本發(fā)明具體涉及一種蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法及系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，高精度衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的應用從傳統(tǒng)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(wèi)星導航終端(流動站)的數(shù)量在不斷增加。不斷增加的高精度衛(wèi)星定位導航應用和定位終端使得高精度的網(wǎng)絡rtk技術的需求越來越明顯。

rtk(realtimekinematic)技術是一種基于載波相位差份的實時動態(tài)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(jié)果，實時定位精度可以達到厘米級，并具有實時性好、速度快等優(yōu)點。rtk的基本原理為，參考站與流動站同時接收衛(wèi)星信號，參考站將觀測數(shù)據(jù)(主要為載波相位、偽距)和參考站標準坐標位置通過數(shù)據(jù)鏈(調(diào)制解調(diào)器、電臺或通信網(wǎng)絡)傳輸給流動站，流動站利用軟件通過差分計算，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(jù)參考站的標準坐標，實現(xiàn)精密定位，定位精度可達厘米級。rtk技術廣泛應用于室外高精度定位導航相關的行業(yè)，例如，測繪，駕考，智能控制，無人駕駛，無人機，遙感等。

rtk技術的核心在于考慮到參考站和流動站之間觀測數(shù)據(jù)值具備相同的主要是三種誤差：大氣層傳播誤差、衛(wèi)星星歷誤差、星鐘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，解算出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(xiàn)高精度定位。然而，rtk技術對于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，則參考站和流動站接收數(shù)據(jù)存在的電離層誤差的相關性會大大降低，從而無法得到有效的rtk定位結(jié)果，使得實時定位精度大幅度降低。對于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(wǎng)絡rtk技術。網(wǎng)絡rtk技術的原理如圖1所示，具體如下：首先，存在一個網(wǎng)絡rtk數(shù)據(jù)中心，其利用多個參考站的觀測數(shù)據(jù)生成不同位置下的虛擬參考站(vrs—virtualreferencestation)并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，并且通過收集所有rtk參考站的數(shù)據(jù)，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(nèi)精度的定位結(jié)果，將其結(jié)果送給網(wǎng)絡rtk數(shù)據(jù)中心，rtk數(shù)據(jù)中心根據(jù)其定位結(jié)果計算出對應的虛擬參考站的位置和觀測值，并將相應的虛擬參考站的虛擬觀測值傳送給流動站。最后，流動站利用虛擬參考站的虛擬觀測值與本站觀測數(shù)據(jù)做差分，再利用常規(guī)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，進一步得到厘米級的定位結(jié)果。

然而，網(wǎng)絡rtk存在一定的局限性。(1)首先，需要建立一個rtk數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心與所有rtk參考站的位置需要考慮。rtk數(shù)據(jù)中心與參考站以及流動站之間能夠確保實時通信，并且對通信速率有一定的要求。而在一些偏遠地區(qū)，暫時沒有移動通信網(wǎng)絡或者當通信速率達不到rtk觀測數(shù)據(jù)傳輸速率要求時，網(wǎng)絡rtk技術就不能使用。(2)其次，由于網(wǎng)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(wǎng)絡rtk技術無法通過短距離電臺的方式實現(xiàn)，只能通過有線網(wǎng)絡、無線蜂窩網(wǎng)絡或者無線局域網(wǎng)的形式將參考站的觀測信息通過internet網(wǎng)絡匯總到網(wǎng)絡rtk數(shù)據(jù)中心，觀測數(shù)據(jù)存在一定的傳輸延遲和處理延遲，對于動態(tài)環(huán)境下的高精度定位有一定的局限性。(3)接著，網(wǎng)絡rtk技術需要建設大量的參考站(也稱為cors站)，cors站建設費用極高，且cors站每年需要付出大量的維護費用。(4)最后，rtk數(shù)據(jù)中心需要維持龐大的虛擬參考站數(shù)據(jù)更新和流動站數(shù)據(jù)交互。并且，網(wǎng)絡rtk技術算法的復雜度和虛擬參考觀測值是隨著流動站的數(shù)量的增加而增大，進而給數(shù)據(jù)中心服務器處理和通信網(wǎng)絡傳輸帶來極大的負擔和壓力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種定位速度快、定位精度高、成本低廉、大規(guī)模應用時數(shù)據(jù)處理壓力小的蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種應用所述蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法進行定位的系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的這種蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法，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并獲取rtk技術所需的觀測數(shù)據(jù)；

s3.固定參考站將自身的標準坐標位置發(fā)送至集中控制中心；

s4.集中控制中心根據(jù)步驟s3獲取的固定參考站的標準坐標位置，分配固定參考站所屬的參考站調(diào)度中心；

s5.固定參考站依據(jù)步驟s2獲取的觀測數(shù)據(jù)計算自身的偽距殘差和載波相位殘差；

s6.固定參考站將步驟s5得到的偽距殘差、載波相位殘差以及步驟s1設置的標準坐標位置發(fā)送給所屬的參考站調(diào)度中心；

s7.流動站通過偽距觀測值計算得到自身當前的粗定位結(jié)果；

s8.流動站將步驟s7得到的粗定位結(jié)果傳送給集中控制中心；

s9.集中控制中心根據(jù)步驟s8獲取的流動站的粗定位結(jié)果分配流動站所屬的參考站調(diào)度中心；

s10.參考站調(diào)度中心根據(jù)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(jié)果匹配出流動站所對應的參考站；

s11.參考站調(diào)度中心將流動站所配對的參考站唯一標識(在通信網(wǎng)絡中為唯一的ip地址或mac地址)發(fā)送給流動站；

s12.流動站根據(jù)對應參考站的唯一標識，接收對應參考站的觀測數(shù)據(jù)和標準坐標位置；

s13.流動站根據(jù)接收到的對應參考站的觀測數(shù)據(jù)與自身的觀測數(shù)據(jù)，完成流動站的高精度定位。

步驟s10所述的流動站所對應的參考站包括固定參考站和即時參考站。

所述的基于rtk和參考站的定位方法還包括如下步驟：

s14.流動站獲取設定時間內(nèi)的整周模糊度解算的結(jié)果、偽距殘差和載波相位殘差，并聯(lián)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(zhuǎn)換為即時參考站；

s15.即時參考站獲取一定時間內(nèi)的整周模糊度解算的結(jié)果、偽距殘差和載波相位殘差，并聯(lián)合判斷本即時參考站是否能繼續(xù)成為即時參考站：若判斷不成功，則本即時參考站轉(zhuǎn)換回流動站。

步驟s14所述的流動站判斷自身是否能夠成為即時參考站，具體為采用如下規(guī)則進行判斷：

若流動站連續(xù)n次整周模糊度解算成功，并且每次解算的偽距殘差值不大于2米，且載波相位殘差值不大于2厘米，則流動站模式能夠成為即時參考站。

步驟s15所述的判斷即時參考站是否能繼續(xù)成為即時參考站，具體為若即時參考站有連續(xù)m次整周模糊度解算不成功，則即時參考站轉(zhuǎn)換為流動站。

所述的蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法還包括如下步驟：

s16.集中控制中心接收流動站的粗定位定位，判斷流動站所在位置與其所屬的參考站調(diào)度中心的管理區(qū)域之間的關系，并更新參考站調(diào)度中心所屬的流動站集合；

s17.參考站調(diào)度中心更新參考站和流動站的配對信息。

步驟s16所述的更新參考站調(diào)度中心所屬的流動站集合，具體為采用如下步驟進行更新：

a.參考站調(diào)度中心接收流動站的粗定位信息，并上報集中控制中心；

b.集中控制中心根據(jù)流動站所在位置與其所屬的參考站調(diào)度中心的管理區(qū)域之間的關系，采用如下規(guī)則更新參考站調(diào)度中心所屬的流動站集合：

若流動站已經(jīng)越區(qū)并切換到其他參考站調(diào)度中心的管理區(qū)域，則更新流動站所屬的參考站調(diào)度中心信息，并將更新信息發(fā)送至流動站和更新前后的參考站調(diào)度中心；

c.更新前的參考站調(diào)度中心從下屬的流動站集中刪除流動站信息，且更新后的參考站調(diào)度中心將流動站信息添加到自身下屬的流動站集。

步驟s17所述的參考站調(diào)度中心更新參考站和流動站的配對信息，具體為采用如下兩種方式之一進行更新：

方式a-流動站請求更新：當流動站在所配對的當前的參考站環(huán)境下均無法得到固定解算結(jié)果，則流動站請求參考站調(diào)度中心進行參考站更新；

方式b-固定時間更新：在事先設定的固定時間周期，所述固定時間周期計時到達則立即更新參考站和流動站的配對信息；所述固定時間周期為根據(jù)環(huán)境的動態(tài)性進行設置，或根據(jù)用戶行為分析進行設置。

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，并通過定位算法獲取固定參考站的精確位置。

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s5所述的計算偽距殘差和載波相位殘差，具體為采用如下算式進行計算：

式中

其中，δρ^c為偽距殘差，δρ^f為載波相位殘差，第i顆衛(wèi)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(jié)果和精密定位結(jié)果分別為和站點的精確位置為(x^f,y^f,z^f)，第i顆衛(wèi)星的位置為(xⁱ,yⁱ,zⁱ)。

步驟s9所述的集中控制中心分配流動站所屬的參考站調(diào)度中心，具體為采用就近分配原則，即集中控制中心選擇距離流動站最近的那個參考站調(diào)度中心為流動站歸屬的參考站調(diào)度中心。

步驟s10所述的參考站調(diào)度中心匹配流動站所對應的參考站，具體為采用如下規(guī)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。

本發(fā)明還提供了一種應用所述蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法進行定位的系統(tǒng)，包括一個集中控制中心、若干個rtk蜂窩小區(qū)以及集中控制中心與rtk蜂窩小區(qū)進行數(shù)據(jù)交互的通信鏈路；所述一個rtk蜂窩小區(qū)包括一個參考站調(diào)度中心，若干個固定參考站和若干個流動站，以及參考站調(diào)度中心、固定參考站和流動站之間進行數(shù)據(jù)交換的通信鏈路；所述集中控制中心用于接收固定參考站的位置信息、判斷流動站與參考站調(diào)度中心的位置關系、分配流動站所屬的參考站調(diào)度中心以及更新流動站和參考站調(diào)度中心的數(shù)據(jù)信息；參考站調(diào)度中心用于匹配流動站所對應的參考站信息，并將所述匹配信息通過通信鏈路發(fā)送流動站；流動站為需要進行精確定位的流動站；固定參考站用于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并發(fā)送參考站調(diào)度中心，還用于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后的流動站轉(zhuǎn)換而來。

本發(fā)明提供的這種蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法和系統(tǒng)，基于流動站/參考站可動態(tài)切換的模式，利用大規(guī)模的流動站/參考站的位置和觀測數(shù)據(jù)，以及特定的參考站調(diào)度算法，為每個流動站提供多個特定的參考站進行配對，從而實現(xiàn)流動站的高精度定位；本發(fā)明需要一個集中控制中心和多個參考站調(diào)度中心，集中控制中心用于分配流動站所屬的參考站調(diào)度中心，而參考站調(diào)度中心的作用是根據(jù)流動站的粗定位結(jié)果執(zhí)行參考站調(diào)度算法，對流動站實現(xiàn)參考站分配，其分配的參考站為本參考站調(diào)度中心所屬，每一個參考站歸屬于一個參考站調(diào)度中心，當參考站的位置發(fā)生一定改變時，會導致所屬的參考站調(diào)度中心也發(fā)生改變；在完成對流動站的參考站配對，參考站對配對的所有流動站發(fā)送數(shù)據(jù)，以便流動站實現(xiàn)高精度定位。一個流動站只與一個參考站配對。最后，每一個流動站在完成高精度定位之后，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；本發(fā)明不需要進行大規(guī)模的集中式的cors站網(wǎng)絡建設，也不需要強大和復雜的rtk數(shù)據(jù)中心，可以利用現(xiàn)有的無線蜂窩網(wǎng)絡架構，每一個移動通信基站作為參考站調(diào)度中心，只需要增加一個控制中心，組成蜂窩網(wǎng)絡rtk的基本架構；與此同時，使用本發(fā)明提供的高精度定位終端越多，網(wǎng)絡的魯棒性就越強，能有效地解決基于虛擬參考站的網(wǎng)絡rtk技術存在的關鍵問題，非常有利于高精度定位導航的大規(guī)模應用。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的網(wǎng)絡rtk技術的定位原理示意圖。

圖2為本發(fā)明的定位系統(tǒng)工作示意圖。

圖3為本發(fā)明的方法流程圖。

具體實施方式

如圖2所示為本發(fā)明的定位系統(tǒng)工作示意圖：本發(fā)明提供的這種應用所述蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法進行定位的定位系統(tǒng)，包括一個集中控制中心、若干個rtk蜂窩小區(qū)以及集中控制中心與rtk蜂窩小區(qū)進行數(shù)據(jù)交互的通信鏈路；所述一個rtk蜂窩小區(qū)包括一個參考站調(diào)度中心，若干個固定參考站和若干個流動站，以及參考站調(diào)度中心、固定參考站和流動站之間進行數(shù)據(jù)交換的通信鏈路；所述集中控制中心用于接收固定參考站的位置信息、判斷流動站與參考站調(diào)度中心的位置關系、分配流動站所屬的參考站調(diào)度中心以及更新流動站和參考站調(diào)度中心的數(shù)據(jù)信息；參考站調(diào)度中心用于匹配流動站所對應的參考站信息，并將所述匹配信息通過通信鏈路發(fā)送流動站；流動站為需要進行精確定位的流動站；固定參考站用于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并發(fā)送參考站調(diào)度中心，還用于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后的流動站轉(zhuǎn)換而來。

如圖3所示為本發(fā)明的方法流程圖：本發(fā)明提供的這種蜂窩網(wǎng)絡rtk定位方法，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；在具體實施時，固定參考站可以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，并通過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并獲取rtk技術所需的觀測數(shù)據(jù)；

s3.固定參考站將自身的標準坐標位置發(fā)送至集中控制中心；

s4.集中控制中心根據(jù)步驟s3獲取的固定參考站的標準坐標位置，分配固定參考站所屬的參考站調(diào)度中心；

s5.固定參考站依據(jù)步驟s2獲取的觀測數(shù)據(jù)計算自身的偽距殘差和載波相位殘差，具體為采用如下算式進行計算：

式中

其中，δρ^c為偽距殘差，δρ^f為載波相位殘差，第i顆衛(wèi)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(jié)果和精密定位結(jié)果分別為和站點的精確位置為(x^f,y^f,z^f)，第i顆衛(wèi)星的位置為(xⁱ,yⁱ,zⁱ)；

s6.固定參考站將步驟s5得到的偽距殘差、載波相位殘差以及步驟s1設置的標準坐標位置發(fā)送給所屬的參考站調(diào)度中心；

s7.流動站通過偽距觀測值計算得到自身當前的粗定位結(jié)果；

s8.流動站將步驟s7得到的粗定位結(jié)果傳送給集中控制中心；

s9.集中控制中心根據(jù)步驟s8獲取的流動站的粗定位結(jié)果分配流動站所屬的參考站調(diào)度中心；在具體實施時，可以采用就近分配原則，即集中控制中心選擇距離流動站最近的那個參考站調(diào)度中心為流動站歸屬的參考站調(diào)度中心；

s10.參考站調(diào)度中心根據(jù)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(jié)果匹配出流動站所對應的參考站(包括固定參考站和即時參考站)，具體為采用如下規(guī)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(jié)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；在具體實時時可以采用如下的方式選取sd的值：首先將sd設置為5km，若發(fā)現(xiàn)有參考站，則配對，若沒有發(fā)現(xiàn)可以配對的參考站，再將sd增加5km，直到發(fā)現(xiàn)有配對的參考站為止，其中sd最多累加到20km；

s11.參考站調(diào)度中心將流動站所配對的參考站唯一標識發(fā)送給流動站；

s12.流動站根據(jù)對應參考站的唯一標識，接收對應參考站的觀測數(shù)據(jù)和標準坐標位置；

s13.流動站根據(jù)接收到的對應參考站的觀測數(shù)據(jù)與自身的觀測數(shù)據(jù)，完成流動站的高精度定位；

s14.流動站獲取設定時間內(nèi)的整周模糊度解算的結(jié)果、偽距殘差和載波相位殘差，并聯(lián)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(zhuǎn)換為即時參考站，具體為采用如下規(guī)則進行判斷：

若流動站連續(xù)n次整周模糊度解算成功，并且每次解算的偽距殘差值不大于2米，且載波相位殘差值不大于2厘米，則流動站模式能夠成為即時參考站。其中，n可取任意整數(shù)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(chǎn)生定位錯誤，對整個rtk網(wǎng)絡造成錯誤的蔓延式擴散。n取值過大，容易造成極少數(shù)流動站能成為參考站，使得rtk網(wǎng)絡中可以使用的即時參考站過少。因此，n的取值根據(jù)不同的場景有不同的選擇方式。例如，在無人機，無人駕駛環(huán)境下，需要亞米級定位精度環(huán)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(jīng)過2-3分鐘的判決時間。在測繪環(huán)境下，需要厘米級定位精度，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(jīng)過20-60分鐘左右的判決時間；

s15.即時參考站獲取一定時間內(nèi)的整周模糊度解算的結(jié)果、偽距殘差和載波相位殘差，并聯(lián)合判斷本即時參考站是否能繼續(xù)成為即時參考站：若判斷不成功，則本即時參考站轉(zhuǎn)換回流動站，具體為若即時參考站有連續(xù)m次整周模糊度解算不成功，則即時參考站轉(zhuǎn)換為流動站；

s16.集中控制中心接收流動站的粗定位定位，判斷流動站所在位置與其所屬的參考站調(diào)度中心的管理區(qū)域之間的關系，并更新參考站調(diào)度中心所屬的流動站集合，具體為采用如下步驟進行更新：

a.參考站調(diào)度中心接收流動站的粗定位信息，并上報集中控制中心；

b.集中控制中心根據(jù)流動站所在位置與其所屬的參考站調(diào)度中心的管理區(qū)域之間的關系，采用如下規(guī)則更新參考站調(diào)度中心所屬的流動站集合：

若流動站已經(jīng)越區(qū)并切換到其他參考站調(diào)度中心的管理區(qū)域，則更新流動站所屬的參考站調(diào)度中心信息，并將更新信息發(fā)送至流動站和更新前后的參考站調(diào)度中心；

c.更新前的參考站調(diào)度中心從下屬的流動站集中刪除流動站信息，且更新后的參考站調(diào)度中心將流動站信息添加到自身下屬的流動站集；

s17.參考站調(diào)度中心更新參考站和流動站的配對信息，具體為采用如下兩種方式之一進行更新即可：

方式a-流動站請求更新：當流動站在所配對的當前的參考站環(huán)境下均無法得到固定解算結(jié)果，則流動站請求參考站調(diào)度中心進行參考站更新；

方式b-固定時間更新：在事先設定的固定時間周期，所述固定時間周期計時到達則立即更新參考站和流動站的配對信息；所述固定時間周期為根據(jù)環(huán)境的動態(tài)性進行設置，或根據(jù)用戶行為分析進行設置。