无中心卫星导航地基增强系统及其数据增强方法与流程

1.本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种无中心卫星导航地基增强系统及其数据增强方法。


背景技术：

2.卫星导航的高精度定位导航，通常是通过卫星导航地基增强系统来实现的。应用卫星导航地基增强系统，可将约10米级的定位导航精度提高到实时定位导航的米级、分米级、厘米级，以至后处理的毫米级。卫星导航地基增强系统主要由基准站网、监测站、数据处理中心、数据播发系统、通信网络系统、用户终端等组成，如图1所示。在卫星导航地基增强系统的组成中，数据处理中心是连接所有基准站和监测站的中心，是对各基准站和监测站传来数据进行处理，生成增强数据产品、播发增强数据产品，实施运行状态监控、数据产品质量评估等。数据处理中心主要由中心机房、硬件支撑平台、软件支撑平台、核心业务软件、信息安全防护平台等组成，是一个集土建、硬件支撑平台系统、软件支撑平台系统、解算控制业务软件系统为一体的高技术复杂度、高技术难度、高成本的系统，并且是整个卫星导航地基增强系统正常运行的中枢核心，如图2所示。对于国家级和省级的卫星导航地基增强系统，建设数据处理中心是必要的，因为数据处理中心有强大的解算、处理、运行监控、存储等能力，并能支持巨大数量的用户并发使用(例如百万户以上等)。
3.数据处理中心是卫星导航地基增强系统的核心，一旦数据处理中心出现故障，整个卫星导航地基增强系统就会瘫痪，高精度卫星导航定位的服务就会停止。另外，卫星导航地基增强系统布局的较高精度的服务主要集中在城市和人口密度较高的地区。而在其他地区开展某工程建设(例如交通、电力、水力等工程)和未来的自动驾驶等要想获得卫星导航的高精度服务，就需要建设区域的卫星导航地基增强系统来实现。而数据处理中心建设所需的复杂技术、高费用投入是偏远的和人口密度稀的局部地区的能力和财力难以掌握和承受的。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明要解决的技术问题是：如何设计一种不需要数据处理中心的区域性卫星导航地基增强系统，并提出该系统的数据增强方法，以为局部地区卫星导航定位提供厘米级精度服务，降低卫星导航地基增强系统的技术难度和成本。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无中心卫星导航地基增强系统，该系统的构成方式为：针对一定范围的地域，将基准站布设成距离相等的等边三角形的网络构型拓扑，或者，将基准站布设成距离差在预设范围内的近似等边三角形的网络构型拓扑，所构成的基准站网即为无中心卫星导航地基增强系统；其中，每个基准站采用双频接收机，具有双向移动通信功能，且配置一台计算机，所述计算机配置能获取本基准站坐标和相邻基
准站的坐标、与进入该系统中的流动用户机双向通信、能解算出包围流动用户机的最小基准站三角形、实现流动用户机增强数据解算、实时数据播发的软件，所述增强数据包括整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差。
8.优选地，针对直径为几十公里至几百公里范围的地域布设网络构型拓扑，所构成的基准站网中基准站之间的距离为15km～20km。
9.优选地，所述计算机还配置能实现流动用户机管理的软件。
10.本发明还提供了一种所述无中心卫星导航地基增强系统的数据增强方法，包括以下步骤：
11.步骤s1、任意一个流动用户机s进入无中心卫星导航地基增强系统以后，流动用户机s向四周的基准站发出定位请求，并将其单点定位的初步定位坐标p向其周围的基准站播发；
12.步骤s2、无中心卫星导航地基增强系统按如下方式生成解算站：系统中任意一个基准站选择另外两个基准站共同围成三角形，在选择基准站时，通过计算机配置的软件自动排除或不予考虑距离远于流动用户机s的基准站，而选择距离流动用户机最近的相邻基准站，最后以能将流动用户机围于三角形中，且三角形面积最小的基准站a、基准站b和基准站c三个基准站组成增强数据的解算站，并将流动用户机s锁定在所围成的三角形abc中；
13.步骤s3、离流动用户机s最近的基准站a根据初步定位坐标p，用其计算机中的软件利用围住流动用户机s的解算站中三个基准站的坐标位置、观测数据、残差等数据，对流动用户机s所发送的坐标位置p进行其对应的整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差的解算；
14.步骤s4、离流动用户机s最近的基准站a将解算的整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差数据结果通过其计算机配置的软件播发给流动用户机s，流动用户机s根据这些增强数据和卫星观测数据解算出自身厘米级的坐标位置，从而实现厘米级精度的定位导航；
15.步骤s5、当任意一个基准站所处的三角形内出现两个或两个以上流动用户机，或其他位置的基准站所处的三角形中也同时出现一个或多个流动用户机时，对各三角形中的各流动用户机按步骤s1到步骤s4进行厘米级精度的导航定位。
16.优选地，所述无中心卫星导航地基增强系统，在其基准站网覆盖区域内，可同时服务于多个和多处的流动用户机的厘米级定位导航。
17.优选地，步骤s2中，在选择基准站时，通过计算机配置的拓扑图规划软件自动排除或不予考虑距离远于流动用户机s的基准站。
18.优选地，步骤s4中，离流动用户机s最近的基准站a将解算的整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差数据结果通过其计算机配置的软件播发给流动用户机s。
19.优选地，步骤s4中，离流动用户机s最近的基准站a将解算的整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差数据结果通过其计算机配置的软件采用移动通信手段播发给流动用户机s。
20.本发明还提供了一种所述系统在卫星导航技术领域中的应用。
21.本发明还提供了一种所述方法在卫星导航技术领域中的应用。
22.(三)有益效果
23.本发明通过设计和布设近似于等边三角形的基准站网络构型，开发相邻基准站坐标最小三角形拓扑构型、流动用户机增强数据解算、实时数据和流动用户机管理的软件，通过将流动用户机锁定在最小基准站三角形中，用基准站三角形中的基准站解算增强数据，播发给流动用户机进行增强，获得厘米级的坐标定位精度。
24.本发明的无中心卫星导航地基增强系统数据增强方法，对于不需要大面积地域覆盖和大规模用户并发使用的卫星导航数据增强情况(即非国家级和省级的卫星导航地基增强系统)，可以不需要进行高复杂度的、高技术难度的、高成本投入的和长时间周期的数据处理中心建设，就可实现小区域(几十公里直径到几百公里直径的面积范围内)厘米级的高精度卫星导航定位。
附图说明
25.图1为现有技术中卫星导航地基增强系统的主要组成关系图；
26.图2为现有技术中数据处理中心组成的框架关系图；
27.图3为本发明的无中心基准站三角形拓扑网的构型图；
28.图4为本发明的无中心卫星导航地基增强系统中单个流动用户机的工作原理图；
29.图5为本发明的无中心卫星导航地基增强系统对多个和多处流动用户的工作关系图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
31.本发明首先建立无中心的厘米级精度的定位导航系统——无中心卫星导航增强系统，并提出该系统的数据增强方法。其主要设计思路是：将基准站建成近似于等边三角形的网络构型，所构成的基准站网即为无中心卫星导航地基增强系统，各基准站采用双向通信方式，对流动用户机发出的定位请求，利用进入无中心卫星导航地基增强系统中的包围流动用户机最小基准站三角形的策略对在其内的流动用户机进行锁定(定位)，基准站根据流动用户机的初步定位坐标解算出增强数据发给流动用户机，流动用户机接收增强数据和卫星观测数据解算出自身厘米级的坐标位置。
32.本发明的无中心卫星导航地基增强系统的设计方法及该系统的数据增强方法，采用以下步骤：
33.步骤s1、针对直径为几十公里至几百公里范围的地域，将基准站布设成距离接近相等的近似等边三角形的网络构型拓扑，所构成的基准站网即为无中心卫星导航地基增强系统，基准站之间的距离约为15km～20km，见图3所示。
34.步骤s2、每个基准站采用双频接收机，具有双向移动通信功能，配置一台计算机，计算机配置开发的、能获取本基准站坐标和相邻基准站的坐标、与进入该系统中的流动用户机双向通信、能解算出包围流动用户机的最小基准站三角形、实现流动用户机增强数据解算、实时数据播发和流动用户机管理的软件，所述增强数据包括整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差。
35.步骤s3、任意一个流动用户机s进入无中心卫星导航地基增强系统以后，流动用户
机s向四周的基准站发出增强服务请求(定位请求)，并将其单点定位的初步定位坐标p向其周围的基准站播发。
36.步骤s4、无中心卫星导航地基增强系统按如下方式生成解算站：系统中任意一个基准站选择另外两个基准站共同围成三角形，在选择基准站时，通过计算机配置的拓扑图规划软件自动排除(或不予考虑)距离远于流动用户机s的基准站，而选择距离流动用户机最近的相邻基准站，最后以能将流动用户机围于三角形中，且三角形面积最小的基准站a、基准站b和基准站c三个基准站组成增强数据的解算站，并将流动用户机s锁定在所围成的三角形abc中，如图4所示。
37.步骤s5、离流动用户机s最近的基准站a根据初步定位坐标p，用其计算机利用围住流动用户机s的解算站中三个基准站(a、b、c)的坐标位置、观测数据、残差等数据，对流动用户机s所发送的坐标位置p进行其对应的整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差的解算，解算过程可以通过常规算法实现。
38.步骤s6、离流动用户机s最近的基准站a将解算的整周模糊度、电离层误差、对流层误差和轨道误差数据结果通过其计算机配置的播发软件采用移动通信手段(也可以采用其他通信手段)播发给流动用户机s，流动用户机s根据这些增强数据和卫星观测数据解算出自身厘米级的坐标位置，从而实现厘米级精度的定位导航，解算过程可以通过常规算法实现。
39.步骤s7、当任意一个基准站所处的三角形内出现两个或两个以上流动用户机，或其他位置的基准站所处的三角形中也同时出现一个或多个流动用户机时，对各三角形中的各流动用户机按步骤s3到步骤s6进行厘米级精度的导航定位。该无中心卫星导航地基增强系统，在其基准站网覆盖区域内，可同时服务于多个和多处(不同)的流动用户机的厘米级定位导航，如图5所示。
40.本发明的系统可应用于国家地基增强系统广域增强覆盖的米级、分米级精度地区，作为一种互补方式，以满足厘米定位精度的交通工程设施、电力工程设施、水力工程设施等建设和这类业务日常运维监控的需要。采用本发明的无中心卫星导航地基增强系统，其建设投资小、技术难度小、周期短、定位精度高(厘米级)。
41.本发明的方法还可以应用作为国家级和省级的卫星导航地基增强系统中的一些低精度地区的补充，该卫星导航地基增强系统也可作为国家级或省级卫星导航地基增强系统的数据处理中心发生故障时的应急备用系统，以支持国家级或省级卫星导航地基增强系统的持续运行。只要不属于大范围覆盖和大数量用户并发使用的卫星导航定位使用情况，无中心卫星导航地基增强系统是一个很好的选择。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。