基于扩展天线的智能手机GNSS RTK定位性能研究.pdf
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1、DOI:10.12265/j.gnss.2023024基于扩展天线的智能手机 GNSS RTK定位性能研究袁良雄,王浩,申志恒(武汉大学测绘学院,武汉 460079)摘要:本文对外接低成本螺旋天线的 Mi8 智能手机观测数据质量进行了研究,从载噪比(CNR)、伪距残差、相位残差等方面进行了分析和评估.结果显示:外接天线的 Mi8 手机原始全球卫星导航系统(GNSS)观测值的 CNR 比内置天线手机高约 10dB-Hz,和测量型接收机 CNR 水平几乎相当;伪距残差在 5m 以内;与内置天线手机不同,外接天线手机伪距残差与高度角、CNR 的相关性都较强.在此基础上给出了基于高度角和 CNR 的两
2、种定权模型,并基于扩展天线的 Mi8 手机开展了静态和动态环境下的实时动态(RTK)精密定位性能测试实验.实验结果表明:在静态环境和动态环境下外接天线的 Mi8 手机 RTK 定位精度均可达到厘米级;使用基于CNR 定权的随机模型相较于高度角定权的随机模型,在动态场景下具有更高的定位精度,具体表现为在水平和高程方向上分别有约 16%和 50%的精度提升.关键词:外接低成本螺旋天线;智能手机;观测数据质量;定权模型;实时动态(RTK)中图分类号:P228.4文献标志码:A文章编号:1008-9268(2023)03-0077-080引言随着芯片技术的发展,智能设备通过集成低成本的全球卫星导航系统
3、(GNSS)芯片,可以为用户提供米级精度的定位结果,大众智能终端在位置服务领域的应用逐渐广泛1.然而,由于智能手机使用的是低成本、低功耗的线性极化天线,使得 GNSS 原始观测数据质量较低,主要表现为伪距和载波的噪声大、载噪比(CNR)低及多路径效应严重等,限制了智能手机定位的精度2.大众市场的芯片组只能实现 23m的定位精度,在多路径效应严重的情况下,定位精度可能下降到 10m 甚至更低3.目前已有许多国内外学者针对智能手机 GNSS定位进行研究.文献 4-5 研究发现智能设备的 CNR变化快,CNR 平均值比测量型接收机低约 10dB-Hz,伪距噪声和载波相位噪声分别约为测量型接收机的10
4、 倍和 35 倍.文献 6 表明在观测条件良好时,智能手机实时动态(RTK)定位精度可以达到分米级水平,在平面方向上可以收敛到 20cm 以内,高程方向上可以收敛到 50cm 以内.近年来的研究证实,嵌入式天线的智能设备只能达到亚米级的定位精度,且难以固定模糊度.文献 7 发现通过将嵌入式天线替换为外接测量型天线,可以缓解严重的多路径效应,并且提高 CNR 水平.文献 8 实验显示使用外置天线的华为 P40 手机零基线差分相对定位精度可达毫米级.Mi8 手机是世界上第一款具有双频观测数据的智能手机,已有很多学者做过相关的研究和分析,并且 Mi8 手机不受“DutyCycle”机制的影响,所以我
5、们选用 Mi8 作为实验设备进行外接天线智能手机 RTK定位性能的研究.同时为了满足高精度、低功耗和便携性的需求,我们使用外接轻量级的螺旋天线进行观测数据质量的分析和测试.主要分析内容包括伪距噪声、载波相位噪声及其随高度角/CNR 的变化趋势.在此基础上我们给出了基于高度角定权和 CNR 定权两种随机模型,并使用外接天线的 Mi8 手机在静态和动态场景下分别进行了实验,最后分析和评估了不同随机模型对定位精度的影响.收稿日期:2023-02-16资助项目:国家自然科学基金(41974027,42104033);国家重点研发计划(2021YFB2501100)通信作者:王浩E-mail:第 48卷
6、第3期全球定位系统Vol.48,No.32023年6月GNSS World of ChinaJune,20231智能手机 RTK 定位方法 1.1 手机 GNSS 观测数据质量分析1.1.1GNSS 观测方程iGNSS 信号从卫星系统中生成并向地面发射,经过大气层传播至接收机天线处,再经处理后生成伪距和载波相位观测值等观测数据.接收机通过测量卫星信号的传播时间获取伪距观测值.通过比较接收机产生的载波相位与接收到的载波相位获取载波相位观测值.信号在传播过程中会产生多种误差,在频率下跟踪的接收机与卫星之间的伪距和载波相位观测可分别建模为:Psr,i=sr+c(dtrdts)+Isr,i+Tsr+d
7、r,idsi+msr,i+P,(1)sr,i=sr+c(dtrdts)Isr,i+Tsr+iNsr,i+r,isi+Msr,i+dsr,i+.(2)Psr,isr,iPsrcdtrdtsIsr,iTsrdr,idsir,isimsr,iMsr,iiNsr,idsr,i式中:和分别为带有伪距残差与相位残差的伪距和载波相位测量值;为接收机与卫星之间的距离;为真空中的光速;和分别为接收机与卫星的钟差;为电离层延迟;为对流层延迟;和分别为接收机和卫星伪距硬件延迟误差;和分别为接收机和卫星载波相位硬件延迟误差;和分别为伪距和载波相位的多路径效应;为载波相位波长;为载波相位整周模糊度;为地球潮汐、天线相位
8、中心(APC)偏移等误差.1.1.2CNRPSPNCNR 是卫星的信号强度,为接收机收到的信号功率噪声的功率之比.CNR 是衡量卫星观测质量的一个重要参考指标,与卫星天线、信号传播损耗和接收机硬件密切相关9.一般情况下,室外 GNSS 接收机信号的 CNR 值为 3555dB-Hz.针对于智能手机,通过对比内置天线和外置天线可以发现,外置天线各卫星的 CNR 普遍高于内置天线8.CNR 公式如下:CNR=PSPNBN.(3)BN式中,为噪声带宽.1.1.3伪距残差伪距残差是评价观测值质量的重要指标,在实际应用中,零基线和短基线观测方法被广泛用于评估GNSS 接收机观测数据质量.站间单差可以消除
9、卫星轨道误差和卫星钟差等与卫星有关的误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差等具有空间相关性的误差.伪距单差观测值如下:Ppbr=pbr+ctbr+Mpbr+pbr.(4)PpbrbrptM式中:为单差运算符;为伪距单差观测值,和分别为基准站和流动站,为卫星;为卫星到测站的几何距离;为接收机钟差;表示多路径误差;表示观测噪声.ctctbr+Mpbr+pbrMpbr+pbr接收机钟差为系统偏量,可以采用参数估计法得到其数值并扣除.根据式(4),通过事先获得的基准站和移动站的高精度坐标反算出综合误差项,进而可以提取出基准站与流动站之间含有的多路径误差和伪距噪声误差综合项10.1.1.4相位残差忽略历元
10、间相关性,一种简便的载波相位测量噪声评估方法是历元间三次差法.历元间三次差方法类似于高通滤波器,在保留高频噪声的同时排除了低频测量延迟.相位测量噪声计算公式如下:=(k+3t)3(k+2t)+3(k+t)(k)20t3.(5)(k)kt120式中:为历元的载波相位观测值;为时间间隔;是根据误差传播定律得到的系数.历元间三次差法需要连续观测和高采样率.1.2 智能手机常用的随机模型确定观测值的权重是 GNSS 定位中十分关键的一步,一般情况下观测值权重取决于观测数据的质量.目前,观测值随机模型主要包括等权模型、卫星高度角定权模型与卫星 CNR 定权模型等.1.2.1高度角定权模型当卫星高度角较低
11、时,大气延迟误差和多路径误差将会增大,因此可以根据卫星的高度角确定观测值的先验方差.本文采取一种常见的基于高度角的三角函数随机模型如下:=02sin(E).(6)E0式中,表示卫星高度角为时的观测值中误差;为天顶方向观测值中误差.1.2.2CNR 定权模型CNR 作为信号质量的评价指标,在一定程度上反映了观测数据的噪声水平.在智能手机的定位中,常用的一种基于 CNR 定权的随机模型为11:cov(i,j)=2obs,(i=j)0,(i,j),(7)78全 球 定 位 系 统第48卷obs=a+b10CNR10.(8)cov2obsab式中:为伪距和载波相位观测值的协方差;为观测值方差;和通过伪
12、距残差和相位残差进行拟合.1.3 RTK 定位原理及模糊度固定策略RTK 即实时动态相对定位,进行 RTK 测量时,位于基准站(具有良好 GNSS 观测条件的已知站)上的 GNSS 接收机通过数据通信链实时地把载波相位观测值等信息播发给在附近工作的流动用户,这些流动用户就能根据基准站及自己所采集的观测数据进行实时相对定位.1.3.1RTK 定位原理RTK 定位通常采用站间星间双差模型,可以消除卫星钟差、接收机钟差、星历误差、信号时延误差,并可以削弱电离层和对流层误差,在短基线(10km)的情况下,使误差可以进一步削弱.鉴于此,将 RTK 定位技术应用于智能手机定位可以取得较高的定位精度.双差观
13、测方程为:Ppqbr=pqbr+Ipqbr+Tpqbr+pqbr,(9)pqbr=pqbrIpqbr+Tpqbr+Npqbr+pqbr.(10)Ppqbrpqpqbrp qIpqbrTpqbrNpqbrpqbr式中:为双差运算符;为在同一历元流动站r 与基准站 b 和卫星、之间的双差伪距观测值;为在同一历元流动站与基准站和卫星、之间的双差相位观测值;为双差电离层延迟;为双差对流层延迟;为双差整周模糊度;为双差观测噪声.1.3.2模糊度固定策略Npqbr(x,y,z)零基线和短基线解算通过双差消除绝大多数误差,从而可快速实现双差整周模糊度的固定和基线固定解12.模糊度固定可采用最小二乘模糊度降相
14、关平差(LAMBDA)方法,一旦模糊度固定,即可得到基线固定解:R=RQRNQ1NN(NN).(11)RRQRNQ1NNNN式中:为位置矢量的固定解;为位置矢量的浮点解;为坐标参数和模糊度参数的协方差阵;为模糊度协方差的逆矩阵;为模糊度浮点解;为模糊度固定解.2实验数据质量分析 2.1 实验设计为了研究外接天线智能手机 RTK 的定位性能,我们采用外置低成本螺旋天线在 Mi8 上进行了静态和动态实验.如图 1 所示,Mi8 和 GNSS 大地测量接收机 SeptentrioPolaRx5S 通过功分器连接到同一GNSS 天线,数据记录采用 Geo+RINEX(ReceiverINdepende
15、ntEXchangeformat)Logger 软件获取智能手机的 GNSS 原始测量值,上位机软件 RxTool 记录Septentrio 的 GNSS 原始测量值.Mi8 嵌入式天线已被拆除,并且使用屏蔽盒来消除 Mi8 嵌入式剩余天线的影响.Mi8 和 SeptentrioPolaRx5S 接收机组成零基线作为流动站,以接收机的定位结果作为参考真值,基准站为武汉大学测绘学院楼顶的一台 Septentrio高精度 GNSS 接收机.Mi8测量型接收机螺旋天线功分器图 1 静态实验场景静态实验在武汉大学信息学部 4 号楼天台进行,基线长度 50m 以内.实验时间为 2021 年 11 月 1
16、9 日14:30 至 18:30,使用低成本螺旋天线连续采集 4h 观测数据,时间间隔为 1s.动态实验在学校操场上进行,操场四周有高大的树木环绕,基线长度 300m 以内.实验装置放置在小车上,其运动轨迹如图 2 所示.小车先静止不动几分钟,然后沿着操场慢走一圈,最后回到起点.实验时间为 GPS 时 2021 年 11 月 19 日 14:49 至 15:09,本次实验同样使用低成本螺旋天线作为 Mi8 手机的外接天线.图 2 动态实验轨迹第3期袁良雄,等:基于扩展天线的智能手机 GNSSRTK 定位性能研究79 2.2 CNR 分析为了分析外置天线手机与测量型接收机接收信号的 CNR,图
17、3 和图 4 给出了在静态空旷环境下外接天线的 Mi8 手机和测量型接收机在观测时段内观测到的所有卫星 CNR 的变化情况.可以看出:对于外接天线的 Mi8 而言,接收到卫星信号的 CNR 主要分布在 4046dB-Hz,少数历元部分卫星 CNR 值在35dB-Hz 以下;对于测量型接收机而言,CNR 的变化规律与 Mi8 基本一致,主要分布在 4048dB-Hz.而在使用 Mi8 自带线性极化天线的情况下,大部分观测值的 CNR 为 3040dB-Hz13,说明在外接低成本螺旋天线后,Mi8 接收到的卫星 CNR 有了较明显提升,提升了约 10dB-Hz.5045403530252014:3
18、0 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00GPST/hCNR/dB-Hz17:30 18:00 18:30图 3 观测时段外接天线 Mi8 手机 CNR14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00GPST/h17:30 18:00 18:3050454035302520CNR/dB-Hz图 4 观测时段测量型接收机 CNR图 5 和图 6 分别为外接天线的 Mi8 和测量型接收机接收到卫星信号的 CNR 与其高度角的关系.可以看出,两者变化规律相近:高度角在 1540时,CNR 随高度角的升高而快速提升;在高度角大于40之后,CNR 波动幅度很小,
19、基本不变,即卫星观测信号的 CNR 与其高度角具有一定的相关性.文献 14指出智能手机在使用内置天线时的 CNR 与高度角之间的相关性不足,而本实验将手机外接天线后,在低高度角的情况下 CNR 与高度角的相关性得到提升.50454035302520高度角/()CNR/dB-Hz2030405060708090图 5 外接天线 Mi8 手机 CNR 与高度角的关系203040506070809050454035302520CNR/dB-Hz高度角/()图 6 测量型接收机 CNR 与高度角的关系 2.3 伪距残差分析2.3.1伪距观测值测量精度伪距残差是 GNSS 观测数据质量的重要评价指标,图
20、 7 给出了观测时段内所有卫星的伪距单差残差,其绝对值大部分分布在 05m,标准差约为 1.23m,之前已有学者对 Mi8 内置天线的观测噪声进行了详细的评估与分析,伪距噪声约为 20m,伪距残差标准差约为 8m15-16,说明外接天线后 Mi8 手机观测数据质量得到了提升.14:30伪距单差残差/m15:00 15:30 16:00 16:30 17:00GPST/h17:30 18:00 18:3015105051015图 7 观测时段内外接天线 Mi8 手机伪距单差残差2.3.2伪距残差与卫星高度角及 CNR 的关系一般地 GNSS 卫星高度角越低,信号在传播的过程中受到的电离层延迟和对
21、流层延迟的影响也就越大,并且受到的多路径效应也越明显.我们选取C35 卫星和 G14 卫星为例进行分析,图 8 和图 9 分别给出了静态场景下外接天线的 Mi8 手机 C35 和80全 球 定 位 系 统第48卷G14 卫星 CNR、高度角与伪距残差的时间序列.结果显示:在卫星高度角低于 35时 CNR 随高度角下降而有着较为明显的下降;但在卫星高度角高于 35时CNR 整体变化不大,与高度角之间没有明显的相关性.且可以看出:在 CNR 和高度角都较高时,伪距残差基本维持在 3m 的范围之内;当高度角下降到35以下时,此时 CNR 也开始下降,伪距残差波动幅度开始逐渐增大,最高接近 10m.5
22、0454035302520CNR/dB-Hz14:3015:0015:3016:0016:3017:00GPST/h17:3018:0018:30高度角/()10.07.55.02.502.55.07.510.09080706050403020100伪距残差/mCNR高度角伪距残差图 8 外接天线 Mi8 手机的 C35 卫星伪距残差随 CNR 和高度角的变化50454035302520CNR/dB-Hz14:3015:0015:3016:0016:3017:00GPST/h17:3018:0018:3010.07.55.02.502.55.07.510.0908070605040302010
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