GNSS區(qū)域增強(qiáng)差分信息處理分發(fā)模塊申報材料.doc

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無黎明哲男120022011513086733170桂林電子科技大學(xué)黃宏章男120023021215676246315桂林電子科技大學(xué)劉海龍男120022011913086739267桂林電子科技大學(xué)覃鴻銘男130022022815507733489桂林電子科技大學(xué)宋文亮男130023022615295892205桂林電子科技大學(xué)說明：1、必須有申報者本人按要求填寫，申報者情況欄內(nèi)必須填寫個人作品的第一作者（承擔(dān)申報作品60%以上的工作者）或集體作品填寫一文學(xué)歷最高的代表。2、本部分中的各學(xué)院簽章視為對申報者情況的確認(rèn)。B、科技發(fā)明制作 申報作品情況作品全稱GNSS區(qū)域增強(qiáng)差分信息收發(fā)處理模塊作品分類（在選項上畫）RA. 信息技術(shù)(包括計算機(jī).電信.通信.電子等)B. 機(jī)械與控制(包括機(jī)械、儀器儀表、自動化控制、工程、交通、建筑等)C.數(shù)理(包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等)D生命科學(xué)(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生態(tài)、環(huán)保等)F.外觀設(shè)計(包括電腦藝術(shù)設(shè)計、機(jī)械CAD等)作品設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)作品目的: GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）已經(jīng)成為各個領(lǐng)域的基本導(dǎo)航定位方式。同時, 我國北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）作為國家空間安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，已正式面向中國和周邊地區(qū)位置服務(wù)，其對我國經(jīng)濟(jì)、科技和社會發(fā)展必將產(chǎn)生巨大深遠(yuǎn)的影響。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用也必將推進(jìn)GNSS的大發(fā)展。然而，在使用GNSS進(jìn)行導(dǎo)航定位的應(yīng)用中，因為各種因素的影響，其精度很難達(dá)到我們的需要要求。而差分定位能消除很大一部分誤差的影響，能顯著提高定位精度，所以其在高精度的定位中扮演了十分重要的角色?；贕NSS的高精度測量在高精度測繪、大氣科學(xué)與地球科學(xué)等基礎(chǔ)研究中發(fā)揮著重要作用。港口船舶進(jìn)港，飛機(jī)降落，工業(yè)制造，礦產(chǎn)勘測，橋梁建筑等行業(yè)對高精度定位都有著很強(qiáng)的需求。我國目前在電力、民航，甚至部分軍事領(lǐng)域?qū)NSS系統(tǒng)都有著很強(qiáng)的依賴性。因此，DGNSS系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于上述行業(yè)。特別在港口航道測量、航道疏浚、船舶進(jìn)出港及狹窄水道導(dǎo)航定位、海上交通安全管理、海洋資源調(diào)查、海上救助捕撈等行業(yè)，DGNSS將會扮演舉足輕重的角色。本作品將致力于提高GNSS的定位精度，使其能達(dá)到廣泛應(yīng)用于各種實時的高精度定位的場景中?；舅悸?采用單基站的偽距差分模式,在這種模式下,基準(zhǔn)站起到十分重要的作用。DGNSS的結(jié)構(gòu)如下圖1所示圖1 DGNSS構(gòu)成DGNSS基準(zhǔn)站的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示圖2 DGNSS參考站結(jié)構(gòu)圖由圖1圖2可看出，基準(zhǔn)站的主要作用是觀測GNSS衛(wèi)星，通過GNSS衛(wèi)星提供的測距碼和信噪比等信息計算偽距改正數(shù)及其變化率等各種信息，將其編碼產(chǎn)生差分信號，然后通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給DGNSS接收機(jī)。DGNSS接收機(jī)接收到差分信號后將其解碼，然后代入定位方程中進(jìn)行差分改正，消除或減弱偽距誤差，從而提高定位精度。DGNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3 DGNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點:1)普通的接收機(jī)中加入了差分定位，極大的增強(qiáng)了接收機(jī)的定位精度，滿足絕大多數(shù)高精度定位的需要;2)采用UHF數(shù)據(jù)鏈，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和有效性,克服通信盲區(qū);3)采用靈活可擴(kuò)展的模塊化結(jié)構(gòu)，按應(yīng)用場景要求，有利于適應(yīng)各種差分定位環(huán)境要求;4)采用偽距差分定位方式,使實時定位精度達(dá)到理論的精度0.5米左右。技術(shù)關(guān)鍵: 1)誤差建模問題。本課題充分考慮GNSS衛(wèi)星信號在傳輸過程中的各種誤差影響，因此在消除誤差的建模問題將是本項目的關(guān)鍵。這些誤差模型將會直接影響定位的精度。2) 差分接收模塊的問題，為了提高定位的延續(xù)及可靠性，本課題在定位解算時將采用混合定位方式。在接收到差分信號的情況下將采用差分定位，而當(dāng)接收不到差分信號時，接收模塊將使用傳統(tǒng)的單點定位方式，這兩者的選擇問題也是本課題的關(guān)鍵技術(shù)。3)惡劣環(huán)境條件下的終端設(shè)備的可靠性問題。極端的高/低溫度、電壓的波動和沖擊和強(qiáng)烈的電磁干擾等因素會嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性。同時，還有設(shè)備的低功耗和結(jié)構(gòu)緊湊等問題。解決這個問題可以引入EMC設(shè)計，提高抗干擾能力，盡量采用低功耗的器件和模塊。主要技術(shù)指標(biāo):1)偽距差分定位精度不低于0.5m;2)支持VHF/UHF通信，可擴(kuò)展2G/3G移動通信方式和衛(wèi)星通信等信息。3)靈活實現(xiàn)差分定位和單點定位。作品的科學(xué)性先進(jìn)性(必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比.該作品是否有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進(jìn)步。請?zhí)峁┘夹g(shù)性說明和參考文獻(xiàn)資料)1單基站偽距差分技術(shù)，提高定位精度單站DGNSS特別適合于小范圍內(nèi)的差分定位工作，在一些需要進(jìn)行高精度的工程測量項目中得到了廣泛的應(yīng)用。和廣域差分系統(tǒng)相比，廣域差分系統(tǒng)由于監(jiān)測站有限，距離檢測站遠(yuǎn)的位置，差分定位精度會下降，同時廣域差分系統(tǒng)服務(wù)的范圍廣，因此很多地方定位精度就得不到保障。所以單基站的偽距局域差分技術(shù)在某一區(qū)域相對于廣域差分技術(shù)就有更好的精度和穩(wěn)定性。2 UHF廣播差分信號，覆蓋范圍廣 利用UHF中長波進(jìn)行廣播差分信號，覆蓋范圍能達(dá)到300km，提供足夠大的信號覆蓋范圍，使用戶能同時收到多個基站的差分信號，差分電文采用MSK調(diào)制，MSK信號占用帶寬窄，信號的抗干擾性能要優(yōu)于2PSK和2FSK。3 算法優(yōu)越，接收機(jī)兼容性好基準(zhǔn)站在編碼差分電文過程中考慮了衛(wèi)星鐘差，電離層，對流層傳播時延，星上設(shè)備時延，衛(wèi)星周跳，星歷誤差，差分電文傳播延遲造成的誤差等。設(shè)計算法減弱了周跳的影響，并且采用且比雪膚擬合了衛(wèi)星軌道，有效的消弱了星歷誤差對衛(wèi)星軌道的影響。相比一般的基準(zhǔn)站，考慮了更多的誤差，得到更高的精度。對北斗衛(wèi)星差分改正數(shù)的類型、信號的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、格式及各站的標(biāo)識符等做了統(tǒng)一規(guī)定，遵循國際RTCMSC-104標(biāo)準(zhǔn)，可以兼容GPS和GLONASS。作品所處階段RA實驗階段 B 中試階段 C 生產(chǎn)階段 D_(自填) 作品所展示的形式R 實物 產(chǎn)品 模型圖紙 磁盤現(xiàn)場 演示圖片 樣品 錄像 使用說明及該作品的技術(shù)特點和優(yōu)勢,提供該產(chǎn)品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測1、市場及經(jīng)濟(jì)效益分析 1）本項目開發(fā)符合國家產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展方向，貼合市場需求導(dǎo)向。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)在2020年將達(dá)到4000億元的規(guī)模。 2）國內(nèi)對導(dǎo)航定位產(chǎn)品的需求十分盛旺，市場需求及容量居世界第一，市場十分龐大。 3）從經(jīng)濟(jì)角度分析，本課題產(chǎn)品基于北斗導(dǎo)航技術(shù)，年產(chǎn)量2000臺套，單價按較低的3000元計，年新增銷售值可達(dá)600萬元左右。稅利余額可達(dá)到100萬元左右。結(jié)合我國存在每年上百億元人民幣的市場空間，進(jìn)一步拓展的前景良好。 4）按年產(chǎn)2000臺套的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模預(yù)計，投入約需100萬元，產(chǎn)出為600萬元，投入產(chǎn)出比可達(dá)0.167；亦即每投入5元產(chǎn)出可達(dá)30元； 5）預(yù)計構(gòu)建形成年產(chǎn)2000臺套的生產(chǎn)能力，前期一次性基礎(chǔ)建設(shè)和裝備投入只需200萬元以下。該投入基本上通過一年時間的產(chǎn)品生產(chǎn)銷售即可收回。2、社會效益分析 1）本項目涉及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗導(dǎo)航技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，這一領(lǐng)域均符合國家產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展方向，貼合市場需求導(dǎo)向。尤其是我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的組網(wǎng)逐步完善，對基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航授時、定位產(chǎn)品的開發(fā)與需求更是國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。 2）本項目的應(yīng)用在推廣普及基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航應(yīng)用方面可起到良好作用，可促進(jìn)國家自主知識產(chǎn)品的發(fā)展，提高創(chuàng)新型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，產(chǎn)品可替代進(jìn)口，具有節(jié)能、減排，提高效率的社會和環(huán)境效益顯著。 3）本項目的成果對高精度的北斗應(yīng)用起到促進(jìn)的作用，例如在港口應(yīng)用方面,可以提高輪船的定位精度,保證輪船的航行安全。 4）國內(nèi)在導(dǎo)航定位產(chǎn)品存在每年上百億元人民幣的市場空間，市場發(fā)展空間大，對于發(fā)展廣西的北斗導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)具有巨大的推動力。 專利申報情況 提出專利申報申報號_ 申報日期： 年 月 日 已獲專利權(quán)批準(zhǔn)批準(zhǔn)號_批準(zhǔn)日期： 年 月 日 未提出專利申請說明: 1、必須由申報者本人填寫；2、本表可以附有研究報告,并提供圖表、曲線、實驗數(shù)據(jù)、原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖(照片),也可以附鑒定證書和應(yīng)用證書；3、作品分類請按照作品發(fā)明或創(chuàng)新點所在類別填表。2015年桂林電子科技大學(xué)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)重點項目立項作品說明書目錄第1章 概述3 1.1研究背景3 1.2應(yīng)用現(xiàn)狀4 1.3研究意義41.4主要研究內(nèi)容61.5研究前景61.6研究目的7第2章 方案敘述72.1總體目標(biāo)72.2設(shè)計思路82.3技術(shù)方案82.4擬解決的關(guān)鍵技術(shù)10 2.5惡劣環(huán)境條件下的終端設(shè)備的可靠性問題112.6創(chuàng)新點及主要特色11第3章 北斗差分系統(tǒng)初步設(shè)計133.1設(shè)計方案133.2 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)播發(fā)143.3 用戶差分改正183.4串口讀取183.5 差分信息解碼193.6 沒有差分的單點定位213.7偽距差分改正21第4章 測試及誤差分析22 4.1編碼實例23 4.2解碼實例24 4.3地圖顯示26第5章 總結(jié)與展望28第1章 概述1.1研究背景 我國北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）作為國家空間安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，已正式面向中國和周邊地區(qū)位置服務(wù)，其對我國經(jīng)濟(jì)、科技和社會發(fā)展必將產(chǎn)生巨大深遠(yuǎn)的影響。如何利用 BDS為人們生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步服務(wù)是我國信息技術(shù)革新的重大科技攻關(guān)任務(wù)。基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度測量在高精度測繪、大氣科學(xué)與地球科學(xué)等基礎(chǔ)研究中發(fā)揮著重要作用。港口船舶進(jìn)港，飛機(jī)降落，工業(yè)制造，礦產(chǎn)勘測，橋梁建筑等行業(yè)對高精度定位都有著很強(qiáng)的需求。我國目前在電力、民航，甚至部分軍事領(lǐng)域?qū)PS系統(tǒng)都有著很強(qiáng)的依賴性。作為我國新一代自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的建成將為改變我國對GPS依賴的局面提供可能。為市場彌補(bǔ)北斗高精度定位的空缺，推進(jìn)我國北斗系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。差分定位能夠有效的提高定位精度，滿足高精度定位的需要。未差分的單點定位之所以定位精度不高是因為存在著三種誤差，一部分是對每一個用戶接收機(jī)所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差，星歷誤差，電離層誤差，對流層誤差，地球自轉(zhuǎn)引起的誤差，潮汐運(yùn)動等誤差，第二部分是不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差，第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲，通道延遲，多徑效應(yīng)等。差分技術(shù)能夠極大的減弱甚至消除公共部分的誤差，因此能夠提高定位精度。差分的原理是在待測地點附近設(shè)幾個已知精確坐標(biāo)的基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站能夠計算得到有效范圍內(nèi)的用戶和衛(wèi)星之間的公共誤差，同時將其播發(fā)出去，用戶接收機(jī)接收附近基準(zhǔn)站播發(fā)的公共誤差對自己進(jìn)行修正，得到精確的實際坐標(biāo)?；鶞?zhǔn)站越近，收到的基準(zhǔn)站信號越多，用戶接收機(jī)得到的坐標(biāo)越精確。北斗/GNSS地基增強(qiáng)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于地圖測繪、資源勘查、航空導(dǎo)航、車聯(lián)網(wǎng)、港口航道測量、航道疏浚、船舶進(jìn)出港及狹窄水道導(dǎo)航定位、海上交通安全管理、海洋資源調(diào)查、海上救助捕撈等行業(yè)等。差分定位的應(yīng)用只受限于人們的想象。北斗差分定位在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景1.2應(yīng)用現(xiàn)狀目前我國高精度定位市場已被GPS壟斷，單一使用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位的安全性問題已經(jīng)成為我國國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重隱患之一。發(fā)展北斗差分定位技術(shù)是打破國外GPS增強(qiáng)領(lǐng)域壟斷，贏取市場，也是擴(kuò)大北斗系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的必經(jīng)之路。隨著我國北斗戰(zhàn)略的實施，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，普通的單點定位精度已經(jīng)達(dá)到10m ,能夠滿足一般用戶的需求，但在高精度定位方面，北斗差分定位還剛剛起步，目前仍然主要依靠GPS的差分系統(tǒng)，無論在軍用還民用行業(yè)對我國國家安全都造成了不小的威脅。2020年之前，我國北斗系統(tǒng)將覆蓋全球，屆時高精度定位的市場將更加廣闊，市場前景不可估量，研究北斗/GNSS差分定位技術(shù)可以促進(jìn)作為國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)北斗差分定位的發(fā)展，符合國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)規(guī)劃要求。1.3研究意義 發(fā)展北斗差分定位技術(shù)將彌補(bǔ)我國高精度定位的技術(shù)空缺，打破GPS的市場壟斷，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)利益。高精度定位應(yīng)用于河道航運(yùn)、海洋航運(yùn)、道路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸、等運(yùn)輸領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于航海救援、樹林防火監(jiān)測、野外求生定位、自然災(zāi)害的救援活動等監(jiān)測救援領(lǐng)域。在 2008 年的四川汶川地震抗震救災(zāi)援助中，我國的“北斗一代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在援助救災(zāi)過程中，發(fā)揮了舉足輕重的作用，為救災(zāi)部隊指揮部提供了關(guān)鍵的實時地理信息支援。盡管我國的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”具有優(yōu)越的特性，可是我國目前導(dǎo)航終端市場上的定位導(dǎo)航終端 94%都是使用 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，使用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)的終端所占市場份額不到 5的比例。導(dǎo)航定位技術(shù)的獨立自主性關(guān)乎一個國家的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及軍事建設(shè)。如果我國使用單一 GPS定位系統(tǒng)，定位導(dǎo)航技術(shù)則會全面依賴外國提供服務(wù)，這是具有巨大的不可估計的潛在危機(jī)的，特別是在我國的軍事通訊以及定位導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用。這種嚴(yán)重依賴國外導(dǎo)航的狀況，一方面受制于人，另一方面可能威脅到國家和社會的安全，存在極大不確定性。本項目做出的北斗/GNSS差分接收機(jī)能夠兼容GPS接收機(jī)，在精度上，通過北斗與 GPS 組合獲得的定位精度比采用單北斗系統(tǒng)略優(yōu)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在可用性得到較大幅度提升，提升性能約 20.6%。在現(xiàn)有大多數(shù)用戶都配備GPS設(shè)備的情況下，研制出一款兼容GPS的北斗接收機(jī)，既能減少用戶更新設(shè)備的成本，更能進(jìn)一步提高定位精度。北部灣做為我國西南出海大通道和中國-東盟自由貿(mào)易區(qū)橋頭堡，隨著國務(wù)院2008年1月4日批準(zhǔn)實施的廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃(2006-2020),北部灣開始了熱火朝天的開發(fā)場面，特別是廣西北部灣國際港務(wù)集團(tuán)所轄的北海，欽州 ，防城港3大港口，中國石油廣西石化1000萬噸/年煉油工程，防城港武鋼千萬噸鋼鐵項目等重大項目的開工建設(shè)，海洋測繪在這過程中扮演著重要的角色。北斗/GNSS地基增強(qiáng)系統(tǒng)能為海洋測繪提供高精度的定位服務(wù)，確保測繪的準(zhǔn)確度，同時海洋航運(yùn)，船舶進(jìn)港，航洋搜救，海洋資源勘測等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用。1.4主要研究內(nèi)容本項目研制的岸基增強(qiáng)系統(tǒng)包括三個內(nèi)容：一是北斗/GNSS岸基增強(qiáng)信息服務(wù)平臺，二是數(shù)據(jù)鏈路模塊，三是北斗/GNSS差分接收終端。北斗/GNSS岸基增強(qiáng)信息服務(wù)平臺包括差分改正信息生成和差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)。在對基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，通過載波平滑偽距等一系列技術(shù)，進(jìn)行衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及相對論誤差等的改正，從而產(chǎn)生差分改正信息，同時對差分改正信息進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RTCM編碼；數(shù)據(jù)鏈路模塊把RTCM電文進(jìn)行MSK調(diào)制，通過VHF/UHF頻段的無線鏈路把經(jīng)調(diào)制過的電文播發(fā)出去，供周邊的差分用戶使用。北斗/GNSS差分接收終端接收衛(wèi)星信號和RTCM電文，在定位解算時，引入解調(diào)和解碼后的RTCM電文，修正偽距，消除電離層和對流層誤差，提高定位的精度。1.5研究前景 在“十二五”規(guī)劃中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，相關(guān)部門針對行業(yè)應(yīng)用發(fā)展也制定了衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的具體推進(jìn)措施和目標(biāo)。包括交通運(yùn)輸部和農(nóng)業(yè)部在內(nèi)的 8 個部委和 6 個地方政府出臺了強(qiáng)制或鼓勵發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航/北斗系統(tǒng)的“十二五”規(guī)劃細(xì)則。譬如農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局的“十二五”規(guī)劃細(xì)則指出，要為 90%以上漁船配備必要的安全通信、避碰設(shè)備，各地政府提供 70%-90%的補(bǔ)貼采購“北斗”接收機(jī)，系統(tǒng)平臺運(yùn)營費用由地方各級政府承擔(dān)。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng) 2012 年進(jìn)一步組網(wǎng)建設(shè)以及系統(tǒng)狀態(tài)的最終確認(rèn)，國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航市場逐步啟動，潛力巨大國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)將迅速發(fā)展，2009 年衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約 550 億元，2015 年將達(dá)到 1500 億元，復(fù)合增長率將達(dá) 24.28%，2020年更將達(dá) 3000 至 4000 億元。本項目開發(fā)的設(shè)備可以直接應(yīng)用于港口船舶進(jìn)港，飛機(jī)降落引導(dǎo)，車輛導(dǎo)航，地圖測繪，資源勘測，救災(zāi)等活動。在港口和機(jī)場布設(shè)基準(zhǔn)站，能使定位的精度能夠達(dá)到0.5m甚至更高，能夠保障港口船舶安全進(jìn)港，飛機(jī)大霧天氣安全著落的可能性也提高。北斗/GNSS差分接收機(jī)不僅能夠提供高精度服務(wù)，而且在差分?jǐn)?shù)據(jù)失效或者用戶距離基準(zhǔn)站距離過大的情況下仍然能夠提供精度較高的定位服務(wù)，這是普通的接收機(jī)所不能比的。北斗導(dǎo)航通信設(shè)備的船載終端采用北斗和 GPS 雙系統(tǒng)導(dǎo)航定位，實現(xiàn)了對多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容及綜合利用，并具備低功耗、高靈敏度、高可靠等功能特性，可以更好地服務(wù)漁民，為其出海保駕護(hù)航。項目設(shè)備稍加改進(jìn)亦可應(yīng)用于海洋漁業(yè)安全生產(chǎn)保障、沿海船舶運(yùn)輸，以及內(nèi)陸河運(yùn)等領(lǐng)域。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸投入使用，高精度定位在各個行業(yè)的需求增多，北斗/GNSS差分接收機(jī)的研制成功必將使得北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將迎來一個新的發(fā)展。項目的實施將有助于解決北斗高精度定位的技術(shù)空缺，推動北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。 1.6研究目的 成功研制北斗/GNSS岸基增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)備一套，達(dá)到樣機(jī)產(chǎn)業(yè)化要求的各項技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行小試生產(chǎn)。搭建一個北斗/GNSS岸基增強(qiáng)信息服務(wù)平臺，構(gòu)建低速率的VHF/UHF數(shù)據(jù)鏈路，使其覆蓋范圍達(dá)到300km；研制北斗/GNSS差分接收機(jī)終端，其定位精度優(yōu)于0.5米.第2章 方案敘述2.1總體目標(biāo)針對目前我國北斗差分系統(tǒng)的市場空缺，以及高精度定位的用戶需要，以我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研制出精度高，性能穩(wěn)定的北斗/GNSS岸基增強(qiáng)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括北斗/GNSS岸基增強(qiáng)信息服務(wù)平臺和北斗差分接收終端。2.2設(shè)計思路從基準(zhǔn)站得到各顆衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，偽距，多普勒頻率，衛(wèi)星載噪比，方位角，仰角等信息后，經(jīng)過解算編碼后得到偽距改正數(shù)，偽距改正數(shù)變化率，改正Z計數(shù)等差分信息。用MSK調(diào)制方式發(fā)送，接收端解碼后，用于偽距差分修正。主要包括基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)播發(fā)和用戶差分改正 基準(zhǔn)站收到多顆北斗衛(wèi)星信號，基準(zhǔn)站接收機(jī)通過本地精確坐標(biāo)，得到接收到的各顆衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，偽距，多普勒頻率，衛(wèi)星載噪比，方位角，仰角等信息后，經(jīng)過解算編碼后得到偽距改正數(shù)，偽距改正數(shù)變化率，改正Z計數(shù)等差分信息，算出帶有用戶接收機(jī)公共誤差的差分電文，調(diào)制模塊經(jīng)MSK調(diào)制發(fā)送。差分電文播發(fā)采用直接波傳輸:包括甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)，基準(zhǔn)站的天線建立在高塔之上，視距直接通視的方式以25w的功率進(jìn)行傳輸，作用距300km。這種設(shè)備的天線簡單、容易架設(shè)，適用于流動作業(yè)，可用于海港、河道等測量應(yīng)用。北斗/GNSS差分定位終端，收到差分電文后，經(jīng)過解調(diào)，解碼，在定位部分去掉公共誤差部分，提高用戶的定位精度。解算出來的用戶位置，速度，時間等信息通過串口輸出。用戶差分電文解碼和定位解算軟件無線電技術(shù)。2.3技術(shù)方案2.3.1基準(zhǔn)站終端方案圖 2 北斗/GNSS岸基增強(qiáng)信息服務(wù)平臺結(jié)構(gòu)框圖參考站 GNSS 接收機(jī)是多通道的，每個通道觀測不同的衛(wèi)星并產(chǎn)生改正數(shù)。參考站 GNSS 接收機(jī)應(yīng)是全視野的，可觀測視野內(nèi)的全部衛(wèi)星。參考站 GNSS 接收機(jī)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集速度快于用戶 GNSS 接收機(jī)。改正數(shù)發(fā)生器用于計算產(chǎn)生差分電文，再通過數(shù)據(jù)編制，調(diào)制后發(fā)送。差分電文采用國際標(biāo)準(zhǔn)RTCM格式，調(diào)制采用MSK方式，發(fā)送采用直接波傳輸，包括甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)，作用距離一般可達(dá)到300km。2.3.2差分接收機(jī)設(shè)計方案圖3 北斗/GNSS差分定位模塊總體框圖差分定位模塊有兩個天線，一個用于接收衛(wèi)星信號，另一個用于接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分信號。衛(wèi)星信號經(jīng)過傳感器頻率綜合后變換為接近零頻信號，數(shù)字采樣后，在定位模塊內(nèi)部經(jīng)過邏輯處理芯片處理，即進(jìn)行衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤，循環(huán)相關(guān)法得到多普勒頻移和偽碼相移，提供精度較高的偽距，衛(wèi)星多普勒頻移，偽碼相移，解調(diào)后的導(dǎo)航碼等信息，再經(jīng)過信號處理控制芯片對導(dǎo)航電文進(jìn)行解析，進(jìn)而進(jìn)行定位解算。收到基站發(fā)來的差分電文以后，進(jìn)過解調(diào)，傳送到信號處理控制芯片進(jìn)行解碼，提取相關(guān)數(shù)據(jù)對用于定位算法改進(jìn)，提高定位精度。2.4擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 2.4.1高精度差分改正數(shù)生成 用一臺已知自身位置精確坐標(biāo)的高精度接收機(jī)作為差分站，差分站輸出衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星歷書，衛(wèi)星鐘差，解算出基準(zhǔn)站和各可見衛(wèi)星的真實距離R，同時基準(zhǔn)站輸出各可見衛(wèi)星的偽距信息P，偽距經(jīng)過了載波相位偽距平滑處理，提高了偽距的精度，再計算出偽距改正數(shù)，基準(zhǔn)站同時輸出衛(wèi)星多普勒頻移，可以計算出偽距變化率。差分電文包括改正Z計數(shù)，數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)，通過總衛(wèi)星數(shù)得到，衛(wèi)星ID，比例因子scale，用戶距離誤差UDRE，偽距改正數(shù)PRC，距離變化率改正數(shù) RRC，數(shù)據(jù)齡期IOD等信息。差分電文經(jīng)過RTCM編碼，MSK調(diào)制，再通過無線數(shù)傳模塊播發(fā)出去，差分用戶再經(jīng)過解調(diào)，解碼進(jìn)行偽距差分改正，提高定位精度。差分電文每15秒播發(fā)一次，在差分電文兩次播發(fā)的間隔內(nèi)，偽距改正數(shù)變化率能夠估算出這段時間內(nèi)的偽距改正數(shù)，確保了差分定位連續(xù)性和精度。2.4.2差分高精度定位解算算法 沒有差分的單點定位誤差包括三部分，一部分是對每一個用戶接收機(jī)所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差，星歷誤差，電離層誤差，對流層誤差，地球自轉(zhuǎn)引起的誤差，潮汐運(yùn)動等誤差，第二部分是不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差，第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲，通道延遲，多徑效應(yīng)等。不用差分技術(shù)，第一部分的誤差只能估計，不能完全消除，第二部分的誤差也只能消除一部分，第三部分誤差則無法消除。差分技術(shù)能夠消除用戶接收機(jī)公共誤差，例如衛(wèi)星鐘誤差，星歷誤差，電離層誤差，對流層誤差，地球自轉(zhuǎn)引起的誤差，潮汐運(yùn)動等誤差，極大的提高了定位精度。2.4.3多站式岸基增強(qiáng)技術(shù)多站式差分技術(shù)在局部區(qū)域布設(shè)若干個基準(zhǔn)站，還包含數(shù)個監(jiān)測站。各基準(zhǔn)站進(jìn)行獨立觀測，分別計算差分改正數(shù)并向外發(fā)播，位于該局部區(qū)域中的用戶，采用了最小方差法對來自多個基準(zhǔn)站的改正信息(偽距改正數(shù))進(jìn)行平差計算以求得自己的偽距改正數(shù)。每個基準(zhǔn)站與用戶之間均有無線電數(shù)據(jù)通信鏈，而且覆蓋范圍足夠廣，系統(tǒng)中的用戶能同時收到多個基準(zhǔn)站的信號。系統(tǒng)的可靠性和用戶的定位精度相對單站定位有了大的提高。2.5惡劣環(huán)境條件下的終端設(shè)備的可靠性問題。極端的高/低溫度、電壓的波動和沖擊和強(qiáng)烈的電磁干擾等因素會嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性。同時，還有設(shè)備的低功耗和結(jié)構(gòu)緊湊等問題。解決這個問題可以引入EMC設(shè)計，提高抗干擾能力，盡量采用低功耗的器件和模塊。2.6創(chuàng)新點及主要特色2.6.1差分改正數(shù)精度高，提高用戶接收機(jī)的定位精度基準(zhǔn)站在編碼差分電文過程中考慮了衛(wèi)星鐘差，電離層，對流層傳播時延，星上設(shè)備時延，衛(wèi)星周跳，星歷誤差，差分電文傳播延遲造成的誤差等。設(shè)計算法減弱了周跳的影響，偽距進(jìn)行了載波相位平滑處理，提高了基準(zhǔn)站輸出偽距信息的精度，利用星歷和歷書計算衛(wèi)星位置時，采用切比雪夫擬合了衛(wèi)星軌道，有效的消弱了星歷誤差對衛(wèi)星軌道的影響。相比一般的基準(zhǔn)站，考慮了更多的誤差，得到更高的偽距改正數(shù)精度。各個基準(zhǔn)站獨立工作，然后匯總各差分站的數(shù)據(jù)后，利用最小方差法得到一個更加理想的值再通過差分站播發(fā)差分電文。2.6.2差分定位改正算法優(yōu)越，保證戶接收機(jī)的定位精度 差分信息采用奇偶校驗的方式保證接收數(shù)據(jù)的正確性，差分定位算法會進(jìn)行一個選擇，當(dāng)差分電文不可用的時，采用非差分的單點定位，定位解算中要減掉衛(wèi)星鐘差，電離層，對流層，地球自轉(zhuǎn)，潮汐運(yùn)動等帶來的偽距誤差，而當(dāng)差分改正數(shù)可用的時候，定位算法中要先計算差分偽距改正數(shù)PRC(t)，再減掉對流層和電離層誤差，其他的誤差項都包含在差分改正項中。2.6.3 多站式岸基增強(qiáng)技術(shù)，高效可靠采用局域載波相位平滑偽距差分定位技術(shù)，在局部區(qū)域布設(shè)若干個基準(zhǔn)站，還包含數(shù)個監(jiān)測站。各基準(zhǔn)站進(jìn)行獨立觀測，分別計算差分改正數(shù)并向外發(fā)播，位于該局部區(qū)域中的用戶，采用了最小方差法對來自多個基準(zhǔn)站的改正信息(偽距改正數(shù))進(jìn)行平差計算以求得自己的偽距改正數(shù)。每個基準(zhǔn)站與用戶之間均有無線電數(shù)據(jù)通信鏈，而且覆蓋范圍足夠廣，系統(tǒng)中的用戶能同時收到多個基準(zhǔn)站的信號。系統(tǒng)的可靠性和用戶的定位精度相對單站定位有了大的提高。第3章 北斗差分系統(tǒng)初步設(shè)計3.1設(shè)計方案 圖1-1，差分系統(tǒng)總體框圖3.2 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)播發(fā)3.2.1 RTCM2.3格式DGNSS 差分電文最多可以有64種類型，范圍從164。其中，可分為固定、暫定、保留和未定義4種狀態(tài)，目前共定義了33種。1 通用電文格式在這一系列差分電文中，各電文頭格式都是相同的。電文數(shù)據(jù)幀由數(shù)目可變的30bit字碼組成。每幀電文由引導(dǎo)字和參數(shù)組成，包括2個字的標(biāo)準(zhǔn)電文頭，N個字的數(shù)據(jù)( N的范圍從0到31)，總長度為N +2個電文字。每個電文字長度均為30 bit，電文字最后的6 bit 是校驗區(qū)。每幀電文的前兩個字構(gòu)成了一個標(biāo)準(zhǔn)電文頭，包含的信息有前綴、電文類型等建立幀同步所需的信息，以及參考站信息、參考時間和健康狀態(tài)等信息。第一字碼包含8 bit的前綴(01100110)，6 bit 的幀 ID，10bit的參考站ID和6 bit的奇偶校驗位;第二字碼包含13 bit的改正Z計數(shù)，3 bit的順序號，5 bit的幀長( N +2)，3 bit的參考站健康狀態(tài)和6 bit的奇偶校驗位。與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的Z計數(shù)不同，改正Z計數(shù)的比例因子是0.6 s，而不是6 s，其取值范圍也僅有1 h，且以GPS或GLONASS時間為參考，而非UTC。不同類型的電文中包含的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)(即N值)一般是不同的，同類型的電文數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)也可能不同，電文幀長度比此數(shù)值N大2。如果N = 0，說明電文頭字后無內(nèi)容。電文頭格式如圖2-1所示。圖2-1 RTCM2.3電文頭格式我們的設(shè)計用到了電文類型1，即差分改正電文，其格式如下圖2-2所示圖2-2 RTCM2.3電文類型1格式3.2.2基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理基準(zhǔn)站就是已知一個固定坐標(biāo)的GNSS接收機(jī)，這個接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號后進(jìn)行解調(diào)，得到導(dǎo)航信息。導(dǎo)航信息通過RS232串口輸出到上位機(jī)，上位機(jī)對導(dǎo)航信息進(jìn)行整理以及計算，最后生成國際通用的RTCM2.3格式的差分導(dǎo)航電文。具體流程圖如下圖所示。 圖2-3如圖2-3所示，在上位機(jī)上所要完成的主要工作就是對基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算各顆衛(wèi)星的位置從而計算站星距，以此計算偽距改正數(shù)和其變化率。根據(jù)產(chǎn)生的偽距改正數(shù)和其變化率進(jìn)行編碼，產(chǎn)生RTCM差分電文，通過RS232串口發(fā)送給無線數(shù)傳模塊，無線數(shù)傳模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行MSK調(diào)制，通過高頻或甚高頻無線鏈路廣播出去，差分接收機(jī)接收到RTCM電文，從而進(jìn)行解調(diào)解碼，把偽距改正數(shù)及其變化率代入定位方程進(jìn)行解算，從而消除電離層對流層誤差影響，提高定位的精度。3.2.3 串口數(shù)據(jù)接收處理從基準(zhǔn)站輸出的信息通過串口傳到上位機(jī)，上位機(jī)接收處理是十分重要的過程。基準(zhǔn)站和上位機(jī)之間的通信是異步通信，而且數(shù)據(jù)有時不是連續(xù)的，所以在VS2008中，程序接收數(shù)據(jù)必須是異步的。本設(shè)計使用多線程處理方法，一個線程監(jiān)測上位機(jī)的串口，另一個線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和判斷數(shù)據(jù)是否是所需的數(shù)據(jù)，還有一個線程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。線程間的協(xié)作關(guān)系如圖2-4所示。圖2-4 多線程數(shù)據(jù)處理3.2.4 RTCM編碼編碼是數(shù)據(jù)處理的核心部分,由RTCM2.3數(shù)據(jù)格式可知,如果要進(jìn)行RTCM編碼需要獲得的數(shù)據(jù)信息包括電文類型、改正Z計數(shù)、數(shù)據(jù)字段（衛(wèi)星個數(shù)）、站健康標(biāo)志、比例因子、差分用戶距離誤差（UDRE）、衛(wèi)星ID號、偽距改正數(shù)、距離變化率改正數(shù)、數(shù)據(jù)齡期等。由圖2-3可以得到以上所需的數(shù)據(jù)。得到所需數(shù)據(jù)后就可以進(jìn)行RTCM編碼了。編碼流程如下圖2-5所示。圖2-5 RTCM數(shù)據(jù)編碼流程3.3 用戶差分改正 2-6 接收機(jī)差分改正 差分?jǐn)?shù)據(jù)嚴(yán)格按照國際標(biāo)準(zhǔn)RTCM2.3的數(shù)據(jù)格式，使用的偽距差分的方式。3.4串口讀取 差分?jǐn)?shù)據(jù)通過串口讀入DSP， 串口硬件如下： 圖2-7 串口硬件連接圖 RTD232為讀數(shù)據(jù)，TXD232為寫數(shù)據(jù)，COM1口用接收差分信息，COM2口用來發(fā)送定位結(jié)果，通過上位機(jī)軟件可以經(jīng)過差分修正后的結(jié)果。3.5 差分信息解碼解碼程序包括三部分，預(yù)處理，讀幀頭，讀取衛(wèi)星偽距差分信息。其中預(yù)處理是目的是緩足夠多用于解碼的數(shù)據(jù)，至少應(yīng)收到10個字，用于解出幀頭，考慮到差分?jǐn)?shù)據(jù)的時效性，我們設(shè)置了緩存為300，預(yù)處理還有初步判斷所接收到的數(shù)據(jù)是否有錯的功能(如果超過157或者小于63，則丟棄數(shù)據(jù))；讀幀頭是讀取數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)，電文類型等必要參數(shù)，為讀衛(wèi)星偽距差分信息做好準(zhǔn)備，還有一個幀同步的功能，因為成功奇偶校驗的幀一定是完整的一幀，而幀頭標(biāo)識符又是102或者153，所以我們通過搜索102或者153，然后再進(jìn)行奇偶校驗就能得到幀頭，進(jìn)行準(zhǔn)確的幀同步。2-9 讀幀頭及差分信息讀衛(wèi)星偽距差分信息是讀取出比例因子，用戶差分距離誤差，衛(wèi)星ID，偽距改正數(shù)，距離變化率改正數(shù)，數(shù)據(jù)齡期3.6 沒有差分的單點定位 沒有差分的單點定位誤差包括三部分，一部分是對每一個用戶接收機(jī)所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差，星歷誤差，電離層誤差，對流層誤差，地球自轉(zhuǎn)引起的誤差，潮汐運(yùn)動等誤差，第二部分是不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差，第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲，通道延遲，多徑效應(yīng)等。不