低成本單頻精密單點定位在城市導航定位中的應用

省天琛張生鵬趙利江張永滎毛亞萍

1青海省基礎測繪院，青海 西寧，810012

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，萬物物聯(lián)需要有高精度的位置信息作為支撐［1］。其中，為城市區(qū)域車輛提供亞米級精度的導航位置服務是建設智慧城市的重要基礎。目前車輛導航中GNSS一般采用標準單點定位（standard point positioning，SPP）［2］的方式進行定位，精度一般在10 m左右，不具備直接用GNSS提供高精度位置服務的能力，而且傳統(tǒng)的高精度定位的服務很難向大眾領域拓展，一是受限于GNSS雙頻接收機成本高；二是GNSS高精度RTK（real-time kinematic）位置服務主要針對專業(yè)級測量用戶，很難應用于民眾領域；三是現(xiàn)有的網(wǎng)絡RTK服務軟件算法復雜，無法滿足海量RTK（real-time kinematic）用戶同時接入，限制了GNSS在大眾高精度導航定位中的應用。當前民用GNSS高精度定位技術在國內(nèi)外還處于研究階段［3，4］，實際應用較少。一方面，隨著國際GNSS服務（International GNSS Service，IGS）實時服務［5］的發(fā)布，實時的精密軌道、鐘差以及電離層延遲改正產(chǎn)品可以通過Ntrip協(xié)議實時獲取，來實現(xiàn)實時精密單點定位（precise point positioning，PPP）。另一方面，當前廉價的GNSS芯片（如u-blox）提供穩(wěn)定的多系統(tǒng)單頻偽距和相位觀測值，使得廉價高精度定位解決方案成為可能。為此，本文綜合考慮到成本、硬件和算法等多項因素，提出了采用單頻PPP模式為消費級u-blox終端提供亞米級定位的解決方案。

1 PPP定位技術原理

PPP只需單臺接收機［6］，通過接收偽距和相位觀測數(shù)據(jù)，精密軌道和鐘差即可進行定位。

1.1 PPP基本模型

PPP誤差項可通過模型進行改正和估計，其中，地球自轉改正、相對論改正、固體潮改正、天線相位中心偏差與變化以及天線相位纏繞都可通過模型進行精確改正。本文采用原始觀測值進行PPP解算，不采用任何組合消除電離層延遲項［6］，PPP基本模型表達為：

式中，i=1，表示觀測值頻率f1，本文采用單頻觀測數(shù)據(jù)；ρ表示衛(wèi)星與測站之間的實際幾何距離；δtrcv和δtsat分別表示接收機和衛(wèi)星的鐘差；Tr為對流層延遲；αi為電離層延遲系數(shù)，與頻率相關；I為電離層延遲；bP21為偽距硬件延遲，通過產(chǎn)品改正；Bi為模糊度項；Mi和mi分別為偽距和相位的多路徑誤差；εPi和εLi分別為偽距和相位噪聲。

坐標值、接收機鐘差、對流層延遲、電離層延遲和模糊度項作為待估參數(shù)統(tǒng)一進行估計。在雙頻PPP中，經(jīng)過一定時間初始化后，可以達到10 cm內(nèi)精度，但是初始化時間通常在15～30 min［7］，很難滿足實時導航需求。影響初始化最主要的因素來自于電離層延遲，不管是通過消電離層組合的方式消除還是將其看作參數(shù)估計，都無法有效降低初始化時間。在單頻PPP中，電離層雖然可以通過Uofc組合的方式消除電離層［8］，但是依然需要一定的初始化時間才能達到較高的精度。

1.2 常加速度模型

考慮到廉價u-blox原始觀測值的有限精度，無法連續(xù)穩(wěn)定提供高精度的位置信息，若用傳統(tǒng)的定位手段，在高樓遮擋等多路徑效應嚴重和短時無GNSS信號的地方，可能出現(xiàn)定位錯誤和無法定位的情況，因此需考慮多普勒速度約束的PPP模型，本文采用常加速度模型進行先驗的坐標和速度約束［9］，模型如下：

式中，X、V和A分別為三維坐標、速度和加速度，I為3×3單位矩陣，Δt為前后兩歷元（k和k-1）的時間差，W（k）為過程噪聲。

1.3 單頻PPP的實現(xiàn)過程

本文采用的策略是接收來自法國國家空間研究中心發(fā)布的實時電離層改正產(chǎn)品直接改正電離層延遲，考慮電離層延遲精度和廉價接收機觀測值的穩(wěn)定性有限，采用單歷元解的模式實時動態(tài)估計三維坐標，避免對流層延遲和模糊度的錯誤傳遞。由于不存在收斂過程，對流層延遲未改正的部分會被坐標高程方向吸收，所以高程方向精度會受到一定影響。模糊度部分將吸收接收機鐘差未被改正的部分，其不準確的部分也會在一定程度上影響坐標精度。具體實現(xiàn)流程圖如圖1所示。

圖1 用戶端系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow Chart of Client System

本文實驗硬件主要由u-blox開發(fā)板、天線、電源、藍牙模塊和智能手機組成。手機通過4G網(wǎng)絡接收IGS實時數(shù)據(jù)中心的精密軌道鐘差、電離層延遲等改正產(chǎn)品；u-blox連接天線接收GNSS原始觀測數(shù)據(jù)流，通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)流傳到智能手機并進行解碼，用安裝在手機上的導航定位APP即可在手機端進行單頻PPP解算。

2 實驗與分析

為了測試實時單頻PPP定位的精度，進行了車載實時動態(tài)PPP道路測試，PPP解算采用了GPS和GLONASS雙星系統(tǒng)，接收機設備采用u-blox M8T，外接智能手機為華為P20 Pro。本次實驗測試地點位于深圳市，測試路段環(huán)境開闊、遮擋較少。測試時間為2018年6月17日GPS時7：00—7：48（本地時間15：00—15：48），采樣率為1 s。為了比較分析精度，在車頂同時架設了一臺天寶R10測量型接收機，外置GPS500測量型天線，連接廣州市CORS網(wǎng)RTK（real-time kinematic）服務，用其RTK固定解作為參考值。

從圖2可以看出，車輛行駛全程定位結果未出現(xiàn)跳動，行車軌跡很平滑，考慮到地圖精度的影響，實時軌跡和地圖會存在一定的系統(tǒng)差，但是剔除系統(tǒng)差后，實時地圖呈現(xiàn)的軌跡與實際車道吻合。即便在有短時高樓樹木遮擋的地方，也給出了準確的結果，這主要是由于PPP算法中采用了車載運動常加速度模型，同時用多普勒測速信息進行了約束。同時從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在彎道等地方，均可以實時響應，不會出現(xiàn)定位偏離的結果。

圖2 行車軌跡Fig.2 Driving Track

圖3是PPP導航定位精度統(tǒng)計結果。從圖3中可以看出，E方向和N方向的精度較高，與RTK固定解參考值比較，E方向最大偏差不超過1.6 m，N方向最大偏差不超過1.5 m，統(tǒng)計的STD（standard deviation）分別為0.54 m和0.61 m。但是U方向結果稍差，STD為1.95 m，同時發(fā)現(xiàn)在70歷元附近U方向有一次較大的誤差波動，最大偏差達到5.2 m，這主要和衛(wèi)星的幾何分布有關，導致U方向的精度較差。可以看出在實際中導航定位水平方向精度已能滿足車道級導航的需要，但是在高架等復雜路段進行導航定位時，高程方向的偏差可能導致道路匹配失敗，這時單GNSS定位的技術很難滿足方面的需求，可以考慮加入廉價的氣壓計來獲取高精度的高程信息來彌補GNSS高程方向精度有限的缺陷。

圖3 PDOP與定位精度統(tǒng)計Fig.3 PDOP and Positioning Accuracy Statistics

3 結束語

本文提出了一種利用普通手機、外置消費級ublox接收機的GPS/GLONASS雙星單頻PPP導航定位解決方案。實時PPP車載動態(tài)實驗結果表明，提出的低成本導航解決方案無需借助CORS等信息即可滿足車道級導航定位的需求。相比水平方向定位精度，高程方向精度稍差，可考慮加入氣壓計來獲取高精度的高程信息輔助PPP定位。同時本次測試的路段環(huán)境較為開闊，并未出現(xiàn)長時間無GNSS信號的問題，下一步工作將整合消費級慣導芯片到導航終端中，解決長時間遮擋環(huán)境下無法穩(wěn)定導航定位的問題，進一步提高消費級產(chǎn)品的高精度導航定位保障能力。