematic，实时差分定位)技术的实现，则是建立在这些关键科学技术问题的攻关解决之上。

RTK由差分定位技术发展而来，其原理是卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等误差对相距不远的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)测站影响接近，因此可以通过站间观测值差分消除，进而实现相位模糊度的快速固定与瞬时厘米级定位。RTK技术，依赖于密集基准站资源，当多个基准站存在覆盖盲区时难以实现连续服务；另一方面采用“观测值”的形式提供改正数，不同区域“观测值”各异，因此对通信带宽要求高，而对于地域辽阔区域，网络覆盖条件不一，通信网络无法覆盖到农业作业区域，因此RTK技术无法适用于此区域。

PPP技术无需外部参考站，是一种全球尺度的非差定位技术，PPP通过全球分布的基准站解算高精度卫星星历产品修正用户轨道、钟差误差等，即可获得静态毫米至厘米级，动态厘米至分米级的定位服务，但是PPP需要近30分钟才能实现精密定位的初始化，且信号失锁后的重新初始化时间与首次初始化时间几乎一样长，因而限制了其在实时应用中的普及。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于天地一体化的广域高精度定位系统与方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于天地一体化的广域高精度定位系统，包括广域参考站、区域参考站、高精度增强服务平台、定位终端以及通信网络，其中，

所述广域参考站和所述区域参考站用于接收来自GNSS卫星的原始观测数据，所述原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比和多普勒观测值；

所述通信网络包括卫星通信网络和地面通信网络；

所述高精度增强服务平台通过所述地面通信网络接收来自所述广域参考站和所述区域参考站的原始观测数据并根据所述原始观测数据获得实时增强信息并对所述实时增强信息进行播发；

所述定位终端利用所述卫星通信网络或所述地面通信网络接收所述实时增强信息，并根据所述实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果。

在本发明的一个实施例中，所述区域参考站为间距在100Km以内设置的GNSS接收机。

在本发明的一个实施例中，所述高精度增强服务平台包括数据综合处理模块、增强信息播发处理模块和运行监控模块，其中，

所述数据综合处理模块用于接收来自所述广域参考站和所述区域参考站的原始观测数据并根据所述原始观测数据获得实时增强信息，所述实时增强信息包括广域修正产品和区域修正产品；

所述增强信息播发处理模块用于接收所述数据综合处理模块生成的广域修正产品和区域修正产品进行存储，并按照固定编码格式进行播发；

所述运行监控模块用于对建立各类实时增强信息的短期预报模型、所述广域修正产品和区域修正产品的可用性、连续性进行监测评估。

在本发明的一个实施例中，所述数据综合处理模块包括数据接收管理分流单元、广域增强处理单元、区域增强处理单元、存储单元和事后毫米级计算单元，其中，

所述数据接收管理分流单元用于接收来自所述广域参考站和所述区域参考站的原始观测数据，并将所述广域参考站的原始观测数据分发至所述广域增强处理单元，将所述区域参考站的原始观测数据分发至所述区域增强处理单元，并将所有原始观测数据传输至所述存储单元进行存储；

所述广域增强处理单元用于根据所述广域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得广域修正产品，所述广域修正产品包括卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数；

所述区域增强处理单元用于根据所述区域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得区域修正产品，所述区域修正产品包括区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数；

所述事后毫米级计算单元用于利用所述存储单元存储的观测数据，采用事后数据处理方法生成各类修正参数，以评估实时播发的修正产品精度。

在本发明的一个实施例中，所述增强信息播发处理模块包含数据接收单元、产品存储单元和产品播发单元，其中，

所述数据接收单元用于实时接收来自所述广域增强处理单元的广域修正产品和来自所述区域增强处理单元的区域修正产品；

所述产品存储单元用于存储所述广域修正产品和所述区域修正产品；

所述产品播发单元将所述广域修正产品和所述区域修正产品按照预定规则编码通过网络通信及卫星通信方式播发至所述定位终端使用。

在本发明的一个实施例中，所述定位终端能够在所述地面通信网络连通时利用所述地面通信网络接收来自所述高精度增强服务平台的实时增强信息，并且在所述地面通信网络未连通或断开时切换至所述卫星通信网络接收来自所述高精度增强服务平台的实时增强信息。

在本发明的一个实施例中，所述定位终端包括天线、GNSS模块、卫星通信模块、地面通信模块、定位模块和通信网络切换模块，其中，

所述天线用于接收来自GNSS卫星的GNSS导航信号；

所述GNSS模块用于根据所述GNSS导航信号生成原始观测值；

所述地面通信模块用于在所述地面通信网络连通时接收所述高精度增强服务平台生成的实时增强信息；

所述通信网络切换模块用于在所述地面通信网络为连接或断开时从所述地面通信模块切换至所述卫星通信模块，并利用所述卫星通信模块接收所述实时增强信息；

所述定位模块用于根据所述原始观测值和所述实时增强信息获得定位结果。

本发明的另一方面提供了一种基于天地一体化的广域高精度定位方法，所述方法包括：

S1：根据地理位置和地形特点选择区域参考站建站位置，建设区域参考站，所述区域参考站为间距在100Km以内的GNSS接收机；

S2：利用广域参考站和区域参考站接收来自GNSS卫星的原始观测数据，所述原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比、多普勒观测值；

S3：根据所述原始观测数据获得实时增强信息并对所述实时增强信息进行播发，所述实时增强信息包括广域修正产品和区域修正产品；

S4：在定位终端上利用卫星通信网络或地面通信网络接收所述实时增强信息，并根据所述实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果。

在本发明的一个实施例中，所述S3包括：

利用所述广域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得广域修正产品，所述广域修正产品包括卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数；

利用所述区域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得区域修正产品，所述区域修正产品包括区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数。

在本发明的一个实施例中，所述S4包括：

在所述地面通信网络连通时利用所述地面通信网络接收所述实时增强信息，并且在所述地面通信网络未连通或断开时切换至所述卫星通信网络接收所述实时增强信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于天地一体化的广域高精度定位系统能够同时兼顾PPP技术与网络RTK技术各自的优势，采用现有的各类卫星轨道和钟差产品，实现对全球PPP与区域RTK在技术上的统一和服务上的无缝连接。使网内和网外用户基于同一种数据处理模式(PPP模式)获得不同精度需求的精密定位服务：网内接收到区域误差改正信息的用户端可获得与网络RTK模式相等价的快速精密定位结果，而网外或未接收到该区域误差改正信息的用户则得到PPP模式的定位精度。

2、快速高精度区域增强PPP的实现依赖于高精度的非差综合改正数。对于用户而言，不同参考网提供的非差改正数精度存在差异，参考网与用户的距离越近，改正数的精度越高，相应的用户定位精度越高，收敛速度越快。在用户动态定位中，不可避免地会遇到由于运动逐渐远离当前参考网的情形，此时距离的增加，将会导致改正数精度的不断降低。为维持用户高精度的定位性能，本发明的定位终端可以切换较近的参考网，可以有效解决这个问题。

3、广域区域产品独立生成、双链路备份与多手段播发。为实现PPP-RTK功能，需同时生成高精度的广域产品与区域产品，本发明的数据综合处理模块分成广域增强处理单元和区域增强处理单元两个独立模块，分别生成广域产品和区域产品，二者采用独立的硬件配置和软件系统，保障二者之间不相互干扰；同时，数据综合处理模块均采用双链路备份手段进行解算，大大降低各种外因导致的产品生成中断的故障；此外，为解决偏远地区数据通信问题，将移动通信、卫星通信和地面网络通信等通信方式有机结合，保证增强信息发送和接收的及时性和稳定性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于天地一体化的广域高精度定位系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种高精度增强服务平台的结构框图；

图3是本发明实施例提供的广域增强处理单元进行卫星轨道修正处理算法的实现流程图；

图4是本发明实施例提供的一种PPP-RTK增强信息生成技术的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种定位终端的结构框图；

图6是本发明实施例提供的一种PPP-RTK定位算法流程图；

图7是本发明实施例提供的一种定位终端的定位过程示意图；

图8是本发明实施例提供的一种基于天地一体化的广域高精度定位方法的流程图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于天地一体化的广域高精度定位系统与方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，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。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物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于天地一体化的广域高精度定位系统的结构框图。该广域高精度定位系统包括广域参考站1、区域参考站2、高精度增强服务平台3、定位终端4以及通信网络5，其中，广域参考站1和区域参考站2用于接收来自GNSS卫星的原始观测数据，原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比和多普勒观测值；通信网络5包括卫星通信网络和地面通信网络；高精度增强服务平台3通过地面通信网络接收来自广域参考站1和区域参考站2的原始观测数据并根据原始观测数据获得实时增强信息并对实时增强信息进行播发；定位终端4利用卫星通信网络或地面通信网络接收实时增强信息，并根据实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果。

本实施例根据广域定位的需求，分析地理位置、地形特点、选择区域参考站建站位置，建设多个区域参考站2，将区域参考站2接收到的原始观测数据传送至高精度增强服务平台3，结合广域参考站1的原始观测数据，利用综合信息融合处理算法和应用技术，生成高精度实时卫星轨道和钟差修正参数等广域高精度增强信息，以及大气参数和相位小数偏差参数等区域增强信息，通过增强信息播发处理与监控软件编辑高精度增强信息电文，经由卫星通信网络和地面通信网络实现天地一体化高精度增强信息的播发。定位终端4实时接收GNSS导航信号和实时增强信息，实现实时高精度PPP(Precise Point Positioning，精密单点定位)-RTK(Real-time kinematic，实时差分定位)定位，并支持多种定位模式自主切换，能够将高精度定位结果输出至定位终端控制设备。

实施例的参考站包括广域参考站1和区域参考站2，主要完成GNSS导航卫星信号的接收，并将原始观测数据传送至高精度增强服务平台3。广域参考站1使用已有的数据资源，包括北斗地基增强系统国家数据处理备份中心155个国内框架网参考站和全球连续监测评估系统国内外参考站的原始观测数据。区域参考站2将根据实际需要，例如在黑土地和大河湾示范区的范围进行布设，优选地，区域参考站2为间距在100Km以内设置的GNSS接收机，更进一步地，通过在有地面通信网络的区域架设GNSS接收机作为区域参考站，将区域参考站接收机的原始观测数据通过地面通信网络传输至高精度增强服务平台3。

高精度增强服务平台3主要完成高精度增强信息的计算、播发、管理和监测等功能，包括硬件设备和业务软件。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种高精度增强服务平台的结构框图。本实施例的高精度增强服务平台3包括数据综合处理模块31、增强信息播发处理模块32和运行监控模块33。

数据综合处理模块31用于接收来自广域参考站1和区域参考站2的原始观测数据并根据原始观测数据获得实时增强信息，实时增强信息包括广域修正产品和区域修正产品；增强信息播发处理模块32用于接收数据综合处理模块31生成的广域修正产品和区域修正产品进行存储，并按照固定编码格式进行播发；运行监控模块33用于对建立各类实时增强信息的短期预报模型、广域修正产品和区域修正产品的可用性、连续性进行监测评估。

进一步地，数据综合处理模块31包括数据接收管理分流单元311、广域增强处理单元312、区域增强处理单元313、存储单元314和事后毫米级计算单元315，其中，数据接收管理分流单元311用于接收来自广域参考站1和区域参考站2的原始观测数据，并将广域参考站1的原始观测数据分发至广域增强处理单元312，将区域参考站2的原始观测数据分发至区域增强处理单元313，并将所有原始观测数据传输至存储单元314进行存储；广域增强处理单元312用于根据广域参考站1的原始观测数据进行实时数据处理，获得广域修正产品，广域修正产品包括卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数；区域增强处理单元313用于根据区域参考站2的原始观测数据进行实时数据处理，获得区域修正产品，区域修正产品包括区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数；事后毫米级计算单元315用于利用存储单元314存储的观测数据，采用事后数据处理方法生成各类修正参数，以评估实时播发的修正产品精度。

具体地，数据综合处理模块31通过数据接收管理分流单元311接收广域参考站1和区域参考站2送来的原始观测数据，通过广域增强处理单元312和区域增强处理单元313实时计算处理生成卫星轨道修正参数、卫星钟差修正参数、区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数等各类高精度的实时增强信息，存储单元314存储各类参考站观测数据，用于事后毫米级计算单元315生成各类改正数用于事后分析产品性能，从而改进产品生成算法。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的广域增强处理单元进行卫星轨道修正处理算法的实现流程图。广域增强处理单元312中的卫星轨道修正参数计算子单元通过广域参考站小时观测数据生成超快速卫星轨道产品，包括72小时轨道数据以及2小时预报轨道，更新速率为1小时；若由于特殊原因在规定的一小时内未给出更新的超快速星历，后续计算使用前一时段的超快速轨道，最新的超快速轨道应在1小时的备用时间内给出。得到卫星精确的预报轨道之后将其与广播星历相同时刻的卫星位置做差，可以得到该时刻三个方向的轨道修正参数值。根据时刻间的轨道误差修正参数可以计算得到轨道误差修正变化率。最后将轨道误差修正参数和轨道误差修正变化率通过网络或星基的方式播发给用户。

本实施例的广域增强处理单元312进行卫星轨道修正处理大致分为四个步骤：1)对原始观测数据进行预处理；2)建立观测方程，进行参数估计，固定模糊度，得到某一时刻每颗卫星精确的状态参数；3)对每颗卫星的状态参数进行轨道积分，得到实测部分轨道以及预报部分轨道；4)通过预报轨道与广播星历的差值，可以得到卫星轨道修正参数和卫星轨道修正变化率。通过上述流程可以得到实时卫星轨道修正参数，精度优于8cm。

需要说明的是，为实现PPP-RTK的功能，需同时生成高精度的广域修正产品和区域修正产品，而广域修正产品和区域修正产品的生成主要由广域增强处理单元312和区域增强处理单元313这两个独立模块完成，广域增强处理单元312主要实时计算处理生成卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数，区域增强处理单元313主要实时计算生成相位小数偏差参数、区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数等区域产品，二者采用独立的硬件配置和软件系统，保障二者之间不相互干扰；同时，广域修正产品和区域修正产品的生成过程均采用双链路备份手段进行解算，大大降低各种外因导致的产品生成中断的故障。

本实施例针对定位终端4的北斗实时高精度导航定位的需求，突破卫星轨道修正参数实时生成、卫星钟差修正参数实时生成、区域电离层延迟改正数实时生成、区域对流层延迟改正数实时生成和相位小数偏差参数实时生成等关键技术，生成各类高精度的实时增强信息，建立各类增强信息的短期预报模型和产品的可用性连续性监测评估体系，为用户端的高精度定位提供可靠的增强产品，支撑和保障用户端的实时高精度导航定位。

进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种PPP-RTK增强信息生成技术的流程图。本实施例利用广域参考站的观测数据以及各种信息融合处理算法和应用技术，生成高精度实时卫星轨道，因轨道变化较慢，可以以较低采样率进行播发；为了满足实时用户对高采样率精密卫星钟差产品的需求，采用高效稳健的快速估钟算法，突破高采样率钟差计算效率，实现钟差的高采样率播发；使用估计的精密轨道和钟差生成相位小数偏差，用于实现区域参考站的PPP固定解；通过前述生成的精密的轨道、钟差、相位小数偏差和区域参考站已知的精确坐标，可以实现模糊度快速固定，通过相应算法建立区域电离层和对流层模型，将模型参数进行播发，用于参考站有效服务范围内的定位增强服务。

进一步地，针对地域广阔、地面通信手段覆盖不完全的问题，本实施例提出了高精度定位天地一体化增强信息播发解决方案，研究PPP-RTK高精度增强信息数据播发内容、更新周期、数据格式、信息速率等。本实施例的增强信息播发处理模块32包含数据接收单元321、产品存储单元322和产品播发单元323，其中，数据接收单元321用于实时接收来自广域增强处理单元312的广域修正产品和来自区域增强处理单元313的区域修正产品；产品存储单元322用于存储广域修正产品和区域修正产品，存储后的产品可用于播发接收解码数据比对验证，同时也可以用于事后使用；产品播发单元323将广域修正产品和区域修正产品按照预定规则编码通过网络通信及卫星通信方式播发给定位终端4使用。为解决偏远地区数据通信问题，将移动通信、卫星通信和地面网络通信等通信方式有机结合，通过天地一体化方式，保证增强信息发送和接收的及时性和稳定性。

增强信息播发处理模块32的播发内容包括卫星轨道修正数据、卫星钟差修正数据、相位偏差修正数据、区域电离层延迟改正数据、区域对流层延迟改正数据等，具体如表1，具体详细设计如下，其中，Nsat＝卫星数量，Nsig＝信号数量，Msat＝区域卫星数量，Ngrid＝区域格网数量。

表1 PPP-RTK高精度增强信息数据播发内容

本实施例的运行监控模块33通过系统运行监控单元、运行系统管理单元和系统性能评估单元等建立各类增强信息的短期预报模型和产品的可用性连续性监测评估体系，为农机用户端的高精度定位提供可靠的增强产品，支撑和保障农机的实时高精度导航定位。具体地，所述系统运行监控单元主要监测数据综合处理模块31和增强信息播发处理模块32中的各个单元是否正常运行，所述系统性能评估单元主要评估数据综合处理模块31和增强信息播发处理模块32中的实时解算是符合要求，比如对广域增强处理单元以及区域增强处理单元实时计算生成相位小数偏差参数、区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数等区域产品建立各类增强信息的短期预报模型和产品的可用性连续性监测评估体系，此外对增强信息播发处理模块32的数据接收单元稳定性进行监测，对数据播发单元产品的完整性建立监测。所述系统运行管理单元主要负责对整个基于天地一体化的广域高精度定位系统的软、硬件进行管理。通过整个运行监控系统能够保证系统良好运行，为农机用户端的高精度定位提供可靠的增强产品，支撑和保障农机的实时高精度导航定位。

进一步地，定位终端4主要实现高精度定位功能，并将定位结果传输至指定设备，本实施例的定位终端4能够在地面通信网络连通时利用地面通信网络接收来自高精度增强服务平台3的实时增强信息，并且在地面通信网络未连通或断开时切换至卫星通信网络接收来自高精度增强服务平台3的实时增强信息。请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种定位终端的结构框图，本实施例的定位终端4包括天线41、GNSS模块42、卫星通信模块43、地面通信模块44、定位模块45和通信网络切换模块46，其中，天线41用于接收来自GNSS卫星的GNSS导航信号；GNSS模块42用于根据GNSS导航信号生成原始观测值；地面通信模块43用于在地面通信网络连通时接收高精度增强服务平台3生成的实时增强信息；通信网络切换模块46用于在地面通信网络为连接或断开时从地面通信模块44切换至卫星通信模块43，并利用卫星通信模块42接收实时增强信息；定位模块45用于根据原始观测值和实时增强信息获得定位结果。

需要说明的是，本实施例定位终端4采用广域高精度与区域高精度定位技术结合的PPP-RTK定位技术，基于嵌入式的PPP-RTK定位算法，能够实现用户终端的实时PPP-RTK定位功能，利用卫星通信模块43和地面通信模块44，能够满足通信卫星、4G/5G移动通信、WIFI等多种通信手段的数据传输需求，通过终端智能切换集成差分通信链路技术，实现高精度定位终端的智能传输处理；还可以通过高精度定位终端多种定位模式自主切换技术，支持PPP-RTK、PPP、SPP(single point positioning，单点定位模式)等多种定位模式，满足终端定位需求。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种PPP-RTK定位算法流程图。本实施例的PPP-RTK定位算法以精密单点定位模型为基础，定位终端接收来自GNSS卫星的GNSS导航信号并根据GNSS导航信号生成原始观测值，同时结合接收解析得到的实时轨道、实时钟差、相位小数偏差、区域电离层模型参数和区域对流层模型参数后，进行PPP-RTK定位解算，实时输出高精度定位结果。进一步地，请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种定位终端的定位过程示意图。PPP-RTK点位算法与精密单点定位相同的误差项采用相同的误差模型处理，保证在没有高精度的区域大气改正增强模型时，定位终端以实时轨道、实时钟差和相位小数改正为基础，采用PPP-AR算法进行实时解算；在相位小数偏差改正也缺失时，定位终端基于播发的实时轨道和实时钟差采用精密单点定位算法(PPP)进行实时解算；在完全无外部修正数据时，采用单点定位模式(SPP)进行解算。

如上所述，本实施例的通信网络5包括卫星通信网络和地面通信网络，卫星通信网络采用地球同步轨道通信卫星来实现高精度增强信息的实时广播，采用诸如天通一号卫星来实现天基播发。地面通信网络包括4G/5G移动通信、WIFI等多种通信手段，地面通信也能实现高精度增强信息的播发与接收，本实施例采用卫星通信网络和地面通信网络结合的方式，在地面通信网络连通时利用地面通信网络接收来自高精度增强服务平台3的实时增强信息，在地面通信网络未连通或断开时切换至卫星通信网络接收来自高精度增强服务平台3的实时增强信息，共同支撑黑土地智能农机高精度增强信息广域播发。

本实施例基于天地一体化的广域高精度定位系统能够同时兼顾PPP技术与网络RTK技术各自的优势，采用现有的各类卫星轨道和钟差产品，实现对全球PPP与区域RTK在技术上的统一和服务上的无缝连接。使网内和网外用户基于同一种数据处理模式(PPP模式)获得不同精度需求的精密定位服务：网内接收到区域误差改正信息的用户端可获得与网络RTK模式相等价的快速精密定位结果，而网外或未接收到该区域误差改正信息的用户则得到PPP模式的定位精度。此外，为维持用户高精度的定位性能，本发明的定位终端可以切换较近的参考网，可以有效解决这个问题。

实施例二

请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种基于天地一体化的广域高精度定位方法的流程图。本实施例的广域高精度定位方法包括：

S1：根据地理位置和地形特点选择区域参考站建站位置，建设区域参考站；

S2：利用广域参考站和区域参考站接收来自GNSS卫星的原始观测数据，所述原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比、多普勒观测值。

在本实施例中，广域参考站1使用已有的数据资源，包括北斗地基增强系统国家数据处理备份中心155个国内框架网参考站和全球连续监测评估系统国内外参考站的原始观测数据。区域参考站2将根据实际需要，例如在黑土地和大河湾示范区的范围进行布设，优选地，区域参考站2为间距在100Km以内设置的GNSS接收机，更进一步地，通过在有地面通信网络的区域架设GNSS接收机作为区域参考站，将区域参考站接收机的原始观测数据通过地面通信网络传输至高精度增强服务平台3。

S3：根据所述原始观测数据获得实时增强信息并对所述实时增强信息进行播发，所述实时增强信息包括广域修正产品和区域修正产品。

进一步地，所述S3包括：

利用所述广域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得广域修正产品，所述广域修正产品包括卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数；利用所述区域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得区域修正产品，所述区域修正产品包括区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数。

在本实施例中，本步骤是利用高精度增强服务平台完成的，主要完成高精度增强信息的计算、播发、管理和监测等功能，包括硬件设备和业务软件，具体执行过程请参见实施例一，这里不再赘述。

S4：在定位终端上利用卫星通信网络或地面通信网络接收所述实时增强信息，并根据所述实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果。

具体地，在所述地面通信网络连通时利用所述地面通信网络接收所述实时增强信息，并且在所述地面通信网络未连通或断开时切换至所述卫星通信网络接收所述实时增强信息。

进一步地，本实施例定位终端采用广域高精度与区域高精度定位技术结合的PPP-RTK定位技术，基于嵌入式的PPP-RTK定位算法，能够实现用户终端的实时PPP-RTK定位功能，利用卫星通信模块43和地面通信模块44，能够满足通信卫星、4G/5G移动通信、WIFI等多种通信手段的数据传输需求，通过终端智能切换集成差分通信链路技术，实现高精度定位终端的智能传输处理；还可以通过高精度定位终端多种定位模式自主切换技术，支持PPP-RTK、PPP、SPP等多种定位模式，满足终端定位需求。

本实施例基于天地一体化的广域高精度定位系统能够同时兼顾PPP技术与网络RTK技术各自的优势，采用现有的各类卫星轨道和钟差产品，实现对全球PPP与区域RTK在技术上的统一和服务上的无缝连接。使网内和网外用户基于同一种数据处理模式(PPP模式)获得不同精度需求的精密定位服务：网内接收到区域误差改正信息的用户端可获得与网络RTK模式相等价的快速精密定位结果，而网外或未接收到该区域误差改正信息的用户则得到PPP模式的定位精度。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于天地一体化的广域高精度定位系统，其特征在于，包括广域参考站(1)、区域参考站(2)、高精度增强服务平台(3)、定位终端(4)以及通信网络(5)，其中，

所述广域参考站(1)和所述区域参考站(2)用于接收来自GNSS卫星的原始观测数据，所述原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比和多普勒观测值，所述区域参考站(2)为间距在100Km以内设置的GNSS接收机；

所述通信网络(5)包括卫星通信网络和地面通信网络；

所述高精度增强服务平台(3)通过所述地面通信网络接收来自所述广域参考站(1)和所述区域参考站(2)的原始观测数据并根据所述原始观测数据获得实时增强信息并对所述实时增强信息进行播发；

所述定位终端(4)利用所述卫星通信网络或所述地面通信网络接收所述实时增强信息，并根据所述实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果，

所述高精度增强服务平台(3)包括数据综合处理模块(31)、增强信息播发处理模块(32)和运行监控模块(33)，其中，

所述数据综合处理模块(31)用于接收来自所述广域参考站(1)和所述区域参考站(2)的原始观测数据并根据所述原始观测数据获得实时增强信息，所述实时增强信息包括广域修正产品和区域修正产品；

所述增强信息播发处理模块(32)用于接收所述数据综合处理模块(31)生成的广域修正产品和区域修正产品进行存储，并按照固定编码格式进行播发，所述增强信息播发处理模块(32)的播发内容包括卫星轨道修正数据、卫星钟差修正数据、相位偏差修正数据、区域电离层延迟改正数据和区域对流层延迟改正数据；

所述运行监控模块(33)用于对建立各类实时增强信息的短期预报模型、所述广域修正产品和区域修正产品的可用性、连续性进行监测评估；

所述数据综合处理模块(31)包括数据接收管理分流单元(311)、广域增强处理单元(312)、区域增强处理单元(313)、存储单元(314)和事后毫米级计算单元(315)，其中，所述广域增强处理单元(312)和所述区域增强处理单元(313)为两个独立的模块，二者采用独立的硬件配置和软件系统；

所述数据接收管理分流单元(311)用于接收来自所述广域参考站(1)和所述区域参考站(2)的原始观测数据，并将所述广域参考站(1)的原始观测数据分发至所述广域增强处理单元(312)，将所述区域参考站(2)的原始观测数据分发至所述区域增强处理单元(313)，并将所有原始观测数据传输至所述存储单元(314)进行存储；

所述广域增强处理单元(312)用于根据所述广域参考站(1)的原始观测数据进行实时数据处理，获得广域修正产品，所述广域修正产品包括卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数；

所述区域增强处理单元(313)用于根据所述区域参考站(2)的原始观测数据进行实时数据处理，获得区域修正产品，所述区域修正产品包括区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数；

所述事后毫米级计算单元(315)用于利用所述存储单元(314)存储的观测数据，采用事后数据处理方法生成各类修正参数，以评估实时播发的修正产品精度，其中，

所述广域增强处理单元(312)进行卫星轨道修正处理分为四个步骤：(1)对原始观测数据进行预处理；(2)建立观测方程，进行参数估计，固定模糊度，得到某一时刻每颗卫星精确的状态参数；(3)对每颗卫星的状态参数进行轨道积分，得到实测部分轨道以及预报部分轨道；(4)通过预报轨道与广播星历的差值，得到卫星轨道修正参数和卫星轨道修正变化率；

所述增强信息播发处理模块(32)包含数据接收单元(321)、产品存储单元(322)和产品播发单元(323)，其中，

所述数据接收单元(321)用于实时接收来自所述广域增强处理单元(312)的广域修正产品和来自所述区域增强处理单元(313)的区域修正产品；

所述产品存储单元(322)用于存储所述广域修正产品和所述区域修正产品；

所述产品播发单元(323)将所述广域修正产品和所述区域修正产品按照预定规则编码通过地面通信网络及卫星通信网络播发至所述定位终端(4)使用；

所述定位终端(4)具体用于：

以精密单点定位模型为基础，所述定位终端(4)接收来自GNSS卫星的GNSS导航信号并根据GNSS导航信号生成原始观测值，同时结合接收解析得到的实时轨道、实时钟差、相位小数偏差、区域电离层模型参数和区域对流层模型参数后，进行PPP-RTK定位解算，实时输出高精度定位结果，进一步地，PPP-RTK点位算法与精密单点定位相同的误差项采用相同的误差模型处理，保证在没有精确区域大气改正增强模型时，所述定位终端(4)以实时卫星轨道修正数据、实时卫星钟差修正数据和相位小数偏差改正为基础，采用PPP-AR算法进行实时解算；在相位小数偏差改正也缺失时，定位终端基于播发的实时卫星轨道修正数据和实时卫星钟差修正数据采用精密单点定位算法进行实时解算；在完全无外部修正数据时，采用单点定位模式进行解算。

2.根据权利要求1所述的基于天地一体化的广域高精度定位系统，其特征在于，所述定位终端(4)能够在所述地面通信网络连通时利用所述地面通信网络接收来自所述高精度增强服务平台(3)的实时增强信息，并且在所述地面通信网络未连通或断开时切换至所述卫星通信网络接收来自所述高精度增强服务平台(3)的实时增强信息。

3.根据权利要求1或2所述的基于天地一体化的广域高精度定位系统，其特征在于，所述定位终端(4)包括天线(41)、GNSS模块(42)、卫星通信模块(43)、地面通信模块(44)、定位模块(45)和通信网络切换模块(46)，其中，

所述天线(41)用于接收来自GNSS卫星的GNSS导航信号；

所述GNSS模块(42)用于根据所述GNSS导航信号生成原始观测值；

所述地面通信模块(44)用于在所述地面通信网络连通时接收所述高精度增强服务平台(3)生成的实时增强信息；

所述通信网络切换模块(46)用于在所述地面通信网络未连接或断开时从所述地面通信模块(44)切换至所述卫星通信模块(43)，并利用所述卫星通信模块(43)接收所述实时增强信息；

所述定位模块(45)用于根据所述原始观测值和所述实时增强信息获得定位结果。

4.一种基于天地一体化的广域高精度定位方法，其特征在于，利用权利要求1至3中任一项所述的基于天地一体化的广域高精度定位系统执行，所述方法包括：

S1：根据地理位置和地形特点选择区域参考站建站位置，建设区域参考站，所述区域参考站为间距在100Km以内的GNSS接收机；

S2：利用广域参考站和区域参考站接收来自GNSS卫星的原始观测数据，所述原始观测数据包括GNSS卫星的伪距观测值、载波观测值、信噪比、多普勒观测值；

S3：根据所述原始观测数据获得实时增强信息并对所述实时增强信息进行播发，所述实时增强信息包括广域修正产品和区域修正产品；

S4：在定位终端上利用卫星通信网络或地面通信网络接收所述实时增强信息，并根据所述实时增强信息和接收的GNSS导航信号获得定位结果。

5.根据权利要求4所述的基于天地一体化的广域高精度定位方法，其特征在于，所述S3包括：利用所述广域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得广域修正产品，所述广域修正产品包括卫星轨道修正参数和卫星钟差修正参数；利用所述区域参考站的原始观测数据进行实时数据处理，获得区域修正产品，所述区域修正产品包括区域电离层延迟改正数、区域对流层延迟改正数和相位小数偏差参数。

6.根据权利要求4或5所述的基于天地一体化的广域高精度定位方法，其特征在于，所述S4包括：

在所述地面通信网络连通时利用所述地面通信网络接收所述实时增强信息，并且在所述地面通信网络未连通或断开时切换至所述卫星通信网络接收所述实时增强信息。

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