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基于智能手机GNSS观测值的连续平滑定位算法

史翔  
【摘要】:目前,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)芯片几乎搭载在每个智能手机、平板电脑等移动智能终端中。基于其所衍生出来的位置服务(Location Based Services,LBS)移动应用,如社交软件分享位置、行人/车载导航、精准营销等,丰富和充实了每个人的日常生活。自2016年起,谷歌Google公司在其发布的面向移动设备的Android Nougat 7.0及以上版本的操作系统中提供了原始GNSS观测值(如C1伪距观测值、L1载波相位观测值、D1多普勒观测值)的获取接口。这将意味着,手机中的GNSS模块已经对于开发者不再是以前的只能输出位置、速度、方向等导航定位信息的“黑盒子”。因此,开发者能够对智能终端的导航定位性能做更深层次的优化。此外,智能手机的GNSS硬件模块质量也在不断提升。自2018年起,手机厂商陆续推出了双频L1/L5智能手机,如Xiaomi 8、Huawei MATE20等。L5频点观测值的加入,使得智能终端可以采用双频无电离层组合来消除电离层延迟影响。另外,L5具有波长长、信号强度衰减小,码元周期长且速率快等特点,使得其抗多路径效应能力更强,更适合于高楼林立、多路径效应严重的城市复杂环境导航定位。然而,与GNSS测量型接收机所不同的是,智能手机通常采用体积小的线性极化天线和低功耗的GNSS芯片。这势必会影响到GNSS观测值的质量及其特征,从而会影响到定位的精度及可靠性。本文针对市场上常见的单频/双频智能手机的GNSS观测值进行全面深入的质量分析。随后,结合其特有的质量特征,提出了一种基于智能手机GNSS观测值的连续平滑定位算法,并通过相关的单频/双频手机的动态数据,验证了该算法的可行性。本文的主要工作与结论如下:(1)阐述了基于大众用户的智能手机导航定位的研究背景;总结了目前制约智能手机精密定位的难点及痛点;梳理了近些年来国内外关于智能手机观测质量评估及定位算法的研究现状。(2)简要概述GPS、BDS、GALILEO、GLONASS、QZSS各个系统的时空基准并给出了其统一方法;针对目前市场上的单频、双频智能手机,提出了“L1/L5无电离层组合”和“L1/L5非组合”两种多频多系统伪距单点定位基本模型;简要概述了卡尔曼滤波进行参数估计的基本模型。(3)简要阐述了智能手机GNSS模块的基本结构和Android原始GNSS观测值的获取及生成方法;从卫星跟踪情况、信噪比、伪距单差残差、duty cycle、测速分析等多方面对单频/双频手机的GNSS观测值进行全面深入分析。经分析得知,智能手机的GNSS伪距观测值精度低且粗差较多,远不如测量型接收机。另外,其相位、多普勒精度较高,其测速精度在部分情况可达到cm/s。(4)根据智能手机特有的伪距观测值质量特征,建立了相应的随机模型,并研究给出了一些适用于智能手机GNSS原始观测值的数据预处理策略。(5)基于市场上常见的智能手机GNSS原始观测值的分析结果,提出了一种基于GNSS原始观测值并顾及duty cycle的单频/双频智能手机连续平滑定位算法。其本质为通过载波相位历元差分、多普勒测速来提供精确的前后历元的载体位置变化量从而到达平滑伪距在绝对定位中的噪声项的目的。随后,通过采用单频Google Nexus 9、Huawei P10、Samsung S8,双频Huawei MATE20、Xiaomi 8智能手机的动态数据进行相应的算法验证。结果表明,单频定位精度能够在平面达到3-4m,高程方向3-5m的定位精度。双频手机定位精度优于单频结果,平面高程分别为2-3m、3m。单频/双频智能手机的定位结果连续、平滑、具有良好导航用户体验。


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