基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的定位系统和方法与流程

1.本发明属于卫星通信应用技术领域，具体涉及一种基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统和方法。


背景技术：

2.从移动互联到物联网，位置是一个基础的不可或缺的信息，但是从精细化的行业应用需求来说，只有更高精度的定位信息才能带来更高的价值，人们可以更加精确地知道事物所处的位置，知道人员具体位置在哪儿，更好的管理企业、人员或物资。比如说保障隧道施工人员人身安全，协助监狱搭建全局化、可视化的监管平台；提高石油化工行业安全保障效率；助力建筑工地智慧管理升级等等。不仅如此，大众日常使用的共享单车、网购物流、网约车、智能交通、无人驾驶、智慧旅游、应急救援等都对高精度提出了迫切的需求。
3.高精度位置服务的重要性及价值显而易见：提供更精确的时间信息和空间信息，提升用户体验，保障各行各业人员财产安全，提升企业生产运作效率，推进信息社会的发展。
4.高精度位置及其应用目前更多的使用在通信顺畅、人员聚集的繁华地区，然而我国幅员辽阔、地大物博，在很多偏远地区，由于经济欠发达，自然环境恶劣，通信网络基础设施建设起步较晚，基础设施整体水平低，基站数量少，网络环境较为落后，无法满足高精度位置的实现和使用需求。
5.2020年6月23日，北斗三号全球卫星导航系统部署全面完成。北斗三号短报文服务相比之前使用的北斗二号系统能力大大提升，北斗二号的能力每次短信120个汉字，北斗三号每次一千个汉字。
6.天通一号卫星移动通信系统是我国自主研制建设的卫星移动通信系统。2016年8月，天通一号01星成功发射，2020年11月天通一号02星，2021年1月天通一号03星发射升空，3颗卫星组网运行，为我国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域用户，提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等移动通信服务。


技术实现要素：

7.(一)要解决的技术问题
8.本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统和方法，以解决在偏远无移动通信覆盖区域设备、车辆、人员等高精度定位的需求，以及现有设备定位精度差的问题。
9.(二)技术方案
10.为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统，该系统包括地基增强系统、高精度服务系统、北斗三号指挥机、天通卫星信关站、北斗三号卫星、天通卫星、高精度定位转接设备和用户设备；
11.北斗地基增强系统为用户提供广域实时服务；
12.高精度服务系统从北斗地基增强系统引接广域的差分数据产品，根据北斗三号的汉字容量以及天通的带宽容量对广域差分数据产品进行智能压缩分包，形成窄带差分数据产品，通过北斗指挥机以及天通卫星信关站将窄带差分数据周期性的播发给高精度转接装置；
13.北斗指挥机用于高精度服务系统和北斗三号卫星、高精度转接装置进行北斗三号短报文通信；
14.天通卫星信关站连接高精度服务系统和天通卫星，用于天通卫星通信数据的转发；
15.高精度定位转接设备通过内置北斗三号模块、天通一号模块从高精度服务系统获取窄带差分数据产品，根据指定协议进行解析、校验、组包，对自身初始定位误差进行修正，实现高精度定位，同时通过有线、无线的方式将高精度位置传输给需要定位的用户设备；
16.用户设备即需要进行高精度定位的设备。
17.进一步地，北斗三号的汉字容量为1000个汉字容量，卫星数据链路带宽9.6kbps。
18.进一步地，所述高精度定位转接设备包括cpu主控模块、北斗三号模块、天通一号模块、外部接口模块、电源管理模块、终端显示模块以及运行在转接设备上的高精度定位转接软件；
19.cpu主控模块实现北斗三号模块、天通一号模块、外部接口模块、电源管理模块、终端显示模块的管理以及各模块间的信息接入与输出；
20.北斗三号模块包括北斗三号芯片组和北斗天线，实现北斗定位、北斗三号短报文数据的收发；
21.天通一号模块包括天通一号芯片组和天通天线，实现天通数据通信；
22.外部接口模块包括有线接口、无线接口和sim接口，有线接口包括串口和网口；无线接口包括蓝牙和wifi；sim接口包括北斗卡接口和天通卡接口；
23.电源管理模块包括内置电池和外接电源；
24.终端显示模块包括终端显示屏，能够显示当前卫星信号状态、数据传输状态和高精度位置信息；
25.高精度定位转接软件包括卫星管理模块、高精度定位模块和高精度位置转接模块；卫星管理模块能够根据北斗和天通卫星的信号状态自动选择不同的通信链路，高精度定位模块通过接收高精度服务系统播发的窄带差分数据实现高精度定位，高精度位置转接模块支持通过串口、网口、蓝牙、wifi的方式将高精度位置传输给外接设备。
26.进一步地，所述将窄带差分数据周期性的播发给高精度转接装置是指高精度服务系统通过北斗三号短报文和天通数据通信两种窄带链路播发广域差分数据的方法，使用北斗三号短报文和天通数据通信协作的方式，确保广域差分数据准确实时的播发给高精度定位转接设备。
27.进一步地，高精度定位转接设备通过北斗三号rnss进行自我定位，获得自身的概略位置，收到概略位置后，通过北斗三号短报文将完整周期的广域差分数据播发给高精度定位转接设备；然后采用以天通卫星链路为主，北斗三号短报文为辅的方式周期性地播发差分数据。
28.进一步地，在可见的北斗卫星中选择12颗北斗卫星的钟差改正数、轨道改正数和
电离层球谐系数进行周期性的播发。
29.进一步地，针对广域差分数据进行压缩、分包，同时调整数据播发策略，北斗钟差改正数、轨道改正数、电离层球谐系数每4s循环播发一次，播发带宽需求为1416bps；在报文编码的时候，每4s为一个周期，周期数0-1000循环；在每个周期中，北斗钟差改正数电文编号为1，北斗钟差改正数电文编号为2，电离层球谐系数电文分为2个报文，分别编号3和4。
30.进一步地，高精度定位转接设备通过tcp连接高精度服务系统，在差分数据播发的过程中，当发生丢包时，高精度定位转接设备自动识别当前卫星信号强度，选择信号较好的卫星链路请求重发丢的数据包，数据包中包含周期数和报文编号；高精度服务系统收到丢包重发请求时，解析丢包重发请求，获取丢失电文的周期数和电文编号；同时判断北斗三号卫星链路是否可以发送，如果可以，则播发完整周期的差分数据，如果北斗三号卫星链路正在冷却中，则延缓当前电文的播发，使用天通链路补发丢失电文。
31.本发明提供一种基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位方法，该方法包括如下步骤：
32.s11、高精度服务系统从北斗指挥机或者天通数据获取高精度定位转接设备发送的高精度定位请求；
33.s12、针对高精度定位转接设备的身份进行认证，验证此设备是否在用户列表内，如果在列表内，则解析校验高精度定位请求信息；
34.s13、从高精度定位请求信息中获取用户信息、用户概略位置信息，根据用户位置从北斗地基增强系统引接广域差分数据；
35.s14、将引接的广域差分数据针对天通带宽容量进行数据压缩、分包处理，形成指定协议的钟差改正数电文、轨道改正数电文以及电离层球谐系数电文；
36.s15、按照4s一个循环周期性的播发广域差分数据；
37.s16、如接收到丢包补发请求，解析补发请求电文，获取丢失报文的周期数和编号，判断当前北斗三号指挥机是否处于冷却期，如可以发送短报文，则使用北斗三号播发整个周期数据，如处于冷却期，则使用天通链路补发指定周期指定编号的电文。
38.本发明提供一种基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位方法，该方法包括如下步骤：
39.s21、等待用户设备连接，当有设备进行连接时，判断当前卫星信号状态，优先用卫星链路自动向高精度服务系统发送高精度定位请求；
40.s22、接收高精度服务系统播发的广域差分数据产品，如是是通过北斗链路接收的差分数据，则结合自身原始观测值进行定位解算，如是是通过天通链路接收的差分数据，则每4s一个周期，判断当前是否存在丢包，如丢包则向高精度服务系统请求补发丢包电文；
41.s23、等待高精度服务系统补发丢包电文，接收到补发的丢包电文后，进行完整性检验，如组包成一个完整的周期电文，则进行定位解算，获取高精度位置；
42.s24、解算出高精度位置后，通过有线或者无线的方式转发给用户设备。
43.(三)有益效果
44.本发明提出一种基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统和方法，本发明的有益效果为：基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统和方法能够解决在偏远无移动通信覆盖区域设备、车辆、人员等高精度定位的需求，同时免于更
换已有设备，通过接口的形式解决了现有设备定位精度差的问题，能够为偏远地区应急指挥、精准导航等提供高精度定位支撑。
45.本发明的高精度定位方法集成高精度服务系统、高精度定位转接设备，以北斗三号短报文、天通数据为通信链路，实现偏远地区无移动信号覆盖区域的高精度定位。
46.本发明的窄带数据播发方法通过对钟差、轨道差、电离层系数等差分数据信息按照北斗三号短报文以及天通数据通信容量进行分类电文设计，压缩、分包处理，形成窄带的差分数据产品，同时设计窄带数据播发策略，构建以天通数据通信为主、北斗短报文为辅的，二者协作周期性播发的方式，提供高精度数据播发服务。
附图说明
47.图1为本发明基于北斗三号和天通卫星的高精度定位示意图；
48.图2是高精度定位转接设备组成图；
49.图3是高精度服务系统播发窄带差分数据流程图；
50.图4是高精度定位转接设备工作流程图。
具体实施方式
51.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。
52.针对偏远地区无移动网络覆盖区域针对高精度定位的需求，本发明研究一种基于北斗三号和天通卫星窄带数据播发的高精度定位方法，提供一种窄带数据播发方法以及高精度定位转接设备，为已有设备、车辆等提供高精度定位结果，实现车辆、设备等目标物体的高精度定位，为应急指挥、车辆高精度导航、人员管理、工地施工等提供精准位置支撑。
53.本发明通过如下技术方案来实现。
54.基于北斗三号和天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统如图1所示，包括地基增强系统、高精度服务系统、北斗三号指挥机、天通卫星信关站、北斗三号卫星、天通卫星、高精度定位转接设备和用户设备。
55.1)北斗地基增强系统为中国北斗高精度定位能力的基础设施，为用户提供广域实时米级、分米级、厘米级和后处理毫米级的服务。
56.2)高精度服务系统为本发明构建的一套高精度服务系统，能够从北斗地基增强系统引接广域的差分数据产品，根据北斗三号1000个汉字容量以及天通9.6kbps带宽容量对广域差分数据产品进行智能压缩分包，形成窄带差分数据产品，通过北斗指挥机以及天通卫星信关站将窄带差分数据周期性的播发给高精度转接装置。
57.3)北斗指挥机用于高精度服务系统和北斗三号卫星、高精度转接装置进行北斗三号短报文通信。
58.4)天通卫星信关站用于天通卫星通信数据的转发。
59.5)高精度定位转接设备通过内置北斗三号模块、天通一号模块从高精度服务系统获取钟差、轨道差、电离层延迟等窄带差分数据产品，根据指定协议进行解析、校验、组包，对自身初始定位误差进行修正，减少定位误差，实现高精度定位，同时通过有线、无线的方式将高精度位置传输给需要定位的终端设备。
60.6)用户设备即需要进行高精度定位的设备。
61.(2)高精度定位转接设备
62.高精度定位转接设备组成如图2所示，包括cpu主控模块、北斗三号模块、天通一号模块、外部接口模块、电源管理模块、终端显示模块以及运行在转接设备上的高精度定位转接软件。
63.cpu主控模块主要实现北斗三号模块、天通一号模块、外部接口模块、电源管理模块、终端显示模块等模块的管理以及各模块间的信息接入与输出。
64.北斗三号模块包括北斗三号芯片组和北斗天线，实现北斗定位、北斗三号短报文数据的收发。
65.天通一号模块包括天通一号芯片组和天通天线，实现天通数据通信。
66.外部接口模块包括有线接口、无线接口、sim接口。有线接口包括串口和网口；无线接口包括蓝牙和wifi；sim接口包括北斗卡接口和天通卡接口。
67.电源管理模块包括内置电池和外接电源。高精度定位转接设备正常工作时通过内置电池进行供电，当放在车辆等具备供电条件的环境下，可以通过车载电源等方式进行外接电源供电。
68.终端显示模块主要指终端显示屏，能够显示当前卫星信号状态、数据传输状态、高精度位置信息等。
69.高精度定位转接软件包括卫星管理模块、高精度定位模块和高精度位置转接模块。卫星管理模块能够根据北斗和天通卫星的信号状态自动选择不同的通信链路。高精度定位模块通过接收高精度服务系统播发的窄带差分数据实现高精度定位。高精度位置转接模块支持通过串口、网口、蓝牙、wifi的方式将高精度位置传输给外接设备。
70.(3)窄带数据播发方法
71.窄带数据播发方法是指高精度服务系统通过北斗三号短报文和天通数据通信两种窄带链路播发广域差分数据的方法。由于本发明中的高精度定位方法主要用于偏远地区，为保证高精度定位的可靠性，使用北斗三号短报文和天通数据通信协作的方式，确保广域差分数据准确实时的播发给高精度定位转接设备。
72.高精度定位转接设备首先通过北斗三号rnss进行自我定位，获得自身的概略位置，优选卫星信号，将概略位置通过北斗或者天通链路发送给高精度服务系统。高精度服务系统收到概略位置后，首先通过北斗三号短报文将完整周期的广域差分数据播发给高精度定位转接设备。由于北斗三号短报文一分钟只能传输一次数据，因此本发明的窄带数据播发方法采用以天通卫星链路为主，北斗三号短报文为辅的方式周期性的播发差分数据。
73.天通卫星数据链路带宽9.6kbps，在不影响定位精度或者定位精度可接收的前提下，尽量减少播发的差分数据容量。本发明在可见的北斗卫星中选择12颗北斗卫星的钟差改正数、轨道改正数和电离层球谐系数进行周期性的播发。为减少天通数据通信阻塞，针对广域差分数据进行压缩、分包，同时调整数据播发策略，北斗钟差改正数、轨道改正数、电离层球谐系数每4s循环播发一次，播发带宽需求为1416bps。在报文编码的时候，每4s为一个周期，周期数0-1000循环。在每个周期中，北斗钟差改正数电文编号为1，北斗钟差改正数电文编号为2，电离层球谐系数电文分为2个报文，分别编号3和4。具体播发策略如下表所示。
74.表1天通卫星播发策略
75.序号电文名称电文长度(bit)说明1北斗钟差改正数电文1416播发12颗卫星的钟差改正数2北斗轨道改正数电文1416播发12颗卫星的轨道改正数3电离层球谐系数电文11338播发第1到72个系数4电离层球谐系数电文21338播发73到144个系数
76.高精度定位转接设备通过tcp连接高精度服务系统，在差分数据播发的过程中，难免会出现丢包的情况，当发生丢包时，高精度定位转接设备自动识别当前卫星信号强度，选择信号较好的卫星链路请求重发丢的数据包，数据包中包含周期数和报文编号。
77.高精度服务系统收到丢包重发请求时，解析丢包重发请求，获取丢失电文的周期数和电文编号。同时判断北斗三号卫星链路是否可以发送，如果可以，则播发完整周期的差分数据，如果北斗三号卫星链路正在冷却中，则延缓当前电文的播发，使用天通链路补发丢失电文。
78.北斗短报文容量为1000个汉字，即2000个字节。经压缩后北斗钟差改正数、轨道改正数、电离层球谐系数电文一个周期总计为5466bps，满足北斗三号短报文传输容量的要求，因此在北斗三号短报文每个发送周期内播发一次差分数据。
79.下面将结合图1、图3和图4对本发明做详细的介绍：
80.如附图1所示，本发明应用场景包括地基增强系统、高精度服务系统、北斗三号指挥机、天通卫星信关站、北斗三号卫星、天通卫星、高精度定位转接设备和用户设备。
81.用户设备在需要高精度定位时，通过有线或者无线的方式连接高精度定位转接设备，高精度定位转接设备接收到用户设备连接时，自动优选卫星链路，向高精度服务系统请求广域差分数据。高精度服务系统接收到差分数据请求时，解析获取用户设备的位置，根据用户位置从北斗地基增强系统获取指定位置的差分数据。同时根据不同的卫星链路压缩封装窄带的差分数据产品，按照约定的播发策略通过天通数据和北斗三号短报文周期性的播发给高精度定位转接设备。高精度定位转接设备接收到差分数据产品后，进行高精度定位解算，获取高精度位置，转发给用户设备。
82.本发明的高精度服务系统和高精度转接设备工作流程具体步骤如图3和图4所示：
83.如附图3所示，高精度服务系统工作流程具体步骤如下：
84.s11高精度服务系统从北斗指挥机或者天通数据获取高精度定位转接设备发送的高精度定位请求。
85.s12针对高精度定位转接设备的身份进行认证，验证此设备是否在用户列表内，如果在列表内，则解析校验高精度定位请求信息。
86.s13从高精度定位请求信息中获取用户信息、用户概略位置信息，根据用户位置从北斗地基增强系统引接广域差分数据。
87.s14将引接的广域差分数据针对天通带宽容量进行数据压缩、分包处理，形成指定协议的钟差改正数电文、轨道差电文以及电离层系数电文。
88.s15按照4s一个循环周期性的播发广域差分数据。
89.s16如接收到丢包补发请求，解析补发请求电文，获取丢失报文的周期数和编号，判断当前北斗三号指挥机是否处于冷却期，如可以发送短报文，则使用北斗三号播发整个周期数据，如处于冷却期，则使用天通链路补发指定周期指定编号的电文。
90.如附图4所示，本发明高精度转接设备工作流程的步骤如下：
91.s21、等待用户设备连接，当有设备进行连接时，判断当前卫星信号状态，优选卫星链路自动向高精度服务系统发送高精度定位请求。
92.s22、接收高精度服务系统播发的广域差分数据产品，如是北斗链路接收的差分数据，则结合自身原始观测值进行定位解算，如是天通链路接收的差分数据，则每4s一个周期，判断当前是否存在丢包，如丢包则向高精度服务系统请求补发丢包电文。
93.s23、等待高精度服务系统补发丢包电文，接收到补发的丢包电文后，进行完整性检验，如组包成一个完整的周期电文，则进行定位解算，获取高精度位置。
94.s24、解算出高精度位置后，通过有线或者无线的方式转发给用户设备。
95.本发明的一种基于北斗及天通卫星窄带数据播发的高精度定位方法，包括地基增强系统、高精度服务系统、北斗三号指挥机、天通卫星信关站、北斗三号卫星、天通卫星、高精度定位转接设备和用户设备。
96.针对钟差、轨道差、电离层系数等广域差分数据进行分类电文设计，形成窄带的差分数据产品，设计4s一周期的窄带数据播发策略，构建以天通数据通信为主、北斗短报文为辅二者协作周期性播发的方式，为用户提供高精度数据播发服务。
97.本发明的有益效果为：基于北斗三号及天通卫星窄带数据播发的高精度定位系统和方法能够解决在偏远无移动通信覆盖区域设备、车辆、人员等高精度定位的需求，同时免于更换已有设备，通过接口的形式解决了现有设备定位精度差的问题，能够为偏远地区应急指挥、精准导航等提供高精度定位支撑。
98.其特征一在于：本发明的高精度定位方法集成高精度服务系统、高精度定位转接设备，以北斗三号短报文、天通数据为通信链路，实现偏远地区无移动信号覆盖区域的高精度定位。
99.其特征二在于：本发明的窄带数据播发方法通过对钟差、轨道差、电离层系数等差分数据信息按照北斗三号短报文以及天通数据通信容量进行分类电文设计，压缩、分包处理，形成窄带的差分数据产品，同时设计窄带数据播发策略，构建以天通数据通信为主、北斗短报文为辅的，二者协作周期性播发的方式，提供高精度数据播发服务。
100.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。