一种低成本高精度定位系统及方法与流程

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种低成本高精度定位系统及方法。

背景技术：

随着物联网时代的来临，高精度定位设备越来越受到市场的重视。无人机遥感摄影测量，无人机快递送货，驾照考试，人流密集度实时统计，都需要高精度定位设备。高精度定位设备，基本依赖于RTK技术。RTK(Real-time kinematic)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。现有的采用RTK技术的设备，在硬件上依赖双频接收机。但双频接收机存在以下几个问题：首先，双频接收机价格昂贵，普通用户很难承受，不宜推广；其次，双频接收机功耗较大，对电池电量要求高；最后，双频接收机体积较大，不利于携带。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有采用RTK技术的设备需要依赖双频接收机所带来的问题，提供一种低成本高精度定位系统及方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低成本高精度定位方法，包括如下步骤：

步骤1、开启单频接收机，使单频接收机观测卫星；

步骤2、开启GPRS模块，使GPRS模块与基站通信；

步骤3、处理器控制模块同时接收来自单频接收机和GPRS模块的数据；

处理器控制模块对单频接收机送来的数据进行解码，获得星历数据和单频接收机的观测值数据；

处理器控制模块对GPRS模块送来的数据进行解码，获得基站的坐标数据和基站的观测值数据；

步骤4、处理器控制模块根据所获得的单频接收机的观测值数据进行进行选星操作，去掉观测值大于阈值的卫星，保留合格的卫星；

步骤5、对于合格的卫星，根据单频接收机的观测值数据、基站的观测值数据、星历数据和基站的坐标数据求解偏移量；

步骤6、利用得到的偏移量和基站的坐标，得到用户的坐标。

特别地，在步骤3中，单频接收机送入处理器控制模块中的数据分为2类，一类为单频接收机的观测值，包括当前时间单频接收的伪距观测值和载波观测值；另一类为卫星星历。

特别地，在步骤3中，GPRS模块送入处理器控制模块中的数据分为2类，一类为基站的观测值，包括当前时间基站的伪距观测值和载波观测值；另一类为基站的坐标。

特别地，在步骤5中，利用单频接收机的观测值数据中的伪距观测值和基站的观测值数据中的伪距观测值求解偏移量。

特别地，在步骤5中，利用单频接收机的观测值数据中的载波观测值和基站的观测值数据中的载波观测值求解偏移量。

特别地，在步骤5中，还进一步包括对求解出的偏移量进行进行精度提升的过程，即先将整周模糊度的协方差矩阵变为对角矩阵；再利用对角矩阵将整周模糊度的浮点解变为整数解；后用整数解来修正偏移量，得到高精度偏移量。

实现上述方法的一种低成本高精度定位系统，包括单频接收机、GPRS模块、处理器控制模块和电源模块；单频接收机作为用户接收机，获取卫星数据；GPRS模块与基站通信，获得基站数据；处理器控制模块对单频接收机和GPRS模块送来的数据进行解码，获得星历数据、单频接收机的观测值数据、基站的坐标数据和基站的观测值数据；再根据这些数据求解偏移量；后根据偏移量和基站的坐标得到用户的坐标；电源模块为单频接收机、GPRS模块和处理器控制模块供电。

特别地，单频接收机通过天线与卫星通信，单频接收机通过USB接口与处理器控制模块连接。

特别地，GPRS模块通过天线与基站通信，GPRS模块通过RS232接口与处理器控制模块连接。

与现有技术相比，本发明采用单频接收机来实现RTK技术；首先单频接收机价格低廉，只有双频接收机的十分之一，能被市场广泛使用；其次单频接收机功耗低，适用于嵌入式设备；本发明具有体积小，重量轻和方便携带的特点，可以安装在无人机上。

附图说明

图1为一种低成本高精度定位系统的原理框图。

图2为一种低成本高精度定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行进一步说明，需要强调的是，本发明不仅限于以下实施例。

一种低成本高精度定位系统，如图1所示，由单频接收机、GPRS模块、处理器控制模块和电源模块组成。单频接收机通过一天线与卫星通信，单频接收机通过USB接口与处理器控制模块连接。GPRS模块通过另一天线与基站通信，GPRS模块通过RS232接口与处理器控制模块连接。

单频接收机作为用户接收机，获取卫星数据。单频接收机接收来自GPS卫星L1频段的数据，并进行相应计算，能够输出在L1频段的GPS卫星伪距观测值、载波观测值、以及GPS卫星星历数据。这些数据以固定的格式发送。

GPRS模块用来与基站通信，获得基站数据。GPRS模块根据IP地址，端口号，账号和密码等信息，获取基站传来的基站数据。基站数据中包含基站接收机的坐标，以及基站在L1频段下的伪距观测值，载波观测值。基站数据具有固定的格式，称为RTCM格式。

处理器控制模块对卫星数据和基站数据进行处理，并输出定位结果。在本实施例中，处理器控制模块的核心为ARM处理器。

处理器控制模块接收单频接收机和GPRS模块发来的数据。先对接收机的数据解码，运行解码模块，提取相应的值。再对基站数据进行解码，运行RTCM解码模块，解析到基站相应的值。运行选星程序，将观测值误差较大的卫星数据删除，如高度角较低，信噪比较低的卫星。将剩下的星的数据，带入差分程序中，获得用户接收机相对于基站的偏移量。此偏移量存在较大的误差，因此，带入高精度算法模块，提升偏移量的精度。将偏移量加上基站坐标，即可获得高精度坐标。

单频接收机传来的数据，分为2类。第一类称为观测值，由当前时间，伪距值ρ和L1频段载波值构成。伪距值是指接收机通过读取卫星发送的数据，计算出卫星到接收机的距离，但是由于卫星发送的数据存在一些问题，测到的距离值误差较大。载波值，是指卫星数据通过电磁波传送，由于电磁波频率已知，则载波周长确定。接收机可以计算出卫星到接收机的载波周期数，即可知道卫星到接收机距离。载波观测值由于波长短，周期数精确，因此精度较高，但是存在整周模糊度问题。第二类称为卫星星历数据，卫星在太空实时运动，卫星不播发卫星的实时轨道坐标，而是发送一组轨道参数，用户根据当前时刻，即可计算出卫星当前坐标。

基站传来的数据，也分为2类。第一类是观测值，为当前时间，基站接收机到GPS卫星的伪距观测值和载波观测值。第二类是基站的坐标，该坐标为精准坐标，精度极高。

电源模块为单频接收机、GPRS模块和处理器控制模块供电。在本实施例中，电源模块连接直流电源，并将输入的直流电源进行滤波，稳定电源电压，向以上3个模块供电。

一种低成本高精度定位方法，如图2所示，包括如下步骤：

第一步，处理器控制模块先开启单频接收机，使单频接收机观测卫星，并传送数据。对接收机数据进行解码，将星历数据存储在处理器控制模块的ARM处理器里。

第二步，处理器控制模块再开启GPRS模块，使GPRS模块开始与基站通信，接收来自基站的RTCM格式数据，并对RTCM数据进行解码。将基站的坐标数据存储到处理器控制模块的ARM处理器里。

第三步，处理器控制模块同时接收来自单频接收机和GPRS模块的数据，取得它们的观测值数据。将观测值数据代入选星模块中，去掉误差较大的卫星观测值，将合格的卫星观测值代入求解偏移量模块中，计算每颗合格卫星的高度角。

第四步，处理器控制模块求解偏移量。在本发明中，求解偏移量有2种方法，一种是利用伪距观测值求解偏移量，该方法的精度一般。另一种是利用载波观测值求解偏移量，该方法的精度较高。

1、伪距观测值求偏移量

由于在测量时，存在接收机钟差误差，卫星钟钟差误差，电离层误差，对流层误差以及随机观测噪声。因此，接收机输出的距离观测值存在误差。

1.1站间单差

在某时刻t,基站接收机r对卫星j进行观测，基站坐标为(x_r，y_r，z_r)，此时卫星j坐标为(x^j(t),y^j(t),z^j(t))，卫星坐标由接收机传来的星历数据求出。因此它们在时刻t时之间的距离为R^j_r(t),如式(1-1)所示

由于存在各种误差，基站接收机r实际输出的，对卫星j的距离观测值为ρ^j_r(t)，

基站r到卫星j距离观测值如式(1-2)所示：

在式(1-2)中，ρ^j_r(t)由以下几个部分组成：第一个，基站u到卫星r的真实距离R^j_r(t)；第二个，t时刻，基站接收机钟差δt_r(t)和卫星j钟差δt^j(t),c为光速；第三个ΔI^j_r(t)为t时刻,卫星j的电离层延迟；第四个ΔT^j_r(t)为t时刻，卫星j的大气层延迟误差，第五个为随机噪声ε_r。

在同一时刻t，单频接收机u也对卫星j进行观测，仿照式(1-2),建立式(1-3)

式(1-3)中，R^j_u(t)为卫星j到到单频接收机u的真实距离。接收机钟差δt_u(t)和卫星j钟差δt^j(t),c为光速。第三个ΔI^j_u(t)为t时刻,卫星j的电离层延迟；第四个ΔT^j_u(t)为t时刻，卫星j的大气层延迟误差，第五个为随机噪声ε_u。

由于R^j_u(t)为卫星j到到单频接收机u的真实距离，此时，u的接收机坐标为(x_u,y_u,z_u)，但是该坐标未知。因此，可以用基站r到卫星j的距离加上坐标偏移量(Δx,Δy,Δz)表示。

其中，令

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