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1 62 测绘通报 2017 年第 5 期 引文格式 : 刘宏 ꎬ 万立健 ꎬ 陆亚英. 基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术 [ J]. 测绘通报 ꎬ2017(5):62 66.DOI: / j. cnki 基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术 刘 宏 ꎬ 万立健 ꎬ 陆亚英 ( 上海达华测绘有限公司 ꎬ 上海 ) 摘要 : 随着远距离海洋工程项目的不断展开 ꎬ 对北斗高精度的定位需求越来越迫切 ꎬ 而远海地区常规地基增强建设及差分传输方式无法实施 ꎮ 为解决远海北斗高精度定位的难题 ꎬ 本文采用北斗卫星导航系统 ( BDS) 的短报文功能进行精密单点定位误差改正数的播发 ꎬ 向观测用北斗卫星终端发送精度较高的卫星钟误差 星历误差改正值 ꎬ 实现了北斗卫星改正信息的远程传输 ꎬ 传输距离被大大拓展 ꎬ 不再受地域的限制 ꎬ 并大大提高了北斗系统定位精度 ꎬ 为北斗技术在海洋工程中的应用拓展了空间 ꎮ 关键词 : 北斗卫星 ꎻ 差分播发 ꎻ 远距离 ꎻ 海洋工程 ꎻ 高精度定位中图分类号 :P228 文献标识码 :A 文章编号 : (2017) High Precision Positioning Technology for Long Distance Ocean Engineering Based on BeiDou Satellite Navigation System LIU HongꎬWAN LijianꎬLU Yaying ( Shanghai Dahua Surveying & Mapping Co. Ltd.ꎬ Shanghai ꎬ China) Abstract: With the development of long distance ocean engineering projectꎬ high precision positioning of BeiDou satellite is greatly neededꎬ the conventional ground based augmentation system and differential transmission can not be implemented in far away sea area. To solve the problem of BeiDou high precision positioningꎬ BeiDou satellite system with short message function is used to broadcast precise point positioning error correction. By sending the observed correction of satellite clock error and ephemeris error of high precision to BeiDou satellite terminalꎬ the remote transmission of the BeiDou satellite correction information is realizedꎬ the transmission distance is greatly expandedꎬ no longer subject to geographical restrictions. The positioning accuracy of the BeiDou system is greatly improvedꎬ and the application of BeiDou technology in ocean engineering is expanded. Key words: BeiDou satellitesꎻ differential broadcastꎻ long distanceꎻ ocean engineeringꎻ high precision positioning 目前我国的测绘 国土 城建 规划 水利等行业 及国家一些重大工程建设 ꎬ 需要厘米级甚至更高的 精确定位 ꎬ 大多采用 GPS 的基准站差分定位技术 ꎮ 一旦 GPS 停止服务 ꎬ 这些行业和工程将陷入混乱或 停顿 ꎮ 随着中国自主研发 独立运行的北斗导航卫 星系统开始覆盖亚太地区 ꎬ 北斗的应用越来越广泛 ꎮ [1 2] 然而 ꎬ 目前因北斗卫星数量 地面增强系统建立 不完善 ꎬ 北斗卫星的单点定位精度都在 10 m 以上 ꎬ 无法满足测绘 工程施工等方面的高精度定位要求 ꎬ 特别在远离陆地的海洋区域 ꎬ 受地域及环境限制 ꎬ 常 规的基站和差分传输与接收方式 许多陆地上可以 解决的方案无法实施 ꎮ 本文通过研究依托北斗卫星导航系统 ( BeiDou Satellite Navigation SystemꎬBDS) 的信息发送与接收 [3] [4] 功能进行精密单点定位误差改正数的播发 ꎬ 以 及制定北斗差分标准协议 ꎬ 向观测用北斗卫星终端发送精度较高的卫星钟误差 星历误差 ( 轨道误差 ) 改正值 ꎬ 实现亚分米乃至厘米级的高精度北斗实时定位 ꎬ 以满足日益增长的远距离海洋工程项目定位需求 ꎮ 1 系统组成及流程 1.1 参考站系统参考站系统由硬件 软件两部分组成 ꎮ 硬件由 BDS / GPS 双系统接收机 电脑 BeiDou 短报文发报机及网络系统组成 ꎮ 软件由 IGU 轨道下载软件 通信软件和改正数生成软件组成 ꎮ 需要实现的功能为从网络下载 IGU 轨道数据 接收实时观测数据 实时计算观测值改正数 实时计算星历改正数和计算结果格式转换与播发 ꎮ 收稿日期 : 基金项目 : 上海市经济和信息化委员会产业转型升级发展专项资金 (SX ZXSJ ) 作者简介 : 刘宏 (1980 )ꎬ 男 ꎬ 硕士 ꎬ 高级工程师 ꎬ 主要从事测绘专业工作 ꎮ E mail:liuhong188@ 126.com

2 1.2 刘 宏ꎬ等:基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术 用户站系统 广播星历ꎬ求取轨道修正信息ꎬ求取快速星历相对于 用户站系统由硬件 软件两部分组成ꎮ 硬件由 BDS GPS 双系统接收机 电脑 BeiDou 短报文接收 机及网络系统组成ꎮ 软件由精密单点定位软件 通 信软件和计算结果显示系统组成ꎮ 需要实现的功能为接收实时观测数据 实时进 行点定位 接收改正数数据和定位结果显示ꎮ 1.3 数据处理流程 图1 关键技术 数与星历播发和移动端快速定位 3 部分组成ꎮ 2.1.1 (2) 计算基准站修正信息改正数及基准站宽巷 模糊度信息ꎮ (3) 将上述基准站综合信息编码为 RTCM 格 式ꎬ通过北斗卫星播发给用户ꎮ (4) 移动站输入:基准站综合信息ꎬ观测数据ꎬ (5) 进行精密单点定位ꎮ 数据处理总体流程 本系统的关键技术由岸基数据处理 岸基改正 2.1 广播星历的改正数ꎮ 广播星历ꎮ 总体数据处理流程如图 1 所示ꎮ (1) 基准站输入:观测数据ꎬIGU 超快速轨道ꎬ 2 63 岸基数据处理技术 基于多频多模实时数据的基准站轨道修正 信息及压缩解码 建立 专 业 的 北 斗 数 据 下 载 及 处 理 平 台ꎬ 使 用 IGS 的 SP3 精密星历文件进行处理ꎮ 需要编制 FTP 方 华测等厂商的用户端设备ꎬ均可以接收到多模多 频的( GPS 和 BDS) 数据ꎬ或直接实施主板级别的终 端研发ꎬ实现接收机原始格式数据流与 RTCM 数据 流的解码编码ꎮ 利用蓝牙 WiFi 等通信技术ꎬ从网 络获取单基准站点发布的 PPP 数据服务ꎬ同时实现 实时解码和优化ꎮ 2.1.2 超快速精密星历 IGU 自动下载与更新 精密 星历轨道改正数求解 IGS 发布的精密星历数据 [5] 主要有 3 种:最终 程序ꎬ通 过 Internet 远 程 连 接 IGS 精 密 星 历 下 载 精密星历( IGS) 快速精密星历( IGR) 超快速精密 目前ꎬ市场成熟的用户端专业接收机ꎬ如 Trimble 南 实时性等参数ꎮ FTP 服务器ꎬ从而实时下载所需文件ꎬ并存储下来ꎮ 星历( IGU) ꎬ表 1 具体给出各种星历产品的精度和

3 64 测 表1 绘 最终星历 卫星星历 快速星历 卫星星历 采样间隔 数后对自己使用广播星历计算的坐标进行改正ꎮ 北 2.5 cm 0.1 ns 12 ~ 18 d 30 s 或 5 min 斗数据传输时ꎬ单张北斗卡每次传输的数据包最大为 3 cm 0.2 ns 17 ~ 41 h 实时 实时 5 min 由表 1 可以看出ꎬIGS 最终精密星历和快速精 密星历的精度虽然比超快速精密星历高ꎬ但是其滞 后时间无法满足实时精密定位的要求ꎮ 超快速星历 可以实时获取ꎬ且轨道精度较高ꎬ包含预测部分ꎬ可 以很好地满足实时性与精度的要求ꎮ 考虑到远距离海域无法获取超快速精密星历ꎬ 需要将基站实时获取的超快速精密星历相对于广播 星历的改正数发送给用户站ꎮ 基站与流动站之间数 据传输靠接收机短报文技术ꎬ数据传输量有限ꎬ因此 2.2 [6] ꎮ 岸基改正数播发技术 将岸基平台解算的 GPS / BDS 综合改正信息编 码为自定义的格式 假设一组坐标使用 2 hꎬ用户将在收到坐标改正 时间延迟 5 cm 5 ns 超快速星历 卫星星历 ( 实测) [7] 给用户站ꎮ 精度 2.5 cm 0.1 ns 超快速星历 卫星星历 ( 预报) 报 IGS 精密星历产品 IGS 星历产品类型 要对数据进行压缩 通 ꎬ用北斗卫星短报文功能播发 IGU 精密轨道采用切比雪夫多项式拟合ꎬ将拟 78.5 Bꎬ每颗卫星的坐标改正数参数最大约 116 Bꎬ 15 颗GPS 卫星即为 1740 B( 1.7 KB) ꎬ需要 22 个数 据包 [8] ꎬ按照集成 32 张卡的指挥机 2.35 KB / min 的 传输速率ꎬ即需要传输的最大时间约 43 sꎻ64 张卡的 指挥机 4.85 KB / min 的传输速率ꎬ最大时间约 20 sꎮ 2.3 移动终端定位技术 用户端的数据处理 [9] 主要包括 GNSS 多系统数 据的预处理 误差改正 实时动态定位处理模型和 算法ꎮ 2.3.1 数据预处理 对于 GNSS 数据ꎬ首先要进行数据的质量检查 和粗差探测ꎬ删除粗差数据及无钟差无轨道的数据ꎻ 数据的预处理主要包括周跳探测和修复ꎮ 周跳探测 的好坏直接影响定位精度ꎬ常采用 TurboEdit 算法 电离层残差法 多项式拟合等多种方法综合探测周 跳ꎮ 在周跳出现的历元ꎬ通常采用增加新的模糊度 参数来解决ꎮ 2.3.2 位 实时动态精密单点定位 对于 GNSS 多系统下的实时动态精密单点定 [10] 功能ꎬ主要采用无电离层组合的 PPP 观测模 型进行定位解算ꎬ其流程如图 4 所示ꎮ 合参数以指定格式通过基于北斗卫星短报文通信功 能实时获取由基站播发的 IGU 轨道改正数ꎬ拟改正 数的传输频率:拟合参数的传输可以每几个小时传 输一次ꎻ通过岸基的精确预报推算ꎬ可提前将相关参 数发送至北斗测量终端ꎬ实现实时的精密定位ꎮ 轨道改正数的格式规定如下ꎬ范例如图 2 所示: 发送内容为预报星历与广播星历坐标之差ꎬ可以每 2 h 发送一次ꎬ为节省传输空间省略了空格 小数点 及回车ꎬ数据为正时负号也可省略ꎮ 利用北斗指挥 图4 机对使用中的观测设备发送的码和相位的基站差观 测值修正信息及基站的宽巷模糊度信息播发观测值 改正数ꎬ观测值改正数的格式范例如图 3 所示ꎮ 2.3.3 动态定位流程 实时精密单点定位软件模块的实现 实时动态定位模块的设计和实现是用户端定位 服务的重要研究内容ꎮ 考虑到不同功能模块的独立 图2 星历改正数格式 性 人机交互的灵活性及对程序运算效率等方面的 要求ꎬ采用 C / C 语言在 VS2008 VS2010 等多个 编程平台下进行联合开发ꎬ并对功能模块组进行独 立化开发ꎬ主要开发的独立模块有数据接收模块 数 图3 观测值改正数格式 据时间匹配模块 解算模块和输出模块ꎮ

4 3 3.1 刘 宏ꎬ等:基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术 3.3 系统测试 65 长基线动态试验 长基线动态测试时ꎬ流动站不再固定ꎬ利用星站 短基线试验与持续性分析 短基线测试在上海市内进行ꎬ测试时间总时长 差分设备 天宝 RTK 设备作为参考ꎬ检核软件在长 基线定位中可以达到的外符合精度ꎮ 781.5 hꎬ基线长平均 50 kmꎬ收敛时间平均需 350 历 3.3.1 为 3 cmꎬ高程 U 方向为 8 cmꎬ如图 5 所示ꎮ 系统最 备与本系统设备安置在一辆商务车上ꎬ随后驾驶商 力ꎬ在短基线试验中达到了厘米级的定位精度ꎮ 动ꎬ最后比较两套设备各自解算出的轨迹差异ꎬ从而 元ꎬ收敛稳定后平面 N E 两个方向的平均定位精度 长持续运行时间超过一月ꎬ具有较好的持续运行能 陆上 RTK 动态比对 测试地点与基站距离约 250 kmꎬ将天宝 RTK 设 务车以船行速度 ( 约 20 ~ 30 km / h) 沿 一 条 公 路 移 体现本系统的定位质量ꎮ 以 RTK 的结果作为参考ꎬ 本系统的动态定位外符合精度为 N 方向 4.71 cm E 方向 3.33 cmꎬ符合预期目标( 如图 7 所示) ꎮ 图5 3.2 短基线 N E U 3 个方向误差 图7 长基线静态试验 静态长时间测试ꎬ主要分析定位结果随时间的 RTK 与本系统陆上轨迹对比 波动变化情况ꎮ 基准站:达华 01ꎻ流动站设置三组: 3.3.2 303 420 kmꎬ采样间隔 1 sꎮ 其中大丰港运行 23 hꎬ 备与本系统设备安置在一艘施工船上ꎬ随后使施工 定位精度 N 方向 8 cmꎬe 方向 14 cmꎬu 方向 13 cmꎻ 算出的轨迹差异ꎬ从而体现本系统的定位质量ꎮ 由 盐城大丰港 射阳港 连云港ꎬ基线长度分别为 234 运行过程中无特殊状况ꎬ初始收敛时间为350 历元ꎬ 射阳港运行 28.6 hꎬ收敛后的内符合精度为 N 方向 6.5 cmꎬe 方向 11 cmꎬu 方向 15.6 cmꎻ连云港运行 26 hꎬ 收 敛 后 内 符 合 精 度 为 N 方 向 9 cmꎬ E 方 向 16 cmꎬu 方向 17 cm( 如图 6 所示) ꎮ 海上星站差分动态比对 测试地点与基站距离约 300 kmꎬ将星站差分设 船尽量沿一条直线移动ꎬ最后比较两套设备各自解 两套系统解算出的各自位置坐标反算出的船只每秒 运行轨迹的差异基本在 9 cm 以内ꎮ 如图 8 所示ꎬ若 认为星站差分的结果为真值ꎬ则本系统平面精度 N 方向13 cmꎬe 方向 14 cmꎮ 图8 图6 长基线 N E U 3 个方向误差 平面定位稳定后定位误差在 0.2 m 以内ꎬ满足 高精度定位要求ꎮ 对于较长基线(400 km 左右) ꎬ本 程序的定位结果所受影响不大ꎬ依旧能满足远距离 海洋工程要求ꎮ 星站差分与本系统海上轨迹对比 基于北斗卫星的远海高精度定位系统经过测 试ꎬ符合项目预期的各项要求ꎬ包括平面定位精度在 0.2 m 以内ꎬ收敛时间 10 minꎮ 同时ꎬ本系统运行稳 定ꎬ能够在海上的环境中长时间提供高质量的定位 服务ꎮ

5 66 测绘通报 2017 年第 5 期 4 结语本文利用北斗卫星短报文通信技术实现了北斗卫星改正信息的远程传输 ꎬ 传输距离被大大拓展 ꎬ 不再受地域的限制 ꎬ 只要能够收到北斗卫星的地方都可以收到岸基平台传来的相关 PPP 改正数 ꎮ 常用的北斗卫星系统的平面单点定位精度大约为 10 mꎬ 在无法建立地基增强系统的远海地区 ꎬ 通过本项研究将系统的定位精度提高到 20 cm 以内 ꎬ 满足了远距离海洋工程精确定位需要 ꎮ 相比于传统差分定位 ꎬ 本算法完全采用 PPP 作业模式 ꎬ 作业简单 ꎬ 但可以获取差分定位精度 ꎻ 传统 PPP 定位对模糊度采取不固定浮点解模式 ꎬ 但是本文算法在获取基准站修正信息后 ꎬ 快速固定流动站模糊度 ꎬ 快速获取高精度定位结果 ꎮ 目前 ꎬ 利用 BDS 传输北斗卫星测量定位所需的 准确的卫星轨道参数 钟差 UDP 等方面的研究 ꎬ 国内外鲜有报道 ꎬ 具有一定先进性 ꎮ 本系统的应用范围并不局限于海上定位 ꎬ 在陆上大范围的导航定位 沙漠等其他通信不便区域都值得推广应用 ꎮ 参考文献 : [J]. 数字通信世界 ꎬ2013(8): [2] 耿永超 ꎬ 胡耀坤 ꎬ 梁绍一. 基于北斗的地基增强系统试验性能分析 [C] 2015 年第六届中国卫星导航学术年会论文集. 西安 :[s.n.]ꎬ2016. [3] 何嗣隆 ꎬ 叶方舟 ꎬ 王远飞. 北斗 RDSS 在海洋工程数据传输中的应用 [J]. 华东师范大学学报 ꎬ2014(4): [4] 李进禄. 精密单点定位技术应用浅析 [ J]. 测绘与空间地理信息 ꎬ2009ꎬ32(3): [5] 徐贤青 ꎬ 李东强. 关于 GPS 精密单点定位 ( PPP) 技术的精度探讨 [ J]. 测绘与空间地理信息 ꎬ 2012ꎬ 35 (10): [6] 于龙洋 ꎬ 王鑫 ꎬ 李署坚 ꎬ 等. 基于北斗短报文的定位数据压缩和可靠传输 [ J]. 电子技术应用 ꎬ 2012ꎬ 38 (11): [7] 缪袁泉 ꎬ 丁琪 ꎬ 胡知斌. 基于北斗短报文功能的疏浚船舶数据传输系统设计 [J]. 中国港湾建设 ꎬ2014(10): [8] 邓玉芬 ꎬ 张博 ꎬ 沈明 ꎬ 等. 基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统 [J]. 海洋测绘 ꎬ2009ꎬ29(4): [9] 李征航黄劲松.GPS 测量与数据处理 [M]. 武汉 : 武汉大学出版社 ꎬ2005. [10] 叶达忠. GPS 精密单点定位 PPP 原理 测试及应用 [J]. 广西水利水电 ꎬ2007(1): [1] 陈伏州. 关于我国北斗地基增强系统发展的思考 ( 上接第 20 页 ) Positioning [J]. Transactions in GISꎬ 2009ꎬ 13( S1): [5] RAINER M. Indoor Positioning Technologies [ M] [ S. l.]: Subwestdeut Scher Verlag Fur Hochschul [9] 陈国良 ꎬ 张言哲 ꎬ 汪云甲 ꎬ 等. WiFi PDR 室内组合定 schriften AGꎬ2012. 位的无迹卡尔曼滤波算法 [ J]. 测绘学报 ꎬ 2015ꎬ 44 [6] BAHL Pꎬ PADMANABHAN V N. RADAR: An In (12): building RF based User Location and Tracking System [10] WANG Jꎬ HU Aꎬ LI Xꎬ et al. An Improved PDR / [ C] Proceedings of the INFOCOM 2000 Nineteenth Magnetometer / Floor Map Integration Algorithm for Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. [ S.l.]:IEEEꎬ Ubiquitous Positioning Using the Adaptive Unscented Kalman Filter [ J]. ISPRS International Journal of Geo [7] 周志华. 机器学习 [ M]. 北京 : 清华大学出版社 ꎬ Informationꎬ 2015ꎬ 4(4): [11] NOVATEL. SPAN IGM S1 [ EB / OL]. [ ]. [8] ZANDBERGEN P A. Accuracy of iphone Locations: A Comparison of Assisted GPSꎬ WiFi and Cellular http: www. novatel. com / assets / Documents / Papers / SPAN IGM S1 PS.pdf

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