基于安卓智能手机的BDSGPS单点定位性能评估与分析

第32卷第5期

2020年10月

北方工业大学学报

.

Vol.32No.5

Oct.2020

基于安卓智能手机的BDS/GPS单点

定位性能评估与分析

赵俊兰摇摇刘明明

(北方工业大学土木工程学院,100144,北京市)

摘摇要摇本文分析了安卓智能手机基于PPP技术的BDS/GPS组合定位的精度和可靠性,详

细评估了在动态测试和静态测试下智能手机的PPP定位性能.结果表明,单GPS系统动态与静态

测试定位精度E、N方向分别为2郾14m、2郾13m、0郾72m、1郾80m,组合系统在动态与静态测试定位

精度E、N方向分别为1郾57m、1郾20m、0郾51m、1郾22m,组合系统定位精度高于单GPS系统.

关键词摇安卓智能手机;精密单点定位;北斗卫星导航系统

分类号摇P228

摇摇全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatel鄄

liteSystem,简称GNSS)是目前获取时间与位置

信息的重要手段,因其全球性、全天候、高精度的

特点与能力,已经广泛应用于导航定位、大地测

目前全球卫星导航系统主要包括:美国全球导航

系统(GPS)、欧洲伽利略系统(GALILEO)、俄罗

斯格洛纳斯系统(GLONASS)以及我国自主研发

的北斗全球导航卫星系统(BDS).安卓操作系统

诞生于2007年,根据相关统计数据显示,在2018

年生产了3郾9亿部智能手机,其中选用安卓系统

的智能手机占比达到了89郾3%.可以看出,安卓

系统的手机或其他智能终端越来越受到人们的

欢迎,基于安卓智能手机的定位服务应用也已经

成为人们生活中的常用品,包括智能出行、智能

交通、智能管理、智能医疗等众多方面.

[2-3]

然

而,目前智能手机定位应用较多、研究较少,且定

位精度都不高、随着人们需求不断提高,自2018

年底开始,我国北斗系统成功全球组网,代表着

BDS已经开始提供全球服务,高精度定位服务应

用有着非常广阔的发展空间.

量、地球动力学、地球物理、变形监测等领域

[1]

;

卫星导航定位的方法主要包括差分定位和

非差定位2类,相应的代表技术是RTK和PPP

技术.

[4]

差分定位技术是利用观测值形成差分,

对观测值进行改正,可以消除卫星钟差等误差的

影响,有效地提高定位精度.但差分技术的定位

精度会受到基线长度的限制,距离变大,基线随

之增长,卫星轨道误差、电离层延迟等因素的影

响增大,会导致精度降低.

[5]

PPP技术则是使用

GNSS接收机等获取载波相位观测值和伪距观测

值,再利用IGS提供的精密星历和精密钟差进行

坐标解算,从而得到精度较高的测站坐标.

目前国内外也有许多学者对智能手机的定

位性能进行了深入分析.微软公司开发了适用

于NokiaLumia1520手机的外置部件,使手机能

够接收GNSS观测值,然而,这种设备接收的观测

数据质量较差,最终只能够达到米级的定位精

度

[6]

;冯昆等基于低功耗蓝牙和行人航位推算技

术,利用扩展卡尔曼滤波进行融合处理的室内定

90%的概率定位精度达到2m

[7]

;张楷时等采集

静态的GNSS原始观测数据,利用PPP定位解

位方法,得到手机的平均定位精度为1郾17m,

收稿日期:2020鄄02鄄21

*中国科学院光电研究院创新项目(Y80B06A1BY).

第一作者简介:赵俊兰,教授.研究方向:地质灾害评估与防治与“3S冶技术在土木工程中应用研究.

84

摇摇摇摇摇摇摇摇摇北方工业大学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第32卷摇

算,手机的定位精度也可达到分米级

[8]

等将手机接收到的原始数据进行差分改正

;张慧敏

,也得

到了亚米级的定位精度.

[9]

本文通过安卓智能手

机移动端和专业接收机接收的GNSS观测数据,

利用事后精密星历、钟差等产品解算在不同定位

环境下的定位结果,将专业接收机的解算结果作

为参考真值,开展基于智能手机的BDS/GPS组

合高精度定位性能评估研究,以期推动智能手机

实现高精度定位.

1摇PPP技术的基本理论与方法

精密单点定位是指采用高精度的精密星历

和钟差产品,对使用一台GNSS接收机采集的载

波相位和伪距观测值,通过模型改正或参数估计

的手段,将与卫星端、信号传播路径及接收机端

相关的误差进行消除或削弱,从而实现高精度定

位的一种方法.

[10]

1郾1摇伪距和载波相位观测值

通过GNSS接收机获取到的最基本的2个观

测值是伪距观测值和载波相位观测值.卫星发

出的测距码信号在传播过程中要穿过电离层和

对流层,传播速度和路径会发生变化;同时,由于

钟差的存在,导致信号到达接收机的传播时间与

光速的乘积得到距离与卫星至接收机的几何距

离会有一定的偏差,故该乘积被称为伪距.

[11]

载

波相位观测值是指卫星产生的载波信号传播到

接收机时产生的相位变化量.

1郾2摇定位误差改正

卫星导航定位中出现的误差按照其来源可

大致分为3种类型:与观测卫星相关的、与信号

传播路径相关的以及与接收机相关的.下面重

点对精密单点定位中的卫星轨道和钟差、电离层

和对流层以及其他误差的修正方法进行说明

1)

.

利用卫星星历计算的卫星轨道与实际轨道

卫星轨道和钟差误差.

见得差值叫做卫星轨道误差.

[12]

广播星历的精度

通常不高,目前GPS广播星历的误差约为1郾6m,为

精密单点定位研究,必须使用精密星历,IGS提供

的事后精密星历可达到2cm,使用更高精度的星

历,越能削弱卫星轨道误差的影响.

由于卫星运行的空间环境变差,原子钟寿命

老化等影响,卫星钟会发生频漂、频偏等现象,导

致导航卫星的时间与系统的时间产生差异,称其

300

为卫星钟差.1ms以内的卫星钟差产生约

改正精度在

km误差

5

.

ns

目前

左右

,广播星历提供的卫星钟差的

,等效距离误差为1郾5m,但

也还是不能满足精密单点定位的需求;但是IGS

可以提供实时用户精度优于0郾3ns的5秒采样间

隔的精密卫星钟差产品,数据延迟约为25s,使得

卫星钟差误差的影响可以得到较大程度的削弱

2)

电离层由密度相等的电子和离子组成

电离层延迟与对流层延迟误差.

.

,其高

度离地面约为60~1000km.电离层延迟误差是

指传播信号穿过电离层时,传播路径与传播速度

都发生改变所造成的偏差.通常使用Klobuchar

模型、球谐函数模型和格网模型等来减弱电离层

的影响.对流层是指离地表面高度50km以下的

中性大气层.对流层环境复杂,传播信号穿过时

会发生折射,使测量距离与理论距离产生偏差,

造成对流层延迟误差.精密单点定位技术通常

使用Saastamoinen模型对对流层延迟误差进行改

正.由于上述2个误差的模型公式过于复杂,具

体计算方法可参考前述文献

3)

其他误差模型如相对论效应

其他模型化误差.

.

、卫星天线相位

中心、固体潮及地球自转改正等误差模型比较成

熟稳定.具体计算可以参考文献[11-12].

2摇实验结果与分析

2郾1摇GNSS数据获取

实验数据采集的地理位置为北京中关村森

林公园

ProPak6

,仪器设备使用瑞典

操作系统的智能手机华为

GNSS(pp6)专业接收机和

NovAtel公司生产的

Mate20Pro.

Android

动态测试

9郾0

数据采集时间为2018年12月7日8:18—9:50;

3:18—2018

静态测试数据采集时间为2018年12月7日

1

2018

s.数据处理

年

过

12

程

月

中

7

所

日

需

6:24,

要的卫

历元间隔都为

星计

差文件及电离层文件

年第341天的卫星广播星历

时系统

等通过iGMAS

、卫星轨道和钟

网站查询

下载.

2郾2摇定位结果与分析

本文数据处理采用由日本东京海洋大学开

发的标准精密定位开源程序包RTKLIB进行处

摇第5期摇摇摇摇赵俊兰等:基于安卓智能手机的BDS/GPS单点定位性能评估与分析

2个模块.解算过程中定位模式选择精密单点定

位,设置15度高度截止角,采用IGS最终产品对

电离层进行改正,对流层改正采用Saastamoinen

模型,卫星轨道与钟差采用精密星历,卫星系统

根据解算过程中的需求进行设置.本实验采取

专业接收机与手机并址(间隔3cm,造成的误差

可不计)同时接收数据,以专业接收机的定位结

理

[12]

,主要使用到软件的RTKPOST与RTKPLOT

85

果作为参考真值,将手机移动端分别动态及静态

测试下的定位结果对比参考真值,得出智能手机

移动端的定位精度情况.

1)动态测试.

对动态观测值分别在单GPS系统及GPS与

北斗组合系统下使用RTKLIB软件按上述参数

设置进行解算分析,得出在E、N、U3个方向上的

收敛曲线(偏差),如图1~2所示.

图1摇单GPS系统动态收敛曲线

摇摇分别计算动态测试数据在E、N和U3个方

向的偏差,得到RMS(均方根)值如表1所示.

表1摇2种系统模式下动态RMS值

方案

BDS/GPS

GPS

E

2郾14

1郾57

N

2郾13

1郾20

U

6郾48

4郾13

m

2)静态测试.

对动态观测值分别在单GPS系统及GPS与

北斗组合系统下使用RTKLIB软件按上述参数

设置进行解算分析,得出在E、N、U3个方向上的

收敛曲线(偏差),如图3~4所示.

分别计算动态测试数据在E、N和U3个方

向的偏差,得到RMS(均方根)值如表2所示.

表2摇2种系统模式下静态RMS值

方案

BDS/GPS

GPS

E

0郾72

0郾51

N

1郾80

1郾22

U

1郾83

1郾34

m

摇摇由图1~2和表1中可以看出,智能手机的

动态精密单点定位精度在水平方向为1~2m.

基于在单GPS系统和组合系统情况下,手机在

6郾48m、1郾57m、1郾20m、4郾13m,分别提高了

27%、44%和36%.组合系统的定位精度高于单

GPS系统,主要原因在于组合系统中BDS系统的

加入增加了多余观测值.

E、N和U方向的RMS值分别为2郾14m、2郾13m、

摇摇由图3至图4和表2中可以看出,智能手机

0~2m.基于在单GPS系统和组合系统情况下,

的静态精密单点定位的水平精度和空间精度为

86

摇摇摇摇摇摇摇摇摇北方工业大学学报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第32卷摇

图2摇GPS/北斗组合动态收敛曲线

图3摇单GPS系统静态收敛曲线

图4摇GPS/北斗组合静态收敛曲线

1郾80m、1郾83m、0郾51m、1郾22m、1郾34m,分别提

高于单GPS系统,原因同上.由于GPS卫星的轨

手机在E、N、U方向的RMS值分别为0郾72m、

高了29%、32%和27%.组合系统的定位精度都

道精度较高,E方向的变化最低.

3摇结语

本文研究了普通安卓智能手机的卫星导航

摇第5期摇摇摇摇赵俊兰等:基于安卓智能手机的BDS/GPS单点定位性能评估与分析

定位精度,并通过在不同测试环境和不同导航系

统之间的对比进行实验,利用RTKLIB开源程序

包解算,对智能手机终端的定位精度进行了评估

和分析.结果表明,组合系统的定位精度高于单

GPS系统,静态测试与动态测试的定位精度基本

相当,但是,总体精度都在0~2m范围内.同时

87

本文验证了安卓手机移动端的稳定性与可靠性

满足一般的使用要求,这说明安卓智能手机具备

提供低成本位置服务的基本条件.

需要说明的是,本试验过程中实验数据采用

的是事后处理,后续将重点针对实时数据进行定

位性能的评估和分析.

参摇考摇文摇献

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(SchoolofCivilEngineering,.,100144,Beijing,China)

ZHAOJunlan摇摇LIUMingming

AndroidsmartphonesbasedonPPPtechnologyandevaluatesthePPPpositioningperformanceofsmartpho鄄

ultsshowthatthepositioningaccuracyEandNdirec鄄

tionsofthesingleGPSsystemindynamicandstatictestsare2郾14m,2郾13m,0郾72m,and1郾80mre鄄

accuracyoftheGPSandBDScombinedsystemishigherthanthatofthesingleGPSsystem.

Abstract摇ThispaperanalyzestheaccuracyandreliabilityoftheBDS/GPScombinedpositioningof

positioningaccuracyofthecombinedsysteminthedynamicandstatictestsintheEand

Ndirectionsis1郾57m,1郾20m,0郾51m,and1郾lsobeseenthatthepositioning

KeyWords摇Androidsmartphone;precisepointpositioning;BeiDouSatelliteNavigationSystem