5G+北斗定位技術在自然資源管理中的應用研究

何龍祥 雷 斌 肖 鋒

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

0 引言

國內外學者對導航定位服務技術及設備進行了大量的研究工作，并取得較好的研究成果。目前，國內外的導航定位設備可分為基于Global Positioning System（GPS）的導航定位設備、基于Galileo satellite navigation system（GALILEO）系統的導航定位設備、基于Global Navigation Satellite System（GLONASS）的導航定位設備以及基于北斗的導航定位設備。針對上述導航定位設備，諸多學者進行了相關研究，來增強相關導航技術及設備的精度與便攜性。Ishibashi等［1］研發了具有接收預定點信息的接收單元、顯示預定點信息的終端顯示單元和將預定點信息轉發給導航設備的轉發單元的移動終端。Str?mback等（2010）研發了一種腳踏式導航系統，通過使用IMU和UWB測距設備，能顯著提高導航精度。Gesmundo等［2］提出一種利用時域有限差分法（FDTD）來模擬電磁波傳播，并獲得訓練數據的方法，從而實現高精度定位。Karpik等［3］在GNSS設備和GLONASS地面基礎設施的基礎上，研發出定位導航信息系統，該系統達到了分米級定位精度。國內學者也積極展開相關技術研究，李旭等［4］結合導航定位技術和無線通信技術提出一種緊耦合融合的定位方法，研究結果表明，在工作受限的情況下，該方法在車輛連續、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，應用數據融合濾波器，提出一種利用參考節點和未知節點的距離平方來預估INS解算誤差的人員緊組合定位方法，從而實現對人員的精確定位。郭杰［6］提出采用OEM617D雙向定位板卡加Ellipse2-M1慣導模塊采集數據，并采用Emmc存儲體進行存儲數據的基于北斗導航定位的組合導航設備設計和實現方法。吳鵬等［7］為解決定位時復雜環境下多路徑效應的誤差影響，在Android平臺上應用GPS/北斗雙頻導航芯片，在不用輔助的前提下，實現了定位精度優于1 m。蘇曉剛等［8］設計了GPS/SINS組合導航定位監控系統，解決了慣性導航起算數據更新的問題，并在無衛星信號的前提下，仍具有較好的定位精度和流暢性。

本研究基于北斗導航系統與Android移動智能平板一體化設備，針對北斗定位精度相對較低的現狀，采用支持CORS差分的高精度小尺寸板卡，同時解算BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四星系統，實現了厘米級定位精度，并將北斗定位技術應用到自然資源管理中，從而滿足自然資源管理的統計分析和巡查上報等需求。

1 CORS差分定位原理

5G網絡在定位覆蓋和數據播發方面具有較大的優勢，可提供超大帶寬、超低時延及海量連接的通信能力，而北斗導航系統能提供高精度定位、精細化導航和精準度授時服務。在應用時通過衛星導航定位基準服務系統提供信號，利用5G網絡便攜設備將二者進行有機融合，從而實現移動端的高精度定位［9-11］。

1.1 差分定位法

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

在已知基準站坐標時，移動端便可完成差分定位，其數學模型見式（1）。

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

通過最小二乘法可求得未知參數矩陣x，見式（2）。

式中：P為權陣。

公式（2）可展開改寫為式（3）。

式中：x由坐標參數和接收機鐘差構成；L由偽距觀測值構成；ΔL由偽距改正信息構成；（ATP A）-1ATP L為單點定位的結果；（ATP A）-1ATPΔL為求得的坐標改正數。

要注意的是，移動端設備無法直接獲取觀測值，只能獲取定位結果，移動端設備通過這一特性來獲取基站播發的改正數，從而實現高精度定位［12］。

1.2 HENCORS差分集成

中國北斗衛星導航系統（BDS）是由中國自行研制的全球衛星導航系統，其目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠、覆蓋全球的北斗衛星導航系統，以促進衛星導航產業鏈的形成，建立完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行各業中的應用［13-15］。HENCORS是以覆蓋河南省全省全域北斗為核心，多衛星導航系統并存、多種技術集成、多用途的衛星導航定位綜合服務系統，具體指標見表1。

利用便攜式設備進行差分定位有兩個必要條件，一是差分數據流的獲取，二是能進行差分解算的設備。便攜設備先通過HENCORS服務器來獲取差分數據流，再由差分SDK負責定位解算。通過支持衛星定位的Android終端來接收衛星信號獲取所在地點的衛星信號信息，得到該非精準的位置數據，再通過互聯網將位置數據和Ntrip協議參數將其上傳到HENCORS位置服務平臺，平臺在獲得終端所發送的數據后，通過服務類型下發終端所在大致位置的差分數據，終端接收到差分數據后，利用原始觀測值以及差分數據進行定位解算，從而獲得高精度的位置信息。在終端設計過程中，對原始的數據觀測值先進行多普勒平滑偽距處理，再將處理后的位置信息傳輸到HENCORS服務器中，獲取到更精準的差分信息，終端在接收到信息后會進行定位解算，并返回高精度位置信息，其流程如圖1所示。

表1 HENCORS指標

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航技術有限公司研發的、配備有高精度的小型板卡LT700H和南方測繪集團生產的手持移動作業終端N60。

2 高精度定位技術在自然資源管理中的應用

在河南省衛星導航定位基準服務系統基礎上，采用CORS差分集成技術，實現了便攜設備的厘米級定位，在該高精度定位便攜設備的基礎上，開發各種功能領域的服務APP，可實現各領域的高精度定位，為其具體服務項目提供數據保障。研究設計總體框架如圖2所示。

自然資源管理服務移動端與WEB管理端是基于無線通信網絡，并采用SOA技術、GIS技術，可提供底圖數據、統計分析、人員管理、資源管理等為一體的功能模塊，并以在線可移動的方式為用戶提供便攜、經濟、高效的資源管理模式，用戶可及時、準確、全面掌握土地“批、供、用、補、查”、違法占地、土地開發利用等情況。APP安裝在專業的高精度平板上，接收北斗與CORS定位信號。作業前，先對平板進行設置，連接上北斗導航系統與CORS衛星信號，來獲取高精度定位數據。APP通過專用網絡與電腦端（WEB端）的管理系統進行實時通信，及時獲得外業普查任務，查看反饋信息。此外，移動端還包括巡查簽到、巡查上報、案件處理等功能。移動端界面示意圖如圖3所示。

3 實例應用

因自然資源管理工作強度較大、處理效率較低，本研究采用最新硬件設備，運用最新技術處理地理信息數據，通過第四或第五代移動通信技術，接入HENCORS位置服務系統，保障數據安全，同時滿足精度、可用性、完好性、兼容性等指標，動態參考基準、實時定位精度可達到厘米級，實現靜態及動態的高精度定位。將該技術應用于息縣、內黃縣、鹿邑縣、桐柏縣自然資源管理中，改進工作方法，提高工作效率。實例如圖4所示。

圖2 研究設計總體框架示意圖

圖3 自然資源管理服務移動端界面示意圖

圖4 自然資源管理服務系統應用實例示意圖

4 結語

本研究對5G+北斗的高精度定位技術與應用進行研究，實例應用發現，將可接收HENCORS信號的便攜式設備應用于實例，可實現小于1 m的單點定位精度、水平優于3 cm且垂直優于5 cm的HENCORS實時定位精度，其可應用到自然資源管理等實用領域中。隨著高精度平板的發展及河南省衛星導航定位基準服務系統項目的建成，二者集位置服務與移動性、便攜性、小巧型于一體，可極大滿足現階段人們的需求。