智能手机异步GNSS差分定位解算方法及精度评定_陈芳芳.pdf
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1、第 11 卷 第 1 期 导航定位学报 Vol.11,No.1 2023 年 2 月 Journal of Navigation and Positioning Feb.,2023 引文格式:陈芳芳,闫文林,宋慧明,等.智能手机异步 GNSS 差分定位解算方法及精度评定J.导航定位学报,2023,11(1):148-153.(CHEN Fangfang,YAN Wenlin,SONG Huiming,et al.Methodology and accuracy evaluation of asynchronous GNSS differential positioning for smart
2、phonesJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(1):148-153.)DOI:10.16547/ki.10-1096.20230122.智能手机异步 GNSS 差分定位解算方法及精度评定 陈芳芳,闫文林,宋慧明,陈凌云,马文静(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州 221116)摘要:针对智能手机内置的全球卫星导航系统(GNSS)模块经常会在非整秒时刻输出原始观测数据,导致难以和基站形成有效同步观测,进而无法实现高精度差分 GNSS 导航与定位应用的问题,提出一种智能手机异步 GNSS 差分定位的解算方法:采用邻近历元检
3、索法和相邻历元内插法分别对智能手机 GNSS 的异步观测数据进行处理;并对定位结果的精度进行对比分析。实验结果表明,2 种方法都可以有效解决智能手机 GNSS 终端数据和基站数据不同步的问题,并且与伪距单点定位相比,均方根误差从 20 多米提升到 2 m 左右,精度得到了大幅提升;2 种方法定位精度的差异均在 0.1 m以内,并且内插法定位结果的精度要略优于搜索法,但内插法对卫星连续观测有较高要求,建议采用相邻历元检索法处理智能手机异步 GNSS 观测数据。关键词:异步差分定位;安卓智能手机定位;全球卫星导航系统(GNSS);定位精度评定 中图分类号:P228 文献标志码:A 文章编号:209
4、5-4999(2023)01-0148-06 Methodology and accuracy evaluation of asynchronous GNSS differential positioning for smart phones CHEN Fangfang,YAN Wenlin,SONG Huiming,CHEN Lingyun,MA Wenjing(School of Geography,Geomatics and Planning,Jiangsu Normal University,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)Abstract:The global
5、 navigation satellite system(GNSS)module built in some smart phones has the great possibilities that outputting the original observations at the non-integer second epochs,which makes it difficult to form effective synchronous observations with the base station.In this case,it is difficult for smart
6、phones to achieve high precision differential solutions at the GNSS navigation and positioning applications.In this paper,the methodology of the asynchronous GNSS differential positioning for the smart phones were studied.Two strategies,the adjacent epochs searching and adjacent epochs interpolation
7、,were mainly used to process the asynchronous GNSS observations of the smart phone,and the positioning accuracy from a field test were compared and analyzed.The results show that both methods can effectively solve the problem of non-synchronization GNSS data from the smartphone terminal and the base
8、 station,and the accuracy is greatly improved compared with single point positioning,with the root mean square error decreased from more than 20 meters to only 2 meters around.The results of three experiments at different heights also show that the differences between the positioning accuracy of the
9、 two applied methods is both within 0.1 meters,even the interpolation method gives a slightly performance than the searching method.At the end,the adjacent epochs searching method is selected to be the optimal method to process the asynchronous GNSS differential data,considering the particular need
10、of the continuous GNSS observations.Keywords:asynchronous differential positioning;Android smartphone positioning;global navigation satellite system(GNSS);positioning accuracy evaluation 收稿日期:2022-11-15 基金项目:江苏省大学生创新创业训练计划(202110320083Y);江苏省自然科学基金资助项目(BK20181015)。第一作者简介:陈芳芳(2000),女,广西河池人,本科生,研究方向为 G
11、NSS 数据处理。通信作者简介:闫文林(1984),男,江苏徐州人,博士,副教授,研究方向为导航与定位技术。第 1 期 陈芳芳,等.智能手机异步 GNSS 差分定位解算方法及精度评定 149 0 引言 2016 年末,安卓智能手机操作系统开始提供获取全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)芯片原始观测数据的接口,这让智能手机实现精密导航定位成为可能。随后,国内外学者对手机 GNSS 数据质量分析和精密定位算法的实现展开了广泛的讨论。文献1对小米 8 在不同环境下(开阔、信号塔、水域、林地、高楼)的数据质量进行对比分析,发现智能手机的 G
12、NSS 信号质量非常容易受到周围环境的影响。文献2从载噪比、多系统噪声、速度估计等方面对安卓智能手机的 GNSS 原始观测质量进行分析,得出在低海拔时,智能手机的载波相位非常容易失锁的结论。文献3通过对智能设备的初始相位偏差进行校准,在零基线、短基线和车载智能设备实验中,成功解算了载波模糊度,实现厘米级别的定位。然而,智能手机的精密 GNSS 定位仍有很多关键技术细节需要解决。智能手机低成本天线和低功耗芯片是影响手机 GNSS 数据质量和定位精度的主要原因之一,而智能手机 GNSS 观测的信号强度通常比专业接收机低 10dBHz 左右4,同时智能手机的 GNSS 观测数据会出现专业接收机不存在
13、的观测偏差5,且容易受多路径效应的影响6。这些因素导致智能手机的整体定位精度不高。我们在前面的研究中利用迭代游动平均滤波算法实现了亚米级的智能手机伪距差分定位7,研究过程中还发现部分智能手机的 GNSS 观测数据与基站数据出现严重不同步的现象,导致无法正常差分解算。解决终端和基站数据不同步的问题也出现在专业型 GNSS 接收机的应用中:文献8利用专业接收机分析发现差分龄期引起的伪距差分定位偏差呈非线性增长的现象;文献9分析了通信延迟对专业接收机异步实时差分定位的影响;文献10发现 30 s 的差分龄期会对专业接收机异步实时差分定位引入厘米级的定位误差。有鉴于此,本文主要针对智能手机的 GNSS
14、 观测数据与基站数据出现严重不同步的问题,对智能手机异步 GNSS 差分定位解算方法及精度验证进行研究。1 异步 GNSS 差分定位解算原理 差分 GNSS 可以有效消除定位解算过程中的接收机钟差和卫星钟差,进而可以大幅提高卫星定位系统的精度和稳定性。当前大部分智能手机的 GNSS 芯片支持伪距、载波、多普勒等重要原始观测数据的输出,让其实现高精度差分定位成为可能。然而,智能手机 GNSS 载波观测的噪声水平较高,整周模糊度的有效固定仍是高精度手机定位研究的热点和难点4-6。因此,本文主要针对智能手机 GNSS 伪距观测数据,讨论与基站数据严重不同步情况下的差分定位的方法。1.1 伪距差分定位
15、原理 GNSS 伪距差分定位算法中的参考站、流动站的观测方程可以写为 ()()brsssss(b)bb(b)bbsssss(r)rr(r)rrddddddffPffPP=+ctT+I+T+m+P=+ctT+I+T+m+-(1)式中:f 为频率;b 为参考站;r 为流动站,s 表示卫星;为接收机到卫星的几何距离;c 为光速;dt和dT分别为接收机和卫星的钟差改正;I为电离层改正;T为对流层改正;dm 为多路径效应误差;为观测误差。当前智能手机的部分机型支持 L1/L5 双频,有的机型甚至支持北斗三频 GNSS 数据的解析,比如华为 P 系列手机。因此,式(1)的观测方程可以通过消电离层组合的方式
16、进行优化,消电离层组合后的双差观测方程则可以写为 rbrbjkjkPP=+(2)式中 j、k 为同步观测的卫星号。那么,一个历元的双差观测向量可以写为:()T23rbrbrbjjjm=P,P,Py(3)未知参数向量可以通过最小二乘公式进行估计:()()()1TT00-x=x+H WHH Wyh x(4)式中:0 x为未知参数初始值;W为观测值权矩阵;h为测量模型对应的函数;H为偏导方程的矩阵。h和H的计算形式分别为:()Trbrbrbjjjm=,23h(5)rbrbrbjjjm=-23110010001001H(6)式(4)可以转变成迭代加权最小二乘的形式,直到解算结果收敛。然而有研究表明,传
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