CN104035107A - 一种卫星导航接收机差分信息传输方法及相应的接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星导航接收机差分信息传输方法及相应的接收机，所述差分信息用于改善接收机的定位或授时精度，所述方法包括，位置获取步骤，获取所述接收机的当前位置信息；距离计算步骤，计算所述当前位置信息与差分基准站的距离；传输频率设置步骤，根据所述距离设置所述接收机差分信息的传输频率，所述接收机按照所述传输频率获取所述差分信息。通过采用上面的技术手段，可以利用GNSS差分信息的时效性减小差分信息的播发频率，降低差分信息的传输流量，降低通信成本，并大大降低参考站服务器的通信压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星导航接收机差分信息传输方法及相应的接收机。
背景技术
GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）是一个全球范围内所有导航卫星系统的总称，它包括GPS（Global Positioning System，美国全球定位系统）、GLONASS（俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统）、Galileo（欧洲伽利略导航卫星系统）、BDS（中国北斗导航卫星系统）等等，以上所有的导航卫星系统，均旨在全天候的为用户提供卫星导航定位服务。
目前，最普遍的卫星接收机的定位模式是：地面接收端接收导航卫星播发的卫星信号，解调收集到足够的数据信息后解算当前地面接收端的位置信息，一般至少需要接收4颗可用卫星信号，地面接收端在本地解算定位信息后显示给用户。
这种卫星导航接收机自主定位模式中，存在卫星轨道误差（约2米）、卫星钟误差（约3米），电离层误差（约十几米）、对流层误差（约2~20米）和接收机噪声几种主要误差，导致定位精度一般在10米以上。
卫星导航系统地面站持续观测卫星，对卫星运行状态进行监测，收集卫星运行状态参数后其进行拟合，得到卫星轨道的开普勒参数及摄动量参数，然后由地面站上行发送给卫星，再由卫星以导航电文的形式播发到地面，由于参数是拟合得到，存在一定的误差。
卫星上作为时间和频率信号来源的原子钟存在着必然的时间偏差和频率漂移，卫星钟差是卫星导航系统中的主要误差源之一，在所有的卫星钟中都可以观测到多种呈幂率谱分布的随机噪声，其中占主导作用的是调频随机游走噪声、调频闪变噪声、调频白噪声、调相闪变噪声和调相白噪声五种幂率型噪声，且这些噪声基本不满足平稳遍历条件，它们的标准方差不收敛。
电离层是由于太阳辐射与地球上层大气的原子、分子相互作用使得大气发生电离而形成的大气层，高度在60~1000km左右，GNSS卫星导航信号在穿过电离层时，其传播速度会发生变化，变化程度主要取决于电离层的电子密度和信号频率，信号的传播路径也会发生略微弯曲。电离层的状态随昼夜、季节以及太阳活动期等产生周期性变化，同时也存在着非周期性变化，如由于人为因素引起的扰动等。
对流层位于大气的最低层，集中了约75%的大气的质量和90%以上的水汽质量。对流层与地面接触，具有很强的对流作用。风、雨、云、雾、雪等主要天气现象，均出现在该层中，对流层的大气成分除含有各种气体元素外，还含有水滴、冰晶、尘埃等杂质，它们对电磁波的传播产生很大影响。对流层的高度因纬度而不同，在低纬度地区平均高度为17～18公里，在中纬度地区平均为10～12公里，极地平均为8～9公里，并且夏季高于冬季。当卫星导航信号通过对流层时，在传播路径上会产生弯曲和延迟两种效应，使得测量距离产生误差。对流层误差属于公共误差，理论上流动站可通过基准站消除对流层误差，但当流动站与基准站的高差超过6km，如果不对伪距残差进行修正，对流层延迟引起的高程偏差可达5米。
为了获得更高精度的导航定位结果，地面接收端与远程服务器交互，通过通讯链路从服务器得到定位相关的差分信息，利用差分信息修正来实现高精度定位，GNSS差分定位系统组成框图如图1所示。GNSS差分定位系统100包括基准站101和GNSS接收机106，基准站包含着一个或者多个安装在已知坐标位置点上的GNSS参考接收机102作为基准站参考接收机，参考站服务器103接收到GNSS参考接收机102发送的数据，通过数据处理中心104进行运算处理，形成差分信息105，然后将差分信息105播发给位于差分服务范围内的用户接收机106，以提高用户接收机的定位精度。
基于伪距的差分定位系统主要分为基于伪距改正数和伪距改正数变化率，如RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services，国际海运事业无线电技术委员会） 2.3格式定义的差分定位和基于伪距的差分定位，如RTCM3.2格式。
在基于伪距的差分定位过程中，其主要原理是利用接收机与基准站间的空间相关性来消除卫星时钟误差、电离层误差以及对流层误差，接收机距离基准站越近，其空间相关性越大，误差的减小和消除作用越明显，同时由于卫星时钟误差随着时间会发生变化，电离层误差和对流层误差随着时间的变化也会发生变化，因此，接收机使用差分信息时对时间和空间都有一定的要求。
基于伪距改正数和伪距改正数变化率的差分定位过程如图2所示。接收机通过数据链路，接收基准站播发的标准格式电文，在该电文中主要提供了在参考时刻各个卫星的伪距改正数PRC（Pseudorange Correction，伪距改正数）及伪距改正数的变化率RRC（Range Rate Correction，伪距率改正数）201，接收机计算出伪距202后，根据伪距和伪距率对观测到的卫星伪距进行改正203，再进行PVT解算204，即可获得伪距差分定位结果205。
基于历元时刻基准站伪距的差分定位过程如图3所示。差分接收机通过数据链路，接收基准站播发的标准格式电文，该电文主要提供了参考历元时刻各个卫星的原始伪距观测值和基准站精确坐标301，同时差分接收机利用自身接收到的卫星星历计算出该历元时刻各个卫星的空间坐标，这样接收机根据卫星的空间坐标和基准站坐标计算出基准站到卫星的几何距离，然后与播发的该历元的各卫星到基准站的伪距相减得到伪距改正数302，最后差分接收机根据测得的自身到各卫星的伪距303加上该卫星对应的伪距改正数即得改正后的伪距304，再进行PVT解算305，最后输出NMEA定位结果306。
差分定位系统中，不同的差分系统都是基于该思路，通过对GNSS系统的增强来提高GNSS定位性能，接收机需要利用这些增强服务而配合地做出一些软硬件设计的补充和调整，差分系统对接收机处理能力和处理速度要求的提高使得其成本增加，功耗增大，同时，接收机需实时的接收差分站的差分信息，产生较大的数据流量，增大了用户成本。因此，随着定位服务日益广泛的使用和越来越高的定位需求，必须有一种新的差分定位模式，既能实现高精度的定位结果，又能降低终端用户和服务器的流量，降低通讯成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种可接收差分基准站差分信息的卫星导航接收机，通过利用差分基准站播发的差分信息的时效性来减小差分信息的传输频率以降低差分信息的传输流量。
为了实现上述目的，本发明提供一种卫星导航接收机差分信息传输方法，所述差分信息用于改善接收机的定位或授时精度，所述方法包括，位置获取步骤，获取所述接收机的当前位置信息；距离计算步骤，计算所述当前位置信息与差分基准站的距离；传输频率设置步骤，根据所述距离设置所述接收机差分信息的传输频率，所述接收机按照所述传输频率获取所述差分信息。
更进一步地，所述方法还包括，传输频率调节步骤，所述距离越远，所述传输频率越高；所述距离越近，所述传输频率越低。
更进一步地，所述方法还包括，距离范围判断步骤，所述接收机计算距离上次接收所述差分信息位置的距离，如果所述距离超出设定的距离范围，则重新获取所述差分信息。
更进一步地，所述方法还包括，时间范围判断步骤，所述接收机计算距离上次接收所述差分信息的时间，如果所述时间超出设定的时间范围，则重新获取所述差分信息。
更进一步地，所述距离在（10km，30km]范围时，所述传输频率所选取的范围为（60，180]秒/次。
更进一步地，所述距离在（30km，60km] 范围时，所述传输频率所选取的范围为（30，60]秒/次。
更进一步地，所述距离在（30km，60km] 范围时，所述传输频率所选取的范围为（30，60]秒/次。
更进一步地，所述距离在（60km，100km] 范围时，所述传输频率为小于或等于1秒/次。
本发明还提供一种应用了上述差分信息传输方法的卫星导航接收机。
通过采用上面的技术手段，可以利用GNSS差分信息的时效性减小差分信息的播发频率，降低差分信息的传输流量，降低通信成本，并大大降低参考站服务器的通信压力。
附图说明
图1为本发明的差分GNSS系统组成框图；
图2为基于伪距改正数和伪距改正数变化率的伪距差分框图；
图3为基于伪距的伪距差分框图；
图4为实施例六的流程图。
具体实施方式
目前常规的方法是按照协议规定的差分信息更新频率1Hz来实现的，基准站播发的差分信息每秒更新一次，这样，差分GNSS接收机通过接收的每秒更新一次的差分信息对伪距进行修正。
而实际上，不管是基于伪距改正数和伪距变化率改正数的差分定位还是基于伪距的差分定位，伪距差分技术所消除的卫星时钟误差、电离层误差、对流层误差，其误差修正值是个缓慢变化量，在几分钟内一般不会发生很大的变化，因此，在差分信息可用范围内，伪距差分信息不需要每秒更新，以减少接收机与基准站的信息交互及通讯流量，改进的基于伪距差分的定位流程如下所述：
基于伪距改正数和伪距变化率改正数的伪距差分定位GNSS接收机实现步骤：
1) 接收机每N分钟接收一次差分信息，得到伪距改正数PRC（ ）和伪距变化率改正数RRC（），是基站播发差分信息的参考历元时间；
2) 接收机根据自身解调的导航电文和时间信息计算时刻的伪距值；
3) 接收机根据接收的差分信息，计算出时刻的伪距改正数，即；
4) 接收机把3)中计算的伪距改正数加到2)中计算的时刻的伪距值上，得到修正的伪距为；
5) 接收机进行PVT解算；
6) 接收机输出NMEA信息。
基于伪距的差分定位GNSS接收机实现步骤：
1) 接收机每N分钟接收一次差分信息，得到时刻的伪距值；
2) 接收机根据自身解调的导航电文和时间信息计算时刻的伪距值；
3) 接收机根据星历信息计算时刻的卫星位置、根据接收的差分信息得到基站的坐标值，计算得到时刻卫星到基准站的几何距离，再和差分信息中（<200）时刻的伪距值相减，即-，得到伪距改正数；
4) 接收机把3)中计算的伪距改正数加到2)中计算的时刻的伪距值上，得到修正后的伪距值；
5) 接收机进行PVT解算；
6) 接收机输出NMEA信息。
根据上面的描述，为了减小流量，减小接收机接收差分信息的频率最有效，下面是本发明实施例。
实施例一：
接收机固定每N（1~600）秒接收一次差分站的差分信息，对伪距进行修正，在此时间段内不再接收差分信息。通常地，N的值是可以动态配置的。
实施例二：
接收机计算自身的运动速度，或者从传感器获得接收机的速度信息，然后通过速度的快慢来决定接收机接收差分信息的频率，若接收机运动较快，则加快接收差分信息频率，若接收机运动速度较慢，则减少接收机接收差分信息的频率。表1说明了接收机速度与接收机接收差分信息频率的关系，可以看出速度越快，接收的频率越高。
表1 接收机速度与接收机接收差分信息频率的关系
实施例三：
接收机计算自身的位置信息，再计算接收机与基准站精确坐标的距离，然后通过接收机离基准站的距离来决定接收机接收差分信息的频率，若接收机离基准站较远，则加快接收机接收差分信息的频率，若接收机离基准站较近，则减少接收机接收差分信息的频率。表2说明了接收机和基准站间的距离的关系，可以看出接收机和基准站间的距离越远，接收的频率越高。
表2接收机和基准站间的距离与接收机接收差分信息频率的关系
实施例四：
接收机读取最近一次接收差分信息的时间，如果距离当前时刻超过某个时间范围，如300秒，则重新接收差分信息。
时间范围一般设为300秒，但也可以为200秒，100秒，等等，根据用户的需求来进行设定。
实施例五：
接收机读取最近一次接收差分信息时刻的接收机位置，如果距离当前时刻位置超过某个距离范围，如1公里，则重新接收差分信息。
距离范围一般设为1公里，但也可以为2公里，3公里，等等，根据用户的需求来进行设定。
实施例六：
图4为本实施例的流程图。首先，步骤401，接收机读取最近一次接收差分信息的时刻和该时刻的接收机位置；步骤402，判断该时刻距离当前时刻是否超过预设的时间范围；步骤403，若超过预设时间范围，则重新接收差分信息；步骤404，如果未超过，则判断该时刻的接收机位置距离当前接收机位置是否超过预设的距离范围；步骤405，如果超过，则重新接收差分信息。
时间范围一般设为300秒，但也可以为200秒，100秒等，根据用户的需求来进行设定。
距离范围一般设为1公里，但也可以为2公里，3公里等，根据用户的需求来进行设定。
以上所述实例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种卫星导航接收机差分信息传输方法，所述差分信息用于改善接收机的定位或授时精度，其特征在于，所述方法包括，
位置获取步骤，获取所述接收机的当前位置信息；
距离计算步骤，计算所述当前位置信息与差分基准站的距离；
传输频率设置步骤，根据所述距离设置所述接收机差分信息的传输频率，所述接收机按照所述传输频率获取所述差分信息。
2.如权利要求1所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述方法还包括，传输频率调节步骤，所述距离越远，所述传输频率越高；所述距离越近，所述传输频率越低。
3.如权利要求1至2中任意一项所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述方法还包括，距离范围判断步骤，所述接收机计算距离上次接收所述差分信息位置的距离，如果所述距离超出设定的距离范围，则重新获取所述差分信息。
4.如权利要求1至2中任意一项所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述方法还包括，时间范围判断步骤，所述接收机计算距离上次接收所述差分信息的时间，如果所述时间超出设定的时间范围，则重新获取所述差分信息。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述距离在（10km，30km]范围时，所述传输频率所选取的范围为（60，180]秒/次。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述距离在（30km，60km] 范围时，所述传输频率所选取的范围为（30，60]秒/次。
7.如权利要求3所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述方法还包括，所述距离范围为1~3km。
8.如权利要求4所述的卫星导航接收机差分信息传输方法，其特征在于，所述方法还包括，所述时间范围为100~300秒。
9.一种卫星导航接收机差分信息传输方法，所述差分信息用于改善接收机的定位或授时精度，其特征在于，所述方法包括，所述接收机读取最近一次接收差分信息的时刻和该时刻的接收机位置；判断该时刻距离当前时刻是否超过预设的时间范围或者判断该时刻的接收机位置距离当前接收机位置是否超过预设的距离范围；若超过预设的时间范围或者距离范围，重新接收所述差分信息。
10.一种应用了权利要求1~9任意一项所述差分信息传输方法的卫星导航接收机。
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Denomination of invention: Differential information transmission method of satellite navigation receiver and corresponding receiver Effective date of registration: 20211217 Granted publication date: 20170524 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Guangzhou Tianhe subbranch Pledgor: TECHTOTOP MICROELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2021980015450 |
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