基于GPRS技術(shù)的北斗衛(wèi)星定位算法研究

姚建群,吳 洋

(1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司,北京 100000;2.廣州星繪大數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

在全球定位系統(tǒng)(Global Positing System,GPS)和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)取得巨大成功后,歐洲和中國(guó)分別建立了伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)。BDS是我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1,2]。相較于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),BDS含有更多高軌衛(wèi)星,抗遮擋能力更強(qiáng),在低緯度地區(qū)其性能更為明顯,也能提高服務(wù)精度,同時(shí)也融入了導(dǎo)航和通信能力。BDS對(duì)于國(guó)防安全和國(guó)防建設(shè)都具有重要的戰(zhàn)略意義。該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了逐步應(yīng)用階段,已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、交通、軍事、公共航海、石油、通信、防災(zāi)減災(zāi)、航空等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[3],并且正在逐步改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

同樣的,在如今5G組網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用需求不斷提升的情況下,BDS仍然存在一些會(huì)降低其定位精度的問(wèn)題,如衛(wèi)星信號(hào)在產(chǎn)生和通信過(guò)程中因?yàn)楸倍沸l(wèi)星接收機(jī)自身?xiàng)l件產(chǎn)生的誤差和衛(wèi)星信號(hào)在通過(guò)電離層、對(duì)流層等介質(zhì)時(shí)受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的折射、反射而出現(xiàn)的誤差等[4]。因此,如何減弱甚至消除BDS中各種誤差的影響是目前高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)中迫在眉睫的一項(xiàng)任務(wù)。

為改進(jìn)衛(wèi)星定位和通信服務(wù)能力,許多研究人員都提出了不同的改進(jìn)方案。王均暉、孫蕊針對(duì)城市無(wú)人機(jī)定位應(yīng)用中衛(wèi)星信號(hào)受干擾嚴(yán)重而降低衛(wèi)星定位導(dǎo)航精度的問(wèn)題,提出一種基于“m”字形偽距殘差的GPS/北斗組合偽距定位算法,將定位精度控制在2 m以內(nèi)[5]。Wang、Qiu等人提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的差分定位方法,在降低整個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)延遲時(shí)同樣具有較好的定位功能,可為大型物聯(lián)網(wǎng)提供實(shí)時(shí)定位服務(wù)[6]。楊柯等人提出一種基于偽距特征誤差模型的偽距單點(diǎn)定位加權(quán)算法,有效提高了高程精度[7]。Wei等人提出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)想結(jié)合的車(chē)輛定位跟蹤遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)利用多個(gè)可獲取的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置的精確跟蹤[8]。

針對(duì)常規(guī)多點(diǎn)定位方法中存在的定位時(shí)間長(zhǎng)、精度低、效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期等問(wèn)題,提出一種基于移動(dòng)通信技術(shù)的衛(wèi)星定位方法,利用RTK數(shù)學(xué)模型計(jì)算偽距,修正多路徑誤差和相對(duì)誤差,以達(dá)到改進(jìn)北斗衛(wèi)星定位精度的目的。

1 衛(wèi)星定位技術(shù)原理及改進(jìn)

1.1 衛(wèi)星定位技術(shù)原理

盡管BDS在星座衛(wèi)星在接收信號(hào)過(guò)程中,受到衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差之間的同步誤差以及其他不可控因素的影響,使得接收機(jī)很難測(cè)出真實(shí)的距離。從而得到疊加了許多誤差的衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的測(cè)量值,這個(gè)測(cè)量值被稱(chēng)為“偽距”,衛(wèi)星單點(diǎn)定位原理如圖1所示,BDS由多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星、用戶接收機(jī)設(shè)備以及地面測(cè)量、控制網(wǎng)路等組成,導(dǎo)航和通信衛(wèi)星即是空間位置的參考點(diǎn),又是通信的中繼站。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,單個(gè)接收機(jī)可以同時(shí)接收多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào),在數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相關(guān)算法處理后,可以獲得更準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位信息,并利用接收機(jī)得到含有未知數(shù)的偽距方程。其中,未知數(shù)包含用戶的空間坐標(biāo)(X,Y,Z)以及接收機(jī)的時(shí)間誤差,因此,偽距定位實(shí)際上是通過(guò)多個(gè)衛(wèi)星與一個(gè)接收機(jī)之間的偽距來(lái)獲得接收機(jī)的地球坐標(biāo)系和接收機(jī)鐘差[9]。

圖1 衛(wèi)星單點(diǎn)定位原理圖

理論上,假設(shè)用戶的空間坐標(biāo)為(X,Y,Z)而在BDS中衛(wèi)星的坐標(biāo)為(Xs,Ys,Zx),用戶與第i個(gè)衛(wèi)星之間的距離為Dsi,則

(1)

然而,通過(guò)衛(wèi)星定位理論可知,偽距與真實(shí)距離之間存在偏差,我們將偽距用Psi表示,則有

Psi=Dsi+c△tr

(2)

式中:c為光速,△tr為接收機(jī)鐘差。在式(1)(2)中,共有X,Y,Z和△tr共四個(gè)未知數(shù),因此,為了能夠解算出未知數(shù),接收機(jī)需要至少接收到四顆衛(wèi)星的定位信號(hào)。在至少收到4個(gè)衛(wèi)星的定位信息的情況下,接收機(jī)的坐標(biāo)信息和鐘差可以通過(guò)最小二乘方法進(jìn)行解算。

通過(guò)n(n≥4)個(gè)衛(wèi)星定位方程組合成的方程組如(3)式所示

(3)

式中:δE=c△tr,由于使用最小二乘方法進(jìn)行求解的前提是方程組為線性方程,但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是非線性的,因此需要對(duì)(3)式進(jìn)行線性化變換,將上式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并線性化,得到

(4)

Ps=BU

(5)

其中,Ps=[Ps1Ps2…Psn]T,U=[ΔXΔYΔZΔδE]T,B為系數(shù)矩陣,具體為

(6)

另外,受到衛(wèi)星信號(hào)傳播中的大氣傳播延遲效應(yīng)和多路徑效應(yīng)的影響,在偽距定位過(guò)程中衛(wèi)星相較于接收機(jī)的仰角越低,其觀測(cè)噪聲向量使用最小二乘方法進(jìn)行定位解算時(shí),其定位精度也會(huì)有一定的減小。因此,考慮到衛(wèi)星仰角對(duì)于定位精度的影響,使用文獻(xiàn)[10]中提出的加權(quán)最小二乘方法。

1.2 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集

利用導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)中提取有用信息,然后通過(guò)無(wú)線模塊將信息發(fā)送到通信網(wǎng)絡(luò)[11]。目前主要有GSM、GPRS、CDMA無(wú)線通信方式。其中,GSM通信較為常用,它在全球使用多個(gè)頻段。能夠?yàn)橛脩籼峁┦袌?chǎng)上最廣泛的移動(dòng)服務(wù)和移動(dòng)終端選擇。整個(gè)GSM技術(shù)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)基于它擁有眾多的生產(chǎn)商和服務(wù)供應(yīng)商。由于這個(gè)技術(shù)采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn),它能夠保障移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的投資安全,并提供成功過(guò)渡到未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的途徑。但同時(shí)GSM在傳播速率、信息時(shí)延、覆蓋范圍等方面都存在缺陷,容易產(chǎn)生通信盲區(qū)[12]。而CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快,獲取信息也更加方便,但同時(shí)CDMA網(wǎng)絡(luò)也伴有接受范圍小的缺陷。因此,綜合考慮傳輸速率、頻率利用率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、覆蓋范圍等因素,本研究選擇GPRS網(wǎng)絡(luò)作為主要通信平臺(tái)。

GSM技術(shù)是一個(gè)得到廣泛驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。由于GSM技術(shù)能夠提供向EDGE和WCDMA過(guò)渡的安全途徑,它能夠提供未來(lái)的服務(wù)并吸引新用戶,并保持在移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中的主流地位。GPRS(通用數(shù)據(jù)分組服務(wù))技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用基于IP的服務(wù)。這個(gè)技術(shù)根據(jù)需求,不再需要通過(guò)MODEM拔號(hào)連接過(guò)程,就可以即時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接,發(fā)送和接收需要的信息。這就是使用GPRS的用戶能夠永遠(yuǎn)在線的原因?；贕PRS的北斗衛(wèi)星定位終端充分利用了GPRS支持IP協(xié)議、可以接入外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)?，F(xiàn)在,北斗衛(wèi)星定位終端主要采用短消息通信方式,利用GPRS實(shí)時(shí)在線的特點(diǎn),與GSM相比,其性價(jià)比更高。因此,應(yīng)用GPRS數(shù)據(jù)通信來(lái)完成定位信息的采集和傳輸。數(shù)字 從而降低每個(gè)用戶的服務(wù)成本。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于GPRS的北斗衛(wèi)星定位算法的定位效果,進(jìn)行了仿真。選取常規(guī)的GPS定位、北斗定位算法和文獻(xiàn)[6]提到的基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的北斗差分定位方法進(jìn)行對(duì)比。

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)平臺(tái)的硬件電路和軟件程序進(jìn)行了調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中,我們需要用到一些比較常用的軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試工具。我們采用QT用戶界面設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試軟件。

2.1 單點(diǎn)定位與多點(diǎn)定位的比較

利用位置和環(huán)境參數(shù),我們分別比較了所提出的方法、基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的北斗差分定位方法以及常規(guī)GPS、北斗定位算法的單點(diǎn)定位和多點(diǎn)定位結(jié)果。以1 s的采集速度采集定位目標(biāo)的經(jīng)緯度坐標(biāo),并以圖形格式表示。三種方法的單點(diǎn)和多點(diǎn)定位結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 單點(diǎn)定位結(jié)果

圖3 多點(diǎn)定位結(jié)果

由圖2和圖3可知,在使用上述方法定位目標(biāo)點(diǎn)時(shí),無(wú)論是單點(diǎn)目標(biāo)還是多點(diǎn)目標(biāo),定位結(jié)果都與目標(biāo)點(diǎn)接近,相似度高。采用基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的北斗差分定位方法以及常規(guī)GPS、北斗定位算法金鼎定位時(shí),定位結(jié)果與目標(biāo)點(diǎn)存在一定的偏差。表明該方法不僅能正確定位單點(diǎn)目標(biāo),而且能準(zhǔn)確定位多點(diǎn)目標(biāo)。

2.2 定位精度對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的定位精度,選取10°～160°W和10°～80°N區(qū)間內(nèi)的25個(gè)觀測(cè)點(diǎn)作為實(shí)例,采用不同的方法進(jìn)行定位,平均偏差被用作評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。我們計(jì)算了不同方法在觀測(cè)點(diǎn)的定位結(jié)果,并使用均值偏差計(jì)算了不同方法的定位結(jié)果的平均值,結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法定位的平均偏差

其中平均偏差值越大,定位精度越低;反之,定位精度越高。分析表1中的數(shù)據(jù)表明,與基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的北斗差分定位方法和衛(wèi)星定位相比,改進(jìn)的北斗定位是方法的平均偏差值較低,且平均偏差均小于其他各方法的偏差值。表明所提方法的定位結(jié)果更加準(zhǔn)確,可以獲得可靠的北斗衛(wèi)星定位結(jié)果。

3 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的多點(diǎn)定位效果差、定位時(shí)間長(zhǎng)、定位精度低等問(wèn)題,提出了一種基于GPRS技術(shù)的北斗衛(wèi)星定位算法。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),將導(dǎo)航定位信息通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到通信網(wǎng)絡(luò)。采用實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)(RTK)數(shù)學(xué)模型校正誤差,然后計(jì)算偽距進(jìn)一步消除相對(duì)論和多徑誤差。基于誤差最小化的結(jié)果,改進(jìn)了北斗衛(wèi)星定位算法,修正了定位誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提方法可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和多點(diǎn)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。結(jié)果證實(shí)該方法是有效的,具有一定的實(shí)際意義。