智能手机广域精密定位研究

陈秉柱，谷守周，魏盛桃，秘金钟

(1.山东科技大学,青岛 266590；2.中国测绘科学研究院,北京 100830)

0 引言

智能化的快速发展，使得大众对位置服务的精度要求越来越高，而智能手机的发展，为用户提供了更便捷的位置服务。由于手机受到其内部天线构造、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收芯片等因素限制，使得手机原始观测值易受外部环境影响，手机定位精度较差。自谷歌为移动设备提供了访问GNSS原始观测数据的接口，研究人员开始评估移动终端采集的GNSS原始观测数据的质量，并分析其定位性能[1-2]，实现手机高精度定位成为了研究热点。

目前，对于手机高精度定位的研究主要是实时动态定位(Real-Time Kinematic, RTK)技术和精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)技术等[3-4]。文献[5]测试了单频RTK和双频RTK在小米Mi 8上的性能，并证明了在静态模式下，单频RTK和双频RTK都可以提供固定的解决方案。文献[6]利用小米Mi 8获取到的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)/Galileo双频观测值进行了无电离层组合解算，静态模式下双频PPP解算能达到dm级精度。文献[7]对Nexus 9平板电脑的原始观测数据的特性进行了分析，利用PPP模式能大幅提高手机的定位精度。目前，手机GNSS接收芯片大多为单频芯片，且其载波易发生周跳，因此需要对单频观测数据的周跳情况进行探测。针对单频载波观测值的周跳探测方法主要包括：历元间高次差法、小波分析法、多普勒积分法等，其中，历元间高次差法算法简单，且随着采样间隔的减小，探测精确度越来越高[8]，常被用于单频数据的周跳探测。

本文通过对手机观测值进行数据解析，并使用历元间高次差法对手机载波相位观测值进行了周跳探测。在此基础上，对伪距进行载波相位平滑，同时获取国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)站通过Ntrip协议播发的RTCM3.0格式的状态空间表示(State Space Representation，SSR)方法改正信息，并利用开发的手机实时解算软件进行精密单点定位，以达到实时获取用户实时精密位置的目的。算法流程图如图1所示。

图1 算法流程图Fig.1 Algorithm flow chart

1 手机数据解析

1.1 手机数据获取

2016年5月，谷歌为移动设备提供了访问GNSS原始观测数据的接口后，欧洲GNSS管理局(European GNSS Agency，GSA)发布了利用安卓设备原始观测值白皮书，提供了手机原始观测数据的观测字段及其相关观测值的求解方法，文中利用到的部分字段如表1所示[9]。

表1 Android API字段

Android API并不直接提供伪距观测值，伪距ρ可由式(1)计算得到

(1)

式中，tRx表示接收到信号的时刻，tTx表示卫星信号发出的时刻，c表示光束。其中

tTx=ReceivedSvTimeNanos

(2)

tRx=TimeNanos+TimeOffsetNanos-

(FullBiasNanos+BiasNanos)

(3)

多普勒和载波相位可分别由式(4)和式(5)计算得到

(4)

(5)

式中，Doppler为多普勒值，Carrier为载波相位，f1为信号的频率。

1.2 占空比

由于连续运行的GNSS芯片组会增加手机耗电，因此智能手机厂商采用占空比(duty cycle)技术来保持低功耗(图2)。占空比技术导致智能手机的GNSS载波相位观测值跟踪不连续[10]，在观测和定位过程中，占空比处于关闭状态，可有效减小观测过程中周跳的产生，提高数据的可用性[6]。手机提供了用户可以自行开启或关闭占空比的功能模块，观测过程中关闭占空比可减小周跳的发生概率。

图2 占空比机制Fig.2 Duty cycle mechanism

2 原理

2.1 高次差法探测周跳

由于载波相位平滑伪距易受周跳的影响，首先运用高次差法对单频相位观测值的周跳进行了探测，高次差法运用的是历元间差分组合，对相邻2个历元间的观测值依次作差。假设某颗卫星i的载波相位观测值为φi，则以求三次差分为例：

历元间一次差分为

(6)

历元间二次差分为

(7)

历元间三次差分为

Δφ″1=Δφ′2-Δφ′1

=φi(k+2)-3φi(k+1)+3φi(k)-φi(k-1)

(8)

在不发生周跳的情况下，载波相位的变化随卫星与接收机的距离变化而变化，且是平缓而有规律的。周跳将破坏这一规律的特点，利用高次差法对相位多次差分后周跳会被放大，从而探测观测值中是否含有周跳。

假设钟的短期稳定度为5×10-10，考虑到L1载波的频率f1=1.57542×109Hz，则时钟的随机误差给相邻载波相位造成的周数影响如下

cycle=s×5×10-10×1.57542×109

(9)

式中，cycle表示周跳数，s表示采样间隔。

2.2 广域精密定位算法原理

广域增强技术通过对GNSS观测量的误差源加以区分，然后计算出每一个误差源的误差修正值(差分改正值)，利用数据通信链传输给用户，并对用户GNSS接收设备的观测值误差加以改正的方法，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户GNSS定位精度的目的。

2.2.1 轨道改正数

当解析出SSR信息中的相应数据后，可得到k时刻卫星位置改正量为

(10)

(11)

则根据广播星历得到的卫星坐标和改正量获得观测时刻k的卫星位置为

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(12)

2.2.2 钟差改正数

SSR信息中提供的卫星钟差改正数为：参考时间t0及计算卫星钟差多项式的3个参数[13-14]，即C0、C1、C2。则IGS实时数据给出的卫星钟差修正值ΔC为

ΔC=C0+C1(tk-t0)+C2(tk-t0)2

(13)

利用广播星历计算出的卫星钟差和实时数据的修正值进行修正得到的钟差ΔT为

(14)

式中，T为广播星历计算出的卫星钟差，Vc为光速。

3 实验分析

实验以华为P30智能手机作为智能终端，定位使用GPS单系统，在北京房山人卫激光国家野外科学观测研究站的已知点进行数据采集和静态测试。在观测环境良好，占空比处于关闭状态的条件下，利用Geo++ RINEX Logger程序采集采样间隔为1s的P30手机原始观测数据文件，以及利用R9接收机进行同步观测，观测时段为14:03:54～15:14:50,获取其观测文件，并用于手机载波相位的周跳分析；将P30手机安装自己开发的实时伪距单点定位和载波平滑伪距单点定位程序，放置在已知点上进行测量解算，并对手机载波相位平滑伪距的可用性进行分析；然后，利用开发的广域精密单点定位程序，采样间隔设置为1 s，进行实时单点解算并记录生成结果文件。

3.1 周跳分析

实验基于P30手机和R9接收机采集的原始观测数据，运用高次差法分别对其载波相位进行历元间四次差处理，利用历元间差分数据生成各卫星差分值随历元的变化图，并统计了手机和接收机观测时段卫星发生周跳的历元数，结果见表2和表3。

表2 P30手机周跳统计

表3 R9接收机周跳统计

图3和图4所示分别为华为P30手机和Trim-ble NetR9 GNSS参考站接收机G3和G25号卫星相位历元间四次差的周跳探测图。由图3和图4可以看出：手机在观测条件良好，关闭占空比的情况下，周跳多是范围在1～4周的小周跳。表2和表3对手机和接收机观测卫星的周跳统计结果表明：手机载波相位值在观测过程中，周跳现象比大地型接收机更为严重，表2中部分卫星周跳统计历元数较多，分析原因为观测过程中未获取到手机的载波相位观测值。因为高次差法无法探测连续历元间的周跳情况，所以实际观测中周跳出现的概率要高于统计值。

图3 P30手机G3、G25卫星周跳序列Fig.3 G3,G25 satellite cycle slip sequence of P30 phone

图4 R9接收机G3、G25卫星周跳序列Fig.4 G3,G25 satellite cycle slip sequence of R9 receiver

3.2 载波相位平滑伪距可用性分析

在周跳分析的基础上，将载波相位平滑窗口设置为100，进行载波相位平滑伪距实时单点定位，分析小周跳对定位精度的影响，验证载波相位平滑伪距的可用性(图5、图6)。实验表明，在手机关闭占空比的条件下，虽然周跳相对于大地型接收机较多，但采用载波平滑伪距进行单点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%，平滑后伪距具有较好的可用性，统计结果如表4所示。

图5 伪距单点定位Fig.5 Pseudorange single point positioning

图6 载波平滑伪距单点定位Fig.6 Carrier smoothed pseudorange single point positioning

表4 伪距平滑前和平滑后定位精度统计

3.3 广域精密定位精度分析

广域精密单点定位利用载波平滑后伪距和载波相位观测值，接入IGS站播发的广播星历和挂载点为IGS03中GPS的实时SSR改正信息进行解算，测量时长为4.5h，对实时单点定位存储的结果文件进行处理，并分析其定位精度。图7所示为定位结果序列，实时定位结果在E、N、U方向的残差统计结果如表5所示。结果显示，精度收敛至1m用时约20min，收敛后精度可达到dm级，相较于原始伪距单点定位精度，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显。

图7 广域精密单点定位Fig.7 Wide-area precision single point positioning

表5 伪距单点和广域精密单点定位精度统计

4 结论

本文针对智能手机原始观测值不能满足实时高精度定位需求的问题，采用广域增强技术的方法实现了实时高精度定位，分析和实验结果表明：

1)华为P30手机获取到的单频相位观测值相比大地型接收机周跳更为严重；

2)在手机相位观测值发生小周跳的情况下，载波平滑伪距依然可以提高伪距的精确度，进而提高定位精度；

3)在静态测试条件下，广域精密定位可以有效提高手机的定位精度，水平方向精度提高较为明显，平面精度可达1.5m，但高程方向和收敛速度结果有待提高，需要进一步研究；

4)在广域精密定位可有效提高手机观测值静态定位精度的基础上，进行动态测试将是下一步的工作重点。