嵌入式GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位方法

韓 嘯，潘樹國(guó)，趙 慶

(1. 東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096; 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

精密單點(diǎn)定位(precise point positioning,PPP)的基本原理是利用全球多個(gè)地面跟蹤站計(jì)算得到的GNSS精密衛(wèi)星軌道和精密衛(wèi)星鐘差，綜合考慮各項(xiàng)誤差的精確模型改正,使用載波相位觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)精確定位。該技術(shù)具有定位精度高、采集數(shù)據(jù)方便、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)[1]，是實(shí)現(xiàn)廣域精密定位的有效手段，具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前國(guó)際全球定位系統(tǒng)服務(wù)組織(Internation-nal GNSS Services，IGS)可基于NTRIP(network tr-ansport of RTCM over the Internet proto-col)協(xié)議[2]播發(fā)GPS和GLONASS實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息,用于實(shí)時(shí)PPP定位。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)初步形成導(dǎo)航定位服務(wù)能力[3]，武漢大學(xué)開發(fā)了廣域?qū)崟r(shí)精密定位的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)[4]，用戶可通過TCP協(xié)議實(shí)時(shí)接收GPS和BDS的實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息?；诖耍疚挠懻揋PS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位方法，采用無(wú)電離層組合觀測(cè)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星軌道鐘差及各項(xiàng)誤差，使用卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，然后在嵌入式平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)該算法；通過軟硬件集成研制出一套實(shí)時(shí)GPS/BDS雙系統(tǒng)高精度定位設(shè)備，并且經(jīng)過測(cè)試證明了該設(shè)備的可用性。

1 GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位算法

1.1 GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位模型

本文采用雙頻無(wú)電離層組合模型作為精密單點(diǎn)定位的觀測(cè)模型，可通過線性組合的方式消除電離層一階項(xiàng)的影響，其簡(jiǎn)化形式為

(1)

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與誤差處理方法

數(shù)據(jù)質(zhì)量是GNSS高精度定位的保障，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先需要剔除不健康衛(wèi)星和觀測(cè)值有粗差的衛(wèi)星，并且通過MW模型和GF模型進(jìn)行周跳探測(cè)[5]，對(duì)出現(xiàn)周跳衛(wèi)星的模糊度初始化。此外，還需剔除低高度角衛(wèi)星和處于地影區(qū)域的衛(wèi)星，通過這些處理，可以避免異常觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)PPP解算的不利影響。

影響PPP定位精度的因素主要包括衛(wèi)星軌道鐘差誤差、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星與接收機(jī)天線相位中心改正、衛(wèi)星天線相位纏繞、相對(duì)論效應(yīng)、多路徑效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)改正，以及地球固體潮和海洋潮。數(shù)據(jù)預(yù)處理和誤差處理的具體策略[6]見表1。

表1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和誤差處理策略

1.3 實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和鐘差計(jì)算

通過廣播星歷和實(shí)時(shí)軌道鐘差改正產(chǎn)品，可計(jì)算實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和鐘差，其中實(shí)時(shí)產(chǎn)品的播發(fā)采樣率為1 s。

實(shí)時(shí)軌道改正數(shù)是對(duì)廣播星歷計(jì)算的衛(wèi)星軌道星固系下切向、法向、徑向的修正[7],使用時(shí)需要將其轉(zhuǎn)成地固系下的改正值。轉(zhuǎn)換公式為

(2)

(3)

Xsat=Xbroadcast-dX

(4)

式中，r和v分別為通過廣播星歷計(jì)算的位置矢量和速度矢量；eA、ec、eR分別為衛(wèi)星軌道在切向、法向、徑向的單位向量；dA、dC、dR分別為衛(wèi)星軌道在切向、法向、徑向的修正值；dX為地固系中衛(wèi)星位置在X、Y、Z3個(gè)方向的修正值。根據(jù)廣播星歷計(jì)算得到的坐標(biāo)Xbroadcast和dX可得到實(shí)時(shí)精密軌道Xsat。

實(shí)時(shí)精密鐘差是通過實(shí)時(shí)鐘差改正數(shù)對(duì)廣播星歷計(jì)算的鐘差的修正獲取的[8]，公式為

Tsat=Tbroadcast+dt/c

(5)

式中，Tbroadcast為通過廣播星歷計(jì)算的鐘差；dt為實(shí)時(shí)鐘差改正數(shù)；c為光速；Tsat為修正后的實(shí)時(shí)精密鐘差。

選取單天的數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差，與最終星歷對(duì)比，可得實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差的精度。對(duì)于實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差精度，GPS優(yōu)于0.5 ns,BDS優(yōu)于1 ns。實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道精度見表2。

表2 衛(wèi)星軌道RMS值 cm

由表2可以看出，GPS的衛(wèi)星軌道精度優(yōu)于BDS；而BDS的IGSO和MEO衛(wèi)星明顯優(yōu)于GEO,尤其是切向。但實(shí)際定位中,相對(duì)于徑向、切向和法向的偏差對(duì)于定位精度影響較小，且切向的偏差在測(cè)站和衛(wèi)星連線方向的投影可被模糊度吸收[9]。因此，定位時(shí)仍使用BDS的GEO衛(wèi)星。

1.4 參數(shù)估計(jì)方法

假設(shè)某一歷元可以觀測(cè)到n顆GPS衛(wèi)星和m顆 BDS衛(wèi)星，可得到以下待估參數(shù)為

(6)

式中，待估參數(shù)依次為測(cè)站的三維坐標(biāo)、GPS接收機(jī)鐘差、BDS接收機(jī)鐘差、天頂對(duì)流層濕延遲和GPS與BDS所有衛(wèi)星的整周模糊度。給定系統(tǒng)狀態(tài)初值X0及均方差初值Q0,利用卡爾曼濾波不斷遞推下一個(gè)歷元的參數(shù)估計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件平臺(tái)包括ARM核心板，串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、直流電源模塊、衛(wèi)星OEM板卡和底板。ARM核心板由ARM芯片、SDRAM和Nand Flash組成，其中ARM芯片為ARM9系列的S3C2440A，是整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制中心。衛(wèi)星OEM板卡選用和芯星通的UB380，該型號(hào)板卡可以捕獲北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的B1/B2/B3、GPS的L1/L2的GLONASS L1/L2三系統(tǒng)7個(gè)頻點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)[10]，其硬件尺寸兼容市場(chǎng)主流GNSS OEM板卡。直流電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，可提供3.3 V/1 A和5 V/1 A的直流電源，其中3.3 V/1 A的直流電源將為衛(wèi)星OEM板卡和通信模塊提供電源電壓，5 V/1 A的直流電源為ARM核心板提供電源電壓。串口通信模塊的驅(qū)動(dòng)電路采用2驅(qū)動(dòng)器/2接收器的SP3232EEN芯片,用于數(shù)據(jù)通信鏈路的TTL電平與推薦標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換[11]。對(duì)于S3C2440處理器，共有3個(gè)獨(dú)立串口通道。其中，串口1用于和外部設(shè)備的通信，完成嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植和后期應(yīng)用程序的調(diào)試；串口2用于和衛(wèi)星OEM板卡進(jìn)行串口通信，獲取觀測(cè)電文和導(dǎo)航電文；串口3用于輸出定位結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于ARM處理器通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程TCP服務(wù)器進(jìn)行連接，獲取GPS/BDS實(shí)時(shí)軌道鐘差改正產(chǎn)品。以上各個(gè)模塊都組合在硬件平臺(tái)底板上，使每個(gè)模塊都可以穩(wěn)定工作。如圖1—圖3所示。

圖1 系統(tǒng)硬件

圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)好之后，向硬件平臺(tái)移植Linux操作系統(tǒng)。

圖3 嵌入式設(shè)備顯示界面

2.2 嵌入式實(shí)時(shí)PPP軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星OEM板卡的觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)軌道鐘差改正產(chǎn)品，完成了嵌入式GPS/BDS實(shí)時(shí)PPP軟件的設(shè)計(jì)。軟件流程[12-15]如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際測(cè)試過程中，可能會(huì)遇到遮擋環(huán)境，導(dǎo)致GPS衛(wèi)星數(shù)過少，GPS/BDS組合定位可以顯著增加定位衛(wèi)星數(shù)，減小PDOP值，改善定位衛(wèi)星的空間結(jié)構(gòu)。本文分別在靜態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)環(huán)境測(cè)試GPS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，見圖5—圖8，以及表3—表4。

圖5 GPS靜態(tài)PPP

圖6 GPS/BDS靜態(tài)PPP

圖7 GPS動(dòng)態(tài)PPP

圖8 GPS/BDS動(dòng)態(tài)PPP

m

表4 動(dòng)態(tài)PPP誤差RMS值 m

3.1 靜態(tài)測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試選擇已知測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，數(shù)據(jù)采樣率為1 s，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為6 h，分別取測(cè)試1 h以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差RMS值。通過該結(jié)果可以看到，GPS/BDS組合實(shí)時(shí)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位可達(dá)到平面優(yōu)于3 cm,高程優(yōu)于8 cm。相對(duì)于GPS實(shí)時(shí)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位，N方向提升了約1.2 cm，E方向提升了約0.5 cm，U方向提升了約0.5 cm。

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試通過車載方式進(jìn)行，數(shù)據(jù)采樣率為1 s,數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為150 min。以Inertial Explorer軟件事后解算的結(jié)果作為真值，同樣取測(cè)試1 h以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差RMS值。結(jié)果表明，GPS/BDS組合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位可達(dá)到平面優(yōu)于12 cm,高程優(yōu)于15 cm。相對(duì)于GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位，N方向提升了約3.8 cm，E方向提升了約2.0 cm，U方向提升了約2.3 cm,且收斂過程更為平滑。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文討論了利用實(shí)時(shí)軌道鐘差增強(qiáng)改正信息，實(shí)現(xiàn)GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的方法，并完成嵌入式便攜式設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)，可以使PPP實(shí)時(shí)高精度定位擺脫應(yīng)用場(chǎng)合的限制，具有重要的工程價(jià)值。

從本文的測(cè)試結(jié)果可以看到，在嵌入式設(shè)備上進(jìn)行GPS/BDS雙系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位時(shí)靜態(tài)可以達(dá)到平面優(yōu)于3 cm，高程優(yōu)于8 cm的定位精度；動(dòng)態(tài)可以達(dá)到平面優(yōu)于12 cm,高程優(yōu)于15 cm的定位精度。將來(lái)隨著GPS和BDS實(shí)時(shí)精密產(chǎn)品精度的提高,嵌入式GPS/BDS實(shí)時(shí)PPP的定位精度將得到進(jìn)一步提高和改善。

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