一種單頻gps高精度單點定位系統及方法
2023-05-01 20:46:31
專利名稱：一種單頻gps高精度單點定位系統及方法
技術領域：
本發明涉及GPS定位技術領域，尤其涉及一種單頻GPS高精度單點定位系統及方法。
背景技術：
衛星定位技術自1993年GPS建成以來，在導航、測量、定時、空間技術等方面得到廣泛的應用，並成為繼通信、網際網路之後的第三個IT新增長點。GPS的定位方式分相對定位和絕對定位兩種，後者也稱為單點定位。GPS自投入使用以來，其相對定位的定位方式發展得很快，從最先的碼相對定位到現在的RTK定位，使GPS的定位精度不斷提高。但是，絕對定位即單點定位發展得比較緩慢，傳統的GPS單點定位是利用碼偽距觀測值以及由廣播星曆所提供的衛星軌道參數和衛星鐘改正數進行的，其優點是，數據採集與處理較為方便、自由和簡單，用戶在任一時刻只需用一臺GPS接收機就能獲得WGS-84坐標系中的三維坐標。 但由於偽距觀測值的精度一般為數分米至數米，用廣播星曆所求得的衛星位置的誤差可達數米至數十米，衛星鐘差的誤差為士20 ns左右，因而GPS單點定位接收機一般只能用於導航及資源調查、勘探等低精度的領域。隨著各國GPS測量應用領域的擴大和活動的增加，對定位精度也提出更高要求 如精密的海洋劃界、精密海洋工程測量等，要求能夠達到十幾或幾十釐米的定位精度。而採用偽距差分定位只能提供亞米級的定位精度，如果使用RTK功能，作業範圍一般不超過15 公裡，因此作用距離又不能達到要求。雙頻單點定位研究已相當成熟，但雙頻接收機價格昂貴，不宜推廣。
發明內容
為克服上述現有技術存在的缺點，本發明的目的在於提供一種單頻GPS高精度單點定位系統及方法。採用單臺單頻GPS接收機，對全球範圍內動態目標進行高精度定位、測速。提供高質量的定位位置信息。本發明所採用的技術方案為
所述的一種單頻GPS高精度單點定位系統，由天線、GPS接收機、無線通訊模塊(GPRS)、 ARM核心板、母板、電源以及數據接口組成 天線，用於接收GPS衛星導航系統的信號；
單頻GPS接收機，主要完成GPS基帶信號處理、GPS信號跟蹤和PVT (位置、速度、時間) 解算，並向精密單點定位解算模塊提供所需的GPS觀測數據(衛星星曆數據、偽距觀測量、 載波相位觀測量等)、SBAS觀測數據(GPS衛星星曆誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改正信息等)；
無線通訊模塊(GPRS)主要完成通過無線網絡傳輸的各項修正數據(包括GPS衛星精密星曆、GPS鐘差修正數據和電離層誤差修正數據等)的接收，下載IGS精密星曆、鐘差、電離層延時等信息，進行電離層延遲誤差、衛星鐘差改正、衛星軌道誤差改正，實現利用IGS網絡數據完成精密單點定位處理；
ARM核心板主要完成各數據接口的驅動加載；GPS接收機板卡和無線通訊模塊的初始化；接收來自GPS接收機板卡的各項觀測數據(GPS衛星星曆數據、偽距觀測量、載波相位觀測量等)、SBAS觀測數據(GPS衛星星曆誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改正信息等);無線通訊模塊的各項修正數據；進行自主的精密單點定位算法處理運算；
母板的作用主要是連接GPS接收機、ARM核心板、無線通訊模塊；完成各模塊供電；完成系統內、外通訊功能；
電源用於向系統供電，數據接口用於完成數據的輸入輸出工作。進一步，所述無線通訊模塊(GPRS)可通過移動通信、3G無線寬帶通信等連接到 IGS數據中心，完成數據下載。進一步，所述IGS數據中心是指國際GPS數據服務組的一個數據分析中心。進一步，所述SBAS觀測數據，是指利用地球靜止軌道衛星建立的區域性廣域差分增強系統。本方案使用日本的MSAS多功能衛星增強系統。進一步，所述數據接口包括RS232埠和USB接口。本發明的另一個目的在於提供一種單頻GPS高精度單點定位方法 所述的方法包括以下步驟
步驟1 系統啟動主要檢查GPS板卡和無線通訊模塊的初始化情況，以及完成ARM核心板中的作業系統的啟動和各接口驅動的加載；
步驟2 :GPS板卡數據通訊主要完成GPS接收機板卡的GPS觀測數據以及SBAS觀測數據的提取；GPS接收機板卡的參數設置；
無線通訊模塊數據通訊主要完成無線通訊模塊的數據提取、模塊的參數設置和向模塊寫數據；
外圍串口 2通訊通過外圍串口 2完成差分數據的收發；
步驟3 =GPS數據計算與處理，完成單點定位處理；將GPS接收機的GPS數據和SBAS數據、無線通訊模塊的修正數據、外圍串口 2的差分等數據進行綜合處理和計算，完成精密單點定位；在精確獲取到衛星軌道和衛星的鐘差值後，再考慮影響定位結果的各種誤差源並利用相應的改正模型對其進行改正；結合IGS站提供的GPS衛星精密星曆求出高精度的衛星軌道，利用精密衛星鐘差進行鐘差改正；對單頻單點定位的精度影響最大電離層誤差，採用電離層格網模型來修正；在解算過程中，利用載波相位變化率探測周跳，利用切比雪夫多項式確定並修復周跳，使用Hatch濾波進行偽距相位平滑等數據預處理工作，再利用卡爾曼濾波方法進行待求參數的估計計算；
步驟4 收到衛星信號後，點亮GPS信號燈，高精度定位成功後，點亮高精度定位信號
燈；
步驟5 單點定位處理後的GPS定位數據通過外圍串口 1、外圍USB及外圍串口 2輸出。本發明的有益效果是僅採用一臺單頻GPS接收機進行觀測，結合從IGS站上下載的精密星曆和精密鐘差文件，利用觀測得到的偽距和載波相位觀測值進行解算，以獲得該接收機在地球坐標系中精確的坐標。該技術具有數據採集簡單且精度高的優點，很大程度上提高了精密定位的可行性和靈活性，與價格昂貴的雙頻GPS接收機相比採用低成本的單頻GPS接收機，大大降低了項目費用。因此，單點定位技術已在GPS地面網的解算、運動載體動態定位、大氣探測、時間傳遞、國土資源調查與管理、生態環境監測重大自然災害與應急監測以及低軌衛星定軌、區域高精度的坐標框架維持等領域都具有廣泛的應用，本發明以其自身優勢具備廣闊的產業化前景。
圖1為本發明系統結構示意圖。圖2為本發明提供的系統數據處理流程圖。圖3為本發明提供的單頻精密單點定位解算數據處理流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，一種單頻GPS高精度單點定位系統，由天線101、GPS接收機102、無線通訊模塊(GPRS) 103、ARM核心板104、母板105、電源106以及數據接口 107組成。天線101，用於接收GPS衛星導航系統的信號；
單頻GPS接收機102，主要完成GPS基帶信號處理、GPS信號跟蹤和PVT (位置、速度、時間)解算，並向精密單點定位解算模塊提供所需的GPS觀測數據(衛星星曆數據、偽距觀測量、載波相位觀測量等)、SBAS觀測數據(GPS衛星星曆誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改 IHfn息等)ο無線通訊模塊(GPRS) 103，主要完成通過無線網絡傳輸的各項修正數據(包括 GPS衛星精密星曆、GPS鐘差修正數據和電離層誤差修正數據等)的接收。可通過移動通信、 3G無線寬帶通信連接到IGS數據中心，下載IGS精密星曆、鐘差、電離層延時等信息，進行電離層延遲誤差、衛星鐘差改正、衛星軌道誤差改正，實現利用IGS網絡數據完成精密單點定位處理。ARM核心板104，主要完成各數據接口的驅動加載；GPS接收機板卡和無線通訊模塊的初始化；接收來自GPS接收機板卡的各項觀測數據(GPS衛星星曆數據、偽距觀測量、載波相位觀測量等)、SBAS觀測數據(GPS衛星星曆誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改正信息等)；無線通訊模塊的各項修正數據；進行自主的精密單點定位算法處理運算。母板105的作用主要是連接GPS接收機102、無線通訊模塊103、ARM核心板104 ； 完成各模塊供電；完成系統內、外通訊功能。電源106用於向系統供電，數據接口 107用於完成數據的輸入輸出工作。如圖2所示，一種單頻GPS高精度單點定位方法 所述的方法包括以下步驟
步驟1 系統啟動首先進行GPS板卡初始化201、無線通訊模塊的初始化202及系統的初始化203，初始化成功後204進行步驟2 ；
步驟2 =GPS板卡數據通訊205 主要完成GPS接收機板卡的GPS觀測數據以及SBAS 觀測數據的提取；GPS接收機板卡的參數設置；
無線通訊模塊數據通訊206 主要完成無線通訊模塊的數據提取、模塊的參數設置和向模塊寫數據；
外圍串口 2通訊207 通過外圍串口 2完成差分數據的收發，步驟2完成後進行步驟
3 ；步驟3 =GPS數據計算與處理，完成單點定位處理208 ；將GPS接收機的GPS數據和 SBAS數據、無線通訊模塊的修正數據、外圍串口 2的差分等數據進行綜合處理和計算，完成精密單點定位；在精確獲取到衛星軌道和衛星的鐘差值後，再考慮影響定位結果的各種誤差源並利用相應的改正模型對其進行改正；結合IGS站提供的GPS衛星精密星曆求出高精度的衛星軌道，利用精密衛星鐘差進行鐘差改正；對單頻單點定位的精度影響最大電離層誤差，採用電離層格網模型來修正；在解算過程中，利用載波相位變化率探測周跳，利用切比雪夫多項式確定並修復周跳，使用Hatch濾波進行偽距相位平滑等數據預處理工作，再利用卡爾曼濾波方法進行待求參數的估計計算，步驟3完成後進入步驟4 ；
步驟4 收到衛星信號後209，點亮GPS信號燈210，高精度定位成功後211，點亮高精度定位信號燈212，步驟4完成後進入步驟5 ；
步驟5 單點定位處理後的GPS定位數據通過外圍串口 1輸出213、外圍USB輸出214 及外圍串口 2輸出215。圖3為單頻精密單點定位解算數據處理流程，利用GPS接收機的輸出數據以及無線通訊模塊接收的各項修正數據，實現單頻精密單點定位。步驟301主要完成GPS單頻觀測數據(衛星星曆觀測數據、偽距觀測量、載波觀測量等)、導航文件、SBAS修正數據(星曆修正、GPS衛星鐘差修正、電離層修正等)、IGS精密星曆和精密鐘差文件、IGS的硬體延遲文件、電離層格網數據的接收；步驟302主要完成周跳探測、粗差剔除和利用相位平滑偽距的處理；步驟302完成後，進入步驟303誤差改正和步驟304參數估計，步驟303中主要進行的是電離層、硬體延遲及對對流層等其它誤差改正， 並在步驟305中計算殘值，步驟306對殘值判定是否超限，如果超限則重新進入步驟304，如未超限，則進入步驟307，輸出測站坐標、接收機鍾、天頂對流層參數模糊度參數。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與改進，因此本發明之保護範圍當視權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種單頻GPS高精度單點定位系統，由天線、單頻GPS接收機、無線通訊模塊 (GPRS)、ARM核心板、母板、電源以及數據接口組成，其特徵在於天線，用於接收GPS衛星導航系統的信號；單頻GPS接收機，主要完成GPS基帶信號處理、GPS信號跟蹤和PVT (位置、速度、時間) 解算，並向精密單點定位解算模塊提供所需的GPS觀測數據(衛星星曆數據、偽距觀測量、 載波相位觀測量等)、SBAS觀測數據(GPS衛星星曆誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改正信息等)；無線通訊模塊(GPRS)主要完成通過無線網絡傳輸的各項修正數據(包括GPS衛星精密星曆、GPS鐘差修正數據和電離層誤差修正數據等)的接收，下載IGS精密星曆、鐘差、電離層延時等信息，進行電離層延遲誤差、衛星鐘差改正、衛星軌道誤差改正，實現利用IGS網絡數據完成精密單點定位處理；ARM核心板主要完成各數據接口的驅動加載；GPS接收機板卡和無線通訊模塊的初始化；接收來自GPS接收機板卡的各項觀測數據(GPS衛星星曆數據、偽距觀測量、載波相位觀測量等)、SBAS觀測數據(GPS衛星星曆誤差改正、衛星鐘差改正和電離層改正信息等);無線通訊模塊的各項修正數據；進行自主的精密單點定位算法處理運算；母板的作用主要是連接GPS接收機、ARM核心板、無線通訊模塊；完成各模塊供電；完成系統內、外通訊功能；電源用於向系統供電，數據接口用於完成數據的輸入輸出工作。
2.根據權利要求1所述的一種單頻GPS高精度單點定位系統，其特徵在於所述無線通訊模塊(GPRS)可通過移動通信、3G無線寬帶通信等連接到IGS數據中心，完成數據下載。
3.根據權利要求1所述的一種單頻GPS高精度單點定位系統，其特徵在於所述IGS數據中心是指國際GPS數據服務組的一個數據分析中心。
4.根據權利要求1所述的一種單頻GPS高精度單點定位系統，其特徵在於所述SBAS 觀測數據，是指利用地球靜止軌道衛星建立的區域性廣域差分增強系統，本方案使用日本的MSAS多功能衛星增強系統。
5.根據權利要求1所述的一種單頻GPS高精度單點定位系統，其特徵在於所述數據接口包括RS232埠和USB接口。
6.一種單頻GPS高精度單點定位方法，其特徵在於所述的方法包括以下步驟步驟1 系統啟動主要檢查GPS板卡和無線通訊模塊的初始化情況，以及完成ARM核心板中的作業系統的啟動和各接口驅動的加載；步驟2 :GPS板卡數據通訊主要完成GPS接收機板卡的GPS觀測數據以及SBAS觀測數據的提取；GPS接收機板卡的參數設置；無線通訊模塊數據通訊主要完成無線通訊模塊的數據提取、模塊的參數設置和向模塊寫數據；外圍串口 2通訊通過外圍串口 2完成差分數據的收發；步驟3 =GPS數據計算與處理，完成單點定位處理；將GPS接收機的GPS數據和SBAS數據、無線通訊模塊的修正數據、外圍串口 2的差分等數據進行綜合處理和計算，完成精密單點定位；在精確獲取到衛星軌道和衛星的鐘差值後，再考慮影響定位結果的各種誤差源並利用相應的改正模型對其進行改正；結合IGS站提供的GPS衛星精密星曆求出高精度的衛星軌道，利用精密衛星鐘差進行鐘差改正；對單頻單點定位的精度影響最大電離層誤差，採用電離層格網模型來修正；在解算過程中，利用載波相位變化率探測周跳，利用切比雪夫多項式確定並修復周跳，使用Hatch濾波進行偽距相位平滑等數據預處理工作，再利用卡爾曼濾波方法進行待求參數的估計計算；步驟4 收到衛星信號後，點亮GPS信號燈，高精度定位成功後，點亮高精度定位信號燈；步驟5 單點定位處理後的GPS定位數據通過外圍串口 1、外圍USB及外圍串口 2輸出。
全文摘要
本發明提供一種單頻GPS高精度單點定位系統及方法，屬於GPS定位技術領域，該定位系統由單頻GPS接收機，完成GPS基帶信號處理、GPS信號跟蹤和PVT解算，並向精密單點定位解算模塊提供所需的GPS觀測數據、各種誤差改正信息。由無線通訊模塊(GPRS)完成通過無線網絡傳輸的各項修正數據的接收，以及下載IGS精密星曆、鐘差、電離層延時等信息，進行電離層延遲誤差、衛星鐘差改正、衛星軌道誤差改正，利用IGS網絡數據完成精密單點定位處理。由ARM核心板接收來自GPS接收機板卡的各項觀測數據、SBAS觀測數據以及無線通訊模塊的各項修正數據，並進行自主的精密單點定位算法處理運算。該系統具有數據採集簡單且精度高的優點，提高了精密定位的可行性和靈活性。
文檔編號G01S19/43GK102540228SQ20111038727
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者不公告發明人 申請人:重慶九洲星熠導航設備有限公司