单基站远距离海上实时动态定位方法技术

本发明专利技术提供了一种单基站远距离海上实时动态定位的方法，利用北斗导航系统的短报文功能传递简化后的差分改正数，解决海上通讯不便甚至没有通讯的难题，再利用北斗与GPS两个卫星导航系统的多个频率多种观测值，针对海上的特殊环境，开发了稳定，快速，精准的流动端实时定位算法，最后实现了相应的基准站改正数播发软件以及流动站实时定位软件，搭建了一套基于单基站的长距离海上实时动态定位系统。

【技术实现步骤摘要】
单基站远距离海上实时动态定位方法
本专利技术涉及GNSS精密定位领域，尤其是海上的远距离高精度实时动态定位。
技术介绍
自从GPS系统问世以来，全球卫星导航系统(GNSS)已广泛应用于各种户外定位与导航应用当中。实时高精度定位是GNSS的重要研究领域。目前，实时动态(RTK)技术，精密单点定位(PPP)技术以及他们的扩展网络RTK技术与PPP-RTK技术是高精度GNSS定位技术的代表。但是这些技术在海上应用中都有着各自的不足。PPP技术需要精密星历、精密钟等信息，而这些信息都是在特定网站上延迟一周左右发布。至于一些超快速精密星历与IGS(InternationalGPSService)提供的实时精密星历、精密钟服务，在远海环境中也很难实时获取到。事实上，目前大部分所谓的实时PPP技术只是实现了算法上的实时而并没有投入实用中，仅在事后处理中模拟了实时的情况而已。此外，已有的一些可在全球范围内提供实时精密定位服务的商业软件，主要是通过卫星通讯来传递一些改正数信息，收费高昂且只能维持分米级的定位精度。不难看出，尽管实时PPP技术在理论上与实验中能够实现远海甚至全球的实时精密定位，但在实际应用中，还有一些问题需要解决。目前RTK技术理论上的单站有效服务范围可达100公里甚至以上。在不考虑固定模糊度的前提下，适当放宽对精度的要求，RTK的单站服务范围还可以进一步扩展至几百公里。这意味着利用RTK技术在理论山可以为沿海几百公里范围的海域提供高精度实时动态定位。可事实上，受到通讯手段的限制，在远海没有网络的环境中，改正数通过电台发送无线电波进行传输，有效的传输距离只有三十公里左右，这使得RTK的单站服务范围远达不到它的极限距离。与PPP相比，RTK似乎更不适合用于海上定位。然而，PPP技术不仅受到通讯条件的限制，还需要昂贵的硬件网基础设施支撑。此外RTK技术的单站服务范围若能到达几百公里便能满足许多远海的海上应用。因此，若通讯问题能得到妥善解决，由于开支较小且建设简便，RTK技术更适合用于海上的高精度导航。但是使用RTK技术实现单站几百公里服务范围的海上高精度实时动态定位还有许多问题需要解决。
技术实现思路
申请人研究发现，对于海上的通讯问题，卫星通讯是一种可行的解决方案。但是卫星通讯的费用较为昂贵，相比之下，北斗短报文通讯的服务费用要便宜很多，但是北斗短报文通讯的带宽很小，一次能传输的信息量十分有限。如果不对需要传递的改正数信息进行简化压缩处理，是无法使用北斗短报文传输改正数信息的。但是对改正数信息进行简化处理时需要尽可能避免对流动站的定位效果产生不良影响。因此，如何使用北斗短报文来传递基准站的改正数信息，并且不会影响到流动站的定位效果是一个重要问题。申请人进一步研究发现，在海上，观测环境不同于陆地，多路径效应较为明显，并且设备需要安置在船只上，而船只上经常会有一些其它设备干扰到卫星信号，因此，在这种环境下得到的流动站观测数据往往会含有若干个粗差。对于单个粗差，可以在单点定位中利用相关分析法较好地探测出。但对于两个甚至更多粗差，由于卫星定位中的多余观测数较少，粗差探测的效果很差，经常会出现误判与漏判的情况。因此，如何尽可能地减少多个粗差对定位结果的影响是流动站定位算法需要解决的问题。为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种单基站远距离海上实时动态定位的方法与系统，利用北斗短报文传递改正数信息并考虑海上的特殊观测环境，以满足各种海上工程项目对定位的需求。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种单基站远距离海上实时动态定位方法，包括以下步骤：在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。优选的，对基准站观测数据与用户端数据进行预处理的步骤包括单点定位、伪距观测值检核及相关分析法粗差探测。伪距观测值检核是指利用已知的基准站坐标或者预测的用户端流动站坐标与星历中解算的卫星坐标反推对应的卫地距，从而可以与对应的伪距观测值进行比较，如果伪距观测值与反推的卫地距之间相差较大，则认为观测值含有粗差，应予以抛弃。相关分析法粗差探测是指在通过单点定位得到观测值残差序列后，利用基于相关分析的粗差理论分析观测值中可能包含的粗差，若探测到某观测值含有粗差则予以抛弃。优选的，利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理的步骤包括，在原始观测值中扣除算得的卫地距，消除观测值中由于卫星运动而产生的几何距离变化项；再在观测值中扣除对流层延迟的模型改正量，尽量减小原始观测值的数值变化，同时尽可能减小了其中的伪距观测值的绝对值大小，计算公式如下所示：其中，与是改正后的相位与伪距观测值，与是原始相位与伪距观测值，下标r代表基准站，上标s代表某一卫星，与为单点定位算得的卫地距、接收机钟差与卫星钟差，为对流层延迟的模型改正量。最后再在其中的相位观测值中扣除其四舍五入整数部分而只保留小数，从而使相位观测值只在-0.5到0.5之间取值，计算公式如下所示：其中，是相位简化观测值，[*]表示对*进行四舍五入运算，λ是相位观测值对应的波长。实际应用中，整数在相位观测值没有发生周跳时可以一直沿用下去，而不必每次都重新计算。得到的简化改正数中的观测值包括，改正后伪距观测值与相位简化观测值优选的，判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求的准则在于判断伪距或者相位观测值的绝对值大小是否超过1000，若不超过1000，则符合要求，否则不符合要求。优选的，对改正数进行ASCII编码是指将所有的简化改正数信息，包括改正数观测时间、系统标志、卫星数与简化后观测值等，转换成二进制的形式，然后将二进制形式的简化改正数信息再转换成ASCII字符串的形式进行传递。例如当用3个二进制位表示系统标志为1的形式为001，用5个二进制位来表示卫星数为8的形式为01000，合并系统标志与卫星数信息为00101000，转换成ASCII字符即为‘40’。具体的编码方法包括，二进制改正数的第0位到第9位用于存储简化改正数观测时间的后三位，第10位到第12位存储系统标志，第13到第17位存储卫星数；从第18位开始存储每一颗观测到的卫星的信息，6位用于存储卫星号，5位用于存储卫星星历时间，1位用于存储是否本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，包括以下步骤：在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean‑RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。...

【技术特征摘要】
1.一种单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，包括以下步骤：在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。2.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，对基准站观测数据与用户端数据进行预处理的步骤包括单点定位、伪距观测值检核及相关分析法粗差探测。伪距观测值检核是指利用已知的基准站坐标或者预测的用户端流动站坐标与星历中解算的卫星坐标反推对应的卫地距，从而可以与对应的伪距观测值进行比较，如果伪距观测值与反推的卫地距之间相差较大，则认为观测值含有粗差，应予以抛弃。相关分析法粗差探测是指在通过单点定位得到观测值残差序列后，利用基于相关分析的粗差理论分析观测值中可能包含的粗差，若探测到某观测值含有粗差则予以抛弃。3.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理的步骤包括，在原始观测值中扣除算得的卫地距，消除观测值中由于卫星运动而产生的几何距离变化项；再在观测值中扣除对流层延迟的模型改正量，尽量减小原始观测值的数值变化，同时尽可能减小了其中的伪距观测值的绝对值大小，计算公式如下所示：其中，与是改正后的相位与伪距观测值，与是原始相位与伪距观测值，下标r代表基准站，上标s代表某一卫星，与为单点定位算得的卫地距、接收机种差与卫星钟差，为对流层延迟的模型改正量。最后再在其中的相位观测值中扣除其四舍五入整数部分而只保留小数，从而使相位观测值只在-0.5到0.5之间取值，计算公式如下所示：其中，是相位简化观测值，[*]表示对*进行四舍五入运算，λ是相位观测值对应的波长。实际应用中，整数在相位观测值没有发生周跳时可以一直沿用下去，而不必每次都重新计算。得到的简化改正数中的观测值包括，改正后伪距观测值与相位简化观测值4.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求的准则在于判断伪距或者相位观测值的绝对值大小是否超过1000，若不超过1000，则符合要求，否则不符合要求。5.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，对改正数进行ASCII编码是指将所有的简化改正数信息，包括改正数观测时间、系统标志、卫星数与简化后观测值等，转换成二进制的形式，然后将二进制形式的简化改正数信息再转换成ASCII字符串的形式进行传递。例如当用3个二进制位表示系统标志为1的形式为001，用5个二进制位来表示卫星数为8的形式为01000，合并系统标志与卫星数信息为00101000，转换成ASCII字符即为‘40’。具体的编码方法包括，二进制改正数的第0位到第9位用于存储简化改正数观测时间的后三位，第10位到第12位存储系统标志，第13到第17位存储卫星数；从第18位开始存储每一颗观测到的卫星的信息，6位用于存储卫星号，5位用于存储卫星星历时间，1位用于存储是否改变的标志，21位用于存储一个相位或者伪距的观测值。得到二进制改正数后，每8位可以转换成一个ASCII字符，最后不足8位则用0补齐8位后转换成ASCII字符。6.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，对编码后的简化改正数打包拆分的步骤包括，将简化改正数信息分成若干个短报文，每个短报文都需要添加校验符以确保他们能够在用户端完成的恢复出来，同时，每个短报文的大小不能超过服务端北斗短报文天线一次可以发送的最大数据量。使用北斗短报文传输改正数信息时需要注意北斗短报文的三个特点。第一，一张北斗卡一次只允许用户播发一条数据量不大于78.5字节的短报文。第二，一张北斗卡一分钟只能使用一次，一旦发出一条北斗短报文便将休眠一分钟，发出北斗短报文的时间很短，可以不计。第三，可以融合多张北斗卡来连续播发改正数信息，但最快只能一秒钟发出一条短报文。基于这三个特点，结合实际需求，选定需要融合的北斗卡数并确定相应地播发规则，从而使得改正数信息的时间延迟不会影响最终的定位效果。改正数信息的时间延迟是指简化改正数信息的观测时刻相对于流动站观测数据的观测时刻的时间延迟。7.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，由用户端将接收的若干个北斗短报文重新拼接成为编码后的简化改正数的步骤包括，利用每个短报文的校验符检核接收到的短报文是否属于同一个简化改正数信息或者同一简化改正数信息的短报文是否有缺漏，检核后，若不存在上述问题，则根据校验符，按顺序拼接若干个属于同一简化改正数信息的短报文，获得一条完整的编码后的简化改正数信息，否则，等待直至一条简化改正数信息的所有短报文被用户端接收到。8.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，在用户端判断简化改正数是否合格的方法是，计算简化改正数的观测时间与流动站观测数据的观测时间之差，若时间差小于1分钟则简化改正数合格，否则，简化改正数不合格。9.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，流动站的ORTK定位基于GPS与北斗两个导航系统的双频相位与伪距观测值的无电离层(Ionosphere-Free,IF)组合进行，其步骤包括，利用流动站观测数据与接收到的简化改正数构造站间差分观测值，公式如下所示：其中，与为简化后的站间差分相位与伪距观测值，与是基准站的相位简化观测值与改正后伪距观测值，与为流动站的原始相位和伪距观测值,与为单点定位算得的流动站近似卫地距、接收机钟差与卫星钟差，为流动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博峰，张治腾，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31