BDS+GPS手持機支持下的網(wǎng)格偽距差分定位

周萬振,秘金鐘,李得海,方書山,張晶晶,陳 振,張 濤

(1. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590; 2. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830; 3. 四川省第一測繪工程院，四川 成都 610100; 4. 青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266000)

BDS+GPS手持機支持下的網(wǎng)格偽距差分定位

周萬振1,2,秘金鐘2,李得海2,方書山2,張晶晶3,陳 振4,張 濤1,2

(1. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590; 2. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830; 3. 四川省第一測繪工程院，四川 成都 610100; 4. 青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266000)

我國各省CORS站建設(shè)逐步完善，以及我國BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在亞太區(qū)域提供服務(wù)，促進(jìn)了BDS+GPS雙模融合偽距差分定位的研究和發(fā)展。目前，在PC機上偽距差分定位早已實現(xiàn)，且算法也已經(jīng)比較成熟，但在移動終端上進(jìn)行BDS+GPS雙模融合偽距差分定位向用戶提供服務(wù)方面還比較薄弱，針對這一問題，本文提出了將網(wǎng)格偽距差分定位算法嵌入到手持機，并且實現(xiàn)了手持機實時網(wǎng)格偽距差分定位。本文闡述了方法原理并進(jìn)行了車載試驗分析，結(jié)果表明，在與TBC軟件動態(tài)解算結(jié)果作為已知準(zhǔn)確值的外符合精度方面，手持機BDS+GPS雙模融合網(wǎng)格偽距差分定位結(jié)果的水平精度為0.522 1 m，在水平方向上可以達(dá)到亞米級定位精度。

手持機；網(wǎng)格中心點改正數(shù)；偽距差分；BDS+GPS雙模融合

隨著2012年多項北斗應(yīng)用示范項目的相繼啟動，中國北斗正在加速發(fā)展，作為一種高效快捷的終端定位服務(wù)設(shè)備，兼容性手持終端迎來了廣闊的應(yīng)用前景，如北斗船載和車載終端的研發(fā)、北斗船舶和車輛監(jiān)控管理運營服務(wù)平臺在亞太地區(qū)的構(gòu)建等[1-2]。

目前，中國北斗產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展離不開高精度的終端定位方法，為提高手持終端定位精度，本文利用網(wǎng)格偽距差分定位方法[3]，并采用BDS+GPS雙系統(tǒng)組合方式[4-6]，實現(xiàn)高精度手持終端定位系統(tǒng)。

1 網(wǎng)格偽距差分定位原理

網(wǎng)格偽距差分定位是基于網(wǎng)格虛擬參考站的偽距差分定位，它是將CORS網(wǎng)所覆蓋區(qū)域通過一定方法(如單位間隔的經(jīng)緯線)劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，網(wǎng)格中心點的位置即為虛擬參考站所在位置，利用相應(yīng)改正數(shù)內(nèi)插模型生成網(wǎng)格中心點偽距改正值，用戶需要進(jìn)行單點定位確定自己所在網(wǎng)格，并利用所在網(wǎng)格偽距改正數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)偽距差分定位。

移動終端網(wǎng)格偽距差分定位的主要技術(shù)路線如圖1所示。服務(wù)器端需要布設(shè)網(wǎng)格改正數(shù)生成系統(tǒng)，首先通過IP/端口連接各CORS站，以接收CORS站導(dǎo)航電文和觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)而由改正數(shù)生成系統(tǒng)通過算法選擇離網(wǎng)格中心點附近的CORS站并進(jìn)行時間匹配，根據(jù)相應(yīng)的改正數(shù)內(nèi)插模型生成網(wǎng)格改正數(shù)信息，然后按照RTCM3.2格式進(jìn)行編碼[7-8]，使得改正數(shù)實時播發(fā)[9]；移動終端首先需要進(jìn)行串口設(shè)置來接收實時觀測值數(shù)據(jù)流[10]，通過IP/端口設(shè)置連接服務(wù)器，接收網(wǎng)格差分改正數(shù)數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼，然后通過單點定位粗略確定流動站的位置，確定其所在的網(wǎng)格，獲取所需網(wǎng)格改正數(shù)信息，進(jìn)而利用改正數(shù)信息，實現(xiàn)移動終端實時差分定位服務(wù)。

圖1 網(wǎng)格偽距差分技術(shù)路線

1.1 網(wǎng)格中心點改正數(shù)生成模型

BDS+GPS雙模融合偽距差分定位系統(tǒng)，其空間部分由地球靜止軌道衛(wèi)星(geostationary orbit,GEO)、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(inclined geosynchronous orbit,IGSO)和中圓地球軌道衛(wèi)星(medium earth orbit,MEO)3類衛(wèi)星組成；地面部分是由n個基準(zhǔn)站Bi、經(jīng)緯線劃分的等間距規(guī)則網(wǎng)格Gk和流動站M組成，其中M位于某一網(wǎng)格G0中，如圖2所示。

基準(zhǔn)站Bi到第j顆衛(wèi)星的偽距觀測方程表示為

(1)

圖2 網(wǎng)格中心點偽距差分定位示意圖

(2)

式中，(Xj，Yj，Zj)為衛(wèi)星j發(fā)射信號時刻的三維坐標(biāo)；(XBi，YBi，ZBi)為基準(zhǔn)站Bi的已知三維坐標(biāo)。

(3)

式中，dtBi為計算所得接收機鐘差；δtBi為剔除鐘差后的基準(zhǔn)站Bi鐘差殘差。

(4)

式中，ai為基準(zhǔn)站Bi偽距改正數(shù)的內(nèi)插系數(shù)。這里以反距離權(quán)重插值法[11-12]為例進(jìn)行說明，其數(shù)學(xué)模型如下

(5)

由式(5)可知，ai滿足以下條件

(6)

(7)

1.2 流動站偽距差分定位模型

流動站M偽距觀測方程[13]可表示為

(8)

(9)

式中，消除了流動站M至衛(wèi)星j的鐘差tj。

在一定空間范圍內(nèi)，基準(zhǔn)站與流動站的大氣誤差(電離層、對流層延遲)和衛(wèi)星星歷誤差具有空間相關(guān)性，通過差分可以大大削弱這些誤差[14]，即

(10)

(11)

由式(11)可以直觀地看出，利用網(wǎng)格中心點偽距改正數(shù)修正的流動站M偽距觀測值消除了衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星星歷誤差和大氣誤差，但引入了基準(zhǔn)站接收機的鐘差和隨機誤差。

將tM,B(流動站M接收機BDS系統(tǒng)鐘差)、tM,G(流動站M接收機GPS系統(tǒng)鐘差)和流動站坐標(biāo)(XM,YM,ZM)設(shè)為5個未知參數(shù)，利用已修正的偽距觀測值構(gòu)建觀測方程。令流動站M的初始概略坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0)，對應(yīng)的改正項為(δx,δy,δz)，通過泰勒級數(shù)展開對偽距觀測方程進(jìn)行線性化[15]，線性化后的誤差方程可表示為

V=AδX-LP

(12)

式中，P為BDS、GPS系統(tǒng)在融合系統(tǒng)中的權(quán)比分配；

δX=(ATPA)-1ATPL

(13)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

本次試驗區(qū)域為四川省境內(nèi)，如圖3所示，利用21個基準(zhǔn)站生成網(wǎng)格中心點改正數(shù)，網(wǎng)格起始緯度為北緯29°30′，起始經(jīng)度為東經(jīng)103°30′，緯度和經(jīng)度間隔都為0.5°，緯度自北緯29°30′至北緯31°30′，分成4條緯度帶，經(jīng)度自東經(jīng)103°30′至東經(jīng)105°30′，分成4條經(jīng)度帶，以此可劃分為16個網(wǎng)格。網(wǎng)格編號自左下角開始，按“從左到右、從下到上”原則，依次為1,2，…，16。

圖3 網(wǎng)格與基準(zhǔn)站位置分布及測試路線

車載實時動態(tài)偽距差分測試采用零基線方式，將1臺接收機天線通過吸頂安放到汽車的頂部，天線通過功分器分流，連接1臺Trimble R9接收機和1臺華辰CC20手持機。Trimble R9接收機采集原始數(shù)據(jù)，利用TBC軟件進(jìn)行基線處理，將處理得到的結(jié)果用來評定手持機實時偽距差分定位精度。其中，本次跑車線路跨越4個網(wǎng)格，圖3中灰色線段表示本次跑車試驗的實際線路。

為了分析手持機實時網(wǎng)格偽距差分定位的精度，將R9采集的數(shù)據(jù)，使用TBC軟件解算后獲得的坐標(biāo)作為準(zhǔn)確值；將終端手持機實時差分定位結(jié)果每歷元以準(zhǔn)確坐標(biāo)為原點建立站心坐標(biāo)系，求得實時網(wǎng)格偽距差分解算結(jié)果N、E和U方向的殘差，圖4所示為手持機實時網(wǎng)格偽距差分解算結(jié)果N、E和U方向殘差的時間序列。

由圖4可以求出N、E和U方向偏差的單位權(quán)中誤差，從而可以用來反映手持機實時偽距差分定位的精度。實時網(wǎng)格偽距差分定位結(jié)果在N、E和U方向偏差的單位權(quán)中誤差見表1，解算率統(tǒng)計見表2。

表1 車載動態(tài)實時網(wǎng)格偽距差分N、E和U方向偏差單位權(quán)中誤差統(tǒng)計 m

圖4 實時網(wǎng)格偽距差分定位N、E和U方向殘差時間序列

由表1可知，手持機實時網(wǎng)格偽距差分定位水平方向的定位精度為0.522 1 m，從一定意義上來說，達(dá)到了亞米級精度；在高程方向的定位精度為1.259 0 m，其中高程精度有待提高。

表2 車載動態(tài)實時網(wǎng)格偽距差分解算率統(tǒng)計

由表2可知，網(wǎng)格偽距差分定位實時解算率在91.54%左右，具有一定的穩(wěn)定性，但仍然存在丟包現(xiàn)象，造成丟包現(xiàn)象的原因有以下3個方面：①流動站端接收機由于各方面原因無法接收到衛(wèi)星信號，因而無法采集觀測數(shù)據(jù)，造成丟包現(xiàn)象發(fā)生，如高架橋、廣告牌會造成遮擋；②網(wǎng)格差分定位方法是基于CORS網(wǎng)進(jìn)行試驗的，每一歷元數(shù)據(jù)的解算都需要進(jìn)行基準(zhǔn)站匹配和流動站匹配，試驗過程中如果有一個基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題或CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題，差分定位都將無法進(jìn)行，從而造成丟包現(xiàn)象發(fā)生；③數(shù)據(jù)處理中心播發(fā)的改正數(shù)據(jù)需要通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果無線網(wǎng)絡(luò)不通暢，改正數(shù)據(jù)不能被流動站及時接收和使用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延遲時通常無法及時進(jìn)行歷元匹配而造成丟包現(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié)束語

在與TBC動態(tài)解算結(jié)果的外符合精度測試方面，手持機BDS+GPS雙模融合系統(tǒng)網(wǎng)格偽距差分定位結(jié)果的水平精度為0.522 1 m，在水平方向上可以達(dá)到亞米級定位精度，高程精度有待提高；另外，手持機BDS+GPS雙模融合網(wǎng)格偽距差分定位實時解算率達(dá)到91.54%，具有一定的穩(wěn)定性。

綜上所述，手持機網(wǎng)格偽距差分方法具有相當(dāng)?shù)木取⒎€(wěn)定性和可靠性。后續(xù)需研究的問題包括：一是改進(jìn)網(wǎng)格改正數(shù)的生成和播發(fā)；二是進(jìn)一步提高車載網(wǎng)格偽距差分定位的穩(wěn)定性和可靠性；三是提高手持機實時網(wǎng)格偽距差分定位的高程精度。

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Research of Grid Pseudo-range Differential Positioning Based on BDS+GPS Handset

ZHOU Wanzhen1,2，BEI Jinzhong2，LI Dehai2，F(xiàn)ANG Shushan2，ZHANG Jingjing3，CHEN Zhen4，ZHANG Tao1,2

(1. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Chinese Academic of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China; 3. Sichuan No.1 Surveying and Mapping Engineering Institute, Chengdu 610100, China;4. Qingdao Surveying and Mapping Research Institute, Qingdao 266000, China)

The construction of CORS stations in China has been gradually improved and China’s BDS satellite navigation system has provided services in the Asia-Pacific region. So the integration of BDS/GPS dual-mode pseudo-range differential positioning research and development is promoted. Now the pseudo-range differential positioning based on personal computer has been realized and the algorithm has also been relatively mature, but the technology based on mobile terminal to provide users with services is still relatively weak. Considering this deficiency, the grid pseudo-range differential positioning algorithm embedded in the handset was proposed, and this thought was achieved. In this paper the principle of this method was introduced and the vehicle test was analysed. Compared with the dynamic TBC results which known as true value, the results showed that the external accord accuracy of test data was 0.522 1 m and could achieve sub-meter accuracy on the horizontal direction.

handset； the grid center corrections； pseudo-range differential； BDS/GPS dual-mode fusion

周萬振,秘金鐘,李得海,等.BDS+GPS手持機支持下的網(wǎng)格偽距差分定位[J].測繪通報，2017(2)：1-5.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0037.

2016-06-29

國家自然科學(xué)基金(41304030)；科技部863計劃(2015AA124001)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0502105;2016YFB0501801)；北斗分析中心(GFZX0301040308-06)；中國測繪科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(7771604)；國家測繪地理信息局科技項目(2016KJ0200)；四川省北斗實時亞米級智能位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究項目(2016KJ0205)

周萬振(1991—)，男，碩士生，主要研究方向為GNSS差分定位。E-mail：wzzhou530@163.com

P228.4

A

0494-0911(2017)02-0001-05