李曉華，李偉，王開鋒，馬寧

( 1.江蘇省測繪工程院，南京 210013；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018；3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023 )

0 引言

智能手機屬于大眾消費級產(chǎn)品，內(nèi)置的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模塊屬于導(dǎo)航級別的接收機模塊.長期以來，智能手機用戶無法獲取原始GNSS觀測數(shù)據(jù)，因此，基于智能手機實現(xiàn)高精度導(dǎo)航和定位算法僅能針對其輸出的坐標(biāo)解算結(jié)果，其導(dǎo)航定位精度改善非常有限.2016年年末，谷歌公司發(fā)布了Android 7.0系統(tǒng)，開始支持智能終端GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的輸出，使得基于安卓智能設(shè)備內(nèi)置GNSS模塊進行高精度定位成為了可能[1-2].由于智能手機價格低廉、內(nèi)置傳感器豐富、且用戶數(shù)量巨大，若利用智能手機將輸出的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合連續(xù)運行參考站(CORS)系統(tǒng)進行精密定位，則智能手機可作為包括車道級導(dǎo)航、城市部件調(diào)查、管線測量等高精度導(dǎo)航定位領(lǐng)域的采集終端，為當(dāng)前地理測繪、智能交通、智慧城市、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)和公共安全領(lǐng)域帶來巨大效益[3].

在此應(yīng)用需求牽引下，本文開展基于CORS的智能手機高精度定位平臺研究[4-5].通過使用CORS的移動終端高精度差分定位方法[6-9]，形成基于CORS進行移動終端高精度定位的技術(shù)方案，并開發(fā)實現(xiàn)相應(yīng)的平臺系統(tǒng).

1 平臺總體設(shè)計

1.1 總體技術(shù)流程

按照實現(xiàn)的技術(shù)流程劃分，面向移動終端的高精度導(dǎo)航與位置服務(wù)可分為CORS數(shù)據(jù)中心、移動導(dǎo)航定位終端和位置服務(wù)平臺三個組成部分.CORS數(shù)據(jù)中心部分是差分定位的數(shù)據(jù)來源，主要實現(xiàn)多系統(tǒng)GNSS基準(zhǔn)站的實時數(shù)據(jù)采集以及向移動導(dǎo)航定位終端的數(shù)據(jù)傳輸；移動導(dǎo)航定位終端主要是根據(jù)本地實時采集的GNSS數(shù)據(jù)以及由CORS數(shù)據(jù)處理中心利用虛擬參考站(VRS)技術(shù)生成一組虛擬的觀測值數(shù)據(jù)播發(fā)給用戶，實時進行差分解算，得到高精度的位置信息，這是智能手機子系統(tǒng)高精度定位的核心部分，集成了多種算法模型，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)在手機端的多種信息的可視化展示；位置服務(wù)平臺可以實現(xiàn)用戶管理、移動終端高精度定位結(jié)果的展示、軌跡回放等功能，同時預(yù)留跟其他應(yīng)用服務(wù)的接口.

從應(yīng)用流程來講，移動終端用戶首先接收本地GNSS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，通過Ntrip協(xié)議與江蘇省連續(xù)運行參考站(JS-CORS)建立數(shù)據(jù)連接，移動用戶收到差分數(shù)據(jù)后實現(xiàn)差分定位解算，最后將高精度定位結(jié)果推送至位置服務(wù)平臺.位置服務(wù)平臺基于移動終端的高精度定位結(jié)果，可以進行位置服務(wù)的拓展，滿足多種高精度應(yīng)用場景的需求.

1.2 總體架構(gòu)

如圖1所示，整個系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層、平臺管理、數(shù)據(jù)資源層五個層面以及信息安全、運行管理、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范三套保障體系構(gòu)成.該平臺采用分布式微服務(wù)架構(gòu)，以面向服務(wù)為核心，通過統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)對外提供服務(wù)，整個平臺具有良好的穩(wěn)定性和擴展性.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 核心服務(wù)

2.1 觀測數(shù)據(jù)采集服務(wù)

Android API框架是實現(xiàn)應(yīng)用程序與自身攜帶的傳感器(如GNSS模塊)之間交互的媒介.Android 7.0及以后版本，智能手機設(shè)置了應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)實現(xiàn)了對原始GNSS觀測和位置、速度、時間解決方案的直接訪問.但是，智能手機API 函數(shù)并不直接給出原始GNSS觀測值，而是給出了計算相應(yīng)觀測值所需的參數(shù).用戶獲取該參數(shù)即可計算并恢復(fù)出原始GNSS觀測值，表1給出了部分原始觀測值及其參數(shù)的具體含義[9].其中，偽距觀測值的重建是基于信號傳遞時間差(信號接收時刻和發(fā)射時刻)

表1 移動終端原始觀測值

包含模糊度的載波相位距離觀測值直接由原始字段AccumulatedDeltaRange-Meters獲得；多普勒觀測值由字段PseudorangeRateMetersPerSecond 獲得；信噪比(SNR)數(shù)據(jù)由字段Cn0DbHz獲得；根據(jù)State 等字段數(shù)值判斷接收到的信號是否完成解碼、發(fā)生周跳、失鎖等情況，Uncertainty 等字段可以用于判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量可信度，將不合格的數(shù)據(jù)剔除使得移動終端原始觀測值轉(zhuǎn)換為與接收機無關(guān)的RINEX 格式方便做后續(xù)數(shù)據(jù)處理.

2.2 差分解算服務(wù)

首先移動終端使用單頻非差觀測值，通過加權(quán)最小二乘算法得到初始坐標(biāo)，移動終端將近似坐標(biāo)以美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA)格式通過無線移動數(shù)據(jù)鏈路傳送給CORS數(shù)據(jù)中心.數(shù)據(jù)中心通過虛擬參考站技術(shù)，對觀測值的各種誤差源進行改正，將改正的觀測數(shù)據(jù)生成虛擬觀測值，以RTCM 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過NTRIP協(xié)議發(fā)送給流動站用戶.移動終端接收到CORS中心發(fā)送的差分數(shù)據(jù)后，進行差分解算可以得到高精度位置信息.

2.2.1差分解算策略

針對手機觀測值噪聲較大的特點，使用擴展卡爾曼濾波算法作為解算策略，狀態(tài)向量x表示模型待估參數(shù)，它的協(xié)方差矩陣P可由觀測值向量得到.卡爾曼濾波分為預(yù)測和估計兩部分，估計部分如下：

式中：(?)和(+)分別為卡爾曼濾波的預(yù)測和估計值；k表示歷元時刻；h(x)、H(x)和R k分別為測量模型向量、偏微分矩陣和測量誤差協(xié)方差陣.假設(shè)系統(tǒng)模型為線性，卡爾曼濾波的預(yù)測表達式如下：

式 中，F(xiàn)和Q為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和系統(tǒng)噪聲協(xié)方差矩陣.

2.2.2雙差組合

在差分相對定位中，移動終端作為流動站，CORS站作為基準(zhǔn)站，使用雙差觀測值作為基本觀測量，載波相位和偽距的雙差形式如下：

式中：j、k分別為不同衛(wèi)星；r、b分別為流動站和基準(zhǔn)站；ρ為衛(wèi)星和接收機間的雙差幾何距離；λ為第i波段的波長；B為載波相位偏差；d ΦSr,i表示載波相位改正項；ε為載波/偽距噪聲.雙差組合觀測值消除了衛(wèi)星和接收機鐘差，減小了電離層和對流層效應(yīng)的影響，是高精度定位中常用的方法.

2.2.3誤差改正模型

CORS數(shù)據(jù)中心通過多基準(zhǔn)站實時同步觀測數(shù)據(jù)，對電離層誤差、對流層誤差和星歷誤差等進行精化建模.電離層改正采用klobuchar 模型，該模型針對移動終端的單頻數(shù)據(jù)的特點有較好的改正效果；對流層改正使用Saastamoinen 模型，模型中的對流層經(jīng)驗參數(shù)使用CORS中心以往大量的數(shù)據(jù)擬合而成；對于現(xiàn)在大部分移動終端能接收多系統(tǒng)星座信號的特點，差分解算中采用CORS中心提供的多系統(tǒng)廣播星歷估計衛(wèi)星鐘差和鐘漂，有利于多系統(tǒng)融合提高定位效率和精度.

2.3 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)主要功能是搭建網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，實現(xiàn)設(shè)備和平臺之間數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)的雙向通信，對設(shè)備進行高效、可視化的管理，并對數(shù)據(jù)進行整合分析.主要分為設(shè)備接入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等組件.設(shè)備接入主件提供設(shè)備與平臺的雙向數(shù)據(jù)通道能力，支持設(shè)備數(shù)據(jù)上報、設(shè)備上線以及其他信息.網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)技術(shù)主要通過用java 語言開發(fā)，在Mina 通信框架上封裝實現(xiàn)協(xié)議解析的配置化、插件化、連接通道的自動管理，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部使用緩存(Guava Cache)及生產(chǎn)消費模型框架(Disruptor)技術(shù)提高效率.

3 平臺功能

基于CORS的智能手機高精度定位平臺由兩部分組成，智能手機移動端手機軟件(APP)和位置管理平臺.

3.1 移動端APP

3.1.1觀測量采集

移動終端利用Android 提供的API接口輸出GNSSClock 模 塊、GNSSMeasurement 模 塊、GNSS Navigation Message模塊等.這些模塊詳細地記錄了智能手機GNSS芯片跟蹤及捕獲的情況，需要通過相應(yīng)的處理轉(zhuǎn)換成RINEX 文件，便于定位程序處理.

3.1.2差分數(shù)據(jù)解算

移動終端進行高精度定位需通過差分數(shù)據(jù)解算.通過智能終端無線網(wǎng)絡(luò)登錄CORS賬號，配置CORS端口參數(shù).先通過智能終端單點定位結(jié)算得到初始位置，發(fā)送給CORS中心；CORS在得到智能終端結(jié)算的初始位置后，發(fā)送差分數(shù)據(jù)；移動終端收到CORS中心發(fā)送的差分數(shù)據(jù)后，使用雙差組合，通過擴展卡爾曼濾波算法得到定位結(jié)果.同時移動終端解算出位置信息后，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)轿恢霉芾砥脚_的數(shù)據(jù)庫中.

對于移動終端用戶，最常用也是最簡單的定位手段即偽距單點定位.受限于GNSS天線較小的體積和較低的制造成本，移動終端的GNSS觀測值受多路徑誤差的影響較大，觀測質(zhì)量較差，這一點嚴(yán)重降低了單點定位的精度.相比之下，差分定位用形成基線的形式消除了測量過程中的大部分誤差，是高精度定位的重要手段.由圖2和表2所示，原點為已知點坐標(biāo)，單點定位的結(jié)果十分發(fā)散，有的點位甚至較原點偏移了30 m，總體精度在5～10 m.而差分定位的結(jié)果十分集中且穩(wěn)定，總體精度可以達到dm 級，高精度將大大擴展手機定位的應(yīng)用范圍.

圖2 單點定位(藍)和差分定位(紅)散點圖

表2 外符合精度比較m

3.2 位置管理平臺

3.2.1位置監(jiān)控

位置管理平臺可查看智能手機的位置，并可對智能手機進行實時監(jiān)控.設(shè)為監(jiān)控對象后，可在地圖上查看實時的運動軌跡，顯示其運動范圍.另外可對監(jiān)控對象的活動區(qū)域進行手動規(guī)劃，在地圖上展現(xiàn).當(dāng)監(jiān)控對象超出規(guī)劃的區(qū)域范圍，就及時進行報警提示.圖3為智能終端的實現(xiàn)應(yīng)用程序APP界面.

圖3 位置監(jiān)控

3.2.2電子圍欄

電子圍欄主要用于對出入?yún)^(qū)域進行監(jiān)控和報警，可劃定指定區(qū)域，并可設(shè)置區(qū)域內(nèi)活動人員，進行人員進出警告記錄等.應(yīng)用電子圍欄技術(shù)時，可對電子圍欄進行區(qū)域范圍等一系列設(shè)置.其中包括：圍欄名稱、圍欄類型、經(jīng)緯度信息、警告類型(進區(qū)域、出區(qū)域)等.通過這些設(shè)置，可以實時掌握人員的流通情況.

3.2.3軌跡回放

該平臺還可以查看移動終端用戶在一定時間段內(nèi)的運行軌跡、停留點信息，并具有在地圖上進行軌跡回放功能，通過其軌跡可以計算出相應(yīng)的軌跡速度.在回放過程中，用戶還可以通過加速、減速、暫停、繼續(xù)等功能來控制回放.通過回放，方便用戶了解更多軌跡道路信息.

3.2.4系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理分為單位信息管理、角色管理和用戶管理.單位信息管理用于管理各單位部門編制信息，以多層樹形結(jié)構(gòu)展示，包括新增、編輯、刪除、列表查詢，使得單位信息管理能夠更加簡明清晰.在對各部門角色進行管理時，可分配角色針對于系統(tǒng)的功能使用權(quán)限和功能按鈕權(quán)限，對權(quán)限等級進行劃分.角色管理主要包括以下幾個模塊：角色錄入、角色編輯、刪除、列表查詢和權(quán)限設(shè)置等.同時還可以進行批量編輯，為大量人員編輯提供便利.最后是用戶管理應(yīng)用，用戶可對賬號信息進行維護管理，包括用戶信息的新增、編輯、密碼重置和刪除.該應(yīng)用和角色管理類似，需要進行用戶信息的錄入和編輯.通過系統(tǒng)管理可以快捷有效的管理平臺信息數(shù)據(jù).

4 結(jié)束語

本文以智能手機為載體，介紹了手機原始觀測值的具體含義和轉(zhuǎn)換方法，研究了CORS和智能手機相結(jié)合的差分解算模型，最終實現(xiàn)了手機定位精度的提升. 結(jié)合JS-CORS，完成了移動終端高精度導(dǎo)航定位的解決方案.同時，開發(fā)了相應(yīng)軟件系統(tǒng)，包含一套移動端APP和一套位置管理平臺. 基于JS-CORS開展面向移動智能終端的高精度導(dǎo)航定位平臺的成功建設(shè)，將大大延伸智能手機在地理測繪、智能交通、應(yīng)急救援、公共安全等方面的應(yīng)用場景.同時，也為JS-CORS面向大眾的高精度導(dǎo)航定位公共服務(wù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，這必將帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，對于提升JS-CORS的社會影響力具有重要意義.