CN106842266B - 一种即时参考站定位方法及*** - Google Patents

一种即时参考站定位方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种即时参考站定位方法及其***，包括选取固定参考站；选取固定参考站观测数据、计算伪距残差和载波相位残差并传送给参考站调度中心；流动站粗定位并传送给参考站调度中心；匹配流动站对应的参考站并发送给流动站；流动站接收观测数据和标准坐标位置；流动站进行高精度定位。本发明还提供了一种用所述定位方法定位的***，包括一个参考站调度中心、若干个固定参考站、若干个流动站以及参考站调度中心、固定参考站和流动站之间进行数据交换的通信链路。本发明定位精度高，大规模应用时数据处理压力小，有效地解决了网络RTK技术存在的关键问题，非常有利于高精度定位导航的大规模应用。

Description

一种即时参考站定位方法及***
技术领域
本发明具体涉及一种即时参考站定位方法及***。
背景技术
RTK(Real Time Kinematic)技术是一种基于载波相位差份的实时动态定位技术，它是建立在实时处理两个测站载波相位观测量的基础上，提供指定坐标系中的3维定位结果，实时定位精度可以达到厘米级，并具有实时性好、速度快等优点。RTK的基本原理为，参考站与流动站同时接收卫星信号，参考站将观测数据(主要为载波相位、伪距)和参考站标准坐标位置通过数据链(调制解调器、电台或通信网络)传输给流动站，流动站利用软件通过差分计算，降低流动站的观测误差，测算出流动站与参考站之间的相对坐标，根据参考站的标准坐标，实现精密定位，定位精度可达厘米级。RTK技术广泛应用于室外高精度定位导航相关的行业，例如，测绘，驾考，智能控制，无人驾驶，无人机，遥感等。
RTK技术的核心在于考虑到参考站和流动站之间观测数据值具备相同的电离层误差、对流层误差和其它形式的公共误差，利用差分的方式消除公共误差，得到参考站与流动站之间载波相位的整周模糊度与实时相位差，进而实现高精度定位。然而，RTK技术对于参考站与流动站之间的距离有一定的限制。通常而言，参考站和流动站之间的距离不能超过20km，称之为短基线RTK。如果参考站与流动站之间的距离超过20km，则参考站和流动站具备的电离层和对流层误差的相关性会大大降低，从而使得实时定位精度大幅度降低。对于参考站与流动站之间的距离超过20km以上的RTK技术称之为长基线RTK。目前解决长基线RTK精密定位的关键技术为网络RTK技术。网络RTK技术的原理示意图如图1所示。首先，存在一个网络RTK数据中心，其利用多个参考站(CORS站)的观测数据生成不同位置下的虚拟参考站(VRS—Virtual Reference Station)并计算得到虚拟参考站的虚拟观测值，进而建立一个虚拟参考站和虚拟观测值的列表，并且通过收集所有RTK参考站的数据，实时更新虚拟参考站的虚拟参考值。其次，流动站通过粗定位(伪距单点定位)获取10米以内精度的定位结果，将其结果送给网络RTK数据中心，RTK数据中心根据其定位结果计算出对应的虚拟参考站的位置和观测值，并将相应的虚拟参考站的虚拟观测值传送给流动站。最后，流动站利用虚拟参考站的虚拟观测值与本站观测数据做差分，再利用常规的快速模糊度解算算法获取流动站与虚拟参考站的整周模糊度与实时相位差，进一步得到厘米级的定位结果。
然而，网络RTK存在一定的局限性。首先，需要建立一个RTK数据中心，数据中心与所有RTK参考站的位置需要考虑。RTK数据中心与参考站以及流动站之间能够确保实时通信，并且对通信速率有一定的要求。而在一些偏远地区，暂时没有移动通信网络或者当通信速率达不到RTK观测数据传输速率要求时，网络RTK技术就不能使用。其次，由于网络RTK技术主要针对长基线RTK存在问题提出的解决方案，因此，网络RTK技术无法通过短距离电台的方式实现，只能通过有线网络、无线蜂窝网络或者无线局域网的形式将参考站的观测信息通过internet网络汇总到网络RTK数据中心，观测数据存在一定的传输延迟和处理延迟，对于动态环境下的高精度定位有一定的局限性。最后，RTK数据中心需要维持庞大的虚拟参考站数据更新和流动站数据交互。并且，网络RTK技术算法的复杂度和虚拟参考观测值是随着流动站的数量的增加而增大，进而给数据中心服务器处理和通信网络传输带来极大的负担和压力。近年来，高精度卫星定位导航***的应用从传统的测绘领域，延伸到了驾考，智能控制，无人驾驶，无人机，遥感等领域，从而导致高精度卫星导航终端(流动站)的数量在不断增加。不断增加的高精度卫星定位导航应用和定位终端使得网络RTK技术的弊端越来越明显。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种定位精度高、大规模应用时数据处理压力小的即时参考站定位方法。
本发明的目的之二在于提供一种应用所述即时参考站定位方法进行定位的***。
本发明提供的这种即时参考站定位方法和***，包括如下步骤：
S1.选取固定参考站，设置固定参考站自身的高精度标准坐标位置；
S2.步骤S1选取的固定参考站实时观测并获取RTK技术所需的观测数据；
S3.依据步骤S2获取的观测数据计算固定参考站的伪距残差和载波相位残差；
S4.固定参考站将步骤S3得到的伪距残差和载波相位残差以及步骤S1设置的标准坐标位置传送给参考站调度中心；
S5.流动站通过伪距观测值计算得到自身当前的粗定位结果；
S6.流动站将步骤S5得到的粗定位结果传送给参考站调度中心；
S7.参考站调度中心根据参考站的伪距残差、载波相位残差和标准坐标位置，以及流动站的粗定位位置结果匹配出流动站所对应的参考站；
S8.参考站调度中心将流动站所配对的参考站唯一标识发送给流动站；
S9.流动站根据对应参考站的唯一标识，接收对应参考站的观测数据和标准坐标位置；
S10.流动站根据接收到的对应参考站的观测数据与自身的观测数据，完成流动站的高精度定位。
步骤S7所述的参考站包括固定参考站和即时参考站。
所述的即时参考站定位方法还包括如下步骤：
S11.流动站获取设定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断自身是否能够成为即时参考站：若判断成功，则流动站转换为即时参考站；
S12.即时参考站获取一定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断本即时参考站是否能继续成为即时参考站：若判断不成功，则本即时参考站转换回流动站。
步骤S11所述的流动站判断自身是否能够成为即时参考站，具体为采用如下规则进行判断：
若流动站连续N次整周模糊度解算成功，并且每次解算的伪距残差值不大于2米，且载波相位残差值不大于2厘米，则流动站模式能够成为即时参考站。
步骤S12所述的判断即时参考站是否能继续成为即时参考站，具体为若即时参考站有连续M次整周模糊度解算不成功，则即时参考站转换为流动站。
步骤S1所述的固定参考站的选取，具体为在已知精确位置的地点设置固定参考站，或者在任意位置设置固定参考站，并通过定位算法获取固定参考站的精确位置。
所述的通过定位算法获取固定参考站的精确位置，具体为通过PPP精密单点定位算法长时间获取固定参考站的精确位置。
步骤S3所述的计算伪距残差和载波相位残差，具体为采用如下算式进行计算：
式中
其中，Δρc为伪距残差，Δρf为载波相位残差，第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和站点的精确位置为(Xf,Yf,Zf)，第i颗卫星的位置为(Xi,Yi,Zi)。
步骤S7所述的匹配出流动站所对应的参考站，具体为采用如下规则进行匹配：
流动站所配对的参考站hj为式中argmin()为取最大值所在的索引，γ＝{h＝1,...,3,ΔDj,h＜SD}；其中第h个参考站的精密位置为伪距残差和载波相位残差为和第j个流动站的粗定位位置为SD的取值与短基线RTK的精度的有关，SD取值越大则RTK定位精度越小。
步骤S8所述的标识包括电台频道，网络IP地址，调频频率或者加密ID。
本发明还提供了一种应用所述即时参考站定位方法进行定位的***，包括一个参考站调度中心、若干个固定参考站、若干个流动站以及参考站调度中心、固定参考站和流动站之间进行数据交换的通信链路；所述参考站调度中心用于匹配流动站所对应的参考站信息，并将所述匹配信息通过通信链路发送流动站；流动站为需要进行精确定位的流动站；固定参考站用于获取自身所在位置的精确位置，计算自身的伪距残差和载波相位残差并发送参考站调度中心，还用于与流动站进行匹配和定位流动站的位置；所述流动站所对应的参考站包括固定参考站和即时参考站，所述即时参考站由高精度定位后的流动站转换而来。
本发明提供的这种即时参考站定位方法和***，基于流动站/即时参考站可动态切换的模式，利用大规模的流动站/即时参考站的位置和观测数据，以及特定的参考站调度算法，为每个流动站提供一个特定的参考站进行配对，从而实现流动站的高精度定位；其次，每一个流动站在完成高精度定位之后，通过一定的判决准则，可以成为候选参考站以供其他的流动站做参考；本发明需要一个参考站调度中心，然而此调度中心只需要根据流动站的粗定位结果执行参考站调度算法，实现参考站-流动站配对，其中一个参考站可以与多个流动站配对；在配对完成以后，参考站对配对的所有流动站发送观测数据，以便流动站实现高精度定位；本发明提供的是一种全新的无数据中心的即时参考站技术，有效地解决了网络RTK技术存在的关键问题，非常有利于高精度定位导航的大规模应用。
附图说明
图1为现有的网络RTK技术的定位原理示意图。
图2为本发明的***工作示意图。
图3为本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图2所示为本发明的定位***工作示意图：本发明提供的这种实现所述即时参考站定位***，包括一个参考站调度中心、若干个固定参考站、若干个流动站以及参考站调度中心、固定参考站和流动站之间进行数据交换的通信链路；所述参考站调度中心用于匹配流动站所对应的参考站信息，并将所述匹配信息通过通信链路发送流动站；流动站为需要进行精确定位的流动站；固定参考站用于获取自身所在位置的精确位置，计算自身的伪距残差和载波相位残差并发送参考站调度中心，还用于与流动站进行匹配和定位流动站的位置；所述流动站所对应的参考站包括固定参考站和即时参考站，所述即时参考站由高精度定位后的流动站转换而来。
如图3所示为本发明的方法流程图：本发明提供的这种即时参考站定位方法和***，包括如下步骤：
S1.选取固定参考站，设置固定参考站自身的高精度标准坐标位置：具体为在已知精确位置的地点设置固定参考站，或者在任意位置设置固定参考站，并通过PPP精密单点定位算法长时间获取固定参考站的精确位置；
S2.步骤S1选取的固定参考站实时观测并获取RTK技术所需的观测数据；
S3.依据步骤S2获取的观测数据计算固定参考站的伪距残差和载波相位残差；具体为采用如下算式进行计算：
式中
其中，Δρc为伪距残差，Δρf为载波相位残差，第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和站点的精确位置为(Xf,Yf,Zf)，第i颗卫星的位置为(Xi,Yi,Zi)；
S4.固定参考站将步骤S3得到的伪距残差和载波相位残差以及步骤S1设置的标准坐标位置传送给参考站调度中心；
S5.流动站通过伪距观测值计算得到自身当前的粗定位结果；
S6.流动站将步骤S5得到的粗定位结果传送给参考站调度中心；
S7.参考站调度中心根据参考站的伪距残差、载波相位残差和标准坐标位置，以及流动站的粗定位位置结果匹配出流动站所对应的参考站(包括固定参考站和/或即时参考站)；具体为采用如下规则进行匹配：
流动站所配对的参考站hj为式中argmin()为取最大值所在的索引，γ＝{h＝1,...,3,ΔDj,h＜SD}；其中第h个参考站的精密位置为伪距残差和载波相位残差为和第j个流动站的粗定位位置为其中SD的取值决定了短基线RTK的精度，SD取值过大会使得RTK定位精度下降甚至得不到解算结果。SD取值过小会导致可能不存在与当前流动站配对的参考站；一种比较合适的方式是，首先将SD设置为5km，若发现有参考站，则配对，若没有发现可以配对的参考站，再将SD增加5km，直到发现有配对的参考站为止，其中SD最多累加到20km；
S8.参考站调度中心将流动站所配对的参考站(包括固定参考站和/或即时参考站)唯一标识(比如电台频道，网络IP地址，调频频率或者加密ID等)发送给流动站；
S9.流动站根据对应参考站(包括固定参考站和/或即时参考站)的唯一标识，接收对应参考站的观测数据和标准坐标位置；
S10.流动站根据接收到的对应参考站(包括固定参考站和/或即时参考站)的观测数据与自身的观测数据，完成流动站的高精度定位；
S11.流动站获取设定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断自身是否能够成为即时参考站：
若流动站连续N次整周模糊度解算成功，并且每次解算的伪距残差值不大于2米，且载波相位残差值不大于2厘米，则流动站模式能够成为即时参考站；其中，N可取任意整数值。N取值过小，容易造成即时参考站的虚警误判，进而导致错误累积，使得改即时参考站所配对的流动站都产生定位错误，对整个RTK网络造成错误的蔓延式扩散。N取值过大，容易造成极少数流动站能成为参考站，使得RTK网络中可以使用的即时参考站过少。因此，N的取值根据不同的场景有不同的选择方式。例如，在无人机，无人驾驶环境下，需要亚米级定位精度环境下，N取值可以为100-200左右，假设1秒的更新频率，则流动站成为即时参考站需要经过2-3分钟的判决时间。在测绘环境下，需要厘米级定位精度，N的取值可以为1000-3000左右，假设1秒的更新频率，则流动站成为即时参考站需要经过20-60分钟左右的判决时间；
S12.即时参考站获取一定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断本即时参考站是否能继续成为即时参考站：若即时参考站有连续M次整周模糊度解算不成功，则即时参考站转换为流动站；M的取值在10-20次左右较为合适。

Claims (10)

1.一种即时参考站定位方法，包括如下步骤：
S1.选取固定参考站，设置固定参考站自身的高精度标准坐标位置；
S2.步骤S1选取的固定参考站实时观测并获取RTK技术所需的观测数据；
S3.依据步骤S2获取的观测数据计算固定参考站的伪距残差和载波相位残差；
S4.固定参考站将步骤S3得到的伪距残差和载波相位残差以及步骤S1设置的标准坐标位置传送给参考站调度中心；
S5.流动站通过伪距观测值计算得到自身当前的粗定位结果；
S6.流动站将步骤S5得到的粗定位结果传送给参考站调度中心；
S7.参考站调度中心根据参考站的伪距残差、载波相位残差和标准坐标位置，以及流动站的粗定位位置结果匹配出流动站所对应的参考站；
S8.参考站调度中心将流动站所配对的参考站唯一标识发送给流动站；
S9.流动站根据对应参考站的唯一标识，接收对应参考站的观测数据和标准坐标位置；
S10.流动站根据接收到的对应参考站的观测数据与自身的观测数据，完成流动站的高精度定位。
2.根据权利要求1所述的即时参考站定位方法，其特征在于步骤S7所述的参考站包括固定参考站和即时参考站。
3.根据权利要求2所述的即时参考站定位方法，其特征在于所述的即时参考站定位方法还包括如下步骤：
S11.流动站获取设定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断自身是否能够成为即时参考站：若判断成功，则流动站转换为即时参考站；
S12.即时参考站获取一定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断本即时参考站是否能继续成为即时参考站：若判断不成功，则本即时参考站转换回流动站。
4.根据权利要求3所述的即时参考站定位方法，其特征在于步骤S11所述的流动站判断自身是否能够成为即时参考站，具体为采用如下规则进行判断：
若流动站连续N次整周模糊度解算成功，并且每次解算的伪距残差值不大于2米，且载波相位残差值不大于2厘米，则流动站模式能够成为即时参考站。
5.根据权利要求4所述的即时参考站定位方法，其特征在于步骤S12所述的判断即时参考站是否能继续成为即时参考站，具体为若即时参考站有连续M次整周模糊度解算不成功，则即时参考站转换为流动站。
6.根据权利要求1～5之一所述的即时参考站定位方法，其特征在于步骤S1所述的固定参考站的选取，具体为在已知精确位置的地点设置固定参考站，或者在任意位置设置固定参考站，并通过定位算法获取固定参考站的精确位置。
7.根据权利要求6所述的即时参考站定位方法，其特征在于所述的通过定位算法获取固定参考站的精确位置，具体为通过PPP精密单点定位算法长时间获取固定参考站的精确位置。
8.根据权利要求1～5之一所述的即时参考站定位方法，其特征在于步骤S3所述的计算伪距残差和载波相位残差，具体为采用如下算式进行计算：
式中
其中，Δρc为伪距残差，Δρf为载波相位残差，第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和站点的精确位置为(Xf,Yf,Zf)，第i颗卫星的位置为(Xi,Yi,Zi)。
9.根据权利要求5所述的即时参考站定位方法，其特征在于步骤S7所述的匹配出流动站所对应的参考站，具体为采用如下规则进行匹配：
流动站所配对的参考站hj为式中argmin()为取最大值所在的索引，γ＝{h＝1,...,3,ΔDj,h＜SD}；其中第h个参考站的精密位置为伪距残差和载波相位残差为和第j个流动站的粗定位位置为SD的取值与短基线RTK的精度的有关，SD取值越大则RTK定位精度越小。
10.一种应用权利要求1～9之一所述的即时参考站定位方法进行定位的***，其特征在于包括一个参考站调度中心、若干个固定参考站、若干个流动站以及参考站调度中心、固定参考站和流动站之间进行数据交换的通信链路；所述参考站调度中心用于匹配流动站所对应的参考站信息，并将所述匹配信息通过通信链路发送流动站；流动站为需要进行精确定位的流动站；固定参考站用于获取自身所在位置的精确位置，计算自身的伪距残差和载波相位残差并发送参考站调度中心，还用于与流动站进行匹配和定位流动站的位置；所述流动站所对应的参考站包括固定参考站和即时参考站，所述即时参考站由高精度定位后的流动站转换而来。
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