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(nèi)環(huán)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(nèi)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(shù)據(jù)討論手機GPS室內(nèi)定位的精度。

A-GPS;手機定位;室內(nèi)環(huán)境;精度

一、引 言

隨著硬件的發(fā)展，GPS接收機的芯片也朝著小型化，高精度方向不斷發(fā)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(fā)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(xiàn)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(huán)境中能達到幾米至幾十米的精度，在一般環(huán)境中能達到幾十米至幾百米的精度。雖然不能和專業(yè)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(nèi)環(huán)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(nèi)環(huán)境中的GPS信號特性。因此，當在室內(nèi)環(huán)境時，傳統(tǒng)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(wǎng)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(nèi)利用微弱的GPS信號及來自移動通信網(wǎng)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(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)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(shù)據(jù)可事后處理或?qū)崟r處理(RTK)，需要配備功能完善的數(shù)據(jù)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(wèi)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(wèi)星定位接收機，內(nèi)建藍牙通信模塊，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)傳輸功能。這種GPS模塊是基于高靈敏度衛(wèi)星信號接收芯片，讓用戶在城市和峽谷等遮擋嚴重的環(huán)境下實現(xiàn)定位，并通過藍牙接口與其他設備連接起來，按照一定的協(xié)議將定位結(jié)果傳輸出來。

3.手機型A-GPS接收機

A-GPS技術是一種結(jié)合了網(wǎng)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(wǎng)絡中使用。該技術需要在手機內(nèi)增加GPS接收機模塊，并改造手機天線，同時要在移動網(wǎng)絡上加建位置服務器、GPS基準站等設備［8］。

無線手機網(wǎng)絡獲得A-GPS接收機的信息，把最近的網(wǎng)絡基站位置作為其概略位置發(fā)送到位置服務器，位置服務器根據(jù)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(fā)送到手機，該手機的A-GPS模塊根據(jù)輔助信息捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)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(xiàn):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?shù)椒掌?，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(fā)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(nèi)手機定位的精度比較;二是高靈敏度GPS芯片室內(nèi)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?shù)膹娭茖χ卸丈希覂?nèi)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(nèi)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?？紤]到試驗的可行性，筆者在測繪學院樓頂?shù)膹娭茖χ卸丈霞茉OLeica 1230雙頻接收機天線。其次，為了確定室內(nèi)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?shù)膹娭茖χ卸丈希鐖D2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(huán)境良好。

圖2 接收機安放位置

2.樓頂點觀測

將安置于樓頂?shù)腖eica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(wèi)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(shù)據(jù)直接記錄在手簿中，藍牙GPS接收機的數(shù)據(jù)通過藍牙端口按照NMEA-0183協(xié)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(shù)據(jù)。

3.室內(nèi)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(xù)1 h，分別采集定位數(shù)據(jù)447個。

五、試驗結(jié)果分析

將觀測到的數(shù)據(jù)處理以后可以得到如表1所示的定位結(jié)果。

表1 定位結(jié)果

處理A-GPS室內(nèi)定位數(shù)據(jù)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(shù)數(shù)據(jù)都集中在已知值周圍，能夠得到有效的數(shù)據(jù)，以定位精度為±1″(約±30 m)以內(nèi)為有效區(qū)域，則有效數(shù)據(jù)為49.44%;若以定位精度為±2″(約±60 m)以內(nèi)為有效區(qū)域，則有效數(shù)據(jù)可達到97.99%。

圖3 A-GPS室內(nèi)定位數(shù)據(jù)散點圖

A-GPS室外定位數(shù)據(jù)處理得到如圖4的散點圖，由圖4可知，手機室外定位時數(shù)據(jù)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(nèi)為有效區(qū)域，則有效數(shù)據(jù)可達到91.16%。

圖4 A-GPS室外定位數(shù)據(jù)的散點圖

通過將獲得的各個定位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)如表2所示。

表2 定位結(jié)果比較m

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

圖5 A-GPS定位室外殘差圖

圖6 A-GPS定位室內(nèi)殘差圖

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

六、結(jié) 論

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)進行計算，得到如下結(jié)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?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)環(huán)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(wǎng)絡，不僅滿足了此次試驗的室內(nèi)環(huán)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(nèi)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(huán)境中時，A-GPS技術采用的是無線移動通信網(wǎng)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(wǎng)絡的輔助信息，若能配合高靈敏度GPS芯片并結(jié)合更好的去除噪聲算法，則能進一步提高其在室內(nèi)環(huán)境下的定位精度，從而成為智能交通系統(tǒng)等技術的重要數(shù)據(jù)來源之一，得到更廣泛的應用。

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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。