专利名称：基于无线通讯网络的移动基站定位方法
技术领域：
本发明涉及实时定位方法，特别是一种基于无线通讯网络的移动基站定位方法，属于通 讯、测绘技术领域。
背景技术：
在常规GPS实时动态(以下简称RTK)定位中，通常是在测区附近安置一台GPS接收机 作为参考站，并配置一部发射电台，参考站将差分改正信息通过电台发送给附近的流动站用 户，从而实现RTK相对定位，获得流动站用户的坐标。在整个定位过程中，参考站向流动站 单向发送数据，流动站是否能收到数据，流动站的工作状态则无法被参考站确认。显然，这 种模式的定位很不适合国土资源调查的若干业务，尤其是国土资源监察和执法。国内部分省 市已经建成或在建多参考站连续运行网络(或虚拟参考站网络，以下统称为虚拟参考站网络)， 进入网络的用户可以不必再设立参考站，可直接进行GPS—RTK定位，这就存在一个接入问 题，即一台GPS接收机只作为一个用户接入。 一方面虚拟参考站(以下简称VRS)网络接入 量是有限的，另一方面， 一个单位绝对不会只有一台GPS接收机，这样就存在着充分利用VRS 资源又节约VRS使用费用问题，解决这个问题的最好办法就是使用移动基站定位方法。我国 很多县市建立了永久的GPS差分参考站(称为固定基站)，其作用范围一般在20 50km，基 本能够覆盖本县市，但是周边地区定位精度较低，往往满足不了定位需求。解决的办法一是 再建立固定基站， 一是使用移动基站。由于周边地区定位往往是临时性的，建立固定基站显 得并非必要。
采用移动基站定位方法，移动基站和流动站之间的关系不确定，数据传输必须采用无线 通讯。现有的无线通信方式主要包括超短波(230MHz)无线数传、扩频、卫星通信、GSM 数字蜂窝通信系统等，其中卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用，未得 以普及；而扩频通信技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用超 短波数传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但由 于系统工作于230MHz且多采用普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通 信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等缺点。目前，无线通讯网络经过 电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是中 国移动推出的GPRS数据业务可提供广域的无线IP连接。因而我们选择了中国移动的GPRS 系统作为移动基站定位技术的通讯平台。
发明内容
本发明针对现有技术的不足与缺陷，提供了一种基于无线通讯网络的移动基站定位方法， 该方法在测绘现场，把GPS接收机安置在临时设立的基站上，称为移动基站。移动基站GPS 接收机接收GPS卫星载波和伪距信号及导航电文，生成差分改正信息，并通过无线通讯网络 上传数据中转服务器，然后服务器将移动基站差分信息通过无线通讯网络下传流动站用户接
收机；流动站接收GPS卫星载波和伪距信号及导航电文，接收数据中转服务器通过无线通讯 网络下传的差分信息，实现流动站用户相对于移动基站的相对定位，相对定位结果经坐标转 换得到相应坐标系中的成果。本发明解决了常规RTK对流动站不可知问题，克服了常规RTK 使用电台时的距离限制，可作为固定基站和VRS网络的有益补充。本发明各模块实现了智能 化衔接，操作简单方便。
为了处理多个网络连接，传统的做法是创建新进程(每个网络连接分配一个进程)或者 是新线程(每个网络连接分配一个线程)。如果服务器需要处理多个并发的网络连接，这种做 法虽然能够很好的工作，但是进程和线程的创建及维护的开销可能会让人无法忍受，并且在 应用中，线程或进程管理及控制会增加程序的复杂度。为此，我们根据移动基站定位中无线 数据传输量不是很大，实时性高的特点，采用了一种只用单一进程或线程就能够处理许多事 件的机制。
为了实现事件检测和多路分离，服务器对移动基站和流动站接入数据的数据进行编码， 根据不同的编码为每个连接提供不同服务。为了解决无线网络传输的不稳定性，以及所有事 件处理都是在一个线程里可能造成某一端口或某一用户的阻塞问题，增加许多流控制和排队 功能及在传输数据的时候采用非阻塞式I/O操作。
对于无线数据传输过程可能存在的延时、中断等不稳定因素，数据在传输过程中进行分 块传输，并且在传输前加一八字节报文头部标识，保证数据传输的实时性和完整性。
本发明的优点及有益效果
本发明采用数据中转服务器通过无线通讯网络实现移动基站和流动站的数据传递，移动 基站和流动站不需要固定网络地址，通过数据中转方式建立相互连接；
本发明可实现移动基站的单点定位，也可实施移动基站到流动站的相对定位。对移动基 站和流动站进行实时监控，不会出现参考站到流动站数据链断链问题，克服了常规RTK对流 动站状态不可知问题。本发明特别适合于距离固定基站较远再建固定基站不合适的场合；在 VRS网络中可充分利用网络资源，是其有益补充；
本发明移动基站坐标有五种获取方式，充分利用了现有的卫星定位技术；流动站坐标有 七种获取方式，涵盖了测绘现场可能遇到的各种情况，克服了现有技术(如常规RTK)仅能 提供某种或某几种坐标获取方式的不足；
采用无线通讯网络实现了移动基站和服务器、流动站和服务器之间的通讯，克服了常规 RTK使用电台时的距离限制，比如山体、建筑物的阻隔；采用无线通讯网络进行数据通讯， 增加了移动基站到流动站的定位距离；
数据中转服务器只用四个端口不仅实现了任意多基站、多流动站连接，而且实现一对多 和多对多的对应传输，并且对网络延时的处理保证了数据传输的实时性。数据传输过程中的 加头操作，保证了数据传输的完整性。
图1为基于无线通讯网络的移动基站定位方法流程图2为移动基站坐标获取流程图3为数据中转服务器中转机制实施图4为流动站坐标获取流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明工作原理及实施方式作进一步说明
本发明方法在测绘现场任意位置安置GPS接收机作为移动基站，临时设立移动基站的接 收模块接收全球定位卫星信号，坐标计算模块计算移动基站坐标，差分信息生成模块计算差 分信息，然后由移动基站发送模块将差分信息、移动基站状态信息通过无线通讯网络上传数 据中转服务器。服务器通过认证模块对上传申请进行用户认证，确认合法以后就通过接收模 块接收上传数据，再通过检校模块进行数据完整性检校，并存储，以及通过监控模块对移动 基站、流动站的工作状态进行监控，通过服务器发送模块将差分信息发送给流动站用户。流
动站用户接收机通过接收模块GPS卫星载波和伪距信号及导航电文，接收数据中转服务器通
过无线通讯网络下传的差分信息，由相对定位模块实现流动站相对于移动基站的相对定位， 定位结果通过坐标转换模块计算获得流动站用户所需要的坐标。流动站的发送模块功能是将 需要发送数据，如流动站坐标、图斑、现场摄像图片等通过无线通讯网络上传到服务器。
根据移动基站定位中无线数据传输量不是很大，实时性高的特点，采用了一种只用单一 进程或线程就能够处理许多事件的机制。移动基站和流动站接入数据中转服务器后，服务器 对其进行编码，根据不同的编码为每个连接提供不同服务，实现事件检测和多路分离。增加了许多流控制和排队功能，在传输数据的时候采用的也是非阻塞式i/o操作解决了无线网络传
输的不稳定性，以及所有事件处理都是在一个线程里，可能造成某一端口或某一用户的阻塞 问题。
数据中转服务器在多移动基站和多流动站同时接入的情况下，为了保证移动基站和流动 站的对应关系，为每个接入用户(移动基站或流动站)建立表格，通过表格判别移动基站和 流动站的对应关系，确保数据传输的准确性。中转服务器根据端口确定接入数据的属性(比 如10000端口接入的是移动基站上传的差分信息；10001端口接入的是移动基站上传的GPS 点位信息；10002端口接入的是流动站上传的GPS点位信息，10003端口接入的是流动站上传 的调查图斑、图片)，根据用户接入时提供的用户名建立接入用户表，使移动基站和流动站对 应起来，然后将需要转发的数据通过不同端口发送出去(比如10000端口发送的是流动站上 传的GPS点位信息；10001端口发送的是流动站上传的调查图斑、图片；10002端口发送的 是移动基站上传的差分信息)。
为解决无线传输可能存在的不稳定性，数据在发送前加一八字节报文头部标识，前四字 节表示数据属性，后四字节表示要传输的数据长度。数据中转服务器根据接收到的报文头部 判断接收的内容，和接收数据长度，保证数据传输的可靠性。对于相对较大的数据，如图斑、 图片数据，先分割成小块，然后再发送。数据中转服务器在接收网络数据时，如果出现网络 阻塞，会自动断开与发送方的连接，并丢弃当前数据包。
图1为基于无线通讯网络的移动基站定位技术流程图，包含移动基站、流动站、无线通 讯网络和数据中转服务器等四个主要功能模块。移动基站、流动站接收卫星信号，然后将相 关信息通过无线通讯网络上传到数据中转服务器，服务器对用户进行认证、数据检校，监控 移动基站、流动站工作状态，然后将差分信息通过无线通讯网络下传给流动站，实现流动站
的定位。
移动基站的主要功能是移动基站本身坐标测量和为相对定位生成差分改正信息，并将坐 标和差分信息发送给服务器。包含接收模块、坐标计算模块、差分信息生成模块和发送模块 等四个主要功能模块。移动基站的接收模块由接收机天线和相关软件组成，接收GPS卫星载 波和伪距信号及导航电文，接收数据中转服务器发送过来的信息；在虚拟参考站网络(或其他 基站网络)或固定基站范围内，根据需要接收这些基站发送的定位信号，也可根据需要接收 OmniStar卫星或StarFire卫星定位信号。
移动基站坐标计算模块应用上述接收到的信号，计算移动基站的坐标。根据接收到的信
号不同及工作需要，移动基站的坐标计算模块可实现五种坐标获取方式(1)相对于一个固
定基站的相对定位，(2)相对于虚拟参考站网络参考站的相对定位，(3)精密单点定位，(4) 低精度单点定位，(5)星际差分定位。
图2为移动基站坐标获取流程图。移动基站接收GPS卫星载波相位和伪距信号及导航电 文，在固定基站覆盖范围内，移动基站接收模块通过无线网络接收固定基站发送的定位信号， 实现移动基站相对于一个固定基站的相对定位；在虚拟参考站(VRS)网络覆盖范围内，移 动基站接收模块通过无线网络接收VRS网络发送的定位信号，实现移动基站相对于虚拟参考 站网络参考站的相对定位；若没有固定基站或VRS网络可以利用，或相对于固定基站或虚拟 参考站网络参考站的相对定位不合适(如精度不够)，这时有两种定位方法， 一是单点定位， 一是星际差分定位， 一般都需要连续观测20分钟才能获得足够精度的坐标。星际差分定位需 要接收OmniStar卫星或StarFire卫星定位信号，然后实现移动基站与接收OmniStar卫星或 StarFire卫星的星际差分定位，得到移动基站的WGS84坐标系下的坐标。单点定位若登录国 际GPS服务(IGS)网站下载免费卫星精密星历，则进行精密单点定位得到移动基站的WGS84 坐标系下的坐标，否则采用普通的单点定位方法，得到低精度的WGS84坐标系下的坐标，这 一坐标不能作为绝对信息使用，只能作为相对信息使用。
以上得到的移动基站坐标可能不适合测绘现场应用，需要进行坐标转换将之转换到地方 局部坐标系中，如有可用坐标转换参数就直接进行坐标转换，否则需要联测若干己知控制点， 重新计算转换参数。坐标联测一般是通过流动站来实现的。与固定基站或虚拟参考站网络连 接以及接收OmniStar卫星或StarFire卫星定位信号一般都需要一个帐户。
移动基站的差分信息生成模块利用接收的GPS卫星载波、伪距信号和计算的移动基站坐 标生成用于流动站相对定位的差分改正信息。
移动基站的发送模块将差分信息进行编码，通过无线通讯网络上传到数据中转服务器。 数据发送时加一八字节报文头部标识，前四字节表示数据属性，后四字节表示要传输的数据 长度，保证数据无线传输的完整性、可靠性。
数据中转服务器的主要功能是接收转发移动基站和流动站数据，并为监控中心提供监控 数据。主要包括认证模块、接收模块、校验模块、存储模块、监控模块及发送模块等。对上 传申请进行用户认证，确认合法以后就通过接收模块接收移动基站、流动站上传数据，对数 据进行解码，再通过校验模块进行数据完整性检校，并存储。服务器的发送模块通过无线通 讯网络将移动基站差分信息发送给流动站用户。服务器监控模块通过对接收数据的分析实现
对移动基站、流动站的工作状态进行监控。服务器根据需要将流动站数据转发给移动基站， 实现流动站与移动基站信息的传递。
数据中转服务器的认证模块根据接入的移动基站和流动站提供的用户标识(用户名和密 码)查询用户数据库，如果用户标识合法，则接入并提供数据中转服务，否则断开连接。
数据中转服务器的接收模块用来接收合法接入的移动基站和流动站的数据，并将其存入 缓存中以备校验。对于移动基站和流动站上传的GPS点位信息，接收模块还实现解算功能。 对于流动站上传的由于数据量较大而分割成小块的图斑、图片数据，实现拼接、缝合功能。
数据中转服务器的校验模块根据合法接入的移动基站和流动站提供的八字节报文头部标 识，校验缓存中的数据。如果接收的数据完整、可靠，交于存储模块管理，否则丢弃数据。
数据中转服务器的存储模块主要完成合法接入的移动基站和流动站的解算后的GPS点位 信息，和合法接入的流动站调査信息资料(图片、图斑等)的存储，以备转发给移动基站或 流动站和监控中心使用。
数据中转服务器的发送模块完成对合法接入的移动基站和流动站传输与之对应匹配的数 据信息。
图3为数据中转服务器中转机制实施图。数据中转服务器只用四个端口不仅实现了任意 多基站、多流动站连接，而且实现一对多和多对多的对应传输。需要传输数据包较大时(比 如图片)，先把要传输的文件进行块分割，分割后在传输每一块的时候都加一八字节报文头部 标识(前四字节表示传输块内容属性，后四字节表示传输块的大小)，接收时根据头部校验数 据传输的完整性，确定数据传输的完整后，对文件块进行拼接、缝合，恢复完整数据。
移动基站和流动站连接到各自的端口，数据中转服务器经认证后，根据用户名建立用户 接入表，接收数据。数据中心将流动站从10002端口传来的GPS点位信息经去头检验后，经 过查找用户接入表，通过10000端口发送给对应的移动基站，同时将移动基站从10000端口 传来的差分改正信息数据去头检验后，经过查找用户接入表，通过10002端口发送给对应的 流动站。从而实现移动基站和流动站之间的对应传输，和10000、 10002端口的传输复用。 其他端口以同样的方法实现其功能。数据中转中心将移动基站和流动站上传的GPS点位信息、 外业调查图斑、图片数据等数据依照所建立的用户表存储到数据库中，以备室内监控。
流动站的主要功能是实现用户的实时定位，主要包括接收模块、发送模块、相对定位模 块和坐标转换模块等四个主要功能模块。流动站的接收模块由接收机天线和相关软件组成， 接收GPS卫星载波和伪距信号及导航电文。这些数据若要传递到服务器或移动基站，则对数 据进行编码，编码方式与前面移动基站介绍的相同。流动站的接收模块的另一个功能是接收 服务器下传的数据，主要是移动基站的差分信息。流动站相对定位模块是利用流动站接收的 GPS卫星载波和伪距信号及导航电文、服务器下传的移动基站的差分信息，实现流动站相对 于移动基站的相对定位。流动站坐标转换模块是将相对定位结果转换到用户所需要的坐标系 中。流动站的发送模块功能是将需要发送数据，如GPS卫星载波和伪距信号、流动站坐标、 图斑、现场摄像图片等通过无线通讯网络上传到服务器，上传之前要加一八字节报文头部标 识。对于相对较大的数据，如图斑、图片数据，先分割成小块，然后再发送。
图4为流动站坐标获取流程图。流动站接收机接收卫星信号和移动基站的差分改正信息，
通过相对定位模块实现相对于移动基站的相对定位。根据定位需求的不同，提供的移动基站 坐标及流动站坐标形式也不同，包括以下七种模式
(1) 整个定位过程中，不联测已知控制点，也没有既有坐标转换参数，获得所测地块的 相对属性，例如，某四边形地块，流动站相对定位获得地块四角相对于移动基站的空间坐标， 该坐标不能描述地块的绝对位置，但地块边长、面积数据可以由相对定位精确获得。
(2) 整个定位过程中，不联测已知控制点，移动基站进行精密单点定位或星际差分定位，
利用WGS84坐标系到国家坐标系转换参数将相对定位结果转换到国家坐标系中，该坐标可描 述地块的绝对位置。地块边长、面积数据由相对定位精确获得。
(3) 整个定位过程中，联测己知控制点一个，进行坐标平移，将定位结果转换到与控制 点一致的坐标系中。该坐标可描述地块的绝对位置，但是由于只进行了平移，距离已知控制 点越远，旋转变形影响越大，绝对位置描述只适合距离已知控制点附近区域精度要求不太高 的场合。地块边长、面积数据由相对定位精确获得。
(4) 整个定位过程中，联测两个以上已知控制点，计算坐标转换参数，将定位结果转换 到与控制点一致的坐标系中。该坐标可描述地块的绝对位置，在已知控制点覆盖区域之外， 精度随着距离的增加会逐渐下降。地块边长、面积数据由相对定位精确获得，也可通过转换 后的坐标来计算。
(5) 整个定位过程中，将土地利用现状图特征点作为已知点进行联测，计算坐标转换参 数，将定位结果转换到与土地利用现状图一致的坐标系中。该坐标可描述地块的绝对位置， 但精度受现状图精度影响，适合精度要求不太高的场合。地块边长、面积数据由相对定位精 确获得。
(6) 移动基站在固定基站有效辐射范围内，先进行移动基站定位，再进行流动站相对于 移动基站的相对定位。此时，若测量区域在固定基站的既有坐标转换参数有效区域内，可直 接使用，将定位结果转换到相应坐标系中。若没有转换参数或转换参数不可用，可根据U)
(5)需求情况联测或不联测己知控制点。
(7) 移动基站在VRS网络有效辐射范围内，先进行移动基站定位，再进行流动站相对于 移动基站的相对定位。此时，可直接将定位结果统一虚拟参考站网络坐标系中；否则，根据
(1) (5)需求情况联测或不联测已知控制点。
权利要求
1、基于无线通讯网络的移动基站定位方法，选用现有的无线通讯网络作为移动基站定位的通讯平台，其特征在于在测绘现场任意位置安置GPS接收机作为移动基站，GPS接收机接收GPS卫星载波和伪距信号及导航电文，生成差分改正信息，通过无线通讯网络上传数据中转服务器，服务器将移动基站差分信息通过无线通讯网络下传流动站用户接收机；流动站接收GPS卫星载波和伪距信号及导航电文，接收数据中转服务器通过无线通讯网络下传的差分信息，实现流动站用户相对于移动基站的相对定位，相对定位结果经坐标转换计算获得流动站用户所需要的坐标，得到相应坐标系中的成果，流动站将成果信息上传到数据中转服务器。
2、 根据权利要求1所述的基于无线通讯网络的移动基站定位方法，其特征在于服务器 需要处理多个并发的网络连接时，采用只用单一进程或线程方式处理许多事件的机制，服务 器对移动基站和流动站接入数据进行编码，根据不同的编码为每个连接提供不同服务，实现 事件检测和多路分离。
3、 根据权利要求1或2所述的基于无线通讯网络的移动基站定位方法，其特征在于多 移动基站和多流动站同时连接时，中转服务器根据端口确定接入数据的属性，根据用户接入 时提供的用户名建立接入用户表，通过表格判别移动基站和流动站的对应关系。
4、 根据权利要求1或2所述的基于无线通讯网络的移动基站定位方法，其特征在于数 据在传输过程中进行分块传输，并且在传输前加一八字节报文头部标识，对于相对较大的图 斑、图片数据，先分割成小块，然后再发送。
5、 根据权利要求3所述的基于无线通讯网络的移动基站定位方法，其特征在于数据在传输过程中进行分块传输，并且在传输前加一八字节报文头部标识，对于相对较大的图斑、 图片数据，先分割成小块，然后再发送。
全文摘要
基于无线通讯网络的移动基站定位方法，在测绘现场任意位置安置GPS接收机作为移动基站，GPS接收机接收GPS卫星信号，生成差分改正信息，通过无线通讯网络上传中转服务器，服务器将移动基站差分信息通过无线通讯网络下传流动站用户接收机；流动站接收GPS卫星载波和伪距信号及导航电文，接收数据中转服务器通过无线通讯网络下传的差分信息，实现流动站用户相对于移动基站的相对定位，相对定位结果经坐标转换计算获得流动站用户所需要的坐标。本发明方法结构简单，操作方便，克服了常规RTK使用电台时的距离限制，特别适合于距离固定基站较远再建固定基站不合适的场合；在VRS网络中可充分利用网络资源，是其有益补充。
文档编号H04W64/00GK101102593SQ20071002546
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月31日 优先权日2007年7月31日
发明者喻国荣, 庆 王, 彪 王, 凌 裴 申请人:东南大学