一种高精度RTK-GNSS差分信号模拟器系统和基点部署方法与流程

一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统和基点部署方法
技术领域
1.本发明涉及rtk差分信号模拟技术领域，具体涉及一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统和基点部署方法。


背景技术：

2.全球卫星定位系统(gnss)已经成为现代定位导航的核心技术，目前主要有美国的gps、俄罗斯的glonass、欧洲的galileo和中国的北斗等四个卫星导航系统。这些系统都包括一组卫星、地面控制站和用户接收机。可以广泛应用于测绘、农业、建筑、地理信息系统等领域。然而，gnss信号在传播过程中会受到多种干扰，包括天气、地形、建筑物等,导致多径效应的出现。在到达接收机之前反射、折射或衍射多次，形成了多条信号路径，使得接收机接收到的信号来自多个信道。这些不同信道的信号之间存在相位差异，导致定位精度降低；还可能引起信号强度的突变，从而导致gnss定位的不稳定性，进而影响定位的精度和可靠性。为了解决上述问题，rtk技术应运而生。为实现高精度定位，rtk技术被应用于接收机中即rtk接收机，通过多个gnss信号的处理和消除多径效应，实现了高精度的定位。
3.随着技术的发展，rtk接收机已广泛应用于建筑、测绘、农业、交通运输等领域。未来，伴随着技术的不断更新和应用场景的不断拓展和复杂多样化，rtk接收机的性能和应用将进一步提高和扩大。因此rtk接收机需要结合不同的算法，满足在不同复杂环境下的高精度定位；在研发测试阶段，进行rtk技术性能评估和算法研究时，由于缺乏真实环境下的差分信号的支持，需要到户外测试，极大的延长了算法的研发进程。因此一台可以模拟真实的信号接收情况，提供更真实的实验环境的四大导航系统的rtk-gnss差分信号的模拟器显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统和基点部署方法，提出一种多核多线程cpu+pcie+fpga的全新硬件架构，用于解决传统模拟器使用单核单线程架构无法实现gnss差分信号的生成；提出基于移动点运行轨迹的基点部署算法，解决基点部署问题；提出采用多核多线程高频处理器，可同时高速并行处理四星差分信号的数据，解决传统卫星信号模拟设备同时只能模拟少量频点和数据处理速度低效局限性；可在封闭场所提供全天候的全星全频点的卫星差分信号，解决了传统rtk差分定位设备测试环境局限性问题。
5.根据本技术实施例的一个方面，一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统主要包括以下部分：
6.上位机控制模块：用于基点位置设定、移动点运动状态和位置的设定、rtk-gnss差分信号模拟器的四星星历的更换和制作、场景文件回溯和制作、基点数据编码协议设置、卫星功率设置以及基本的数据可视化等功能；
7.导航数据编码中心：导航数据编码中心具有多核性质可同时执行gnss系统中多个
频点的r_gnss点可视卫星数字数据和b_gnss可视卫星的差分数据计算，并按照设置进行编码、反馈实时数据给上位机控制模块以及通过pcie与信号生成模块进行数据的交互；
8.信号生成模块：产生中断信号以及移动点的导航信号。
9.所述上位机控制模块和导航数据编码中心在不同的处理核中，数据交互采用ipc核间通信协议；当数据通过上位机下发到。
10.所述导航数据编码中心与上位机控制模块相连，导航数据编码中心连接信号生成模块和网络通信或串口模块，信号生成模块连接rf模块，rf模块连接发送天线。
11.在一个可能的实现方式中，所述上位机控制模块运行在其软件处理核，包括以下进程：场景文件制作进程包括信号频点设置、基点位置部署、移动点轨迹设置、差分信号模拟器仿真持续时间设置、基点的差分数据的编码格式设置、星历文件更替；信号功率设置进程、数据可视化进程以及场景文件选择进程；
12.所述场景文件制作进程，包括：
13.北斗、gps、glonass、galileo民用频点的选择；
14.所述的基点位置部署包括：
15.根据移动点的轨迹起点终点的大地地理位置坐标、最大差分距离以及瞬间位置计算出满足移动点运行轨迹的基点的部署分布坐标；
16.所述移动点运动轨迹部署包括：
17.需设置仿真持续时间，移动速度、轨迹起点终点的大地地理位置坐标以及最大差分距离；
18.所述基点的差分数据的编码格式设置包括：
19.可选择rtcm2、rtcm3、novatel oem6、novatel oem3、u-blox、superstar ii、hemisphere、skytraq、gw10、javad、nvs binr、binex、trimble rt17、septentrio、cmr/cmr+、tersus等编码协议；
20.所述卫星功率设置进程包括：
21.可实时更改当前所有频点信号的功率或单个频点指定卫星的频点；
22.所述场景文件选择进程，包括：
23.可回溯选择历史配置好的场景文件；
24.上位机软件可视化进程包括：
25.人机交互实时查看频点可视卫星分布、移动点状态等。
26.在一个可能的实现方式中，所述导航数据编码中心包括基点数据处理核(b核)、移动点数据处理核(r核)、基点数据编码核、移动点数据交互核以及信号生成设备定时更新中断；其中，信号生成设备定时更新中断模块并行连接1-n个b核和r核；1-n个b核连接基点数据处理核；1-n个r核连接移动点数据交互核；
27.所述的基点或移动点数据处理核包括：
28.在进行基点或移动点数据处理时，不同频点使用不同的核，数据处理完成后，通过ipc传递数据到对应的基点数据编码核和移动点数据交互核；所述数据处理包括以下进程和中断任务：导航数据更新进程、dds数据更新中断和导航电文子帧控制中断。
29.所述的导航数据更新进程包括：
30.执行轨迹更新线程、基点部署坐标更替线程、星历更新线程以及导航电文编码线
程；
31.所述dds数据更新中断包括：
32.更新控制导航信号生成模块的载波频率控制字、码控制字等参数；
33.导航电文子帧控制中断包括：
34.更新导航电文第一子帧到第五子帧的编码顺序。
35.所述的基点数据编码核包括：
36.接收通过ipc核间通信由b核传递的数据，当外输数据输出中断被触发后，该核开始对不同频点的导航数据按照设置的编码协议格式进行编码，并把编码好的数据进行缓存，同时通过网络通信或者串口把编码后的数据传递给rtk差分平台；
37.所述的移动点数据交互核包括：
38.接收通过ipc核间通信由r核传递的仿真频点的数据，对不同频点的导航信号的dds数据和导航电文数据进行统一打包，通过pcie高速串行通信传递给信号生成设备，用于仿真信号的生成。
39.在一个可能的实现方式中，信号生成模块包括：
40.使用fpga作为并行处理器，负责生成多频点多通道的移动点的可视卫星中频信号，经rf模块产生导航信号；控制dds数据更新中断、导航电文子帧控制中断以及基点编码数据输出的中断信号的产生。
41.本发明还提供一种基点位置部署的方法，主要步骤如下：
42.步骤一：移动点的起点和终点的大地地理坐标转换成空间直角坐标；
43.步骤二：计算起点与终点的相对直线距离；
44.步骤三：根据最大差分距离对相对直线距离进行分组：
45.步骤四：计算起点与终点的空间直角坐标差；
46.步骤五：计算部署的每个基点坐标。
47.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
48.在rtk-gnss差分信号模拟器方面，提出了一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统和基点部署方法，本发明提出rtk-gnss差分信号模拟器依赖于一种多核多线程cpu+pcie+fpga的全新硬件架构，支持真实环境下的gnss信号和rtk差分信号模拟生成，功能多样化；提出基于移动点运行轨迹的基点部署算法，支持运动设备的差分信号模拟；提出导航数据编码中心采用多核多线程高频处理器，支持高速并行处理民用频点的差分信号的数据，可同时提供丰富的模拟信号频点；在封闭场所提供全天候的民用频点的卫星差分信号，减少rtk差分定位算法和设备的研发周期，降低研发成本。
附图说明
49.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
50.图1为本技术实施例提供的高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统和基点部署方法的整体结构示意图。
51.图2为本技术实施例提供的上位机和导航数据编码中心的结构示意图。
52.图3为本技术实施例提供的b/r单核的功能结构示意图。
53.图4为本技术实施例提供的基点部署流程示意图。
54.图5a～图5c为本技术实施例提供的使用rtklib差分定位xyz误差示意图。
55.图6为本技术实施例提供的使用rtklib差分定位基点与移动点相对距离d误差示意图。
56.图7为本技术实施例提供的使用rtklib可信度指数数值示意图。
具体实施方式
57.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
58.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
59.图1为本技术实施例提供的一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统和基点部署方法的整体结构示意图；图2为本技术实施例提供的上位机和导航数据编码中心的结构示意图，数据处理器以核为单位被划分成上位机控制模块处理核：主要与rtk-gnss差分信号模拟器进行数据交互；b核1-n和r核1-n分别是处理基点和移动点的对应的导航信号数据处理的核，每个核对应一个gnss频点；基点数据处理核：负责把b核1-n处理的导航数据进行rtcm、ublox等格式进行编码，然后通过网络或者串口通信协议进行数据传输，移动基点数据交互核：负责把r核1-n的对应频点的导航信号生成dds数据和导航电文进行打包通过pcie通信协议传输给信号生成单元；
60.1.所述上位机控制模块场景设置和选择的具体步骤为：
61.步骤一：使用上位机的进行场景的文件的选择，若没有满足仿真要求的场景文件，重新制作；
62.步骤二：卫星频点的选择:支持的北斗、gps、glonass、galileo民用频点；
63.步骤三：卫星星历选择：根据步骤二确认的gnss信号频点和仿真肇始时间选择对应频点对应的星历文件；
64.步骤四：移动点运动轨迹部署：包括设置仿真持续时间，移动速度、轨迹起点终点的大地地理位置坐标以及最大差分距离；
65.步骤五：基点部署：根据移动点的轨迹起点终点的大地地理位置坐标和最大差分距离计算出满足移动点运行轨迹的基点的部署分布坐标；
66.1)移动点的起点和终点的大地地理坐标转换成空间直角坐标：
67.[0068][0069][0070]
其中，b为大地坐标系的经度，l为大地坐标系的纬度，h为大地坐标系的高度，a为参考椭球的赤道半径，b为参考椭球的极半径，xyz为空间直角坐标系。
[0071]
2)计算起点与终点的相对直线距离d:
[0072][0073]
其中，起点坐标为(x1,y1,z1)，终点坐标为(xn,yn,zn)。
[0074]
3)根据最大差分距离m对相对直线距离d进行分组：
[0075][0076]
4)起点与终点的空间直角坐标差δx，δy，δz可表示为：
[0077][0078]
5)部署的每个基点坐标可表示为
[0079][0080]
其中x
bm
，y
bm
，z
bm
为基点部署的坐标。
[0081]
6)根据基点坐标部署公式生成n个坐标序列。
[0082]
步骤六：选择基点数据的编码格式，格式包括rtcm2、rtcm3、novatel oem6、
novatel oem3、u-blox、superstar ii、hemisphere、skytraq、gw10、javad、nvs binr、binex、trimble rt17、septentrio、cmr/cmr+、tersus等编码协议。
[0083]
步骤七：上述所有步骤完成后，由于数据量庞大，先放在缓存区间，并生成历史配置文件；
[0084]
步骤八：在配置文件生成后，通过ipc核间通信，下发给导航数据处理中心。
[0085]
2.所述导航数据编码中心具体步骤为：
[0086]
3.步骤一：在本实施例中，图3为本技术实施例提供的b/r单核的功能结构示意图，基点导航数据处理核即b核以及移动点导航数据处理核即r核接收上位机通过ipc核间通信传递的场景文件数据包括gnss仿真频点、卫星星历、仿真持续时间、移动点运动轨迹、基点部署序列，基点数据编码格式等数据，进行数据处理。
[0087]
步骤二：依次执行导航数据更新进程的任务包括：轨迹更新线程中的移动点轨迹更新；在本实施例中，图4为本技术实施例提供的基点部署流程示意图，基点部署坐标更替，移动点轨迹更新后，计算移动点与当前基点部署的坐标的绝对距离d，判断d是否超出设定的基点辐射范围，若超出，对基点部署序列进行更新，没超出，则保留原基部署；电离层和对流层误差模型更新；导航电文编码线程主要是根据设置频点对应的电文协议和中断任务2中的时间戳进行电文格式的数据编码；星历更新线程根据仿真时间和仿真的信号频点对应的星历更新周期进行星历更新。并把交互数据存放在共享空间中。
[0088]
步骤三：执行中断任务，导航信号dds数据更新中断任务，由信号生成器件中的dds数据更新定时模块产生中断io触发信号控制，主要功能包括可见星的星新旧添加和删除、伪距计算、电离层对流层误差矫正、载波相位、多普勒偏移以及仿真频点的nco；导航电文子帧控制中断任务负责仿真频点对应的导航电文数据帧的更新编码控制，由信号生成器件中电文定时模块产生中断io触发信号控制。
[0089]
步骤四：通过ipc核间通信把核中的所有存储在共享空间中的交互数据传递给对应的信息交互核。
[0090]
3.所述移动点数据交互核为：
[0091]
把对应仿真频点的数据通过ipc核间通信传递移动点数据交互核，该核对传递过来的不同频点的导航信号dds数据和导航电文数据进行统一打包，通过pcie高速串行通信传递给信号生成设备，用于仿真信号的生成。
[0092]
4.所述信号生成模块为：
[0093]
信号生成模块根据pcie传递的数据包，解析后，进行对应仿真频点的gnss射频信号生成，并空间传播给搭载了gnss接收机的rtk差分平台以及中断信号的生成。
[0094]
5.所述基点数据编码核为：
[0095]
b核把对应仿真频点的数据通过ipc核间通信传递给基点数据编码核，当外输数据输出中断被触发后，该核开始对不同频点的导航数据按照设置的编码协议格式进行编码，并把编码好的数据进行缓存，同时通过网络通信或者串口把编码后的数据传递给rtk差分平台。
[0096]
本发明使用权威的rtklib软件差分定位平台验证了系统提供的多频点差分信号的有效性图5a～图5c为本技术实施例提供的使用rtklib差分定位xyz误差示意图，移动点的定位坐标的x方向的误差在3.5mm附近，y方向误差在3.7mm附近，z方向误差在0mm附近；图
6为本技术实施例提供的使用rtklib差分定位基点与移动点相对距离d误差示意图，移动点差分定位的结果与实际坐标的相对距离误差d在5mm附近；图7为本技术实施例提供的使用rtklib可信度指数数值示意图，可信度一直维持在999，该数值越大，代表差分定位结果越精确。
[0097]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统，其特征在于，所述系统至少包括：上位机控制模块，用于基点位置部署、移动点运动状态和位置的设定、rtk-gnss差分信号模拟器的四星星历的更换和制作、控制模拟器模拟卫星的频点选择、场景文件回溯和制作、基点数据编码协议设置、卫星功率设置以及基本数据的可视化；导航数据编码中心，所述导航数据编码中心具有多核性质，可同时执行gnss系统中多个频点的r_gnss点可视卫星数字数据和b_gnss可视卫星的差分数据计算，并按照设置进行编码、反馈实时数据给所述rtk-gnss差分信号模拟器上位机以及通过pcie与信号生成模块进行数据的交互；信号生成模块，用于产生系统中断信号和移动点的导航信号；所述上位机控制模块和所述导航数据编码中心在不同的处理核中，数据交互采用ipc核间通信协议；所述导航数据编码中心与所述上位机控制模块相连，所述导航数据编码中心连接所述信号生成模块和网络通信或串口模块，所述信号生成模块连接至rf模块，所述rf模块连接发送天线。2.根据权利要求1所述的高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统，其特征在于，所述上位机控制模块运行在其软件处理核，包括以下进程：场景文件制作进程包括信号频点设置、基点位置部署、移动点轨迹设置、差分信号模拟器仿真持续时间设置、基点的差分数据的编码格式设置、星历文件更替，设置完成；信号功率设置进程、场景文件选择进程以及可视化进程；所述场景文件制作进程，包括：所述民用频点的选择：北斗、gps、glonass、galileo中的一种或多种的组合；所述的基点位置部署：根据移动点的轨迹起点终点的大地地理位置坐标、最大差分距离以及瞬间位置计算出满足移动点运行轨迹的基点的部署分布坐标；所述移动点运动轨迹部署：需设置仿真持续时间，移动速度、轨迹起点终点的大地地理位置坐标以及最大差分距离；所述基点的差分数据的编码格式包括rtcm2、rtcm3、novateloem6、novateloem3、u-blox、superstarii、hemisphere、skytraq、gw10、javad、nvs binr、binex、trimble rt17、septentrio、cmr/cmr+、tersus编码协议中的一种或多种的组合；所述卫星功率设置进程：可实时更改当前所有频点信号的功率或单个频点指定卫星的频点；所述场景文件选择进程：可回溯选择历史配置好的场景文件；软件可视化进程：人机交互实时查看频点可视卫星分布、移动点状态。3.根据权利要求1所述的高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统，其特征在于，所述导航数据编码中心包括基点数据处理核即b核、移动点数据处理核即r核、基点数据编码核、移动点数据交互核以及信号生成设备定时更新中断模块，其中，所述信号生成设备定时更新中断模块并行连接1-n个b核和r核；1-n个b核连接基点数据处理核；1-n个r核连接移动点数据交互核；所述基点数据处理核和所述移动点数据处理核的工作过程均包括：在进行基点或移动点数据处理时，不同频点使用不同的核，执行导航数据更新进程、dds数据更新中断和导航电文子帧控制中断，并把数据存于共享内存空间中，最后通过ipc传递数据到对应的基点数
据编码核和移动点数据交互核。4.根据权利要求3所述的高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统，其特征在于，所述导航数据更新进程包括执行轨迹更新线程、基点部署坐标更替线程、星历更新线程以及导航电文编码线程；所述dds数据更新中断更新控制导航信号生成模块的载波频率控制字、码控制字等参数；导航电文子帧控制中断更新导航电文第一子帧到第五子帧的编码顺序；所述的基点数据编码核的工作过程包括接收通过ipc核间通信由b核传递的数据；当外输数据输出中断被触发后，该核开始对不同频点的导航数据按照设置的编码协议格式进行编码，并把编码好的数据进行缓存，同时通过网络通信或者串口把编码后的数据传递给rtk差分平台；所述的移动点数据交互核的工作过程包括接收通过ipc核间通信由r核传递的仿真频点的数据，对不同频点的导航信号的dds数据和导航电文数据进行统一打包，通过pcie高速串行通信传递给信号生成模块，用于仿真信号的生成。5.根据权利要求1所述的高精度rtk-gnss差分信号模拟器系统，其特征在于，所述信号生成模块的工作过程包括使用fpga作为并行处理器，负责生成多频点多通道的移动点的可视卫星信号；控制dds数据更新中断、导航电文子帧控制中断以及基点编码数据输出的中断信号的产生。6.一种如权利要求1所述的基点位置部署的方法，其特征在于，所述方法至少包括：步骤一，移动点的起点和终点的大地地理坐标转换成空间直角坐标；步骤二，计算起点与终点的相对直线距离；步骤三，根据最大差分距离对相对直线距离进行分组：步骤四，计算起点与终点的空间直角坐标差；步骤五，计算部署的每个基点坐标。

技术总结
本发明提出了一种高精度RTK-GNSS差分信号模拟器系统和基点部署方法，涉及RTK差分定位技术领域。本系统主要包括：上位机控制模块和导航数据编码中心；上位机控制模块含基点位置部署、移动点状态设定、星历的更换、频点选择以及数据可视化等功能；导航数据编码中心具有多核性质，并行计算多个频点的移动点和基点的可视卫星数字数据、通过IPC反馈实时数据给上位机以及通过PCIE与信号生成模块进行数据的交互。本基点部署方法为：根据移动点的轨迹的大地地理位置坐标和最大差分距离，计算得到在该轨迹上分布的基点分布坐标。本发明解决了传统模拟器使用单核架构无法实现GNSS差分信号的生成、处理单频信号数据效率低和基点部署问题。题。题。


技术研发人员：孙希延 易首成 韦照川 李晶晶 李龙 贾茜子 付文涛 梁维彬 严素清
受保护的技术使用者：南宁桂电电子科技研究院有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/28