CN115685283A - 基于PPP-B2b的实时车载定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于PPP‑B2b的实时车载定位方法及系统，基于PPP‑B2b信号获取的卫星轨道和钟差改正数信息，考虑信号遮挡和延迟对定位结果的影响，实时预报短时轨道和钟差改正数信息；并实时监测改正数的跳变，判断改正数的预报是否需要进行修正；利用实时GNSS数据流及PPP‑B2b实时钟差、星历的校正信息，获取汽车实时位置信息。相应的车载终端包括：接收模块、显示终端、电子地图模块，以及语音提醒模块和电源模块。本公开同时解决了现有实时车载定位系统依赖网络环境和B2b信号容易受到遮挡的技术问题，从而实现不依赖网络的车载高精度实时定位，为汽车行驶安全提供更好的位置服务。

Description

基于PPP-B2b的实时车载定位方法及系统

技术领域

本发明涉及实时定位技术领域，特别涉及一种基于PPP-B2b的实时车载定位系统及其实现方法。

背景技术

随着全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的快速发展，因其具有全天候，高精度，接收机体积小，功能全，操作简单等优点而被广泛应用到汽车导航定位当中。精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)自20世纪90年代末首次提出，已经引起了广泛的关注，因其具有精度高、性能稳定和计算灵活等优势而成为全球导航系统精密定位应用的一种流行技术。由于PPP定位精度在很大程度上取决于卫星轨道和钟差产品的精度，因此如何获取高精度卫星轨道和钟差一直是PPP定位中的一个重要研究命题。

目前，由国际GNSS服务(IGS)发起的多GNSS实验(MGEX)已经为多个GNSS用户提供了精确的轨道和钟差产品。同时，为解决IGS精密轨道产品存在较大时间延迟而无法应用于实时PPP定位的问题，IGS于2007年启动了实时试点项目(RTPP)。RTPP基于RTCM海事服务无线电技术委员会(RTCM)和通过互联网协议的RTCM网络传输(NTRIP)，以状态空间表示(SSR)的格式提供实时服务(RTS)。SSR中包含广播星历的轨道和钟差修正。用户通过IP和端口实时接收广播星历、精密轨道、钟差改正数，为实时PPP定位提供实时和高精度的卫星轨道和钟差。到目前为止，包括GMV，CNES和WHU等十余家国内外机构已经提供了SSR产品，推动了实时PPP在高精度定位和车载导航等多个领域的应用。但是由于IGS实时精密轨道和钟差改正数据流产品是基于网络播发的，所以网络性能较差或者不可用时会导致SSR改正数据丢失，从而导致PPP解算的中断。因此，对于基于网络播发的IGS实时PPP而言，拥有稳定的网络环境就变得至关重要。

中国目前已经完成北斗导航卫星系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的第三阶段(BDS-3)的建设，并于2020年7月底正式为全球用户提供定位导航和授时的服务。BDS-3同时提供了基于GEO卫星播发的高精度卫星钟差和轨道改正信息的PPP-B2b定位服务。地面控制中心对BDS-3GEO卫星和GNSS的所有可见卫星进行连续监测，生成伪距和载波观测信息，并收集气象数据进行预处理。对预处理后的原始数据进行验证和评估，解析观测数据、导航电文以及卫星轨道和钟差校正，根据协议生成改正数和其他相关参数的增强信息，传输给GEO卫星，然后通过GEO卫星的B2b信号采用500bps信息速率进行实时播发，以期为用户提供实时分米级定位结果。这使得利用PPP-B2b来实现实时车载导航定位技术成为可能。

BDS-3的建设完成和PPP-B2b定位服务的提供能很好的解决传统实时PPP定位受到网络因素制约和信号干扰等问题。相较于基于NTRIP协议通过Internet播发的传统PPP实时定位服务，PPP-B2b信号是通过星基播发精密产品改正数，不会受到网络环境等因素的制约，因此较之基于网络播发改正数的方式其覆盖范围更广，信号更加稳定，使得车载导航在网络信号不好地区也能实现实时高精度定位；同时，PPP-B2b信号通过星基播发精密产品改正数，不会受到多路径效应等因素的影响，因此较之基于网络播发改正数的方式其信号噪声更小，不需要对信号进行进一步的处理来提取有用信息，使得车载导航在多路径效应严重的城市环境也能实现实时高精度定位。

但是在城市环境中，会出现GEO卫星受城市建筑物的遮挡所造成的基于GEO播发的轨道和钟差改正信息接收不连续问题。以北京中心地区(116°E，40°N)为例，在我国境内73°E-135°E GEO带，对于北京中心地区，GEO卫星的最大仰角为43.7°。密集的高层建筑会严重GEO卫星的可视程度，使得轨道和钟差改正信息接收不连续，进一步影响实时高精度定位的连续性。

发明内容

本公开提供一种充分顾及城市环境影响的实时车载定位系统及其实现方法，基于PPP-B2b信号，尤其是在城市环境中，对卫星轨道和钟差产品进行修正，以获取实时高精度的汽车位置信息。

本公开提供的基于PPP-B2b的实时车载定位方法，包括以下步骤：

S1，车载终端的接收机模块对接收到的卫星轨道和钟差改正数信息进行中断监测；如果有中断，则：

选取中断前一定连续时段内的数据为数据集；

对数据集中的改正数信息进行跳变监测，如果发生跳变，则以跳变发生时刻到中断时刻的数据为新的数据集；

以获取的数据集为基础，选取拟合函数，对中断期间的卫星轨道和钟差改正数信息进行预报修复；

将预报的卫星轨道和钟差改正数修正到卫星轨道和钟差信息中；

S2，对其他常见误差进行修正；

S3，利用卡尔曼滤波算法实时计算出汽车位置信息。

进一步地，所述步骤S1中判断中断的方法包括：

对接收到的钟差改正数和轨道改正数的电文进行解码，当轨道改正数相邻历元间隔超过96s，或者钟差改正数相邻历元间隔超过12s时，认为改正数信息发生中断。

进一步地，所述步骤S1中，当卫星轨道和钟差改正数信息发生中断时，选取中断历元前连续100个历元时刻的改正数信息作为数据集。

进一步地，所述步骤S1中，进行跳变监测的方法包括以下步骤：

对数据集中相同卫星编号的卫星改正数信息，相邻历元间做差，得到每一颗卫星的改正数信息单差序列；

将改正数信息单差序列按照GPS系统和BDS系统分为两组；

计算相同历元时刻同系统下所有卫星改正数信息单差均值；

当轨道单差均值超过第一阈值或者钟差单差均值超过第二阈值时，认为改正数信息发生跳变。

进一步地，所述第一阈值取0.3m，第二阈值取0.03m。

进一步地，所述步骤S1中，以获取的数据集为基础，选取拟合函数，对中断期间的卫星轨道和钟差改正数信息进行预报修复的步骤，具体包括：

统计数据集中改正数信息总数，根据数据总数的不同，自适应的选取不同次数的多项式拟合模型，对每一颗卫星进行改正数信息的预报；

当重新接收到该卫星改正数信息时，不再进行改正数信息的预报；

当改正数信息连续中断超过30分钟时，认为该卫星在当前地区时刻不可见，不再进行改正数信息的预报。

进一步地，所述步骤S1中将预报的卫星轨道和钟差改正数修正到卫星轨道和钟差信息中，具体包括：

将预报的卫星轨道改正数修正到卫星轨道信息中，公式如下：

X_orbit＝X_broadcast-δX

式中，X_orbit为改正后的卫星位置，X_beopadcast为广播星历计算得到的卫星位置，δX为轨道改正数信息；

δX的计算公式为：

e_along＝e_ross×e_radial

δr＝[e_radial e_aliong e_cross]·δO

式中，

分别为广播星历卫星位置和速度矢量，e_radial、e_cross、e_along分别对应径向、切向和法向的单位矢量；

将预报的钟差改正数修正到卫星轨道信息中，公式如下：

式中，t_broadcast为广播星历计算得到的卫星钟差，t_satllite为改正后的卫星钟差改正数，C为光速，C₀为钟差改正信息。

进一步地，所述S2中的其他常见误差包括流层延迟误差，地球自转误差，天线相位缠绕误差中的一种或多种。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

将解算的汽车位置信息和电子地图模块进行匹配，标识汽车在电子地图上的位置，并通过显示终端实时显示汽车位置在电子地图上的位置和运动轨迹。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

对电子地图模块上的区域按照地理环境复杂程度进行标准和划分，在显示终端重点突显地理环境复杂区域；

通过对电子地图的标注和地理信息的划分，识别汽车所处位置的地理信息，当汽车进入地理环境复杂地区时，由语言提醒模块进行提醒，告知驾驶者即将进入地理环境复杂地区。

本公开还提供了一种基于PPP-B2b的实时车载定位系统，包括：接收模块、显示终端、电子地图模块，其中：

所述接收模块用于接收PPP-B2b信号的卫星轨道和改正数信息，并进行中断监测，当出现中断时，对短时轨道和钟差改正数信息进行预报，并将预报的卫星轨道和钟差改正数结合广播星历信息，实时合成卫星的精密位置和钟差，结合GNSS实时观测数据，基于实时动态单点定位方式，实时解算汽车位置信息；

所述显示终端和电子地图模块用于将解算的汽车位置信息和电子地图模块进行匹配，标识汽车在电子地图上的位置，并通过显示终端实时显示汽车位置在电子地图上的位置和运动轨迹。

本公开利用目前广泛使用的精密单点定位技术，基于PPP-B2b信号获取的卫星轨道和钟差改正数信息，考虑信号遮挡和延迟对定位结果的影响，实时预报短时轨道和钟差改正数信息；并实时监测改正数的跳变，判断改正数的预报是否需要进行修正；利用实时GNSS数据流及PPP-B2b实时钟差、星历的校正信息，获取汽车实时位置信息。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)充分利用基于北斗GEO卫星播发的PPP-B2b信号的卫星轨道和改正数信息，获取汽车高精度的位置信息；(2)有效减少了网络环境和短时卫星遮挡等因素的影响；(3)考虑了其他常见误差的影响；(4)能够实时解算汽车位置信息；(5)能够实现实时汽车位置信息的可视化与语言提醒等功能；(6)算法具有良好的通用性和实用性。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示根据本公开的实时车载定位系统示例性实施例结构示意图；

图2为基于PPP-B2b信号的汽车位置解算流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本公开提供了一种基于PPP-B2b的实时车载定位系统及其实现方法。

地面控制中心对BDS-3GEO卫星和GNSS的所有可见卫星进行连续监测，生成伪距和载波观测信息，并收集气象数据进行预处理。对预处理后的原始数据进行验证和评估，解算观测数据、导航电文以及卫星轨道和时钟校正，根据协议生成改正数和其他相关参数的增强信息，将其传输给GEO卫星，GEO卫星再通过PPP-B2b信号进行广播。

由车载终端的接收模块进行PPP-B2b信号的接收和解码，采用实时动态单点定位模式，使用常用的映射函数模型和误差修正模型，进行误差校正，并用卡尔曼滤波实时解算出汽车位置信息。

实时汽车位置解算方法的示例性实施例流程如附图2所示。

步骤1：车载终端的接收机模块对接收到的卫星轨道和钟差改正数进行中断监测，判断其数据的有效性和连续性。

卫星轨道的播发间隔为48s，有效性为96s；卫星钟差的播发间隔为6s，有效性为12s。对接收机接收到的钟差改正数和轨道改正数的电文进行解码，添加标志位。当轨道改正数相邻历元间隔超过96s或者钟差改正数相邻历元间隔超过12s时认为改正数信息发生中断，标志位置1，若未发生中断标志位置0。公式如下：

其中，

为第i颗卫星的第n个和n-1个轨道和钟差改正数信息的历元时刻，单位为S，flag_break为中断标识符。

当卫星轨道和钟差改正数信息发生中断时，选取中断历元前连续100个历元时刻的改正数信息作为数据集，并对数据集的改正数信息进行跳变监测，添加标志位，保证预报结果的可靠性。

跳变监测的方法可以采用对数据集中相同卫星编号的卫星改正数信息，相邻历元间做差，得到每一颗卫星的改正数信息单差序列。将改正数信息单差序列按照GPS系统和BDS系统分为两组。计算相同历元时刻同系统下所有卫星改正数信息单差均值，当轨道单差均值超过0.3m或者钟差单差均值超过0.03m时，认为改正数信息发生跳变,标志位置1，若未发生跳变标志位置0。公式如下：

其中，

分别表示在历元时刻t和t-1之间第i颗卫星的轨道和钟差改正数单差值，单位为m，M为该历元单系统卫星总数，flag_jump为中断标识符。

当数据集中改正数信息发生跳变时，截取其中跳变发生历元之后的数据作为新的数据集。

统计数据集中改正数信息总数，根据数据总数的不同，自适应的选取不同次数的多项式拟合模型对每一颗卫星进行改正数信息的预报。当重新接收到该卫星改正数信息时，不再进行改正数信息的预报；当改正数信息连续中断超过30分钟时，认为该卫星在当前地区时刻不可见，不再进行改正数信息的预报。

将预报的卫星轨道改正数修正到卫星轨道信息中，公式如下：

X_orbit＝X_broadcast-δX (5)

式中，X_orbit为改正后的卫星位置，X_broadcast为广播星历计算得到的卫星位置，δX为轨道改正数信；

δX的计算公式为：

e_along＝e_cross×e_radial (8)

δr＝[e_radial e_along e_cross]·δO (9)

式中，

分别为广播星历卫星位置和速度矢量，e_radial、e_cross、e_along分别对应径向、切向和法向的单位矢量。

将预报的钟差改正数修正到卫星轨道信息中，公式如下：

式中，t_broadcast为广播星历计算得到的卫星钟差，t_satellite为改正后的卫星钟差改正数，C为光速，C₀为钟差改正信息。

步骤2：结合实时数据流接收的GNSS观测信息及广播星历信息，基于实时动态单点定位模式，使用GPT2对流层延迟估计模型和双频消电离层组合模式，同时对海洋潮汐负荷，天线相位缠绕等误差进行误差修正，并用最小二乘算法实时解算出汽车位置信息，其完整的模型及处理策略示例如附表1所示。

表1车载定位当中实时动态PPP处理策略

误差项	策略
		处理系统	GPS,BDS
观测数据	实时数据流接收
		卫星星历，轨道和钟差改正数	B2b实时校正信息
截止高度角	10°
		潮汐模型校正	FES2004潮汐模型
电离层延迟	双频消电离层组合
		对流层延迟	GPT2
映射函数	GMF
		接收机相位中心	igs14.atx
卫星相位中心	igs14.atx
		天线相位缠绕	模型校正
地球自转	模型校正

在表1的车载定位当中的实时动态PPP当中，利用伪距和相位的基本观测方程如下：

式中，s，r，i表示卫星，接收机和频率号，

表示相位和伪距观测值，单位为m，ρ表示卫星和接收机之间的几何距离，c表示真空中的光速，dt_r，dt^s表示接收机钟差和卫星钟差，I表示电离层误差，

表示对流层误差，λ表示波长因子，N表示整周模糊度，

表示接收机和卫星相位偏差，

表示接收机和卫星伪距偏差，

表示伪距和相位噪声。

作为优选方案，示例性实施例还包括以下步骤：将接收机解算的汽车位置信息和电子地图模块进行匹配，标识汽车在电子地图上的位置，并通过显示器上实时显示汽车位置在电子地图上的位置和运动轨迹的步骤；

进一步地，还可以包括：对电子地图模块上的区域按照地理环境复杂程度进行标准和划分，在显示终端重点突显地理环境复杂区域；通过对电子地图的标注和地理信息的划分，识别汽车所处位置的地理信息，当汽车进入地理环境复杂地区时，由语言提醒模块进行提醒，告知驾驶者即将进入地理环境复杂地区的步骤。

本公开还提供了一种基于PPP-B2b的实时车载定位系统，示例性实施例结构示意图如附图1所示，其中包括：接收机模块、显示屏、电子地图模块，其中：

接收机接收PPP-B2b信号的卫星轨道和改正数信息，并进行中断监测，当出现中断时，对短时轨道和钟差改正数信息进行预报，并将预报的卫星轨道和钟差改正数结合广播星历信息，实时合成卫星的精密位置和钟差，结合GNSS实时观测数据，基于实时动态单点定位方式，实时解算汽车位置信息；

显示屏和电子地图模块用于将解算的汽车位置信息和电子地图模块进行匹配，标识汽车在电子地图上的位置，并通过显示屏实时显示汽车位置在电子地图上的位置和运动轨迹。

作为优选方案，该实施例还对电子地图模块上的区域按照地理环境复杂程度进行标准和划分，在显示屏中重点突显地理环境复杂区域。另外，包括语音提醒模块，通过对电子地图的标注和地理信息的划分，识别汽车所处位置的地理信息，当汽车进入地理环境复杂地区时，由语言提醒模块进行提醒，告知驾驶者即将进入地理环境复杂地区。

该实施例还包括：电源模块，分别连接接收机模块、显示屏、电子地图模块、语音提醒模块；显示屏则分别连接接收机模块、电子地图模块、语音提醒模块。

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (11)

1.一种基于PPP-B2b的实时车载定位方法，包括以下步骤：

S1，车载终端的接收机模块对接收到的卫星轨道和钟差改正数信息进行中断监测；如果有中断，则：

选取中断前一定连续时段内的数据为数据集；

对数据集中的改正数信息进行跳变监测，如果发生跳变，则以跳变发生时刻到中断时刻的数据为新的数据集；

以获取的数据集为基础，选取拟合函数，对中断期间的卫星轨道和钟差改正数信息进行预报修复；

将预报的卫星轨道和钟差改正数修正到卫星轨道和钟差信息中；

S2，对其他常见误差进行修正；

S3，利用卡尔曼滤波算法实时计算出汽车位置信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中判断中断的方法包括：

对接收到的钟差改正数和轨道改正数的电文进行解码，当轨道改正数相邻历元间隔超过96s，或者钟差改正数相邻历元间隔超过12s时，认为改正数信息发生中断。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，当卫星轨道和钟差改正数信息发生中断时，选取中断历元前连续100个历元时刻的改正数信息作为数据集。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，进行跳变监测的方法包括以下步骤：

对数据集中相同卫星编号的卫星改正数信息，相邻历元间做差，得到每一颗卫星的改正数信息单差序列；

将改正数信息单差序列按照GPS系统和BDS系统分为两组；

计算相同历元时刻同系统下所有卫星改正数信息单差均值；

当轨道单差均值超过第一阈值或者钟差单差均值超过第二阈值时，认为改正数信息发生跳变。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阈值取0.3m，第二阈值取0.03m。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，以获取的数据集为基础，选取拟合函数，对中断期间的卫星轨道和钟差改正数信息进行预报修复的步骤，具体包括：

统计数据集中改正数信息总数，根据数据总数的不同，自适应的选取不同次数的多项式拟合模型，对每一颗卫星进行改正数信息的预报；

当重新接收到该卫星改正数信息时，不再进行改正数信息的预报；

当改正数信息连续中断超过30分钟时，认为该卫星在当前地区时刻不可见，不再进行改正数信息的预报。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中将预报的卫星轨道和钟差改正数修正到卫星轨道和钟差信息中，具体包括：

将预报的卫星轨道改正数修正到卫星轨道信息中，公式如下：

X_orbit＝X_broadcast-δX

式中，X_orbit为改正后的卫星位置，X_broadcast为广播星历计算得到的卫星位置，δX为轨道改正数信息；

δX的计算公式为：

e_along＝e_cross×e_radial

δr＝[e_radial e_along e_cross]·δO

式中，r、

分别为广播星历卫星位置和速度矢量，e_radial、e_cross、e_along分别对应径向、切向和法向的单位矢量；

将预报的钟差改正数修正到卫星轨道信息中，公式如下：

式中，t_broadcast为广播星历计算得到的卫星钟差，t_satellite为改正后的卫星钟差改正数，C为光速，C₀为钟差改正信息。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中的其他常见误差包括流层延迟误差，地球自转误差，天线相位缠绕误差中的一种或多种。

9.根据权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将解算的汽车位置信息和电子地图模块进行匹配，标识汽车在电子地图上的位置，并通过显示终端实时显示汽车位置在电子地图上的位置和运动轨迹。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对电子地图模块上的区域按照地理环境复杂程度进行标准和划分，在显示终端重点突显地理环境复杂区域；

通过对电子地图的标注和地理信息的划分，识别汽车所处位置的地理信息，当汽车进入地理环境复杂地区时，由语言提醒模块进行提醒，告知驾驶者即将进入地理环境复杂地区。

11.一种基于PPP-B2b的实时车载定位系统，其特征在于，包括：接收模块、显示终端、电子地图模块，其中：

所述接收模块接收PPP-B2b信号的卫星轨道和改正数信息，并进行中断监测，当出现中断时，对短时轨道和钟差改正数信息进行预报，并将预报的卫星轨道和钟差改正数结合广播星历信息，实时合成卫星的精密位置和钟差，结合GNSS实时观测数据，基于实时动态单点定位方式，实时解算汽车位置信息；

所述显示终端和电子地图模块用于将解算的汽车位置信息和电子地图模块进行匹配，标识汽车在电子地图上的位置，并通过显示终端实时显示汽车位置在电子地图上的位置和运动轨迹。

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