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,青島 266590；2.中國測繪科學研究院,北京 100830)

0 引言

智能化的快速發展，使得大眾對位置服務的精度要求越來越高，而智能手機的發展，為用戶提供了更便捷的位置服務。由于手機受到其內部天線構造、全球導航衛星系統(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境影響，手機定位精度較差。自谷歌為移動設備提供了訪問GNSS原始觀測數據的接口，研究人員開始評估移動終端采集的GNSS原始觀測數據的質量，并分析其定位性能[1-2]，實現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定位(Real-Time Kinematic, RTK)技術和精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術等[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(Global Positioning System，GPS)/Galileo雙頻觀測值進行了無電離層組合解算，靜態模式下雙頻PPP解算能達到dm級精度。文獻[7]對Nexus 9平板電腦的原始觀測數據的特性進行了分析，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，且其載波易發生周跳，因此需要對單頻觀測數據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]，常被用于單頻數據的周跳探測。

本文通過對手機觀測值進行數據解析，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。在此基礎上，對偽距進行載波相位平滑，同時獲取國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)站通過Ntrip協議播發的RTCM3.0格式的狀態空間表示(State Space Representation，SSR)方法改正信息，并利用開發的手機實時解算軟件進行精密單點定位，以達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 手機數據解析

1.1 手機數據獲取

2016年5月，谷歌為移動設備提供了訪問GNSS原始觀測數據的接口后，歐洲GNSS管理局(European GNSS Agency，GSA)發布了利用安卓設備原始觀測值白皮書，提供了手機原始觀測數據的觀測字段及其相關觀測值的求解方法，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表示衛星信號發出的時刻，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)技術來保持低功耗(圖2)。占空比技術導致智能手機的GNSS載波相位觀測值跟蹤不連續[10]，在觀測和定位過程中，占空比處于關閉狀態，可有效減小觀測過程中周跳的產生，提高數據的可用性[6]。手機提供了用戶可以自行開啟或關閉占空比的功能模塊，觀測過程中關閉占空比可減小周跳的發生概率。

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。假設某顆衛星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)

在不發生周跳的情況下，載波相位的變化隨衛星與接收機的距離變化而變化，且是平緩而有規律的。周跳將破壞這一規律的特點，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。

假設鐘的短期穩定度為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影響如下

cycle=s×5×10-10×1.57542×109

(9)

式中，cycle表示周跳數，s表示采樣間隔。

2.2 廣域精密定位算法原理

廣域增強技術通過對GNSS觀測量的誤差源加以區分，然后計算出每一個誤差源的誤差修正值(差分改正值)，利用數據通信鏈傳輸給用戶，并對用戶GNSS接收設備的觀測值誤差加以改正的方法，以達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

當解析出SSR信息中的相應數據后，可得到k時刻衛星位置改正量為

(10)

(11)

則根據廣播星歷得到的衛星坐標和改正量獲得觀測時刻k的衛星位置為

隨著互聯網技術的不斷發展，中國各方面水平得到顯著提升，但是在教育行業有許多班主任的觀念卻沒有與時俱進，很多班主任受傳統教學觀念的影響，總是將傳統應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識，將班主任與學生的地位理解得不夠現代化，一味地認為在校學生的唯一任務就是學習，還有許多班主任只是將班級作為教學組織——教師講課，學生聽，并沒有按照學生自己的喜愛和特長對學生進行針對性教育，更多關注的是學生的成績，不重視培養學生的綜合能力。這樣的管理現狀對學生而言不利于其健康成長。

(12)

2.2.2 鐘差改正數

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

ΔC=C0+C1(tk-t0)+C2(tk-t0)2

(13)

利用廣播星歷計算出的衛星鐘差和實時數據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，在北京房山人衛激光國家野外科學觀測研究站的已知點進行數據采集和靜態測試。在觀測環境良好，占空比處于關閉狀態的條件下，利用Geo++ RINEX Logger程序采集采樣間隔為1s的P30手機原始觀測數據文件，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，利用開發的廣域精密單點定位程序，采樣間隔設置為1 s，進行實時單點解算并記錄生成結果文件。

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據，運用高次差法分別對其載波相位進行歷元間四次差處理，利用歷元間差分數據生成各衛星差分值隨歷元的變化圖，并統計了手機和接收機觀測時段衛星發生周跳的歷元數，結果見表2和表3。

表2 P30手機周跳統計

表3 R9接收機周跳統計

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星的周跳統計結果表明：手機載波相位值在觀測過程中，周跳現象比大地型接收機更為嚴重，表2中部分衛星周跳統計歷元數較多，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歷元間的周跳情況，所以實際觀測中周跳出現的概率要高于統計值。

圖3 P30手機G3、G25衛星周跳序列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

在周跳分析的基礎上，將載波相位平滑窗口設置為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，統計結果如表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果文件進行處理，并分析其定位精度。圖7所示為定位結果序列，實時定位結果在E、N、U方向的殘差統計結果如表5所示。結果顯示，精度收斂至1m用時約20min，收斂后精度可達到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計

4 結論

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，采用廣域增強技術的方法實現了實時高精度定位，分析和實驗結果表明：

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重；

2)在手機相位觀測值發生小周跳的情況下，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1.5m，但高程方向和收斂速度結果有待提高，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定位精度的基礎上，進行動態測試將是下一步的工作重點。