Android平臺(tái)下實(shí)時(shí)BDS+GPS雙系統(tǒng)廣域差分定位技術(shù)研究

李 杰，秘金鐘，李得海，周萬(wàn)振，祝士杰

(1. 山東科技大學(xué),山東 青島 266590； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100830； 3. 浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

Android平臺(tái)下實(shí)時(shí)BDS+GPS雙系統(tǒng)廣域差分定位技術(shù)研究

李 杰1，2，秘金鐘2，李得海2，周萬(wàn)振1，2，祝士杰3

(1. 山東科技大學(xué),山東 青島 266590； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100830； 3. 浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

隨著智能手機(jī)的普及，基于移動(dòng)智能終端的位置服務(wù)應(yīng)用正在飛速擴(kuò)張。Android智能終端，因其性?xún)r(jià)比高而占據(jù)了大多數(shù)用戶(hù)市場(chǎng)，但定位精度有待提升。因此，利用廣域差分增強(qiáng)技術(shù)，提升室內(nèi)外位置服務(wù)精度，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。本文利用Android studio 2.2.2 平臺(tái)、Java語(yǔ)言及JNI技術(shù)，開(kāi)發(fā)了BDS+GPS廣域差分定位軟件，該軟件通過(guò)串口讀取北斗移動(dòng)終端原始衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)流解析、實(shí)時(shí)軌道和鐘差改正并實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)定位。在移動(dòng)終端硬件平臺(tái)上，運(yùn)行BDS+GPS實(shí)時(shí)WAAS軟件，分析了定位結(jié)果，雙系統(tǒng)單頻廣域定位精度為4 m左右，對(duì)于GNSS衛(wèi)星技術(shù)在低成本移動(dòng)終端位置服務(wù)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

移動(dòng)終端；BDS+GPS；實(shí)時(shí)廣域差分；精度分析

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的不斷加快，實(shí)時(shí)獲取高精度的地理位置信息正在成為人們最希望得到的信息之一。目前智能手機(jī)室內(nèi)外定位的科研成果較少，應(yīng)用較多，主要原因是智能手機(jī)GPS定位模塊在性能上與GPS接收機(jī)相差甚遠(yuǎn)[1-2]，智能手機(jī)A-GPS定位模式是目前室外定位方式中使用最廣泛的定位方法，在觀測(cè)條件較好的環(huán)境下精度在5 m以?xún)?nèi)[1]，這對(duì)于高精度定位的用戶(hù)來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。智能手機(jī)室內(nèi)定位方法較多，如WiFi定位技術(shù)、低功耗藍(lán)牙技術(shù)、紅外線(xiàn)定位技術(shù)、超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)、慣性傳感器定位、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)、射頻識(shí)別(RFID)室內(nèi)定位技術(shù)、偽衛(wèi)星定位技術(shù)[3]。其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

綜上所述，手機(jī)室內(nèi)外定位技術(shù)方法目前還不具備大范圍高精度定位能力。而廣域差分增強(qiáng)技術(shù)延續(xù)了衛(wèi)星定位系統(tǒng)高精度、高效性、低成本、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著移動(dòng)終端硬件技術(shù)的不斷改革和發(fā)展，以及相關(guān)理論的突破，最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫測(cè)量定位，其應(yīng)用前景依然十分廣闊。

目前廣域差分增強(qiáng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，已經(jīng)運(yùn)用到航空、海運(yùn)、交通管理等各行業(yè)，但在智能終端上的應(yīng)用還處于空白狀態(tài)，當(dāng)前普通智能手機(jī)GPS定位模塊還無(wú)法直接讀取衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，而W135北斗移動(dòng)終端可以接收BDS+GPS單頻數(shù)據(jù)。筆者以Android studio 2.2.2為平臺(tái)，用Java語(yǔ)言及JNI技術(shù)開(kāi)發(fā)了BDS+GPS實(shí)時(shí)WAAS定位軟件，在W135北斗移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位。

表1

1 廣域差分定位算法

廣域差分定位是在大區(qū)域范圍內(nèi)均勻地布設(shè)少量基準(zhǔn)站組成差分GPS網(wǎng)，各基準(zhǔn)站獨(dú)立進(jìn)行觀測(cè)并將觀測(cè)值傳送給數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行統(tǒng)一處理，以便將各個(gè)誤差分離開(kāi)來(lái)，然后再將衛(wèi)星星歷改正數(shù)、衛(wèi)星鐘鐘差改正數(shù)及大氣延遲模型等播發(fā)給用戶(hù)[4-5]，最后由用戶(hù)接收改正數(shù)經(jīng)行定位。

近年來(lái)，基于NTRIP協(xié)議通過(guò)Internet實(shí)時(shí)獲取GNSS數(shù)據(jù)得到了廣泛應(yīng)用，NTRIP協(xié)議于2004年11月正式成為RTCM標(biāo)準(zhǔn)，可用于發(fā)送RTCM2.0及3.0格式的GNSS數(shù)據(jù)流[6]。本文使用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院北斗分析監(jiān)測(cè)中心播發(fā)的實(shí)時(shí)SSR BDS+GPS混合數(shù)據(jù)流，通過(guò)BDS+GPS實(shí)時(shí)WAAS定位軟件解析包含SSR改正信息格式為RTCM3.0的NTRIP數(shù)據(jù)流[6]，來(lái)計(jì)算衛(wèi)星位置、速度、衛(wèi)星鐘差的改正值，最終實(shí)現(xiàn)定位[7-15]。

1.1 實(shí)時(shí)軌道改正

(1)

由于實(shí)時(shí)產(chǎn)品中位置改正參數(shù)是對(duì)廣播星歷算出來(lái)的衛(wèi)星軌道星固系下徑向、切向和法向的修正值[6]，因此要想使用衛(wèi)星位置向量r，就需要將衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中的改正向量θ轉(zhuǎn)換到地心地固系O-XYZ中[6-8]。設(shè)轉(zhuǎn)換后的改正向量為γ，則

(2)

(3)

1.2 實(shí)時(shí)鐘差改正

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文中提供的鐘差參數(shù)，在衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻tj，計(jì)算得到的衛(wèi)星鐘差為δtj。SSR信息中提供的衛(wèi)星鐘差改正參數(shù)為：參考時(shí)間t0及計(jì)算衛(wèi)星鐘差多項(xiàng)式的3個(gè)系數(shù)[9-10]，即C0、C1、C2。則觀測(cè)時(shí)刻t(對(duì)應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)刻tj)衛(wèi)星鐘差的改正數(shù)為

(4)

因此，經(jīng)過(guò)差分改正后的衛(wèi)星鐘鐘差為

(5)

式中，Vc為真空中的光速。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

為了驗(yàn)證軟件系統(tǒng)的精度，共進(jìn)行了3次試驗(yàn)，在四川省成都市于2016年12月2日進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，在北京市于2016年12月15日進(jìn)行了一次試驗(yàn)。

(1) 普通安卓手機(jī)定位試驗(yàn)：在四川省成都市利用成都GORS中心站的BDS+GPS實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，接入中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院北斗分析中心提供實(shí)時(shí)SSR改正信息，選取掛載點(diǎn)為CLK93的實(shí)時(shí)NTRIP數(shù)據(jù)流，采樣率為1 s共4 h，衛(wèi)星截止高度角設(shè)為35°，在普通手機(jī)安裝該軟件便可接收和解碼實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流并實(shí)現(xiàn)定位，該方法主要是為了驗(yàn)證軟件的可靠性。

(2)W135北斗移動(dòng)終端定位試驗(yàn)：在四川省成都市利用W135北斗移動(dòng)終端在已知測(cè)站進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，與第一種方法的不同之處在于W135手機(jī)接收及解析的是衛(wèi)星發(fā)射的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間為2.5 h，其他配置信息同上。

(3)W135北斗移動(dòng)終端外接天線(xiàn)定位試驗(yàn)：在北京市利用W135北斗移動(dòng)終端外接天線(xiàn)在流動(dòng)站上進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，具體做法為W135手機(jī)與北斗星通手持機(jī)CC20利用功分器同時(shí)對(duì)一臺(tái)流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量，手持機(jī)CC20為RTK定位模式，并將手持機(jī)CC20定位結(jié)果作為真實(shí)值進(jìn)行分析。

將定位結(jié)果分別與已知精確坐標(biāo)求差，將所得各分量殘差轉(zhuǎn)化到北東天坐標(biāo)系(N、E、U)下[11]，殘差時(shí)間序列如圖1所示。

圖1

為了詳細(xì)研究定位結(jié)果，在圖1的基礎(chǔ)上對(duì)各分量殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種方案廣域差分定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

剔除率表示剔除殘差大于8 m的數(shù)據(jù)量占成功解算數(shù)據(jù)量的比值，在一定程度上能反映接收原始數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞。由表2可以看出，第一種定位方式在精度和剔除率方面上優(yōu)于后面兩個(gè)試驗(yàn)，且穩(wěn)定性更高，主要原因是國(guó)家CORS站在觀測(cè)條件和接收機(jī)質(zhì)量上都遠(yuǎn)優(yōu)于后面兩組試驗(yàn)。W135手機(jī)廠家標(biāo)稱(chēng)精度為10 m以?xún)?nèi)，W135手機(jī)定位和W135手機(jī)外接天線(xiàn)定位兩種定位方式在精度上沒(méi)有明顯差別，但在數(shù)據(jù)質(zhì)量上外接天線(xiàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量更好，造成這一現(xiàn)象的主要原因是硬件性能較低，但其定位精度依然優(yōu)于普通安卓手機(jī)A-GPS定位精度。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文就普通安卓手機(jī)定位、W135北斗移動(dòng)終端定位、W135北斗移動(dòng)終端外接天線(xiàn)定位3種方案進(jìn)行廣域差分試驗(yàn)，結(jié)果表明，本軟件在精度、穩(wěn)定性、可靠性方面比較突出，由于W135北斗移動(dòng)終端在接收衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)中的核心硬件部分性能不是很理想，造成水平方向定位精度較之第一種定位方式略低。但是，隨著硬件技術(shù)的不斷提高，本軟件在室內(nèi)外無(wú)縫測(cè)量中將具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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ResearchonReal-timeBDS+GPSDualSystemsWideAreaDifferentialLocationTechnologyBasedAndroidPlatform

LI Jie1,2,BI Jinzhong2,LI Dehai2,ZHOU Wanzhen1,2,ZHU Shijie3

(1. Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2. Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China； 3. Zhejiang Academy of Surveving & Mapping,Hangzhou 310012,China)

With the popularity of smart phones,location service applications based on mobile intelligent terminals are rapidly expanding.Android intelligent terminal occupies because of its high cost performance and the majority of the user market,but its positioning accuracy needs to upgrade.Therefore,the usage of wide area differential augmentation technology to improve the accuracy of indoor and outdoor location services,has become the current research hotspot.This paper uses the Android studio 2.2.2 platform,Java and JNI technology to develop the BDS+GPS wide area differential positioning software,the software reads satellite observation data of the original BeiDou mobile terminal,analyzes the difference data flow correct real-time orbit and clock, to achieve augmentation positioning through the serial port.In the mobile terminal hardware platform,we run real-time BDS+GPS WAAS software,analyze the positioning results.Single frequency positioning accuracy of double wide area system is 4 meters,and it has important application value in GNSS satellite technology in low cost mobile terminal location service.

mobile terminal;BDS+GPS;real-time wide area differential;accuracy analysis

2017-03-17;

2017-05-24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFB0502105;2016YFB0502101)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0501405)；公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(B1503)；國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪科技項(xiàng)目(2016KJ0205)；中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(GFZX0301040308-06)；國(guó)家863計(jì)劃(2015AA124001)；國(guó)家測(cè)繪地理信息局科技項(xiàng)目(2016KJ0200;2016KJ0205)；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(7771604;7771612)；基于北斗/GPS的海量終端1-3米級(jí)公眾位置服務(wù)系統(tǒng)研究及應(yīng)用(2016C31123)

李 杰(1986—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)镚NSS廣域差分定位。E-mail：uplijie@126.com

李杰，秘金鐘，李得海，等.Android平臺(tái)下實(shí)時(shí)BDS+GPS雙系統(tǒng)廣域差分定位技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(12)：12-15.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0370.

P228

A

0494-0911(2017)12-0012-04