姚建群,吳 洋

(1.中交基礎設施養(yǎng)護集團有限公司,北京 100000;2.廣州星繪大數(shù)據(jù)服務有限公司,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)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)取得巨大成功后,歐洲和中國分別建立了伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)。BDS是我國自主研發(fā)設計的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1,2]。相較于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng),BDS含有更多高軌衛(wèi)星,抗遮擋能力更強,在低緯度地區(qū)其性能更為明顯,也能提高服務精度,同時也融入了導航和通信能力。BDS對于國防安全和國防建設都具有重要的戰(zhàn)略意義。該系統(tǒng)已經進入了逐步應用階段,已經在農業(yè)、交通、軍事、公共航海、石油、通信、防災減災、航空等領域都有廣泛應用[3],并且正在逐步改變人們的生活方式。

同樣的,在如今5G組網技術和應用需求不斷提升的情況下,BDS仍然存在一些會降低其定位精度的問題,如衛(wèi)星信號在產生和通信過程中因為北斗衛(wèi)星接收機自身條件產生的誤差和衛(wèi)星信號在通過電離層、對流層等介質時受環(huán)境因素影響產生的折射、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時動態(tài)定位系統(tǒng)中迫在眉睫的一項任務。

為改進衛(wèi)星定位和通信服務能力,許多研究人員都提出了不同的改進方案。王均暉、孫蕊針對城市無人機定位應用中衛(wèi)星信號受干擾嚴重而降低衛(wèi)星定位導航精度的問題,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[5]。Wang、Qiu等人提出一種基于物聯(lián)網和邊緣計算的差分定位方法,在降低整個邊緣網絡的服務延遲時同樣具有較好的定位功能,可為大型物聯(lián)網提供實時定位服務[6]。楊柯等人提出一種基于偽距特征誤差模型的偽距單點定位加權算法,有效提高了高程精度[7]。Wei等人提出北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球移動通信系統(tǒng)想結合的車輛定位跟蹤遠程監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)利用多個可獲取的衛(wèi)星導航系統(tǒng)和移動網絡實現(xiàn)車輛位置的精確跟蹤[8]。

針對常規(guī)多點定位方法中存在的定位時間長、精度低、效果無法達到預期等問題,提出一種基于移動通信技術的衛(wèi)星定位方法,利用RTK數(shù)學模型計算偽距,修正多路徑誤差和相對誤差,以達到改進北斗衛(wèi)星定位精度的目的。

1 衛(wèi)星定位技術原理及改進

1.1 衛(wèi)星定位技術原理

盡管BDS在星座衛(wèi)星在接收信號過程中,受到衛(wèi)星鐘差與接收機鐘差之間的同步誤差以及其他不可控因素的影響,使得接收機很難測出真實的距離。從而得到疊加了許多誤差的衛(wèi)星和接收機之間距離的測量值,這個測量值被稱為“偽距”,衛(wèi)星單點定位原理如圖1所示,BDS由多個導航衛(wèi)星、用戶接收機設備以及地面測量、控制網路等組成,導航和通信衛(wèi)星即是空間位置的參考點,又是通信的中繼站。在實際應用過程中,單個接收機可以同時接收多個導航衛(wèi)星的信號,在數(shù)據(jù)經過相關算法處理后,可以獲得更準確的導航定位信息,并利用接收機得到含有未知數(shù)的偽距方程。其中,未知數(shù)包含用戶的空間坐標(X,Y,Z)以及接收機的時間誤差,因此,偽距定位實際上是通過多個衛(wèi)星與一個接收機之間的偽距來獲得接收機的地球坐標系和接收機鐘差[9]。

圖1 衛(wèi)星單點定位原理圖

理論上,假設用戶的空間坐標為(X,Y,Z)而在BDS中衛(wèi)星的坐標為(Xs,Ys,Zx),用戶與第i個衛(wèi)星之間的距離為Dsi,則

(1)

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

Psi=Dsi+c△tr

(2)

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

通過n(n≥4)個衛(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行求解的前提是方程組為線性方程,但是衛(wèi)星導航系統(tǒng)是非線性的,因此需要對(3)式進行線性化變換,將上式用泰勒級數(shù)展開并線性化,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)星信號傳播中的大氣傳播延遲效應和多路徑效應的影響,在偽距定位過程中衛(wèi)星相較于接收機的仰角越低,其觀測噪聲向量使用最小二乘方法進行定位解算時,其定位精度也會有一定的減小。因此,考慮到衛(wèi)星仰角對于定位精度的影響,使用文獻[10]中提出的加權最小二乘方法。

1.2 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集

利用導航定位數(shù)據(jù)從北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)中提取有用信息,然后通過無線模塊將信息發(fā)送到通信網絡[11]。目前主要有GSM、GPRS、CDMA無線通信方式。其中,GSM通信較為常用,它在全球使用多個頻段。能夠為用戶提供市場上最廣泛的移動服務和移動終端選擇。整個GSM技術的規(guī)模經濟效應基于它擁有眾多的生產商和服務供應商。由于這個技術采用開放標準,它能夠保障移動運營商的投資安全,并提供成功過渡到未來移動網絡技術的途徑。但同時GSM在傳播速率、信息時延、覆蓋范圍等方面都存在缺陷,容易產生通信盲區(qū)[12]。而CDMA網絡傳輸速度快,獲取信息也更加方便,但同時CDMA網絡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、網絡時延、覆蓋范圍等因素,本研究選擇GPRS網絡作為主要通信平臺。

GSM技術是一個得到廣泛驗證的標準。由于GSM技術能夠提供向EDGE和WCDMA過渡的安全途徑,它能夠提供未來的服務并吸引新用戶,并保持在移動通信標準中的主流地位。GPRS(通用數(shù)據(jù)分組服務)技術實現(xiàn)了在移動網絡中應用基于IP的服務。這個技術根據(jù)需求,不再需要通過MODEM拔號連接過程,就可以即時實現(xiàn)網絡連接,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)網絡的特點?，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實時在線的特點,與GSM相比,其性價比更高。因此,應用GPRS數(shù)據(jù)通信來完成定位信息的采集和傳輸。數(shù)字 從而降低每個用戶的服務成本。

2 實驗結果分析

為驗證基于GPRS的北斗衛(wèi)星定位算法的定位效果,進行了仿真。選取常規(guī)的GPS定位、北斗定位算法和文獻[6]提到的基于物聯(lián)網和邊緣計算的北斗差分定位方法進行對比。

基于虛擬仿真實驗平臺,對平臺的硬件電路和軟件程序進行了調試。在調試的過程中,我們需要用到一些比較常用的軟件開發(fā)調試工具。我們采用QT用戶界面設計、開發(fā)和調試軟件。

2.1 單點定位與多點定位的比較

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)網和邊緣計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定位和多點定位結果。以1 s的采集速度采集定位目標的經緯度坐標,并以圖形格式表示。三種方法的單點和多點定位結果分別如圖2和圖3所示。

圖2 單點定位結果

圖3 多點定位結果

由圖2和圖3可知,在使用上述方法定位目標點時,無論是單點目標還是多點目標,定位結果都與目標點接近,相似度高。采用基于物聯(lián)網和邊緣計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,定位結果與目標點存在一定的偏差。表明該方法不僅能正確定位單點目標,而且能準確定位多點目標。

2.2 定位精度對比

為進一步驗證所提方法的定位精度,選取10°～160°W和10°～80°N區(qū)間內的25個觀測點作為實例,采用不同的方法進行定位,平均偏差被用作評價標準。我們計算了不同方法在觀測點的定位結果,并使用均值偏差計算了不同方法的定位結果的平均值,結果如表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)網和邊緣計算的北斗差分定位方法和衛(wèi)星定位相比,改進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果更加準確,可以獲得可靠的北斗衛(wèi)星定位結果。

3 結 論

針對傳統(tǒng)方法存在的多點定位效果差、定位時間長、定位精度低等問題,提出了一種基于GPRS技術的北斗衛(wèi)星定位算法。利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng),將導航定位信息通過無線模塊發(fā)送到通信網絡。采用實時運動學(RTK)數(shù)學模型校正誤差,然后計算偽距進一步消除相對論和多徑誤差?；谡`差最小化的結果,改進了北斗衛(wèi)星定位算法,修正了定位誤差。實驗結果表明,所提方法可以實現(xiàn)單點和多點目標的準確定位。結果證實該方法是有效的,具有一定的實際意義。