所屬領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種實時動態(tài)單點定位技術(shù)，屬于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(gnss)高精度定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌入式gps和bds組合實時精密單點定位設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前最常用的gnss高精度定位模式是相對定位，即在定位時需要兩個或者兩個以上的測站進(jìn)行同步觀測，且定位中至少有一個測站的精確坐標(biāo)是已知的，以確定未知站點相對于已知站點的相對位置。在高精度相對定位中，最常用的定位技術(shù)為載波相位差分技術(shù)，即rtk技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)rtk技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)、無線通訊、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代實時動態(tài)定位技術(shù)，其主要是由gnss參考站網(wǎng)、控制中心、數(shù)據(jù)處理中心、通訊網(wǎng)絡(luò)、用戶應(yīng)用終端等子系統(tǒng)組成。整個參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一進(jìn)行計算，通過組成雙差觀測值消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差以及削弱對流層延遲、電離層延遲等強(qiáng)相關(guān)性的誤差影響，從而實現(xiàn)厘米級甚至毫米級定位的母的，該技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，由于網(wǎng)絡(luò)rtk技術(shù)在使用前需要組建連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，在作業(yè)時需要兩臺接收機(jī)進(jìn)行同步觀測，通過雙差分模型才能提供高精度的定位服務(wù)，這不僅增加了作業(yè)成本和復(fù)雜度，而且很多應(yīng)用場合也收到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于arm9的嵌入式gps/bds實時精密單點定位接收機(jī)，可以實時獲取gps，bds的原始數(shù)據(jù)，結(jié)合通過網(wǎng)絡(luò)獲取的實時精密鐘差軌道改正數(shù)據(jù)，通過多種誤差建模，通過卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)估計，可實現(xiàn)雙頻和單頻的實時動態(tài)精密單點定位。雙系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)增加了衛(wèi)星數(shù)，能夠有效較少收斂時間，提高定位精度，可達(dá)到靜態(tài)定位厘米級，動態(tài)定位分米級的定位精度。將高精度定位領(lǐng)域擴(kuò)展到尚未組建cors網(wǎng)的地區(qū)，為廣大gnss用戶，特別是為困難和偏遠(yuǎn)地區(qū)的高精度和動態(tài)定位提供了新的技術(shù)支持和解決方案。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種嵌入式gps和bds組合實時精密單點定位設(shè)備，硬件平臺包括arm核心板、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、衛(wèi)星定位模塊、電源模塊、顯示模塊，其中衛(wèi)星定位模塊外接gnss天線。

所述arm核心板包括arm處理器、nandflash、sdram，使用arm9系列的s3c2440a處理器作為主控芯片。它是一款具有arm920t內(nèi)核的的risc微處理器，實現(xiàn)了mmu、amba、bus和harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，具有獨立的16kb指令cache和16kb數(shù)據(jù)cache。這款處理器的主頻為400mhz，采用5級流水線的處理方法，具有高效的多任務(wù)并行處理能力，能夠滿足多系統(tǒng)實時精密單點定位技術(shù)對數(shù)據(jù)計算能力及有效性的需求。存儲模塊由nandflash和sdram存儲器兩部分組成。其中采用的nandflash存儲器型號為k9f2g08,其大小為256mb，sdram模塊采用兩片em63a165ts-6g作為內(nèi)存，總計64m。

所述gnss天線用于接收衛(wèi)星信號，將電磁波信號轉(zhuǎn)化為高頻電流信號傳送給所述衛(wèi)星定位模塊。

所述衛(wèi)星定位模塊使用和芯星通的ub380板卡，該板卡可支持bds三頻、gps三頻和glonass雙頻數(shù)據(jù)；優(yōu)于1mm的載波相位觀測值；支持先進(jìn)的多路徑抑制技術(shù)和低仰角跟蹤技術(shù)，支持串口、網(wǎng)口、ipps等多種物理接口；硬件尺寸兼容市場主流gnssoem板卡。

所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于從網(wǎng)絡(luò)實時獲取實時精密軌道和精密鐘差改正數(shù)以及實時電離層信息。選取dm9000ep網(wǎng)卡芯片、h1102nl網(wǎng)絡(luò)變壓器和rj45接頭構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)模塊。其中dm9000ep網(wǎng)卡是一款高度集成的單芯片控制器，具有傳輸穩(wěn)定、功耗較低的優(yōu)點。h1102nl網(wǎng)絡(luò)變壓器用于連接網(wǎng)卡芯片和rj45接口，可以增強(qiáng)信號，使其傳輸距離更遠(yuǎn)；rj45接口用于連接外部網(wǎng)絡(luò)，是最常見的網(wǎng)絡(luò)接口。

所述串口通信模塊用于嵌入式硬件平臺與本地設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的通信，在嵌入式linux操作系統(tǒng)移植和后續(xù)ppp技術(shù)研究的調(diào)試過程中都會用到串口通信。由于核心板調(diào)試串口使用ttl電平表示數(shù)據(jù)，而pc機(jī)使用rs232電平表示數(shù)據(jù)，與ttl電平不兼容，因此使用rs232與ttl電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換電路采用2驅(qū)動器/2接收器的sp3232een芯片。

所述顯示模塊采用普通的4.3寸電阻式觸摸屏，用于tcp服務(wù)器ip地址，端口的設(shè)置，衛(wèi)星信息與定位結(jié)果的顯示。

所述電源模塊是整個硬件平臺工作的動力來源。使用通用的電源適配器為整個平臺提供12v/1a的輸入電源，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為5v/1a和3.3v/1a兩種電源。電壓轉(zhuǎn)換電路選用開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片tps5430。將電源適配器提供的12v直流電源作為tps5430的輸入電源，在tps5430芯片外圍加上必要的電阻、電容、二極管等組成5v和3.3v兩路輸出電壓。在電源輸入出加上保險絲和過壓保護(hù)二極管以防止意外短路、過流和雷擊、浪涌電壓。

基于設(shè)備硬件平臺的軟件流程，包括以下步驟：

1)選取linux操作系統(tǒng)作為該設(shè)備的操作系統(tǒng)，并進(jìn)行移植，整個過程包括u-boot的移植，linux內(nèi)核的移植和構(gòu)建linux根文件系統(tǒng)。

2）在linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)實時精密單點定位軟件，可以實現(xiàn)gps,bds,gps/bds三種系統(tǒng)模式。

3)通過衛(wèi)星定位模塊獲取oem格式的原始電文，采樣率為1秒，其中43號電文為觀測電文，1047號電文為gps導(dǎo)航電文，7號電文為bds導(dǎo)航電文，獲取后進(jìn)行實時解碼獲取雙頻偽距、載波以及衛(wèi)星軌道鐘差信息。

4)通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收rtcm3.1格式的原始電文。其中1060電文為gps軌道鐘差改正電文，1160電文為bds軌道鐘差改正電文，1226為電離層球諧系數(shù)電文，獲取后實時解碼獲取gps/bds的實時軌道鐘差改正數(shù)以及電離層總電子含量。

5）對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除不健康衛(wèi)星和觀測值有粗差的衛(wèi)星，并進(jìn)行周跳探測。

6）以衛(wèi)星歷元時間為基準(zhǔn)完成觀測電文，導(dǎo)航電文，軌道鐘差改正電文的匹配以及gps/bds雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合，通過廣播星歷和實時軌道鐘差改正數(shù)，實時解算出gps和bds的精密軌道和精密鐘差。

7）雙頻精密單點定位通過無電離層組合消除電離層延遲，單頻精密單點定位通過電離層球諧系數(shù)電文進(jìn)行電離層延遲改正，接著建立誤差模型消除誤差，包括對流層誤差，地球自轉(zhuǎn)，相對論效應(yīng)，天線以及海洋潮，最后通過卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)估計，逐個歷元解算得到定位結(jié)果，實現(xiàn)高精度定位。

8）將最終定位結(jié)果以及衛(wèi)星信息輸出到顯示模塊，并存儲為文件。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用實時軌道鐘差增強(qiáng)改正信息，實現(xiàn)gps/bds實時精密單點定位的方法，并完成嵌入式便攜式設(shè)備的軟硬件設(shè)計，將高精度精密單點定位技術(shù)應(yīng)用于手持設(shè)備中，可以使ppp實時高精度定位擺脫應(yīng)用場合的限制，方便用戶外業(yè)測量，降低了作業(yè)成本，改變了傳統(tǒng)高精度定位依賴與基準(zhǔn)站的定位模式，具有重要的工程價值；相對于單系統(tǒng)實時精密單點定位，收斂時間較短，定位精度也有所提高，其中靜態(tài)定位精度可達(dá)到厘米級，動態(tài)定位精度可以達(dá)到分米級。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明電源模塊框圖。

圖3為本發(fā)明電源模塊電路原理圖。

圖4為本發(fā)明ub380衛(wèi)星板卡引腳電路原理圖。

圖5為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)模塊電路原理圖。

圖6為本發(fā)明的軟件結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

實施例1：一種嵌入式gps和bds組合實時精密單點定位設(shè)備，其arm核心板分別連接電源模塊、以太網(wǎng)模塊、串口模塊、衛(wèi)星定位模塊、顯示模塊，其中衛(wèi)星定位模塊外接gnss天線，gnss天線可以接收實時衛(wèi)星信號，將電磁波信號轉(zhuǎn)化為高頻電流信號傳送給衛(wèi)星定位模塊，通過調(diào)制與解調(diào)的過程生成二進(jìn)制格式原始數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)作為輸入量供后續(xù)定位研發(fā)使用。網(wǎng)絡(luò)模塊可以實時獲取gps和bds的實時衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息以及實時電離層信息，此外還可以通過tftp方式與本地pc機(jī)進(jìn)行文件傳送，串口通信模塊主要用于硬件平臺與本地設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)通信，如進(jìn)行嵌入式linux操作系統(tǒng)的移植，ppp應(yīng)用軟件的調(diào)試，電源模塊是整個平臺工作的動力來源，顯示模塊用于tcp服務(wù)器信息設(shè)置和衛(wèi)星定位信息的顯示。

實施例2:arm核心板上的主控芯片為arm系列的s3c2440,它是一款基于arm920t內(nèi)核的risc微處理器，實現(xiàn)了mmu、amba、bus和harvard高速緩沖結(jié)構(gòu)，具有獨立的16kb指令cache和16kb數(shù)據(jù)cache，arm核心板上集成了nandflash和sdram。采用的nandflash存儲器型號為k9f2g08,其大小為256mb，屬于非易失性存儲器，主要用于存儲平臺運(yùn)行所需要的u-boot、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件及衛(wèi)星天線、潮汐文件，sdram采用兩片32m的em63a165ts-6gz作為內(nèi)存，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和應(yīng)用層軟件的高效執(zhí)行提供了良好的工作環(huán)境。

實施例3:衛(wèi)星定位模塊使用和芯星通的ub380板卡，該板卡可提供bds/gps/glonass三系統(tǒng)八頻點的原始數(shù)據(jù)，優(yōu)于1mm的載波相位觀測值。板卡通過硬件底板經(jīng)一個2*16的排插引腳與處理器進(jìn)行連接，這32個排插引腳包含了衛(wèi)星板卡的3個串口、1個網(wǎng)口以及相應(yīng)的電源引腳，其中衛(wèi)星板卡的com1直接通過串口引出，用于設(shè)置板卡的數(shù)據(jù)格式，另外兩個串口分別與arm處理器的兩個串口連接，用于給處理器提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

實施例4:采用工業(yè)級以太網(wǎng)mac控制器作為網(wǎng)絡(luò)通信的驅(qū)動模塊，選取dm9000ep網(wǎng)卡芯片、h1102nl網(wǎng)絡(luò)變壓芯片和pj45接頭構(gòu)成整個網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

實施例5：通過對硬件平臺各功能模塊的工作電壓、工作電流和最大功率等情況分析可知，主要功耗集中在處理器和衛(wèi)星板卡這兩大部件，其中arm處理器的工作電壓為5v，電流為200ma，功率約為1w;衛(wèi)星板卡工作時的電壓為3.3v，電流為400ma,功率約為1.4w，硬件平臺所采用的電源適配器可為平臺提供12v/1a的輸入電源，通過電源轉(zhuǎn)換電路分別轉(zhuǎn)為5v/1a和3.3v/1a的直流電源，在電壓轉(zhuǎn)換電路中選擇tps5430芯片，結(jié)合相應(yīng)的電阻、電感、電容等電子元器件設(shè)計出電壓轉(zhuǎn)換的外圍電路。

實施例6：選取linux操作系統(tǒng)作為設(shè)備的操作系統(tǒng)，并進(jìn)行移植，整個過程包括u-boot的移植，linux內(nèi)核的移植和構(gòu)建linux根文件系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件在靜態(tài)時存儲在nandflash存儲器上，運(yùn)行時時在sdram模塊上，本發(fā)明通過觸摸屏選擇定位模式，可以實現(xiàn)gps、bds、gps/bds三種系統(tǒng)模式，并通過觸摸屏設(shè)置tcp服務(wù)器端的ip和端口。

應(yīng)用軟件通過衛(wèi)星定位模塊獲取oem格式的原始電文，采樣率為1秒，其中43號電文為觀測電文，1047號電文為gps導(dǎo)航電文，7號電文為bds導(dǎo)航電文，獲取后進(jìn)行實時解碼獲取雙頻偽距、載波以及衛(wèi)星軌道鐘差信息。

隨后軟件運(yùn)行一個tcp用戶端通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收rtcm3.1格式的原始電文，其中1060電文為gps軌道鐘差改正電文，1160電文為bds軌道鐘差改正電文，1226為電離層球諧系數(shù)電文。獲取后實時解碼獲取gps/bds的實時軌道鐘差改正數(shù)以及電離層總電子含量。在軟件中設(shè)置一個超時時間，超過一定時間沒有收到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為連接出現(xiàn)異常，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重連。

首先對解碼后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除不健康衛(wèi)星和觀測值有粗差的衛(wèi)星，并通過gf組合和mw組合進(jìn)行周跳探測，保證偽距觀測值和載波觀測值的可靠。

本發(fā)明采用傳統(tǒng)無電離層組合模型，通過雙頻組合消除了電離層延遲的低階項，對于一些其他的系統(tǒng)誤差，如對流層延遲干分量、衛(wèi)星/接收機(jī)端天線相位中心偏差、相位纏繞、相對論效應(yīng)、固體潮和海洋潮、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)等因素引出的誤差可采用誤差模型精確改正，對于一些難以精確模型化的誤差，如對流層延遲濕分量則附加參數(shù)進(jìn)行估計，在參數(shù)估計方面，一般采用序貫最小二乘或卡爾曼濾波方法，本發(fā)明采用卡爾曼濾波方法，原理時把被估計量作為系統(tǒng)的狀態(tài)，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，根據(jù)前一時刻的估值，通過狀態(tài)方程計算該時刻的預(yù)測值，再由歷元實測值和驗前信息，計算出預(yù)測值的修正，濾波的過程就是不斷“預(yù)測-修正”的遞推過程，在gps/bds雙系統(tǒng)的ppp無電離層組合模型中，當(dāng)連續(xù)觀測衛(wèi)星數(shù)為n時，其待估參數(shù)包括：接收機(jī)的位置參數(shù)3個、接收機(jī)鐘差參數(shù)2個、天頂對流層濕延遲參數(shù)1個、無電離層組合模糊度n個，其觀測方程的個數(shù)為2n，待估參數(shù)個數(shù)為n+6，自由度為n-6。

最后將定位衛(wèi)星信息傳輸給顯示模塊進(jìn)行顯示，包括定位衛(wèi)星數(shù)，衛(wèi)星狀態(tài)，定位信息，并將所有信息存到文件里。

本發(fā)明通過上述算法，實時定位可達(dá)到靜態(tài)厘米級，動態(tài)分米級的定位精度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。