BDS+GPS手持機支持下的網格偽距差分定位

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，山東 青島 266590; 2. 中國測繪科學研究院，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，山東 青島 266590; 2. 中國測繪科學研究院，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站建設逐步完善，以及我國BDS衛星導航系統在亞太區域提供服務，促進了BDS+GPS雙模融合偽距差分定位的研究和發展。目前，在PC機上偽距差分定位早已實現，且算法也已經比較成熟，但在移動終端上進行BDS+GPS雙模融合偽距差分定位向用戶提供服務方面還比較薄弱，針對這一問題，本文提出了將網格偽距差分定位算法嵌入到手持機，并且實現了手持機實時網格偽距差分定位。本文闡述了方法原理并進行了車載試驗分析，結果表明，在與TBC軟件動態解算結果作為已知準確值的外符合精度方面，手持機BDS+GPS雙模融合網格偽距差分定位結果的水平精度為0.522 1 m，在水平方向上可以達到亞米級定位精度。

手持機；網格中心點改正數；偽距差分；BDS+GPS雙模融合

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

目前，中國北斗產業的飛速發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，本文利用網格偽距差分定位方法[3]，并采用BDS+GPS雙系統組合方式[4-6]，實現高精度手持終端定位系統。

1 網格偽距差分定位原理

網格偽距差分定位是基于網格虛擬參考站的偽距差分定位，它是將CORS網所覆蓋區域通過一定方法(如單位間隔的經緯線)劃分成規則的網格，網格中心點的位置即為虛擬參考站所在位置，利用相應改正數內插模型生成網格中心點偽距改正值，用戶需要進行單點定位確定自己所在網格，并利用所在網格偽距改正數，進而實現偽距差分定位。

移動終端網格偽距差分定位的主要技術路線如圖1所示。服務器端需要布設網格改正數生成系統，首先通過IP/端口連接各CORS站，以接收CORS站導航電文和觀測數據，進而由改正數生成系統通過算法選擇離網格中心點附近的CORS站并進行時間匹配，根據相應的改正數內插模型生成網格改正數信息，然后按照RTCM3.2格式進行編碼[7-8]，使得改正數實時播發[9]；移動終端首先需要進行串口設置來接收實時觀測值數據流[10]，通過IP/端口設置連接服務器，接收網格差分改正數數據流，將數據流進行解碼，然后通過單點定位粗略確定流動站的位置，確定其所在的網格，獲取所需網格改正數信息，進而利用改正數信息，實現移動終端實時差分定位服務。

圖1 網格偽距差分技術路線

1.1 網格中心點改正數生成模型

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

基準站Bi到第j顆衛星的偽距觀測方程表示為

(1)

圖2 網格中心點偽距差分定位示意圖

(2)

式中，(Xj，Yj，Zj)為衛星j發射信號時刻的三維坐標；(XBi，YBi，ZBi)為基準站Bi的已知三維坐標。

(3)

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

(4)

式中，ai為基準站Bi偽距改正數的內插系數。這里以反距離權重插值法[11-12]為例進行說明，其數學模型如下

(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至衛星j的鐘差tj。

在一定空間范圍內，基準站與流動站的大氣誤差(電離層、對流層延遲)和衛星星歷誤差具有空間相關性，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，利用網格中心點偽距改正數修正的流動站M偽距觀測值消除了衛星鐘差、衛星星歷誤差和大氣誤差，但引入了基準站接收機的鐘差和隨機誤差。

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

V=AδX-LP

(12)

式中，P為BDS、GPS系統在融合系統中的權比分配；

δX=(ATPA)-1ATPL

(13)

2 數據處理與分析

本次試驗區域為四川省境內，如圖3所示，利用21個基準站生成網格中心點改正數，網格起始緯度為北緯29°30′，起始經度為東經103°30′，緯度和經度間隔都為0.5°，緯度自北緯29°30′至北緯31°30′，分成4條緯度帶，經度自東經103°30′至東經105°30′，分成4條經度帶，以此可劃分為16個網格。網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 網格與基準站位置分布及測試路線

車載實時動態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接收機采集原始數據，利用TBC軟件進行基線處理，將處理得到的結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格偽距差分定位的精度，將R9采集的數據，使用TBC軟件解算后獲得的坐標作為準確值；將終端手持機實時差分定位結果每歷元以準確坐標為原點建立站心坐標系，求得實時網格偽距差分解算結果N、E和U方向的殘差，圖4所示為手持機實時網格偽距差分解算結果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。實時網格偽距差分定位結果在N、E和U方向偏差的單位權中誤差見表1，解算率統計見表2。

表1 車載動態實時網格偽距差分N、E和U方向偏差單位權中誤差統計 m

圖4 實時網格偽距差分定位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 車載動態實時網格偽距差分解算率統計

由表2可知，網格偽距差分定位實時解算率在91.54%左右，具有一定的穩定性，但仍然存在丟包現象，造成丟包現象的原因有以下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星信號，因而無法采集觀測數據，造成丟包現象發生，如高架橋、廣告牌會造成遮擋；②網格差分定位方法是基于CORS網進行試驗的，每一歷元數據的解算都需要進行基準站匹配和流動站匹配，試驗過程中如果有一個基準站觀測數據出現問題或CORS網數據傳輸出現問題，差分定位都將無法進行，從而造成丟包現象發生；③數據處理中心播發的改正數據需要通過無線網絡進行數據傳輸，如果無線網絡不通暢，改正數據不能被流動站及時接收和使用，當網絡延遲時通常無法及時進行歷元匹配而造成丟包現象發生。

3 結束語

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

綜上所述，手持機網格偽距差分方法具有相當的精度、穩定性和可靠性。后續需研究的問題包括：一是改進網格改正數的生成和播發；二是進一步提高車載網格偽距差分定位的穩定性和可靠性；三是提高手持機實時網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，FANG 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

國家自然科學基金(41304030)；科技部863計劃(2015AA124001)；國家重點研發計劃(2016YFB0502105;2016YFB0501801)；北斗分析中心(GFZX0301040308-06)；中國測繪科學研究院基本科研業務費(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關鍵技術研究項目(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