智能手機(jī)RTK 定位軟件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用試驗(yàn)

曾樹林，匡翠林

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083；2.重慶市地理信息和遙感應(yīng)用中心,重慶 401147)

0 引言

隨著我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)的全面建成，目前已形成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)服務(wù)新格局.GNSS 在測(cè)繪、交通、電力、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域逐漸發(fā)揮重要作用，設(shè)備需求量隨之增加，并逐步向低成本高精度方向發(fā)展；另一方面，隨著智能手機(jī)和芯片技術(shù)的發(fā)展，如今智能手機(jī)中的衛(wèi)星導(dǎo)航定位能力逐步凸顯，成為大眾位置服務(wù)的基石，同時(shí)也使得手機(jī)成為使用最普遍的一類GNSS 設(shè)備.2016 年谷歌公司開放了Android 智能終端的GNSS 原始觀測(cè)值[1]，用戶可直接獲取偽距、載波等觀測(cè)數(shù)據(jù)，為開展手機(jī)高精度定位算法研究帶來了便利，同時(shí)也為手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展創(chuàng)造了機(jī)遇.

目前已有較多學(xué)者開展了手機(jī)GNSS 高精度定位的研究.REALINI 等[2]最早運(yùn)用Android 智能終端GNSS 原始觀測(cè)值進(jìn)行了定位測(cè)試，結(jié)果表明運(yùn)用相對(duì)定位技術(shù)時(shí)其精度可達(dá)亞米級(jí).ZHANG 等[3]采用載波相位歷元間差分濾波的方法，也表明手機(jī)可達(dá)亞米級(jí)定位精度.GENG 等[4]和WEN 等[5]使用外接測(cè)量型天線，實(shí)現(xiàn)了模糊度固定，并達(dá)到了厘米級(jí)精度.但以上大多數(shù)研究都是利用手機(jī)應(yīng)用程序(APP)記錄GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行事后解算，真正在手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)高精度定位軟件產(chǎn)品還較少.而手機(jī)本身具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，完全具備運(yùn)行高精度定位軟件的條件.對(duì)此，陳秉柱等[6]開發(fā)了一款手機(jī)廣域精密定位軟件，結(jié)果表明，手機(jī)廣域精密定位收斂后精度可達(dá)亞米級(jí).汪亮等[7]以及郭斐等[8]都開發(fā)了一款手機(jī)實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位(PPP)軟件，結(jié)果表明PPP 結(jié)果優(yōu)于手機(jī)自身位置精度.但PPP 相對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)存在收斂時(shí)間和精度上的不足，鑒于RTK 定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中更廣泛，且手機(jī)RTK 定位技術(shù)的研究較少，開展手機(jī)RTK 高精度定位研究更具有實(shí)用意義.

在手機(jī)中采用RTK 定位技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的亞米級(jí)定位，進(jìn)而滿足車道級(jí)導(dǎo)航精度要求.在一些低精度需求的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如地理信息采集、國(guó)土巡查和地質(zhì)調(diào)查等應(yīng)用中，一般只需亞米級(jí)精度，采用手持GNSS 接收機(jī)即可滿足需求[9].如今在手機(jī)GNSS 定位性能逐步提升的情況下，有望采用手機(jī)RTK 定位代替?zhèn)鹘y(tǒng)手持GNSS 接收機(jī)，以方便作業(yè)和節(jié)省生產(chǎn)成本.總之，不論是在民用導(dǎo)航中，還是在低精度專業(yè)測(cè)繪應(yīng)用中，手機(jī)RTK 定位都將發(fā)揮重大作用，具有重要的應(yīng)用前景.因此，為充分利用手機(jī)GNSS 原始觀測(cè)值和發(fā)揮RTK 高精度定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文以自主開發(fā)的手機(jī)RTK 定位APP 為載體，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域，選擇典型場(chǎng)景和條件進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，以評(píng)估將手機(jī)作為專業(yè)級(jí)應(yīng)用設(shè)備的可行性.

1 手機(jī)RTK 定位基礎(chǔ)理論

1.1 手機(jī)GNSS 數(shù)據(jù)獲取方法

搭載Android 7.0 以上版本操作系統(tǒng)的智能終端可通過Android.location 應(yīng)用程序接口(API)獲取GNSS 類中存儲(chǔ)的字段信息，這些信息可用于生成偽距、載波相位等觀測(cè)值，主要字段信息如表1 所示[1].

表1 Android API 中GNSS 原始測(cè)量值主要字段

1.1.1 偽距獲取

首先通過時(shí)間相關(guān)字段信息，計(jì)算各導(dǎo)航信號(hào)在相應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)的接收時(shí)刻tRx(周內(nèi)納秒)和信號(hào)發(fā)射時(shí)刻tTx(周內(nèi)納秒)：

式中：TS為其他衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS 之間的時(shí)間系統(tǒng)差異.在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下，根據(jù)手機(jī)接收到GNSS 信號(hào)及衛(wèi)星端發(fā)射信號(hào)時(shí)刻之差，可計(jì)算出信號(hào)傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出偽距觀測(cè)值P，即

式中，c為光速.

1.1.2 載波相位獲取

載波相位φ由歷元之間的偽距增量計(jì)算得出

式中，λ 為載波波長(zhǎng).在GNSS 類中，還通過Accumulated DeltaRangeState 字段指示載波記錄狀態(tài)，如表2 所示.當(dāng)被標(biāo)記為2 或4 時(shí)，ADR記錄值將不連續(xù)，均視為發(fā)生了周跳，并以失鎖標(biāo)識(shí)符(LLI)形式輸出.

表2 載波相位記錄狀態(tài)

1.1.3 多普勒獲取

多普勒D由偽距率計(jì)算得出，忽略接收機(jī)和衛(wèi)星鐘頻率等誤差時(shí)，可表示為

1.1.4 載噪比獲取

載噪比(C/N0)可直接由字段Cn0DbHz 得到，單位為dB-Hz.手機(jī)跟蹤GNSS 信號(hào)具有較高的靈敏度，C/N0 過低的GNSS 信號(hào)也將被接收，應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)腃/N0 閾值來控制數(shù)據(jù)質(zhì)量.

1.1.5 偽距和載波的不一致性處理

研究發(fā)現(xiàn)，利用上述方法直接計(jì)算得到的偽距和載波相位之間存在隨觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)而變大的差值，如圖1 所示，其原因是手機(jī)中采用了不同的鐘來跟蹤測(cè)碼偽距和載波[10].

圖1 手機(jī)中偽距與載波觀測(cè)值的不一致性

為保證輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，本文采用簡(jiǎn)單的鐘差補(bǔ)償方法來消除此差異，進(jìn)而得到補(bǔ)償后的偽距觀測(cè)值Pnew，即

式中：上標(biāo) s 為衛(wèi)星標(biāo)識(shí)；Δ為補(bǔ)償鐘差(換算成距離單位)，理論上同一歷元偽距和載波之間的鐘差差異相同，其數(shù)值取當(dāng)前歷元所有偽距減去載波相位距離的平均值，即：

式中，n為當(dāng)前歷元觀測(cè)值個(gè)數(shù).

1.2 手機(jī)RTK 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 函數(shù)模型

RTK 定位采用雙差函數(shù)模型，雙差后的觀測(cè)方程可表示為：

式中：Δ r 為雙差符號(hào)；I為電離層誤差；T為對(duì)流層誤差；N為整周模糊度；ε 為觀測(cè)噪聲.雙差可消除衛(wèi)星星歷誤差、接收機(jī)鐘差誤差，在短基線下(＜10 km)，可進(jìn)一步消除電離層和對(duì)流層誤差，主要用于多路徑誤差和測(cè)量噪聲.因在雙差過程中消除了絕大部分誤差，因而一般情況下通過相對(duì)定位可獲得高精度的定位結(jié)果.

1.2.2 隨機(jī)模型

在GNSS 數(shù)據(jù)處理中，驗(yàn)前隨機(jī)模型可采用等權(quán)模型、高度角模型和C/N0 模型.對(duì)于高精度GNSS設(shè)備，其觀測(cè)值誤差與衛(wèi)星高度角成負(fù)相關(guān)，故一般采用高度角定權(quán)[11].文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)手機(jī)中GNSS觀測(cè)值精度與C/N0 的相關(guān)性比與高度角更強(qiáng)，因此針對(duì)手機(jī)GNSS 數(shù)據(jù)處理使用C/N0 定權(quán)更合理.基于C/N0 的隨機(jī)模型有多種形式，本文采用顧及雙頻C/N0 差異的SIGMA-Δ 模型[13]，即

1.2.3 參數(shù)估計(jì)

在建立函數(shù)模型和隨機(jī)模型后，再進(jìn)行參數(shù)估計(jì).考慮到手機(jī)GNSS 觀測(cè)值精度低，粗差和難以探測(cè)的小周跳較多，本文采用抗差卡爾曼濾波方法估計(jì)坐標(biāo)參數(shù)，以期獲得更平滑的定位結(jié)果.傳統(tǒng)的抗差卡爾曼濾波根據(jù)驗(yàn)后殘差調(diào)整觀測(cè)值權(quán)重，需進(jìn)行多次迭代濾波計(jì)算，增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)，不便于實(shí)時(shí)應(yīng)用.本文利用觀測(cè)值預(yù)測(cè)殘差直接調(diào)整權(quán)，以一次濾波實(shí)現(xiàn)抗差，具體原理可參見文獻(xiàn)[14].

此外，在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面，通過高度角、C/N0閾值篩選參與定位解算的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)剔除偽距粗差，采用LLI 因子、多普勒、偽距-相位組合等方法探測(cè)周跳.手機(jī)RTK 定位流程如圖2 所示.

圖2 手機(jī)RTK 定位流程

2 手機(jī)RTK 定位APP 開發(fā)

將手機(jī)作為RTK 定位終端可由兩種方式實(shí)現(xiàn)：①由手機(jī)獲取GNSS 觀測(cè)值，并直接在手機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)定位解算、展示、存儲(chǔ)；②采用云-端模式，即在手機(jī)端采集GNSS 數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端，由云端解算完成后，再將結(jié)果返回至手機(jī)端，由手機(jī)展示定位結(jié)果.其中，方式②處理效率高，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊能力的要求更高.考慮到如今智能手機(jī)本身已有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，完全滿足方式①的環(huán)境要求，因此本文按方式①實(shí)現(xiàn)手機(jī)RTK 定位.以Android Studio 為開發(fā)平臺(tái)，使用Java 和C 語言完成APP 開發(fā)，如圖3 所示APP 設(shè)計(jì)分為四個(gè)模塊：

圖3 手機(jī)RTK 定位APP 框架設(shè)計(jì)圖

1)觀測(cè)值解析.從API 中獲取原始GNSS 類字段信息，經(jīng)解析生成偽距、載波相位等觀測(cè)值，用于實(shí)時(shí)定位解算和輸出觀測(cè)值文件.

2)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)和星歷獲取.基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)以美國(guó)海事無線電技術(shù)委員會(huì)(RTCM) 格式，通過互聯(lián)網(wǎng)RTCM 傳輸(NTRIP) 技術(shù)從數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)獲取.本軟件采用單基準(zhǔn)站RTK 技術(shù)，故只需連接一個(gè)基準(zhǔn)站.

3)定位解算.RTK 定位解算是APP 的核心，其算法流程如圖2 所示.為增加核心算法的可移植性和簡(jiǎn)化開發(fā)流程，將經(jīng)過整個(gè)定位模塊開發(fā)完成后封裝為一個(gè)C 語言動(dòng)態(tài)庫文件，并直接在Java 中運(yùn)用Java 本地接口(JNI)技術(shù)調(diào)用該庫文件.

4)結(jié)果展示和輸出.通過星空?qǐng)D、三維坐標(biāo)等方式展示觀測(cè)數(shù)據(jù)和定位結(jié)果狀態(tài)，針對(duì)大眾應(yīng)用將坐標(biāo)顯示到地圖上實(shí)時(shí)展示用戶位置和移動(dòng)軌跡，針對(duì)測(cè)量等專業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)單點(diǎn)測(cè)量和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能.將RTK 定位結(jié)果和手機(jī)本身內(nèi)置芯片的定位結(jié)果保存為文本文件，同時(shí)可將觀測(cè)值以接收機(jī)無關(guān)的交換格式(RINEX)輸出，便于事后解算和分析.

APP 設(shè)計(jì)分為定位設(shè)置、定位狀態(tài)、地圖跟蹤和工具4 個(gè)頁面，主界面如圖4 所示.

圖4 手機(jī)RTK 定位APP 主界面

3 手機(jī)RTK 定位測(cè)試及應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 靜態(tài)條件下定位性能測(cè)試

為檢驗(yàn)該APP 的RTK 定位性能，在靜態(tài)開闊條件下使用兩臺(tái)小米8 (簡(jiǎn)稱MI8 #1、MI8 #2)手機(jī)進(jìn)行1 h 實(shí)時(shí)定位測(cè)試.流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的基線長(zhǎng)約0.5 km，其中，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)源來源于自主架設(shè)的單基準(zhǔn)站，通過NTRIP 協(xié)議實(shí)時(shí)播發(fā)RTCM 數(shù)據(jù)，流動(dòng)站精確坐標(biāo)利用測(cè)量型接收機(jī)通過事后RTK 方式得到.為保證信號(hào)接收充分，兩臺(tái)手機(jī)均采用手機(jī)支架豎直放置，如圖5 所示.

圖5 靜態(tài)條件下手機(jī)RTK 定位測(cè)試(左：MI8 #1，右：MI8 #2)

在測(cè)試過程中，主要使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)/GPS/ Galileo 三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組合定位.具體解算參數(shù)設(shè)置見表3 所示.

表3 手機(jī)RTK 解算參數(shù)設(shè)置

將APP 定位結(jié)果與手機(jī)內(nèi)置芯片解和參考接收機(jī)RTK 坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.當(dāng)手機(jī)RTK 在東(E)、北(N)、天頂(U)三個(gè)方向誤差均小于0.2 m 時(shí)，視為收斂.定位結(jié)果如圖6 和表4 所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，手機(jī)APP 得到的RTK 定位結(jié)果精度明顯高于內(nèi)置芯片解，收斂后精度約在1 dm，N 方向可達(dá)厘米級(jí)，而芯片解具有較大的系統(tǒng)偏差.手機(jī)內(nèi)置芯片解一般采用多源傳感器融合單點(diǎn)定位，具有較高的平滑度，但隨著誤差累積，偏差會(huì)進(jìn)一步加大.另外，測(cè)試結(jié)果表明，兩臺(tái)小米8 手機(jī)的實(shí)時(shí)定位結(jié)果具有一致性.

圖6 靜態(tài)條件下手機(jī)RTK 與內(nèi)置芯片解對(duì)比

表4 靜態(tài)條件下手機(jī)RTK 定位測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果 m

3.2 手機(jī)RTK 導(dǎo)航定位應(yīng)用試驗(yàn)

以自主開發(fā)的手機(jī)RTK 定位APP 為載體，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域，選擇典型應(yīng)用場(chǎng)景和條件進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn).模擬RTK 導(dǎo)航和測(cè)量時(shí)，為便于獲取參考坐標(biāo)，將小米8 手機(jī)和測(cè)量型天線同時(shí)安置于對(duì)中桿上進(jìn)行同步實(shí)時(shí)定位，如圖7 所示.

圖7 模擬RTK 測(cè)量裝置

3.2.1 高精度導(dǎo)航應(yīng)用試驗(yàn)

手機(jī)本身具備大眾導(dǎo)航功能，但手機(jī)內(nèi)置芯片解精度往往較低，本節(jié)采用手機(jī)RTK 模擬行人導(dǎo)航和車輛導(dǎo)航.

1)行人導(dǎo)航

圖8 中行人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)場(chǎng)址為中南大學(xué)某體育場(chǎng)，環(huán)境相對(duì)開闊.將參考接收機(jī)天線和手機(jī)固定于對(duì)中桿上，行人手持對(duì)中桿步行導(dǎo)航，在同一場(chǎng)景進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)勻速繞體育場(chǎng)行走2 圈.

圖8 行人導(dǎo)航軌跡(黃：第一次；紅：第二次)

手機(jī)RTK 及手機(jī)內(nèi)置芯片解結(jié)果如圖9 所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5 所示，可以看出兩次試驗(yàn)中平面方向精度可達(dá)亞米級(jí)，高程方向精度在2 m 以內(nèi)，第二次精度高于第一次.第一次試驗(yàn)時(shí)由于手持對(duì)中桿高度較低，受到一定程度的遮擋，接收到的GNSS 信號(hào)質(zhì)量差，故RTK 定位結(jié)果波動(dòng)較大，但仍遠(yuǎn)優(yōu)于芯片解.手機(jī)中的芯片解因采用了多源融合，在穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，但N 方向產(chǎn)生了米級(jí)的系統(tǒng)偏差.第二次試驗(yàn)RTK 和芯片解的精度和穩(wěn)定性較第一次都有所提升，說明兩者都依賴接收到的GNSS 信號(hào)質(zhì)量，但此時(shí)RTK 結(jié)果在精度和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于芯片解.

圖9 行人導(dǎo)航誤差

2)車輛導(dǎo)航

如圖10 所示，車輛導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)場(chǎng)址為中南大學(xué)校園內(nèi)道路，道路包含高樓、樹木、水面等強(qiáng)多路徑和信號(hào)遮擋路段，以及曲線等常規(guī)道路條件.分別選取了不同的線路進(jìn)行了2 次試驗(yàn)，線路長(zhǎng)度分別為2.5 km和2.2 km.采用電動(dòng)摩托車作為測(cè)試車輛，在行駛過程中車輛保持勻速.

圖10 車輛導(dǎo)航軌跡(黃：第一圈；紅：第二圈)

手機(jī)RTK 及內(nèi)置芯片解結(jié)果如圖11 所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5 所示.可以看出，在車載情況下，受到的觀測(cè)條件相比行人更復(fù)雜，此時(shí)手機(jī)RTK 也基本能夠保持在平面亞米級(jí)、高程1～2 m 的精度水平.兩次試驗(yàn)中，RTK 結(jié)果精度均高于芯片解，尤其是在水平方向，而芯片解穩(wěn)定性略高，第二圈的第200 和550 歷元處RTK 結(jié)果存在小跳點(diǎn)，可能是由周跳導(dǎo)致.

表5 行人和車輛導(dǎo)航RMS 統(tǒng)計(jì) m

圖11 車輛導(dǎo)航定位誤差

3.2.2 低精度測(cè)繪應(yīng)用試驗(yàn)

本節(jié)采用手機(jī)RTK 定位APP 模擬低精度測(cè)繪應(yīng)用，以單點(diǎn)測(cè)量的方式開展碎部測(cè)量、地理信息采集等工作.在校園內(nèi)選取了5 個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)和11 個(gè)井蓋作為待測(cè)地物.模擬RTK 測(cè)量作業(yè)時(shí)，人手持對(duì)中桿立于待測(cè)點(diǎn)位靜置約10 s 后，通過APP 單點(diǎn)測(cè)量功能記錄點(diǎn)位坐標(biāo).

2 處測(cè)量位置的點(diǎn)位布置情況如圖12 所示，均包含開闊和遮擋環(huán)境點(diǎn)位.

圖12 測(cè)量點(diǎn)位示意圖

測(cè)量結(jié)果平面坐標(biāo)和點(diǎn)位誤差如表6 所示，其中精度統(tǒng)計(jì)中誤差為誤差絕對(duì)值的均值.可見，在點(diǎn)測(cè)量時(shí)，多數(shù)點(diǎn)位平面誤差在亞米級(jí)，個(gè)別點(diǎn)在1～2 m，高程誤差在1～4 m，其中平面統(tǒng)計(jì)精度為1.1 m，高程為2.4 m.點(diǎn)測(cè)量的精度略低于行人和車載，其主要原因是，點(diǎn)測(cè)量時(shí)受到的人員和環(huán)境干擾更復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，降低了RTK 定位精度.整體上看，手機(jī)RTK 一般可達(dá)1 m 的平面精度，在觀測(cè)條件較好時(shí)可達(dá)到亞米級(jí)精度，基本滿足亞米級(jí)到米級(jí)的地理信息采集和調(diào)查作業(yè)精度要求.

表6 手機(jī)RTK 測(cè)量坐標(biāo)結(jié)果 m

4 結(jié)束語

本文基于單站RTK 定位技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款手機(jī)RTK 定位APP，并開展了手機(jī)RTK 高精度導(dǎo)航定位應(yīng)用試驗(yàn).利用谷歌公開的Android 應(yīng)用程序接口，獲取手機(jī)GNSS 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，直接在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)RTK 高精度定位.在靜態(tài)條件下，APP 實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)1 dm；將RTK 定位APP 進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，在行人和車載動(dòng)態(tài)條件下，可達(dá)平面亞米級(jí)、高程1～2 m 的精度水平，且RTK 定位精度遠(yuǎn)高于內(nèi)置芯片解，但穩(wěn)定性略差于內(nèi)置芯片解；使用手機(jī)模擬RTK 測(cè)量，結(jié)果表明：RTK 結(jié)果平面精度約在1 m，高程方向誤差在米級(jí)，基本滿足亞米級(jí)到米級(jí)的地理信息采集和調(diào)查等應(yīng)用的需求，融合手機(jī)中MEMS等傳感器后有望進(jìn)一步提升RTK 定位精度和穩(wěn)定性.文中方法和試驗(yàn)結(jié)論可為相關(guān)研究提供參考借鑒.