基于CORS的公眾位置修正方法研究與實現

宋玉兵，彭樹標，沈 飛，王 勇

（江蘇省測繪工程院，江蘇南京210013）

一、引 言

大眾對定位精度的要求越來越高，而普通手機GPS定位精度較低，一般在10～20 m左右。一些移動運營商利用通信技術進行手機定位研究，如蜂窩基站定位、gpsOne定位等輔助定位技術(A-GPS)等。利用A-GPS技術可以縮短初始定位時間和解決GPS無法定位的情況，但對GPS定位精度提高不大，不能真正滿足公眾位置服務精確導航和行業應用的要求。江蘇省已建成覆蓋全省的CORS系統［1］，站間距平均距離為40 km，為用戶提供高精度的實時定位服務，但要實現高精度的GPS定位往往需要專業級的GPS設備，本文提出了利用位置差分的方法，利用普通手機GPS等公眾非專業型設備進行差分定位，代替價格昂貴的專業GPS手持設備。對土地巡查、車輛監控、部件采集等一些對精度要求不太高的應用，具有非常好的實用價值。

二、位置修正原理及技術實現

1.位置差分定位原理

GPS 絕對定位的誤差一般在20 m左右，為了得到更高的定位精度，一般采用差分 GPS技術(DGPS)［2］，DGPS方式按基準站信息發送方式可分為3種方式:①偽距差分;②載波相位差分;③位置差分。第①種方式，將在基準站上的接收機計算出的距離和含有誤差的距離測量值進行差值濾波求出其偏差，然后將所有衛星的偽距修正量播發給用戶，用戶利用改正后的偽距來解算本身的位置，來消除公共誤差和提高精度。第②種差分方式又稱RTK技術，基準站廣播觀測載波相位及測站坐標信息，用戶需要處理大量的數據，對用戶端設備要求高。第③種差分方式，在基準站上GPS接收機觀測4顆衛星便可解算出基準站坐標，并與基準站已知坐標比較得到位置改正量并播發給用戶進行坐標改正。這種差分方式實現簡單，對移動GPS設備硬件要求低，定位速度快，特別是普通手機GPS模塊大多集成度高不能輸出偽距，因此比較適合采用這種方式利用基準站和用戶站觀測同一組衛星來消除基準站和用戶站的共同誤差［4］，如衛星軌道誤差、大氣影響等，來提高手機GPS定位精度。

本文采用CORS參考站作為位置差分觀測基站，每秒鐘解算基站位置并與該站長時間靜態解算的精確值進行比較，得到每個站點的位置改正值。當用戶有定位需求時，首先解析手機GPS的NEMA數據得到坐標，并通過通信網絡發送到位置差分服務器，服務器根據用戶位置選取最近的3個基站，根據這3個基站的位置差分值進行距離加權內插該點的位置改正數，并將該點位置改正發給用戶進行坐標改正以獲得精確的定位結果。此時用戶和這3個參考站距離較近，一般不超過30 km，可以近似認為用戶和這3個參考站觀測到共同的衛星，兩者具有較強的空間相關性，可以消除定位主要誤差項(星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲、對流層延遲)。另外，由于目前國內公眾地圖一般都進行了加密和加偏，使得定位點與地圖匹配精度差，因此也開發了相應的坐標糾偏和坐標轉換服務。系統技術流程圖如圖1。

2.地圖匹配技術實現

（1）地圖糾偏服務的實現

為了國家地圖保密的需要，國內的公眾地圖(如google、百度等)一般帶有500 m左右的誤差。而由于這些地圖采用非線性算法加密，因此各地的偏移情況有所不同。本文為了提高疊合的顯示效果，對江蘇范圍內覆蓋區域左下角(30，116)右上角(35.2，122)范圍按0.01經緯度格網劃分求取格網點坐標偏移量，建立坐標偏移數據庫。由于這種格網糾偏值受格網密度影響且數據不連續，因此本文采用了距離加權糾偏算法來求取真實點的糾偏值。首先，根據真實坐標點與臨近的4個糾偏點的距離，計算4個點糾偏數據對真實坐標點糾偏結果的影像系數，再對4個點的糾偏數據乘以影像系數進行加權得到糾偏結果。通過位置差分后的手機坐標實地比對后，采集的坐標與地圖匹配精度基本能保證在5 m之內，基本滿足了高精度導航的要求。部分糾偏如表1所示。

圖1 位置修正系統流程圖

表1 地圖坐標糾偏表

（2）坐標轉換服務的實現

由于不同的地圖可能采用的不同的坐標系，而手機GPS只能輸出WGS-84坐標系的經緯度坐標，這樣，位置差分定位系統實現多源地圖服務切換導航就需要實時將GPS的經緯度轉換到地圖坐標系，實現點位與不同坐標系地圖的匹配。坐標轉換服務采用布爾莎七參轉換模型，利用覆蓋江蘇全省均勻分布控制點求取七參數，并將不同坐標投影到空間直角坐標系進行七參轉換。

三、基于Android的定位平臺實現

Android是Google于2007年11月宣布的基于Linux平臺開源手機操作系統名稱，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成，是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件，并融合了GPS技術，支持GPS的應用開發。本文基于Android開發的定位平臺實現不同地圖(Google影像、天地圖、ArcGIS本地緩存地圖)切換和漫游、地名查詢、軌跡記錄、相關設置等功能，系統中主要用到 GPS 模塊［3］。

1)LocationProvider:該類是定位提供者的抽象類，定位提供者具備周期性報告設備地理位置的功能。

2)LocationManager:該類提供訪問定位服務的功能，提供獲取最佳定位的一系列功能。

3)LocationLister:提供定位信息發生改變時的回調功能。

4)Criteria:該類使得應用能夠通過在Location-Provider中設置相應的屬性來選擇合適的定位提供者。

當開啟定位功能后，為了實現用戶的快速定位，對于首次定位利用LocationManager先判斷網絡定位是否可用，若可用則先采用網絡定位。然后LocationLister監聽定位信息發生的變化，根據定位時間和定位精度來比較是采用網絡定位還是GPS定位。當采用GPS初始定位后，通過HttpPost組件封裝移動端GPS的經緯度信息(B，L，H)進行位置差分服務發送請求，服務器端根據用戶位置計算位置差分值傳回用戶端進行修正。同時，若當前地圖是加偏后的公眾地圖則調用糾偏服務，如果當前地圖的坐標系不是WGS-84坐標系則調用坐標轉換服務，這樣就能保證高精度的定位點與所用地圖匹配的一致性。Google地圖定位匹配結果如圖2。

圖2 位置差分和地圖匹配結果

四、實例分析

本次試驗于2011年11月12日10點15分，利用Moto ME860手機共采集3個點位坐標分別為江蘇省測繪地理局大樓樓頂 01(32°3'44.25″，118°45'4.67″)、河海大學校園操場西南角 02(32°3'33.13″，118°45'5.55″)、奧體中心西南十字路口 03(32°0'31.60″，118°43'23.20″)，采用 5 次測量取平均值，其中 01、02、03號點離 NJGT站點最近分別約2.87、2.72和7.03，它們獲取最近的基準站點名稱(可用衛星數)分別為 NJGT(13)、NJPK(13)、NJLH(11)，采用RTK進行點位采集并與差分后手機位置進行了比較，差分后定位精度＜5 m，結果如表2。另外，通過加載Google國內影像地圖進行在北京西路斑馬線交叉處進行比對，位置匹配精度基本能保證在5 m之內。

表2 定位精度統計

五、結束語

本文通過CORS系統參考站實時數據流獲取和解算，利用周邊的參考站的信息和空間相關性，實現了網絡化GPS位置差分服務和同等精度地圖匹配技術，并開發了基于Android的差分定位平臺。該平臺對普通手機能進行位置改正，為高精度導航定位提出了一條解決途徑。由于通過位置差分方式提高普通GPS精度有限，如何利用現有資源為公眾提供低成本、高效率、高可靠性及中精度的位置服務，還有待于進一步研究。

［1］ 宋玉兵，丁玉平，沈飛.JSCORS的建設與最新進展［J］.測繪通報，2009(2):73-74.

［2］ 李傳華，孫禮軍，陸林濤.GPS手機的差分定位系統研究［J］.測繪科學，2012，37(3):50-51.

［3］ 劉勝前，陳立定，任志剛.基于 Android移動平臺和GPS應用服務研究［J］.信息技術，2012(1):82-85.

［4］ 張淑芳，袁安存.位置差分GPS定位系統［J］.大連海事大學學報，2002，28(S1):71-73.

［5］ 王永生.實時位置差分GPS的設計與實現［J］.西北工業大學學報，1994，12(13):356-358.

［6］ 廖華，馮 威，黃丁發.中央差分定位系統的設計與實現［J］.西南交通大學學報，2011，46(5):754-769.