5G+北斗定位技術在自然資源管理中的應用研究

何龍祥 雷 斌 肖 鋒

（1.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450045；2.河南省測繪地理信息局，河南 鄭州 450003）

0 引言

國內(nèi)外學者對導航定位服務技術及設備進行了大量的研究工作，并取得較好的研究成果。目前，國內(nèi)外的導航定位設備可分為基于Global Positioning System（GPS）的導航定位設備、基于Galileo satellite navigation system（GALILEO）系統(tǒng)的導航定位設備、基于Global Navigation Satellite System（GLONASS）的導航定位設備以及基于北斗的導航定位設備。針對上述導航定位設備，諸多學者進行了相關研究，來增強相關導航技術及設備的精度與便攜性。Ishibashi等［1］研發(fā)了具有接收預定點信息的接收單元、顯示預定點信息的終端顯示單元和將預定點信息轉(zhuǎn)發(fā)給導航設備的轉(zhuǎn)發(fā)單元的移動終端。Str?mback等（2010）研發(fā)了一種腳踏式導航系統(tǒng)，通過使用IMU和UWB測距設備，能顯著提高導航精度。Gesmundo等［2］提出一種利用時域有限差分法（FDTD）來模擬電磁波傳播，并獲得訓練數(shù)據(jù)的方法，從而實現(xiàn)高精度定位。Karpik等［3］在GNSS設備和GLONASS地面基礎設施的基礎上，研發(fā)出定位導航信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)達到了分米級定位精度。國內(nèi)學者也積極展開相關技術研究，李旭等［4］結合導航定位技術和無線通信技術提出一種緊耦合融合的定位方法，研究結果表明，在工作受限的情況下，該方法在車輛連續(xù)、完整定位方面具有較好的效果。徐元等［5］基于無線載波通信技術，應用數(shù)據(jù)融合濾波器，提出一種利用參考節(jié)點和未知節(jié)點的距離平方來預估INS解算誤差的人員緊組合定位方法，從而實現(xiàn)對人員的精確定位。郭杰［6］提出采用OEM617D雙向定位板卡加Ellipse2-M1慣導模塊采集數(shù)據(jù)，并采用Emmc存儲體進行存儲數(shù)據(jù)的基于北斗導航定位的組合導航設備設計和實現(xiàn)方法。吳鵬等［7］為解決定位時復雜環(huán)境下多路徑效應的誤差影響，在Android平臺上應用GPS/北斗雙頻導航芯片，在不用輔助的前提下，實現(xiàn)了定位精度優(yōu)于1 m。蘇曉剛等［8］設計了GPS/SINS組合導航定位監(jiān)控系統(tǒng)，解決了慣性導航起算數(shù)據(jù)更新的問題，并在無衛(wèi)星信號的前提下，仍具有較好的定位精度和流暢性。

本研究基于北斗導航系統(tǒng)與Android移動智能平板一體化設備，針對北斗定位精度相對較低的現(xiàn)狀，采用支持CORS差分的高精度小尺寸板卡，同時解算BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四星系統(tǒng)，實現(xiàn)了厘米級定位精度，并將北斗定位技術應用到自然資源管理中，從而滿足自然資源管理的統(tǒng)計分析和巡查上報等需求。

1 CORS差分定位原理

5G網(wǎng)絡在定位覆蓋和數(shù)據(jù)播發(fā)方面具有較大的優(yōu)勢，可提供超大帶寬、超低時延及海量連接的通信能力，而北斗導航系統(tǒng)能提供高精度定位、精細化導航和精準度授時服務。在應用時通過衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)提供信號，利用5G網(wǎng)絡便攜設備將二者進行有機融合，從而實現(xiàn)移動端的高精度定位［9-11］。

1.1 差分定位法

在使用差分定位時，影響定位精度的因素有衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差，以及傳播路徑上的電離層延遲誤差和對流層延遲誤差。為了能有效消除或削弱上述誤差，提高定位精度，可采用兩個基站同步進行觀測，利用站間差分來提高定位精度。

在已知基準站坐標時，移動端便可完成差分定位，其數(shù)學模型見式（1）。

式中：ε為觀測噪聲；A為系數(shù)矩陣；x為未知參數(shù)矩陣；L為常數(shù)矩陣；ΔL為改正數(shù)常數(shù)矩陣。

通過最小二乘法可求得未知參數(shù)矩陣x，見式（2）。

式中：P為權陣。

公式（2）可展開改寫為式（3）。

式中：x由坐標參數(shù)和接收機鐘差構成；L由偽距觀測值構成；ΔL由偽距改正信息構成；（ATP A）-1ATP L為單點定位的結果；（ATP A）-1ATPΔL為求得的坐標改正數(shù)。

要注意的是，移動端設備無法直接獲取觀測值，只能獲取定位結果，移動端設備通過這一特性來獲取基站播發(fā)的改正數(shù)，從而實現(xiàn)高精度定位［12］。

1.2 HENCORS差分集成

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是由中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩(wěn)定可靠、覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以促進衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)鏈的形成，建立完善的國家衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導航在國民經(jīng)濟社會各行各業(yè)中的應用［13-15］。HENCORS是以覆蓋河南省全省全域北斗為核心，多衛(wèi)星導航系統(tǒng)并存、多種技術集成、多用途的衛(wèi)星導航定位綜合服務系統(tǒng)，具體指標見表1。

利用便攜式設備進行差分定位有兩個必要條件，一是差分數(shù)據(jù)流的獲取，二是能進行差分解算的設備。便攜設備先通過HENCORS服務器來獲取差分數(shù)據(jù)流，再由差分SDK負責定位解算。通過支持衛(wèi)星定位的Android終端來接收衛(wèi)星信號獲取所在地點的衛(wèi)星信號信息，得到該非精準的位置數(shù)據(jù)，再通過互聯(lián)網(wǎng)將位置數(shù)據(jù)和Ntrip協(xié)議參數(shù)將其上傳到HENCORS位置服務平臺，平臺在獲得終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過服務類型下發(fā)終端所在大致位置的差分數(shù)據(jù)，終端接收到差分數(shù)據(jù)后，利用原始觀測值以及差分數(shù)據(jù)進行定位解算，從而獲得高精度的位置信息。在終端設計過程中，對原始的數(shù)據(jù)觀測值先進行多普勒平滑偽距處理，再將處理后的位置信息傳輸?shù)紿ENCORS服務器中，獲取到更精準的差分信息，終端在接收到信息后會進行定位解算，并返回高精度位置信息，其流程如圖1所示。

表1 HENCORS指標

圖1 高精度位置信息獲取流程示意圖

本研究采用上海華測導航技術有限公司研發(fā)的、配備有高精度的小型板卡LT700H和南方測繪集團生產(chǎn)的手持移動作業(yè)終端N60。

2 高精度定位技術在自然資源管理中的應用

在河南省衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)基礎上，采用CORS差分集成技術，實現(xiàn)了便攜設備的厘米級定位，在該高精度定位便攜設備的基礎上，開發(fā)各種功能領域的服務APP，可實現(xiàn)各領域的高精度定位，為其具體服務項目提供數(shù)據(jù)保障。研究設計總體框架如圖2所示。

自然資源管理服務移動端與WEB管理端是基于無線通信網(wǎng)絡，并采用SOA技術、GIS技術，可提供底圖數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、人員管理、資源管理等為一體的功能模塊，并以在線可移動的方式為用戶提供便攜、經(jīng)濟、高效的資源管理模式，用戶可及時、準確、全面掌握土地“批、供、用、補、查”、違法占地、土地開發(fā)利用等情況。APP安裝在專業(yè)的高精度平板上，接收北斗與CORS定位信號。作業(yè)前，先對平板進行設置，連接上北斗導航系統(tǒng)與CORS衛(wèi)星信號，來獲取高精度定位數(shù)據(jù)。APP通過專用網(wǎng)絡與電腦端（WEB端）的管理系統(tǒng)進行實時通信，及時獲得外業(yè)普查任務，查看反饋信息。此外，移動端還包括巡查簽到、巡查上報、案件處理等功能。移動端界面示意圖如圖3所示。

3 實例應用

因自然資源管理工作強度較大、處理效率較低，本研究采用最新硬件設備，運用最新技術處理地理信息數(shù)據(jù)，通過第四或第五代移動通信技術，接入HENCORS位置服務系統(tǒng)，保障數(shù)據(jù)安全，同時滿足精度、可用性、完好性、兼容性等指標，動態(tài)參考基準、實時定位精度可達到厘米級，實現(xiàn)靜態(tài)及動態(tài)的高精度定位。將該技術應用于息縣、內(nèi)黃縣、鹿邑縣、桐柏縣自然資源管理中，改進工作方法，提高工作效率。實例如圖4所示。

圖2 研究設計總體框架示意圖

圖3 自然資源管理服務移動端界面示意圖

圖4 自然資源管理服務系統(tǒng)應用實例示意圖

4 結語

本研究對5G+北斗的高精度定位技術與應用進行研究，實例應用發(fā)現(xiàn)，將可接收HENCORS信號的便攜式設備應用于實例，可實現(xiàn)小于1 m的單點定位精度、水平優(yōu)于3 cm且垂直優(yōu)于5 cm的HENCORS實時定位精度，其可應用到自然資源管理等實用領域中。隨著高精度平板的發(fā)展及河南省衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)項目的建成，二者集位置服務與移動性、便攜性、小巧型于一體，可極大滿足現(xiàn)階段人們的需求。