基于安卓智能手機(jī)的BDS/GPS單點(diǎn)定位性能評估與分析

趙俊蘭 劉明明

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，100144，北京市)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS) 是目前獲取時(shí)間與位置信息的重要手段，因其全球性、全天候、高精度的特點(diǎn)與能力, 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、大地測量、地球動(dòng)力學(xué)、地球物理、變形監(jiān)測等領(lǐng)域[1]；目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括：美國全球?qū)Ш较到y(tǒng)(GPS)、歐洲伽利略系統(tǒng)(GALILEO)、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)以及我國自主研發(fā)的北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(BDS). 安卓操作系統(tǒng)誕生于2007年，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2018年生產(chǎn)了3.9億部智能手機(jī)，其中選用安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)占比達(dá)到了89.3%. 可以看出，安卓系統(tǒng)的手機(jī)或其他智能終端越來越受到人們的歡迎，基于安卓智能手機(jī)的定位服務(wù)應(yīng)用也已經(jīng)成為人們生活中的常用品，包括智能出行、智能交通、智能管理、智能醫(yī)療等眾多方面.[2-3]然而，目前智能手機(jī)定位應(yīng)用較多、研究較少，且定位精度都不高、隨著人們需求不斷提高，自2018年底開始，我國北斗系統(tǒng)成功全球組網(wǎng)，代表著BDS已經(jīng)開始提供全球服務(wù)，高精度定位服務(wù)應(yīng)用有著非常廣闊的發(fā)展空間.

衛(wèi)星導(dǎo)航定位的方法主要包括差分定位和非差定位2類，相應(yīng)的代表技術(shù)是RTK和PPP技術(shù).[4]差分定位技術(shù)是利用觀測值形成差分，對觀測值進(jìn)行改正，可以消除衛(wèi)星鐘差等誤差的影響，有效地提高定位精度. 但差分技術(shù)的定位精度會(huì)受到基線長度的限制，距離變大，基線隨之增長，衛(wèi)星軌道誤差、電離層延遲等因素的影響增大，會(huì)導(dǎo)致精度降低.[5]PPP技術(shù)則是使用GNSS接收機(jī)等獲取載波相位觀測值和偽距觀測值，再利用IGS提供的精密星歷和精密鐘差進(jìn)行坐標(biāo)解算，從而得到精度較高的測站坐標(biāo).

目前國內(nèi)外也有許多學(xué)者對智能手機(jī)的定位性能進(jìn)行了深入分析. 微軟公司開發(fā)了適用于Nokia Lumia 1520手機(jī)的外置部件,使手機(jī)能夠接收GNSS觀測值，然而，這種設(shè)備接收的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,最終只能夠達(dá)到米級的定位精度[6]；馮昆等基于低功耗藍(lán)牙和行人航位推算技術(shù)，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行融合處理的室內(nèi)定位方法，得到手機(jī)的平均定位精度為1.17 m,90%的概率定位精度達(dá)到2 m[7]；張楷時(shí)等采集靜態(tài)的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)，利用PPP定位解算，手機(jī)的定位精度也可達(dá)到分米級[8]；張慧敏等將手機(jī)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行差分改正，也得到了亞米級的定位精度.[9]本文通過安卓智能手機(jī)移動(dòng)端和專業(yè)接收機(jī)接收的GNSS觀測數(shù)據(jù)，利用事后精密星歷、鐘差等產(chǎn)品解算在不同定位環(huán)境下的定位結(jié)果，將專業(yè)接收機(jī)的解算結(jié)果作為參考真值，開展基于智能手機(jī)的BDS/GPS組合高精度定位性能評估研究，以期推動(dòng)智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位.

1.PPP技術(shù)的基本理論與方法

精密單點(diǎn)定位是指采用高精度的精密星歷和鐘差產(chǎn)品，對使用一臺GNSS接收機(jī)采集的載波相位和偽距觀測值，通過模型改正或參數(shù)估計(jì)的手段，將與衛(wèi)星端、信號傳播路徑及接收機(jī)端相關(guān)的誤差進(jìn)行消除或削弱，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位的一種方法.[10]

1.1 偽距和載波相位觀測值

通過GNSS接收機(jī)獲取到的最基本的2個(gè)觀測值是偽距觀測值和載波相位觀測值. 衛(wèi)星發(fā)出的測距碼信號在傳播過程中要穿過電離層和對流層，傳播速度和路徑會(huì)發(fā)生變化；同時(shí)，由于鐘差的存在，導(dǎo)致信號到達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)間與光速的乘積得到距離與衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離會(huì)有一定的偏差，故該乘積被稱為偽距.[11]載波相位觀測值是指衛(wèi)星產(chǎn)生的載波信號傳播到接收機(jī)時(shí)產(chǎn)生的相位變化量.

1.2 定位誤差改正

衛(wèi)星導(dǎo)航定位中出現(xiàn)的誤差按照其來源可大致分為3種類型：與觀測衛(wèi)星相關(guān)的、與信號傳播路徑相關(guān)的以及與接收機(jī)相關(guān)的. 下面重點(diǎn)對精密單點(diǎn)定位中的衛(wèi)星軌道和鐘差、電離層和對流層以及其他誤差的修正方法進(jìn)行說明.

1)衛(wèi)星軌道和鐘差誤差.

利用衛(wèi)星星歷計(jì)算的衛(wèi)星軌道與實(shí)際軌道見得差值叫做衛(wèi)星軌道誤差.[12]廣播星歷的精度通常不高，目前GPS廣播星歷的誤差約為1.6 m，為精密單點(diǎn)定位研究，必須使用精密星歷，IGS提供的事后精密星歷可達(dá)到2 cm，使用更高精度的星歷，越能削弱衛(wèi)星軌道誤差的影響.

由于衛(wèi)星運(yùn)行的空間環(huán)境變差，原子鐘壽命老化等影響，衛(wèi)星鐘會(huì)發(fā)生頻漂、頻偏等現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星的時(shí)間與系統(tǒng)的時(shí)間產(chǎn)生差異，稱其為衛(wèi)星鐘差. 1 ms以內(nèi)的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)生約300 km誤差. 目前，廣播星歷提供的衛(wèi)星鐘差的改正精度在5 ns左右，等效距離誤差為1.5 m，但也還是不能滿足精密單點(diǎn)定位的需求；但是IGS可以提供實(shí)時(shí)用戶精度優(yōu)于0.3 ns的5秒采樣間隔的精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品，數(shù)據(jù)延遲約為 25 s，使得衛(wèi)星鐘差誤差的影響可以得到較大程度的削弱.

2)電離層延遲與對流層延遲誤差.

電離層由密度相等的電子和離子組成，其高度離地面約為60～1 000 km. 電離層延遲誤差是指傳播信號穿過電離層時(shí)，傳播路徑與傳播速度都發(fā)生改變所造成的偏差. 通常使用Klobuchar模型、球諧函數(shù)模型和格網(wǎng)模型等來減弱電離層的影響. 對流層是指離地表面高度50 km以下的中性大氣層. 對流層環(huán)境復(fù)雜，傳播信號穿過時(shí)會(huì)發(fā)生折射，使測量距離與理論距離產(chǎn)生偏差，造成對流層延遲誤差. 精密單點(diǎn)定位技術(shù)通常使用Saastamoinen模型對對流層延遲誤差進(jìn)行改正. 由于上述2個(gè)誤差的模型公式過于復(fù)雜，具體計(jì)算方法可參考前述文獻(xiàn).

3)其他模型化誤差.

其他誤差模型如相對論效應(yīng)、衛(wèi)星天線相位中心、固體潮及地球自轉(zhuǎn)改正等誤差模型比較成熟穩(wěn)定. 具體計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[11-12].

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.GNSS數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的地理位置為北京中關(guān)村森林公園，儀器設(shè)備使用瑞典NovAtel公司生產(chǎn)的ProPak6 GNSS(pp6)專業(yè)接收機(jī)和Android 9.0操作系統(tǒng)的智能手機(jī)華為Mate20 Pro. 動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年12月7日8：18—9：50；靜態(tài)測試數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年12月7日3：18—2018年12月7日6：24，歷元間隔都為1 s. 數(shù)據(jù)處理過程中所需要的衛(wèi)星計(jì)時(shí)系統(tǒng)2018年第341天的衛(wèi)星廣播星歷、衛(wèi)星軌道和鐘差文件及電離層文件等通過iGMAS網(wǎng)站查詢下載.

2.2 定位結(jié)果與分析

本文數(shù)據(jù)處理采用由日本東京海洋大學(xué)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)精密定位開源程序包RTKLIB進(jìn)行處理[12]，主要使用到軟件的RTKPOST與RTKPLOT 2個(gè)模塊. 解算過程中定位模式選擇精密單點(diǎn)定位，設(shè)置15度高度截止角，采用IGS最終產(chǎn)品對電離層進(jìn)行改正，對流層改正采用Saastamoinen模型，衛(wèi)星軌道與鐘差采用精密星歷，衛(wèi)星系統(tǒng)根據(jù)解算過程中的需求進(jìn)行設(shè)置. 本實(shí)驗(yàn)采取專業(yè)接收機(jī)與手機(jī)并址(間隔3 cm，造成的誤差可不計(jì))同時(shí)接收數(shù)據(jù)，以專業(yè)接收機(jī)的定位結(jié)果作為參考真值，將手機(jī)移動(dòng)端分別動(dòng)態(tài)及靜態(tài)測試下的定位結(jié)果對比參考真值，得出智能手機(jī)移動(dòng)端的定位精度情況.

1)動(dòng)態(tài)測試.

對動(dòng)態(tài)觀測值分別在單GPS系統(tǒng)及GPS與北斗組合系統(tǒng)下使用RTKLIB軟件按上述參數(shù)設(shè)置進(jìn)行解算分析，得出在E、N、U 3個(gè)方向上的收斂曲線(偏差)，如圖1～2所示.

分別計(jì)算動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)在E、N和U 3個(gè)方向的偏差，得到RMS(均方根)值如表1所示.

表1 2種系統(tǒng)模式下動(dòng)態(tài)RMS值 m

由圖1～2和表1中可以看出，智能手機(jī)的動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位精度在水平方向?yàn)?～2 m. 基于在單GPS系統(tǒng)和組合系統(tǒng)情況下，手機(jī)在E、N和U方向的RMS值分別為2.14 m、2.13 m、6.48 m、1.57 m、1.20 m、4.13 m，分別提高了27%、44%和36%. 組合系統(tǒng)的定位精度高于單GPS系統(tǒng)，主要原因在于組合系統(tǒng)中BDS系統(tǒng)的加入增加了多余觀測值.

2)靜態(tài)測試.

對動(dòng)態(tài)觀測值分別在單GPS系統(tǒng)及GPS與北斗組合系統(tǒng)下使用RTKLIB軟件按上述參數(shù)設(shè)置進(jìn)行解算分析，得出在E、N、U 3個(gè)方向上的收斂曲線(偏差)，如圖3～4所示.

分別計(jì)算動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)在E、N和U 3個(gè)方向的偏差，得到RMS(均方根)值如表2所示.

表2 2種系統(tǒng)模式下靜態(tài)RMS值 m

由圖3至圖4和表2中可以看出，智能手機(jī)的靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的水平精度和空間精度為0～2 m. 基于在單GPS系統(tǒng)和組合系統(tǒng)情況下，手機(jī)在E、N、U方向的RMS值分別為0.72 m、1.80 m、1.83 m、0.51 m、1.22 m、1.34 m，分別提高了29%、32%和27%. 組合系統(tǒng)的定位精度都高于單GPS系統(tǒng)，原因同上. 由于GPS衛(wèi)星的軌道精度較高，E方向的變化最低.

3 結(jié)語

本文研究了普通安卓智能手機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度，并通過在不同測試環(huán)境和不同導(dǎo)航系統(tǒng)之間的對比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用RTKLIB開源程序包解算，對智能手機(jī)終端的定位精度進(jìn)行了評估和分析. 結(jié)果表明，組合系統(tǒng)的定位精度高于單GPS系統(tǒng)，靜態(tài)測試與動(dòng)態(tài)測試的定位精度基本相當(dāng)，但是，總體精度都在0～2 m范圍內(nèi). 同時(shí)本文驗(yàn)證了安卓手機(jī)移動(dòng)端的穩(wěn)定性與可靠性滿足一般的使用要求，這說明安卓智能手機(jī)具備提供低成本位置服務(wù)的基本條件.

需要說明的是，本試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是事后處理，后續(xù)將重點(diǎn)針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位性能的評估和分析.