5G+北斗定位技術(shù)在自然資源管理中的應(yīng)用研究

何龍祥 雷 斌 肖 鋒

（1.華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.河南省測繪地理信息局，河南 鄭州 450003）

0 引言

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)航定位服務(wù)技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行了大量的研究工作，并取得較好的研究成果。目前，國內(nèi)外的導(dǎo)航定位設(shè)備可分為基于Global Positioning System（GPS）的導(dǎo)航定位設(shè)備、基于Galileo satellite navigation system（GALILEO）系統(tǒng)的導(dǎo)航定位設(shè)備、基于Global Navigation Satellite System（GLONASS）的導(dǎo)航定位設(shè)備以及基于北斗的導(dǎo)航定位設(shè)備。針對(duì)上述導(dǎo)航定位設(shè)備，諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，來增強(qiáng)相關(guān)導(dǎo)航技術(shù)及設(shè)備的精度與便攜性。Ishibashi等［1］研發(fā)了具有接收預(yù)定點(diǎn)信息的接收單元、顯示預(yù)定點(diǎn)信息的終端顯示單元和將預(yù)定點(diǎn)信息轉(zhuǎn)發(fā)給導(dǎo)航設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)單元的移動(dòng)終端。Str?mback等（2010）研發(fā)了一種腳踏式導(dǎo)航系統(tǒng)，通過使用IMU和UWB測距設(shè)備，能顯著提高導(dǎo)航精度。Gesmundo等［2］提出一種利用時(shí)域有限差分法（FDTD）來模擬電磁波傳播，并獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)的方法，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位。Karpik等［3］在GNSS設(shè)備和GLONASS地面基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，研發(fā)出定位導(dǎo)航信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了分米級(jí)定位精度。國內(nèi)學(xué)者也積極展開相關(guān)技術(shù)研究，李旭等［4］結(jié)合導(dǎo)航定位技術(shù)和無線通信技術(shù)提出一種緊耦合融合的定位方法，研究結(jié)果表明，在工作受限的情況下，該方法在車輛連續(xù)、完整定位方面具有較好的效果。徐元等［5］基于無線載波通信技術(shù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合濾波器，提出一種利用參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的距離平方來預(yù)估INS解算誤差的人員緊組合定位方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的精確定位。郭杰［6］提出采用OEM617D雙向定位板卡加Ellipse2-M1慣導(dǎo)模塊采集數(shù)據(jù)，并采用Emmc存儲(chǔ)體進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基于北斗導(dǎo)航定位的組合導(dǎo)航設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。吳鵬等［7］為解決定位時(shí)復(fù)雜環(huán)境下多路徑效應(yīng)的誤差影響，在Android平臺(tái)上應(yīng)用GPS/北斗雙頻導(dǎo)航芯片，在不用輔助的前提下，實(shí)現(xiàn)了定位精度優(yōu)于1 m。蘇曉剛等［8］設(shè)計(jì)了GPS/SINS組合導(dǎo)航定位監(jiān)控系統(tǒng)，解決了慣性導(dǎo)航起算數(shù)據(jù)更新的問題，并在無衛(wèi)星信號(hào)的前提下，仍具有較好的定位精度和流暢性。

本研究基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與Android移動(dòng)智能平板一體化設(shè)備，針對(duì)北斗定位精度相對(duì)較低的現(xiàn)狀，采用支持CORS差分的高精度小尺寸板卡，同時(shí)解算BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)定位精度，并將北斗定位技術(shù)應(yīng)用到自然資源管理中，從而滿足自然資源管理的統(tǒng)計(jì)分析和巡查上報(bào)等需求。

1 CORS差分定位原理

5G網(wǎng)絡(luò)在定位覆蓋和數(shù)據(jù)播發(fā)方面具有較大的優(yōu)勢，可提供超大帶寬、超低時(shí)延及海量連接的通信能力，而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能提供高精度定位、精細(xì)化導(dǎo)航和精準(zhǔn)度授時(shí)服務(wù)。在應(yīng)用時(shí)通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)提供信號(hào)，利用5G網(wǎng)絡(luò)便攜設(shè)備將二者進(jìn)行有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的高精度定位［9-11］。

1.1 差分定位法

在使用差分定位時(shí)，影響定位精度的因素有衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差，以及傳播路徑上的電離層延遲誤差和對(duì)流層延遲誤差。為了能有效消除或削弱上述誤差，提高定位精度，可采用兩個(gè)基站同步進(jìn)行觀測，利用站間差分來提高定位精度。

在已知基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)，移動(dòng)端便可完成差分定位，其數(shù)學(xué)模型見式（1）。

式中：ε為觀測噪聲；A為系數(shù)矩陣；x為未知參數(shù)矩陣；L為常數(shù)矩陣；ΔL為改正數(shù)常數(shù)矩陣。

通過最小二乘法可求得未知參數(shù)矩陣x，見式（2）。

式中：P為權(quán)陣。

公式（2）可展開改寫為式（3）。

式中：x由坐標(biāo)參數(shù)和接收機(jī)鐘差構(gòu)成；L由偽距觀測值構(gòu)成；ΔL由偽距改正信息構(gòu)成；（ATP A）-1ATP L為單點(diǎn)定位的結(jié)果；（ATP A）-1ATPΔL為求得的坐標(biāo)改正數(shù)。

要注意的是，移動(dòng)端設(shè)備無法直接獲取觀測值，只能獲取定位結(jié)果，移動(dòng)端設(shè)備通過這一特性來獲取基站播發(fā)的改正數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位［12］。

1.2 HENCORS差分集成

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是由中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其目標(biāo)是建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的形成，建立完善的國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行各業(yè)中的應(yīng)用［13-15］。HENCORS是以覆蓋河南省全省全域北斗為核心，多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并存、多種技術(shù)集成、多用途的衛(wèi)星導(dǎo)航定位綜合服務(wù)系統(tǒng)，具體指標(biāo)見表1。

利用便攜式設(shè)備進(jìn)行差分定位有兩個(gè)必要條件，一是差分?jǐn)?shù)據(jù)流的獲取，二是能進(jìn)行差分解算的設(shè)備。便攜設(shè)備先通過HENCORS服務(wù)器來獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)流，再由差分SDK負(fù)責(zé)定位解算。通過支持衛(wèi)星定位的Android終端來接收衛(wèi)星信號(hào)獲取所在地點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào)信息，得到該非精準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)，再通過互聯(lián)網(wǎng)將位置數(shù)據(jù)和Ntrip協(xié)議參數(shù)將其上傳到HENCORS位置服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)在獲得終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過服務(wù)類型下發(fā)終端所在大致位置的差分?jǐn)?shù)據(jù)，終端接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)后，利用原始觀測值以及差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行定位解算，從而獲得高精度的位置信息。在終端設(shè)計(jì)過程中，對(duì)原始的數(shù)據(jù)觀測值先進(jìn)行多普勒平滑偽距處理，再將處理后的位置信息傳輸?shù)紿ENCORS服務(wù)器中，獲取到更精準(zhǔn)的差分信息，終端在接收到信息后會(huì)進(jìn)行定位解算，并返回高精度位置信息，其流程如圖1所示。

表1 HENCORS指標(biāo)

圖1 高精度位置信息獲取流程示意圖

本研究采用上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司研發(fā)的、配備有高精度的小型板卡LT700H和南方測繪集團(tuán)生產(chǎn)的手持移動(dòng)作業(yè)終端N60。

2 高精度定位技術(shù)在自然資源管理中的應(yīng)用

在河南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用CORS差分集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了便攜設(shè)備的厘米級(jí)定位，在該高精度定位便攜設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)各種功能領(lǐng)域的服務(wù)APP，可實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域的高精度定位，為其具體服務(wù)項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)保障。研究設(shè)計(jì)總體框架如圖2所示。

自然資源管理服務(wù)移動(dòng)端與WEB管理端是基于無線通信網(wǎng)絡(luò)，并采用SOA技術(shù)、GIS技術(shù)，可提供底圖數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析、人員管理、資源管理等為一體的功能模塊，并以在線可移動(dòng)的方式為用戶提供便攜、經(jīng)濟(jì)、高效的資源管理模式，用戶可及時(shí)、準(zhǔn)確、全面掌握土地“批、供、用、補(bǔ)、查”、違法占地、土地開發(fā)利用等情況。APP安裝在專業(yè)的高精度平板上，接收北斗與CORS定位信號(hào)。作業(yè)前，先對(duì)平板進(jìn)行設(shè)置，連接上北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與CORS衛(wèi)星信號(hào)，來獲取高精度定位數(shù)據(jù)。APP通過專用網(wǎng)絡(luò)與電腦端（WEB端）的管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，及時(shí)獲得外業(yè)普查任務(wù)，查看反饋信息。此外，移動(dòng)端還包括巡查簽到、巡查上報(bào)、案件處理等功能。移動(dòng)端界面示意圖如圖3所示。

3 實(shí)例應(yīng)用

因自然資源管理工作強(qiáng)度較大、處理效率較低，本研究采用最新硬件設(shè)備，運(yùn)用最新技術(shù)處理地理信息數(shù)據(jù)，通過第四或第五代移動(dòng)通信技術(shù)，接入HENCORS位置服務(wù)系統(tǒng)，保障數(shù)據(jù)安全，同時(shí)滿足精度、可用性、完好性、兼容性等指標(biāo)，動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn)、實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的高精度定位。將該技術(shù)應(yīng)用于息縣、內(nèi)黃縣、鹿邑縣、桐柏縣自然資源管理中，改進(jìn)工作方法，提高工作效率。實(shí)例如圖4所示。

圖2 研究設(shè)計(jì)總體框架示意圖

圖3 自然資源管理服務(wù)移動(dòng)端界面示意圖

圖4 自然資源管理服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例示意圖

4 結(jié)語

本研究對(duì)5G+北斗的高精度定位技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行研究，實(shí)例應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，將可接收HENCORS信號(hào)的便攜式設(shè)備應(yīng)用于實(shí)例，可實(shí)現(xiàn)小于1 m的單點(diǎn)定位精度、水平優(yōu)于3 cm且垂直優(yōu)于5 cm的HENCORS實(shí)時(shí)定位精度，其可應(yīng)用到自然資源管理等實(shí)用領(lǐng)域中。隨著高精度平板的發(fā)展及河南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目的建成，二者集位置服務(wù)與移動(dòng)性、便攜性、小巧型于一體，可極大滿足現(xiàn)階段人們的需求。