一种RTK定位基准站及运行控制方法与流程

本发明属于卫星导航，更具体地说，特别涉及一种rtk定位基准站及运行控制方法。

背景技术：

1、rtk基准站通过接收导航卫星信号形成伪距、载波相位和星历等观测信息，并将观测信息发送至流动站或定位服务平台，为流动站提供差分定位所需的参考数据，随着测绘、农业、工程机械和自动驾驶等行业对高精度定位需求的增长，rtk基准站的户外部署场景日益普遍，对设备的一体化程度、数据连续性和运行可靠性提出了更高要求。

2、现有产品通常将gnss接收模组、蜂窝通信模组、电源板和指示面板分体安装，设备内部通过多组排线连接，部署时还需分别完成天线、数据链路和电源的连接，这种分体式结构存在连线繁琐、故障点多、各功能单元独立运行缺乏协同的问题。

3、已有公开技术分别从服务器端rtk解算、数据分发与异常降级，以及网络rtk坐标校准等方向提出方案。例如，有方案将数据分发组件、解算池和数据库部署在服务器侧，并在解算异常时回退到nmea结果；另有方案通过网络rtk基站群信息与本地rtk信息计算坐标修正数据。上述方案的关注点主要在服务器解算或外部坐标校准，并未解决一体化基准站在设备端如何完成观测帧可靠封装、断网期间的数据保护与恢复、坐标收敛后再进入正式服务，以及低电量情况下各负载如何协同降级的问题。

4、于是，有鉴于此，针对现有的缺失予以研究改良，提供一种rtk定位基准站及运行控制方法，以期达到更具有更加实用价值性的目的。

技术实现思路

1、基于上述背景技术中提到的问题，本发明提供了一种rtk定位基准站及运行控制方法。

2、第一方面，本发明采用的技术方案如下：一种rtk定位基准站，包括壳体，所述壳体内安装有主控板，壳体上开设有gnss天线接口、4g天线接口和电源接口；所述主控板上设置rtk基站模组、蜂窝通信模组、控制处理器、非易失性存储器、实时时钟、电源管理单元及指示灯驱动单元，所述rtk基站模组与所述gnss天线接口连接以构成gnss接收链路，所述蜂窝通信模组与所述4g天线接口连接，所述电源接口与所述电源管理单元连接，所述控制处理器分别与所述rtk基站模组、所述蜂窝通信模组、所述非易失性存储器、所述实时时钟、所述电源管理单元和所述指示灯驱动单元连接，所述指示灯驱动单元用于驱动指示灯；所述控制处理器被配置为执行以下操作：从所述rtk基站模组接收观测数据，对所述观测数据进行质量判定和坐标收敛判定；将通过质量判定的观测数据封装为观测帧，所述观测帧至少包括设备标识、历元时间戳、消息类型、序列号、载荷长度和校验码；将所述观测帧写入所述非易失性存储器的循环缓存区，并通过所述蜂窝通信模组发送至服务器；根据所述服务器返回的包含序列号的确认信息，推进确认指针并释放已确认的观测帧；在通信中断时保留未确认的观测帧，并在通信恢复后按照序列号顺序补传；根据所述电源管理单元检测到的电池状态，对所述蜂窝通信模组和指示灯执行分级供电控制。

3、进一步，所述控制处理器对观测数据进行质量判定和坐标收敛判定，包括：在坐标初始化阶段采集连续多个历元的坐标和质量指标，基于窗口中心坐标计算各历元残差，剔除残差超过可配置阈值的异常历元，对保留的历元按照质量权重加权平均得到候选基站坐标；当所述候选基站坐标在连续多个判定窗口内的变化量小于稳定阈值，且卫星数量、定位状态和信噪比满足对应的预设条件时，将设备状态置为坐标已收敛；在坐标未收敛时抑制正式服务标志，仅记录观测数据。

4、进一步，所述观测帧还包括配置版本和观测载荷；所述序列号在设备启动后单调递增，所述序列号由启动计数和本次上电内的递增计数确定，所述启动计数保存于所述非易失性存储器并在每次上电时递增，以使本次上电生成的序列空间与上一次上电所使用的序列空间互不重叠；所述序列空间为序列号的取值区间；所述服务器依据所述设备标识和所述序列号对重复的观测帧进行去重，并向所述控制处理器返回包含已接收序列号的确认信息。

5、进一步，所述循环缓存区包括写入指针、最早未确认指针和保护水位；当缓存水位达到预警水位时，所述控制处理器降低非关键状态上报频率，但不删除尚未确认的观测帧；当缓存水位达到保护水位时，所述控制处理器仅保留优先级较高的观测帧，并记录缓存溢出事件；所述优先级较高的观测帧是指从所述循环缓存区读出时校验通过且观测载荷包含完整历元的关键观测数据的观测帧，并且所述控制处理器仅对尚未被所述服务器确认的观测帧判定优先级。

6、进一步，所述蜂窝通信模组的工作状态包括上电、网络注册、数据承载建立、消息协议连接、鉴权、心跳和重连状态，每一状态均设置超时计时器；重连采用逐次增加的退避时间，在检测到网络恢复后优先恢复未确认观测帧的上传；所述消息协议的主题至少包含设备标识和消息类型，以区分观测帧、状态帧、确认帧和配置帧。

7、进一步，所述控制处理器还用于接收远程配置帧，对所述远程配置帧进行长度检查、校验、版本比较，将配置数据写入备用配置区，校验成功后以原子方式切换为当前配置；所述远程配置帧至少包括配置版本、设备标识、基站已知坐标或坐标更新标志、观测采样周期、服务器地址、端口、主题、缓存策略和低电量策略中的一种或多种；当所述远程配置帧包含基站已知坐标或坐标更新标志时，所述控制处理器在配置切换后重新执行坐标初始化和坐标收敛判定。

8、进一步，所述电源管理单元包括可充电电池、充电管理电路、电池电压或电量检测电路、至少两路dc-dc转换电路和受控负载开关；所述gnss接收链路、所述控制处理器和所述非易失性存储器作为基本负载，所述蜂窝通信模组和指示灯作为可分级管理负载；基本负载与可分级管理负载采用独立供电支路供电，以降低蜂窝发射瞬态电流对gnss接收链路的影响。

9、进一步，当电池电量低于第一阈值时，所述控制处理器进入节能状态，降低非关键状态上报频率并限制指示灯亮度；当电池电量低于第二阈值时，所述控制处理器先停止新的非必要配置操作并将缓存指针安全写入所述非易失性存储器，再按顺序关闭所述蜂窝通信模组和非关键支路；当电量恢复至恢复阈值或接入充电电源后，按照自检、gnss初始化、坐标收敛、通信恢复的顺序重新启动。

10、第二方面，本发明提供一种rtk定位基准站运行控制方法，包括以下步骤：

11、s1、设备上电后，电源管理单元检测输入电压、电池状态和各受控支路，控制处理器读取当前配置、缓存指针和启动计数，完成存储器、实时时钟和接口自检；

12、s2、对rtk基站模组下发观测输出配置并建立串行接收通道，对蜂窝通信模组执行上电、网络注册和数据承载建立；

13、s3、解析rtk基站模组输出的观测数据，检查帧边界、长度和校验，并提取历元时间、坐标、卫星数、定位状态和信噪比质量信息；

14、s4、在坐标初始化阶段，采集连续多个历元，剔除残差超过阈值的异常历元，按质量权重计算候选坐标，并在连续多个窗口稳定后置为坐标已收敛；

15、s5、将有效观测数据封装为观测帧，写入循环缓存区并更新写入指针；

16、s6、建立消息协议会话后，读取最早未确认的观测帧发送至服务器，收到匹配序列号的确认后推进确认指针，在无待补传数据时发送实时帧；

17、s7、当会话断开、网络注册失败或确认超时时进入重连状态，保留未确认帧并按退避时间重试，会话恢复后先补传未确认帧再恢复实时发送；

18、s8、根据电池状态执行节能、缓存保护和负载分级关断，充电或电量恢复后按照自检、初始化、坐标收敛和通信恢复顺序启动；

19、s9、按照状态机驱动指示灯，并将状态变化、缓存水位、重连次数和异常代码写入事件记录。

20、进一步，当接收到包含基站已知坐标或坐标更新标志的远程配置帧时，在完成配置校验、原子切换后重新执行坐标收敛判定；所述服务器接收到包含重复序列号的观测帧时，仅返回确认信息而不重复入库。

21、本发明的有益效果：

22、1、通过坐标质量门控和连续窗口收敛判定，避免基准站在坐标尚未稳定时进入正式服务状态，从源头保障差分定位结果的可靠性；通过由时间戳、序列号、长度和校验码构成的观测帧，以及本地缓存、服务器确认和重连补传机制，降低断网、重连和重复投递导致的数据缺失风险，保证观测数据的连续性和可追溯性；通过rtk接收、蜂窝通信、控制处理、数据存储和电源管理的一体化主控架构，减少外部连线，并使数据采集、通信发送和电源状态能够协同控制，任一功能单元异常时其他单元可及时调整工作状态。

23、2、通过分级供电和负载关断顺序控制，降低蜂窝通信瞬态负载对gnss接收链路的影响，并在低电量时优先保护缓存数据和系统状态，延长户外电池供电时长；通过与状态机对应的多模式指示，能够直接区分坐标未收敛、网络未注册、消息服务未连接、缓存补传、低电量和正常服务等状态，便于部署和维护人员快速定位故障。