一種即時參考站定位鑑權方法及系統與流程
2023-06-21 09:08:32
本發明具體涉及一種即時參考站定位鑑權方法及系統。
背景技術：
RTK(Real Time Kinematic)技術是一種基於載波相位差份的實時動態定位技術，它是建立在實時處理兩個測站載波相位觀測量的基礎上，提供指定坐標系中的3維定位結果，實時定位精度可以達到釐米級，並具有實時性好、速度快等優點。RTK的基本原理為，參考站與流動站同時接收衛星信號，參考站將觀測數據(主要為載波相位、偽距)和參考站標準坐標位置通過數據鏈(數據機、電臺或通信網絡)傳輸給流動站，流動站利用軟體通過差分計算，降低流動站的觀測誤差，測算出流動站與參考站之間的相對坐標，根據參考站的標準坐標，實現精密定位，定位精度可達釐米級。RTK技術廣泛應用於室外高精度定位導航相關的行業，例如，測繪，駕考，智能控制，無人駕駛，無人機，遙感等。
RTK技術的核心在於考慮到參考站和流動站之間觀測數據值具備相同的電離層誤差、對流層誤差和其它形式的公共誤差，利用差分的方式消除公共誤差，得到參考站與流動站之間載波相位的整周模糊度與實時相位差，進而實現高精度定位。然而，RTK技術對於參考站與流動站之間的距離有一定的限制。通常而言，參考站和流動站之間的距離不能超過20km，稱之為短基線RTK。如果參考站與流動站之間的距離超過20km，則參考站和流動站具備的電離層和對流層誤差的相關性會大大降低，從而使得實時定位精度大幅度降低。對於參考站與流動站之間的距離超過20km以上的RTK技術稱之為長基線RTK。目前解決長基線RTK精密定位的關鍵技術為網絡RTK技術。網絡RTK技術的原理示意圖如圖1所示。首先，存在一個網絡RTK數據中心，其利用多個參考站(CORS站)的觀測數據生成不同位置下的虛擬參考站(VRS—Virtual Reference Station)並計算得到虛擬參考站的虛擬觀測值，進而建立一個虛擬參考站和虛擬觀測值的列表，並且通過收集所有RTK參考站的數據，實時更新虛擬參考站的虛擬參考值。其次，流動站通過粗定位(偽距單點定位)獲取10米以內精度的定位結果，將其結果送給網絡RTK數據中心，RTK數據中心根據其定位結果計算出對應的虛擬參考站的位置和觀測值，並將相應的虛擬參考站的虛擬觀測值傳送給流動站。最後，流動站利用虛擬參考站的虛擬觀測值與本站觀測數據做差分，再利用常規的快速模糊度解算算法獲取流動站與虛擬參考站的整周模糊度與實時相位差，進一步得到釐米級的定位結果。
然而，網絡RTK存在一定的局限性。首先，需要建立一個RTK數據中心，數據中心與所有RTK參考站的位置需要考慮。RTK數據中心與參考站以及流動站之間能夠確保實時通信，並且對通信速率有一定的要求。而在一些偏遠地區，暫時沒有移動通信網絡或者當通信速率達不到RTK觀測數據傳輸速率要求時，網絡RTK技術就不能使用。其次，由於網絡RTK技術主要針對長基線RTK存在問題提出的解決方案，因此，網絡RTK技術無法通過短距離電臺的方式實現，只能通過有線網絡、無線蜂窩網絡或者無線區域網的形式將參考站的觀測信息通過internet網絡匯總到網絡RTK數據中心，觀測數據存在一定的傳輸延遲和處理延遲，對於動態環境下的高精度定位有一定的局限性。最後，RTK數據中心需要維持龐大的虛擬參考站數據更新和流動站數據交互。並且，網絡RTK技術算法的複雜度和虛擬參考觀測值是隨著流動站的數量的增加而增大，進而給數據中心伺服器處理和通信網絡傳輸帶來極大的負擔和壓力。近年來，高精度衛星定位導航系統的應用從傳統的測繪領域，延伸到了駕考，智能控制，無人駕駛，無人機，遙感等領域，從而導致高精度衛星導航終端(流動站)的數量在不斷增加。不斷增加的高精度衛星定位導航應用和定位終端使得網絡RTK技術的弊端越來越明顯。
技術實現要素：
本發明的目的之一在於提供一種定位精度高、大規模應用時數據處理壓力小的即時參考站定位鑑權方法。
本發明的目的之二在於提供一種應用所述即時參考站定位鑑權方法進行定位鑑權的系統。
本發明提供的這種即時參考站定位鑑權方法，包括如下步驟：
S1.選取固定參考站，設置固定參考站自身的高精度標準坐標位置；
S2.步驟S1選取的固定參考站實時觀測並獲取RTK技術所需的觀測數據；
S3.依據步驟S2獲取的觀測數據計算固定參考站的偽距殘差和載波相位殘差；
S4.固定參考站將步驟S3得到的偽距殘差和載波相位殘差以及步驟S1設置的標準坐標位置傳送給參考站調度中心；
S5.流動站通過偽距觀測值計算得到自身當前的粗定位結果；
S6.流動站將步驟S5得到的粗定位結果傳送給參考站調度中心；
S7.參考站調度中心根據參考站的偽距殘差、載波相位殘差和標準坐標位置，以及流動站的粗定位位置結果匹配出流動站所對應的參考站；所述的參考站包括固定參考站和即時參考站；
S8.參考站調度中心將流動站所配對的參考站唯一標識發送給流動站；
S9.流動站根據對應參考站的唯一標識，接收對應參考站的觀測數據和標準坐標位置；
S10.流動站根據接收到的對應參考站的觀測數據與自身的觀測數據，完成流動站的高精度定位；
S11.流動站獲取設定時間內的整周模糊度解算的結果、偽距殘差和載波相位殘差，並聯合判斷自身是否能夠成為即時參考站：若判斷成功，則流動站轉換為即時參考站；
S12.即時參考站獲取一定時間內的整周模糊度解算的結果、偽距殘差和載波相位殘差，並聯合判斷本即時參考站是否能繼續成為即時參考站：若判斷不成功，則本即時參考站轉換回流動站；
S13.參考調度中心周期性向所有即時參考站發送任意參考站的精確位置信息以及對應的差分觀測數據；
S14.即時參考站根據接收的位置信息和差分觀測數據，以及自身的精確位置和差分觀測數據，解算接收的觀測數據所屬的參考站的精確位置，並將解算結果發送給參考站調度中心；
S15.參考站調度中心接收即時參考站發送的解算結果，結合發送給該即時參考站的觀測數據所屬的參考站的精確位置信息，對該即時參考站進行鑑權；
S16.若流動站根據所屬的參考站的觀測數據無法得到整周模糊度解算結果，則流動站將該參考站的唯一標識傳輸到參考站調度中心；
S17.參考站調度中心根據步驟S16的流動站發送的唯一標識判斷該參考站的類型，並調整該參考站的權級；
S18.參考站調度中心根據步驟S17所述的調整權級的參考站的調整次數，禁止該站點的參考站功能。
所述的即時參考站只能作為比該即時參考站的權級低的流動站的參考站。
步驟S1所述的固定參考站的選取，具體為在已知精確位置的地點設置固定參考站，或者在任意位置設置固定參考站，並通過定位算法獲取固定參考站的精確位置；且所述的固定參考站能夠兼容現有的網絡RTK技術中的CORS站。
所述的通過定位算法獲取固定參考站的精確位置，具體為通過PPP精密單點定位算法長時間獲取固定參考站的精確位置。
步驟S3所述的計算偽距殘差和載波相位殘差，具體為採用如下算式進行計算：
式中
其中，Δρc為偽距殘差，Δρf為載波相位殘差，第i顆衛星的每t個頻點上的偽距觀測值和載波相位觀測值所對應的單點粗定位結果和精密定位結果分別為和站點的精確位置為(Xf,Yf,Zf)，第i顆衛星的位置為(Xi,Yi,Zi)。
步驟S7所述的匹配出流動站所對應的參考站，具體為採用如下規則進行匹配：
流動站所配對的參考站hj為式中argmin為取最大值所在的索引，γ＝{h＝1,...,3,ΔDj,h＜SD}；其中第h個參考站的精密位置為偽距殘差和載波相位殘差為和第j個流動站的粗定位位置為SD的取值與短基線RTK的精度的有關，SD取值越大則RTK定位精度越小。
步驟S8所述的標識包括電臺頻道，網絡IP位址，調頻頻率或者加密ID。
步驟S11所述的流動站判斷自身是否能夠成為即時參考站，具體為採用如下規則進行判斷：
若流動站連續N次整周模糊度解算成功，並且每次解算的偽距殘差值不大於2米，且載波相位殘差值不大於2釐米，則流動站模式能夠成為即時參考站。
步驟S12所述的判斷即時參考站是否能繼續成為即時參考站，具體為若即時參考站有連續M次整周模糊度解算不成功，則即時參考站轉換為流動站。
步驟S15所述的對即時參考站進行鑑權，具體為採用如下規則進行鑑權：
若該即時參考站發送的解算結果與發送給該即時參考站的觀測數據所屬的參考站的精確位置之間的誤差小於事先設定的閾值A，則認為該即時參考站為正常的即時參考站；
若該即時參考站沒有向參考站調度中心反饋解算結果，或該即時參考站發送的解算結果與發送給該即時參考站的觀測數據所屬的參考站的精確位置之間的誤差大於事先設定的閾值A，且累計次數達到設定的閾值B，則認定該即時參考站為偽造的即時參考站，並立即取消該站點的即時參考站功能。
步驟S17所述的判斷參考站的類型並調整該參考站的權級，具體為若該參考站為即時參考站，並且該參考站被流動站上報無法得到整周模糊度解算結果的次數大於事先設定的閾值C，則參考站調度中心降低該即時參考站一個權級。
步驟S18所述的參考站調度中心根據參考站的權級調整次數禁止該站點的參考站功能，具體為參考站調度中心判斷該被降級的參考站總共被降級的次數：若該參考站總共被降級的次數達到事先設定的閾值D，則參考站調度中心將該站點的參考站功能禁止，則該參考站只能工作為流動站模式。
本發明還提供了一種應用所述即時參考站定位鑑權方法進行定位鑑權的系統，包括一個參考站調度中心、若干個固定參考站、若干個流動站以及參考站調度中心、固定參考站和流動站之間進行數據交換的通信鏈路；所述參考站調度中心用於匹配流動站所對應的參考站信息，並將所述匹配信息通過通信鏈路發送流動站，或者適時調整或禁止即時參考站的權級；流動站為需要進行精確定位的流動站；固定參考站用於獲取自身所在位置的精確位置，計算自身的偽距殘差和載波相位殘差並發送參考站調度中心，還用於與流動站進行匹配和定位流動站的位置；所述流動站所對應的參考站包括固定參考站和即時參考站，所述即時參考站由高精度定位後的流動站轉換而來。
本發明提供的這種即時參考站定位鑑權方法和系統，基於流動站/即時參考站可動態切換的模式，利用大規模的流動站/即時參考站的位置和觀測數據，以及特定的參考站調度算法，為每個流動站提供一個特定的參考站進行配對，從而實現流動站的高精度定位；其次，每一個流動站在完成高精度定位之後，通過一定的判決準則，可以成為候選參考站以供其他的流動站做參考；此外，每一個流動站在完成高精度定位之後，通過一定的鑑權和判決準則，可以成為候選參考站以供其他的流動站做參考；本發明需要一個參考站調度中心，然而此調度中心只需要根據流動站的粗定位結果執行參考站調度算法，實現參考站-流動站配對，其中一個參考站可以與多個流動站配對；在配對完成以後，參考站對配對的所有流動站發送觀測數據，以便流動站實現高精度定位；本發明提供的是一種全新的無數據中心的即時參考站技術，不需要進行大規模的集中式的CORS站網絡建設，使用本發明提供的即時參考站技術的終端越多，網絡的魯棒性越強，有效地解決了網絡RTK技術存在的關鍵問題，非常有利於高精度定位導航的大規模應用。
附圖說明
圖1為現有的網絡RTK技術的定位原理示意圖。
圖2為本發明的定位系統工作示意圖。
圖3為本發明的方法流程圖。
具體實施方式
如圖2所示為本發明的定位系統工作示意圖：本發明提供的這種實現所述即時參考站定位鑑權方法的定位系統，包括一個參考站調度中心、若干個固定參考站、若干個流動站以及參考站調度中心、固定參考站和流動站之間進行數據交換的通信鏈路；所述參考站調度中心用於匹配流動站所對應的參考站信息，並將所述匹配信息通過通信鏈路發送流動站，或者適時調整或禁止即時參考站的權級；流動站為需要進行精確定位的流動站；固定參考站用於獲取自身所在位置的精確位置，計算自身的偽距殘差和載波相位殘差並發送參考站調度中心，還用於與流動站進行匹配和定位流動站的位置；所述流動站所對應的參考站包括固定參考站和即時參考站，所述即時參考站由高精度定位後的流動站轉換而來。
如圖3所示為本發明的方法流程圖：本發明提供的這種即時參考站定位鑑權方法，包括如下步驟：
S1.選取固定參考站，設置固定參考站自身的高精度標準坐標位置：具體為在已知精確位置的地點設置固定參考站，或者在任意位置設置固定參考站，並通過PPP精密單點定位算法長時間獲取固定參考站的精確位置；
S2.步驟S1選取的固定參考站實時觀測並獲取RTK技術所需的觀測數據；
S3.依據步驟S2獲取的觀測數據計算固定參考站的偽距殘差和載波相位殘差；具體為採用如下算式進行計算：
式中
其中，Δρc為偽距殘差，Δρf為載波相位殘差，第i顆衛星的每t個頻點上的偽距觀測值和載波相位觀測值所對應的單點粗定位結果和精密定位結果分別為和站點的精確位置為(Xf,Yf,Zf)，第i顆衛星的位置為(Xi,Yi,Zi)；
S4.固定參考站將步驟S3得到的偽距殘差和載波相位殘差以及步驟S1設置的標準坐標位置傳送給參考站調度中心；
S5.流動站通過偽距觀測值計算得到自身當前的粗定位結果；
S6.流動站將步驟S5得到的粗定位結果傳送給參考站調度中心；
S7.參考站調度中心根據參考站的偽距殘差、載波相位殘差和標準坐標位置，以及流動站的粗定位位置結果匹配出流動站所對應的參考站(包括固定參考站和/或即時參考站)；具體為採用如下規則進行匹配：
流動站所配對的參考站hj為式中argmin為取最大值所在的索引，γ＝{h＝1,...,3,ΔDj,h＜SD}；其中第h個參考站的精密位置為偽距殘差和載波相位殘差為和第j個流動站的粗定位位置為其中SD的取值決定了短基線RTK的精度，SD取值過大會使得RTK定位精度下降甚至得不到解算結果。SD取值過小會導致可能不存在與當前流動站配對的參考站；一種比較合適的方式是，首先將SD設置為5km，若發現有參考站，則配對，若沒有發現可以配對的參考站，再將SD增加5km，直到發現有配對的參考站為止，其中SD最多累加到20km；
S8.參考站調度中心將流動站所配對的參考站(包括固定參考站和/或即時參考站)唯一標識(比如電臺頻道，網絡IP位址，調頻頻率或者加密ID等)發送給流動站；
S9.流動站根據對應參考站(包括固定參考站和/或即時參考站)的唯一標識，接收對應參考站的觀測數據和標準坐標位置；
S10.流動站根據接收到的對應參考站(包括固定參考站和/或即時參考站)的觀測數據與自身的觀測數據，完成流動站的高精度定位；
S11.流動站獲取設定時間內的整周模糊度解算的結果、偽距殘差和載波相位殘差，並聯合判斷自身是否能夠成為即時參考站：
若流動站連續N次整周模糊度解算成功，並且每次解算的偽距殘差值不大於2米，且載波相位殘差值不大於2釐米，則流動站模式能夠成為即時參考站；其中，N可取任意整數值。N取值過小，容易造成即時參考站的虛警誤判，進而導致錯誤累積，使得改即時參考站所配對的流動站都產生定位錯誤，對整個RTK網絡造成錯誤的蔓延式擴散。N取值過大，容易造成極少數流動站能成為參考站，使得RTK網絡中可以使用的即時參考站過少。因此，N的取值根據不同的場景有不同的選擇方式。例如，在無人機，無人駕駛環境下，需要亞米級定位精度環境下，N取值可以為100-200左右，假設1秒的更新頻率，則流動站成為即時參考站需要經過2-3分鐘的判決時間。在測繪環境下，需要釐米級定位精度，N的取值可以為1000-3000左右，假設1秒的更新頻率，則流動站成為即時參考站需要經過20-60分鐘左右的判決時間；
S12.即時參考站獲取一定時間內的整周模糊度解算的結果、偽距殘差和載波相位殘差，並聯合判斷本即時參考站是否能繼續成為即時參考站：若即時參考站有連續M次整周模糊度解算不成功，則即時參考站轉換為流動站；M的取值在10-20次左右較為合適；
S13.參考調度中心周期性向所有即時參考站發送任意參考站的精確位置信息以及對應的差分觀測數據；
S14.即時參考站根據接收的位置信息和差分觀測數據，以及自身的精確位置和差分觀測數據，解算接收的觀測數據所屬的參考站的精確位置，並將解算結果發送給參考站調度中心；
S15.參考站調度中心接收即時參考站發送的解算結果，結合發送給該即時參考站的觀測數據所屬的參考站的精確位置信息，採用如下規則對該即時參考站進行鑑權：
若該即時參考站發送的解算結果與發送給該即時參考站的觀測數據所屬的參考站的精確位置之間的誤差小於事先設定的閾值A(比如2釐米)，則認為該即時參考站為正常的即時參考站；
若該即時參考站沒有向參考站調度中心反饋解算結果，或該即時參考站發送的解算結果與發送給該即時參考站的觀測數據所屬的參考站的精確位置之間的誤差大於事先設定的閾值A，且累計次數達到設定的閾值B(比如10次)，則認定該即時參考站為偽造的即時參考站，並立即取消該站點的即時參考站功能。
S16.若流動站根據所屬的參考站的觀測數據無法得到整周模糊度解算結果，則流動站將該參考站的唯一標識傳輸到參考站調度中心；
S17.參考站調度中心判斷該參考站的類型並調整該參考站的權級：若該參考站為即時參考站，並且該參考站被流動站上報無法得到整周模糊度解算結果的次數大於事先設定的閾值C(比如10次)，則參考站調度中心降低該即時參考站一個權級；
S18.參考站調度中心判斷該被降級的參考站總共被降級的次數：若該參考站總共被降級的次數達到事先設定的閾值D(比如10次)，則參考站調度中心將該站點的參考站功能禁止，則該參考站只能工作為流動站模式。
為了保證不同環境下的高精度定位服務，設計不同權級的即時參考站，其具體規則為採用權級值level的取值的不同來設定，level的取值越大，其權級越高，level的取值越低，其權級越低。其次，即時參考站的鑑權機制也會影響即時參考站的權級，當即時參考站多次被其他流動站上報為低服務質量的即時參考站，則該即時參考站的權級也隨之降低。若該站點被禁止使用即時參考站功能，則其即時參考站權級降為0，即無權級。高權級的即時參考站可以為低權級需求的流動站服務，而低權級的即時參考站不能為高權級需求的流動站服務。