Android平臺下實時BDS+GPS雙系統廣域差分定位技術研究

李 杰，秘金鐘，李得海，周萬振，祝士杰

(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. 浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 310012)

Android平臺下實時BDS+GPS雙系統廣域差分定位技術研究

李 杰1，2，秘金鐘2，李得海2，周萬振1，2，祝士杰3

(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. 浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 310012)

隨著智能手機的普及，基于移動智能終端的位置服務應用正在飛速擴張。Android智能終端，因其性價比高而占據了大多數用戶市場，但定位精度有待提升。因此，利用廣域差分增強技術，提升室內外位置服務精度，成為當前研究熱點。本文利用Android studio 2.2.2 平臺、Java語言及JNI技術，開發了BDS+GPS廣域差分定位軟件，該軟件通過串口讀取北斗移動終端原始衛星觀測數據，進行差分數據流解析、實時軌道和鐘差改正并實現增強定位。在移動終端硬件平臺上，運行BDS+GPS實時WAAS軟件，分析了定位結果，雙系統單頻廣域定位精度為4 m左右，對于GNSS衛星技術在低成本移動終端位置服務中具有重要應用價值。

移動終端；BDS+GPS；實時廣域差分；精度分析

隨著現代生活節奏的不斷加快，實時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。目前智能手機室內外定位的科研成果較少，應用較多，主要原因是智能手機GPS定位模塊在性能上與GPS接收機相差甚遠[1-2]，智能手機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，在觀測條件較好的環境下精度在5 m以內[1]，這對于高精度定位的用戶來說遠遠不夠。智能手機室內定位方法較多，如WiFi定位技術、低功耗藍牙技術、紅外線定位技術、超寬帶室內定位技術、慣性傳感器定位、超聲波室內定位技術、射頻識別(RFID)室內定位技術、偽衛星定位技術[3]。其優缺點見表1。

綜上所述，手機室內外定位技術方法目前還不具備大范圍高精度定位能力。而廣域差分增強技術延續了衛星定位系統高精度、高效性、低成本、靈活方便等優點。隨著移動終端硬件技術的不斷改革和發展，以及相關理論的突破，最終將會實現室內外無縫測量定位，其應用前景依然十分廣闊。

目前廣域差分增強技術已經十分成熟，已經運用到航空、海運、交通管理等各行業，但在智能終端上的應用還處于空白狀態，當前普通智能手機GPS定位模塊還無法直接讀取衛星原始觀測數據，而W135北斗移動終端可以接收BDS+GPS單頻數據。筆者以Android studio 2.2.2為平臺，用Java語言及JNI技術開發了BDS+GPS實時WAAS定位軟件，在W135北斗移動終端實現了實時定位。

表1

1 廣域差分定位算法

廣域差分定位是在大區域范圍內均勻地布設少量基準站組成差分GPS網，各基準站獨立進行觀測并將觀測值傳送給數據處理中心，由數據處理中心進行統一處理，以便將各個誤差分離開來，然后再將衛星星歷改正數、衛星鐘鐘差改正數及大氣延遲模型等播發給用戶[4-5]，最后由用戶接收改正數經行定位。

近年來，基于NTRIP協議通過Internet實時獲取GNSS數據得到了廣泛應用，NTRIP協議于2004年11月正式成為RTCM標準，可用于發送RTCM2.0及3.0格式的GNSS數據流[6]。本文使用中國測繪科學研究院北斗分析監測中心播發的實時SSR BDS+GPS混合數據流，通過BDS+GPS實時WAAS定位軟件解析包含SSR改正信息格式為RTCM3.0的NTRIP數據流[6]，來計算衛星位置、速度、衛星鐘差的改正值，最終實現定位[7-15]。

1.1 實時軌道改正

(1)

由于實時產品中位置改正參數是對廣播星歷算出來的衛星軌道星固系下徑向、切向和法向的修正值[6]，因此要想使用衛星位置向量r，就需要將衛星軌道坐標系中的改正向量θ轉換到地心地固系O-XYZ中[6-8]。設轉換后的改正向量為γ，則

(2)

(3)

1.2 實時鐘差改正

根據衛星導航電文中提供的鐘差參數，在衛星信號發射時刻tj，計算得到的衛星鐘差為δtj。SSR信息中提供的衛星鐘差改正參數為：參考時間t0及計算衛星鐘差多項式的3個系數[9-10]，即C0、C1、C2。則觀測時刻t(對應衛星發射信號時刻tj)衛星鐘差的改正數為

(4)

因此，經過差分改正后的衛星鐘鐘差為

(5)

式中，Vc為真空中的光速。

2 數據處理與分析

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

(1) 普通安卓手機定位試驗：在四川省成都市利用成都GORS中心站的BDS+GPS實時觀測數據，接入中國測繪科學研究院北斗分析中心提供實時SSR改正信息，選取掛載點為CLK93的實時NTRIP數據流，采樣率為1 s共4 h，衛星截止高度角設為35°，在普通手機安裝該軟件便可接收和解碼實時數據流并實現定位，該方法主要是為了驗證軟件的可靠性。

(2)W135北斗移動終端定位試驗：在四川省成都市利用W135北斗移動終端在已知測站進行靜態測量，與第一種方法的不同之處在于W135手機接收及解析的是衛星發射的實時觀測數據，測試時間為2.5 h，其他配置信息同上。

(3)W135北斗移動終端外接天線定位試驗：在北京市利用W135北斗移動終端外接天線在流動站上進行靜態測量，具體做法為W135手機與北斗星通手持機CC20利用功分器同時對一臺流動站進行測量，手持機CC20為RTK定位模式，并將手持機CC20定位結果作為真實值進行分析。

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

圖1

為了詳細研究定位結果，在圖1的基礎上對各分量殘差進行統計，結果見表2。

表2 3種方案廣域差分定位結果統計

剔除率表示剔除殘差大于8 m的數據量占成功解算數據量的比值，在一定程度上能反映接收原始數據質量好壞。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于后面兩個試驗，且穩定性更高，主要原因是國家CORS站在觀測條件和接收機質量上都遠優于后面兩組試驗。W135手機廠家標稱精度為10 m以內，W135手機定位和W135手機外接天線定位兩種定位方式在精度上沒有明顯差別，但在數據質量上外接天線的數據質量更好，造成這一現象的主要原因是硬件性能較低，但其定位精度依然優于普通安卓手機A-GPS定位精度。

3 結 語

本文就普通安卓手機定位、W135北斗移動終端定位、W135北斗移動終端外接天線定位3種方案進行廣域差分試驗，結果表明，本軟件在精度、穩定性、可靠性方面比較突出，由于W135北斗移動終端在接收衛星原始數據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，隨著硬件技術的不斷提高，本軟件在室內外無縫測量中將具有很高的應用價值。

[1] 畢京學，甄杰，郭英.Android手機GPS和A-GPS定位精度分析[J].測繪通報,2016(7)：10-13.

[2] 孟堂.智能手機單頻RTK定位性能分析[C]∥第七屆中國衛星導航學術年會論文集——S01北斗/GNSS應用技術.[S.l.]:中國衛星導航系統管理辦公室學術交流中心，2016.

[3] ZANDBERGEN P A.Accuracy of iPhone Locations:A Comparison of Assisted GPS,WiFi and Cellular Positioning[J].Transactions in GIS,2009,13(s1):5-25.

[4] 姜萍，柯熙政.基于北斗差分信息的GPS廣域差分定位技術[J].西安理工大學學報,2007(1)：79-82.

[5] 陳俊勇，劉經南，張燕平，等.分布式廣域差分GPS實時定位系統[J].測繪學報,1998,27(1)：4-11.

[6] 劉志強，王解先.廣播星歷SSR改正的實時精密單點定位及精度分析[J].測繪科學,2014，29(1)：15-19.

[7] 秘金鐘，李毓麟.廣域差分GPS系統完備性監測[J].測繪科學,2000，15(1)：37-40.

[8] 魏子卿，王剛.廣域差分GPS[J].測繪通報,2000(6)：42-46.

[9] STAPLETON D P.GPS/WIDE Area Augmentation System(WAAS) Final Approach Error Analysis[J].Navigation,2003,50(1):29-43.

[10] 陳良，耿長江，周泉.北斗/GPS實時精密衛星鐘差融合解算模型及精度分析[J]．測繪學報,2016,45(9)：1028-1034.

[11] 周萬振，秘金鐘，李得海，等.BDS/GPS/GLONASS融合網格偽距差分定位性能分析[J].測繪科學,2016，31(12)：5-9.

[12] 李娟娟，楊開偉.實時廣域差分定位系統及精度分析[J].數字通信世界,2016(6)：4-6.

[13] 阮陵，張翎，許越，等.室內定位：分類、方法與應用綜述[J].地理信息世界,2015(2)：8-14.

[14] 暢毅，王亮，黃勁松，等.基于BD930板卡的RTK測量系統研制[J].測繪通報,2017(1)：97-101.

[15] 吳顯兵.廣域實時精密差分定位系統關鍵技術研究[D].西安：長安大學,2016.

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

國家重點研發計劃課題(2016YFB0502105;2016YFB0502101)；國家重點研發計劃(2016YFB0501405)；公益性行業專項(B1503)；國家基礎測繪科技項目(2016KJ0205)；中國第二代衛星導航系統重大專項項目(GFZX0301040308-06)；國家863計劃(2015AA124001)；國家測繪地理信息局科技項目(2016KJ0200;2016KJ0205)；中國測繪科學研究院基本科研業務費(7771604;7771612)；基于北斗/GPS的海量終端1-3米級公眾位置服務系統研究及應用(2016C31123)

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

李杰，秘金鐘，李得海，等.Android平臺下實時BDS+GPS雙系統廣域差分定位技術研究[J].測繪通報，2017(12)：12-15.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0370.

P228

A

0494-0911(2017)12-0012-04