局部區域實時自差分位置識別系統及其識別方法
2023-06-28 18:56:46
專利名稱：局部區域實時自差分位置識別系統及其識別方法
技術領域：
本發明涉及局部區域(半徑為1-數公裡左右)內移動物體(移動基站)的實時位置識別的技術。
背景技術：
以往的產業在新產品開發上存在偏向，但近年來主導產業中優先考慮新產品開發，現有產品也要智能化、自動化、簡約化。從這個觀點出發，作為移動物體位置識別技術的GPS(Global Positioning System)必將成為改進現有產業的重要技術。
GPS通過接收機從最少4顆衛星接收關於位置、速度和時間的參數，是一種可以對移動站的位置進行識別的系統。但是，GPS受到衛星軌道、電離層延遲，對流層延遲以及對非軍事GPS應用的軌道參數時間的故意的誤差操作，形成SA(Selective Availability)等因素形成的定位誤差值約為100m。而100m的定位誤差對現實的應用顯然太大了。
圖1示出消除這樣大的GPS定位誤差所用的DGPS(差分GPS)，誤差減為數米至數釐米不等。下面參照圖1對現有技術的DGPS作一簡要說明。
圖1示出現有DGPS系統的典型構成。DGPS中在基準站(referencestatipn)1的位置確定後，測定從現有的衛星2送來的被稱為假性距離位置參數，並計算其誤差成份。同時通知附近的用戶3；相比之下，這可能是更好的判定位置的導航用系統。
關於DGPS系統，預先測定的基準站1自己的位置同根據接收到的GPS信號計算出的位置相比較，計算出GPS信號的位置誤差修正參數(correction message)，並通過廣播網絡4進行傳送。傳送時，將其格式變成修正參數標準格式的RTCM(Radio Technical Commission foMaritime Services)格式，經變頻機5變為超高頻率通過發射機6廣播，傳送到接收機7，比起其它情況下位置計算所反映的結果，能最正確地計算出用戶的位置。
這樣的過程中，包含在GPS信號中的多數主要誤差因素，即GPS衛星軌道誤差，GPS衛星計時誤差，GPS信號經過電離層和對流層時產生的電離層延遲誤差和對流層延遲誤差、多重經路誤差和接收機噪聲等，可以發現除去多重經路誤差與接收機噪聲誤差，其它誤差都是基準站同用戶間的共通誤差；存在著用以消除該誤差的理論因素。
還有韓國專利公開1999-15845號和專利登記第260253號中，基準站同用戶間的距離較遠(通常為100km以上)，被發現的共同誤差一類的誤差等的共同的性質逐漸減少的DGPS，其效果也隨之逐漸減弱；為減少產生的誤差而使用多個基準站，對在一定距離內設置2個以上會減少基準站所引起的誤差修正值，必須用一定的加權係數進行適當加工，努力以使誤差範圍減至最小。
圖2是現有的使用多重基準站的DGPS的流程圖，圖2中，步驟S0決定著包含有使用GPS信號帶來誤差的用戶的假性距離。第S1步中，預先接收來自各DGPS假性距離的修正值(PRCi)。S2步驟中，從接收到的假性距離的修正值中保留基準站與用戶間100km以下的誤差修正值，捨棄其餘的誤差修正值。S3步驟中，計算用戶同基準站的空間非相關係數(Pwiu)、以及基準站產生的誤差修正值的加權值(wi)按照所定式決定。
步驟S5中，使用前述步驟S4得出的加權值和從各基準站傳來的假性距離修正值，按照所定式求出用戶適用的假性距離修正值(PRCm)。在步驟S6中，求得最終的假性距離修正值(PRC)。這樣，從各個DGPS接收機得出的用戶假性距離修正值減去各基準站來的修正值的加重和，從而求得正確的修正值的最終結果。步驟S7中，參照與步驟S0相關的GPS信號求得的用戶的假性距離(如前所述，含有誤差)，使用最終的修正值，求得用戶的正確位置。
但是，為了使用DGPS，必須使用昂貴的DGPS接收機和附加發送裝置，並且運營較多的移動站，不必要地增大費用。為減少上述附加費用，而提出一種後處理DGPS(Post processing DGPS)的方案，但該方案不適用實時處理，存在著很嚴重的缺陷。
發明內容
由此，本發明為解決上述現有GPS及DGPS存在的問題，提出一種代替的方案，在半徑為1-數km左右的局部區域，針對通過無線MODEM進行管制和統一控制的移動站，無須設置其它附加裝置，只用GPS接收機，計算出修正值後進行收發，操作直到達到與DGPS相同水準的數十釐米到數釐米誤差等級，這就是可以減少誤差的局部區域實時自差分位置識別系統，以及使用上述系統的移動站位置識別方法，和使用上述系統的終端位置識別系統。
還有，本發明是為對移動物體(移動站)的位置進行實時識別，其適用限定在局部區域；較好的結果，半徑可以達數公裡，更好的，只能是1-2公裡內外。
本發明更進一步的目的和效果，參照附圖的圖面，從下面的發明具體實施方式
中可以更清楚地看到。
為達到上述發明目的，本發明採用一種在無線區域網、伺服器和客戶機環境下運行作業系統的局部區域的實時自差分位置識別系統；其特徵在於，該系統包括在對事先已進行精密測定的位置進行測定時，通過衛星實施位置測定的基準站GPS接收機及含有該接收機的簡易基準站；通過衛星進行位置測定的移動站GPS接收機；傳送所述移動站GPS接收機來的位置參數和衛星時刻參數構成的GPS信號的第一無線MODEM及其所在的移動站；與所述第一無線MODEM實施近距離無線通信的第二無線MODEM，以及與所述基準站GPS接收機進行連接，接收來自所述基準站的GPS信號，計算出修正值(X』0，Y』0)並向中央控制伺服器傳送的位置識別用伺服器；與所述第二無線MODEM連接時，傳送所述移動站的GPS信號、依據來自所述移動站的GPS信號中移動站的位置參數同所述修正值，對誤差進行修正後計算出移動站的實際位置參數的中央控制伺服器及其所在的中央控制中心。
為取得更好的效果，可採用特徵為所述的局部區域半徑為數公裡以內，所述位置參數為變換後的局部區域內的固定的局部區域座標值的系統。
一方面，為達到這樣的目的，本發明還採取一種措施，採用關於局部區域實時自差分位置識別系統的終端識別系統；所述位置參數的數據包括通過所述無線MODEM進行收發的、為管制及控制所述移動站的任務控制數據；所述位置參數數據及任務控制數據，被整理為數據流，並以該數據流的信息頭作為區別。
另一方面，為達成同樣的目的，本發明還公開了一種局部區域中實時自差分位置識別方法，一種有關局部區域實時自差分位置識別方法，其特徵在於該方法包括中央控制伺服器在特定的時刻接收從移動站GPS接收機測定的移動站的衛星時刻參數(T0)、接收含有移動站參數(Xm0，Ym0)的移動站GPS信號(Mgps_0)的接收階段(S10)；將來自所述移動站GPS信號中的衛星時刻參數(T0)、傳送到位置識別用伺服器的階段(S12)；位置識別用伺服器在靠近所述衛星時刻(T0)的對所述簡易基準站的GPS接收機測定的衛星時刻參數(T0)、接收含有位置參數(Xr、Yr)的基準站的GPS信號(Rgps_-2、Rgps_-1、Rgps_0、Rgps_1、Rgps_2)，選擇與所述衛星時刻(T0)對應的基準站GPS信號(Rgps_0)的位置參數(Xr0、Yr0)的階段(S14)；所述被選的基準站的GPS信號(Rgps_0)，基於已保存基準站的實際位置參數(Xs、Ys)，計算出修正值(X』0、Y』0)的階段(S20)；根據所述修正值與所述移動站位置參數，所述移動站的實際誤差由修正後的位置參數(Xcm0，Ycm0)計算得出的階段(S24)。
圖1是已有的DGPS(Differential Globls Positioning System)系統結構示意圖；圖2是已有的使用多重標準站的DGPS的具體實現流程框圖；圖3是本發明實時自差分位置識別系統的全系統配置略圖；圖4是本發明實時自差分位置識別系統的整體流程示意框圖；圖5是圖3所示位置識別系統的數據收發流程示意圖；
圖6是適用本發明的終端位置識別系統的配置略圖。
符號說明1.基準站2.GPS衛星3.移動站4.廣播網5.變調機6.發射機7.接收機10.本發明所述簡易基準站11.GPS接收機20-23.GPS衛星30.移動站 31.GPS接收機32.無線MODEM33、作業處理機34、超聲波專用傳感器35、放置控制機40、中央控制中心41、TGPS伺服器42、中央控制伺服器 43、無線MODEM44、監視器 50、搬運吊車(T/C)60、雙腳立式吊車(S/C)具體實施措施以下結合附圖的圖面，參照圖3至圖6，詳述本發明局部區域實時自差分位置識別系統，及使用所述系統的移動站的位置識別方法和使用所述系統的終端位置識別系統TGPS的最佳實施例。
圖3是本發明實時自差分位置識別系統的全系統配置示意圖；圖4是本發明實時自差分位置識別系統總體軟體流程示意框圖；圖5是圖3中位置識別系統數據流程示意圖；圖6是適用於本發明的終端位置識別系統的概略配置圖。
關於專利申請書中，局部區域實時自差分位置識別系統除了終端的現有工作設備外，同適用於該系統的終端位置識別系統(TGPS)是大略相同的。以下說明兩者的相同之處。
由圖3所示，為本發明關於局部區域的實時自差分位置識別系統，而使用該系統的終端位置識別系統(以下稱為TGPS)由簡易基準站10，GPS衛星20-23，移動站30及中央控制中心40組成。
首先，本發明所述的簡易基準站10，是在本局部區域內事先設立並已準確測定其位置。所述簡易基準站10同現有DGPS的基準站功能相同，其位置必須是公認的和準確的。而現有技術的DGPS的基準站的組成各不相同，即是說，現有的基準站1要服務於一個大的基地局，該基地局所配備的發射機的廣播覆蓋範圍須達到半徑數百公裡的區域，而本發明的簡易基準站10隻須同現有移動站3的工作方式類似。
為設置TGPS的簡易基準站10的必要事項，包括在經檢定確認其位置已準確測定的對象區域的中央地點，只須設置與搭載在移動站的同樣GPS接收機11，大約半徑在2km左右設置一臺就可以了。所述簡易基準站10的接收機11，與中央控制中心40的TGPS伺服器41相連。
至於本發明的移動站30，同現有的移動站3也不相同，是由幾公裡以內的近距離用無線MODEM 32、以及通過它同中央控制中心40進行通信的GPS接收機31組成。各GPS接收機11、31用同現有技術一樣的方式同GPS衛星20-23通信。
再者，中央控制中心40除包括有TGPS伺服器41外，還包括與TGPS伺服器41相連的中央控制伺服器42以及為與移動站的無線MODEM 32通信的無線MODEM 43。
另外，所有經過基準站10的GPS接收機11接收的GPS信號，如圖3所示的TGPS伺服器41那樣的位置識別處理的伺服器(又稱為個人計算機)中，保存有作為基準的GPS信號內的衛星時刻信息。該伺服器41位於中央控制中心40之內；若保存作為基準的GPS信號內的衛星時刻信息的設備位於基準站10和中央控制中心40之間的其它場所，則必須用專用線進行連接，以便於高速數據的收發業務。
藉助於移動站30、GPS接收機31，在希望進行位置識別的瞬間，被接收的GPS信號通過無線MODEM32向中央控制中心40的中央控制伺服器42傳送。為進行實時位置識別，無線MODEM32的收發數據速度，必須考慮到整體位置識別速度的影響。
中央控制伺服器42隻把移動站30的6PS信號中的衛星時刻參數向位置識別用TGPS伺服器41傳送。該位置識別用伺服器41將比較保存在基準站的GPS信號同接收到的移動站的GPS衛星時刻，選擇出對應的基準站的GPS信號。被選中的GPS信號中，將位置參數變換為局部座標之後，可以求得同已知的正確位置座標的差。此差值即是所要的修正值。
一方面，位置識別用TGPS伺服器41向中央控制伺服器42傳送修正值，中央控制伺服器42在已有的移動站的GPS信號中，將位置參數變換為局部座標。從該局部座標變換後的位置參數同傳送來的修正值的差可以求出移動站修正後的最終位置。
此時，關於終端位置識別系統(TGPS)，前述中央控制伺服器42最好兼作控制終端各設備的任務控制伺服器(見圖示)。即無線區域網、伺服器及客戶機環境下，要是現場運行操作，在終端以外場合，不能使用其它的控制伺服器，只能使用現有的控制伺服器。
接下來，參照圖4及圖5，詳述使用本發明所述局部區域實時自差分位置識別系統的移動站的位置識別方法。首先，有關本發明位置識別方法的開始，中央控制伺服器42在相當T0的時刻，從移動站30的GPS接收機31接收測定過的(含有誤差)移動站的GPS信號Mgrs-0(S10)。前述移動站GPS信號包含有與移動站的衛星時刻參數和移動站位置參數相符合的座標值(T0、Xm0、Ym0)。
再者，前述移動站GPS信號中，衛星時刻情報T0由位置識別用TGPS伺服器41進行傳送(S12)。
一方面，位置識別用TGPS伺服器41已經從簡易基準站10的GPS接收機11測得了接近的衛星時刻T0(含有誤差)，對基準站的GPS信號(Rgps_-2，Rgps_-1，Rgps_0，Rgps_1，Rgps_2)進行保存(S13)。前述基準站的GPS信號還含有與衛星時刻參數和位置參數相吻合的座標情報(T，Xr，Yr)。但是，來自基準站10的GPS信號相關的位置參數，還包含有對設置的基準站10的時刻進行了準確測定的基準站10的實際相關位置(不含誤差)的座標值Xs、Ys。
前述傳送衛星時刻情報T0，以及基準站的GPS信號(T-2，Xr-2，Yr-2；T-1，Xr-1，Yr-1；T0，Xr0，Yr0；T1，Xr1，Yr1；T2，Xr2，Yr2；Xs、Ys)的位置識別用TGPS伺服器41，相當於對應衛星時刻T0的基準站的GPS信號Rgps_0的選擇。算出以該座標Xr0，Yr0為基礎參照局部座標系的基準站位置參數(S16)。下面詳述。
之後，選擇基準站的預觀測位置值，以衛星時刻T0的GPS座標值Xr0，Yr0為基礎，從基準站的位置參數中減去相關的基準座標值Xs、Ys(S18)，實時計算出有關衛星時刻T0的修正值(S20)，該修正值由中央控制伺服器42傳送。
另一方面，中央控制伺服器42，按照與前述S16步驟同樣的方法，參照局部座標系，計算出通過來自移動站30的無線MODEM接收到的移動站的位置參數的座標值Xm0、Ym0(S21)。
最後，基於前述選擇的移動站的GPS信號的位置參數(Xm0，Ym0)的值，減去前述已接收的修正值X』0，Y』0(S22)，再計算出移動站實際的位置Xcm0，Ycm0(S24)。同樣地，計算出修正後移動站按局部座標系的位置參數(S26)，該計算結果的誤差值在數十釐米以內，相比之下是較好的結果了。
關於上述局部座標，需要附加說明的是，這是使用現有變換方法中對GPS信號進行硬體式的實座標變換的結果。但是，關於該局部座標變換有利的理由是，現有GPS信號中的位置參數，使用了特定地域的座標系，一般來說，由於使用全域(Globe)座標系的情況下，即使正確使用它，把握不了移動站的位置的情況還是存在的。
本發明是關於TGPS的，以半徑為2km左右的局部區域為對象。為此，控制伺服器42統一控制現場座標系的變換，可以直接用於終端現場等，非常方便。即是說，從TGPS控制伺服器42的位置看來，移動站30的座標系(即，離基準站多少米，多少釐米)有著特別的含義，其意義在於控制伺服器42包含有所在地位置參數(yard define參數)，從而可推斷出移動站30的位置。
例如，推定貨櫃式終端的情況，T/C，S/C是處於哪一塊(block)，哪號港(bay)以及哪一列(row)是很重要的。從控制伺服器42的東方到西北方距離算起，有幾百米、幾十釐米的地點，這樣是定不出什麼位置的。然而，換算成局部區域的座標後，關於現場參數的數據，其所代表的適當座標就被確定了。
圖6示出本發明用於貨櫃終端的箱到箱運送設備T/C，S/C的位置識別的系統的例子。
已經知道，上例中關於碼頭搬運作業中必不可少的終端，有移動吊車(T/C)50、跨腳吊車(S/C)60等一同安裝在露天的設備，並且用一超聲波傳感器34感知開始移動的物體，通過監視器44進行監視，對貨櫃的位置進行必要的檢測。
再者，為了通過擺放控制機35控制這些設備的場合，中央控制中心40的控制伺服器42的任務控制信號經過無線MODEM43、32傳送到移動裝備組30』內的作業處理機33，最後到達擺放控制機35。
更有，關於這樣的終端，使用無線區域網、伺服器及客戶機環境下進行各種監視和作業。從而，現有的控制伺服器TGPS可以用，為此，需增加一些其它接收和發射裝置更好。這時的TGPS有傳送任務控制數據和位置數據的無線數據通信系統的功能，到後來，對這樣的終端在使用DGPS的情況下，更必須啟用現有無線數據通信系統以外的超高頻收發裝置，這就會付出極高的代價了。
一方面，與上述類似，本發明是TGPS，以在半徑為數公裡左右的局部區域現場使用為目的，使用與導航系統一樣的移動站(客戶機)，為更好把握自己的位置，使用控制伺服器，其主要目的在於把握移動站的現行位置。不管怎樣，移動站在必要時可以把握住自己的位置。這時，伺服器必須區分任務控制數據(job control data)和位置數據(position data)，這種方法考慮得比較多。但是，關於TGPS的伺服器42，把握移動站30的位置是主要目的，因此，伺服器42在何時把握移動站30的位置需要進行討論i)在要求移動站30進行特定作業的場合，移動站30的作業數據必須傳送到含有GPS位置參數的伺服器42。
ii)伺服器42在所期望的移動站30的把握位置時，要求移動站30使用特定的信息傳送GPS現在的位置參數，移動站30應答該請求而將自己的GPS參數向伺服器42傳送。
iii)反過來，移動站30在自己處於期望的正確位置時，含有移動站自身的GPS位置參數的特定的信息會傳送給伺服器42，以把握正確的位置。
在最後，現在，向任務控制器傳送和區分數據的方法，採用數據串(String)信息的方式，以該數據串的信息頭為基準識別，以區分不同的作業。例如，考察兩個數據串時就會用到。
例1)AAA-GPS-2-3……例2)ABB-JOBS-jobA……上述例子中「AAA」和「ABB」就是「信息頭」，用區分符「-」分開。即在例1)的場合，列出了位置數據的數據串，第一區分符後列出的是GPS的號碼，第二區分符後列出的是想表示的位置的局部區域座標值。相比之下，在例2)的場合，列出的是任務控制伺服器數據的數據串，區分符後面表示的是任務的種類。
以上詳述表明，現有的位置識別系統GPS存在很大的誤差，而DGPS又必須裝備高價的設備，對工業現場的用戶而言，是不敢輕易選用的。
特別是，克服了GPS巨大誤差範圍的DGPS，仍然依賴於基準站的距離，為提高其準確度到數十至數釐米的精密位置識別的期望值，會增加其他高額費用，還存在引起其它問題的可能性。
為此，本發明以半徑為1至數公裡左右較狹小地域為對象，在其中設置簡易基準站，通過管制和統一控制使用中的現有無線MODEM，收發針對各移動站的GPS信號的修正值，成為提供準確位置識別的系統。這樣，在期望提供多個移動站的位置識別場合，都能提供位置識別的精密而廉價的系統。
進而，有關移動站，在獲取修正值的時刻，同伺服器傳送修正值的時刻不一致時，GPS的數據往往會產生大幅度的誤差，誤差幅度大幅起落會引致可靠性下降。因此，本發明使用TGPS的登錄方式(Log)，在實際現場，伺服器、網絡等的負荷，兩時刻的差值出現時，TGPS在求得來自移動站向伺服器的修正值時，傳送時間參數，伺服器在該時間與現有GPS參數接收點的時刻不一致時，用登錄數據算出正確的修正值，並隨即傳送，非常有效果；登錄數據還可以用於追蹤移動站的歷史位置數據。
權利要求
1.一種局部區域的實時自差分位置識別系統，在無線區域網、伺服器和客戶機環境下運行作業系統；其特徵在於該系統包括在對事先已進行精密測定的位置進行測定時，通過衛星實施位置測定的基準站GPS接收機(11)及含有該接收機的簡易基準站(10)；通過衛星進行位置測定的移動站GPS接收機(31)；傳送所述移動站GPS接收機來的位置參數和衛星時刻參數構成的GPS信號的第一無線MODEM(32)及其所在的移動站(30)；與所述第一無線MODEM(32)實施近距離無線通信的第二無線MODEM(43)，以及與所述基準站GPS接收機(11)進行連接，接收來自所述基準站的GPS信號，計算出修正值(X』0，Y』0)並向中央控制伺服器傳送的位置識別用伺服器(41)；與所述第二無線MODEM連接時，傳送所述移動站的GPS信號、依據來自所述移動站的GPS信號中移動站的位置參數同所述修正值，對誤差進行修正後計算出移動站的實際位置參數的中央控制伺服器(42)及其所在的中央控制中心(40)。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於所述的局部區域半徑為數公裡以內，所述位置參數為變換後的局部區域內的固定的局部區域座標值。
3.使用如權利要求1所述的局部區域實時自差分位置識別系統的終端位置識別系統，其特徵在於所述位置參數的數據包括通過所述無線MODEM(32，43)進行收發的、為管制及控制所述移動站(30)的任務控制數據；所述位置參數數據及任務控制數據，被整理為數據流，並以該數據流的信息頭作為區別。
4.一種有關局部區域實時自差分位置識別的方法，其特徵在於該方法包括中央控制伺服器(42)在特定的時刻接收從移動站(30)GPS接收機(31)測定的移動站的衛星時刻參數(T0)、接收含有移動站參數(Xm0，Ym0)的移動站GPS信號(Mgps_0)的接收階段(S10)；將來自所述移動站GPS信號中的衛星時刻參數(T0)、傳送到位置識別用伺服器(41)的階段(S12)；位置識別用伺服器在靠近所述衛星時刻(T0)的對所述簡易基準站(10)的GPS接收機(11)測定的衛星時刻參數(T0)、接收含有位置參數(Xr、Yr)的基準站的GPS信號(Rgps_-2、Rgps_-1、Rgps_0、Rgps_1、Rgps_2)，選擇與所述衛星時刻(T0)對應的基準站GPS信號(Rgps_0)的位置參數(Xr0、Yr0)的階段(S14)；所述被選的基準站的GPS信號(Rgps_0)，基於已保存基準站的實際位置參數(Xs、Ys)，計算出修正值(X』0、Y』0)的階段(S20)；根據所述修正值與所述移動站位置參數，所述移動站的實際誤差由修正後的位置參數(Xcm0，Ycm0)計算得出的階段(S24)。
全文摘要
一種位置識別系統，包括含有基準站GPS接收機(11)、其位置已經預先測定的簡易基準站(10)，通過衛星進行位置測定的移動站GPS接收機(31)，傳送從移動站GPS接收機來的位置參數和衛星時刻參數構成的GPS信號的第一無線MODEM(32)和位於其中的移動站(30)，第一無線MODEM(32)同進行近距離無線通信的第二無線MODEM(43)，位置識別用伺服器(41)，以及中央控制伺服器(42)和位於其中的中央控制中心(40)。中央控制伺服器(42)中，由位置識別用伺服器(41)計算出修正值、基於移動站(30)傳到GPS信號中的移動站的位置參數，修正其中的誤差，得出移動站實際位置的準確參數。
文檔編號H04B7/26GK1415974SQ02127329
公開日2003年5月7日 申請日期2002年7月31日 優先權日2001年10月29日
發明者李東赫 申請人:超智軟體庫有限公司