CN115524728A - 一种基于卫星信号差分的通信导航系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于卫星信号差分的通信导航系统与方法，包括：基准站模块、移动终端模块和定位模块；基准站模块计算修正差分信息；移动终端模块生成修正差分信息的校验结果，基于校验结果，确定通信模式；定位模块基于修正差分信息计算定位信息，并通过通信模式将定位信息发送至移动终端。同时支持移动网络通信与无线电台双通信，根据修正差分信息通信链路的数据质量进行自适应切换，提高数据的可靠性和定位精度，从而提高对各种野外作业应用场合的适应性。移动终端模块可自动识别修正差分信息的完整性和准确性，有效提高了基线长度的利用率。

Description

一种基于卫星信号差分的通信导航系统与方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种基于卫星信号差分的通信导航系统与方法。
背景技术
卫星差分定位技术可实现高精度定位，能够精确到厘米级。卫星差分定位的基本原理是在若干已知坐标点部署差分基准站，连续跟踪观测导航卫星信号，实时计算差分修正量并上报给数据中心。终端设备观测导航卫星信号，获得粗略位置，并向数据中心发出差分定位请求，获得数据中心发送的差分修正数据，对定位结果进行改正，从而实现高精度定位。
现有卫星差分定位技术提高了定位精度，但是也会存在数据安全性问题，系统故障抵御能力差，导致最终输出的定位信息不准确，引起定位错误。
同时，传统差分信号传输大多依靠无线电台，无线电台的传输距离限制使得传统的RTK(Real-Time Kinematic)定位技术的作业距离都非常有限。要提高传输距离，必须加大无线电台的功率，功率的增加势必导致设备体积和质量的增加，但体积质量较大的无线电台也难以应用于微小型无人机上，因此体积小质量轻的高精度定位系统急需提出。
常见2G无线通讯协议有GSM频分多址和码分多址两种，传输速度慢。3G网络是第三代无线蜂窝电话通讯协议，主要是在2G的基础上发展了高带宽的数据通信。3G一般的数据通信带宽都在500Kb/s以上。传速速度相对较快，可以很好的满足手机上网等需求。4G网络是指第四代无线蜂窝电话通讯协议，能够以100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。现在利用网络通信作为RTK这种高精度定位方法的差分数据链可以大大提高RTK的工作效益。
两种差分信息传输的通信链路各有优缺点，无线电台不需要额外的信道使用费用，但其体积和质量随着传输距离的增加而增大，难以在微型无人机上使用；移动网络通信方式可以满足远距离的通信需求，但需要支付信道使用费，且数据传输质量存在不确定性，且易出现延迟。要提高通信链路的信号传输质量和可靠性，需要新的差分信息传输方式辅助。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种基于卫星信号差分的通信导航系统与方法，同时支持移动网络通信与无线电台双通信，根据修正差分信息通信链路的数据质量进行自适应切换，提高数据的可靠性和定位精度，从而提高对各种野外作业应用场合的适应性。移动终端模块可自动识别修正差分信息的完整性和准确性，有效提高了基线长度的利用率。
一方面，为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于卫星信号差分的通信导航系统，包括：
基准站模块、移动终端模块和定位模块；
所述基准站模块用于计算修正差分信息；
所述移动终端模块用于生成所述修正差分信息的校验结果，基于所述校验结果，确定通信模式；
所述定位模块用于基于所述修正差分信息计算定位信息，并通过所述通信模式将所述定位信息发送至所述移动终端模块。
可选地，所述基准站模块还用于通过所述移动终端模块获取所述移动终端模块的定位信息。
可选地，所述基准站模块包括：第一差分处理模块和第二差分处理模块；
所述第一差分处理模块和所述第二差分处理模块用于计算两路初始差分修正信息，基于所述初始差分修正信息，得到修正差分信息。
可选地，所述移动终端模块包括：第一通信校验单元和第二通信校验单元；
所述第一通信校验单元用于接收所述修正差分信息，生成验证码，并将所述修正差分信息和所述验证码发送至所述第二通信校验单元；
所述第二通信校验单元用于接收所述修正差分信息和所述验证码，对所述修正差分信息进行准确性校验，得到校验结果，基于所述校验结果，确定通信模式。
可选地，所述验证码的获取过程为：
所述第一通信校验单元将所述修正差分信息与预设值进行异或和计算，生成所述验证码；
将所述验证码设置于所述修正差分信息的尾部，将尾部带有所述验证码的所述修正差分信息发送至所述第二通信校验单元。
可选地，所述通信模式包括无线电台通信模式和网络通信模式。
另一方面，为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于卫星信号差分的通信导航方法，包括：
计算修正差分信息；
基于所述修正差分信息，得到校验结果；
基于所述校验结果，确定通信模式；
基于所述修正差分信息计算定位信息，通过所述通信模式将所述定位信息发送至移动终端。
可选地，所述修正差分信息的计算过程为：
计算两路初始差分修正信息，基于所述初始差分修正信息，得到修正差分信息。
本发明具有如下技术效果：
本发明同时支持移动网络通信与无线电台双通信，根据修正差分信息通信链路的数据质量进行自适应切换，提高数据的可靠性和定位精度，从而提高对各种野外作业应用场合的适应性。移动终端模块可自动识别修正差分信息的完整性和准确性，有效提高了基线长度的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一基于卫星信号差分的通信导航系统的示意图。
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做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。
如图1所示，本发明公开一种基于卫星信号差分的通信导航系统，包括：
基准站模块、移动终端模块和定位模块；
基准站模块用于计算修正差分信息；还用于通过移动终端模块获取移动终端模块的定位信息；
移动终端模块用于生成修正差分信息的校验结果，基于校验结果，确定通信模式；
定位模块用于基于修正差分信息计算定位信息，并通过通信模式将定位信息发送至移动终端模块。
进一步地，基准站模块包括：第一差分处理模块和第二差分处理模块；第一差分处理模块和第二差分处理模块用于计算两路初始差分修正信息，基于初始差分修正信息，得到修正差分信息。
第一差分处理模块和第二差分处理模块采用两个具有不同硬件构造和软件算法的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)模块。GNSS模块可以进行差分修正值的计算，在本实施例中，基准站设置在已知坐标点，求得基准站与可见卫星的距离，并将此距离与含有误差的测量值进行比较，比较得到差值，通过α-β滤波器对此差值进行滤波并求出其偏差，即为差分修正值，也就是差分修正信息。在实际应用中，若不存在干扰因素的影响，并且基准站中各硬件和软件不存在异常，则第一差分处理模块和第二差分处理模块计算出的初始差分修正信息应该一致。若两路初始差分修正信息一致，基准站模块可以将任意一路初始差分修正信息作为差分修正信息上传至定位模块；若两路初始差分修正信息不一致，则说明基准站模块计算出的两路初始差分修正信息存在错误，此时基准站模块向定位模块上传安全报警信息。通过计算出两路初始差分修正信息，提升了卫星系统的故障抵御能力，使得基于这两路初始差分修正信息选出的差分修正信息更具安全性和可靠性。
进一步地，移动终端模块包括：第一通信校验单元和第二通信校验单元；第一通信校验单元用于接收修正差分信息，生成验证码，并将修正差分信息和验证码发送至第二通信校验单元；第二通信校验单元用于接收修正差分信息和验证码，对修正差分信息进行准确性校验，得到校验结果，基于校验结果，确定通信模式。若校验结果显示修正差分信息准确完整，移动终端模块则发送确认结果至第一通信校验单元，第一通信校验单元保持当前通信模式；若校验结果显示修正差分信息不准确完整，移动终端模块则不会发送确认结果至第一通信校验单元，第一通信校验单元切换通信模式。第一通信校验单元和第二通信校验单元采用的通信模式是保持一致的，以保证二者有效连接，当第一通信校验单元切换通信模式时，第二通信校验单元的通信模式也随之切换。第一通信校验单元可以发送修正差分信息和验证码至第二通信校验单元、第三通信校验单元、第四通信校验单元(第一通信校验单元的从属通信校验单元，可以有多个)……，从属通信校验单元可以发送校验结果至多个移动终端模块，从而实现基准站一对多地并发修正差分信息，可以减少基准站的投入，降低整体系统的成本。
进一步地，验证码的获取过程为：第一通信校验单元将修正差分信息与预设值进行异或和计算，生成验证码；将验证码设置于修正差分信息的尾部，将尾部带有验证码的修正差分信息发送至第二通信校验单元。
进一步地，校验结果的获取过程为：第二通信校验单元接收尾部带有验证码的修正差分信息，并将固定长度的修正差分信息提取，进行异或和运算得到校验值，与验证码进行比较；若校验值与接收到的验证码相同则发送确认信息至第一通信校验单元，并将除去校验值的修正差分信息发送至定位模块，计算定位信息。若校验值与接收到的验证码不同则不发送确认信息和修正差分信息，第一通信校验单元在N个修正差分信息更新周期(1s)内接收不到确认信息时，切换通信模式，第二通信校验单元随之切换，第二通信校验单元根据接收到的修正差分信息计算校验值，并比较校验值是否与接收到的校验码一致，若一致，则差分信息是完整的，否则差分信息不完整。
第一通信校验单元设有第一通信子单元切换开关，从第二通信校验单元设有第二通信子单元切换开关，第一通信子单元包括第一网络通信子单元、第一无线电台通信子单元，第二通信子单元包括第二网络通信子单元、第二无线电台通信子单元。不同通信模式本身既有优点又有缺点，具有不同的适用性。采用无线电台的通信模式，其传输距离受到限制；采用网络的通信模式，网络连接存在不稳定性。因此，在不同情景下需要选择合适的通信模式。第一通信校验单元可以根据修正差分信息的完整性校验结果选择不同通信模式下对应的差分通信链路，保证差分信息的完整性，从而提高定位效率和定位精度。
进一步地，定位模块基于修正差分信息计算定位信息，并通过通信模式将定位信息发送至所述移动终端模块。定位模块包括陀螺仪、加速度计和微控制器，定位信息的获取过程为：
移动终端模块将陀螺仪的X1轴、Y1轴分别与加速度计的X2轴、Y2轴平行；
水平移动移动终端模块使得定位信息只发生经度和/或纬度的变化，加速度计的X2轴对应经度正方向，Y2轴对应纬度正方向，微控制器设置陀螺仪Z轴对应的值为0°；
在移动终端模块水平移动过程中，加速度计测得时间段Δt内的平均加速度AX、AY，陀螺仪测得时间段Δt内Z轴的变化角
Figure BDA0003854174340000081
Figure BDA0003854174340000082
n∈[1，f]，f为加速度计辅助刷新频率，t为定位信息的刷新时间间隔；
微控制器记录AX、AY和
Figure BDA0003854174340000091
并计算出加速度在纬度单一变化方向和经度单一变化方向的投影向量
Figure BDA0003854174340000092
Figure BDA0003854174340000093
计算经度单一变化移动方向的位移：
Figure BDA0003854174340000094
计算纬度单一变化移动方向的位移：
Figure BDA0003854174340000095
其中，Vlon、Vlat分别是上一个定位结果的的经度方向地速和纬度方向地速；
上一个输出的定位信息经度、纬度分别为Lon1、Lat2，经过时间段Δt后，根据加速度计在各方向的位移通过下式反推经度变化ΔLon1、纬度变化ΔLat2：
Figure BDA0003854174340000096
Figure BDA0003854174340000097
并根据
Figure BDA0003854174340000098
计算出新的经度
Figure BDA0003854174340000099
新的纬度
Figure BDA00038541743400000910
根据下式计算经过时间段Δt后的经度地速
Figure BDA00038541743400000911
和纬度地速
Figure BDA00038541743400000912
并返回投影向量
Figure BDA00038541743400000913
的计算步骤：
Figure BDA00038541743400000914
Figure BDA0003854174340000101
经过时间段Δt后，输出结合
Figure BDA0003854174340000102
的定位信息，并发送至基准站。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于卫星信号差分的通信导航系统，其特征在于，包括：基准站模块、移动终端模块和定位模块；
所述基准站模块用于计算修正差分信息；
所述移动终端模块用于生成所述修正差分信息的校验结果，基于所述校验结果，确定通信模式；
所述定位模块用于基于所述修正差分信息计算定位信息，并通过所述通信模式将所述定位信息发送至所述移动终端模块。
2.根据权利要求1所述的基于卫星信号差分的通信导航系统，其特征在于，所述基准站模块还用于通过所述移动终端模块获取所述移动终端模块的定位信息。
3.根据权利要求1所述的基于卫星信号差分的通信导航系统，其特征在于，所述基准站模块包括：第一差分处理模块和第二差分处理模块；
所述第一差分处理模块和所述第二差分处理模块用于计算两路初始差分修正信息，基于所述初始差分修正信息，得到修正差分信息。
4.根据权利要求1所述的基于卫星信号差分的通信导航系统，其特征在于，所述移动终端模块包括：第一通信校验单元和第二通信校验单元；
所述第一通信校验单元用于接收所述修正差分信息，生成验证码，并将所述修正差分信息和所述验证码发送至所述第二通信校验单元；
所述第二通信校验单元用于接收所述修正差分信息和所述验证码，对所述修正差分信息进行准确性校验，得到校验结果，基于所述校验结果，确定通信模式。
5.根据权利要求4所述的基于卫星信号差分的通信导航系统，其特征在于，所述验证码的获取过程为：
所述第一通信校验单元将所述修正差分信息与预设值进行异或和计算，生成所述验证码；
将所述验证码设置于所述修正差分信息的尾部，将尾部带有所述验证码的所述修正差分信息发送至所述第二通信校验单元。
6.根据权利要求1所述的基于卫星信号差分的通信导航系统，其特征在于，所述通信模式包括无线电台通信模式和网络通信模式。
7.一种基于卫星信号差分的通信导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算修正差分信息；
基于所述修正差分信息，得到校验结果；
基于所述校验结果，确定通信模式；
基于所述修正差分信息计算定位信息，通过所述通信模式将所述定位信息发送至移动终端。
8.根据权利要求7所述的基于卫星信号差分的通信导航方法，其特征在于，所述修正差分信息的计算过程为：
计算两路初始差分修正信息，基于所述初始差分修正信息，得到修正差分信息。
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