專利名稱：實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高的網(wǎng)絡(luò)rtk定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測繪地理信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高的網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法。
背景技術(shù)：
GNSS (全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))技術(shù)是當(dāng)前測繪領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種定位方式，利用單臺GNSS設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位，得到的ECEF (地心地固坐標(biāo)系，如WGS84)下坐標(biāo)的精度通常為10-20米(無SA)。而通過構(gòu)建RTK (載波相位實(shí)時動態(tài)差分定位)系統(tǒng)，在30km范圍內(nèi)的定位精度可以達(dá)到厘米級。RTK主要由參考站和流動站構(gòu)成，參考站通過數(shù)據(jù)鏈路向流動站發(fā)送差分電文，其中包含參考站的ECEF坐標(biāo)和原始觀測值，流動站將電文解碼后和自身觀測值進(jìn)行相對定位，得到高精度ECEF坐標(biāo)。

參考站和流動站之間的數(shù)據(jù)鏈路，可采用電臺、WIFI或者互聯(lián)網(wǎng)。目前，以互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)據(jù)鏈、基于NTRIP協(xié)議(通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議)的CORS (連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng))得到廣泛應(yīng)用，其核心技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，即利用流動站周圍多個參考站的觀測值來擬合該處的誤差。系統(tǒng)由在地面以30km-100km為間隔、分布較為均勻的若干連續(xù)運(yùn)行的參考站(真實(shí)的參考站)構(gòu)成，各參考站均配備有GNSS設(shè)備，進(jìn)行連續(xù)的高采樣(通常為IHz)觀測，并用專用網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心相連，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器配備NtripCaster (核心軟件，如Trimlbe的GPSNet、LEICA的Spider、Topcon的TOPNET等)專用軟件實(shí)現(xiàn)核心模塊，一般將該服務(wù)器稱為NtripCaster服務(wù)器，通過互聯(lián)網(wǎng)向公眾提供服務(wù)。如附

圖1所示，利用CORS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK定位的工作流程:①流動站(即客戶端NtripClient)通過互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)防火墻登錄CORS服務(wù)器，登錄參數(shù)有源節(jié)點(diǎn)、流動站名和密碼等，其中源節(jié)點(diǎn)用于告知服務(wù)器所需要的服務(wù)類型、電文格式，并將初始定位得到的ECEF下的坐標(biāo)(稱為“概略坐標(biāo)”)發(fā)往服務(wù)器，此過程記為I傳送ECEF概略坐標(biāo)、用戶名、密碼、源節(jié)點(diǎn)。②流動站名和密碼通過認(rèn)證后，服務(wù)器端NtripCaster核心軟件根據(jù)流動站請求的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，如果流動站選擇了單參考站模式，則系統(tǒng)將自動選擇距離流動站最近的一個真實(shí)的參考站；如果流動站選擇了多參考站模式，服務(wù)器端NtripCaster核心軟件將用一定算法擬合出一個參考站(虛擬參考站)，將其ECEF坐標(biāo)和原始觀測值編制成電文(電文格式也由源節(jié)點(diǎn)指定)，發(fā)送給流動站，此過程記為2傳送差分電文。③流動站接收該電文后，進(jìn)行載波相位差分定位，得到ECEF下的坐標(biāo)，此過程記為3RTK定位。由前述知識可見，利用GNSS技術(shù)進(jìn)行RTK測量，流動站得到的都是ECEF下的坐標(biāo)，其表達(dá)形式可以是XYZ形式的空間直角坐標(biāo)，也可以是L (大地經(jīng)度)B (大地緯度)H (大地高，是以橢球面為基準(zhǔn)面的高程)形式的大地坐標(biāo)，還可以將LB進(jìn)一步投影成為高斯平面直角坐標(biāo)，三者可以相互轉(zhuǎn)換。但在某些情況下，為使測繪成果能與前期成果正確銜接，需要將坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換為參心坐標(biāo)系坐標(biāo)(其表達(dá)形式與ECEF相同)和正常高(以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程，我國的法定高程系統(tǒng))，在放樣時還必須實(shí)時的測出參心坐標(biāo)系坐標(biāo)。由ECEF到參心坐標(biāo)系坐標(biāo)，需要用到七參數(shù)；由大地高轉(zhuǎn)換為正常高，需要用到高程異常。根據(jù)《測繪管理工作國家秘密目錄》[I]規(guī)定，國家大地坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換參數(shù)、精度優(yōu)于±1米的高程異常成果分別屬于絕密級、機(jī)密級范圍，二者是均不能向公眾發(fā)布的。沒有轉(zhuǎn)換參數(shù)，ECEF無法轉(zhuǎn)換為參心坐標(biāo)系；沒有高程異常成果，大地高無法轉(zhuǎn)換為正常高?？梢姡捎趪冶Ｃ苷叩南拗?，現(xiàn)有GNSS技術(shù)不能實(shí)時地測得參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高，從而嚴(yán)重制約了 GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在測繪實(shí)際生產(chǎn)中的發(fā)展和應(yīng)用。研究如何在符合國家保密規(guī)定的情況下，使流動站能實(shí)時得到參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高，對于擴(kuò)展GNSS技術(shù)的應(yīng)用范圍、提高測繪生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。為使流動站獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)，有3種常規(guī)的方法:1)由流動站將測量得到的WGS84坐標(biāo)以書面形式提交國家測繪局批準(zhǔn)的測繪成果保管單位，經(jīng)審批后由后者進(jìn)行事后坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將結(jié)果回函給流動站，該模式保密性好、成果的精度和可靠性有保障，但程序繁瑣、工作效率低、不具實(shí)時性，不能滿足實(shí)時放樣參心坐標(biāo)系坐標(biāo)的需要。2)由國家測繪局批準(zhǔn)的測繪成果保管單位建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)[2] [3]，授權(quán)流動站可通過網(wǎng)絡(luò)在線提交測量得到的WGS84坐標(biāo)，服務(wù)系統(tǒng)在線完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)反饋給流動站，該模式的優(yōu)點(diǎn)是流動站使用方便、成果規(guī)范，但仍只能在測量結(jié)束后進(jìn)行，不能滿足實(shí)時放樣參心坐標(biāo)系坐標(biāo)的需要。3)流動站通過聯(lián)測已知點(diǎn)自行求取參數(shù)，測區(qū)附近須有已知點(diǎn)分布、外業(yè)工作量大、數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜、對流動站素質(zhì)要求高、作業(yè)效率低，成果的精度和可靠性沒有保障。為使RTK流動站實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)，目前有一些學(xué)者提出了幾種解決方案，大致可以分為5種:1)將轉(zhuǎn)換參數(shù)以軟件模塊的方式存放在流動站的測量設(shè)備(PDA)中[4]，此方法最大的缺點(diǎn)是無法確保參數(shù)不泄密，且不同品牌或型號的設(shè)備要單獨(dú)開發(fā)模塊，不僅涉及到各個地方的不同坐標(biāo)系間的海量轉(zhuǎn)換參數(shù)，還涉及到不同生產(chǎn)廠家的研發(fā)，實(shí)際使用和推廣非常困難。2)將保密七參數(shù)通過差分電文發(fā)送給流動站[5]，流動站設(shè)備從差分電文中獲取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，目前僅少數(shù)差分電文(如RTCM3.1)和極少數(shù)品牌的最新型設(shè)備支持這種模式，因差分電文的編碼方式是公開的，任何人都可以通過解碼獲取，因此其保密性幾乎為零，在中 國尤其不適用。3)將差分電文中的參考站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到參心坐標(biāo)系坐標(biāo)后再發(fā)送給流動站[6]，因?yàn)橥稽c(diǎn)的ECEF坐標(biāo)和參心坐標(biāo)系坐標(biāo)，差值可能達(dá)到IOOm左右甚至更大，而參考站坐標(biāo)是流動站進(jìn)行基線解算的起算點(diǎn)坐標(biāo)，通常超過30m誤差的起算點(diǎn)坐標(biāo)會造成較大的基線解算誤差，且基線越長影響越大；同時這種模式忽略了同名點(diǎn)間基線在WGS84坐標(biāo)系下和參心坐標(biāo)系坐標(biāo)系下的差異，在參考站(虛擬的或?qū)嶋H的)與流動站相隔距離較遠(yuǎn)(如在單參考站模式下，流動站與參考站可相距數(shù)十公里)、或七參數(shù)中的旋轉(zhuǎn)角、縮放比的數(shù)值較大的情況下，以及這兩個因素同時存在的情況下，忽略此差異有可能造成極大的誤差。4)專利申請CN102223709A提出在CORS服務(wù)器和移動站之間增設(shè)中間服務(wù)器，將選定的地理空間劃分為若干立方體[7]，對于各立方體的八個頂點(diǎn)，計(jì)算出對應(yīng)于某個特定基準(zhǔn)(如北京54)的坐標(biāo)，并與相應(yīng)的偽基準(zhǔn)(利用最小二乘方法求出)的坐標(biāo)求差(以下簡稱“坐標(biāo)差”)，將坐標(biāo)差存儲于數(shù)據(jù)庫；根據(jù)VRS差分電文中的虛擬參考站坐標(biāo)，確定出移動站落入哪個立方體，根據(jù)該立方體的八個頂點(diǎn)的坐標(biāo)差內(nèi)插出流動站的概略位置處的坐標(biāo)差，對差分電文中的VRS參考站坐標(biāo)進(jìn)行改化，再發(fā)送給移動站；移動站手薄上設(shè)置偽參數(shù)，首先解算出偽基準(zhǔn)下的XYZ，再通過高斯投影得到特定基準(zhǔn)的坐標(biāo)。該發(fā)明申請未提供理論和公式推導(dǎo)，偽基準(zhǔn)和立方體均沒有給出明確的確定方法，也沒有說明如何保證偽基準(zhǔn)投影之后能保持和特定基準(zhǔn)一致；實(shí)際上基準(zhǔn)通常有多種(如北京54、西安80等)，流動站可能在不同的項(xiàng)目中需要不同的基準(zhǔn)，而該算法只能針對某一種基準(zhǔn)，這將使該算法未能應(yīng)對同一地區(qū)有多個基準(zhǔn)的情況；根據(jù)VRS差分電文中的參考站坐標(biāo)來判定移動站概略位置，也是不嚴(yán)密的。5)張黎等對增設(shè)中間服務(wù)器和“另一坐標(biāo)系”的保密模式進(jìn)行了探討[8]，但是沒有給出“另一坐標(biāo)系”到地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)的具體計(jì)算公式，停留在模式的探討層面，且沒有探討“另一坐標(biāo)系”應(yīng)遵循的規(guī)則，忽視了“另一坐標(biāo)系”對流動站定位結(jié)果的影響?？偟恼f來，方案I)和2)因?yàn)楸Ｃ苄缘膯栴}明顯不適用，在此不再討論。方案3)至5)除了各自的一些缺點(diǎn)之外，還有一個共同點(diǎn):均沒有提出RTK實(shí)時測定正常高的解決方案。涉及的主要參考文獻(xiàn)如下:
[I]國家測繪局、國家保密局，《測繪管理工作國家秘密范圍的規(guī)定》國測辦字〔2003〕17 號[2]陳豪，李劍，楊華先等.CORS服務(wù)中在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，測繪通報，2012，(10):48-54[3]潘國富，鮑志雄，吳文志.具備兼容性的在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].地理空間信息，2012，10(6):39-41.
[4]王健，楊艷鋒.CORS-RTK測量中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法探討[J].地礦測繪，2010，26(3): 26 28[5] Jager, R.und S.Kalber.The New RTCM3.!Transformation Messages -Declaration, Generation from Reference Transformations and Implementation as aServer-Client-Concept for GNSS Services[C].3rd International Conference and3rdTrade Fair of Geodesy,Cartography, Navigation and Geoinformatics.Prague, 27th -28th February2008[6]范昆飛，周懷許，方振華.基于服務(wù)器端CORS實(shí)時地方坐標(biāo)測量模式的探討[J],地理空間信息，2012，10(5):89-92[7]羅靈軍，張澤烈等.基于CORS系統(tǒng)實(shí)時獲取特定基準(zhǔn)的高斯平面直角坐標(biāo)的方法，發(fā)明專利申請CN102223709A，中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局，2011，10，申請?zhí)?201110154844.8 [8]張黎，蒲德祥，夏定輝等.CORS系統(tǒng)實(shí)時地方坐標(biāo)測量的保密模式研究，城市勘測，2010，(4):90-9
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是，在不泄露ECEF到參心坐標(biāo)系的保密七參數(shù)和似大地水準(zhǔn)面精化成果的前提下，不論差分信息中的參考站坐標(biāo)是一個虛擬的、或是一個真實(shí)的參考站，均能保證RTK流動站可以實(shí)時地測出參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高的網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法。在NtripCaster服務(wù)器和流動站之間插入一個NtripProxy中繼模塊，NtripProxy中繼模塊所在服務(wù)器記為NtripPiOxy服務(wù)器；定位過程包括以下步驟，
步驟1，定義源節(jié)點(diǎn)和輔助七參數(shù)，計(jì)算輔助坐標(biāo)系到參心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)作為非涉密七參數(shù)；所述輔助七參數(shù),是指能將ECEF轉(zhuǎn)換到某一輔助坐標(biāo)系下的七個參數(shù),包括3個平移量ΔΧρ AY1, AZ1, 3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)ε χι、ε γι、ε Ζ1, I個尺度縮放因子Hi1,得到下述布爾莎模型，
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高的網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法，其特征在于:在NtripCaster服務(wù)器和流動站之間插入一個NtripProxy中繼模塊,NtripProxy中繼模塊所在服務(wù)器記為NtripPiOxy服務(wù)器；定位過程包括以下步驟， 步驟1，定義源節(jié)點(diǎn)和輔助七參數(shù)，計(jì)算輔助坐標(biāo)系到參心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)作為非涉密七參數(shù)； 所述輔助七參數(shù)，是指能將ECEF轉(zhuǎn)換到某一輔助坐標(biāo)系下的七個參數(shù)，包括3個平移量ΔΧρ AY1, AZ1, 3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)ε χι、ε γι、ε Ζ1，I個尺度縮放因子In1,得到下述布爾莎模型，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高的網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法，其特征在于:定義源節(jié)點(diǎn)時，源節(jié)點(diǎn)名稱中包含的信息有參考站類型、測量模式、差分電文格式、測量成果坐標(biāo)系和測量成果的高程系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)時獲取參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高的網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法，對源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，用于更詳盡地傳達(dá)流動站需求，不需要修改NTRIP協(xié)議，只需相應(yīng)地在NtripCaster軟件中加入判斷及算法，或在NtripCaster和流動站之間增加NtripProxy中繼模塊，易于實(shí)現(xiàn)；如需實(shí)時得到參心坐標(biāo)系坐標(biāo)，只需在登錄服務(wù)器時選擇相應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)，并在手薄上填入非涉密七參數(shù)，其余作業(yè)方式不變；流動站需要得到正常高，只需在登錄服務(wù)器時選擇相應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)，其余作業(yè)方式不變；在符合國家保密政策的前提下，使實(shí)時測量、放樣參心坐標(biāo)系坐標(biāo)和正常高得以實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01S19/12GK103235319SQ20131016657
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者郭際明, 章迪, 羅年學(xué), 巢佰崇 申請人:武漢大學(xué)