本發(fā)明涉及定位技術領域，具體涉及一種低成本高精度定位系統(tǒng)及方法。

背景技術：

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，高精度定位設備越來越受到市場的重視。無人機遙感攝影測量，無人機快遞送貨，駕照考試，人流密集度實時統(tǒng)計，都需要高精度定位設備。高精度定位設備，基本依賴于RTK技術。RTK(Real-time kinematic)載波相位差分技術，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機，進行求差解算坐標。現(xiàn)有的采用RTK技術的設備，在硬件上依賴雙頻接收機。但雙頻接收機存在以下幾個問題：首先，雙頻接收機價格昂貴，普通用戶很難承受，不宜推廣；其次，雙頻接收機功耗較大，對電池電量要求高；最后，雙頻接收機體積較大，不利于攜帶。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是現(xiàn)有采用RTK技術的設備需要依賴雙頻接收機所帶來的問題，提供一種低成本高精度定位系統(tǒng)及方法。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種低成本高精度定位方法，包括如下步驟：

步驟1、開啟單頻接收機，使單頻接收機觀測衛(wèi)星；

步驟2、開啟GPRS模塊，使GPRS模塊與基站通信；

步驟3、處理器控制模塊同時接收來自單頻接收機和GPRS模塊的數(shù)據(jù)；

處理器控制模塊對單頻接收機送來的數(shù)據(jù)進行解碼，獲得星歷數(shù)據(jù)和單頻接收機的觀測值數(shù)據(jù)；

處理器控制模塊對GPRS模塊送來的數(shù)據(jù)進行解碼，獲得基站的坐標數(shù)據(jù)和基站的觀測值數(shù)據(jù)；

步驟4、處理器控制模塊根據(jù)所獲得的單頻接收機的觀測值數(shù)據(jù)進行進行選星操作，去掉觀測值大于閾值的衛(wèi)星，保留合格的衛(wèi)星；

步驟5、對于合格的衛(wèi)星，根據(jù)單頻接收機的觀測值數(shù)據(jù)、基站的觀測值數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)和基站的坐標數(shù)據(jù)求解偏移量；

步驟6、利用得到的偏移量和基站的坐標，得到用戶的坐標。

特別地，在步驟3中，單頻接收機送入處理器控制模塊中的數(shù)據(jù)分為2類，一類為單頻接收機的觀測值，包括當前時間單頻接收的偽距觀測值和載波觀測值；另一類為衛(wèi)星星歷。

特別地，在步驟3中，GPRS模塊送入處理器控制模塊中的數(shù)據(jù)分為2類，一類為基站的觀測值，包括當前時間基站的偽距觀測值和載波觀測值；另一類為基站的坐標。

特別地，在步驟5中，利用單頻接收機的觀測值數(shù)據(jù)中的偽距觀測值和基站的觀測值數(shù)據(jù)中的偽距觀測值求解偏移量。

特別地，在步驟5中，利用單頻接收機的觀測值數(shù)據(jù)中的載波觀測值和基站的觀測值數(shù)據(jù)中的載波觀測值求解偏移量。

特別地，在步驟5中，還進一步包括對求解出的偏移量進行進行精度提升的過程，即先將整周模糊度的協(xié)方差矩陣變?yōu)閷蔷仃?；再利用對角矩陣將整周模糊度的浮點解變?yōu)檎麛?shù)解；后用整數(shù)解來修正偏移量，得到高精度偏移量。

實現(xiàn)上述方法的一種低成本高精度定位系統(tǒng)，包括單頻接收機、GPRS模塊、處理器控制模塊和電源模塊；單頻接收機作為用戶接收機，獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)；GPRS模塊與基站通信，獲得基站數(shù)據(jù)；處理器控制模塊對單頻接收機和GPRS模塊送來的數(shù)據(jù)進行解碼，獲得星歷數(shù)據(jù)、單頻接收機的觀測值數(shù)據(jù)、基站的坐標數(shù)據(jù)和基站的觀測值數(shù)據(jù)；再根據(jù)這些數(shù)據(jù)求解偏移量；后根據(jù)偏移量和基站的坐標得到用戶的坐標；電源模塊為單頻接收機、GPRS模塊和處理器控制模塊供電。

特別地，單頻接收機通過天線與衛(wèi)星通信，單頻接收機通過USB接口與處理器控制模塊連接。

特別地，GPRS模塊通過天線與基站通信，GPRS模塊通過RS232接口與處理器控制模塊連接。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用單頻接收機來實現(xiàn)RTK技術；首先單頻接收機價格低廉，只有雙頻接收機的十分之一，能被市場廣泛使用；其次單頻接收機功耗低，適用于嵌入式設備；本發(fā)明具有體積小，重量輕和方便攜帶的特點，可以安裝在無人機上。

附圖說明

圖1為一種低成本高精度定位系統(tǒng)的原理框圖。

圖2為一種低成本高精度定位方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行進一步說明，需要強調(diào)的是，本發(fā)明不僅限于以下實施例。

一種低成本高精度定位系統(tǒng)，如圖1所示，由單頻接收機、GPRS模塊、處理器控制模塊和電源模塊組成。單頻接收機通過一天線與衛(wèi)星通信，單頻接收機通過USB接口與處理器控制模塊連接。GPRS模塊通過另一天線與基站通信，GPRS模塊通過RS232接口與處理器控制模塊連接。

單頻接收機作為用戶接收機，獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)。單頻接收機接收來自GPS衛(wèi)星L1頻段的數(shù)據(jù)，并進行相應計算，能夠輸出在L1頻段的GPS衛(wèi)星偽距觀測值、載波觀測值、以及GPS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)以固定的格式發(fā)送。

GPRS模塊用來與基站通信，獲得基站數(shù)據(jù)。GPRS模塊根據(jù)IP地址，端口號，賬號和密碼等信息，獲取基站傳來的基站數(shù)據(jù)?；緮?shù)據(jù)中包含基站接收機的坐標，以及基站在L1頻段下的偽距觀測值，載波觀測值?；緮?shù)據(jù)具有固定的格式，稱為RTCM格式。

處理器控制模塊對衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基站數(shù)據(jù)進行處理，并輸出定位結(jié)果。在本實施例中，處理器控制模塊的核心為ARM處理器。

處理器控制模塊接收單頻接收機和GPRS模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)。先對接收機的數(shù)據(jù)解碼，運行解碼模塊，提取相應的值。再對基站數(shù)據(jù)進行解碼，運行RTCM解碼模塊，解析到基站相應的值。運行選星程序，將觀測值誤差較大的衛(wèi)星數(shù)據(jù)刪除，如高度角較低，信噪比較低的衛(wèi)星。將剩下的星的數(shù)據(jù)，帶入差分程序中，獲得用戶接收機相對于基站的偏移量。此偏移量存在較大的誤差，因此，帶入高精度算法模塊，提升偏移量的精度。將偏移量加上基站坐標，即可獲得高精度坐標。

單頻接收機傳來的數(shù)據(jù)，分為2類。第一類稱為觀測值，由當前時間，偽距值ρ和L1頻段載波值構(gòu)成。偽距值是指接收機通過讀取衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星到接收機的距離，但是由于衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)存在一些問題，測到的距離值誤差較大。載波值，是指衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過電磁波傳送，由于電磁波頻率已知，則載波周長確定。接收機可以計算出衛(wèi)星到接收機的載波周期數(shù)，即可知道衛(wèi)星到接收機距離。載波觀測值由于波長短，周期數(shù)精確，因此精度較高，但是存在整周模糊度問題。第二類稱為衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，衛(wèi)星在太空實時運動，衛(wèi)星不播發(fā)衛(wèi)星的實時軌道坐標，而是發(fā)送一組軌道參數(shù)，用戶根據(jù)當前時刻，即可計算出衛(wèi)星當前坐標。

基站傳來的數(shù)據(jù)，也分為2類。第一類是觀測值，為當前時間，基站接收機到GPS衛(wèi)星的偽距觀測值和載波觀測值。第二類是基站的坐標，該坐標為精準坐標，精度極高。

電源模塊為單頻接收機、GPRS模塊和處理器控制模塊供電。在本實施例中，電源模塊連接直流電源，并將輸入的直流電源進行濾波，穩(wěn)定電源電壓，向以上3個模塊供電。

一種低成本高精度定位方法，如圖2所示，包括如下步驟：

第一步，處理器控制模塊先開啟單頻接收機，使單頻接收機觀測衛(wèi)星，并傳送數(shù)據(jù)。對接收機數(shù)據(jù)進行解碼，將星歷數(shù)據(jù)存儲在處理器控制模塊的ARM處理器里。

第二步，處理器控制模塊再開啟GPRS模塊，使GPRS模塊開始與基站通信，接收來自基站的RTCM格式數(shù)據(jù)，并對RTCM數(shù)據(jù)進行解碼。將基站的坐標數(shù)據(jù)存儲到處理器控制模塊的ARM處理器里。

第三步，處理器控制模塊同時接收來自單頻接收機和GPRS模塊的數(shù)據(jù)，取得它們的觀測值數(shù)據(jù)。將觀測值數(shù)據(jù)代入選星模塊中，去掉誤差較大的衛(wèi)星觀測值，將合格的衛(wèi)星觀測值代入求解偏移量模塊中，計算每顆合格衛(wèi)星的高度角。

第四步，處理器控制模塊求解偏移量。在本發(fā)明中，求解偏移量有2種方法，一種是利用偽距觀測值求解偏移量，該方法的精度一般。另一種是利用載波觀測值求解偏移量，該方法的精度較高。

1、偽距觀測值求偏移量

由于在測量時，存在接收機鐘差誤差，衛(wèi)星鐘鐘差誤差，電離層誤差，對流層誤差以及隨機觀測噪聲。因此，接收機輸出的距離觀測值存在誤差。

1.1站間單差

在某時刻t,基站接收機r對衛(wèi)星j進行觀測，基站坐標為(x_r，y_r，z_r)，此時衛(wèi)星j坐標為(x^j(t),y^j(t),z^j(t))，衛(wèi)星坐標由接收機傳來的星歷數(shù)據(jù)求出。因此它們在時刻t時之間的距離為R^j_r(t),如式(1-1)所示

由于存在各種誤差，基站接收機r實際輸出的，對衛(wèi)星j的距離觀測值為ρ^j_r(t)，

基站r到衛(wèi)星j距離觀測值如式(1-2)所示：

在式(1-2)中，ρ^j_r(t)由以下幾個部分組成：第一個，基站u到衛(wèi)星r的真實距離R^j_r(t)；第二個，t時刻，基站接收機鐘差δt_r(t)和衛(wèi)星j鐘差δt^j(t),c為光速；第三個ΔI^j_r(t)為t時刻,衛(wèi)星j的電離層延遲；第四個ΔT^j_r(t)為t時刻，衛(wèi)星j的大氣層延遲誤差，第五個為隨機噪聲ε_r。

在同一時刻t，單頻接收機u也對衛(wèi)星j進行觀測，仿照式(1-2),建立式(1-3)

式(1-3)中，R^j_u(t)為衛(wèi)星j到到單頻接收機u的真實距離。接收機鐘差δt_u(t)和衛(wèi)星j鐘差δt^j(t),c為光速。第三個ΔI^j_u(t)為t時刻,衛(wèi)星j的電離層延遲；第四個ΔT^j_u(t)為t時刻，衛(wèi)星j的大氣層延遲誤差，第五個為隨機噪聲ε_u。

由于R^j_u(t)為衛(wèi)星j到到單頻接收機u的真實距離，此時，u的接收機坐標為(x_u,y_u,z_u)，但是該坐標未知。因此，可以用基站r到衛(wèi)星j的距離加上坐標偏移量(Δx,Δy,Δz)表示。

其中，令

。