一种协作RTK定位方法及系统与流程

本发明具体涉及一种协作RTK定位方法及系统。

背景技术：

RTK(Real Time Kinematic)技术是一种基于载波相位差份的实时动态定位技术，它是建立在实时处理两个测站载波相位观测量的基础上，提供指定坐标系中的3维定位结果，实时定位精度可以达到厘米级，并具有实时性好、速度快等优点。RTK的基本原理为，参考站与流动站同时接收卫星信号，参考站将观测数据(主要为载波相位、伪距)和参考站标准坐标位置通过数据链(调制解调器、电台或通信网络)传输给流动站，流动站利用软件通过差分计算，降低流动站的观测误差，测算出流动站与参考站之间的相对坐标，根据参考站的标准坐标，实现精密定位，定位精度可达厘米级。RTK技术广泛应用于室外高精度定位导航相关的行业，例如，测绘，驾考，智能控制，无人驾驶，无人机，遥感等。

RTK技术的核心在于考虑到参考站和流动站之间观测数据值具备相同的电离层误差、对流层误差和其它形式的公共误差，利用差分的方式消除公共误差，得到参考站与流动站之间载波相位的整周模糊度与实时相位差，进而实现高精度定位。然而，RTK技术对于参考站与流动站之间的距离有一定的限制。通常而言，参考站和流动站之间的距离不能超过20km，称之为短基线RTK。如果参考站与流动站之间的距离超过20km，则参考站和流动站具备的电离层和对流层误差的相关性会大大降低，从而使得实时定位精度大幅度降低。对于参考站与流动站之间的距离超过20km以上的RTK技术称之为长基线RTK。目前解决长基线RTK精密定位的关键技术为网络RTK技术。网络RTK技术的原理示意图如图1所示。首先，存在一个网络RTK数据中心，其利用多个参考站(CORS站)的观测数据生成不同位置下的虚拟参考站(VRS—Virtual Reference Station)并计算得到虚拟参考站的虚拟观测值，进而建立一个虚拟参考站和虚拟观测值的列表，并且通过收集所有RTK参考站的数据，实时更新虚拟参考站的虚拟参考值。其次，流动站通过粗定位(伪距单点定位)获取10米以内精度的定位结果，将其结果送给网络RTK数据中心，RTK数据中心根据其定位结果计算出对应的虚拟参考站的位置和观测值，并将相应的虚拟参考站的虚拟观测值传送给流动站。最后，流动站利用虚拟参考站的虚拟观测值与本站观测数据做差分，再利用常规的快速模糊度解算算法获取流动站与虚拟参考站的整周模糊度与实时相位差，进一步得到厘米级的定位结果。

然而，网络RTK存在一定的局限性。首先，需要建立一个RTK数据中心，数据中心与所有RTK参考站的位置需要考虑。RTK数据中心与参考站以及流动站之间能够确保实时通信，并且对通信速率有一定的要求。而在一些偏远地区，暂时没有移动通信网络或者当通信速率达不到RTK观测数据传输速率要求时，网络RTK技术就不能使用。其次，由于网络RTK技术主要针对长基线RTK存在问题提出的解决方案，因此，网络RTK技术无法通过短距离电台的方式实现，只能通过有线网络、无线蜂窝网络或者无线局域网的形式将参考站的观测信息通过internet网络汇总到网络RTK数据中心，观测数据存在一定的传输延迟和处理延迟，对于动态环境下的高精度定位有一定的局限性。最后，RTK数据中心需要维持庞大的虚拟参考站数据更新和流动站数据交互。并且，网络RTK技术算法的复杂度和虚拟参考观测值是随着流动站的数量的增加而增大，进而给数据中心服务器处理和通信网络传输带来极大的负担和压力。近年来，高精度卫星定位导航系统的应用从传统的测绘领域，延伸到了驾考，智能控制，无人驾驶，无人机，遥感等领域，从而导致高精度卫星导航终端(流动站)的数量在不断增加。不断增加的高精度卫星定位导航应用和定位终端使得网络RTK技术的弊端越来越明显。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种定位精度高、大规模应用时数据处理压力小的协作RTK定位方法。

本发明的目的之二在于提供一种应用所述协作RTK定位方法进行定位的系统。

本发明提供的这种协作RTK定位方法，包括如下步骤：

S1.选取固定参考站，设置固定参考站自身的高精度标准坐标位置；

S2.步骤S1选取的固定参考站实时观测并获取RTK技术所需的观测数据；

S3.依据步骤S2获取的观测数据计算固定参考站的伪距残差和载波相位残差；

S4.固定参考站将步骤S3得到的伪距残差和载波相位残差以及步骤S1设置的标准坐标位置传送给参考站调度中心；

S5.流动站通过伪距观测值计算得到自身当前的粗定位结果；

S6.流动站将步骤S5得到的粗定位结果传送给参考站调度中心；

S7.参考站调度中心根据参考站的伪距残差、载波相位残差和标准坐标位置，以及流动站的粗定位位置结果，调度出流动站所匹配的候选参考站群；

S8.参考站调度中心将流动站所匹配的候选参考站群的唯一标识发送给流动站；

S9.流动站根据对应候选参考站群的唯一标识，从通信链路中接收对应的参考站的观测数据和标准坐标位置；

S10.流动站根据接收到的候选参考站群的标准坐标位置、伪距残差、载波相位残差以及上一时刻候选参考站群的集合，计算出最优的参考站作为基准参考站；

S11.流动站接收基准参考站的观测数据，进行自身的高精度定位。

所述的协作RTK定位方法还包括如下步骤：

S12.参考调度中心在设定的时间内更新候选参考站群的集合，即参考站调度中心接收流动站和参考站上报的观测数据，对流动站的参考站群集合进行更新。

所述的参考站群集合更新，具体包括如下两种模式：

流动站请求更新模式：当流动站在所配对当前的候选参考站群环中都无法得到固定解算结果，则请求参考站调度中心进行候选参考站群更新；

固定时间周期更新模式：设定固定的周期更新时间，所述周期更新时间到，则更新候选参考站群集合；所述的周期更新时间为根据环境的动态性进行设定或根据用户行为分析进行设置。

步骤S7所述的参考站包括固定参考站和即时参考站。

所述的协作RTK定位方法还包括如下步骤：

S13.流动站获取设定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断自身是否能够成为即时参考站：若判断成功，则流动站转换为即时参考站；

S14.即时参考站获取一定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断本即时参考站是否能继续成为即时参考站：若判断不成功，则本即时参考站转换回流动站。

步骤S13所述的流动站判断自身是否能够成为即时参考站，具体为采用如下规则进行判断：

若流动站连续N次整周模糊度解算成功，并且每次解算的伪距残差值不大于2米，且载波相位残差值不大于2厘米，则流动站模式能够成为即时参考站。

步骤S14所述的判断即时参考站是否能继续成为即时参考站，具体为若即时参考站有连续M次整周模糊度解算不成功，则即时参考站转换为流动站。

步骤S1所述的固定参考站的选取，具体为在已知精确位置的地点设置固定参考站，或者在任意位置设置固定参考站，并通过定位算法获取固定参考站的精确位置。

所述的通过定位算法获取固定参考站的精确位置，具体为通过PPP精密单点定位算法长时间获取固定参考站的精确位置。

步骤S3所述的计算伪距残差和载波相位残差，具体为采用如下算式进行计算：

式中

其中，Δρ^c为伪距残差，Δρ^f为载波相位残差，第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和站点的精确位置为(X^f,Y^f,Z^f)，第i颗卫星的位置为(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)。

步骤S7所述的流动站所匹配的候选参考站群，具体为采用如下规则进行匹配：

流动站所配对的参考站h_j为式中min_G()表示取最大H_G个值所在的索引列表，γ＝{h＝1,...,H,ΔD_j,h＜SD}；SD的取值与短基线RTK的精度的有关，SD取值越大则RTK定位精度越小；

步骤S8所述的标识包括电台频道，网络IP地址，调频频率或者加密ID。

步骤S10所述的计算出最优的参考站作为基准参考站，具体为采用如下规则进行计算：

A.判断上一时刻的基准参考站是否在本时刻的候选参考站群集合中：

若上一时刻的基准参考站在本时刻的候选参考站群集合中，则本时刻的基准参考站设定为上一时刻的基准参考站；

若上一时刻的基准参考站不在本时刻的候选参考站群集合中，则按照如下策略选定参考站作为本时刻的基准参考站：

其中argmin_G()表示取最大值所在的索引，且ρ＝{h＝1,...,H_G}；

B.利用步骤A中计算选取的参考站作为基准参考站，接收该基准参考站的观测数据，并与流动站进行整周模糊度解算：

若能得到固定解算结果，则高精度定位成功；

若无法得到固定解算结果，则剔除当前基准参考站的索引，重新执行上述步骤，直到集合ρ为空集。

步骤S11所述的流动站接收基准参考站的观测数据并进行自身的高精度定位，具体包括如下步骤：

a.流动站接收基准参考站的观测数据，并与自身的观测数据进行差分运算，并进行整周模糊度解算和高精度定位；

b.若流动站不能正常进行整周模糊度解算，则将当前的基准参考站剔除，并重复步骤10：若所有的候选参考站群的参考站全部遍历一遍之后都不能正确解算整周模糊度，则认定流动站当前时刻不能进行高精度定位；流动站进行下一次高精度定位解算流程。

本发明还提供了一种应用所述协作RTK定位方法进行定位的系统，包括一个参考站调度中心、若干个固定参考站、若干个流动站以及参考站调度中心、固定参考站和流动站之间进行数据交换的通信链路；所述参考站调度中心用于匹配流动站所对应的候选参考站群信息，并将所述匹配信息通过通信链路发送流动站；流动站为需要进行精确定位的流动站；固定参考站用于获取自身所在位置的精确位置，计算自身的伪距残差和载波相位残差并发送参考站调度中心，还用于与流动站进行匹配和定位流动站的位置；所述流动站所对应的参考站包括固定参考站和即时参考站，所述即时参考站由高精度定位后的流动站转换而来。

本发明提供的这种协作RTK定位方法和系统，基于流动站/参考站可动态切换的模式，利用大规模的流动站/参考站的位置和观测数据，以及特定的参考站调度算法，为每个流动站提供多个特定的参考站进行配对，从而实现流动站的高精度定位。本发明需要一个参考站调度中心，然而此调度中心只需要根据流动站的粗定位结果执行参考站调度算法，实现参考站-流动站配对即可。在配对完成以后，参考站对配对的所有流动站发送观测数据，以便流动站实现高精度定位。其次，流动站在接收到多个参考站的观测数据以后，利用多个参考站的观测数据进行协作，最终实现流动站的精密定位。一个流动站有多个参考站配对，称之为候选参考站群。候选参考站群能够有效地避免流动站因为移动造成的参考站失效而导致地重新搜索和建立配对参考站的过程，实现流动站的全程无缝高精度定位。最后，每一个流动站在完成高精度定位之后，通过一定的判决准则，可以成为候选参考站以供其他的流动站做参考。本发明技术不需要进行大规模的集中式的CORS站网络建设，也不需要强大和复杂的RTK数据中心，使用本发明提供的高精度定位方法的终端越多，网络的鲁棒性越强，有效地解决了网络RTK技术存在的关键问题，非常有利于高精度定位导航的大规模应用。

附图说明

图1为现有的网络RTK技术的定位原理示意图。

图2为本发明的定位系统工作示意图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图2所示为本发明的定位系统工作示意图：本发明提供的这种实现所述协作RTK定位方法的定位系统，包括一个参考站调度中心、若干个固定参考站、若干个流动站以及参考站调度中心、固定参考站和流动站之间进行数据交换的通信链路；所述参考站调度中心用于匹配流动站所对应的候选参考站群信息，并将所述匹配信息通过通信链路发送流动站；流动站为需要进行精确定位的流动站；固定参考站用于获取自身所在位置的精确位置，计算自身的伪距残差和载波相位残差并发送参考站调度中心，还用于与流动站进行匹配和定位流动站的位置；所述流动站所对应的参考站包括固定参考站和即时参考站，所述即时参考站由高精度定位后的流动站转换而来。

如图3所示为本发明的方法流程图：本发明提供的这种协作RTK定位方法协作RTK定位方法，包括如下步骤：

S1.选取固定参考站，设置固定参考站自身的高精度标准坐标位置；所述的固定参考站在已知精确位置的地点设置固定参考站，或者在任意位置设置固定参考站，并通过PPP精密单点定位算法长时间获取固定参考站的精确位置；

S2.步骤S1选取的固定参考站实时观测并获取RTK技术所需的观测数据；

S3.依据步骤S2获取的观测数据计算固定参考站的伪距残差和载波相位残差；所述的计算伪距残差和载波相位残差，具体为采用如下算式进行计算：

式中

其中，Δρ^c为伪距残差，Δρ^f为载波相位残差，第i颗卫星的每t个频点上的伪距观测值和载波相位观测值所对应的单点粗定位结果和精密定位结果分别为和站点的精确位置为(X^f,Y^f,Z^f)，第i颗卫星的位置为(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)；

S4.固定参考站将步骤S3得到的伪距残差和载波相位残差以及步骤S1设置的标准坐标位置传送给参考站调度中心；

S5.流动站通过伪距观测值计算得到自身当前的粗定位结果；

S6.流动站将步骤S5得到的粗定位结果传送给参考站调度中心；

S7.参考站调度中心根据参考站(包括固定参考站和即时参考站)的伪距残差、载波相位残差和标准坐标位置，以及流动站的粗定位位置结果，调度出流动站所匹配的候选参考站群；

所述的流动站所匹配的候选参考站群，具体为采用如下规则进行匹配：

流动站所配对的参考站h_j为式中min_G()表示取最大H_G个值所在的索引列表，γ＝{h＝1,...,H,ΔD_j,h＜SD}；SD的取值决定了短基线RTK的精度，SD取值过大会使得RTK定位精度下降甚至得不到解算结果。SD取值过小会导致可能不存在与当前流动站配对的参考站；在具体实施时，一种可选的方式为：首先将SD设置为5km，若发现有参考站，则配对，若没有发现可以配对的参考站，再将SD增加5km，直到发现有配对的参考站为止，其中SD最多累加到20km。H_G为一个候选参考站群的最大集合数，其目的主要是为流动站提供多个参考站，使得流动站在移动过程中，在当前基准参考站环境下无法正常解算时，可以直接切换到备选参考站环境下做解算，而省去了与参考站调度中心重新连接的过程，因此，H_G取值在3到5之间比较合适；

S8.参考站调度中心将流动站所匹配的候选参考站群的唯一标识(包括电台频道，网络IP地址，调频频率或者加密ID等)发送给流动站；

S9.流动站根据对应候选参考站群的唯一标识，从通信链路中接收对应的参考站的观测数据和标准坐标位置；

S10.流动站根据接收到的候选参考站群的标准坐标位置、伪距残差、载波相位残差以及上一时刻候选参考站群的集合，计算出最优的参考站作为基准参考站，具体为采用如下规则进行计算：

A.判断上一时刻的基准参考站是否在本时刻的候选参考站群集合中：

若上一时刻的基准参考站在本时刻的候选参考站群集合中，则本时刻的基准参考站设定为上一时刻的基准参考站；

若上一时刻的基准参考站不在本时刻的候选参考站群集合中，则按照如下策略选定参考站作为本时刻的基准参考站：

其中argmin_G()表示取最大值所在的索引，且ρ＝{h＝1,...,H_G}；

B.利用步骤A中计算选取的参考站作为基准参考站，接收该基准参考站的观测数据，并与流动站进行整周模糊度解算：

若能得到固定解算结果，则高精度定位成功；

若无法得到固定解算结果，则剔除当前基准参考站的索引，重新执行上述步骤，直到集合ρ为空集；

S11.流动站接收基准参考站的观测数据，进行自身的高精度定位，具体包括如下步骤：

a.流动站接收基准参考站的观测数据，并与自身的观测数据进行差分运算，并进行整周模糊度解算和高精度定位；

b.若流动站不能正常进行整周模糊度解算，则将当前的基准参考站剔除，并重复步骤10：若所有的候选参考站群的参考站全部遍历一遍之后都不能正确解算整周模糊度，则认定流动站当前时刻不能进行高精度定位；流动站进行下一次高精度定位解算流程；

S12.参考调度中心在设定的时间内更新候选参考站群的集合，即参考站调度中心接收流动站和参考站上报的观测数据，对流动站的参考站群集合进行更新；更新具体包括如下两种模式：

流动站请求更新模式：当流动站在所配对当前的候选参考站群环中都无法得到固定解算结果，则请求参考站调度中心进行候选参考站群更新；

固定时间周期更新模式：设定固定的周期更新时间，所述周期更新时间到，则更新候选参考站群集合；所述的周期更新时间为根据环境的动态性进行设定或根据用户行为分析进行设置；

S13.流动站获取设定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断自身是否能够成为即时参考站：若判断成功，则流动站转换为即时参考站；

所述判断的过程为：若流动站连续N次整周模糊度解算成功，并且每次解算的伪距残差值不大于2米，且载波相位残差值不大于2厘米，则流动站模式能够成为即时参考站；其中，N可取任意整数值；N取值过小，容易造成即时参考站的虚警误判，进而导致错误累积，使得改即时参考站所配对的流动站都产生定位错误，对整个RTK网络造成错误的蔓延式扩散；N取值过大，容易造成极少数流动站能成为参考站，使得RTK网络中可以使用的即时参考站过少；因此，N的取值根据不同的场景有不同的选择方式：例如，在无人机，无人驾驶环境下，需要亚米级定位精度环境下，N取值可以为100-200左右，假设1秒的更新频率，则流动站成为即时参考站需要经过2-3分钟的判决时间。在测绘环境下，需要厘米级定位精度，N的取值可以为1000-3000左右，假设1秒的更新频率，则流动站成为即时参考站需要经过20-60分钟左右的判决时间；

S14.即时参考站获取一定时间内的整周模糊度解算的结果、伪距残差和载波相位残差，并联合判断本即时参考站是否能继续成为即时参考站：若判断不成功，则本即时参考站转换回流动站。

所述判断的过程为：若即时参考站有连续M次整周模糊度解算不成功，则即时参考站转换为流动站，具体的，M的取值在10-20次左右较为合适。