5G+北斗定位技术在自然资源管理中的应用研究

何龙祥 雷 斌 肖 锋

（1.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450045；2.河南省测绘地理信息局，河南 郑州 450003）

0 引言

国内外学者对导航定位服务技术及设备进行了大量的研究工作，并取得较好的研究成果。目前，国内外的导航定位设备可分为基于Global Positioning System（GPS）的导航定位设备、基于Galileo satellite navigation system（GALILEO）系统的导航定位设备、基于Global Navigation Satellite System（GLONASS）的导航定位设备以及基于北斗的导航定位设备。针对上述导航定位设备，诸多学者进行了相关研究，来增强相关导航技术及设备的精度与便携性。Ishibashi等［1］研发了具有接收预定点信息的接收单元、显示预定点信息的终端显示单元和将预定点信息转发给导航设备的转发单元的移动终端。Strömback等（2010）研发了一种脚踏式导航系统，通过使用IMU和UWB测距设备，能显著提高导航精度。Gesmundo等［2］提出一种利用时域有限差分法（FDTD）来模拟电磁波传播，并获得训练数据的方法，从而实现高精度定位。Karpik等［3］在GNSS设备和GLONASS地面基础设施的基础上，研发出定位导航信息系统，该系统达到了分米级定位精度。国内学者也积极展开相关技术研究，李旭等［4］结合导航定位技术和无线通信技术提出一种紧耦合融合的定位方法，研究结果表明，在工作受限的情况下，该方法在车辆连续、完整定位方面具有较好的效果。徐元等［5］基于无线载波通信技术，应用数据融合滤波器，提出一种利用参考节点和未知节点的距离平方来预估INS解算误差的人员紧组合定位方法，从而实现对人员的精确定位。郭杰［6］提出采用OEM617D双向定位板卡加Ellipse2-M1惯导模块采集数据，并采用Emmc存储体进行存储数据的基于北斗导航定位的组合导航设备设计和实现方法。吴鹏等［7］为解决定位时复杂环境下多路径效应的误差影响，在Android平台上应用GPS/北斗双频导航芯片，在不用辅助的前提下，实现了定位精度优于1 m。苏晓刚等［8］设计了GPS/SINS组合导航定位监控系统，解决了惯性导航起算数据更新的问题，并在无卫星信号的前提下，仍具有较好的定位精度和流畅性。

本研究基于北斗导航系统与Android移动智能平板一体化设备，针对北斗定位精度相对较低的现状，采用支持CORS差分的高精度小尺寸板卡，同时解算BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四星系统，实现了厘米级定位精度，并将北斗定位技术应用到自然资源管理中，从而满足自然资源管理的统计分析和巡查上报等需求。

1 CORS差分定位原理

5G网络在定位覆盖和数据播发方面具有较大的优势，可提供超大带宽、超低时延及海量连接的通信能力，而北斗导航系统能提供高精度定位、精细化导航和精准度授时服务。在应用时通过卫星导航定位基准服务系统提供信号，利用5G网络便携设备将二者进行有机融合，从而实现移动端的高精度定位［9-11］。

1.1 差分定位法

在使用差分定位时，影响定位精度的因素有卫星钟差、卫星轨道误差，以及传播路径上的电离层延迟误差和对流层延迟误差。为了能有效消除或削弱上述误差，提高定位精度，可采用两个基站同步进行观测，利用站间差分来提高定位精度。

在已知基准站坐标时，移动端便可完成差分定位，其数学模型见式（1）。

式中：ε为观测噪声；A为系数矩阵；x为未知参数矩阵；L为常数矩阵；ΔL为改正数常数矩阵。

通过最小二乘法可求得未知参数矩阵x，见式（2）。

式中：P为权阵。

公式（2）可展开改写为式（3）。

式中：x由坐标参数和接收机钟差构成；L由伪距观测值构成；ΔL由伪距改正信息构成；（ATP A）-1ATP L为单点定位的结果；（ATP A）-1ATPΔL为求得的坐标改正数。

要注意的是，移动端设备无法直接获取观测值，只能获取定位结果，移动端设备通过这一特性来获取基站播发的改正数，从而实现高精度定位［12］。

1.2 HENCORS差分集成

中国北斗卫星导航系统（BDS）是由中国自行研制的全球卫星导航系统，其目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的北斗卫星导航系统，以促进卫星导航产业链的形成，建立完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行各业中的应用［13-15］。HENCORS是以覆盖河南省全省全域北斗为核心，多卫星导航系统并存、多种技术集成、多用途的卫星导航定位综合服务系统，具体指标见表1。

利用便携式设备进行差分定位有两个必要条件，一是差分数据流的获取，二是能进行差分解算的设备。便携设备先通过HENCORS服务器来获取差分数据流，再由差分SDK负责定位解算。通过支持卫星定位的Android终端来接收卫星信号获取所在地点的卫星信号信息，得到该非精准的位置数据，再通过互联网将位置数据和Ntrip协议参数将其上传到HENCORS位置服务平台，平台在获得终端所发送的数据后，通过服务类型下发终端所在大致位置的差分数据，终端接收到差分数据后，利用原始观测值以及差分数据进行定位解算，从而获得高精度的位置信息。在终端设计过程中，对原始的数据观测值先进行多普勒平滑伪距处理，再将处理后的位置信息传输到HENCORS服务器中，获取到更精准的差分信息，终端在接收到信息后会进行定位解算，并返回高精度位置信息，其流程如图1所示。

表1 HENCORS指标

图1 高精度位置信息获取流程示意图

本研究采用上海华测导航技术有限公司研发的、配备有高精度的小型板卡LT700H和南方测绘集团生产的手持移动作业终端N60。

2 高精度定位技术在自然资源管理中的应用

在河南省卫星导航定位基准服务系统基础上，采用CORS差分集成技术，实现了便携设备的厘米级定位，在该高精度定位便携设备的基础上，开发各种功能领域的服务APP，可实现各领域的高精度定位，为其具体服务项目提供数据保障。研究设计总体框架如图2所示。

自然资源管理服务移动端与WEB管理端是基于无线通信网络，并采用SOA技术、GIS技术，可提供底图数据、统计分析、人员管理、资源管理等为一体的功能模块，并以在线可移动的方式为用户提供便携、经济、高效的资源管理模式，用户可及时、准确、全面掌握土地“批、供、用、补、查”、违法占地、土地开发利用等情况。APP安装在专业的高精度平板上，接收北斗与CORS定位信号。作业前，先对平板进行设置，连接上北斗导航系统与CORS卫星信号，来获取高精度定位数据。APP通过专用网络与电脑端（WEB端）的管理系统进行实时通信，及时获得外业普查任务，查看反馈信息。此外，移动端还包括巡查签到、巡查上报、案件处理等功能。移动端界面示意图如图3所示。

3 实例应用

因自然资源管理工作强度较大、处理效率较低，本研究采用最新硬件设备，运用最新技术处理地理信息数据，通过第四或第五代移动通信技术，接入HENCORS位置服务系统，保障数据安全，同时满足精度、可用性、完好性、兼容性等指标，动态参考基准、实时定位精度可达到厘米级，实现静态及动态的高精度定位。将该技术应用于息县、内黄县、鹿邑县、桐柏县自然资源管理中，改进工作方法，提高工作效率。实例如图4所示。

图2 研究设计总体框架示意图

图3 自然资源管理服务移动端界面示意图

图4 自然资源管理服务系统应用实例示意图

4 结语

本研究对5G+北斗的高精度定位技术与应用进行研究，实例应用发现，将可接收HENCORS信号的便携式设备应用于实例，可实现小于1 m的单点定位精度、水平优于3 cm且垂直优于5 cm的HENCORS实时定位精度，其可应用到自然资源管理等实用领域中。随着高精度平板的发展及河南省卫星导航定位基准服务系统项目的建成，二者集位置服务与移动性、便携性、小巧型于一体，可极大满足现阶段人们的需求。