BDS+GPS手持机支持下的网格伪距差分定位

周万振,秘金钟,李得海,方书山,张晶晶,陈 振,张 涛

(1. 山东科技大学，山东 青岛 266590; 2. 中国测绘科学研究院，北京 100830; 3. 四川省第一测绘工程院，四川 成都 610100; 4. 青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266000)

BDS+GPS手持机支持下的网格伪距差分定位

周万振1,2,秘金钟2,李得海2,方书山2,张晶晶3,陈 振4,张 涛1,2

(1. 山东科技大学，山东 青岛 266590; 2. 中国测绘科学研究院，北京 100830; 3. 四川省第一测绘工程院，四川 成都 610100; 4. 青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266000)

我国各省CORS站建设逐步完善，以及我国BDS卫星导航系统在亚太区域提供服务，促进了BDS+GPS双模融合伪距差分定位的研究和发展。目前，在PC机上伪距差分定位早已实现，且算法也已经比较成熟，但在移动终端上进行BDS+GPS双模融合伪距差分定位向用户提供服务方面还比较薄弱，针对这一问题，本文提出了将网格伪距差分定位算法嵌入到手持机，并且实现了手持机实时网格伪距差分定位。本文阐述了方法原理并进行了车载试验分析，结果表明，在与TBC软件动态解算结果作为已知准确值的外符合精度方面，手持机BDS+GPS双模融合网格伪距差分定位结果的水平精度为0.522 1 m，在水平方向上可以达到亚米级定位精度。

手持机；网格中心点改正数；伪距差分；BDS+GPS双模融合

随着2012年多项北斗应用示范项目的相继启动，中国北斗正在加速发展，作为一种高效快捷的终端定位服务设备，兼容性手持终端迎来了广阔的应用前景，如北斗船载和车载终端的研发、北斗船舶和车辆监控管理运营服务平台在亚太地区的构建等[1-2]。

目前，中国北斗产业的飞速发展离不开高精度的终端定位方法，为提高手持终端定位精度，本文利用网格伪距差分定位方法[3]，并采用BDS+GPS双系统组合方式[4-6]，实现高精度手持终端定位系统。

1 网格伪距差分定位原理

网格伪距差分定位是基于网格虚拟参考站的伪距差分定位，它是将CORS网所覆盖区域通过一定方法(如单位间隔的经纬线)划分成规则的网格，网格中心点的位置即为虚拟参考站所在位置，利用相应改正数内插模型生成网格中心点伪距改正值，用户需要进行单点定位确定自己所在网格，并利用所在网格伪距改正数，进而实现伪距差分定位。

移动终端网格伪距差分定位的主要技术路线如图1所示。服务器端需要布设网格改正数生成系统，首先通过IP/端口连接各CORS站，以接收CORS站导航电文和观测数据，进而由改正数生成系统通过算法选择离网格中心点附近的CORS站并进行时间匹配，根据相应的改正数内插模型生成网格改正数信息，然后按照RTCM3.2格式进行编码[7-8]，使得改正数实时播发[9]；移动终端首先需要进行串口设置来接收实时观测值数据流[10]，通过IP/端口设置连接服务器，接收网格差分改正数数据流，将数据流进行解码，然后通过单点定位粗略确定流动站的位置，确定其所在的网格，获取所需网格改正数信息，进而利用改正数信息，实现移动终端实时差分定位服务。

图1 网格伪距差分技术路线

1.1 网格中心点改正数生成模型

BDS+GPS双模融合伪距差分定位系统，其空间部分由地球静止轨道卫星(geostationary orbit,GEO)、倾斜地球同步轨道卫星(inclined geosynchronous orbit,IGSO)和中圆地球轨道卫星(medium earth orbit,MEO)3类卫星组成；地面部分是由n个基准站Bi、经纬线划分的等间距规则网格Gk和流动站M组成，其中M位于某一网格G0中，如图2所示。

基准站Bi到第j颗卫星的伪距观测方程表示为

(1)

图2 网格中心点伪距差分定位示意图

(2)

式中，(Xj，Yj，Zj)为卫星j发射信号时刻的三维坐标；(XBi，YBi，ZBi)为基准站Bi的已知三维坐标。

(3)

式中，dtBi为计算所得接收机钟差；δtBi为剔除钟差后的基准站Bi钟差残差。

(4)

式中，ai为基准站Bi伪距改正数的内插系数。这里以反距离权重插值法[11-12]为例进行说明，其数学模型如下

(5)

由式(5)可知，ai满足以下条件

(6)

(7)

1.2 流动站伪距差分定位模型

流动站M伪距观测方程[13]可表示为

(8)

(9)

式中，消除了流动站M至卫星j的钟差tj。

在一定空间范围内，基准站与流动站的大气误差(电离层、对流层延迟)和卫星星历误差具有空间相关性，通过差分可以大大削弱这些误差[14]，即

(10)

(11)

由式(11)可以直观地看出，利用网格中心点伪距改正数修正的流动站M伪距观测值消除了卫星钟差、卫星星历误差和大气误差，但引入了基准站接收机的钟差和随机误差。

将tM,B(流动站M接收机BDS系统钟差)、tM,G(流动站M接收机GPS系统钟差)和流动站坐标(XM,YM,ZM)设为5个未知参数，利用已修正的伪距观测值构建观测方程。令流动站M的初始概略坐标为(X0,Y0,Z0)，对应的改正项为(δx,δy,δz)，通过泰勒级数展开对伪距观测方程进行线性化[15]，线性化后的误差方程可表示为

V=AδX-LP

(12)

式中，P为BDS、GPS系统在融合系统中的权比分配；

δX=(ATPA)-1ATPL

(13)

2 数据处理与分析

本次试验区域为四川省境内，如图3所示，利用21个基准站生成网格中心点改正数，网格起始纬度为北纬29°30′，起始经度为东经103°30′，纬度和经度间隔都为0.5°，纬度自北纬29°30′至北纬31°30′，分成4条纬度带，经度自东经103°30′至东经105°30′，分成4条经度带，以此可划分为16个网格。网格编号自左下角开始，按“从左到右、从下到上”原则，依次为1,2，…，16。

图3 网格与基准站位置分布及测试路线

车载实时动态伪距差分测试采用零基线方式，将1台接收机天线通过吸顶安放到汽车的顶部，天线通过功分器分流，连接1台Trimble R9接收机和1台华辰CC20手持机。Trimble R9接收机采集原始数据，利用TBC软件进行基线处理，将处理得到的结果用来评定手持机实时伪距差分定位精度。其中，本次跑车线路跨越4个网格，图3中灰色线段表示本次跑车试验的实际线路。

为了分析手持机实时网格伪距差分定位的精度，将R9采集的数据，使用TBC软件解算后获得的坐标作为准确值；将终端手持机实时差分定位结果每历元以准确坐标为原点建立站心坐标系，求得实时网格伪距差分解算结果N、E和U方向的残差，图4所示为手持机实时网格伪距差分解算结果N、E和U方向残差的时间序列。

由图4可以求出N、E和U方向偏差的单位权中误差，从而可以用来反映手持机实时伪距差分定位的精度。实时网格伪距差分定位结果在N、E和U方向偏差的单位权中误差见表1，解算率统计见表2。

表1 车载动态实时网格伪距差分N、E和U方向偏差单位权中误差统计 m

图4 实时网格伪距差分定位N、E和U方向残差时间序列

由表1可知，手持机实时网格伪距差分定位水平方向的定位精度为0.522 1 m，从一定意义上来说，达到了亚米级精度；在高程方向的定位精度为1.259 0 m，其中高程精度有待提高。

表2 车载动态实时网格伪距差分解算率统计

由表2可知，网格伪距差分定位实时解算率在91.54%左右，具有一定的稳定性，但仍然存在丢包现象，造成丢包现象的原因有以下3个方面：①流动站端接收机由于各方面原因无法接收到卫星信号，因而无法采集观测数据，造成丢包现象发生，如高架桥、广告牌会造成遮挡；②网格差分定位方法是基于CORS网进行试验的，每一历元数据的解算都需要进行基准站匹配和流动站匹配，试验过程中如果有一个基准站观测数据出现问题或CORS网数据传输出现问题，差分定位都将无法进行，从而造成丢包现象发生；③数据处理中心播发的改正数据需要通过无线网络进行数据传输，如果无线网络不通畅，改正数据不能被流动站及时接收和使用，当网络延迟时通常无法及时进行历元匹配而造成丢包现象发生。

3 结束语

在与TBC动态解算结果的外符合精度测试方面，手持机BDS+GPS双模融合系统网格伪距差分定位结果的水平精度为0.522 1 m，在水平方向上可以达到亚米级定位精度，高程精度有待提高；另外，手持机BDS+GPS双模融合网格伪距差分定位实时解算率达到91.54%，具有一定的稳定性。

综上所述，手持机网格伪距差分方法具有相当的精度、稳定性和可靠性。后续需研究的问题包括：一是改进网格改正数的生成和播发；二是进一步提高车载网格伪距差分定位的稳定性和可靠性；三是提高手持机实时网格伪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

周万振,秘金钟,李得海,等.BDS+GPS手持机支持下的网格伪距差分定位[J].测绘通报，2017(2)：1-5.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0037.

2016-06-29

国家自然科学基金(41304030)；科技部863计划(2015AA124001)；国家重点研发计划(2016YFB0502105;2016YFB0501801)；北斗分析中心(GFZX0301040308-06)；中国测绘科学研究院基本科研业务费(7771604)；国家测绘地理信息局科技项目(2016KJ0200)；四川省北斗实时亚米级智能位置服务关键技术研究项目(2016KJ0205)

周万振(1991—)，男，硕士生，主要研究方向为GNSS差分定位。E-mail：wzzhou530@163.com

P228.4

A

0494-0911(2017)02-0001-05