智能手機廣域精密定位研究

陳秉柱，谷守周，魏盛桃，秘金鐘

(1.山東科技大學(xué),青島 266590；2.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100830)

0 引言

智能化的快速發(fā)展，使得大眾對位置服務(wù)的精度要求越來越高，而智能手機的發(fā)展，為用戶提供了更便捷的位置服務(wù)。由于手機受到其內(nèi)部天線構(gòu)造、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收芯片等因素限制，使得手機原始觀測值易受外部環(huán)境影響，手機定位精度較差。自谷歌為移動設(shè)備提供了訪問GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的接口，研究人員開始評估移動終端采集的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并分析其定位性能[1-2]，實現(xiàn)手機高精度定位成為了研究熱點。

目前，對于手機高精度定位的研究主要是實時動態(tài)定位(Real-Time Kinematic, RTK)技術(shù)和精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術(shù)等[3-4]。文獻[5]測試了單頻RTK和雙頻RTK在小米Mi 8上的性能，并證明了在靜態(tài)模式下，單頻RTK和雙頻RTK都可以提供固定的解決方案。文獻[6]利用小米Mi 8獲取到的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)/Galileo雙頻觀測值進行了無電離層組合解算，靜態(tài)模式下雙頻PPP解算能達(dá)到dm級精度。文獻[7]對Nexus 9平板電腦的原始觀測數(shù)據(jù)的特性進行了分析，利用PPP模式能大幅提高手機的定位精度。目前，手機GNSS接收芯片大多為單頻芯片，且其載波易發(fā)生周跳，因此需要對單頻觀測數(shù)據(jù)的周跳情況進行探測。針對單頻載波觀測值的周跳探測方法主要包括：歷元間高次差法、小波分析法、多普勒積分法等，其中，歷元間高次差法算法簡單，且隨著采樣間隔的減小，探測精確度越來越高[8]，常被用于單頻數(shù)據(jù)的周跳探測。

本文通過對手機觀測值進行數(shù)據(jù)解析，并使用歷元間高次差法對手機載波相位觀測值進行了周跳探測。在此基礎(chǔ)上，對偽距進行載波相位平滑，同時獲取國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS)站通過Ntrip協(xié)議播發(fā)的RTCM3.0格式的狀態(tài)空間表示(State Space Representation，SSR)方法改正信息，并利用開發(fā)的手機實時解算軟件進行精密單點定位，以達(dá)到實時獲取用戶實時精密位置的目的。算法流程圖如圖1所示。

圖1 算法流程圖Fig.1 Algorithm flow chart

1 手機數(shù)據(jù)解析

1.1 手機數(shù)據(jù)獲取

2016年5月，谷歌為移動設(shè)備提供了訪問GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的接口后，歐洲GNSS管理局(European GNSS Agency，GSA)發(fā)布了利用安卓設(shè)備原始觀測值白皮書，提供了手機原始觀測數(shù)據(jù)的觀測字段及其相關(guān)觀測值的求解方法，文中利用到的部分字段如表1所示[9]。

表1 Android API字段

Android API并不直接提供偽距觀測值，偽距ρ可由式(1)計算得到

(1)

式中，tRx表示接收到信號的時刻，tTx表示衛(wèi)星信號發(fā)出的時刻，c表示光束。其中

tTx=ReceivedSvTimeNanos

(2)

tRx=TimeNanos+TimeOffsetNanos-

(FullBiasNanos+BiasNanos)

(3)

多普勒和載波相位可分別由式(4)和式(5)計算得到

(4)

(5)

式中，Doppler為多普勒值，Carrier為載波相位，f1為信號的頻率。

1.2 占空比

由于連續(xù)運行的GNSS芯片組會增加手機耗電，因此智能手機廠商采用占空比(duty cycle)技術(shù)來保持低功耗(圖2)。占空比技術(shù)導(dǎo)致智能手機的GNSS載波相位觀測值跟蹤不連續(xù)[10]，在觀測和定位過程中，占空比處于關(guān)閉狀態(tài)，可有效減小觀測過程中周跳的產(chǎn)生，提高數(shù)據(jù)的可用性[6]。手機提供了用戶可以自行開啟或關(guān)閉占空比的功能模塊，觀測過程中關(guān)閉占空比可減小周跳的發(fā)生概率。

圖2 占空比機制Fig.2 Duty cycle mechanism

2 原理

2.1 高次差法探測周跳

由于載波相位平滑偽距易受周跳的影響，首先運用高次差法對單頻相位觀測值的周跳進行了探測，高次差法運用的是歷元間差分組合，對相鄰2個歷元間的觀測值依次作差。假設(shè)某顆衛(wèi)星i的載波相位觀測值為φi，則以求三次差分為例：

歷元間一次差分為

(6)

歷元間二次差分為

(7)

歷元間三次差分為

Δφ″1=Δφ′2-Δφ′1

=φi(k+2)-3φi(k+1)+3φi(k)-φi(k-1)

(8)

在不發(fā)生周跳的情況下，載波相位的變化隨衛(wèi)星與接收機的距離變化而變化，且是平緩而有規(guī)律的。周跳將破壞這一規(guī)律的特點，利用高次差法對相位多次差分后周跳會被放大，從而探測觀測值中是否含有周跳。

假設(shè)鐘的短期穩(wěn)定度為5×10-10，考慮到L1載波的頻率f1=1.57542×109Hz，則時鐘的隨機誤差給相鄰載波相位造成的周數(shù)影響如下

cycle=s×5×10-10×1.57542×109

(9)

式中，cycle表示周跳數(shù)，s表示采樣間隔。

2.2 廣域精密定位算法原理

廣域增強技術(shù)通過對GNSS觀測量的誤差源加以區(qū)分，然后計算出每一個誤差源的誤差修正值(差分改正值)，利用數(shù)據(jù)通信鏈傳輸給用戶，并對用戶GNSS接收設(shè)備的觀測值誤差加以改正的方法，以達(dá)到削弱這些誤差源的影響，改善用戶GNSS定位精度的目的。

2.2.1 軌道改正數(shù)

當(dāng)解析出SSR信息中的相應(yīng)數(shù)據(jù)后，可得到k時刻衛(wèi)星位置改正量為

(10)

(11)

則根據(jù)廣播星歷得到的衛(wèi)星坐標(biāo)和改正量獲得觀測時刻k的衛(wèi)星位置為

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，中國各方面水平得到顯著提升，但是在教育行業(yè)有許多班主任的觀念卻沒有與時俱進，很多班主任受傳統(tǒng)教學(xué)觀念的影響，總是將傳統(tǒng)應(yīng)試教育的教育方式放到新時代班級管理中。對班級管理的重要性沒有全面認(rèn)識，將班主任與學(xué)生的地位理解得不夠現(xiàn)代化，一味地認(rèn)為在校學(xué)生的唯一任務(wù)就是學(xué)習(xí)，還有許多班主任只是將班級作為教學(xué)組織——教師講課，學(xué)生聽，并沒有按照學(xué)生自己的喜愛和特長對學(xué)生進行針對性教育，更多關(guān)注的是學(xué)生的成績，不重視培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。這樣的管理現(xiàn)狀對學(xué)生而言不利于其健康成長。

(12)

2.2.2 鐘差改正數(shù)

SSR信息中提供的衛(wèi)星鐘差改正數(shù)為：參考時間t0及計算衛(wèi)星鐘差多項式的3個參數(shù)[13-14]，即C0、C1、C2。則IGS實時數(shù)據(jù)給出的衛(wèi)星鐘差修正值ΔC為

ΔC=C0+C1(tk-t0)+C2(tk-t0)2

(13)

利用廣播星歷計算出的衛(wèi)星鐘差和實時數(shù)據(jù)的修正值進行修正得到的鐘差ΔT為

(14)

式中，T為廣播星歷計算出的衛(wèi)星鐘差，Vc為光速。

3 實驗分析

實驗以華為P30智能手機作為智能終端，定位使用GPS單系統(tǒng)，在北京房山人衛(wèi)激光國家野外科學(xué)觀測研究站的已知點進行數(shù)據(jù)采集和靜態(tài)測試。在觀測環(huán)境良好，占空比處于關(guān)閉狀態(tài)的條件下，利用Geo++ RINEX Logger程序采集采樣間隔為1s的P30手機原始觀測數(shù)據(jù)文件，以及利用R9接收機進行同步觀測，觀測時段為14:03:54～15:14:50,獲取其觀測文件，并用于手機載波相位的周跳分析；將P30手機安裝自己開發(fā)的實時偽距單點定位和載波平滑偽距單點定位程序，放置在已知點上進行測量解算，并對手機載波相位平滑偽距的可用性進行分析；然后，利用開發(fā)的廣域精密單點定位程序，采樣間隔設(shè)置為1 s，進行實時單點解算并記錄生成結(jié)果文件。

3.1 周跳分析

實驗基于P30手機和R9接收機采集的原始觀測數(shù)據(jù)，運用高次差法分別對其載波相位進行歷元間四次差處理，利用歷元間差分?jǐn)?shù)據(jù)生成各衛(wèi)星差分值隨歷元的變化圖，并統(tǒng)計了手機和接收機觀測時段衛(wèi)星發(fā)生周跳的歷元數(shù)，結(jié)果見表2和表3。

表2 P30手機周跳統(tǒng)計

表3 R9接收機周跳統(tǒng)計

圖3和圖4所示分別為華為P30手機和Trim-ble NetR9 GNSS參考站接收機G3和G25號衛(wèi)星相位歷元間四次差的周跳探測圖。由圖3和圖4可以看出：手機在觀測條件良好，關(guān)閉占空比的情況下，周跳多是范圍在1～4周的小周跳。表2和表3對手機和接收機觀測衛(wèi)星的周跳統(tǒng)計結(jié)果表明：手機載波相位值在觀測過程中，周跳現(xiàn)象比大地型接收機更為嚴(yán)重，表2中部分衛(wèi)星周跳統(tǒng)計歷元數(shù)較多，分析原因為觀測過程中未獲取到手機的載波相位觀測值。因為高次差法無法探測連續(xù)歷元間的周跳情況，所以實際觀測中周跳出現(xiàn)的概率要高于統(tǒng)計值。

圖3 P30手機G3、G25衛(wèi)星周跳序列Fig.3 G3,G25 satellite cycle slip sequence of P30 phone

圖4 R9接收機G3、G25衛(wèi)星周跳序列Fig.4 G3,G25 satellite cycle slip sequence of R9 receiver

3.2 載波相位平滑偽距可用性分析

在周跳分析的基礎(chǔ)上，將載波相位平滑窗口設(shè)置為100，進行載波相位平滑偽距實時單點定位，分析小周跳對定位精度的影響，驗證載波相位平滑偽距的可用性(圖5、圖6)。實驗表明，在手機關(guān)閉占空比的條件下，雖然周跳相對于大地型接收機較多，但采用載波平滑偽距進行單點定位依然可以提高定位精度，水平方向精度提高了36.2%，垂直方向精度提高了26.3%，平滑后偽距具有較好的可用性，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

圖5 偽距單點定位Fig.5 Pseudorange single point positioning

圖6 載波平滑偽距單點定位Fig.6 Carrier smoothed pseudorange single point positioning

表4 偽距平滑前和平滑后定位精度統(tǒng)計

3.3 廣域精密定位精度分析

廣域精密單點定位利用載波平滑后偽距和載波相位觀測值，接入IGS站播發(fā)的廣播星歷和掛載點為IGS03中GPS的實時SSR改正信息進行解算，測量時長為4.5h，對實時單點定位存儲的結(jié)果文件進行處理，并分析其定位精度。圖7所示為定位結(jié)果序列，實時定位結(jié)果在E、N、U方向的殘差統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示，精度收斂至1m用時約20min，收斂后精度可達(dá)到dm級，相較于原始偽距單點定位精度，在水平方向上提高了66.7%，垂直方向提高了28.9%，水平方向上精度提高更加明顯。

圖7 廣域精密單點定位Fig.7 Wide-area precision single point positioning

表5 偽距單點和廣域精密單點定位精度統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文針對智能手機原始觀測值不能滿足實時高精度定位需求的問題，采用廣域增強技術(shù)的方法實現(xiàn)了實時高精度定位，分析和實驗結(jié)果表明：

1)華為P30手機獲取到的單頻相位觀測值相比大地型接收機周跳更為嚴(yán)重；

2)在手機相位觀測值發(fā)生小周跳的情況下，載波平滑偽距依然可以提高偽距的精確度，進而提高定位精度；

3)在靜態(tài)測試條件下，廣域精密定位可以有效提高手機的定位精度，水平方向精度提高較為明顯，平面精度可達(dá)1.5m，但高程方向和收斂速度結(jié)果有待提高，需要進一步研究；

4)在廣域精密定位可有效提高手機觀測值靜態(tài)定位精度的基礎(chǔ)上，進行動態(tài)測試將是下一步的工作重點。