CN1333263C - 局部区域实时自差分位置识别系统，以及应用该定位系统的移动站位置识别方法和终端位置识别系统 - Google Patents

Abstract

一种位置识别系统，包括含有基准站GPS接收机(11)、其位置已经预先测定的简易基准站(10)，通过卫星进行位置测定的移动站GPS接收机(31)，传送从移动站GPS接收机来的位置参数和卫星时刻参数(T0)构成的GPS信号的第一无线MODEM(32)和位于其中的移动站(30)，第一无线MODEM(32)同进行近距离无线通信的第二无线MODEM(43)，位置识别用服务器(41)，以及中央控制服务器(42)和位于其中的中央控制中心(40)。中央控制服务器(42)中，由位置识别用服务器(41)计算出修正值、基于移动站(30)传到GPS信号中的移动站的位置参数，修正其中的误差，得出移动站实际位置的准确参数。

Description

局部区域实时自差分位置识别系统，以及应用该定位系统的移动站位置识别方法和终端位置识别系统

技术领域

本发明涉及局部区域(半径为1-数公里左右)内移动物体(移动基站)的实时位置识别的技术。

背景技术

以往的产业在新产品开发上存在偏向，但近年来主导产业中优先考虑新产品开发，现有产品也要智能化、自动化、简约化。从这个观点出发，作为移动物体位置识别技术的GPS(Global Positioning System)必将成为改进现有产业的重要技术。

GPS通过接收机从最少4颗卫星接收关于位置、速度和时间的参数，是一种可以对移动站的位置进行识别的系统。但是，GPS受到卫星轨道、电离层延迟，对流层延迟以及对非军事GPS应用的轨道参数时间的故意的误差操作，形成SA(Selective Availability)等因素形成的定位误差值约为100m。而100m的定位误差对现实的应用显然太大了。

图1示出消除这样大的GPS定位误差所用的DGPS(差分GPS)，误差减为数米至数厘米不等。下面参照图1对现有技术的DGPS作一简要说明。

图1示出现有DGPS系统的典型构成。DGPS中在基准站(referencestatipn)1的位置确定后，测定从现有的卫星2送来的被称为假性距离位置参数，并计算其误差成份。同时通知附近的用户3；相比之下，这可能是更好的判定位置的导航用系统。

关于DGPS系统，预先测定的基准站1自己的位置同根据接收到的GPS信号计算出的位置相比较，计算出GPS信号的位置误差修正参数(correction message)，并通过广播网络4进行传送。传送时，将其格式变成修正参数标准格式的RTCM(Radio Technical Commission foMaritime Services)格式，经变频机5变为超高频率通过发射机6广播，传送到接收机7，比起其它情况下位置计算所反映的结果，能最正确地计算出用户的位置。

这样的过程中，包含在GPS信号中的多数主要误差因素，即GPS卫星轨道误差，GPS卫星计时误差，GPS信号经过电离层和对流层时产生的电离层延迟误差和对流层延迟误差、多重经路误差和接收机噪声等，可以发现除去多重经路误差与接收机噪声误差，其它误差都是基准站同用户间的共通误差；存在着用以消除该误差的理论因素。

还有韩国专利公开1999-15845号和专利登记第260253号中，基准站同用户间的距离较远(通常为100km以上)，被发现的共同误差一类的误差等的共同的性质逐渐减少的DGPS，其效果也随之逐渐减弱；为减少产生的误差而使用多个基准站，对在一定距离内设置2个以上会减少基准站所引起的误差修正值，必须用一定的加权系数进行适当加工，努力以使误差范围减至最小。

图2是现有的使用多重基准站的DGPS的流程图，图2中，步骤S0决定着包含有使用GPS信号带来误差的用户的假性距离。第S1步中，预先接收来自各DGPS假性距离的修正值(PRCi)。S2步骤中，从接收到的假性距离的修正值中保留基准站与用户间100km以下的误差修正值，舍弃其余的误差修正值。S3步骤中，计算用户同基准站的空间非相关系数(Pwiu)、以及基准站产生的误差修正值的加权值(wi)按照所定式决定。

步骤S5中，使用前述步骤S4得出的加权值和从各基准站传来的假性距离修正值，按照所定式求出用户适用的假性距离修正值(PRCm)。在步骤S6中，求得最终的假性距离修正值(PRC)。这样，从各个DGPS接收机得出的用户假性距离修正值减去各基准站来的修正值的加重和，从而求得正确的修正值的最终结果。步骤S7中，参照与步骤S0相关的GPS信号求得的用户的假性距离(如前所述，含有误差)，使用最终的修正值，求得用户的正确位置。

但是，为了使用DGPS，必须使用昂贵的DGPS接收机和附加发送装置，并且运营较多的移动站，不必要地增大费用。为减少上述附加费用，而提出一种后处理DGPS(Post processing DGPS)的方案，但该方案不适用实时处理，存在着很严重的缺陷。

发明内容

由此，本发明为解决上述现有GPS及DGPS存在的问题，提出一种代替的方案，在半径为1-数km左右的局部区域，针对通过无线MODEM进行管制和统一控制的移动站，无须设置其它附加装置，只用GPS接收机，计算出修正值后进行收发，操作直到达到与DGPS相同水准的数十厘米到数厘米误差等级，这就是可以减少误差的局部区域实时自差分位置识别系统，以及使用上述系统的移动站位置识别方法，和使用上述系统的终端位置识别系统。

还有，本发明是为对移动物体(移动站)的位置进行实时识别，其适用限定在局部区域；较好的结果，半径可以达数公里，更好的，只能是1-2公里内外。

本发明更进一步的目的和效果，参照附图的图面，从下面的发明具体实施方式中可以更清楚地看到。

为达到上述发明目的，本发明采用一种在无线局域网、服务器和客户机环境下运行操作系统的局部区域的实时自差分位置识别系统；该系统包括：

在对事先已进行精密测定的位置进行测定时，通过卫星实施位置测定的基准站GPS接收机及含有该接收机的简易基准站；

通过卫星进行位置测定的移动站GPS接收机；传送所述移动站GPS接收机来的位置参数和卫星时刻参数T0构成的GPS信号的第一无线MODEM及其所在的移动站；

与所述第一无线MODEM实施近距离无线通信的第二无线MODEM，以及与所述基准站GPS接收机进行连接，接收来自所述基准站的GPS信号，计算出修正值(X’0，Y’0)并向中央控制服务器传送的位置识别用服务器；与所述第二无线MODEM连接时，传送所述移动站的GPS信号、依据来自所述移动站的GPS信号中移动站的位置参数同所述修正值，对误差进行修正后计算出移动站的实际位置参数的中央控制服务器及其所在的中央控制中心。

为取得更好的效果，可采用特征为所述的局部区域半径为数公里以内，所述位置参数为变换后的局部区域内的固定的局部区域座标值的系统。

一方面，为达到这样的目的，本发明还采取一种措施，采用关于局部区域实时自差分位置识别系统的终端识别系统；所述位置参数的数据包括通过所述无线MODEM进行收发的、用于管制及控制所述移动站的任务控制数据；所述位置参数数据被整理为数据流，并以该数据流的信息头作为区别。

另一方面，为达成同样的目的，本发明还公开了一种局部区域中实时自差分位置识别方法，一种有关局部区域实时自差分位置识别方法，该方法包括：

阶段(S10)，其中，中央控制服务器(42)在特定的时刻接收从移动站(30)GPS接收机(31)测定的移动站的卫星时刻参数(T0)、接收含有移动站位置参数(Xm0，Ym0)的移动站GPS信号(Mgps_0)；

阶段(S12)，其中，将来自所述移动站GPS信号中的卫星时刻参数(T0)、传送到位置识别用服务器(41)；

阶段(S14)，其中，位置识别用服务器接收在靠近所述卫星时刻的所述简易基准站(10)的GPS接收机(11)中测定的卫星时刻参数(T0)和含有位置参数(Xr、Yr)的基准站的GPS信号(R gps_-2、R gps_-1、Rgps_0、R gps_1、R gps_2)，选择与所述卫星时刻对应的基准站GPS信号(R gps_0)的位置参数(Xr0、Yr0)；

阶段(S20)，其中，所述被选的基准站的GPS信号(Rgps_0)，基于已保存基准站的实际位置参数(Xs、Ys)，计算出修正值(X’0、Y’0)；

阶段(S24)，其中，根据所述修正值与所述移动站位置参数，计算得出所述移动站的实际误差被修正后的位置参数(Xcm0，Ycm0)。

附图说明

图1是已有的DGPS(Differential Globls Positioning System)系统结构示意图；

图2是已有的使用多重标准站的DGPS的具体实现流程框图；

图3是本发明实时自差分位置识别系统的全系统配置略图；

图4是本发明实时自差分位置识别系统的整体流程示意框图；

图5是图3所示位置识别系统的数据收发流程示意图；

图6是适用本发明的终端位置识别系统的配置略图。

符号说明

1.基准站                2.GPS卫星

3.移动站                4.广播网

5.变调机                6.发射机

7.接收机                10.本发明所述简易基准站

11.GPS接收机            20-23.GPS卫星

30.移动站               31.GPS接收机

32.无线MODEM            33、作业处理机

34、超声波专用传感器    35、放置控制机

40、中央控制中心        41、TGPS服务器

42、中央控制服务器      43、无线MODEM

44、监视器              50、搬运吊车(T/C)

60、双脚立式吊车(S/C)

具体实施措施

以下结合附图的图面，参照图3至图6，详述本发明局部区域实时自差分位置识别系统，及使用所述系统的移动站的位置识别方法和使用所述系统的终端位置识别系统TGPS的最佳实施例。

图3是本发明实时自差分位置识别系统的全系统配置示意图；图4是本发明实时自差分位置识别系统总体软件流程示意框图；图5是图3中位置识别系统数据流程示意图；图6是适用于本发明的终端位置识别系统的概略配置图。

关于专利申请书中，局部区域实时自差分位置识别系统除了终端的现有工作设备外，同适用于该系统的终端位置识别系统(TGPS)是大略相同的。以下说明两者的相同之处。

由图3所示，为本发明关于局部区域的实时自差分位置识别系统，而使用该系统的终端位置识别系统(以下称为TGPS)由简易基准站10，GPS卫星20-23，移动站30及中央控制中心40组成。

首先，本发明所述的简易基准站10，是在本局部区域内事先设立并已准确测定其位置。所述简易基准站10同现有DGPS的基准站功能相同，其位置必须是公认的和准确的。而现有技术的DGPS的基准站的组成各不相同，即是说，现有的基准站1要服务于一个大的基地局，该基地局所配备的发射机的广播覆盖范围须达到半径数百公里的区域，而本发明的简易基准站10只须同现有移动站3的工作方式类似。

为设置TGPS的简易基准站10的必要事项，包括在经检定确认其位置已准确测定的对象区域的中央地点，只须设置与搭载在移动站的同样GPS接收机11，大约半径在2km左右设置一台就可以了。所述简易基准站10的接收机11，与中央控制中心40的TGPS服务器41相连。

至于本发明的移动站30，同现有的移动站3也不相同，是由几公里以内的近距离用无线MODEM 32、以及通过它同中央控制中心40进行通信的GPS接收机31组成。各GPS接收机11、31用同现有技术一样的方式同GPS卫星20-23通信。

再者，中央控制中心40除包括有TGPS服务器41外，还包括与TGPS服务器41相连的中央控制服务器42以及为与移动站的无线MODEM 32通信的无线MODEM 43。

另外，所有经过基准站10的GPS接收机11接收的GPS信号，如图3所示的TGPS服务器41那样的位置识别处理的服务器(又称为个人计算机)中，保存有作为基准的GPS信号内的卫星时刻信息。该服务器41位于中央控制中心40之内；若保存作为基准的GPS信号内的卫星时刻信息的设备位于基准站10和中央控制中心40之间的其它场所，则必须用专用线进行连接，以便于高速数据的收发业务。

借助于移动站30、GPS接收机31，在希望进行位置识别的瞬间，被接收的GPS信号通过无线MODEM32向中央控制中心40的中央控制服务器42传送。为进行实时位置识别，无线MODEM32的收发数据速度，必须考虑到整体位置识别速度的影响。

中央控制服务器42只把移动站30的GPS信号中的卫星时刻参数T0向位置识别用TGPS服务器41传送。该位置识别用服务器41将比较保存在基准站的GPS信号同接收到的移动站的GPS卫星时刻，选择出对应的基准站的GPS信号。被选中的GPS信号中，将位置参数变换为局部座标之后，可以求得同已知的正确位置座标的差。此差值即是所要的修正值。

一方面，位置识别用TGPS服务器41向中央控制服务器42传送修正值，中央控制服务器42在已有的移动站的GPS信号中，将位置参数变换为局部座标。从该局部座标变换后的位置参数同传送来的修正值的差可以求出移动站修正后的最终位置。

此时，关于终端位置识别系统(TGPS)，前述中央控制服务器42最好兼作控制终端各设备的任务控制服务器(见图示)。即无线局域网、服务器及客户机环境下，要是现场运行操作，在终端以外场合，不能使用其它的控制服务器，只能使用现有的控制服务器。

接下来，参照图4及图5，详述使用本发明所述局部区域实时自差分位置识别系统的移动站的位置识别方法。首先，有关本发明位置识别方法的开始，中央控制服务器42在相当T0的时刻，从移动站30的GPS接收机31接收测定过的(含有误差)移动站的GPS信号Mgrs-0(S10)。前述移动站GPS信号包含有与移动站的卫星时刻参数T0和移动站位置参数相符合的座标值(T0、Xm0、Ym0)。

再者，前述移动站GPS信号中，卫星时刻参数T0由位置识别用TGPS服务器41进行传送(S12)。

一方面，位置识别用TGPS服务器41已经从简易基准站10的GPS接收机11测得了接近的卫星时刻(含有误差)，对基准站的GPS信号(Rgps_-2，Rgps_-1，Rgps_0，Rgps_1，Rgps_2)进行保存(S13)。前述基准站的GPS信号还含有与卫星时刻参数T0和位置参数相吻合的座标情报(T，Xr，Yr)。但是，来自基准站10的GPS信号相关的位置参数，还包含有对设置的基准站10的时刻进行了准确测定的基准站10的实际相关位置(不含误差)的座标值Xs、Ys。

前述传送卫星时刻参数T0，以及基准站的GPS信号(T-2，Xr-2，Yr-2；T-1，Xr-1，Yr-1；T0，Xr0，Yr0；T1，Xr1，Yr1；T2，Xr2，Yr2；Xs、Ys)的位置识别用TGPS服务器41，相当于对应卫星时刻的基准站的GPS信号Rgps_0的选择。算出以该座标Xr0，Yr0为基础参照局部座标系的基准站位置参数(S16)。下面详述。

之后，选择基准站的预观测位置值，以卫星时刻的GPS座标值Xr0，Yr0为基础，从基准站的位置参数中减去相关的基准座标值Xs、Ys(S18)，实时计算出有关卫星时刻的修正值(S20)，该修正值由中央控制服务器42传送。

另一方面，中央控制服务器42，按照与前述S16步骤同样的方法，参照局部座标系，计算出通过来自移动站30的无线MODEM接收到的移动站的位置参数的座标值Xm0、Ym0(S21)。

最后，基于前述选择的移动站的GPS信号的位置参数(Xm0，Ym0)的值。减去前述已接收的修正值X’0，Y’0(S22)，再计算出移动站实际的位置Xcm0，Ycm0(S24)。同样地，计算出修正后移动站按局部座标系的位置参数(S26)，该计算结果的误差值在数十厘米以内，相比之下是较好的结果了。

关于上述局部座标，需要附加说明的是，这是使用现有变换方法中对GPS信号进行硬件式的实座标变换的结果。但是，关于该局部座标变换有利的理由是，现有GPS信号中的位置参数，使用了特定地域的座标系，一般来说，由于使用全域(Globe)座标系的情况下，即使正确使用它，把握不了移动站的位置的情况还是存在的。

本发明是关于TGPS的，以半径为2km左右的局部区域为对象。为此，控制服务器42统一控制现场座标系的变换，可以直接用于终端现场等，非常方便。即是说，从TGPS控制服务器42的位置看来，移动站30的座标系(即，离基准站多少米，多少厘米)有着特别的含义，其意义在于控制服务器42包含有所在地位置参数(yard define参数)，从而可推断出移动站30的位置。

例如，推定集装箱式终端的情况，T/C，S/C是处于哪一块(block)，哪号港(bay)以及哪一列(row)是很重要的。从控制服务器42的东方到西北方距离算起，有几百米、几十厘米的地点，这样是定不出什么位置的。然而，换算成局部区域的座标后，关于现场参数的数据，其所代表的适当座标就被确定了。

图6示出本发明用于集装箱终端的箱到箱运送设备T/C，S/C的位置识别的系统的例子。

已经知道，上例中关于码头搬运作业中必不可少的终端，有移动吊车(T/C)50、跨脚吊车(S/C)60等一同安装在露天的设备，并且用一超声波传感器34感知开始移动的物体，通过监视器44进行监视，对集装箱的位置进行必要的检测。

再者，为了通过摆放控制机35控制这些设备的场合，中央控制中心40的控制服务器42的任务控制信号经过无线MODEM43、32传送到移动装备组30’内的作业处理机33，最后到达摆放控制机35。

更有，关于这样的终端，使用无线局域网、服务器及客户机环境下进行各种监视和作业。从而，现有的控制服务器TGPS可以用，为此，需增加一些其它接收和发射装置更好。这时的TGPS有传送任务控制数据和位置数据的无线数据通信系统的功能，到后来，对这样的终端在使用DGPS的情况下，更必须启用现有无线数据通信系统以外的超高频收发装置，这就会付出极高的代价了。

一方面，与上述类似，本发明是TGPS，以在半径为数公里左右的局部区域现场使用为目的，使用与导航系统一样的移动站(客户机)，为更好把握自己的位置，使用控制服务器，其主要目的在于把握移动站的现行位置。不管怎样，移动站在必要时可以把握住自己的位置。这时，服务器必须区分任务控制数据(job control data)和位置数据(position data)，这种方法考虑得比较多。但是，关于TGPS的服务器42，把握移动站30的位置是主要目的，因此，服务器42在何时把握移动站30的位置需要进行讨论：

i)在要求移动站30进行特定作业的场合，移动站30的作业数据必须传送到含有GPS位置参数的服务器42。

ii)服务器42在所期望的移动站30的把握位置时，要求移动站30使用特定的信息传送GPS现在的位置参数，移动站30应答该请求而将自己的GPS参数向服务器42传送。

iii)反过来，移动站30在自己处于期望的正确位置时，含有移动站自身的GPS位置参数的特定的信息会传送给服务器42，以把握正确的位置。

在最后，现在，向任务控制器传送和区分数据的方法，采用数据串(string)信息的方式，以该数据串的信息头为基准识别，以区分不同的作业。例如，考察两个数据串时就会用到。

例1)  AAA-GPS-2-3......

例2)  ABB-JOBS-jobA......

上述例子中“AAA”和“ABB”就是“信息头”，用区分符“-”分开。即：在例1)的场合，列出了位置数据的数据串，第一区分符后列出的是GPS的号码，第二区分符后列出的是想表示的位置的局部区域座标值。相比之下，在例2)的场合，列出的是任务控制服务器数据的数据串，区分符后面表示的是任务的种类。

以上详述表明，现有的位置识别系统GPS存在很大的误差，而DGPS又必须装备高价的设备，对工业现场的用户而言，是不敢轻易选用的。

特别是，克服了GPS巨大误差范围的DGPS，仍然依赖于基准站的距离，为提高其准确度到数十至数厘米的精密位置识别的期望值，会增加其他高额费用，还存在引起其它问题的可能性。

为此，本发明以半径为1至数公里左右较狭小地域为对象，在其中设置简易基准站，通过管制和统一控制使用中的现有无线MODEM，收发针对各移动站的GPS信号的修正值，成为提供准确位置识别的系统。这样，在期望提供多个移动站的位置识别场合，都能提供位置识别的精密而廉价的系统。

进而，有关移动站，在获取修正值的时刻，同服务器传送修正值的时刻不一致时，GPS的数据往往会产生大幅度的误差，误差幅度大幅起落会引致可靠性下降。因此，本发明使用TGPS的登录方式(Log)，在实际现场，服务器、网络等的负荷，两时刻的差值出现时，TGPS在求得来自移动站向服务器的修正值时，传送时间参数，服务器在该时间与现有GPS参数接收点的时刻不一致时，用登录数据算出正确的修正值，并随即传送，非常有效果；登录数据还可以用于追踪移动站的历史位置数据。

Claims (3)

1.一种局部区域的实时自差分位置识别系统，在无线局域网、服务器和客户机环境下运行操作系统；其特征在于：

该位置识别系统包括：在对事先已进行精密测定的位置进行测定时，通过卫星实施位置测定的基准站GPS接收机(11)及含有该接收机的简易基准站(10)；

通过卫星进行位置测定的移动站GPS接收机(31)；传送来自所述移动站GPS接收机的位置参数和卫星时刻参数(T0)构成的GPS信号的第一无线MODEM(32)及其所在的移动站(30)；

与所述第一无线MODEM(32)实施近距离无线通信的第二无线MODEM(43)，以及与所述基准站GPS接收机(11)进行连接，接收来自所述基准站的GPS信号，计算出修正值(X’0，Y’0)并向中央控制服务器传送的位置识别用服务器(41)；与所述第二无线MODEM连接时，接收所述移动站的GPS信号、依据来自所述移动站的GPS信号中移动站的位置参数同所述修正值，对误差进行修正后计算出移动站的实际位置参数的中央控制服务器(42)及其所在的中央控制中心(40)。

2.使用如权利要求1所述的局部区域实时自差分位置识别系统的终端位置识别系统，其特征在于：

所述位置参数的数据包括通过所述第一无线MODEM(32)和所述第二无线MDDEM(43)进行收发的、用于管制及控制所述移动站(30)的任务控制数据；所述位置参数数据被整理为数据流，并以该数据流的信息头作为区别。

3.一种有关局部区域实时自差分位置识别的方法，其特征在于：

该方法包括：

中央控制服务器(42)在特定的时刻接收从移动站(30)GPS接收机(31)测定的移动站的卫星时刻参数(T0)、接收含有移动站位置参数(Xm0，Ym0)的移动站GPS信号(Mgps_0)的阶段；

将来自所述移动站GPS信号中的卫星时刻参数(T0)、传送到位置识别用服务器(41)的阶段；

位置识别用服务器接收在靠近所述卫星时刻的所述简易基准站(10)的GPS接收机(11)中测定的卫星时刻参数(T0)和含有位置参数(Xr、Yr)的基准站的GPS信号(R gps_-2、R gps_-1、R gps_0、R gps_1、R gps_2)，选择与所述卫星时刻对应的基准站GPS信号(R gps_0)的位置参数(Xr0、Yr0)的阶段；

根据所述被选的基准站的GPS信号(R gps_0)，以及已保存基准站的实际位置参数(Xs、Ys)，计算出修正值(X’0、Y’0)的阶段；

根据所述修正值与所述移动站位置参数，计算得出所述移动站的实际误差被修正后的位置参数(Xcm0，Ycm0)的阶段。

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