嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位方法

韩 啸，潘树国，赵 庆

(1. 东南大学仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096; 2. 东南大学交通学院，江苏 南京 210096)

精密单点定位(precise point positioning,PPP)的基本原理是利用全球多个地面跟踪站计算得到的GNSS精密卫星轨道和精密卫星钟差，综合考虑各项误差的精确模型改正,使用载波相位观测值实现精确定位。该技术具有定位精度高、采集数据方便、数据处理简单快捷等优点[1]，是实现广域精密定位的有效手段，具有广泛的工程应用价值。

目前国际全球定位系统服务组织(Internation-nal GNSS Services，IGS)可基于NTRIP(network tr-ansport of RTCM over the Internet proto-col)协议[2]播发GPS和GLONASS实时卫星轨道和钟差改正信息,用于实时PPP定位。随着北斗卫星导航系统初步形成导航定位服务能力[3]，武汉大学开发了广域实时精密定位的数据服务系统[4]，用户可通过TCP协议实时接收GPS和BDS的实时卫星轨道和钟差改正信息。基于此，本文讨论GPS/BDS实时精密单点定位方法，采用无电离层组合观测模型，实时计算卫星轨道钟差及各项误差，使用卡尔曼滤波进行参数估计，然后在嵌入式平台下实现该算法；通过软硬件集成研制出一套实时GPS/BDS双系统高精度定位设备，并且经过测试证明了该设备的可用性。

1 GPS/BDS实时精密单点定位算法

1.1 GPS/BDS实时精密单点定位模型

本文采用双频无电离层组合模型作为精密单点定位的观测模型，可通过线性组合的方式消除电离层一阶项的影响，其简化形式为

(1)

1.2 数据预处理与误差处理方法

数据质量是GNSS高精度定位的保障，因此需要对数据进行预处理。首先需要剔除不健康卫星和观测值有粗差的卫星，并且通过MW模型和GF模型进行周跳探测[5]，对出现周跳卫星的模糊度初始化。此外，还需剔除低高度角卫星和处于地影区域的卫星，通过这些处理，可以避免异常观测数据对PPP解算的不利影响。

影响PPP定位精度的因素主要包括卫星轨道钟差误差、对流层延迟、卫星与接收机天线相位中心改正、卫星天线相位缠绕、相对论效应、多路径效应、地球自转改正，以及地球固体潮和海洋潮。数据预处理和误差处理的具体策略[6]见表1。

表1 数据预处理和误差处理策略

1.3 实时精密卫星轨道和钟差计算

通过广播星历和实时轨道钟差改正产品，可计算实时精密卫星轨道和钟差，其中实时产品的播发采样率为1 s。

实时轨道改正数是对广播星历计算的卫星轨道星固系下切向、法向、径向的修正[7],使用时需要将其转成地固系下的改正值。转换公式为

(2)

(3)

Xsat=Xbroadcast-dX

(4)

式中，r和v分别为通过广播星历计算的位置矢量和速度矢量；eA、ec、eR分别为卫星轨道在切向、法向、径向的单位向量；dA、dC、dR分别为卫星轨道在切向、法向、径向的修正值；dX为地固系中卫星位置在X、Y、Z3个方向的修正值。根据广播星历计算得到的坐标Xbroadcast和dX可得到实时精密轨道Xsat。

实时精密钟差是通过实时钟差改正数对广播星历计算的钟差的修正获取的[8]，公式为

Tsat=Tbroadcast+dt/c

(5)

式中，Tbroadcast为通过广播星历计算的钟差；dt为实时钟差改正数；c为光速；Tsat为修正后的实时精密钟差。

选取单天的数据计算实时卫星轨道和钟差，与最终星历对比，可得实时卫星轨道和钟差的精度。对于实时卫星钟差精度，GPS优于0.5 ns,BDS优于1 ns。实时卫星轨道精度见表2。

表2 卫星轨道RMS值 cm

由表2可以看出，GPS的卫星轨道精度优于BDS；而BDS的IGSO和MEO卫星明显优于GEO,尤其是切向。但实际定位中,相对于径向、切向和法向的偏差对于定位精度影响较小，且切向的偏差在测站和卫星连线方向的投影可被模糊度吸收[9]。因此，定位时仍使用BDS的GEO卫星。

1.4 参数估计方法

假设某一历元可以观测到n颗GPS卫星和m颗 BDS卫星，可得到以下待估参数为

(6)

式中，待估参数依次为测站的三维坐标、GPS接收机钟差、BDS接收机钟差、天顶对流层湿延迟和GPS与BDS所有卫星的整周模糊度。给定系统状态初值X0及均方差初值Q0,利用卡尔曼滤波不断递推下一个历元的参数估计。

2 系统设计与实现

2.1 系统平台设计

整个硬件平台包括ARM核心板，串口通信模块、网络通信模块、直流电源模块、卫星OEM板卡和底板。ARM核心板由ARM芯片、SDRAM和Nand Flash组成，其中ARM芯片为ARM9系列的S3C2440A，是整个硬件系统的控制中心。卫星OEM板卡选用和芯星通的UB380，该型号板卡可以捕获北斗导航系统的B1/B2/B3、GPS的L1/L2的GLONASS L1/L2三系统7个频点的卫星数据[10]，其硬件尺寸兼容市场主流GNSS OEM板卡。直流电源模块是整个系统的动力来源，可提供3.3 V/1 A和5 V/1 A的直流电源，其中3.3 V/1 A的直流电源将为卫星OEM板卡和通信模块提供电源电压，5 V/1 A的直流电源为ARM核心板提供电源电压。串口通信模块的驱动电路采用2驱动器/2接收器的SP3232EEN芯片,用于数据通信链路的TTL电平与推荐标准RS-232电平之间的转换[11]。对于S3C2440处理器，共有3个独立串口通道。其中，串口1用于和外部设备的通信，完成嵌入式Linux操作系统的移植和后期应用程序的调试；串口2用于和卫星OEM板卡进行串口通信，获取观测电文和导航电文；串口3用于输出定位结果。网络通信模块用于ARM处理器通过网络与远程TCP服务器进行连接，获取GPS/BDS实时轨道钟差改正产品。以上各个模块都组合在硬件平台底板上，使每个模块都可以稳定工作。如图1—图3所示。

图1 系统硬件

图2 系统硬件平台内部结构图

系统硬件平台设计好之后，向硬件平台移植Linux操作系统。

图3 嵌入式设备显示界面

2.2 嵌入式实时PPP软件设计

在系统平台的基础上，利用卫星OEM板卡的观测数据和星历数据，结合网络获取实时轨道钟差改正产品，完成了嵌入式GPS/BDS实时PPP软件的设计。软件流程[12-15]如图4所示。

图4 系统软件

3 试验验证

在实际测试过程中，可能会遇到遮挡环境，导致GPS卫星数过少，GPS/BDS组合定位可以显著增加定位卫星数，减小PDOP值，改善定位卫星的空间结构。本文分别在静态环境和动态环境测试GPS单系统和GPS/BDS组合实时精密单点定位，并对测试结果进行分析对比，见图5—图8，以及表3—表4。

图5 GPS静态PPP

图6 GPS/BDS静态PPP

图7 GPS动态PPP

图8 GPS/BDS动态PPP

m

表4 动态PPP误差RMS值 m

3.1 静态测试

静态测试选择已知测点进行，数据采样率为1 s，数据时长约为6 h，分别取测试1 h以后的数据统计误差RMS值。通过该结果可以看到，GPS/BDS组合实时静态精密单点定位可达到平面优于3 cm,高程优于8 cm。相对于GPS实时静态精密单点定位，N方向提升了约1.2 cm，E方向提升了约0.5 cm，U方向提升了约0.5 cm。

3.2 动态测试

动态测试通过车载方式进行，数据采样率为1 s,数据时长约为150 min。以Inertial Explorer软件事后解算的结果作为真值，同样取测试1 h以后的数据统计误差RMS值。结果表明，GPS/BDS组合实时动态精密单点定位可达到平面优于12 cm,高程优于15 cm。相对于GPS实时动态精密单点定位，N方向提升了约3.8 cm，E方向提升了约2.0 cm，U方向提升了约2.3 cm,且收敛过程更为平滑。

4 结 语

本文讨论了利用实时轨道钟差增强改正信息，实现GPS/BDS实时精密单点定位的方法，并完成嵌入式便携式设备的软硬件设计，可以使PPP实时高精度定位摆脱应用场合的限制，具有重要的工程价值。

从本文的测试结果可以看到，在嵌入式设备上进行GPS/BDS双系统实时定位时静态可以达到平面优于3 cm，高程优于8 cm的定位精度；动态可以达到平面优于12 cm,高程优于15 cm的定位精度。将来随着GPS和BDS实时精密产品精度的提高,嵌入式GPS/BDS实时PPP的定位精度将得到进一步提高和改善。

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