高精度位置服務(wù)終端技術(shù)與應(yīng)用

王博遠(yuǎn)，賈瑞才，賈浩男

(1.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；4.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高精度位置服務(wù)終端技術(shù)與應(yīng)用

王博遠(yuǎn)1，賈瑞才2,3，賈浩男4

(1.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；4.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

國(guó)外位置服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的巨大成功，催生了國(guó)內(nèi)位置服務(wù)(Location Based Service,LBS)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱潮，進(jìn)而影響了位置服務(wù)終端的技術(shù)革新。位置服務(wù)終端作為用戶最直接感受到的服務(wù)承載平臺(tái)，面向不同需求的人群提供愈發(fā)精細(xì)化的服務(wù)。在高精度位置服務(wù)終端硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，針對(duì)亞米級(jí)定位性能和位置服務(wù)需求，論述了單頻精密單點(diǎn)定位技術(shù)、地圖技術(shù)與位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，開展終端應(yīng)用示范活動(dòng)，驗(yàn)證了其具有提供高精度位置信息以及實(shí)時(shí)位置服務(wù)的能力。

位置服務(wù)；高精度定位；地圖技術(shù)；終端應(yīng)用示范

0 引言

隨著導(dǎo)航與位置服務(wù)網(wǎng)的推廣，大眾對(duì)于高精度的位置服務(wù)需求日益增加，高精度位置服務(wù)是指基于亞米級(jí)、分米級(jí)或者厘米級(jí)的定位能力而開展的應(yīng)用服務(wù)[1]。無縫一體化智慧交通、智慧商場(chǎng)、智慧旅游和環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)應(yīng)用需求也推動(dòng)著導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。

國(guó)外在高精度位置服務(wù)方面發(fā)展比較成熟，如在旅游、交通管理和室內(nèi)位置服務(wù)等領(lǐng)域開展了相應(yīng)的位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與終端研發(fā)[2]。國(guó)內(nèi)位置服務(wù)近幾年發(fā)展迅猛，在政府的引導(dǎo)和支持下，以定位導(dǎo)航技術(shù)為核心，加上移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，位置服務(wù)的范圍和行業(yè)支持不斷拓展[3]，在終端領(lǐng)域也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

位置服務(wù)終端作為位置服務(wù)的服務(wù)承載平臺(tái)，直接向用戶提供各種形式的位置服務(wù)。近年來，位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展推動(dòng)了位置服務(wù)終端設(shè)備的技術(shù)革新，促進(jìn)了位置服務(wù)終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。移動(dòng)終端設(shè)備的高覆蓋率[5]反過來也為位置服務(wù)業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。雖然傳統(tǒng)位置服務(wù)系統(tǒng)快速發(fā)展與應(yīng)用，但較高精度的位置服務(wù)行業(yè)應(yīng)用較少[6]，面臨的問題主要是目前的位置服務(wù)技術(shù)定位精度偏低，無法滿足高精度服務(wù)要求[7]。本文從終端角度出發(fā)，瞄準(zhǔn)高精度導(dǎo)航與位置服務(wù)市場(chǎng)，介紹了基于亞米級(jí)定位精度的小型化、集成化的位置服務(wù)終端，論述了精密單點(diǎn)定位技術(shù)在位置服務(wù)終端中應(yīng)用，介紹了終端內(nèi)導(dǎo)航軟件和地圖技術(shù)。將高精度GNSS定位技術(shù)與位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，應(yīng)用高精度位置服務(wù)終端開展了應(yīng)用示范活動(dòng)，驗(yàn)證了亞米級(jí)定位導(dǎo)航的性能與用戶接入位置服務(wù)的性能。

1 單頻精密單點(diǎn)定位

20世紀(jì)70年代，由美國(guó)率先提出精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)的概念，精密單點(diǎn)定位技術(shù)是利用載波相位觀測(cè)值以及由IGS等組織提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品來進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位[8]。系統(tǒng)由5部分組成：廣域GNSS基準(zhǔn)站(主要是IGS全球觀測(cè)站)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路(主要是寬帶網(wǎng)絡(luò))、數(shù)據(jù)處理中心、信息播發(fā)系統(tǒng)(如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、局域網(wǎng)絡(luò))和智能位置服務(wù)終端。

目前基于無電離層組合觀測(cè)值的雙頻精密單點(diǎn)定位事后靜態(tài)單天解精度已達(dá)到厘米級(jí)至毫米級(jí)，動(dòng)態(tài)解達(dá)到分米級(jí)至厘米級(jí)水平，技術(shù)已趨于成熟[9]。對(duì)于車載導(dǎo)航、手持導(dǎo)航以及GIS數(shù)據(jù)采集、土地資源調(diào)查等應(yīng)用領(lǐng)域潛在的巨大用戶而言，只需要亞米級(jí)到分米級(jí)的定位精度，降低終端成本是拓展其應(yīng)用的一個(gè)重要因素。因此，采用廉價(jià)的單頻位置服務(wù)終端實(shí)現(xiàn)高精度精密單點(diǎn)定位已成為GNSS應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

對(duì)于相對(duì)廉價(jià)的單頻終端，由于可用數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量的限制，其數(shù)據(jù)處理模型還有待更加深入地研究。單頻數(shù)據(jù)處理研究的突破有助于改進(jìn)傳統(tǒng)的雙頻數(shù)據(jù)處理方法。無電離層組合不僅放大了觀測(cè)值噪聲，同時(shí)也破壞了模糊度的整數(shù)特性，使雙頻動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位需要較長(zhǎng)的收斂時(shí)間。如果能夠充分利用L1頻段上的偽距與載波觀測(cè)值的精度，直接使用原始觀測(cè)值組成觀測(cè)方程，則有望加快精密單點(diǎn)定位的收斂。因此，對(duì)GNSS單頻精密單點(diǎn)定位算法的系統(tǒng)研究，既是拓展GNSS應(yīng)用領(lǐng)域的需求，也是深入研究GNSS算法所必需面對(duì)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

單頻PPP未破壞模糊度整周的特性，具有收斂速度快的優(yōu)勢(shì)[10]；并且單頻GNSS接收機(jī)價(jià)格低廉，潛在用戶更多，在此介紹單頻PPP算法，過程包括：由觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、快速初始化、模糊度固定技術(shù)和非差非組合PPP，如圖1所示。

圖1 單頻精密單點(diǎn)定位算法

單頻單點(diǎn)定位所采用的數(shù)學(xué)模型因所選擇的電離層改正方法的不同而異，KLOBUCHAR模型改正、格網(wǎng)模型改正、GRAPHIC組合以及梯度參數(shù)估計(jì)方法存在著各自應(yīng)用的范圍與一定的不足：

① KLOBUCHAR模型雖然簡(jiǎn)單易行，卻只能改正50%～60%的電離層延遲，即使在電離層平靜時(shí)也難以滿足亞米級(jí)的精度要求[11]；

② GIM模型與實(shí)時(shí)區(qū)域電離層格網(wǎng)都屬于格網(wǎng)改正模型，利用這類方法能獲得亞米級(jí)的定位結(jié)果，但這類方法沒有能夠充分利用相位觀測(cè)值的精度優(yōu)勢(shì)，因此其精度還有一定的提升空間；

③ GRAPHIC的方法雖然充分利用了相位觀測(cè)值，但由于解算模糊度的原因，要獲得亞米級(jí)定位解需要一定的收斂時(shí)間；

④ 對(duì)天頂電離層延遲與水平梯度進(jìn)行估計(jì)的方法，精度的好壞與電離層特性分布的參數(shù)描述相關(guān)，Gao等人只是給出了一個(gè)初步的結(jié)果，結(jié)果顯示在中高緯度地區(qū)這種方法可以獲得亞米級(jí)的定位精度，但在低緯地區(qū)由于電離層活躍，精度要差一些[12]，并且這種方法也需要一定的收斂時(shí)間。

對(duì)單頻單點(diǎn)定位的電離層改正方法和數(shù)學(xué)模型缺少一個(gè)具有說服力的統(tǒng)一模型的原因，首先是對(duì)電離層結(jié)構(gòu)特性及其隨機(jī)特性認(rèn)識(shí)的局限，其次是電離層的分布特性如何通過數(shù)學(xué)模型來描述。

STANFORD大學(xué)在美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration)的支持下開始實(shí)施WAAS(Wide Area Augmentation System)項(xiàng)目，2000年其學(xué)者指出，雖然利用基準(zhǔn)站網(wǎng)的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠精確測(cè)定沿信號(hào)傳播路徑的總電子含量STEC(Slant Total Electron Content)，但電離層單層模型的假設(shè)并不能保證用戶終端獲得精確的電離層改正值。為此，STANFORD大學(xué)的眾多學(xué)者投入到對(duì)電離層延遲相關(guān)性的研究，希望通過統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型探測(cè)電離層的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)作為WAAS完備性的一部分。

受到STANFORD大學(xué)研究方法和結(jié)果的啟發(fā)，印度學(xué)者在其GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation)系統(tǒng)中發(fā)展了與WAAS類似的電離層隨機(jī)模型，以確保為用戶提供可靠服務(wù)。Chang-Ki Hong等人進(jìn)一步提出如果電離層格網(wǎng)圖僅僅給出電離層延遲改正數(shù)，而不提供相應(yīng)的精度信息，單層假設(shè)帶來的系統(tǒng)性偏差將影響相對(duì)定位用戶的模糊度搜索，其研究顯示，通過在基線解算中同時(shí)考慮電離層改正數(shù)及其隨機(jī)模型信息，模糊度固定的機(jī)率可提高23%[13]。

不難看出，國(guó)外學(xué)者開始將越來越多的目光從單純的電離層延遲研究轉(zhuǎn)向?qū)﹄婋x層延遲及其隨機(jī)特性的研究。這一方法已在各國(guó)SBAS(Satellite Based Augmentation Systems)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且近幾年有部分學(xué)者已將其應(yīng)用于基線解算中，然而國(guó)際上還鮮有學(xué)者將其應(yīng)用于單點(diǎn)定位中。

2 地圖技術(shù)與位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

導(dǎo)航地圖軟件是位置服務(wù)終端易用性的直接體現(xiàn)，因此地圖部分是位置服務(wù)終端的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于行人導(dǎo)航與車輛的行駛導(dǎo)航，地圖軟件應(yīng)具備非常方便的查詢能力以及及時(shí)的信息更新能力[14]，在基于靜態(tài)的地圖數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上可加入實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的交通信息、豐富生活信息和全面地理信息，全面滿足車載用用需求[15]。

導(dǎo)航地圖可分為室外地圖和室內(nèi)地圖兩種形式，一般都具有2D/3D兩種地圖、多種輸入方式。室外地圖具有多種路線選擇、常用地點(diǎn)保存、自動(dòng)避障、路口實(shí)景和智能推薦等多種功能。室內(nèi)地圖可覆蓋機(jī)場(chǎng)、購(gòu)物中心和博物館等大型公共區(qū)域，除了平面圖外，室內(nèi)地圖還標(biāo)注了各種場(chǎng)所和設(shè)施，為客戶提供便捷的室內(nèi)位置服務(wù)。除了具有上述功能外，地圖軟件還提供多種定位方式讓用戶去選擇，包括GPS定位、PPP/RTK增強(qiáng)定位、網(wǎng)絡(luò)定位和自主推算定位等，其中PPP/RTK增強(qiáng)定位方式可以實(shí)現(xiàn)車道導(dǎo)航，網(wǎng)絡(luò)定位和自主推算定位可為用戶在室內(nèi)環(huán)境下提供準(zhǔn)確的位置信息。

通信網(wǎng)絡(luò)是用戶接收位置服務(wù)的媒介，因此位置服務(wù)終端必須具有目前最快的4G無線通信接口及無線互聯(lián)網(wǎng)接入功能，將通信與導(dǎo)航高度集成，既支持遠(yuǎn)距離通信，又支持區(qū)域無線通信。在導(dǎo)航定位方面實(shí)現(xiàn)接收廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)差分信號(hào)，支持網(wǎng)絡(luò)輔助定位功能并能夠?qū)崿F(xiàn)與GPS接收機(jī)進(jìn)行組合定位。在服務(wù)方面，保證用戶實(shí)時(shí)得到最快、最新、最準(zhǔn)確的位置服務(wù)信息，用戶還可以通過通信網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和分享自身位置狀況，實(shí)現(xiàn)基于位置數(shù)據(jù)與通信的社交、交通、物聯(lián)及管理。

3 終端應(yīng)用示范

本文開展了一系列高精度位置服務(wù)終端應(yīng)用示范活動(dòng)，包括九寨溝景區(qū)智能導(dǎo)航與搜救系統(tǒng)應(yīng)用以及寧夏交通位置服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用，下面分別進(jìn)行介紹。

九寨溝智能景區(qū)智能導(dǎo)航與搜救系統(tǒng)是將傳統(tǒng)GPS技術(shù)、景區(qū)管理技術(shù)與新興的智能位置服務(wù)技術(shù)相結(jié)合的一種針對(duì)景區(qū)導(dǎo)航、管理與搜救三大應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，由高精度位置服務(wù)終端、位置服務(wù)網(wǎng)和服務(wù)平臺(tái)組成，同時(shí)融入了基于大數(shù)據(jù)的智能位置服務(wù)技術(shù)。其中高精度位置服務(wù)終端可接收GPS、北斗和偽衛(wèi)星三模信號(hào)，實(shí)時(shí)接收廣域分米級(jí)實(shí)時(shí)精密定位系統(tǒng)差分信號(hào)，支持網(wǎng)絡(luò)輔助定位功能并能夠?qū)崿F(xiàn)與GPS接收機(jī)進(jìn)行組合定位，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域連續(xù)亞米級(jí)定位，首次應(yīng)用于游客導(dǎo)航與景區(qū)管理。并依靠高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，具備高可靠的位置信息實(shí)時(shí)上報(bào)能力，應(yīng)用于景區(qū)應(yīng)急搜救。九寨溝景區(qū)智能導(dǎo)航與搜救系統(tǒng)的樣圖如圖2所示。

圖2 九寨溝景區(qū)智能導(dǎo)航與搜救系統(tǒng)

寧夏交通位置服務(wù)系統(tǒng)在寧夏自治區(qū)交通運(yùn)輸行業(yè)開展車輛位置服務(wù)終端應(yīng)用示范，系統(tǒng)由高精度車輛位置服務(wù)終端、企業(yè)車輛監(jiān)控平臺(tái)和政府車輛監(jiān)管平臺(tái)3部分組成，其中車輛位置服務(wù)終端將廣域?qū)崟r(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)、廣域偽距差分技術(shù)和車輛位置推算技術(shù)結(jié)合起來，具備了車道級(jí)、亞米級(jí)定位能力，為交通監(jiān)管部門提供精確交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)采集和交通執(zhí)法等信息服務(wù)。位置服務(wù)車載終端的安裝效果圖和所顯示的行駛軌跡圖如圖3和圖4所示。

圖3 位置服務(wù)車載安裝

圖4 行駛軌跡

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)論述了基于GNSS系統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位技術(shù)，并通過軟件實(shí)現(xiàn)、工程化，將位置服務(wù)終端精度提高到了米級(jí)。介紹了地圖技術(shù)和位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，從室外地圖和室內(nèi)地圖兩方面闡述了地圖技術(shù)可以提供用戶的位置信息與服務(wù)信息。簡(jiǎn)單闡述了位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以給用戶提供廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)差分信號(hào)，支持網(wǎng)絡(luò)輔助定位，通過移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)基于位置數(shù)據(jù)的社交、交通、物聯(lián)及管理。

所開展的應(yīng)用示范活動(dòng)驗(yàn)證了高精度位置服務(wù)終端可以起到智能景區(qū)搜救、車道級(jí)導(dǎo)航和地圖采集的作用，為整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用示范提供驗(yàn)證手段，具有提供高精度位置、導(dǎo)航信息以及實(shí)時(shí)位置服務(wù)的能力。研發(fā)高精度位置服務(wù)終端對(duì)我國(guó)導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化具有推動(dòng)作用，有力推動(dòng)我國(guó)智慧城市的建設(shè)步伐，加快我國(guó)高精度技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣，有效加速重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)急搜救和交通領(lǐng)域車道級(jí)導(dǎo)航概念的推廣。

[1] 鄭洪艷,劉 暉,韓麗華,等.位置服務(wù)終端發(fā)展趨勢(shì)分析及研究[J].數(shù)字通信世界,2013(S1):38-42.

[2] 何成龍,王 垚.GPS L1C信號(hào)Weil碼相關(guān)性能分析[J].無線電通信技術(shù),2013,39(1):32-35.

[3] PAJUELO,PEREZ PMC,VILLADANGOS,et al.A Implementation of Indoor Positioning Algorithms Using Android Smartphones[C]∥Emerging Technologies &Factory Automation (ETFA),IEEE 20th Conference on,2015:3-6.[4] 周洪成.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)賦予位置服務(wù)新生命[J].通信管理與技術(shù),2011(6):8-10.

[5] 黃凈晴,陳 俊.移動(dòng)位置服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(23):39-43.

[6] 張亞夫,宣二勇.一種組合星座定位的導(dǎo)航終端設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2013,43(7):24-26.

[7] ANJU S,JOSEPH,JASMINE.Location Based Service Applications to Secure Locations with Dual Encryption[C]∥Innovations in Information,Embedded and Communication Systems (ICIIECS),International Conference,2015:1-4.

[8] 肖 寧,王 玫,雷延鋒.基于交互多模卡爾曼濾波器的定位算法[J].無線電通信技術(shù),2013,39(1):80-83.

[9] 馬英昌,謝 松.GPS L5接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2013,39(6):94-96.

[10]童 恩.位置服務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)及展望[J].江蘇通信技術(shù),2004(1):33-36.

[11]WANGPin,FANG Shou-en,ZHANG Lan-fang.Trajectory Prediction for Left-turn Vehicles at T-shaped Intersections Based on Location Based Service[C]∥Transportation Information and Safety(ICTIS),International Conference,2015:29-33.

[12]鄧淑明.位置服務(wù)發(fā)展的兩個(gè)階段[J].互聯(lián)網(wǎng)天地,2004(12):74-75.

[13]郭 力,王時(shí)龍,張 騰.第三代移動(dòng)通信網(wǎng)增強(qiáng)型位置服務(wù)的研究[J].移動(dòng)通信,2005(11):83-86.

[14]趙 勝,劉琳琳,劉 洋,等.GNSS接收機(jī)長(zhǎng)碼快速直捕技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2013,43(5):13-15.[15]于雪崗,鄧志鑫,范廣偉.GNSS接收機(jī)窄帶干擾陷波抑制研究[J].無線電工程,2013,43(9):33-37.

王博遠(yuǎn) 男，(1992—)，博士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

賈瑞才 男，(1986—)，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

Technology and Application of High-precision Terminal Devices in LBS

WANG Bo-yuan1,JIA Rui-cai2,3,JIA Hao-nan4

(1.CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;4.CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China)

The enormous success of foreign LBS construction promoted the development of domestic LBS and affected the technological innovation of the terminal devices.The terminal devices are bearing platform of the user,for the different needs of people,provide fine service.In view of the sub-meter position and service requirements,the paper discusses the single-frequency Precise Point Positioning technology,map technology and network services based the high-precision terminal devices in LBS.Terminal application activities demonstrate that he high-precision terminal devices in LBS have the ability of providing high precision position information and real-time location services.

LBS;high-precision positioning;map technology;terminal application demonstration

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.02

王博遠(yuǎn),賈瑞才,賈浩男.高精度位置服務(wù)終端技術(shù)與應(yīng)用[J].無線電工程,2016,46(11):5-8.

2016-08-17

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”)基金資助項(xiàng)目(2012AA12A206，2015AA124001)。

TP391.4

A

1003-3106(2016)11-0005-04