GNSS网络差分定位基准站网构造方法与动态更新方法

摘要

本发明公布了一种GNSS网络差分定位基准站网构造方法与动态更新方法，本发明所述方法将各GNSS基准站点根据其精确已知的坐标投影到二维平面上，由这些二维平面的离散点，按照Delaunay三角网的构网准则，形成一个以三角形为基本结构的基准站三角网，并且网形唯一。当增加新的基准站或停用某个基准站时，根据点插入或删除的操作完成新网的实时构造。本发明始终保持各基准站组成唯一的优化网形，确保移动站定位时的精度需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GNSS网络差分定位基准站网构造方法与动态更新方法，属于GNSS网络差分定位领域。

背景技术

GNSS网络差分定位技术是目前卫星定位领域的热门技术，广泛应用于测绘及国土资源调查等行业，该定位系统通常包含有多个基准站，构成覆盖某一区域的基准站网络，基准站的分布状况将直接影响到基线模糊度解算效率和参数估计精度。当前，GNSS网络差分定位技术的发展呈现出实时化和规模化的特点，基准站和用户数量都在不断的增加，这样控制中心的计算、通信负荷也越来越大，同时还面临着选用哪些基准站进行定位解算以及由于基准站加密或临时不可用所带来的网络实时动态更新等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种GNSS网络差分定位基准站网构造方法与动态更新方法。

本发明GNSS网络差分定位基准站网构造方法与动态更新方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将各基准站与高等级GNSS控制点静态联测得到各基准站的实时信息，将各基准站的实时信息经过基线解算和网平差解算得到各基准站的WGS-84大地坐标，将WGS-84大地坐标以基准站当地子午线作为中央子午线进行高斯投影得到WGS-84平面坐标，再将WGS-84平面坐标通过七参数转换或四参数转换得到地方平面坐标，则二维平面上每个地方平面坐标所在的离散点位就代表相应的基准站，以距离最短的两个离散点位所在基线作为初始三角形的初始边；

(2)构造初始三角形

将步骤(1)所述的初始三角形的初始边经过Delaunay构网得到三角形的第三点，第三点与初始边构成初始三角形，其中第三点即步骤(1)所述的离散点；

(3)将步骤(2)所述初始三角形的三条边分别作为初始边重复步骤(2)构成新的三角形；

(4)构造三角网

将所有新三角形未构建的两条边分别作为初始边重复步骤(2)构成新的三角形；重复步骤(4)直至步骤(1)所述的离散点都遍历完毕得到三角网即基准站网；

(5)基准站网的动态更新

当步骤(4)所述的基准站网中增加基准站，则重复步骤(1)至(4)重新生成新的基准站网；

当步骤(4)所述的基准站网中某个基准站出现故障时，将步骤(4)生成的三角网中与出现故障的基准站对应的离散点删除，然后重复步骤(1)至(4)重新生成新的基准站网。

GNSS网络差分定位基准站网的节点是各基准站，具有空间位置属性，边则是由基准站坐标数据计算得到的基线，具有长度、方向等属性，由此采用网络差分定位技术形成的就是以基线为边的网络，并且网络覆盖的范围也就是服务区域可以通过各节点的分布情况来度量。对于包含数十个基准站的中小型GNSS基准站网络，覆盖范围约为数万平方公里，考虑到基准站地理空间分布上的特点，通常高程方向上变化范围较小，因此可以简化为二维平面上离散数据点的网络构造问题。如果能够将这些离散分布在地球表面的基准站按照某种规则形成特定的网络结构，则移动站就可以根据其概略坐标位置决定用于定位的基准站，从而计算出移动站的综合误差并最终实现GNSS网络差分定位。

本发明的优点及有益效果：本发明可应用于以下领域或行业：

(1)各级国土、测绘、勘查等部门建立GNSS连续运行卫星基准站网络用于实时定位获取位置信息；

(2)数字地面模型建立、数字地图综合等地学应用领域。

其优点为：本发明把表示GNSS基准站位置的空间坐标数据通过高斯投影到二维平面，将二维平面坐标点看成离散几何数据，按照Delaunay三角网的构网规则自动构建基准站网。三角形网络结构的优点是不言而喻的，用户在一个三角形区域内移动时，选用的基准站与移动站所在基线始终保持较强的相关性，而当移动站离开这一三角形时，系统通过实时的三角形区域选择，又将移动站锁定在新的三角形单元内，这样就始终保持了用户的移动轨迹与改正区域的最大程度符合，保证了较高的误差改正精度，同时由于只选用3个基准站参与定位解算，减轻了控制中心的计算负担。同时本发明涉及的方法还可以完成基准站网络的实时动态更新，即在需要添加新的基准站或者临时停用某个基准站时，可以借助本方法实现实时的更新，始终保持各基准站组成唯一的优化网形，确保移动站定位时的精度需求。

附图说明

图1是本发明涉及的GNSS网络差分定位基准站系统示意图；

图2是本发明GNSS基准站网络构造方法的流程图；

图3是采用本发明方法构造的某基准站网实例图；

图4是对构造的基准站网增加新的基准站的动态更新实例图；

图5是对构造的基准站网删除某基准站的动态更新实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理及具体实施方式作进一步的说明。

如图1，本发明涉及的GNSS网络差分定位基准站系统的组成包括：

(1)GNSS卫星定位系统

分布在地球表面的GNSS接收机接收来自空间的GNSS卫星信号，GNSS导航卫星系统包括GPS、GLONASS、GALILEO以及北斗卫星系统。

(2)GNSS接收机及天线

GNSS基准站接收机类型为双频(L1和L2)12通道，移动站接收机可以是单频(含有伪距、载波相位输出)或双频的，选择与接收机相匹配(在功率等方面)的天线，原则上使用短于15m的标准馈线来连接天线和接收机。基准站架设在观测墩上，GNSS天线安装后应有10°以上的卫星高度角通视条件，以免卫星信号被吸收或遮挡，并且观测墩站址应远离大面积水域或强电磁干扰区(微波站、高压线穿越地带、无线电发射台等)，以减弱多路径效应的影响及可能对信号造成的其它干扰。

(3)数据中心

数据中心实时接收各基准站的数据，具备多基准站实时数据处理、网络运行监控、网络管理、用户服务管理的功能。

(4)通讯系统

基准站与控制中心的数据传输要求为：高速性(实现高速数据传输，基准站上传到控制中心的原始电文流量约为5000bps)、实时性(数据延迟不能超过40ms)、可靠性(实现全天候可靠连接)、安全性(保证系统不受未授权用户的访问)、可扩展性(具有良好的升级扩展功能)。网络差分定位系统覆盖范围较广，基准站与控制中心的距离较远，因此它们之间的数据通讯网属于广域网的范畴，采用SDH有线专网的形式传输数据。

如图2，为本发明GNSS基准站网络构造方法的流程图，具体实现方式为：

(1)将各基准站与国家或当地的高等级GNSS控制点静态联测，采用高精度基线解算软件和网平差软件求解各基准站精确的WGS-84大地坐标，将该大地坐标以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影，得到WGS-84平面坐标，然后通过参数转换，再将该坐标转换成地方平面坐标。则二维平面上每个坐标所在的离散点位就代表相应的基准站，通过搜索距离最短的两点所在基线作为初始边；

(2)寻找三角形的第三点

根据Delaunay三角网的空外接圆和最大最小角两个判别法则，找出与步骤(1)中初始基线可以构成Delaunay三角形的第三点；

(3)构造初始三角形

初始边的两个端点与步骤(2)中找出的第三点相连，得到第一个Delaunay三角形，称之为初始三角形；再以初始三角形的第一条边为基准边进行扩展，向三角形外寻找满足条件的其它点，构成第二个三角形，并将基准边规定为新的三角形的第一条边；

(4)构造三角网

分别对上述构成的两个三角形进行扩展，此时只需要扩展三角形的第二条和第三条边即可，然后对新生成的三角形分别进行类似扩展，同样每次只需扩展两条边，如此反复，直到三角网充满整个区域，最后输出三角网，就完成了基准站网的构造，并且网形是唯一的；

(5)基准站网的动态更新

当需要在基准站网中增加基准站或者某个基准站由于临时出现故障等原因而不可用时，通过在步骤(4)生成的三角网中增加点和删除点的操作来完成，然后再通过步骤(1)至(4)重新生成新的网络，从而完成基准站网的实时动态更新。

(6)移动站定位

通过上述一系列步骤，实现了基准站网的构造与动态更新，并且所形成的网络是唯一的三角网结构。移动站在定位时只需选择其所在的三角形区域的3个基准站，由这3个基准站的观测信息建立覆盖这一区域的改正模型，从而实现最终的定位。

所述的GNSS网络差分定位系统基准站网构造与动态更新的方法，其特征在于所述步骤(4)中第三点的选取如下：

将初始边经过Delaunay构网得到三角形的第三点后，当第三点被已有的三角形包围，则将第三点删除，返回步骤(4)；

当第三点没有被已有的三角形包围，则将第三点与初始边构成新的三角形，返回步骤(4)。

通过本发明方法以分布在区域范围的30个基准站为实例，构造的GNSS基准站网如图3所示。

结合图4、图5，对本发明中关于基准站网的实时动态更新方法做进一步的说明：

当构造的基准站网中需要增加新的基准站时，实现步骤是：首先遍历大网凸包顶点链表，将前后两点连成一条凸包边，若待加入点在其中某一条边的右侧或恰好在边上，表明该点在Delaunay三角网的外部或边界上。将该点插入到原网点链表，对点链表中所有点进行重新构网，即完成基准站点加入工作。若点在所有凸包边的左侧，则表明点在Delaunay三角网的内部，此时遍历原三角形链表，寻找外接圆包含该点的所有三角形，将这些三角形从原网三角形链表中删除，其公共边从原网边链表中删除，剩下的边构成了一个包含该点的多边形。将该多边形的每一条边与点组成新的三角形并存入三角形链表，生成的新边存入新网边链表中，这样就完成了点插入工作，即实现了增加新的基准站后的网络更新。在图3中增加一个新基站，重新更新基准站网后得到的网络如图4所示。

当构造的基准站网中需要临时停用某个基准站时，即在网中删除某个基准站点，实现步骤是：首先遍历大网凸包顶点链表，若待删除点是凸包顶点，则将该点从原网点链表中删除，然后对所有点重新构网。若点在原网的凸包上，则表明该点在三角网内部，搜索顶点包含该点的三角形，将顶点不包含这一点的第三边两个顶点存入链表中，该边存入边链表中，并将该三角形从原网三角形链表中删除。再遍历原网边链表，寻找顶点包含该点的所有边并将其删除，然后将该点从原网点链表中删除。最后以新的点链表中所有点为离散点进行重新构网，就实现了基准站点删除的网络更新。在图3中临时停用名为“BTJJ”的基准站，重新更新基准站网得到的网络如图5所示。