手機(jī)PPP定位能力測試驗(yàn)證

劉旭

摘要：智能手機(jī)使用差分?jǐn)?shù)據(jù)增強(qiáng)定位能力已經(jīng)成為當(dāng)前趨勢，該文首先詳細(xì)論述了目前A-GNSS（ Assisting - Global Navigation Satellite System）技術(shù)定位技術(shù)的特點(diǎn)以及存在的缺陷，據(jù)此提出一種基于A-GNSS的改進(jìn)PPP（precise point positioning）定位方案，并給出了手機(jī)在開闊環(huán)境、城市環(huán)境和林區(qū)環(huán)境中測試驗(yàn)證的結(jié)果。該文方法可將商用發(fā)售版手機(jī)定位精度修正至亞米級(jí)，對(duì)城市環(huán)境和林區(qū)環(huán)境下定位精度也有很好的提升效果。

關(guān)鍵詞：北斗定位 ?A-GNSS ?PPP

中圖分類號(hào)：TN967.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

Test Verification of PPP Positioning on Mobile Phones

LIU Xu

（China Academy of Information and Communications Technology，Beijing，100191 China）

Abstract：It has become a mainstream trend for smart phones to use differential data to enhance positioning capabilities. This article first discusses in detail the characteristics and defects of the current A-GNSS （Assisting-Global Navigation Satellite System） technology positioning technology. Base on that， an improved PPP （precise point positioning） positioning scheme is proposed based on A-GNSS， and the verification results with mobile phones are demonstrated in the open environment， urban environment and forest environment. The method in this paper can correct the positioning accuracy of the commercially available mobile phone to the sub-meter level， which also has a good effect on improving the positioning effect in urban and forest environments..

Key Words：BDS;Positioning accuracy;A-GNSS;PPP

手機(jī)終端要實(shí)現(xiàn)高精度定位無非是在原有觀測條件下將誤差盡可能消除，而消除誤差的方式除了提升手機(jī)本身的天線性能外，最主要的方式是通過某種通信手段的將某種類型的輔助消息實(shí)時(shí)地傳輸給終端，由終端利用輔助消息對(duì)自身的誤差進(jìn)行消除[1]。智能手機(jī)使用衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)增強(qiáng)定位能力已經(jīng)成為主流趨勢，在傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域比較成熟的RTK（Real Time Kinematic）定位技術(shù)已經(jīng)在少數(shù)旗艦型號(hào)的手機(jī)中落地應(yīng)用，但是鑒于RTK使用成本等一系列問題，未來在全部機(jī)型中大規(guī)模應(yīng)用的可能性較低，因此研究低成本、標(biāo)準(zhǔn)化、可規(guī)模推廣的高精度定位實(shí)現(xiàn)方案就顯得很有價(jià)值。精密單點(diǎn)定位技術(shù)（Precise Point Positioning，PPP）是采用單臺(tái)GNSS接收機(jī)，利用GNSS提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，基于載波相位觀測值可實(shí)現(xiàn)毫米至分米級(jí)高精度定位[2]。該文將介紹PPP定位在手機(jī)中測試驗(yàn)證的一些情況。

1 ?手機(jī)PPP定位方案

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐步推進(jìn)和終端不斷完善，用戶對(duì)高精度需求日益增長[3]。不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景在天線性能等硬件方面有一定的局限性，在精度和收斂時(shí)間等性能方面有差異化的需求。中國信息通信研究院北斗導(dǎo)航公共服務(wù)平臺(tái)提供基于A-GNSS的PPP的車道級(jí)導(dǎo)航服務(wù)，通過移動(dòng)通信網(wǎng)播發(fā)北斗系統(tǒng)的鐘差、軌差、電離層模型等信息。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)TR 36.355 V15中，引入了用以智能終端實(shí)現(xiàn)高精度PPP定位的4組關(guān)鍵參數(shù)：GNSS-SSR-OrbitCorrections（軌道修正）、GNSS-SSR-ClockCorrections（時(shí)鐘修正）、BDS-GridModelParameter（網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)）、GNSS-SSR-CodeBias（碼間偏差），當(dāng)智能終端可以實(shí)時(shí)收到上述4組關(guān)鍵參數(shù)后，便可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度PPP定位。

1.1 A-GNSS技術(shù)和精密單點(diǎn)定位技術(shù)

傳統(tǒng)衛(wèi)星定位解算中除了偽距和載波相位測量外，還需要對(duì)衛(wèi)星的廣播星歷進(jìn)行解調(diào)，受限于衛(wèi)星高度、播發(fā)功率、播發(fā)速率、手機(jī)天線質(zhì)量、手機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素，手機(jī)對(duì)廣播星歷的解調(diào)一般需要30s以上，解調(diào)完畢后再進(jìn)行結(jié)果解算，最終定位時(shí)間需要花費(fèi)數(shù)分鐘以上甚至?xí)霈F(xiàn)因?yàn)閺V播星歷解調(diào)失敗導(dǎo)致定位失敗的情況，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)較差。

為了加速手機(jī)終端的初始化定位速度，減少TTFF（Time To First Fix）所消耗的時(shí)間，3GPP國際化標(biāo)準(zhǔn)組織將網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星技術(shù)（A-GNSS）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并在手機(jī)等智能終端中進(jìn)行大規(guī)模推廣。該技術(shù)分為用戶面技術(shù)和控制面技術(shù)，其中控制面技術(shù)需要依賴運(yùn)營商核心網(wǎng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此在落地應(yīng)用上受到一定限制。而用戶面的A-GNSS技術(shù)因?yàn)槭褂渺`活、配置方便和效果顯著等原因已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，目前國內(nèi)A-GNSS日活躍用戶不低于3億用戶。FCC6E955-0242-4FBA-B460-20FB89E63374

在R15版本及以前的3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，手機(jī)等終端依賴A-GNSS技術(shù)通過移動(dòng)蜂窩網(wǎng)主要獲得可見衛(wèi)星、歷書、星歷、軌道位置、參考位置、cell小區(qū)等主要信息，其中cell小區(qū)信息需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)制式的演進(jìn)逐漸由2G向5G進(jìn)行迭代，同時(shí)在衛(wèi)星星座的支持程度上也逐漸由僅支持GPS向全星座逐步演進(jìn)。因此，R15版本之前的A-GNSS技術(shù)在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了定位速度的有效提升，但定位精度相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星定位解算并沒有明顯的提高，因此在最新的標(biāo)準(zhǔn)中支持通過A-GNSS技術(shù)向手機(jī)終端下發(fā)更多的輔助信息，幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)PPP（精密單點(diǎn)定位）技術(shù)，借此提高手機(jī)的定位精度。

PPP技術(shù)發(fā)展可以簡單歸納為5個(gè)階段：

第一階段，PPP概念的提出。20世紀(jì)70年代，美國學(xué)者通過地面觀測站對(duì)衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)進(jìn)行多普勒觀測，隨后生成精密星歷進(jìn)而利用單點(diǎn)定位解算測站坐標(biāo)。這種精密星歷誤差大概2m左右，相對(duì)定位精度達(dá)到百萬分之一[4]。到了80年代，隨著差分技術(shù)的演進(jìn)和衛(wèi)星精密軌道服務(wù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了通過靜態(tài)基線達(dá)到千萬分之二的定位精度。90年代，隨著載波相位技術(shù)和廣域差分定位技術(shù)的發(fā)展，研究者實(shí)現(xiàn)了在線模糊度解算的方法。

第二階段，精密軌道服務(wù)、精密鐘差服務(wù)、非差平滑偽距模型的落地。20世紀(jì)90年代初，為了實(shí)現(xiàn)全球范圍的高精度定位，IGS（國際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)局）成立，并在全球大量建設(shè)基于GPS的跟蹤站，并為全球提供精密軌道、精密鐘差服務(wù)，同時(shí)結(jié)合非差平滑偽距模型，可以實(shí)現(xiàn)水平1～1.5m，高程3m左右的動(dòng)態(tài)定位精度[5]。

第三階段，電離層自由組合模型的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末，在原有精密軌道服務(wù)、精密鐘差服務(wù)的基礎(chǔ)上，加入對(duì)電離層誤差的改正數(shù)播發(fā)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)處理和播發(fā)，定位精度達(dá)到厘米級(jí)，促進(jìn)了該技術(shù)的快速發(fā)展。

第四階段，PPP模糊度解算策略的持續(xù)優(yōu)化。在非差觀測值中，由于硬件延遲的原因PPP定位模糊度不是整數(shù)，準(zhǔn)確度固定存在較大難度。德國學(xué)者通過預(yù)報(bào)窄巷UPD的方式進(jìn)行固定解算使得E、N、U方向精度達(dá)到2.8mm、3.0mm和7.8mm。中國學(xué)者通過非差模糊度整數(shù)解的小數(shù)偏差分離和最小二乘法利用更少量的測站實(shí)現(xiàn)了固定非差整數(shù)模糊度的快速精密單點(diǎn)定位[6]。

第五階段，手機(jī)PPP定位技術(shù)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的PPP定位基于專業(yè)測繪級(jí)設(shè)備，天線質(zhì)量可靠，同時(shí)不要求實(shí)時(shí)解算，定位精度方面可以達(dá)到厘米級(jí)。但是在手機(jī)PPP的需求場景中，定位精度達(dá)到1.5m即可，但必須實(shí)時(shí)解算，受限于市場規(guī)模、成本控制、器件采購、天線質(zhì)量、收斂速度和應(yīng)用場景等限制，手機(jī)PPP定位技術(shù)具備不同于傳統(tǒng)PPP的需求背景和廣闊的應(yīng)用市場，是未來手機(jī)終端提高定位精度的必然手段。

1.2基于A-GNSS的PPP定位方法改進(jìn)

中國信息通信研究院（簡稱信通院）根據(jù)已有研究，提出了一種基于A-GNSS的改進(jìn)PPP定位方法。具體如下。

（1）基于3GPP的LPP-R15協(xié)議提供SSR改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的PPP定位。

（2）研發(fā)成本低，且向下兼容。已發(fā)行手機(jī)都支持LPP協(xié)議，因此基于LPP協(xié)議的PPP定位最終落地的方式是對(duì)新payload消息進(jìn)行解碼，然后進(jìn)行定位解算，不涉及硬件結(jié)構(gòu)的改動(dòng)。將來對(duì)現(xiàn)有手機(jī)終端升級(jí)固件和軟件版本即可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模適配。

（3）具體改正數(shù)類型分為4種：GNSS-SSR-OrbitCorrections（軌道修正）、GNSS-SSR-ClockCorrections（時(shí)鐘修正）、BDS-GridModelParameter（網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)）、GNSS-SSR-CodeBias（碼間偏差），具體參數(shù)定義可見36.355。

（4）PPP相較于網(wǎng)絡(luò)RTK來說，在車道級(jí)定位的目標(biāo)下成本優(yōu)勢非常明顯，PPP采用廣播式更加適用高并發(fā)。

2 ?測試驗(yàn)證

2.1 測試方法

此次測試與手機(jī)及芯片廠商合作，選用多部商用已發(fā)售手機(jī)終端作為測試樣機(jī)，測試方法按3個(gè)階段展開。

（1）需要手機(jī)或芯片廠商提供手機(jī)的原始觀測量給信通院，信通院實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證，輸出定位結(jié)果，最后定位結(jié)果與手機(jī)或芯片廠商標(biāo)定點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)做差對(duì)比即可。

（2）信通院把解碼后的PPP“明文輔助數(shù)據(jù)”發(fā)送給手機(jī)或芯片廠商，手機(jī)或芯片廠商進(jìn)行仿真驗(yàn)證，輸出定位結(jié)果，最后定位結(jié)果與手機(jī)或芯片廠商標(biāo)定點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)做差對(duì)比即可。

（3）信通院把PPP輔助數(shù)據(jù)按照SUPL協(xié)議下發(fā)，手機(jī)或芯片廠商進(jìn)行解碼解算，輸出定位結(jié)果，最后定位結(jié)果與手機(jī)或芯片廠商標(biāo)定點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)做差對(duì)比即可。

2.2 測試環(huán)境

此次測試選取3種測試環(huán)境，分別為：開闊環(huán)境、城市環(huán)境和林區(qū)環(huán)境（見圖2）。

2.3 測試結(jié)果

經(jīng)過測試，基于該4類改正數(shù)，在空曠環(huán)境下，可將商用發(fā)售版手機(jī)定位精度修正至亞米級(jí)，效果顯著，對(duì)城市環(huán)境和林區(qū)環(huán)境下也有很好的修正效果（見表1）。

3 分析與總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到結(jié)論如下：

（1）在手機(jī)等小型化設(shè)備中，利用基于A-GNSS的PPP定位可以在多種場景下很好地提高定位精度，為車道級(jí)定位服務(wù)提供基礎(chǔ)能力。

（2）PPP分鐘級(jí)的收斂速度較RTK秒級(jí)收斂速度還有一定差距。

（3）PPP的低成本化更加適合海量終端和普遍服務(wù)。

（4）基于A-GNSS的PPP定位和傳統(tǒng)定位導(dǎo)航廠商RTK-SDK解決方案相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于LPP是標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，兼容性和開放性更好，而且現(xiàn)在95%以上的手機(jī)支持LPP協(xié)議，因此要實(shí)現(xiàn)LPP高精度解決方案僅僅需要固件和軟件升級(jí)即可，開發(fā)成本低。而SDK解決方案是私有化協(xié)議，對(duì)手機(jī)廠商來說具有極大的不確定性和排他性。

參考文獻(xiàn)

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