专利名称：一种嵌入在蜂窝网络系统的dgnss及nrtk系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)，广域增强系统(WAAS)，差分全球导航卫星系统(DGNSS)，网络实时动态技术(NRTK)，并与 GSM，CDMA，CDMA2000, UMTS，WCDMA，TD-SCDMA和提供基于位置服务的LTE移动网络整合，具体涉及一种嵌入在蜂窝网络系统的DGNSS及NRTK系统。
背景技术：
网络辅助全球导航卫星系统(A-GNSS)已被应用于改善数十亿移动用户定位的实用性(US 6，625，458，US 7，064，706 B2)。当定位信号较弱或受到建筑和植物的阻挡时，A-GNSS接收机通过一个移动网络获得附加信息来帮助解算用户位置。当定位信号很弱和独立定位接收机不能获得定位的时候，A-GNSS会变得十分有用。当定位信号足够强的时候，能 够使用A-GNSS的接收机和独立定位接收机具有相同的精度。当卫星基础增强系统(SBAS)(Pub. No. US 2010/0090888 Al)可用时定位精度可以达到3米，而当SBAS不可用时，精度可达10米。其主要的误差来源是电离层延时估算，卫星轨道误差，卫星时钟偏移误差和对流层延时估算。A-GNSS可以被应用于控制层面或用户层面。有一种方法能提高定位的精度，就是使用差分定位(DGNSS)方法(美国专利No.5，621，646) AGNSS是由一个或多个位于测量点的参考站组成的，多个邻近移动定位用户的参考站和一个位于移动用户和参考站之间的通信网络。位于参考站上的全球定位接收机测量全球定位卫星的伪距并把他们的测量结果和卫星的参考位置广播到移动用户。由于移动用户和参考站的距离很近(通常少于10公里)，它们的电离层延迟，卫星轨道误差和时钟偏移误差以及对流层延时都得到强烈的修正。因此可以通过差分全球定位方法把它们抵消绝大部分。目前为止，所有的DGNSS系统都是使用专用参考站和主要专用网络，独立于任何移动网络运行。另一个可以提高定位精度的系统就是广域增强系统WAAS (US 6，647，340 BI)。它是由美国联邦航空管理局建立并且维护的，用来改进航班的安全性。这个系统的组成包括数十个地面参考站，用于测量GPS卫星伪距和载波相位；一些地面上行站，向两颗地球同步卫星发送和接收信息；三个主站用于计算GPS卫星轨道和时钟误差，还有不同地域的电离层和对流层延时。通过一个专用的网络，把参考站，主站和卫星上行站连接起来。一个兼容WAAS的全球定位接收机除了从WAAS同步卫星上接收卫星轨道和时钟修正外，还包括电离层延时，来获得提高的定位精度。欧洲和日本都有类似的系统。GNSS的高精度定位可以通过实时动态方法(RTK)实现(US 7，148，843 B2)。RTK从载波相位测量中的整周数模糊解算获得厘米级的精度。和DGNSS类似，RTK系统组成包括一个或多个位于测量点的参考站，这些参考站上的全球定位接收机同时测量伪距和载波相位；多个高精度移动终端，它们能够测量包括伪距和载波相位；和贯通参考站和移动终端的有线或无线网络，用于交换相互信息来为移动终端获得准确定位。网络RTK (NRTK)通过网络和一个或多个RTK服务器把复数参考站连接起来，以覆盖巨大区域。(US 6，507，738B1)NRTK系统利用各分散参考站的测量结果来计算电离层延时，卫星轨道，卫星时钟偏移和对流层延时的修正。再者，所有RTK系统都是使用专用参考站和主要的专用网络。系统的建造和维护费用高昂。在 K. Alanen, L. ffirola, J. Appl and J, Arinne, MobileRTK, using low-cost GNSS and Internet-enabled wireless phones, Inside GNSS pp.32-39，May 2006中，提出了一种移动RTK。它使用具备GNSS接收机的手机作为移动终端以及参考站。虽然相对于其它电话它可以提供精确定位，但是它没有能力提供大多数用户想要的绝对位置。最近王峰为移动手机网络的全球定位提出了新的WAAS和RTK系统(美国临时专利申请“嵌入蜂窝网络内的全球导航卫星系统的广域增强系统”。它利用已安装在许多个基站上实现网络同步的全球定位接收机(美国专利申请，Pub. No. US 2010/0156710Al)，和在移动网络中内置的有线和无线广播来为手机用户提供一种低成本的WAAS和RTK服务。它通过在基站电脑增加一个数据采集模块于基站电脑，在移动终端上添加客户端并在网络上添加服务器，来实现WAAS和RTK服务。

发明内容
本发明是向诸如GSM，CDMA，CDMA2000, UMTS, WCDMA, TD-SCDMA 和 LTE 网络等移动网络的移动用户提供DGNSS，WAAS和NRTK服务的系统。本发明的系统利用位于很多基站中 的内置GNSS接收机，基站控制器和位于选定的广播网络控制器，还有移动网络提供的有线和无线通信资源进行同步。本发明为DGNSS，WAAS和NRTK定位服务提供了一种机制，并运行在基于移动基站(MS)和基站辅助两种模式，且不向现有的移动网络添加任何硬件。该系统只需要在移动网络中安装三个软件模块，提供覆盖不同移动网络的基于位置服务(LBS)，包括通过移动终端本地请求(MT-LR)，移动初始位置请求(MO-LR)和网络发起位置请求(NI-LR)。本发明把系统功能分为三个软件模块并为每个模块定义了功能和输入/输出功倉泛。本发明的技术方案为
一种嵌入在蜂窝网络系统的DGNSS及NRTK系统，包括接收机、第一参考站、第二参考站、基站控制器、广播网络控制器、定位服务器、数据采集模块、客户端模块、服务器模块、具有通信模块的移动终端、高精度移动终端；接收机安装在第一参考站上，第一参考站与基站控制器通信连接，第二参考站与广播网络控制器通信连接；数据采集模块安装在第一参考站中的计算机上；客户端模块分别安装在具有通信模块的移动终端、高精度移动终端上；服务器模块安装在定位服务器上；数据采集模块分别与客户端模块、服务器模块通信连接；O所述的数据采集模块、客户端模块和服务器模块之间的通信连接采用TCP/IP协议。所述数据采集模块采集的数据为环形缓冲区的测量数据，其数据包括伪距，多普勒频移和载波相位。所述数据采集模块采用差分全球导航定位系统定位具有通信模块的移动终端；数据采集模块采用实时动态技术定位高精度移动终端。所述服务器模块用于计算修正卫星轨道，卫星时钟偏移，时钟频率漂移，电离层时延和对流层时延。
所述服务器模块分别向所述数据采集模块、客户端模块提供卫星轨道，卫星时钟偏差，时钟频率漂移，电离层时延和对流层时延的修正信号。于所述服务器模块分别将第一参考站去定位请求及高精度移动终端中的客户端模块定位请求发送给数据采集模块。所述服务器模块用于将服务范围地域分成若干单元，并把一个第一参考站里的数据采集模块和一个单元联合；持续跟踪高精度移动终端的位置，当高精度移动终端跨过卫星轨道，卫星时钟偏差，时钟频率漂移，电离层时延和对流层时延预定义边界或当一段设定的时间过去后，发布新的修正。 所述客户端模块发送差分全球导航定位系统请求至服务器模块；并向数据采集模块提供伪距；并接收数据采集模块修正过时钟的伪距；客户端模块采用差分全球导航定位系统定位高精度移动终端。所述客户端模块发送解算过的高精度移动终端位置的请求至所述服务器模块或发送实时动态服务请求至服务器模块，从而服务器模块发送伪距和载波相位至客户端模块；
客户端模块采用实时动态方法定位高精度移动终端；
客户端模块接收来自第一参考站的接收机位置。


图I为本发明一个简化的蜂窝网络拓扑示意图。图2为在一个蜂窝网络中的DGNSS架构示意图。图3为在基于MB操作中使用DGNSS时移动终端位置请求(MT-LR)的呼叫流向示意图。图4为在辅助MB操作中使用DGNSS时移动终端位置请求(MT-LR)的呼叫流向示意图。图5为在移动网络中DGNSS服务的网络初始位置请求(NI-LR)。图6为没有GNSS参考站移动终端的移动原始位置请求(MO-LR)呼叫流向示意图。图7为在基于MB操作中使用RTK的网络初始位置请求(NI-LR)呼叫流向示意图。图8为在基于MB操作里使用RTK时移动原始位置请求(MO-LR)的呼叫流向示意图。
具体实施例方式图中各标号的具体意义为
I——接收机；2——第一参考站；3——第二参考站；4——基站控制器(BSC) ；5——广播网络控制器(RNC) ；6—定位服务器；7—数据采集模块；8—客户端模块；9—服务器模块；10——具有通信模块的移动终端；11——高精度移动终端；12——GNSS卫星；13—定位请求移动终端；14—定位请求服务器；15—网关服务器。附图内容的具体描述
在现代的移动网络中，根据同步需要，可以广泛部署GNSS接收机I。TD-SCDMA, WCDMA(TDD mode)，CDMA2000和LTE需要十分严格的同步并且GNSS同步是一个很普遍的选择。因此，虽然不是所有的基站都配备GNSS接收机1，但覆盖大部分地区的移动网络在IOkm范围内固定位置有安装GNSS接收机I。他们在DGNSS和NRTK系统中作为第一参考站2使用。图I是一个简化的蜂窝网络拓扑。3G和4G网络在第一参考站2、第二参考站3、基站控制器4和广播网络控制器5之间需要严格的同步。大多数的选择是，通过以太网标准，使用GNSS和IEEE 15588V2包。在这两种情况下，GNSS接收机I需要建立在第一参考站2或邻近基站控制器4和广播网络控制器5之上。由于第二参考站3没有配备GNSS接收机1，同步是通过来自IEEE 1588 V2主时钟实现，它通过以太网给位于第二参考站3的从属IEEE V2贡献时间信号。本发明系统分为三个模块，包括利用位于第一参考站2的GNSS接收机I和/或基站控制器4，为移动用户提供DGNSS和NRTK服务的广播网络控制器5。通过三个模块，他们不需要向主机移动网络和功能添加任何硬件1 =GNSS数据采集模块(DASM) 7,2 :运行在DGNSS-NRTK定位服务器6、DGNSS-NRTK服务器模块(SSM) 9，3 DGNSS-NRTK客户端模块(CSM)8 ;运行在具有通信模块的移动终端10。GNSS DASM 7是安放在计算机里靠近固定的GNSS接收机I。如果第一参考站2配备了 GNSS接收机I，这个模块就在参考站的电脑上运行。如果GNSS接收机I是安装在他们附近的话，模块是安装在BSC或者RNC的电脑里。因此，固定GNSS接收机I分布在一个广阔的地区。对GNSS来说，他们称为参考站。他们的测量数据通过数据采集模块7和服务器模块9可以在移动网络中传输。经过处理后，修正数据可以发送到高精度移动终端11的客户端模块8里，来提供DGNSS和NRTK服务。I. DGNSS 服务
通过利用来自一个或多个临近第一参考站的修正，差分GNSS可以大大提高定位精度。一个第一参考站可以是一个放在已知测量点的GNSS接收机1，它进行测量和向它的移动用户广播伪距和选择性的载波相位。DGNSS服务获得他们精度的提高的事实基础，是由于独立接收机I的大部分误差是来自电离层时延，卫星轨道和时钟偏移误差还有对流层延时。由于第一参考站2是临近于移动用户，他们的误差绝大部分是常见的类型并且可以消除。第一参考站2上GNSS接收机I的伪距测量的方程式可以表示如下
P r = rI + c (βΚ - Si2) + Ir + Tr + ε其中 p;，= X 1 — X r、2 + (j ! — jr)2 + (z! — zr)2 分别表示测量的伪距和第一参考站r和GNSS卫星i之间的几何距离，JfJ1 , P是GNSS卫星i的三位坐标，Xr , 5 Zr是第一参考站r的三维坐标，c是真空中的光速，Str是第一参考站
2上GNSS接收机I的时钟偏移，Sti是GNSS卫星i的时钟偏移，//,7/.分别是GNSS卫
星i到第一参考站的电离层时延和对流层时延￡是测量噪声。由于第一参考站的三维坐标已知，测量的伪距和几何距离的区别在于误差修正
jU ^jQP r + C r — Ci f — Tr . ~ JT ^
这个修正是从每颗GNSS卫星的发送到需要的移动用户之间的伪距。请注意，首先计算第一参考站上的时钟偏移，其值已被应用到在把他们送到移动用户之前的伪距校正。移动、用户U还测量与卫GNSS星相同伪距的。其测量的表达式与在第一参考站上算到的是相同的
P u = rJ + c) + Ja + Tu + εpJu
把用户U的修正伪距看作测量的伪距加上修正值
P l,cmr =Pl + P I,= K + C Siu + IuJ + Tu，r2 + ε βΜτ
其中li是GNSS卫星i和用户U的几何距离，Stli是用户的时钟偏移，In/,TnJ
是用户U和第一参考站r之间的GNSS接收机的电离层延迟和对流层延迟的差值。由于第一参考站r和移动用户u之间的距离(全球导航卫星系统的行话称为基线)小(一般小于10公里)，电离层延迟和对流层延迟非常接近。省略电离层和对流层延迟的差异，移动用户u的测量方程
P 猶=ru + c 3tu + 芯“
当超过4颗GNSS卫星是可见的，则可以解决上述公式中的4个未知数三维用户的位置和它的时钟偏移。请注意，当应用差分改正时，并不需要在上面的方程来计算电离层和对流层延迟。在上述公式中，还没有明确检查卫星轨道误差。因为基线距离与全球导航卫星系统的卫星与用户之间的距离相比较小得多的，DGNSS几乎完全消除了这个错误。(参见Understanding GNSS, Principles and Application, 2nd edition. Elliott D. Kaplanand Christopher J. Hegarty, Artech House, ISBN 1-58053-894-0 第 8 章)。在这种方式DGNSS几乎完全消除了所有主要的电离层延迟误差，卫星轨道误差，卫星时间偏移误差和对流层延迟误差，并获得更高的精度。上面的算法实现在客户端模块的移动终端(基于移动台的操作)和数据采集模块(移动台辅助操作)。由于校正信号取决于地点和时间，移动终端可以从一个地方移动到另一个地方，或长时间连续使用服务。当本系统检测从一个基站到下一个的切换时，会为用户重新测试最接近的全球导航卫星系统设备基站(参考站)，同时从参考站路由修正的数据。它还定期在一个预先确定的时间间隔发送校正，从而得以确保精度。图2是DGNSS服务在移动网络的最简单的形式，利用内置的第一参考站2上的GNSS接收机I。具有通信模块的移动终端10打开地图上找到他/她的位置，发送请求给定位服务器8。然后定位服务器8将请求发送到第一参考站2去提供采集辅助(快速锁定卫星信号)和从第一参考站2上的GNSS接收机I获得的差分修正。然后具有通信模块的移动终端10利用自身的测量以及从第一参考站2的差分改正解算它的位置。当位置通过具有通信模块的移动终端10计算，该方法被称为基于移动站(基于MS)。图2所示为基于移动站(基于MS)操作的移动起源的位置请求(MO-LR)的呼叫流程。虽然基于MS的操作在导航应用上更高效，但另一个操作称为移动结束的位置请求(MT-LR)对于很多用户也是很重要的。正如图3所示，MT-LR是经常被任意的第三方应用程序发起，如家长想要知道自己的孩子在哪里，他们就有一个GNSS接收机I和通信模块。这项服务在图3的呼叫流程中实现。定位请求高精度移动终端11发送位置请求给定位服务器8。然后服务器在最近的参考站中搜寻该请求给具有通信模块的移动终端10。然后参考站发送辅助数据(可选)和DGNSS校正给具有通信模块的移动终端10。具有通信模块的移动终端10结合自身的全球导航卫星系统的测量和参考站的数据，解算它的位置后，发送最终位置给定位请求高精度移动终端11。有时需要计算在定位服务器或参考站的计算机上的数据采集模块的位置，从移动终端使用全球导航卫星系统测量。这为弱的CPU等的低成本设备提供了服务。这是特别有效的MT-LR和NI-LR的服务。它的实施是在呼叫流程如图4所示。定位请求高精度移动终端11或网络服务器通过发送请求给定位服务器8来初始化位置请求。服务器搜寻请求给最接近具有通信模块的移动终端10的GNSS第一参考站2。第一参考站2上的数据采集模块发送请求，并选择性地采集数据到具有通信模块的移动终端10。然后具有通信模块的移动终端10获得了它的全球导航卫星系统测量(伪距)，将数据发送给第一参考站2的计算机。结合其测量，第一参考站2上的数据采集模块使用DGNSS方法计算具有通信模块的移动终 端10的位置，并把它发送到定位请求高精度移动终端11。请注意，不像A-GNSS的实施，采集和其他辅助数据是源于A-GNSS位置服务器，位置服务器只发送位置请求给辅助数据和差分数据都已生成的第一参考站2。通常情况下，第一参考站2是非常接近具有通信模块的移动终端10，所以数据只在第一参考站2和具有通信模块的移动终端10之间传播，减少移动网络的数据流量。移动网络中的一个位置基础服务的第三次操作就是网络发起位置请求(NI-LR)。它主要用于E911服务，其中美国和欧盟的法律规定，网络运营商提供定位给应急移动呼叫者。其呼叫流程与MT-LR的操作非常相似，除了当检测到紧急呼叫时，初始请求来源于网络服务器。图5显示了 DGNSS服务中的NI-LR呼叫流程。定位请求服务器12发送位置请求给定位服务器8，定位服务器8反过来搜寻请求给带有最接近具有通信模块的移动终端10的GNSS接收机I的第一参考站2。第一参考站2发送辅助数据和DGNSS数据(伪距修正)给具有通信模块的移动终端10。然后计算它的位置，并将结果返回给定位请求服务器12。在混杂的网络覆盖环境下，多个不同标准的网络重叠在同一地区。一些网络第一参考站2装备有GNSS接收机1，而剩下的在他们的第二参考值3没有GNSS接收机I。本发明的架构提供了一个解决方案，通过跨越多个网络连接基于位置的请求给DGNSS-RTK服务器去分享GNSS接收机I资源。通过网络之间的网关服务器15，一个网络的具有通信模块的移动终端10不需要在第二参考站3上装备有GNSS接收机1，但可以访问另一个网络的基于位置的服务，其中另一个网络在接近请求具有通信模块的移动终端10的第一参考站2上配备有GNSS接收机I。图6显示了这些操作的呼叫作流程。2、网络化实时动态服务
除了在上一节中讲述到的DGNSS服务，我们的架构还提供网络化实时动态(NRTK)服务给高精度的移动用户。RTK技术方法运用高度精确的载波相位测量和整数模糊度解决算法来实现厘米级精度。对于LI GNSS接收机的伪距和载波相位测量方程可以表示为
fij = ri + cimj — sti) + 1Ii + tI + i,j
Φ) = - I] + ]/ + /11 j - )+ ^ ]■ + εφ,2,}
权利要求
1.一种嵌入在蜂窝网络系统的DGNSS及NRTK系统，其特征在于包括接收机(I )、第一参考站(2)、第二参考站(3)、基站控制器(4)、广播网络控制器(5)、定位服务器(6)、数据采集模块(7)、客户端模块(8)、服务器模块(9)、具有通信模块的移动终端(10)、高精度移动终端(11);接收机(I)安装在第一参考站(2 )上，第一参考站(2 )与基站控制器(4 )通信连接，第二参考站(3 )与广播网络控制器(5 )通信连接；数据采集模块(7 )安装在第一参考站(2)中的计算机上；客户端模块(8)分别安装在具有通信模块的移动终端(10)、高精度移动终端(11)上；服务器模块(9)安装在定位服务器(6)上；数据采集模块(7)分别与客户端模块(8 )、服务器模块(9 )通信连接。
2.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述的数据采集模块(7)、客户端模块(8)和服务器模块(9)之间的通信连接采用TCP/IP协议。
3.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述数据采集模块(7)采集的数据为环形缓冲区的测量数据，其数据包括伪距，多普勒频移和载波相位。
4.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述数据采集模块(7)采用差分全球导航定位系统定位高精度移动终端(11);数据采集模块(7)采用实时动态技术定位高精度移动终端(11)。
5.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述服务器模块(9)用于计算修正卫星轨道，卫星时钟偏移，时钟频率漂移，电离层时延和对流层时延。
6.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述服务器模块(9)分别向所述数据采集模块(7)、客户端模块(8)提供卫星轨道，卫星时钟偏差，时钟频率漂移，电离层时延和对流层时延的修正信号。
7.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述服务器模块(9)分别将第一参考站(2)去定位请求及高精度移动终端(11)中的客户端模块(8 )定位请求发送给数据采集模块(7 )。
8.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述服务器模块(9)用于将服务范围地域分成若干单元，并把一个第一参考站(2)里的数据采集模块(7)和一个单元联合；持续跟踪高精度移动终端(11)的位置，当高精度移动终端(11)跨过卫星轨道，卫星时钟偏差，时钟频率漂移，电离层时延和对流层时延预定义边界或当一段设定的时间过去后，发布新的修正。
9.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述客户端模块(8)发送差分全球导航定位系统请求至服务器模块(9);并向数据采集模块(7)提供伪距；并接收数据采集模块(7)修正过时钟的伪距；客户端模块(8)采用差分全球导航定位系统定位高精度移动终端(11)。
10.根据权利要求I所述系统，其特征在于所述客户端模块(8)发送解算过的高精度移动终端(11)位置的请求至所述服务器模块(9)或发送实时动态服务请求至服务器模块(9)，从而服务器模块(9)发送伪距和载波相位至客户端模块(8)； 客户端模块(8)采用实时动态方法定位高精度移动终端(11)； 客户端模块(8)接收来自第一参考站(2)的接收机(I)位置。
全文摘要
本发明提供一种嵌入在蜂窝网络系统的DGNSS及NRTK系统。通过使用用户平面方法，在移动网络中使用网络实时动态技术(NRTK)，他们也为高精度定位提供数据服务。利用移动网络(GSM，CDMA，WCDMA，CDMA2000，UMTS，TD-SCDMA和LTE)的内置硬件资源(包括GNSS接收机和宽带通信网络)，本发明的架构是以TCP/IP格式实现DGNSS，WAAS和NRTK服务而并不增加主机移动网络硬件。
文档编号G01S19/07GK102761961SQ201210063138
公开日2012年10月31日 申请日期2012年3月12日 优先权日2011年3月12日
发明者王峰 申请人:广东工业大学