基于CORS的公眾位置修正方法研究與實現(xiàn)

宋玉兵，彭樹標(biāo)，沈 飛，王 勇

（江蘇省測繪工程院，江蘇南京210013）

一、引 言

大眾對定位精度的要求越來越高，而普通手機(jī)GPS定位精度較低，一般在10～20 m左右。一些移動運營商利用通信技術(shù)進(jìn)行手機(jī)定位研究，如蜂窩基站定位、gpsOne定位等輔助定位技術(shù)(A-GPS)等。利用A-GPS技術(shù)可以縮短初始定位時間和解決GPS無法定位的情況，但對GPS定位精度提高不大，不能真正滿足公眾位置服務(wù)精確導(dǎo)航和行業(yè)應(yīng)用的要求。江蘇省已建成覆蓋全省的CORS系統(tǒng)［1］，站間距平均距離為40 km，為用戶提供高精度的實時定位服務(wù)，但要實現(xiàn)高精度的GPS定位往往需要專業(yè)級的GPS設(shè)備，本文提出了利用位置差分的方法，利用普通手機(jī)GPS等公眾非專業(yè)型設(shè)備進(jìn)行差分定位，代替價格昂貴的專業(yè)GPS手持設(shè)備。對土地巡查、車輛監(jiān)控、部件采集等一些對精度要求不太高的應(yīng)用，具有非常好的實用價值。

二、位置修正原理及技術(shù)實現(xiàn)

1.位置差分定位原理

GPS 絕對定位的誤差一般在20 m左右，為了得到更高的定位精度，一般采用差分 GPS技術(shù)(DGPS)［2］，DGPS方式按基準(zhǔn)站信息發(fā)送方式可分為3種方式:①偽距差分;②載波相位差分;③位置差分。第①種方式，將在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)計算出的距離和含有誤差的距離測量值進(jìn)行差值濾波求出其偏差，然后將所有衛(wèi)星的偽距修正量播發(fā)給用戶，用戶利用改正后的偽距來解算本身的位置，來消除公共誤差和提高精度。第②種差分方式又稱RTK技術(shù)，基準(zhǔn)站廣播觀測載波相位及測站坐標(biāo)信息，用戶需要處理大量的數(shù)據(jù)，對用戶端設(shè)備要求高。第③種差分方式，在基準(zhǔn)站上GPS接收機(jī)觀測4顆衛(wèi)星便可解算出基準(zhǔn)站坐標(biāo)，并與基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)比較得到位置改正量并播發(fā)給用戶進(jìn)行坐標(biāo)改正。這種差分方式實現(xiàn)簡單，對移動GPS設(shè)備硬件要求低，定位速度快，特別是普通手機(jī)GPS模塊大多集成度高不能輸出偽距，因此比較適合采用這種方式利用基準(zhǔn)站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星來消除基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差［4］，如衛(wèi)星軌道誤差、大氣影響等，來提高手機(jī)GPS定位精度。

本文采用CORS參考站作為位置差分觀測基站，每秒鐘解算基站位置并與該站長時間靜態(tài)解算的精確值進(jìn)行比較，得到每個站點的位置改正值。當(dāng)用戶有定位需求時，首先解析手機(jī)GPS的NEMA數(shù)據(jù)得到坐標(biāo)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到位置差分服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)用戶位置選取最近的3個基站，根據(jù)這3個基站的位置差分值進(jìn)行距離加權(quán)內(nèi)插該點的位置改正數(shù)，并將該點位置改正發(fā)給用戶進(jìn)行坐標(biāo)改正以獲得精確的定位結(jié)果。此時用戶和這3個參考站距離較近，一般不超過30 km，可以近似認(rèn)為用戶和這3個參考站觀測到共同的衛(wèi)星，兩者具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，可以消除定位主要誤差項(星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲)。另外，由于目前國內(nèi)公眾地圖一般都進(jìn)行了加密和加偏，使得定位點與地圖匹配精度差，因此也開發(fā)了相應(yīng)的坐標(biāo)糾偏和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)。系統(tǒng)技術(shù)流程圖如圖1。

2.地圖匹配技術(shù)實現(xiàn)

（1）地圖糾偏服務(wù)的實現(xiàn)

為了國家地圖保密的需要，國內(nèi)的公眾地圖(如google、百度等)一般帶有500 m左右的誤差。而由于這些地圖采用非線性算法加密，因此各地的偏移情況有所不同。本文為了提高疊合的顯示效果，對江蘇范圍內(nèi)覆蓋區(qū)域左下角(30，116)右上角(35.2，122)范圍按0.01經(jīng)緯度格網(wǎng)劃分求取格網(wǎng)點坐標(biāo)偏移量，建立坐標(biāo)偏移數(shù)據(jù)庫。由于這種格網(wǎng)糾偏值受格網(wǎng)密度影響且數(shù)據(jù)不連續(xù)，因此本文采用了距離加權(quán)糾偏算法來求取真實點的糾偏值。首先，根據(jù)真實坐標(biāo)點與臨近的4個糾偏點的距離，計算4個點糾偏數(shù)據(jù)對真實坐標(biāo)點糾偏結(jié)果的影像系數(shù)，再對4個點的糾偏數(shù)據(jù)乘以影像系數(shù)進(jìn)行加權(quán)得到糾偏結(jié)果。通過位置差分后的手機(jī)坐標(biāo)實地比對后，采集的坐標(biāo)與地圖匹配精度基本能保證在5 m之內(nèi)，基本滿足了高精度導(dǎo)航的要求。部分糾偏如表1所示。

圖1 位置修正系統(tǒng)流程圖

表1 地圖坐標(biāo)糾偏表

（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)的實現(xiàn)

由于不同的地圖可能采用的不同的坐標(biāo)系，而手機(jī)GPS只能輸出WGS-84坐標(biāo)系的經(jīng)緯度坐標(biāo)，這樣，位置差分定位系統(tǒng)實現(xiàn)多源地圖服務(wù)切換導(dǎo)航就需要實時將GPS的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換到地圖坐標(biāo)系，實現(xiàn)點位與不同坐標(biāo)系地圖的匹配。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)采用布爾莎七參轉(zhuǎn)換模型，利用覆蓋江蘇全省均勻分布控制點求取七參數(shù)，并將不同坐標(biāo)投影到空間直角坐標(biāo)系進(jìn)行七參轉(zhuǎn)換。

三、基于Android的定位平臺實現(xiàn)

Android是Google于2007年11月宣布的基于Linux平臺開源手機(jī)操作系統(tǒng)名稱，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件，并融合了GPS技術(shù)，支持GPS的應(yīng)用開發(fā)。本文基于Android開發(fā)的定位平臺實現(xiàn)不同地圖(Google影像、天地圖、ArcGIS本地緩存地圖)切換和漫游、地名查詢、軌跡記錄、相關(guān)設(shè)置等功能，系統(tǒng)中主要用到 GPS 模塊［3］。

1)LocationProvider:該類是定位提供者的抽象類，定位提供者具備周期性報告設(shè)備地理位置的功能。

2)LocationManager:該類提供訪問定位服務(wù)的功能，提供獲取最佳定位的一系列功能。

3)LocationLister:提供定位信息發(fā)生改變時的回調(diào)功能。

4)Criteria:該類使得應(yīng)用能夠通過在Location-Provider中設(shè)置相應(yīng)的屬性來選擇合適的定位提供者。

當(dāng)開啟定位功能后，為了實現(xiàn)用戶的快速定位，對于首次定位利用LocationManager先判斷網(wǎng)絡(luò)定位是否可用，若可用則先采用網(wǎng)絡(luò)定位。然后LocationLister監(jiān)聽定位信息發(fā)生的變化，根據(jù)定位時間和定位精度來比較是采用網(wǎng)絡(luò)定位還是GPS定位。當(dāng)采用GPS初始定位后，通過HttpPost組件封裝移動端GPS的經(jīng)緯度信息(B，L，H)進(jìn)行位置差分服務(wù)發(fā)送請求，服務(wù)器端根據(jù)用戶位置計算位置差分值傳回用戶端進(jìn)行修正。同時，若當(dāng)前地圖是加偏后的公眾地圖則調(diào)用糾偏服務(wù)，如果當(dāng)前地圖的坐標(biāo)系不是WGS-84坐標(biāo)系則調(diào)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，這樣就能保證高精度的定位點與所用地圖匹配的一致性。Google地圖定位匹配結(jié)果如圖2。

圖2 位置差分和地圖匹配結(jié)果

四、實例分析

本次試驗于2011年11月12日10點15分，利用Moto ME860手機(jī)共采集3個點位坐標(biāo)分別為江蘇省測繪地理局大樓樓頂 01(32°3'44.25″，118°45'4.67″)、河海大學(xué)校園操場西南角 02(32°3'33.13″，118°45'5.55″)、奧體中心西南十字路口 03(32°0'31.60″，118°43'23.20″)，采用 5 次測量取平均值，其中 01、02、03號點離 NJGT站點最近分別約2.87、2.72和7.03，它們獲取最近的基準(zhǔn)站點名稱(可用衛(wèi)星數(shù))分別為 NJGT(13)、NJPK(13)、NJLH(11)，采用RTK進(jìn)行點位采集并與差分后手機(jī)位置進(jìn)行了比較，差分后定位精度＜5 m，結(jié)果如表2。另外，通過加載Google國內(nèi)影像地圖進(jìn)行在北京西路斑馬線交叉處進(jìn)行比對，位置匹配精度基本能保證在5 m之內(nèi)。

表2 定位精度統(tǒng)計

五、結(jié)束語

本文通過CORS系統(tǒng)參考站實時數(shù)據(jù)流獲取和解算，利用周邊的參考站的信息和空間相關(guān)性，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化GPS位置差分服務(wù)和同等精度地圖匹配技術(shù)，并開發(fā)了基于Android的差分定位平臺。該平臺對普通手機(jī)能進(jìn)行位置改正，為高精度導(dǎo)航定位提出了一條解決途徑。由于通過位置差分方式提高普通GPS精度有限，如何利用現(xiàn)有資源為公眾提供低成本、高效率、高可靠性及中精度的位置服務(wù)，還有待于進(jìn)一步研究。

［1］ 宋玉兵，丁玉平，沈飛.JSCORS的建設(shè)與最新進(jìn)展［J］.測繪通報，2009(2):73-74.

［2］ 李傳華，孫禮軍，陸林濤.GPS手機(jī)的差分定位系統(tǒng)研究［J］.測繪科學(xué)，2012，37(3):50-51.

［3］ 劉勝前，陳立定，任志剛.基于 Android移動平臺和GPS應(yīng)用服務(wù)研究［J］.信息技術(shù)，2012(1):82-85.

［4］ 張淑芳，袁安存.位置差分GPS定位系統(tǒng)［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報，2002，28(S1):71-73.

［5］ 王永生.實時位置差分GPS的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994，12(13):356-358.

［6］ 廖華，馮 威，黃丁發(fā).中央差分定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2011，46(5):754-769.