CN116068597A - 一种gnss差分数据共享装置及其应用方法 - Google Patents

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朱道华
毕晓甜
孙云晓
赵新冬
黄伟
郭雅娟
蒋承伶
韦磊
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Abstract

本发明涉及数据共享技术领域，尤其涉及一种GNSS差分数据共享装置及其应用方法，其GNSS差分数据共享装置包括远程通信模块、数据处理模块、本地通信模块，远程通信模块和本地通信模块分别与数据处理模块信号连接，采用本发明提供的装置，可以从网络RTK服务器实时获取当地的差分数据，然后通过本地微功率无线通信网络向周边的其它RTK终端广播差分数据，实现区域内多个RTK终端的高精度定位，此外，RTK终端设备只需具备本地无线通信功能即可实现RTK定位，RTK终端整机功耗减小，从而降低对电池的要求，实现RTK终端设备的低功耗、低成本和小型化。

Description

一种GNSS差分数据共享装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及数据共享技术领域，尤其涉及一种GNSS差分数据共享装置及其应用方法。
背景技术
GNSS技术经过多年的发展，形成当前的四大导航卫星***，有效地推动了GNSS技术在各行业的应用。在民用领域对于高精度的实时动态差分定位(RealTime Kinematic，RTK)技术有着强烈的需求，如：地理测绘、设备状态监测、电子围栏等，应用RTK定位技术可以实现实时厘米级的定位精度。
网络RTK技术是在一定范围内通过设置多个固定不动的基准站，由基准站对卫星进行连续观测，观测得到的信息通过专用网络传送至网络RTK服务器，由云端服务器计算出整个区域内不同位置的差分数据，并通过互联网将差分数据发送给授权用户，实现用户侧RTK终端的高精度定位。
网络RTK为各类用户提供了使用方便、灵活可靠高精度定位服务，但是对于部分行业应用存在诸多不变。比如很多已经投入使用的电力检修设备并不具备远程通信硬件，无法与网络RTK建立通信联系，即使这些设备装配了远程通信硬件，但在使用时，仍需要大量的账号登录，且需要大量的网络流量成本，且对RTK终端的功耗会大大提升、对电池的要求也随之增加，不利于RTK技术的规模应用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本公开总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种GNSS差分数据共享装置及其应用方法，降低了RTK服务器的运行压力、同时降低了终端设备的使用成本，有利于RTK技术的规模应用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种GNSS差分数据共享装置，包括：远程通信模块、数据处理模块、本地通信模块和电源模块，所述远程通信模块和所述本地通信模块分别与所述数据处理模块信号连接，所述电源模块用于向所述远程通信模块、所述数据处理模块和所述本地通信模块供电。
进一步的，所述远程通信模块包括4G无线通信模块、5G无线通信模块、以太网和光纤通信中的一种或多种。
进一步的，所述数据处理模块包括数据存储模块、数据封装模块和认证模块。
进一步的，所述本地通信模块包括蓝牙、Lora和Zigbee中的一种或多种。
进一步的，还包括GNSS定位模块和手动配置定位模块中的一种或多种，所述手动配置定位模块用于人工输入当地坐标，并传输给数据处理模块。
进一步的，还包括监控和管理模块，所述监控模块用于收集RTK终端定位数据，并进行统一管理、计算及结果上传。
本发明还公开了一种GNSS差分数据共享装置的应用方法，包括以下步骤：
S1：打开电源，进入到工作模式，通过远程通信模块与网络RTK服务器建立连接，通过Ntrip协议来接收当地的差分数据；
S2：数据处理模块将收到的差分数据进行封装，以及对本域内RTK终端接入本地通信网时进行认证；
S3：通过本地通信模块来与RTK终端建立通信联系，对本域内通过认证的多个RTK终端广播差分数据。
进一步的，所述数据处理模块对本域内RTK终端认证采用加密认证技术，具体步骤如下：
A1：GNSS差分数据共享装置和RTK终端部署前，由管理者预设各自的身份标识IDS、IDT和共享密钥k；
A2：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发起接入请求，具体为RTK终端生成一个临时交互随机数N1，并通过异或计算：
Figure BDA0003976186520000031
将S和N1发送给GNSS差分数据共享装置；
A3：GNSS差分数据共享装置接到认证请求后，首先通过注册信息查找IDT并计算
Figure BDA0003976186520000033
检验其是否等于接收到的S；
验证通过后，GNSS差分数据共享装置向RTK终端发送响应信息：
Figure BDA0003976186520000032
其中N2是GNSS差分数据共享装置生成的临时交互号；
A4：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发送认证参数：
Figure BDA0003976186520000034
其中，E(k,IDS||N4)为用对称加密函数加密IDS||N4，密钥为k；
A5：GNSS差分数据共享装置向RTK终端发送确认信息：
Figure BDA0003976186520000035
其中，N4+1表示响应N4的报文，ks为进行差分数据传输的会话密钥，N5为交互号。
进一步的，所述数据处理模块定期对RTK终端发起周期认证回话，RTK终端需要对回话进行应答，若应答正确，则保持网络连接，若应答不正确，则切断与RTK终端的网络连接，具体步骤如下：
A6：GNSS差分数据共享装置向RTK终端发起周期认证会话：
H(IDS)||E(kS,N6)
A7：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发送应答报文：
H(IDS)||E(kS,N6+1)
其中，E(kS,N6+1)为使用共享会话密钥对N6的响应。
本发明的有益效果为：本发明提供一个接入通信网的GNSS差分数据共享装置，使用Ntrip协议从网络RTK服务器实时获取当地的差分数据，然后通过本地微功率无线通信网络向周边的其他RTK终端广播差分数据，实现区域内多个RTK终端的高精度定位，此外，RTK终端设备只需具备本地无线通信功能即可实现RTK定位，RTK终端整机功耗减小，从而降低对电池的要求，实现RTK终端设备的低功耗、低成本和小型化，该方法免去了RTK终端设备登录CORS的过程进一步提高使用便利性。
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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，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为本发明实施例中GNSS差分数据共享装置的应用方法示意图；
图2为本发明实施例中远程通信模块的示意图；
图3为本发明实施例中本地通信模块的示意图；
图4为本发明实施例中认证时序图。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图4所示的GNSS差分数据共享装置，包括：远程通信模块、数据处理模块、本地通信模块，远程通信模块和本地通信模块分别与数据处理模块信号连接。
本发明提供的GNSS差分数据共享装置，数据处理模块具体为集成电路板、MCU微型处理器或其他具有编程及软件存储执行的硬件均可，该GNSS差分数据共享装置属于小型化装置，内部可设置有储电池也可直接通电使用，其中远程通信模块用于与网络RTK服务器建立数据传输连接，具体可以为4G无线通信模块、5G无线通信模块、以太网和光纤通信中的一种或多种，采用上述一种或者多种通信方式来与网络RTK服务器建立连接，从而接收网络RTK服务器的差分数据，而本地通信模块是能够覆盖使用范围的一种通信方式，具体可以为蓝牙、Lora和Zigbee中的一种或多种，采用上述一种或者多种短程通信方式来与RTK终端建立连接，从而将差分数据广播给一定范围的RTK终端。
更具体的，数据处理模块包括数据存储模块、数据封装模块和认证模块，数据存储模块用于存储可执行的程序、差分数据以及各种指令等，而数据封装模块，用于将接收的差分数据进行封装，具体的封装格式见下表1所示，而为了保护数据的安全性，设置有认证模块，认证模块用于执行RTK终端的认证，防止其他设备接入进来，造成干扰，影响数据的安全。
表1封装格式如下：
Figure BDA0003976186520000061
Figure BDA0003976186520000071
作为上述实施例的优选，还包括GNSS定位模块和手动配置定位模块中的一种或多种，手动配置定位模块用于人工输入当地坐标，并传输给数据处理模块，GNSS差分数据分享装置向网络RTK服务器上报自身位置时，可采用自身的GNSS模块来实时获取定位坐标，也可以采用手动配置当地坐标，因此该装置可采用上述一种或两种方式进行定位。
还包括监控和管理模块，监控模块用于收集RTK终端定位数据，并进行统一管理、计算及结果上传，用于实现对RTK终端进行统一管理。
本发明还公开了一种GNSS差分数据共享装置的应用方法，包括以下步骤：
S1：打开电源，进入到工作模式，通过远程通信模块与网络RTK服务器建立连接，通过Ntrip协议来接收当地的差分数据；
S2：数据处理模块将收到的差分数据进行封装，以及对本域内RTK终端接入本地通信网时进行认证；
S3：通过本地通信模块来与RTK终端建立通信联系，对本域内通过认证的多个RTK终端广播差分数据。
本发明提供的GNSS差分数据分享装置，适用于变电站、基建现场、港口等固定区域内GNSS高精度定位应用场景，在使用过程中，为了保证数据的安全性，以及防止用户布设RTK终端以外的设备连接到GNSS差分数据分享装置上来，特别增加了认证程序，数据处理模块对本域内RTK终端认证采用加密认证技术，具体步骤如下：
A1：GNSS差分数据共享装置和RTK终端部署前，由管理者预设各自的身份标识IDS、IDT和共享密钥k；
A2：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发起接入请求，具体为RTK终端生成一个临时交互随机数N1，并通过异或计算：
Figure BDA0003976186520000081
将S和N1发送给GNSS差分数据共享装置；
A3：GNSS差分数据共享装置接到认证请求后，首先通过注册信息查找IDT并计算
Figure BDA0003976186520000082
检验其是否等于接收到的S；
验证通过后，GNSS差分数据共享装置向RTK终端发送响应信息：
Figure BDA0003976186520000083
其中N2是GNSS差分数据共享装置生成的临时交互号；
A4：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发送认证参数：
Figure BDA0003976186520000084
其中，E(k,IDS||N4)为用对称加密函数加密IDS||N4，密钥为k；
A5：GNSS差分数据共享装置向RTK终端发送确认信息：
Figure BDA0003976186520000085
其中，N4+1表示响应N4的报文，ks为进行差分数据传输的会话密钥，N5为交互号。
采用上述加密认证技术手段，能够排除非用户设置的RTK终端设备与GNSS差分数据共享装置进行连接，保证了数据的安全性，防止其他设备对数据进行破坏。
而为了切断长期不使用的RTK终端，防止占用资源，数据处理模块定期对RTK终端发起周期认证回话，RTK终端需要对回话进行应答，若应答正确，则保持网络连接，若应答不正确，则切断与RTK终端的网络连接，具体步骤如下：
A6：GNSS差分数据共享装置向RTK终端发起周期认证会话：
H(IDS)||E(kS,N6)
A7：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发送应答报文：
H(IDS)||E(kS,N6+1)
其中，E(kS,N6+1)为使用共享会话密钥对N6的响应。
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 (9)

1.一种GNSS差分数据共享装置，其特征在于，包括：远程通信模块、数据处理模块、本地通信模块，所述远程通信模块和所述本地通信模块分别与所述数据处理模块信号连接。
2.根据权利要求1所述的GNSS差分数据共享装置，其特征在于，所述远程通信模块包括4G无线通信模块、5G无线通信模块、以太网和光纤通信中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的GNSS差分数据共享装置，其特征在于，所述数据处理模块包括数据存储模块、数据封装模块和认证模块。
4.根据权利要求1所述的GNSS差分数据共享装置，其特征在于，所述本地通信模块包括蓝牙、Lora和Zigbee中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的GNSS差分数据共享装置，其特征在于，还包括GNSS定位模块和手动配置定位模块中的一种或多种，所述手动配置定位模块用于人工输入当地坐标，并传输给数据处理模块。
6.根据权利要求1所述的GNSS差分数据共享装置，其特征在于，还包括监控和管理模块，所述监控模块用于收集RTK终端定位数据，并进行统一管理、计算及结果上传。
7.如权利要求1-6任一项所述的GNSS差分数据共享装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开电源，进入到工作模式，通过远程通信模块与网络RTK服务器建立连接，通过Ntrip协议来接收当地的差分数据；
S2：数据处理模块将收到的差分数据进行封装，以及对本域内RTK终端接入本地通信网时进行认证；
S3：通过本地通信模块来与RTK终端建立通信联系，对本域内通过认证的多个RTK终端广播差分数据。
8.根据权利要求7所述的GNSS差分数据共享装置的应用方法，其特征在于，所述数据处理模块对本域内RTK终端认证采用加密认证技术，具体步骤如下：
A1：GNSS差分数据共享装置和RTK终端部署前，由管理者预设各自的身份标识IDS、IDT和共享密钥k；
A2：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发起接入请求，具体为RTK终端生成一个临时交互随机数N1，并通过异或计算：
Figure FDA0003976186510000021
将S和N1发送给GNSS差分数据共享装置；
A3：GNSS差分数据共享装置接到认证请求后，首先通过注册信息查找IDT并计算
Figure FDA0003976186510000025
检验其是否等于接收到的S；
验证通过后，GNSS差分数据共享装置向RTK终端发送响应信息：
Figure FDA0003976186510000022
其中N2是GNSS差分数据共享装置生成的临时交互号；
A4：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发送认证参数：
Figure FDA0003976186510000023
其中，E(k,IDS||N4)为用对称加密函数加密IDS||N4，密钥为k；
A5：GNSS差分数据共享装置向RTK终端发送确认信息：
Figure FDA0003976186510000024
其中，N4+1表示响应N4的报文，ks为进行差分数据传输的会话密钥，N5为交互号。
9.根据权利要求8所述的GNSS差分数据共享装置的应用方法，其特征在于，所述数据处理模块定期对RTK终端发起周期认证回话，RTK终端需要对回话进行应答，若应答正确，则保持网络连接，若应答不正确，则切断与RTK终端的网络连接，具体步骤如下：
A6：GNSS差分数据共享装置向RTK终端发起周期认证会话：
H(IDS)||E(kS,N6)
A7：RTK终端向GNSS差分数据共享装置发送应答报文：
H(IDS)||E(kS,N6+1)
其中，E(kS,N6+1)为使用共享会话密钥对N6的响应。
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