省天琛張生鵬趙利江張永滎毛亞萍

1青海省基礎(chǔ)測(cè)繪院，青海 西寧，810012

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，萬(wàn)物物聯(lián)需要有高精度的位置信息作為支撐［1］。其中，為城市區(qū)域車(chē)輛提供亞米級(jí)精度的導(dǎo)航位置服務(wù)是建設(shè)智慧城市的重要基礎(chǔ)。目前車(chē)輛導(dǎo)航中GNSS一般采用標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位（standard point positioning，SPP）［2］的方式進(jìn)行定位，精度一般在10 m左右，不具備直接用GNSS提供高精度位置服務(wù)的能力，而且傳統(tǒng)的高精度定位的服務(wù)很難向大眾領(lǐng)域拓展，一是受限于GNSS雙頻接收機(jī)成本高；二是GNSS高精度RTK（real-time kinematic）位置服務(wù)主要針對(duì)專業(yè)級(jí)測(cè)量用戶，很難應(yīng)用于民眾領(lǐng)域；三是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)軟件算法復(fù)雜，無(wú)法滿足海量RTK（real-time kinematic）用戶同時(shí)接入，限制了GNSS在大眾高精度導(dǎo)航定位中的應(yīng)用。當(dāng)前民用GNSS高精度定位技術(shù)在國(guó)內(nèi)外還處于研究階段［3，4］，實(shí)際應(yīng)用較少。一方面，隨著國(guó)際GNSS服務(wù)（International GNSS Service，IGS）實(shí)時(shí)服務(wù)［5］的發(fā)布，實(shí)時(shí)的精密軌道、鐘差以及電離層延遲改正產(chǎn)品可以通過(guò)Ntrip協(xié)議實(shí)時(shí)獲取，來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，PPP）。另一方面，當(dāng)前廉價(jià)的GNSS芯片（如u-blox）提供穩(wěn)定的多系統(tǒng)單頻偽距和相位觀測(cè)值，使得廉價(jià)高精度定位解決方案成為可能。為此，本文綜合考慮到成本、硬件和算法等多項(xiàng)因素，提出了采用單頻PPP模式為消費(fèi)級(jí)u-blox終端提供亞米級(jí)定位的解決方案。

1 PPP定位技術(shù)原理

PPP只需單臺(tái)接收機(jī)［6］，通過(guò)接收偽距和相位觀測(cè)數(shù)據(jù)，精密軌道和鐘差即可進(jìn)行定位。

1.1 PPP基本模型

PPP誤差項(xiàng)可通過(guò)模型進(jìn)行改正和估計(jì)，其中，地球自轉(zhuǎn)改正、相對(duì)論改正、固體潮改正、天線相位中心偏差與變化以及天線相位纏繞都可通過(guò)模型進(jìn)行精確改正。本文采用原始觀測(cè)值進(jìn)行PPP解算，不采用任何組合消除電離層延遲項(xiàng)［6］，PPP基本模型表達(dá)為：

式中，i=1，表示觀測(cè)值頻率f1，本文采用單頻觀測(cè)數(shù)據(jù)；ρ表示衛(wèi)星與測(cè)站之間的實(shí)際幾何距離；δtrcv和δtsat分別表示接收機(jī)和衛(wèi)星的鐘差；Tr為對(duì)流層延遲；αi為電離層延遲系數(shù)，與頻率相關(guān)；I為電離層延遲；bP21為偽距硬件延遲，通過(guò)產(chǎn)品改正；Bi為模糊度項(xiàng)；Mi和mi分別為偽距和相位的多路徑誤差；εPi和εLi分別為偽距和相位噪聲。

坐標(biāo)值、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層延遲、電離層延遲和模糊度項(xiàng)作為待估參數(shù)統(tǒng)一進(jìn)行估計(jì)。在雙頻PPP中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間初始化后，可以達(dá)到10 cm內(nèi)精度，但是初始化時(shí)間通常在15～30 min［7］，很難滿足實(shí)時(shí)導(dǎo)航需求。影響初始化最主要的因素來(lái)自于電離層延遲，不管是通過(guò)消電離層組合的方式消除還是將其看作參數(shù)估計(jì)，都無(wú)法有效降低初始化時(shí)間。在單頻PPP中，電離層雖然可以通過(guò)Uofc組合的方式消除電離層［8］，但是依然需要一定的初始化時(shí)間才能達(dá)到較高的精度。

1.2 常加速度模型

考慮到廉價(jià)u-blox原始觀測(cè)值的有限精度，無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定提供高精度的位置信息，若用傳統(tǒng)的定位手段，在高樓遮擋等多路徑效應(yīng)嚴(yán)重和短時(shí)無(wú)GNSS信號(hào)的地方，可能出現(xiàn)定位錯(cuò)誤和無(wú)法定位的情況，因此需考慮多普勒速度約束的PPP模型，本文采用常加速度模型進(jìn)行先驗(yàn)的坐標(biāo)和速度約束［9］，模型如下：

式中，X、V和A分別為三維坐標(biāo)、速度和加速度，I為3×3單位矩陣，Δt為前后兩歷元（k和k-1）的時(shí)間差，W（k）為過(guò)程噪聲。

1.3 單頻PPP的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本文采用的策略是接收來(lái)自法國(guó)國(guó)家空間研究中心發(fā)布的實(shí)時(shí)電離層改正產(chǎn)品直接改正電離層延遲，考慮電離層延遲精度和廉價(jià)接收機(jī)觀測(cè)值的穩(wěn)定性有限，采用單歷元解的模式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)估計(jì)三維坐標(biāo)，避免對(duì)流層延遲和模糊度的錯(cuò)誤傳遞。由于不存在收斂過(guò)程，對(duì)流層延遲未改正的部分會(huì)被坐標(biāo)高程方向吸收，所以高程方向精度會(huì)受到一定影響。模糊度部分將吸收接收機(jī)鐘差未被改正的部分，其不準(zhǔn)確的部分也會(huì)在一定程度上影響坐標(biāo)精度。具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

圖1 用戶端系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow Chart of Client System

本文實(shí)驗(yàn)硬件主要由u-blox開(kāi)發(fā)板、天線、電源、藍(lán)牙模塊和智能手機(jī)組成。手機(jī)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)接收IGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心的精密軌道鐘差、電離層延遲等改正產(chǎn)品；u-blox連接天線接收GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)流，通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)流傳到智能手機(jī)并進(jìn)行解碼，用安裝在手機(jī)上的導(dǎo)航定位APP即可在手機(jī)端進(jìn)行單頻PPP解算。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了測(cè)試實(shí)時(shí)單頻PPP定位的精度，進(jìn)行了車(chē)載實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)PPP道路測(cè)試，PPP解算采用了GPS和GLONASS雙星系統(tǒng)，接收機(jī)設(shè)備采用u-blox M8T，外接智能手機(jī)為華為P20 Pro。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試地點(diǎn)位于深圳市，測(cè)試路段環(huán)境開(kāi)闊、遮擋較少。測(cè)試時(shí)間為2018年6月17日GPS時(shí)7：00—7：48（本地時(shí)間15：00—15：48），采樣率為1 s。為了比較分析精度，在車(chē)頂同時(shí)架設(shè)了一臺(tái)天寶R10測(cè)量型接收機(jī)，外置GPS500測(cè)量型天線，連接廣州市CORS網(wǎng)RTK（real-time kinematic）服務(wù)，用其RTK固定解作為參考值。

從圖2可以看出，車(chē)輛行駛?cè)潭ㄎ唤Y(jié)果未出現(xiàn)跳動(dòng)，行車(chē)軌跡很平滑，考慮到地圖精度的影響，實(shí)時(shí)軌跡和地圖會(huì)存在一定的系統(tǒng)差，但是剔除系統(tǒng)差后，實(shí)時(shí)地圖呈現(xiàn)的軌跡與實(shí)際車(chē)道吻合。即便在有短時(shí)高樓樹(shù)木遮擋的地方，也給出了準(zhǔn)確的結(jié)果，這主要是由于PPP算法中采用了車(chē)載運(yùn)動(dòng)常加速度模型，同時(shí)用多普勒測(cè)速信息進(jìn)行了約束。同時(shí)從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在彎道等地方，均可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)定位偏離的結(jié)果。

圖2 行車(chē)軌跡Fig.2 Driving Track

圖3是PPP導(dǎo)航定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖3中可以看出，E方向和N方向的精度較高，與RTK固定解參考值比較，E方向最大偏差不超過(guò)1.6 m，N方向最大偏差不超過(guò)1.5 m，統(tǒng)計(jì)的STD（standard deviation）分別為0.54 m和0.61 m。但是U方向結(jié)果稍差，STD為1.95 m，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在70歷元附近U方向有一次較大的誤差波動(dòng)，最大偏差達(dá)到5.2 m，這主要和衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)，導(dǎo)致U方向的精度較差?？梢钥闯鲈趯?shí)際中導(dǎo)航定位水平方向精度已能滿足車(chē)道級(jí)導(dǎo)航的需要，但是在高架等復(fù)雜路段進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，高程方向的偏差可能導(dǎo)致道路匹配失敗，這時(shí)單GNSS定位的技術(shù)很難滿足方面的需求，可以考慮加入廉價(jià)的氣壓計(jì)來(lái)獲取高精度的高程信息來(lái)彌補(bǔ)GNSS高程方向精度有限的缺陷。

圖3 PDOP與定位精度統(tǒng)計(jì)Fig.3 PDOP and Positioning Accuracy Statistics

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用普通手機(jī)、外置消費(fèi)級(jí)ublox接收機(jī)的GPS/GLONASS雙星單頻PPP導(dǎo)航定位解決方案。實(shí)時(shí)PPP車(chē)載動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的低成本導(dǎo)航解決方案無(wú)需借助CORS等信息即可滿足車(chē)道級(jí)導(dǎo)航定位的需求。相比水平方向定位精度，高程方向精度稍差，可考慮加入氣壓計(jì)來(lái)獲取高精度的高程信息輔助PPP定位。同時(shí)本次測(cè)試的路段環(huán)境較為開(kāi)闊，并未出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)GNSS信號(hào)的問(wèn)題，下一步工作將整合消費(fèi)級(jí)慣導(dǎo)芯片到導(dǎo)航終端中，解決長(zhǎng)時(shí)間遮擋環(huán)境下無(wú)法穩(wěn)定導(dǎo)航定位的問(wèn)題，進(jìn)一步提高消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的高精度導(dǎo)航定位保障能力。