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        嵌入式GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位方法

        2018-03-07 06:44:59潘樹(shù)國(guó)
        測(cè)繪通報(bào) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:鐘差板卡單點(diǎn)

        韓 嘯,潘樹(shù)國(guó),趙 慶

        (1. 東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210096; 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)

        精密單點(diǎn)定位(precise point positioning,PPP)的基本原理是利用全球多個(gè)地面跟蹤站計(jì)算得到的GNSS精密衛(wèi)星軌道和精密衛(wèi)星鐘差,綜合考慮各項(xiàng)誤差的精確模型改正,使用載波相位觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)精確定位。該技術(shù)具有定位精度高、采集數(shù)據(jù)方便、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)[1],是實(shí)現(xiàn)廣域精密定位的有效手段,具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

        目前國(guó)際全球定位系統(tǒng)服務(wù)組織(Internation-nal GNSS Services,IGS)可基于NTRIP(network tr-ansport of RTCM over the Internet proto-col)協(xié)議[2]播發(fā)GPS和GLONASS實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息,用于實(shí)時(shí)PPP定位。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)初步形成導(dǎo)航定位服務(wù)能力[3],武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)了廣域?qū)崟r(shí)精密定位的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)[4],用戶可通過(guò)TCP協(xié)議實(shí)時(shí)接收GPS和BDS的實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息?;诖?,本文討論GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位方法,采用無(wú)電離層組合觀測(cè)模型,實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星軌道鐘差及各項(xiàng)誤差,使用卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)估計(jì),然后在嵌入式平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)該算法;通過(guò)軟硬件集成研制出一套實(shí)時(shí)GPS/BDS雙系統(tǒng)高精度定位設(shè)備,并且經(jīng)過(guò)測(cè)試證明了該設(shè)備的可用性。

        1 GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位算法

        1.1 GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位模型

        本文采用雙頻無(wú)電離層組合模型作為精密單點(diǎn)定位的觀測(cè)模型,可通過(guò)線性組合的方式消除電離層一階項(xiàng)的影響,其簡(jiǎn)化形式為

        (1)

        1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與誤差處理方法

        數(shù)據(jù)質(zhì)量是GNSS高精度定位的保障,因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先需要剔除不健康衛(wèi)星和觀測(cè)值有粗差的衛(wèi)星,并且通過(guò)MW模型和GF模型進(jìn)行周跳探測(cè)[5],對(duì)出現(xiàn)周跳衛(wèi)星的模糊度初始化。此外,還需剔除低高度角衛(wèi)星和處于地影區(qū)域的衛(wèi)星,通過(guò)這些處理,可以避免異常觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)PPP解算的不利影響。

        影響PPP定位精度的因素主要包括衛(wèi)星軌道鐘差誤差、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星與接收機(jī)天線相位中心改正、衛(wèi)星天線相位纏繞、相對(duì)論效應(yīng)、多路徑效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)改正,以及地球固體潮和海洋潮。數(shù)據(jù)預(yù)處理和誤差處理的具體策略[6]見(jiàn)表1。

        表1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和誤差處理策略

        1.3 實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和鐘差計(jì)算

        通過(guò)廣播星歷和實(shí)時(shí)軌道鐘差改正產(chǎn)品,可計(jì)算實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和鐘差,其中實(shí)時(shí)產(chǎn)品的播發(fā)采樣率為1 s。

        實(shí)時(shí)軌道改正數(shù)是對(duì)廣播星歷計(jì)算的衛(wèi)星軌道星固系下切向、法向、徑向的修正[7],使用時(shí)需要將其轉(zhuǎn)成地固系下的改正值。轉(zhuǎn)換公式為

        (2)

        (3)

        Xsat=Xbroadcast-dX

        (4)

        式中,r和v分別為通過(guò)廣播星歷計(jì)算的位置矢量和速度矢量;eA、ec、eR分別為衛(wèi)星軌道在切向、法向、徑向的單位向量;dA、dC、dR分別為衛(wèi)星軌道在切向、法向、徑向的修正值;dX為地固系中衛(wèi)星位置在X、Y、Z3個(gè)方向的修正值。根據(jù)廣播星歷計(jì)算得到的坐標(biāo)Xbroadcast和dX可得到實(shí)時(shí)精密軌道Xsat。

        實(shí)時(shí)精密鐘差是通過(guò)實(shí)時(shí)鐘差改正數(shù)對(duì)廣播星歷計(jì)算的鐘差的修正獲取的[8],公式為

        Tsat=Tbroadcast+dt/c

        (5)

        式中,Tbroadcast為通過(guò)廣播星歷計(jì)算的鐘差;dt為實(shí)時(shí)鐘差改正數(shù);c為光速;Tsat為修正后的實(shí)時(shí)精密鐘差。

        選取單天的數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差,與最終星歷對(duì)比,可得實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差的精度。對(duì)于實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差精度,GPS優(yōu)于0.5 ns,BDS優(yōu)于1 ns。實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道精度見(jiàn)表2。

        表2 衛(wèi)星軌道RMS值 cm

        由表2可以看出,GPS的衛(wèi)星軌道精度優(yōu)于BDS;而B(niǎo)DS的IGSO和MEO衛(wèi)星明顯優(yōu)于GEO,尤其是切向。但實(shí)際定位中,相對(duì)于徑向、切向和法向的偏差對(duì)于定位精度影響較小,且切向的偏差在測(cè)站和衛(wèi)星連線方向的投影可被模糊度吸收[9]。因此,定位時(shí)仍使用BDS的GEO衛(wèi)星。

        1.4 參數(shù)估計(jì)方法

        假設(shè)某一歷元可以觀測(cè)到n顆GPS衛(wèi)星和m顆 BDS衛(wèi)星,可得到以下待估參數(shù)為

        (6)

        式中,待估參數(shù)依次為測(cè)站的三維坐標(biāo)、GPS接收機(jī)鐘差、BDS接收機(jī)鐘差、天頂對(duì)流層濕延遲和GPS與BDS所有衛(wèi)星的整周模糊度。給定系統(tǒng)狀態(tài)初值X0及均方差初值Q0,利用卡爾曼濾波不斷遞推下一個(gè)歷元的參數(shù)估計(jì)。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2.1 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        整個(gè)硬件平臺(tái)包括ARM核心板,串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、直流電源模塊、衛(wèi)星OEM板卡和底板。ARM核心板由ARM芯片、SDRAM和Nand Flash組成,其中ARM芯片為ARM9系列的S3C2440A,是整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制中心。衛(wèi)星OEM板卡選用和芯星通的UB380,該型號(hào)板卡可以捕獲北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的B1/B2/B3、GPS的L1/L2的GLONASS L1/L2三系統(tǒng)7個(gè)頻點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)[10],其硬件尺寸兼容市場(chǎng)主流GNSS OEM板卡。直流電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源,可提供3.3 V/1 A和5 V/1 A的直流電源,其中3.3 V/1 A的直流電源將為衛(wèi)星OEM板卡和通信模塊提供電源電壓,5 V/1 A的直流電源為ARM核心板提供電源電壓。串口通信模塊的驅(qū)動(dòng)電路采用2驅(qū)動(dòng)器/2接收器的SP3232EEN芯片,用于數(shù)據(jù)通信鏈路的TTL電平與推薦標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換[11]。對(duì)于S3C2440處理器,共有3個(gè)獨(dú)立串口通道。其中,串口1用于和外部設(shè)備的通信,完成嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植和后期應(yīng)用程序的調(diào)試;串口2用于和衛(wèi)星OEM板卡進(jìn)行串口通信,獲取觀測(cè)電文和導(dǎo)航電文;串口3用于輸出定位結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于ARM處理器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程TCP服務(wù)器進(jìn)行連接,獲取GPS/BDS實(shí)時(shí)軌道鐘差改正產(chǎn)品。以上各個(gè)模塊都組合在硬件平臺(tái)底板上,使每個(gè)模塊都可以穩(wěn)定工作。如圖1—圖3所示。

        圖1 系統(tǒng)硬件

        圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)好之后,向硬件平臺(tái)移植Linux操作系統(tǒng)。

        圖3 嵌入式設(shè)備顯示界面

        2.2 嵌入式實(shí)時(shí)PPP軟件設(shè)計(jì)

        在系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,利用衛(wèi)星OEM板卡的觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)軌道鐘差改正產(chǎn)品,完成了嵌入式GPS/BDS實(shí)時(shí)PPP軟件的設(shè)計(jì)。軟件流程[12-15]如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)軟件

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,可能會(huì)遇到遮擋環(huán)境,導(dǎo)致GPS衛(wèi)星數(shù)過(guò)少,GPS/BDS組合定位可以顯著增加定位衛(wèi)星數(shù),減小PDOP值,改善定位衛(wèi)星的空間結(jié)構(gòu)。本文分別在靜態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)環(huán)境測(cè)試GPS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比,見(jiàn)圖5—圖8,以及表3—表4。

        圖5 GPS靜態(tài)PPP

        圖6 GPS/BDS靜態(tài)PPP

        圖7 GPS動(dòng)態(tài)PPP

        圖8 GPS/BDS動(dòng)態(tài)PPP

        m

        表4 動(dòng)態(tài)PPP誤差RMS值 m

        3.1 靜態(tài)測(cè)試

        靜態(tài)測(cè)試選擇已知測(cè)點(diǎn)進(jìn)行,數(shù)據(jù)采樣率為1 s,數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為6 h,分別取測(cè)試1 h以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差RMS值。通過(guò)該結(jié)果可以看到,GPS/BDS組合實(shí)時(shí)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位可達(dá)到平面優(yōu)于3 cm,高程優(yōu)于8 cm。相對(duì)于GPS實(shí)時(shí)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位,N方向提升了約1.2 cm,E方向提升了約0.5 cm,U方向提升了約0.5 cm。

        3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

        動(dòng)態(tài)測(cè)試通過(guò)車載方式進(jìn)行,數(shù)據(jù)采樣率為1 s,數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為150 min。以Inertial Explorer軟件事后解算的結(jié)果作為真值,同樣取測(cè)試1 h以后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差RMS值。結(jié)果表明,GPS/BDS組合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位可達(dá)到平面優(yōu)于12 cm,高程優(yōu)于15 cm。相對(duì)于GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位,N方向提升了約3.8 cm,E方向提升了約2.0 cm,U方向提升了約2.3 cm,且收斂過(guò)程更為平滑。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文討論了利用實(shí)時(shí)軌道鐘差增強(qiáng)改正信息,實(shí)現(xiàn)GPS/BDS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的方法,并完成嵌入式便攜式設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì),可以使PPP實(shí)時(shí)高精度定位擺脫應(yīng)用場(chǎng)合的限制,具有重要的工程價(jià)值。

        從本文的測(cè)試結(jié)果可以看到,在嵌入式設(shè)備上進(jìn)行GPS/BDS雙系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位時(shí)靜態(tài)可以達(dá)到平面優(yōu)于3 cm,高程優(yōu)于8 cm的定位精度;動(dòng)態(tài)可以達(dá)到平面優(yōu)于12 cm,高程優(yōu)于15 cm的定位精度。將來(lái)隨著GPS和BDS實(shí)時(shí)精密產(chǎn)品精度的提高,嵌入式GPS/BDS實(shí)時(shí)PPP的定位精度將得到進(jìn)一步提高和改善。

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