室內環境下手機GPS定位精度研究

謝 翔，荊 昊，郭際明

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.諾丁漢大學，英國諾丁漢NG1 4BU)

室內環境下手機GPS定位精度研究

謝 翔，荊 昊，郭際明

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.諾丁漢大學，英國諾丁漢NG1 4BU)

利用Leica 1230雙頻接收機測得樓頂某點的平面坐標，并利用鋼尺將其傳遞到室內投影點上，在此點利用帶A-GPS功能的手機進行實時定位，通過分析這些定位數據討論手機GPS室內定位的精度。

A-GPS;手機定位;室內環境;精度

一、引 言

隨著硬件的發展，GPS接收機的芯片也朝著小型化，高精度方向不斷發展，手持便攜性導航儀種類繁多。然而，這種導航儀一般只在駕駛車輛時使用，很少有人隨身攜帶。隨著社會的發展，人們對定位導航的需求量也越來越大，亟需一個載體能夠承載GPS芯片實現定位導航功能，手機就是這樣一個很好的終端設備。具有GPS功能的手機將導航定位、通信、娛樂等功能集成在一起，可為大眾提供出行服務。

目前，手機GPS定位在空曠環境中能達到幾米至幾十米的精度，在一般環境中能達到幾十米至幾百米的精度。雖然不能和專業的導航儀及接收機相比，但至少能夠滿足人們生活的一般需要［1］。但GPS信號如果穿透建筑物或其他阻擋物時，信號強度將會被削弱。尤其在室內環境中，信號在通過屋頂、墻壁、窗戶和樹葉等阻擋物時，會由于折射和能量吸收而損耗掉部分能量。最壞的情況下，信號可能被完全阻塞。文獻［2—3］給出了影響電磁波傳播的各項因子;文獻［4］分析了室內環境中的GPS信號特性。因此，當在室內環境時，傳統的GPS接收機將無法利用十分微弱的GPS信號進行定位，這時，基于無線移動網絡的A-GPS定位技術成為一種選擇［5］。

本文將使用帶有A-GPS功能的手機，在室內利用微弱的GPS信號及來自移動通信網絡的輔助信息進行定位。同時進行定位試驗的還有帶有高靈敏度芯片的藍牙GPS接收機［6］。為了達到試驗目的，根據實際情況，選擇了測繪學院樓頂及某間教室作為試驗地點。

二、各類型接收機簡介

1.測量型接收機

測量型接收機采用載波相位觀測值進行相對定位解算，定位精度高，主要用于精密大地測量和精密工程測量，它的數據質量優于導航型。其主要組成模塊有GPS主板、GPS天線、通信模塊和電源等。觀測數據可事后處理或實時處理(RTK)，需要配備功能完善的數據處理軟件［7］。在本次試驗中，采用測量型接收機獲得高精度定位坐標，作為手機A-GPS定位精度分析的參考值。

2.導航型接收機

導航型接收機主要用于運動載體的導航，可以實時給出載體的位置和速度，一般采用C/A碼偽距測量。這種接收機還可以分為:車載型——用于車輛導航定位;航海型——用于船舶導航定位;航空型——用于飛機導航定位;星載型——用于衛星的導航定位。

在導航型接收機中，有一類特殊的接收機——藍牙GPS接收機。它是一個完整的無線衛星定位接收機，內建藍牙通信模塊，實現定位數據傳輸功能。這種GPS模塊是基于高靈敏度衛星信號接收芯片，讓用戶在城市和峽谷等遮擋嚴重的環境下實現定位，并通過藍牙接口與其他設備連接起來，按照一定的協議將定位結果傳輸出來。

3.手機型A-GPS接收機

A-GPS技術是一種結合了網絡基站信息和GPS偽距觀測值對終端進行定位的技術，可以在GSM/ GPRS、WCDMA和CDMA2000網絡中使用。該技術需要在手機內增加GPS接收機模塊，并改造手機天線，同時要在移動網絡上加建位置服務器、GPS基準站等設備［8］。

無線手機網絡獲得A-GPS接收機的信息，把最近的網絡基站位置作為其概略位置發送到位置服務器，位置服務器根據概略位置再計算與該位置相關的GPS輔助信息(包含GPS的星歷和方位俯仰角等)并發送到手機，該手機的A-GPS模塊根據輔助信息捕獲和跟蹤GPS衛星，獲得偽距觀測值［9］。為了計算手機的位置，有兩種方式可以實現:① 移動站GPS芯片解算模式，位置計算是在附帶有高靈敏度GPS芯片的手機中來完成的;②服務器解算模式，移動站將偽距測量值傳輸到服務器，然后由服務器計算出移動站的位置坐標，再把這個坐標值發回到移動站［10］。在本次試驗中采用的是前一種模式。

三、測試方案設計

本次試驗預期達到兩個目的:一是室內手機定位的精度比較;二是高靈敏度GPS芯片室內外平面位置相同點的定位精度比較。

本次試驗中，采用了Leica 1230 GPS接收機，銳途RT-802B藍牙GPS接收機和帶A-GPS功能的Nokia E72智能手機。觀測點位布置如圖1所示，室外已知點A在測繪學院樓頂的強制對中墩上，室內點A'在其正下方的測繪學院四樓405教室，該點是點A在室內的投影點，即平面坐標X、Y應相同，只有高程不一樣。

圖1 觀測點位置圖

為了達到試驗目的，首先要確定樓頂點A的坐標位置。考慮到試驗的可行性，筆者在測繪學院樓頂的強制對中墩上架設Leica 1230雙頻接收機天線。其次，為了確定室內點的位置，筆者利用標尺將樓頂點A的平面位置傳遞到下面的教室地面上的某一點A'，這一點位于樓頂點A的正下方(如圖1所示)。由于手機定位目前在實際生活中對高程需求較少，本次試驗中只測試平面位置的精度［11-12］。

四、實施方案及流程

1.安置Leica 1230接收機天線

試驗于2010年10月15日8:30—12:30進行，地點選擇在武漢大學測繪學院樓頂的強制對中墩上，如圖2所示。試驗當天天氣多云，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，所以試驗環境良好。

圖2 接收機安放位置

2.樓頂點觀測

將安置于樓頂的Leica天線用一根銅芯電纜連接到一樓實驗室的分線器上，通過分線器將衛星信號分為兩路，一路與Leica接收機連接，另一路傳給導航型藍牙GPS接收機，兩者同時觀測4 h。Leica數據直接記錄在手簿中，藍牙GPS接收機的數據通過藍牙端口按照NMEA-0183協議格式實時傳入電腦，手機型GPS則直接放置在強制對中墩上，實時記錄觀測數據。

3.室內投影點觀測

試驗于2010年10月21晚進行，通過鋼尺量距的方法，在測繪學院408室找出點A的投影點A'，將手機和藍牙GPS接收機放置此點A'上進行觀測，持續1 h，分別采集定位數據447個。

五、試驗結果分析

將觀測到的數據處理以后可以得到如表1所示的定位結果。

表1 定位結果

處理A-GPS室內定位數據得到散點圖如圖3所示。由圖3可知，雖然有一些粗差距離已知值較大，但是絕大多數數據都集中在已知值周圍，能夠得到有效的數據，以定位精度為±1″(約±30 m)以內為有效區域，則有效數據為49.44%;若以定位精度為±2″(約±60 m)以內為有效區域，則有效數據可達到97.99%。

圖3 A-GPS室內定位數據散點圖

A-GPS室外定位數據處理得到如圖4的散點圖，由圖4可知，手機室外定位時數據更為密集，都在已知值周圍波動，很少有粗差。以定位精度為±1″(約±30 m)以內為有效區域，則有效數據可達到91.16%。

圖4 A-GPS室外定位數據的散點圖

通過將獲得的各個定位數據與已知位置坐標作比較，能夠確定手機GPS定位和藍牙GPS定位的精度情況，數據如表2所示。

表2 定位結果比較m

將手機室內、室外定位數據減去已知值可以得到室內、室外定位的殘差，如圖5、圖6所示。通過觀察殘差數據的波動情況，可以了解定位數據的精度及穩定性。

圖5 A-GPS定位室外殘差圖

圖6 A-GPS定位室內殘差圖

從圖5、圖6中可以看出，室內定位的殘差一般集中在70 m范圍內，而室外定位的殘差范圍主要集中在40 m內。這說明室內定位由于受到多路徑和墻體遮擋等因素的影響，數據質量較差，范圍波動較大，但還是可以在一定程度上實現定位功能。

六、結 論

根據以上測試數據進行計算，得到如下結論:

1)采用藍牙GPS芯片定位時，相比普通商用接收機而言，能夠實現在室內環境中捕獲信號進行定位解算。由于其靈敏度較高，在捕獲GPS信號的同時，也捕獲到更多的噪聲信號，加上缺少抑制多路徑的設備，以及算法的不完備性，導致其定位精度較低。而A-GPS技術利用無線通信網絡，不僅滿足了此次試驗的室內環境中的定位需求，并且大大縮減了首次定位時間。

2)室外手機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。而在本次試驗中，室內定位平面精度則在±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。當在完全沒有信號的環境中時，A-GPS技術采用的是無線移動通信網絡定位技術［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那樣準確確定位置，但A-GPS技術可以在救災救援、搜尋周圍服務設施、游樂場所定位等諸多領域廣泛地應用。

A-GPS手機定位技術充分利用了移動無線網絡的輔助信息，若能配合高靈敏度GPS芯片并結合更好的去除噪聲算法，則能進一步提高其在室內環境下的定位精度，從而成為智能交通系統等技術的重要數據來源之一，得到更廣泛的應用。

［1］ 程新文，陳性義.手持式GPS定位精度研究［J］.測繪通報，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.室內環境中的GPS信號特性分析［J］.天文研究與技術，2008，5(1):30-36.

［5］ ANDREY S，FRANK 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.引領超薄時尚 銳途藍牙 GPS RT-802評測［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——信號、測量與性能［M］.羅鳴，曹沖，肖雄兵，等，譯.北京:電子工業出版社，2008:33-36.

［8］ 田永軍，賈國慶.A-GPS定位技術在智能手機中的研究與應用［J］.科技信息，2009(4):160.

［9］ 李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理［M］.武漢:武漢大學出版社，2005.

［10］ 蘇成嶺，劉祎梅，托馬斯·溫特里希.室內無線通信手機衛星定位的可能性研究［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(2):11-15.

［11］ 張守信.GPS衛星測量定位理論與應用［M］.長沙:國防科技大學出版社，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.移動通信網絡定位技術與相關算法研究［D］.西安:西北工業大學，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，主要研究方向為GPS定位與導航。