具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

在第一实施例中，本发明提供精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统，基于这种架构高精度导航系统可以在低成本(比如50美元)的导航终端设备上运行，从而可以提供可靠的高精度导航服务，比如定位精度要达到10厘米以内，进而支持自动驾驶的导航。

图1为本发明的高精度导航系统100在一个实施例中的结构示意图。所述高精度导航系统100包括导航终端设备102和导航服务器106。

所述导航终端设备102可以有很多个。所述导航终端设备102可以安装于机动车辆上，从而对所述机动车辆的驾驶导航，尤其是无人驾驶，进行高精度导航。所述导航终端设备102可以通过无线网络104与所述导航服务器106进行通讯。所述无线网络104可以是2G、3G、4G或5G网络，也可以是多个网络的组合，比如蓝牙+4G，Wifi+4G，Wifi+因特网+5G等等，本发明对于所述无线网络104的具体类型并无要求，只要能够支持稳定的通讯即可。

图2为本发明中的导航终端设备102在一个实施例中的结构示意图。所述导航终端设备102包括惯性传感单元210、卫星定位接收机220、处理模块230和无线传输模块240。所述惯性传感单元210得到惯性观测数据。所述惯性传感单元210包括加速度传感器211和陀螺仪212，所述惯性观测数据包括加速度传感器211得到的加速度传感数据和陀螺仪212得到的角速度传感数据。所述处理模块230对加速度传感数据和角速度传感数据进行计算得到惯性位置变化量δp_r和惯性速度变化量δv_r，基于先前惯性位置以及惯性位置变化量δp_r得到当前惯性位置，基于先前惯性速度以及惯性速度变化量δv_r得到当前惯性速度。所述卫星定位接收机220得到卫星观测数据，所述卫星观测数据包括伪距观测值、相位观测值和多普勒观测值。

在一个实施例中，所述无线传输模块230将所述卫星观测数据通过无线网络104传送出去。所述导航终端设备102可以是封装入一个盒子里的一个设备，也可以是封装入两个或多个独立盒子的两个或多个设备，这些设备联合运行实现所述导航终端设备102的作用。在实现时，所述无线传输模块240可以与其他模块位于同一个盒子里，也可以与其他模块位于不同的盒子里。

所述导航服务器106接收来自所述导航终端设备102的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络104传送回所述导航终端设备102，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度。

所述导航终端设备102的处理模块230以所述卫星导航位置为基准，结合当前惯性位置得到当前组合导航位置，以所述卫星导航速度为基准，结合当前惯性导航速度得到当前组合导航速度。所述卫星观测数据的样本率低于所述惯性观测数据的样本率，所述卫星观测数据的样本率是指每秒得到的卫星观测数据的个数，所述惯性观测数据的样本率是指每秒得到的惯性观测数据的个数。具体的，所述卫星观测数据的样本率通常为1-10，即每秒钟得到1-10个卫星观测数据，比如1，所述惯性观测数据的样本率为50-1000，即每秒钟得到50-1000个惯性观测数据，比如100。

在一个优选的实施例中，所述无线传输模块240还将所述惯性观测数据通过无线网络传送至所述导航服务器106，此时，所述导航服务器106结合所述惯性观测数据以及所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据。在另一个可替换的实施例中，所述无线传输模块240还将惯性位置变化量和惯性速度变化量通过无线网络传送至所述导航服务器106，所述导航服务器106结合惯性位置变化量、惯性速度变化量以及所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据。所述导航服务器104还可以根据所述惯性观测数据，或者惯性位置变化量和惯性速度变化量，得到姿态信息，所述导航服务器104将所述姿态信息也传回所述导航终端设备102以进行导航。

由于PPP/INS组合定位核心算法在所述导航服务器106上实现，导航终端设备102只需通过无线网络将观测数据回传至所述导航服务器106即可，在所述导航服务器106运算完毕后会将最终的卫星导航数据回传至所述导航服务器106。这样，在导航终端设备102上并不涉及定位相关的计算以及后面大计算量的数据处理，因此可极大程度上降低导航终端设备的计算能力和功耗要求，可以尽可能的降低所述导航终端设备102的成本。

本发明中的高精度导航系统100可以用于自动驾驶，也可以用于其他的高精度导航的其他应用。

所述高精度导航系统100可以支持GPS，GLONASS(格洛纳斯),GALILLEO(伽利略)以及BEIDOU(北斗)四个系统。

在一个实施例中，所述导航服务器106通过如下计算基于惯性位置变化量、惯性速度变化量以及所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据。图3为本发明中的导航服务器106在一个实施例中的结构示意图。

PPP观测值模型如下

公式(1),(2)和(3)中,P,L和D分别代表GNSS伪距,相位以及多普勒观测值；下标j和s分别频率和卫星PRN号；p为位置；v为速度；c为光速；t为钟差；r为接收机，d为伪距偏差；u为相位偏差；T为对流层延迟；I为电离层延迟；N为模糊度。△P和△L为伪距和相位的各项误差改正。ε为观测值误差。

对于GPS,GLONASS,GALILLEO以及BEIDOU四系统，PPP模型状态参数为：

INS的观测值模型为：

公式(5)-(7)中,S_g和S_a分别为陀螺仪和加速度计的系数误差；B_g和B_a分别为陀螺仪和加速度计的零偏。和分别为理论和实际角速度观测值；和f^b分别代表理论和实际加速度观测值；为INS坐标系至导航坐标系转换矩阵；为惯性系相对于ECEF坐标系的角速度；为ECEF坐标系相对于导航坐标系；gⁿ为导航坐标系下的重力加速度。为速度，位置以及坐标转换矩阵变化率。根据公式(7)，可以得到δp_r，δv_r从而得到当前时刻的位置速度:

p_r,INS＝p_r,k-1+δp_r,k (8)

v_r,INS＝v_r,k-1+δv_r,k (9)

紧组合观测值模型如下：

组合导航模型状态参数为:

在一个优选的实施例中，所述导航服务器106基于多个导航终端设备发来的卫星观测数据对高精度卫星状态空间改正SSR改正数据进行交互检测，以更正所述高精度卫星状态空间改正。所述导航服务器对一个或多个导航终端设备的卫星导航数据对另一个导航终端设备的卫星导航数据进行交互检测。具体应用情景如下：1)在电离层模型的基础上，如果区域内有终端设备位置收敛，可以计算该设备观测值对应的电离层斜方向延迟来检测和修正电离层模型；2)如果发现一个终端设备附近有另外一个终端设备数据回传至服务器，可以直接从精密点定位模式切换为RTK(Real time kinematic)模型加快位置信息收敛。

在一个优选的实施例中，所述导航服务器接收来自从其他数据源的RTCM格式的SSR改正数据，所述导航服务器基于所述SSR改正数据、来自导航终端设备的RTCM格式的卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据。

在一个实施例中，为了降低成本，所述导航终端设备102仅能提供单频的卫星观测数据，所述导航服务器106在基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据的过程中需要估计电离层延迟。优选的，所述导航服务器106在估计电离层延迟时采用全球电离层模型作为改正，来估计电离层斜方向延迟并对其进行约束进而估计得到电离层延迟，来保证精密点定位的定位精度和收敛时间。

所述采用全球电离层模型作为改正，估计电离层斜方向延迟并对其进行约束具体为：

其中，vtec为垂直方向电离层电子数；N,M分别为电离层球谐函数级数和阶数；C_nm和S_nm分别为球谐函数系数；λs为平均日固点经度；为电离层刺穿点纬度；κ_j为频率系数；为电离层投影系数，P_nm为整阶勒让德函数。

电离层延迟约束函数为，

在一个实施例中，所述导航服务器106在基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据的过程中需要进行模糊度固定。所述导航服务器106在模糊度固定时采用整周模糊度加权平均策略，在浮点模糊度达到预定精度后使用LAMBDA方法进行模糊度去相关以及整周模糊度组合搜索，并根据与搜索整周模糊度与其对应浮点模糊度的残差平方和计算该模糊度组合的权重，得到最优的n组模糊度组合及其权重计算加权平均模糊度，如果该加权平均模糊度与整数的插值小于预定阈值，比如0.001，直接将其固定。

在一个实施例中，所述导航终端设备102将卫星观测数据以1Hz的频率通过rtcm3格式发送至导航服务器106。所述导航终端设备102通过公式(5)-(7)计算，也将公(8)和(9)中的δp_r，δv_r发送给所述导航服务器。

所述导航服务器接收，解码卫星观测数据，广播星历，SSR改正和计算PPP所需的GNSS各项误差改正。

通过RTCM3解码后可以得到相应的信息，除了卫星轨道和钟差以外，其他信息具体对应的改正可以在公式(1)-(3)中找到。

RTCM3轨道钟差改正信息如下：

Δ_SSR(IODE,t₀)＝(δO_r,δO_a,δO_c,δO′_r,δO'_a,δO′_c,C₀,C₁,C₂) (15)

公式(15)-(17)中δO_r,δO_a,δO_c,δO′_r,δO'_a,δO′_c,C₀,C₁,C₂分别为径向，切向和法向轨道改正以及改正数变化率，钟差改正以及改正速率和加速度。

δt＝C₀+C₁(t-t₀)+C₂(t-t₀)² (18)

Δt_s＝Δt_b-δt/c (19)

然后通过公式(1)-(14)计算获取用户位置，速度，时间，姿态信息，GNSS相关状态信息(大气误差，浮点模糊度等)以及INS相关状态信息(加速计和陀螺仪偏差和尺度因子等)。在得到可靠的浮点模糊度之后，采用上述的整周模糊度加权平均策略更新模糊度。得到更新模糊度后的结果。

根据本发明的另一个方面，本发明可以实现为一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航方法。所述高精度导航方法包括：导航终端设备的惯性传感单元得到惯性观测数据，所述惯性观测数据包括加速度传感数据和角速度传感数据，导航终端设备的处理模块对加速度传感数据和角速度传感数据进行计算得到惯性位置变化量和惯性速度变化量，基于先前惯性位置以及惯性位置变化量得到当前惯性位置，基于先前惯性速度以及惯性速度变化量得到当前惯性速度；导航终端设备的卫星定位接收机得到卫星观测数据，所述卫星观测数据包括伪距观测值、相位观测值和多普勒观测值；导航终端设备的无线传输模块将所述卫星观测数据通过无线网络传送出去；导航服务器接收来自所述导航终端设备的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络传送回所述导航终端设备，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度，其中所述导航终端设备的处理模块以所述卫星导航位置为基准，结合当前惯性位置得到当前组合导航位置，以所述卫星导航速度为基准，结合当前惯性导航速度得到当前组合导航速度，所述卫星观测数据的样本率低于所述惯性观测数据的样本率，所述卫星观测数据的样本率是指每秒得到的卫星观测数据的个数，所述惯性观测数据的样本率是指每秒得到的惯性观测数据的个数。

关于高精度导航方法的相关实现细节可以参考上文的高精度导航系统，此处不再重复了。

在上文高精度导航系统的基础上，在第二实施例中，本发明还提出了一种电离层延迟模型系统，所述电离层延迟模型系统包括导航服务器106和所述导航终端设备102和导航服务器106。上文中高精度导航系统中的导航服务器106和所述导航终端设备102的相关技术可以沿用到电离层延迟模型系统，这里就不再重复了。这里主要介绍所述电离层延迟模型系统相对于所述高精度导航系统的差别。

需要知道的是，所述导航服务器106在计算所述导航终端设备102的卫星导航数据的过程中计算得到所述导航终端设备对应的电离层斜向延迟。如图3所示的，所述导航服务器106还包括卫星导航参考站筛选模块310和电离层延迟模型处理模块320。所述卫星导航参考站筛选模块320从多个导航终端设备102中筛选出部分导航终端设备作为卫星导航参考站，所述电离层延迟模型处理模块320利用作为卫星导航参考站的导航终端设备102对应的已计算得到的电离层斜向延迟对导航卫星进行电离层延迟模型建模和更新，得到所述导航卫星的实时的电离层延迟模型。在电离层延迟模型建模时，优先使用改进的球谐函数分析模型建模。

这样，本发明不需要花大成本去设置专门的卫星导航参考站，此外随着高精度导航系统的推广，所述导航终端设备102可以是几万、几十万、上百万台，从中可以选择众多的卫星导航参考站，卫星导航参考站的数量和密度可以大大的提供，这样可以得到高精度和高可靠性的电离层延迟模型。

在一个优选的实施例中，所述卫星导航参考站筛选模块310可以通过如下操作从多个导航终端设备102中筛选出部分导航终端设备作为卫星导航参考站：将定位精度高于预定精度阈值和/或模糊度固定率高于预定固定阈值的导航终端设备确定为候选卫星导航参考站；将候选卫星导航参考站对应的已计算得到的电离层斜向延迟与利用当前电离层延迟模型计算得到的该候选卫星导航参考站的电离层斜向延迟进行比较，如果两者差值小于预定差值阈值，则将该候选卫星导航参考站作为卫星导航参考站。可见，定位精度高的导航终端设备可能被确定为候选卫星导航参考站，而定位精度低的导航终端设备不会被确定为候选卫星导航参考站，定位精度可以从导航终端设备的卫星导航数据中得到。模糊度固定率高(即模糊度波动小且接近整数)的导航终端设备可能被确定为候选卫星导航参考站，而模糊度固定率低(即模糊度波动大且不接近于整数)的导航终端设备不会被确定为候选卫星导航参考站。另外，如果候选卫星导航参考站对应的已计算得到的电离层斜向延迟(导航服务器计算得到的电离层斜向延迟的值)与利用当前电离层延迟模型计算得到的该候选卫星导航参考站的电离层斜向延迟的差值大于预定差值阈值，说明该候选卫星导航参考站对应的已计算得到的电离层斜向延迟不适合用于电离层延迟模型的建模，放弃该候选卫星导航参考站。

优选的，在从多个导航终端设备中筛选出部分导航终端设备作为卫星导航参考站时，所述卫星导航参考站筛选模块310确定该卫星导航参考站的精度因子，该精度因子决定在电离层延迟模型中对该卫星导航参考站的数据的信赖程度，该精度因子该卫星导航参考站的电离层斜向延迟、接收机类型和/或动态情况有关。比如，所述卫星导航参考站的电离层斜向延迟与利用当前电离层延迟模型计算得到的该卫星导航参考站的电离层斜向延迟的差值越小，精度因子越高，再比如卫星接收机属于高精度的卫星接收机，那么其精度因子也越高，再比如静止的导航终端设备的精度因子可以高于高速运动的导航终端设备的精度因子。

在一个优选的实施例中，卫星导航参考站筛选模块310选取预定数量的导航终端设备102对应的已计算得到的电离层斜向延迟用作所述电离层延迟模型的评估，这些导航终端设备对应的已计算得到的电离层斜向延迟不参与所述电离层延迟模型的建模，通过所述预定数量的导航终端设备对应的已计算得到的电离层斜向延迟与利用当前电离层延迟模型计算得到的这些导航终端设备的电离层斜向延迟的比较来实时评估电离层延迟模型精度以及完好性。用不参与所述电离层延迟模型的建模的导航终端设备对所述电离层延迟模型进行评估，评估结果才更为可靠和可信。

在一个优选的实施例中，所述导航服务器基于所述卫星观测数据计算所述导航终端设备的卫星导航数据时，选择所述导航终端设备周边的最优卫星导航参考站并启动RTK(实时动态定位)模式加速得到所述导航终端设备的卫星导航数据。由于在选择了所述导航终端设备周边的最优卫星导航参考站，因此在计算所述导航终端设备的卫星导航数据时可以启动RTK模式，这样加速了位置收敛速度，同样也能够提高位置定位精度。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种电离层延迟模型建模方法，其包括：导航服务器接收来自多个导航终端设备的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络传送回所述导航终端设备，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度，在计算所述导航终端设备的卫星导航数据的过程中计算得到所述导航终端设备对应的电离层斜向延迟；从多个导航终端设备中筛选出部分导航终端设备作为卫星导航参考站；利用作为卫星导航参考站的导航终端设备对应的已计算得到的电离层斜向延迟对导航卫星进行电离层延迟模型建模和更新，得到所述导航卫星的实时的电离层延迟模型。

在一个优选的实施例中，通过如下操作从多个导航终端设备中筛选出部分导航终端设备作为卫星导航参考站：将定位精度高于预定精度阈值和/或模糊度固定率高于预定固定阈值的导航终端设备确定为候选卫星导航参考站；将候选卫星导航参考站对应的已计算得到的电离层斜向延迟与利用当前电离层延迟模型计算得到的该候选卫星导航参考站的电离层斜向延迟进行比较，如果两者差值小于预定差值阈值，则将该候选卫星导航参考站作为卫星导航参考站。优选的，在从多个导航终端设备中筛选出部分导航终端设备作为卫星导航参考站时，还确定该卫星导航参考站的精度因子，该精度因子决定在电离层延迟模型中对该卫星导航参考站的数据的信赖程度，该精度因子该卫星导航参考站的电离层斜向延迟、接收机类型和/或动态情况有关。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。