高精度位置服務終端技術與應用

王博遠，賈瑞才，賈浩男

(1.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；4.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高精度位置服務終端技術與應用

王博遠1，賈瑞才2,3，賈浩男4

(1.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；4.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

國外位置服務系統建設的巨大成功，催生了國內位置服務(Location Based Service,LBS)產業的發展熱潮，進而影響了位置服務終端的技術革新。位置服務終端作為用戶最直接感受到的服務承載平臺，面向不同需求的人群提供愈發精細化的服務。在高精度位置服務終端硬件平臺基礎上，針對亞米級定位性能和位置服務需求，論述了單頻精密單點定位技術、地圖技術與位置服務網絡，開展終端應用示范活動，驗證了其具有提供高精度位置信息以及實時位置服務的能力。

位置服務；高精度定位；地圖技術；終端應用示范

0 引言

隨著導航與位置服務網的推廣，大眾對于高精度的位置服務需求日益增加，高精度位置服務是指基于亞米級、分米級或者厘米級的定位能力而開展的應用服務[1]。無縫一體化智慧交通、智慧商場、智慧旅游和環境監測等行業應用需求也推動著導航與位置服務系統建設。

國外在高精度位置服務方面發展比較成熟，如在旅游、交通管理和室內位置服務等領域開展了相應的位置服務網絡建設與終端研發[2]。國內位置服務近幾年發展迅猛，在政府的引導和支持下，以定位導航技術為核心，加上移動互聯網的快速發展，位置服務的范圍和行業支持不斷拓展[3]，在終端領域也取得長足的進步。

位置服務終端作為位置服務的服務承載平臺，直接向用戶提供各種形式的位置服務。近年來，位置服務產業的飛速發展推動了位置服務終端設備的技術革新，促進了位置服務終端產業的發展[4]。移動終端設備的高覆蓋率[5]反過來也為位置服務業務的進一步發展提供了硬件基礎平臺。雖然傳統位置服務系統快速發展與應用，但較高精度的位置服務行業應用較少[6]，面臨的問題主要是目前的位置服務技術定位精度偏低，無法滿足高精度服務要求[7]。本文從終端角度出發，瞄準高精度導航與位置服務市場，介紹了基于亞米級定位精度的小型化、集成化的位置服務終端，論述了精密單點定位技術在位置服務終端中應用，介紹了終端內導航軟件和地圖技術。將高精度GNSS定位技術與位置服務網絡相結合，應用高精度位置服務終端開展了應用示范活動，驗證了亞米級定位導航的性能與用戶接入位置服務的性能。

1 單頻精密單點定位

20世紀70年代，由美國率先提出精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)的概念，精密單點定位技術是利用載波相位觀測值以及由IGS等組織提供的精密軌道和鐘差產品來進行高精度單點定位[8]。系統由5部分組成：廣域GNSS基準站(主要是IGS全球觀測站)、數據傳輸鏈路(主要是寬帶網絡)、數據處理中心、信息播發系統(如衛星通信、移動通信、局域網絡)和智能位置服務終端。

目前基于無電離層組合觀測值的雙頻精密單點定位事后靜態單天解精度已達到厘米級至毫米級，動態解達到分米級至厘米級水平，技術已趨于成熟[9]。對于車載導航、手持導航以及GIS數據采集、土地資源調查等應用領域潛在的巨大用戶而言，只需要亞米級到分米級的定位精度，降低終端成本是拓展其應用的一個重要因素。因此，采用廉價的單頻位置服務終端實現高精度精密單點定位已成為GNSS應用領域研究的熱點問題。

對于相對廉價的單頻終端，由于可用數據與數據觀測質量的限制，其數據處理模型還有待更加深入地研究。單頻數據處理研究的突破有助于改進傳統的雙頻數據處理方法。無電離層組合不僅放大了觀測值噪聲，同時也破壞了模糊度的整數特性，使雙頻動態單點定位需要較長的收斂時間。如果能夠充分利用L1頻段上的偽距與載波觀測值的精度，直接使用原始觀測值組成觀測方程，則有望加快精密單點定位的收斂。因此，對GNSS單頻精密單點定位算法的系統研究，既是拓展GNSS應用領域的需求，也是深入研究GNSS算法所必需面對的一項挑戰。

單頻PPP未破壞模糊度整周的特性，具有收斂速度快的優勢[10]；并且單頻GNSS接收機價格低廉，潛在用戶更多，在此介紹單頻PPP算法，過程包括：由觀測數據預處理、快速初始化、模糊度固定技術和非差非組合PPP，如圖1所示。

圖1 單頻精密單點定位算法

單頻單點定位所采用的數學模型因所選擇的電離層改正方法的不同而異，KLOBUCHAR模型改正、格網模型改正、GRAPHIC組合以及梯度參數估計方法存在著各自應用的范圍與一定的不足：

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

② GIM模型與實時區域電離層格網都屬于格網改正模型，利用這類方法能獲得亞米級的定位結果，但這類方法沒有能夠充分利用相位觀測值的精度優勢，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值，但由于解算模糊度的原因，要獲得亞米級定位解需要一定的收斂時間；

④ 對天頂電離層延遲與水平梯度進行估計的方法，精度的好壞與電離層特性分布的參數描述相關，Gao等人只是給出了一個初步的結果，結果顯示在中高緯度地區這種方法可以獲得亞米級的定位精度，但在低緯地區由于電離層活躍，精度要差一些[12]，并且這種方法也需要一定的收斂時間。

對單頻單點定位的電離層改正方法和數學模型缺少一個具有說服力的統一模型的原因，首先是對電離層結構特性及其隨機特性認識的局限，其次是電離層的分布特性如何通過數學模型來描述。

STANFORD大學在美國聯邦航空局(Federal Aviation Administration)的支持下開始實施WAAS(Wide Area Augmentation System)項目，2000年其學者指出，雖然利用基準站網的雙頻觀測數據能夠精確測定沿信號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大學的眾多學者投入到對電離層延遲相關性的研究，希望通過統計相關模型探測電離層的不規則運動作為WAAS完備性的一部分。

受到STANFORD大學研究方法和結果的啟發，印度學者在其GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation)系統中發展了與WAAS類似的電離層隨機模型，以確保為用戶提供可靠服務。Chang-Ki Hong等人進一步提出如果電離層格網圖僅僅給出電離層延遲改正數，而不提供相應的精度信息，單層假設帶來的系統性偏差將影響相對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考慮電離層改正數及其隨機模型信息，模糊度固定的機率可提高23%[13]。

不難看出，國外學者開始將越來越多的目光從單純的電離層延遲研究轉向對電離層延遲及其隨機特性的研究。這一方法已在各國SBAS(Satellite Based Augmentation Systems)系統中得到了廣泛的應用，而且近幾年有部分學者已將其應用于基線解算中，然而國際上還鮮有學者將其應用于單點定位中。

2 地圖技術與位置服務網絡

導航地圖軟件是位置服務終端易用性的直接體現，因此地圖部分是位置服務終端的一項關鍵技術。對于行人導航與車輛的行駛導航，地圖軟件應具備非常方便的查詢能力以及及時的信息更新能力[14]，在基于靜態的地圖數據基礎上可加入實時動態的交通信息、豐富生活信息和全面地理信息，全面滿足車載用用需求[15]。

導航地圖可分為室外地圖和室內地圖兩種形式，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、常用地點保存、自動避障、路口實景和智能推薦等多種功能。室內地圖可覆蓋機場、購物中心和博物館等大型公共區域，除了平面圖外，室內地圖還標注了各種場所和設施，為客戶提供便捷的室內位置服務。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增強定位、網絡定位和自主推算定位等，其中PPP/RTK增強定位方式可以實現車道導航，網絡定位和自主推算定位可為用戶在室內環境下提供準確的位置信息。

通信網絡是用戶接收位置服務的媒介，因此位置服務終端必須具有目前最快的4G無線通信接口及無線互聯網接入功能，將通信與導航高度集成，既支持遠距離通信，又支持區域無線通信。在導航定位方面實現接收廣域實時精密定位系統差分信號，支持網絡輔助定位功能并能夠實現與GPS接收機進行組合定位。在服務方面，保證用戶實時得到最快、最新、最準確的位置服務信息，用戶還可以通過通信網絡存儲和分享自身位置狀況，實現基于位置數據與通信的社交、交通、物聯及管理。

3 終端應用示范

本文開展了一系列高精度位置服務終端應用示范活動，包括九寨溝景區智能導航與搜救系統應用以及寧夏交通位置服務系統應用，下面分別進行介紹。

九寨溝智能景區智能導航與搜救系統是將傳統GPS技術、景區管理技術與新興的智能位置服務技術相結合的一種針對景區導航、管理與搜救三大應用服務系統，由高精度位置服務終端、位置服務網和服務平臺組成，同時融入了基于大數據的智能位置服務技術。其中高精度位置服務終端可接收GPS、北斗和偽衛星三模信號，實時接收廣域分米級實時精密定位系統差分信號，支持網絡輔助定位功能并能夠實現與GPS接收機進行組合定位，實現全區域連續亞米級定位，首次應用于游客導航與景區管理。并依靠高速移動網絡，具備高可靠的位置信息實時上報能力，應用于景區應急搜救。九寨溝景區智能導航與搜救系統的樣圖如圖2所示。

圖2 九寨溝景區智能導航與搜救系統

寧夏交通位置服務系統在寧夏自治區交通運輸行業開展車輛位置服務終端應用示范，系統由高精度車輛位置服務終端、企業車輛監控平臺和政府車輛監管平臺3部分組成，其中車輛位置服務終端將廣域實時精密單點定位技術、廣域偽距差分技術和車輛位置推算技術結合起來，具備了車道級、亞米級定位能力，為交通監管部門提供精確交通運輸數據采集和交通執法等信息服務。位置服務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 位置服務車載安裝

圖4 行駛軌跡

4 結束語

本文重點論述了基于GNSS系統的精密單點定位技術，并通過軟件實現、工程化，將位置服務終端精度提高到了米級。介紹了地圖技術和位置服務網絡，從室外地圖和室內地圖兩方面闡述了地圖技術可以提供用戶的位置信息與服務信息。簡單闡述了位置服務網絡可以給用戶提供廣域實時精密定位系統差分信號，支持網絡輔助定位，通過移動通信實現基于位置數據的社交、交通、物聯及管理。

所開展的應用示范活動驗證了高精度位置服務終端可以起到智能景區搜救、車道級導航和地圖采集的作用，為整個系統的應用示范提供驗證手段，具有提供高精度位置、導航信息以及實時位置服務的能力。研發高精度位置服務終端對我國導航與位置服務系統產業化具有推動作用，有力推動我國智慧城市的建設步伐，加快我國高精度技術的產業化推廣，有效加速重點區域應急搜救和交通領域車道級導航概念的推廣。

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王博遠 男，(1992—)，博士研究生。主要研究方向：衛星導航。

賈瑞才 男，(1986—)，博士，高級工程師。主要研究方向：衛星導航。

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,賈瑞才,賈浩男.高精度位置服務終端技術與應用[J].無線電工程,2016,46(11):5-8.

2016-08-17

國家高技術研究發展計劃(“863”)基金資助項目(2012AA12A206，2015AA124001)。

TP391.4

A

1003-3106(2016)11-0005-04