亚米级定位设备与定位系统的制作方法

本实用新型涉及卫星定位技术领域，特别是涉及亚米级定位设备与定位系统。

背景技术：

目前，在卫星定位技术领域更多人目光主要集中在高精度(毫米级)定位上，虽然高精度定位能够实现更加精准定位，但是其定位过程复杂且实施成本高昂，在民用领域应用并不广泛。

在实际生产生活中，人们需要的可能更多是亚米级定位技术的支持，低成本亚米级定位设备用于物流跟踪、公车监控、市政公交、电力巡检、海洋渔业、农业勘测、公共安全、智慧旅游及消费电子，亚米级定位技术广泛应用于各类民用领域，给人们生产生活带来巨大便利。

然而，现有毫米级高精度定位设备中由于导航型和测地型的导航定位装置因其自身的厘米级甚至毫米级高精度的特性，平台方案构成比较复杂，板卡成本最高。为实现高精度及长距离作业，传输差分修正数据的通信链路传输功耗占整机设备功耗的绝大部分，导致设备功耗相当高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对一般毫米级高精度定位设备功耗高的问题，提供一种结构紧凑且功耗低的亚米级定位设备以及定位系统。

一种亚米级定位设备，包括相互连接的天线与数据处理主板；

数据处理主板包括GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)模块、IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)模块以及交替切换GNSS模块和IMU模块中单个模块处于工作状态的处理器，GNSS模块与IMU模块分别与处理器连接。

一种亚米级定位系统，其特征在于，包括如上述的亚米级定位设备、地面基站以及移动终端；

亚米级定位设备与移动终端连接，移动终端通过地面基站连接，亚米级定位设备与外部导航卫星连接，地面基站与外部导航卫星连接。

本实用新型亚米级定位设备，包括相互连接的天线与数据处理主板，数据处理主板包括GNSS模块、IMU模块以及切换GNSS模块和IMU模块中单个模块处于工作状态的处理器。整个设备，选择GNSS模块与IMU模块两种定位器件，单独GNSS模块体积小且能够基本满足亚米级定位需求，而IMU模块功耗远低于GNSS模块，处理器协调切换GNSS模块和IMU模块中单个定位模块工作，从而兼顾体积、能耗以及定位精度，因此，本实用新型亚米级定位设备是一款结构紧凑且功耗低的设备。

另外，本实用新型还提供一种亚米级定位系统，包括上述亚米级定位设备、地面基站以及移动终端，亚米级定位设备分别与外部导航卫星以及移动终端连接，移动终端通过地面基站与外部导航卫星连接。整个系统由于采用上述亚米级定位设备，能够简单、高效且低功耗实现亚米级定位。

附图说明

图1为本实用新型亚米级定位设备第一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型亚米级定位设备第二个实施例的结构示意图；

图3为本实用新型亚米级定位系统其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种亚米级定位设备，包括相互连接的天线100与数据处理主板200，数据处理主板200包括GNSS模块210、IMU模块220以及交替切换GNSS模块210和IMU模块220中单个模块处于工作状态的处理器230，GNSS模块210与IMU模块220分别与处理器230连接。

天线100用于收发信号。天线100可以采用可拆卸方式与数据处理主板200连接，这样能够便于天线100拆装以及更换、维护。优先选的，天线100包括天线单元和天线外壳，天线单元内置于天线外壳，天线外壳用于保护内部器件，避免其受到外力损伤。更进一步来说，天线单元可以采用低介电常数的空气作为介质，性能稳定，结构为八臂螺旋式，能够在很大程度上提高天线单元对信号的接收能力，同时天线单元具有较宽的带宽，且带内损耗小，带外抑制好，因此，在有高楼和树木甚至紧贴人体遮挡的环境下，仍然可接收到较强的卫星信号，这为亚米级定位设备的精度提供了一个保障，另外，天线单元采用塑料材质，重量轻，体积小成本低。

在数据处理主板200中，GNSS模块210是一款基于GNSS(全球卫星导航系统)进行定位的模块，其可以实现初始的经纬度和高程定位。IMU模块220为惯性导航单元模块，采用IMU模块220作为亚米级定位模块GNSS导航定位的辅助定位设备，IMU模块220的导航信息参数在短时间内精度高，更新速率快，可输出三维速度、航向姿态以及导航轨迹等信息，有了初始的准确的经纬度以及高度坐标点位，INU单元模块即可根据该初始点位信息，结合模块设备的运动轨迹，输出延续的经纬度和高度坐标，甚至也可输出三维方向的运行速度。处理器230交替切换GNSS模块210和IMU模块220中单个模块处于工作状态的处理器230，即处理器230控制GNSS模块210和IMU模块220中一个处于工作状态，另一个处于待机状态，更通俗来说，在第一时间处理器230控制GNSS模块210处于工作状态，IMU模块220处于待机状态，在第二时间处理器230控制GNSS模块210处于待机状态，IMU模块220处于工作状态。在实际应用中这个切换周期可以根据应用场景需要，并基于历史经验数据进行预先设定。由于IMU模块的功耗远低于GNSS模块，因此上述亚米级定位设备能够实现低功耗运行。

非必要的，在实际应用中，GNSS模块210、IMU模块220以及处理器230协调工作过程可以如下：首先由GNSS导航定位模块进行初始的经纬度和高程定位，并开始一段距离的导航定位，接着关闭GNSS导航定位模块，以节省该模块的工作功耗，开启惯性导航定位单元，由该较低工作功耗的模块进行导航定位，经过一段工作时间后，IMU模块220无法保证亚米级精度，再开启GNSS导航定位，将导航定位精度修正回亚米级定位的准确位置，之后再由IMU模块220继续工作。更具体来说，IMU模块220输出导航轨迹，通过I2C串行总线接口将航向、速度、经纬度等信息传输到处理器230，由处理器230接收后，结合初始的由GNSS模块输出的原始观测数据以及载波相位差分数据解算出的亚米级定位结果，进行关闭GNSS卫星信号下的亚米级导航定位。之后当导航定位精度低于亚米级时，再由GNSS模块进行交接工作，将定位精度进行修正，重新回到准确的亚米级定位精度。对比IMU模块220和GNSS模块210的工作特性可知，IMU模块220的功耗一般小于2毫安，而GNSS模块210的功耗大约在50毫安，采用惯性导航定位模块进行工作相较GNSS导航定位模块的功耗可降低约25倍。

处理器230作为数据处理主板200的核心。非必要的，处理器230还可以负责载波相位算法及数据通信，具体包括GNSS模块210原始观测数据解码、差分改正数据的解码、载波相位定位算法、数据存储、以及数据传输的控制。载波相位差分算法是获得亚米级定位精度重要的方法，它以载波相位观测值为基本观测量，采用差分技术削弱或消除流动站与基站之间的共性误差，可以得到亚米到厘米级的精度，相比于常用的伪距差分算法，载波相位差分算法在精度上具有较大的优势。处理器230数据的来源有两个，一个是GNSS模块210接收到的GPS/北斗卫星信号的原始观测数据，另一个是地面基站播发的导航卫星的差分改正数据。处理器230通过载波相位差分技术算法对这两组差分改正数据进行解算，最终输出定位结果传输到移动终端并进行实时显示。此外处理器230还可以将GNSS模块210的原始观测数据保存在存储器器提供后处理支持。载波相位算法相对较复杂，要求处理器230具有较高的数据处理性能，特别是浮点运算能力。处理器230可以选择选择兼顾性能、成本、体积和功能，采用成本低、能效高的ARM处理器，该处理器不仅具有体积小和功耗低的特性，而且具有较高的安全性。

本实用新型亚米级定位设备，包括相互连接的天线100与数据处理主板200，数据处理主板200包括GNSS模块210、IMU模块220以及切换GNSS模块210和IMU模块220中单个模块处于工作状态的处理器230。整个设备，选择GNSS模块210与IMU模块220两种定位器件，单独GNSS模块210体积小且能够基本满足亚米级定位需求，而IMU模块220功耗远低于GNSS模块210，处理器230协调切换GNSS模块210和IMU模块220中单个定位模块工作，从而兼顾体积、能耗以及定位精度，因此，本实用新型亚米级定位设备是一款结构紧凑且功耗低的设备。

在其中一个实施例中，GNSS模块210为载波频率为1.5G赫兹的GNSS模块210。

在载波相位实时动态差分技术中，载波相位测量是测量载波的相位，对应的GNSS模块210载波频率在1.5G赫兹左右，为更高效实现亚米级定位，在这里选用载波频率为1.5G赫兹的GNSS模块。

如图2所示，在其中一个实施例中，数据处理主板200还包括蓝牙模块240，蓝牙模块240与处理器230连接。

蓝牙模块240用于实现与外部设备蓝牙通信，例如本实用新型亚米级定位设备可以与外部移动终端通过蓝牙通信，将亚米级定位结果推送至外部移动终端上。具体来说，蓝牙模块240可以采用BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙)4.0蓝牙进行数据传输，其具有成本低、体积小、功耗低。蓝牙BLE4.0模式可提供更低功耗的无线通信连接，适用于少量数据的收发，另外，BLE4.0蓝牙模块较2.0/2.1/3.0版本的成本更低，体积也更小，如德州仪器的CC2540芯片尺寸为6*6毫米。

如图2所示，在其中一个实施例中，数据处理主板200还包括存储模块250，存储模块250与处理器230连接。

存储模块250用于存储数据。更具体来说，存储器实现数据本地存储，数据包括GNSS模块210接收的卫星观测数据和移动终端发送的差分改正数据以及经处理器230解算出来的位置信息数据。本地数据存储可以实现数据后处理解算。即可以实现测量作业过程不接收移动终端的差分改正数据，只将GNSS模块210输出的原始卫星观测数据保存在存储器中。测量作业完成后，将数据拷贝出来用专业的后处理软件进行解算，可以获得比实时解算精度更高的后处理解算数据。

在其中一个实施例中，天线100包括螺旋式天线。

在其中一个实施例中，天线100包括八臂螺旋天线。

螺旋天线相较于普通的平面陶瓷天线，能够增强相位中心稳定性，提高低俯仰角时的收星数量。螺旋天线具有较宽的带宽，且带内损耗小，带外抑制效果强，因此在有遮挡环境下螺旋天线相比平面陶瓷天线能接收到更多的卫星信号，保证测量定位精度。螺旋天线传输介质为空气，相比陶瓷天线，重量更轻，成本更低。

在其中一个实施例中，还包括数据处理主板200外壳以及外置于数据处理主板200外壳的装夹组件，数据处理主板200内置于数据处理主板200外壳。

数据处理主板200外壳用于保护器内部器件，避免其受到外力影响损伤，在数据处理主板200外壳上配有方便佩戴的装夹部件，使亚米级定位模块更易于携带，如可佩带在人体的手臂、腰带及衣服的口袋上。

如图3所示，本实用新型还提供一种亚米级定位系统，包括上述亚米级定位设备、地面基站以及移动终端，亚米级定位设备分别与外部导航卫星以及移动终端连接，移动终端通过地面基站与外部导航卫星连接。整个系统由于采用上述亚米级定位设备，能够简单、高效且低功耗实现亚米级定位。

在其中一个实施例中，亚米级定位设备与移动终端通过蓝牙连接。

为更进一步介绍上述亚米级定位系统，下面将详细介绍在实际应用中上述亚米级定位系统的实时处理与后处理两种工作方式的工作过程。

实时处理

1、亚米级定位模块接收导航卫星信号，同时地面基站接收导航卫星信号。

2、亚米级定位模块解析出卫星观测值、星历等数据，同时地面基站解算出差分改正数据并更新到数据处理中心。

3、移动终端通过网络接收数据处理中心播发的差分改正数据并通过蓝牙发送至亚米级定位模块。

4、亚米级定位模块进行实时载波相位差分解算。

5、亚米级定位模块输出定位结果，并通过蓝牙发送至移动终端。

6、移动终端显示实时定位结果。

后处理

1、GNSS模块接收导航卫星信号。

2、处理器解析出卫星观测值、星历等数据信息。

3、处理器将卫星原始观测数据、星历等数据保存在存储器中。

4、测量作业结束后将数据拷贝出来用后处理软件解算出每个时刻的位置。

5、亚米级定位模块推送定位结果至移动终端。

6、移动终端显示实时定位结果。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。