室內(nèi)環(huán)境下手機(jī)GPS定位精度研究

謝 翔，荊 昊，郭際明

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.諾丁漢大學(xué)，英國(guó)諾丁漢NG1 4BU)

室內(nèi)環(huán)境下手機(jī)GPS定位精度研究

謝 翔，荊 昊，郭際明

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.諾丁漢大學(xué)，英國(guó)諾丁漢NG1 4BU)

利用Leica 1230雙頻接收機(jī)測(cè)得樓頂某點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并利用鋼尺將其傳遞到室內(nèi)投影點(diǎn)上，在此點(diǎn)利用帶A-GPS功能的手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，通過(guò)分析這些定位數(shù)據(jù)討論手機(jī)GPS室內(nèi)定位的精度。

A-GPS;手機(jī)定位;室內(nèi)環(huán)境;精度

一、引 言

隨著硬件的發(fā)展，GPS接收機(jī)的芯片也朝著小型化，高精度方向不斷發(fā)展，手持便攜性導(dǎo)航儀種類(lèi)繁多。然而，這種導(dǎo)航儀一般只在駕駛車(chē)輛時(shí)使用，很少有人隨身攜帶。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)定位導(dǎo)航的需求量也越來(lái)越大，亟需一個(gè)載體能夠承載GPS芯片實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能，手機(jī)就是這樣一個(gè)很好的終端設(shè)備。具有GPS功能的手機(jī)將導(dǎo)航定位、通信、娛樂(lè)等功能集成在一起，可為大眾提供出行服務(wù)。

目前，手機(jī)GPS定位在空曠環(huán)境中能達(dá)到幾米至幾十米的精度，在一般環(huán)境中能達(dá)到幾十米至幾百米的精度。雖然不能和專(zhuān)業(yè)的導(dǎo)航儀及接收機(jī)相比，但至少能夠滿足人們生活的一般需要［1］。但GPS信號(hào)如果穿透建筑物或其他阻擋物時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度將會(huì)被削弱。尤其在室內(nèi)環(huán)境中，信號(hào)在通過(guò)屋頂、墻壁、窗戶和樹(shù)葉等阻擋物時(shí)，會(huì)由于折射和能量吸收而損耗掉部分能量。最壞的情況下，信號(hào)可能被完全阻塞。文獻(xiàn)［2—3］給出了影響電磁波傳播的各項(xiàng)因子;文獻(xiàn)［4］分析了室內(nèi)環(huán)境中的GPS信號(hào)特性。因此，當(dāng)在室內(nèi)環(huán)境時(shí)，傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)將無(wú)法利用十分微弱的GPS信號(hào)進(jìn)行定位，這時(shí)，基于無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的A-GPS定位技術(shù)成為一種選擇［5］。

本文將使用帶有A-GPS功能的手機(jī)，在室內(nèi)利用微弱的GPS信號(hào)及來(lái)自移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的輔助信息進(jìn)行定位。同時(shí)進(jìn)行定位試驗(yàn)的還有帶有高靈敏度芯片的藍(lán)牙GPS接收機(jī)［6］。為了達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模鶕?jù)實(shí)際情況，選擇了測(cè)繪學(xué)院樓頂及某間教室作為試驗(yàn)地點(diǎn)。

二、各類(lèi)型接收機(jī)簡(jiǎn)介

1.測(cè)量型接收機(jī)

測(cè)量型接收機(jī)采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位解算，定位精度高，主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量，它的數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于導(dǎo)航型。其主要組成模塊有GPS主板、GPS天線、通信模塊和電源等。觀測(cè)數(shù)據(jù)可事后處理或?qū)崟r(shí)處理(RTK)，需要配備功能完善的數(shù)據(jù)處理軟件［7］。在本次試驗(yàn)中，采用測(cè)量型接收機(jī)獲得高精度定位坐標(biāo)，作為手機(jī)A-GPS定位精度分析的參考值。

2.導(dǎo)航型接收機(jī)

導(dǎo)航型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度，一般采用C/A碼偽距測(cè)量。這種接收機(jī)還可以分為:車(chē)載型——用于車(chē)輛導(dǎo)航定位;航海型——用于船舶導(dǎo)航定位;航空型——用于飛機(jī)導(dǎo)航定位;星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。

在導(dǎo)航型接收機(jī)中，有一類(lèi)特殊的接收機(jī)——藍(lán)牙GPS接收機(jī)。它是一個(gè)完整的無(wú)線衛(wèi)星定位接收機(jī)，內(nèi)建藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)傳輸功能。這種GPS模塊是基于高靈敏度衛(wèi)星信號(hào)接收芯片，讓用戶在城市和峽谷等遮擋嚴(yán)重的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)定位，并通過(guò)藍(lán)牙接口與其他設(shè)備連接起來(lái)，按照一定的協(xié)議將定位結(jié)果傳輸出來(lái)。

3.手機(jī)型A-GPS接收機(jī)

A-GPS技術(shù)是一種結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)基站信息和GPS偽距觀測(cè)值對(duì)終端進(jìn)行定位的技術(shù)，可以在GSM/ GPRS、WCDMA和CDMA2000網(wǎng)絡(luò)中使用。該技術(shù)需要在手機(jī)內(nèi)增加GPS接收機(jī)模塊，并改造手機(jī)天線，同時(shí)要在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上加建位置服務(wù)器、GPS基準(zhǔn)站等設(shè)備［8］。

無(wú)線手機(jī)網(wǎng)絡(luò)獲得A-GPS接收機(jī)的信息，把最近的網(wǎng)絡(luò)基站位置作為其概略位置發(fā)送到位置服務(wù)器，位置服務(wù)器根據(jù)概略位置再計(jì)算與該位置相關(guān)的GPS輔助信息(包含GPS的星歷和方位俯仰角等)并發(fā)送到手機(jī)，該手機(jī)的A-GPS模塊根據(jù)輔助信息捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星，獲得偽距觀測(cè)值［9］。為了計(jì)算手機(jī)的位置，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn):① 移動(dòng)站GPS芯片解算模式，位置計(jì)算是在附帶有高靈敏度GPS芯片的手機(jī)中來(lái)完成的;②服務(wù)器解算模式，移動(dòng)站將偽距測(cè)量值傳輸?shù)椒?wù)器，然后由服務(wù)器計(jì)算出移動(dòng)站的位置坐標(biāo)，再把這個(gè)坐標(biāo)值發(fā)回到移動(dòng)站［10］。在本次試驗(yàn)中采用的是前一種模式。

三、測(cè)試方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)預(yù)期達(dá)到兩個(gè)目的:一是室內(nèi)手機(jī)定位的精度比較;二是高靈敏度GPS芯片室內(nèi)外平面位置相同點(diǎn)的定位精度比較。

本次試驗(yàn)中，采用了Leica 1230 GPS接收機(jī)，銳途RT-802B藍(lán)牙GPS接收機(jī)和帶A-GPS功能的Nokia E72智能手機(jī)。觀測(cè)點(diǎn)位布置如圖1所示，室外已知點(diǎn)A在測(cè)繪學(xué)院樓頂?shù)膹?qiáng)制對(duì)中墩上，室內(nèi)點(diǎn)A'在其正下方的測(cè)繪學(xué)院四樓405教室，該點(diǎn)是點(diǎn)A在室內(nèi)的投影點(diǎn)，即平面坐標(biāo)X、Y應(yīng)相同，只有高程不一樣。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)位置圖

為了達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，首先要確定樓頂點(diǎn)A的坐標(biāo)位置?？紤]到試驗(yàn)的可行性，筆者在測(cè)繪學(xué)院樓頂?shù)膹?qiáng)制對(duì)中墩上架設(shè)Leica 1230雙頻接收機(jī)天線。其次，為了確定室內(nèi)點(diǎn)的位置，筆者利用標(biāo)尺將樓頂點(diǎn)A的平面位置傳遞到下面的教室地面上的某一點(diǎn)A'，這一點(diǎn)位于樓頂點(diǎn)A的正下方(如圖1所示)。由于手機(jī)定位目前在實(shí)際生活中對(duì)高程需求較少，本次試驗(yàn)中只測(cè)試平面位置的精度［11-12］。

四、實(shí)施方案及流程

1.安置Leica 1230接收機(jī)天線

試驗(yàn)于2010年10月15日8:30—12:30進(jìn)行，地點(diǎn)選擇在武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院樓頂?shù)膹?qiáng)制對(duì)中墩上，如圖2所示。試驗(yàn)當(dāng)天天氣多云，南部40 m處有高度角為50°左右的少量遮擋，由于位處樓頂較為空曠，所以試驗(yàn)環(huán)境良好。

圖2 接收機(jī)安放位置

2.樓頂點(diǎn)觀測(cè)

將安置于樓頂?shù)腖eica天線用一根銅芯電纜連接到一樓實(shí)驗(yàn)室的分線器上，通過(guò)分線器將衛(wèi)星信號(hào)分為兩路，一路與Leica接收機(jī)連接，另一路傳給導(dǎo)航型藍(lán)牙GPS接收機(jī)，兩者同時(shí)觀測(cè)4 h。Leica數(shù)據(jù)直接記錄在手簿中，藍(lán)牙GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙端口按照NMEA-0183協(xié)議格式實(shí)時(shí)傳入電腦，手機(jī)型GPS則直接放置在強(qiáng)制對(duì)中墩上，實(shí)時(shí)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.室內(nèi)投影點(diǎn)觀測(cè)

試驗(yàn)于2010年10月21晚進(jìn)行，通過(guò)鋼尺量距的方法，在測(cè)繪學(xué)院408室找出點(diǎn)A的投影點(diǎn)A'，將手機(jī)和藍(lán)牙GPS接收機(jī)放置此點(diǎn)A'上進(jìn)行觀測(cè)，持續(xù)1 h，分別采集定位數(shù)據(jù)447個(gè)。

五、試驗(yàn)結(jié)果分析

將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)處理以后可以得到如表1所示的定位結(jié)果。

表1 定位結(jié)果

處理A-GPS室內(nèi)定位數(shù)據(jù)得到散點(diǎn)圖如圖3所示。由圖3可知，雖然有一些粗差距離已知值較大，但是絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都集中在已知值周?chē)?，能夠得到有效的?shù)據(jù)，以定位精度為±1″(約±30 m)以內(nèi)為有效區(qū)域，則有效數(shù)據(jù)為49.44%;若以定位精度為±2″(約±60 m)以內(nèi)為有效區(qū)域，則有效數(shù)據(jù)可達(dá)到97.99%。

圖3 A-GPS室內(nèi)定位數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

A-GPS室外定位數(shù)據(jù)處理得到如圖4的散點(diǎn)圖，由圖4可知，手機(jī)室外定位時(shí)數(shù)據(jù)更為密集，都在已知值周?chē)▌?dòng)，很少有粗差。以定位精度為±1″(約±30 m)以內(nèi)為有效區(qū)域，則有效數(shù)據(jù)可達(dá)到91.16%。

圖4 A-GPS室外定位數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖

通過(guò)將獲得的各個(gè)定位數(shù)據(jù)與已知位置坐標(biāo)作比較，能夠確定手機(jī)GPS定位和藍(lán)牙GPS定位的精度情況，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 定位結(jié)果比較m

將手機(jī)室內(nèi)、室外定位數(shù)據(jù)減去已知值可以得到室內(nèi)、室外定位的殘差，如圖5、圖6所示。通過(guò)觀察殘差數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，可以了解定位數(shù)據(jù)的精度及穩(wěn)定性。

圖5 A-GPS定位室外殘差圖

圖6 A-GPS定位室內(nèi)殘差圖

從圖5、圖6中可以看出，室內(nèi)定位的殘差一般集中在70 m范圍內(nèi)，而室外定位的殘差范圍主要集中在40 m內(nèi)。這說(shuō)明室內(nèi)定位由于受到多路徑和墻體遮擋等因素的影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，范圍波動(dòng)較大，但還是可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)定位功能。

六、結(jié) 論

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到如下結(jié)論:

1)采用藍(lán)牙GPS芯片定位時(shí)，相比普通商用接收機(jī)而言，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中捕獲信號(hào)進(jìn)行定位解算。由于其靈敏度較高，在捕獲GPS信號(hào)的同時(shí)，也捕獲到更多的噪聲信號(hào)，加上缺少抑制多路徑的設(shè)備，以及算法的不完備性，導(dǎo)致其定位精度較低。而A-GPS技術(shù)利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，不僅滿足了此次試驗(yàn)的室內(nèi)環(huán)境中的定位需求，并且大大縮減了首次定位時(shí)間。

2)室外手機(jī)GPS定位的平面精度一般在幾米至幾十米，基本能夠滿足用戶日常生活的定位需求。而在本次試驗(yàn)中，室內(nèi)定位平面精度則在±50 m左右，在定位精度要求不高的情況下基本能確定用戶所在建筑位置。當(dāng)在完全沒(méi)有信號(hào)的環(huán)境中時(shí)，A-GPS技術(shù)采用的是無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)［13］，其定位精度在幾百米至幾千米。這樣的定位精度雖然不能像大地型接收機(jī)那樣準(zhǔn)確確定位置，但A-GPS技術(shù)可以在救災(zāi)救援、搜尋周?chē)?wù)設(shè)施、游樂(lè)場(chǎng)所定位等諸多領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。

A-GPS手機(jī)定位技術(shù)充分利用了移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的輔助信息，若能配合高靈敏度GPS芯片并結(jié)合更好的去除噪聲算法，則能進(jìn)一步提高其在室內(nèi)環(huán)境下的定位精度，從而成為智能交通系統(tǒng)等技術(shù)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源之一，得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］ 程新文，陳性義.手持式GPS定位精度研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2004(9):20-22.

［2］ STAVROU S，SAUNDERS S R.Factors Influencing Outdoor to Indoor Radio Wave Propagation［C］∥12 th International Conference on Antennas and Propagation.London:［s，n］，2003.

［3］ RAY J K.Mitigation of GPS Code and Carier Phase Multipath Effects Using a Multi-Antenna System［D］.Calgary:University of Calgary，2000.

［4］ 梁坤，施滸立，寧春林.室內(nèi)環(huán)境中的GPS信號(hào)特性分析［J］.天文研究與技術(shù)，2008，5(1):30-36.

［5］ ANDREY S，F(xiàn)RANK V G.Utilizing Multipath Reflections in Deeply Integrated GPS/INS Architecture for Navigation in Urban Environments［C］∥IEEE International Conference on Systems，Man，and Cybernetics.Taipei:［s.n.］，2006.

［6］ IT168.引領(lǐng)超薄時(shí)尚 銳途藍(lán)牙 GPS RT-802評(píng)測(cè)［EB/OL］.2008-01-26.http:∥www.55gps.com/html/3/6/20080126/3523.html.

［7］ PRATAP M，PER E.全球定位系統(tǒng)——信號(hào)、測(cè)量與性能［M］.羅鳴，曹沖，肖雄兵，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008:33-36.

［8］ 田永軍，賈國(guó)慶.A-GPS定位技術(shù)在智能手機(jī)中的研究與應(yīng)用［J］.科技信息，2009(4):160.

［9］ 李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005.

［10］ 蘇成嶺，劉祎梅，托馬斯·溫特里希.室內(nèi)無(wú)線通信手機(jī)衛(wèi)星定位的可能性研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2006，29(2):11-15.

［11］ 張守信.GPS衛(wèi)星測(cè)量定位理論與應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，1996.

［12］ YOICHI M，TAKASHI T.DGPS，RTK-GPS and Star-Fire DGPS Performance Under Tree Shading Environments［C］∥International Conference on Integration Technology.Shenzhen:［s.n.］，2007.

［13］ 趙平.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)與相關(guān)算法研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2005.

Research on Accuracy of Indoor-Mobile-GPS Positioning

XIE Xiang，JING Hao，GUO Jiming

0494-0911(2012)08-0095-04

P228.4

B

2012-01-12

謝 翔(1988—)，男，湖南常德人，碩士生，主要研究方向?yàn)镚PS定位與導(dǎo)航。