基于北斗PPP-RTK模式的大眾智能手機(jī)高精度定位研究進(jìn)展主要內(nèi)容一、相關(guān)背景二、PPP-RTK改正信息使用三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位四、多源測(cè)距信息定位方法

五、結(jié)論與展望(GSA,

GNSS

Market

Report,

2020)大眾化的高精度位置服務(wù)需求日益強(qiáng)烈，創(chuàng)造巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益智能終端占據(jù)全球GNSS設(shè)備總量的80%，是大眾高精度服務(wù)的重要載體一、相關(guān)背景在位置服務(wù)稅收方面，基于手機(jī)的設(shè)備設(shè)數(shù)據(jù)服務(wù)占比超過50%智能手機(jī)是大數(shù)據(jù)和共享經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)資源高精度定位、雙頻芯片以及授權(quán)服務(wù)，推動(dòng)手機(jī)位置服務(wù)應(yīng)用GNSSGNSS提升智能終端定位的精度、連續(xù)性和可靠性，是推動(dòng)北斗高精度服務(wù)走向大眾化、規(guī)?；闹饕夹g(shù)途徑手機(jī)傳感器：北斗/GNSS+IMU+5G+WiFi+藍(lán)牙+地磁+UWB+蜂窩....精度決定因素：北斗/GNSS+

5G+

WiFi

RTT

+

UWB連續(xù)性決定因素：IMU+藍(lán)牙+WiFi指紋+地磁+蜂窩一、相關(guān)背景智能終端的定位精度：5

m+高精度位置服務(wù)需求：~1

m制約因素：硬件（天線、芯片）北斗/GNSS定位方法多類測(cè)距傳感器的融合5~10m~1m?一、相關(guān)背景天線：雙天線，雙頻信號(hào)跟蹤芯片：北斗+5G融合先進(jìn)的環(huán)路跟蹤技術(shù)專業(yè)的RHCP測(cè)量天線良好的多路徑抑制效果原始觀數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)良體積較大、價(jià)格昂貴面向?qū)I(yè)領(lǐng)域應(yīng)用普通的環(huán)路跟蹤技術(shù)廉價(jià)的貼片/線極化天線不具備多路徑抑制能力原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量差體積小、價(jià)格便宜面向大眾導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用大眾導(dǎo)航型終端測(cè)量型終端一、相關(guān)背景隨機(jī)模型構(gòu)建數(shù)據(jù)質(zhì)量控制實(shí)時(shí)增強(qiáng)信息載體運(yùn)動(dòng)模型實(shí)時(shí)精密定位充分利用內(nèi)部數(shù)據(jù)充分挖掘外部信息觀測(cè)模型構(gòu)建影響實(shí)時(shí)高精度定位的主要因素Smart-PPP

v1.0Smart-PPP

v2.0

On-going多源測(cè)距信息一、相關(guān)背景提升精度的基本思路PPP-RTK更高精度改正信息->手機(jī)數(shù)據(jù)和信息挖掘利用->其他測(cè)距傳感器信息主要內(nèi)容一、相關(guān)背景二、PPP-RTK改正信息使用三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位四、多源測(cè)距信息定位方法

五、結(jié)論與展望二、PPP-RTK改正信息使用PPP-RTK與傳統(tǒng)RTK、PPP的關(guān)系對(duì)比以密集布站為特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)

RTK技術(shù)以狀態(tài)域空間誤差修正為特點(diǎn)的

PPP技術(shù)高精度定位廣覆蓋收斂慢收斂快小范圍衛(wèi)星鐘差信號(hào)偏差衛(wèi)星軌道電離層誤差對(duì)流層誤差接收機(jī)鐘差PPP-RTK二、PPP-RTK改正信息使用GNSS服務(wù)商提供的PPP/PPP-RTK服務(wù)狀態(tài)(截至2021年5月)導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)類型播發(fā)衛(wèi)星服務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)格式服務(wù)覆蓋范圍QZSS

CLASPPP-RTKIGSO/GEOOperational(2018-)2,000

bpsCompact

SSRRegional

(Japan)QZSSMADOCAPPPIGSO/GEOExperimental(2017-)2,000

bpsRTCM

SSRRegional

(Japan)Galileo

HASPPPMEODevelopment(2021-)500

bpsBased

onCompact

SSRGlobalBDS

PPPPPPGEOOperational(2020-)500

bpsSSR(PPP-B2bI

ICD)Regional

(China)AustralianSBASPPPGEODevelopment(2023-)250

bps?TBDRegional

(Aus/NZ)GLONASS

PPPPPPGEOConcept(2030-)4,000

bpsRTCM

SSRRegional

(Russia)Hirokawa

et

al.

2020二、PPP-RTK改正信息使用PPP/PPP-RTK數(shù)據(jù)格式類型(截至2021年5月)PPP-RTK高精度廣播式服務(wù)后向兼容傳統(tǒng)PPP和RTK的服務(wù)PPP-RTK高精度事后處理服務(wù)服務(wù)模式通過不同增強(qiáng)信息組合實(shí)現(xiàn)從米到厘米級(jí)的瞬時(shí)精密定位軌道、鐘差、碼偏差

PPP相位偏差、系統(tǒng)間偏差PPP-AR電離層、對(duì)流層延遲

PPP-RTK用戶請(qǐng)求云處理二、PPP-RTK改正信息使用PPP-RTK主要服務(wù)模式分析智能手機(jī)高精度定位服務(wù)主要產(chǎn)品（1m）軌道鐘差碼偏差電離層（全球、區(qū)域）…

…二、PPP-RTK改正信息使用告警門限（AL）eg:0.5米tv

nobsUREorb

clkt

1

i

1

RMS

(

rest

,i

w)表征誤差上限，即保護(hù)水平eg.3URE+0.05監(jiān)測(cè)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)軌道鐘差產(chǎn)品數(shù)據(jù)流產(chǎn)品監(jiān)測(cè)云服務(wù)器多站并行處理多站多歷元?dú)埐钪鹦l(wèi)星進(jìn)行殘差統(tǒng)計(jì)閾值監(jiān)測(cè)超限告警質(zhì)量標(biāo)識(shí)表示方式：類Stanford

plotPPP-RTK精密衛(wèi)星軌道和鐘差的完好性監(jiān)測(cè)目前實(shí)時(shí)精密軌道鐘差產(chǎn)品未給出完好性標(biāo)志已有的方法-SBAS針對(duì)偽距-從載波相位觀測(cè)量中扣除各類獨(dú)立估計(jì)的誤差項(xiàng)只能監(jiān)測(cè)大故障，對(duì)亞米級(jí)小故障效果差二、PPP-RTK改正信息使用融合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的全球電離層TEC產(chǎn)品快速計(jì)算方法多源異構(gòu)、星地互補(bǔ)地基GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流地基GNSS小時(shí)文件測(cè)高衛(wèi)星電離層TEC星載GNSS電離層觀測(cè)DORIS電離層觀測(cè)T0T0-1小時(shí)T0-3小時(shí)T0-1天T0-3天預(yù)報(bào)建模建模預(yù)報(bào)建模建模實(shí)時(shí)服務(wù)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)并行法方程組12345預(yù)報(bào)+建模綜合處理策略二、PPP-RTK改正信息使用融合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的全球電離層TEC產(chǎn)品快速計(jì)算方法電離層質(zhì)量精度因子2021（模型，易于播發(fā)）2020（格網(wǎng)，難以發(fā)播）帶有質(zhì)量標(biāo)識(shí)的電離層產(chǎn)品（新增）二、PPP-RTK改正信息使用融合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的全球電離層TEC產(chǎn)品快速計(jì)算方法電離層質(zhì)量精度因子帶有質(zhì)量標(biāo)識(shí)的電離層產(chǎn)品（新增）ADIS：低緯度地區(qū)二、PPP-RTK改正信息使用融合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的全球電離層TEC產(chǎn)品快速計(jì)算方法中國(guó)區(qū)域電離層產(chǎn)品觀測(cè)站分布格網(wǎng)點(diǎn)精度因子精度質(zhì)量標(biāo)識(shí)產(chǎn)品GNSSOrbitClockCode

biasOrbit+ClockURAIONGPS105710581059106010611264GLONASS10631064106510661067GALILEO12401241124212431244QZSS12461247124812491250BDS12581259126012611262CAS提供的PPP-RTK改正信息數(shù)據(jù)流（迭代更新）二、PPP-RTK改正信息使用主要內(nèi)容一、相關(guān)背景二、PPP-RTK改正信息使用三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位四、多源測(cè)距信息定位方法

五、結(jié)論與展望智能手機(jī)和測(cè)量型天線性能對(duì)比智能終端天線特性(Kenneth

M.

Pesyna,

et

al.

2015)增益低10dB左右多路徑抑制能力差給高精度定位帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位智能手機(jī)接收設(shè)備大地測(cè)量型接收機(jī)常規(guī)精密單點(diǎn)定位觀測(cè)模型不適用智能手機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)獨(dú)立接收機(jī)鐘差參數(shù)模型補(bǔ)償異步碼載時(shí)鐘不一致性非差非組合模型統(tǒng)一處理單/雙/多頻混合數(shù)據(jù)510Code

(m)Code

and

carrier-phase

residuals-

with

one

common

receiver

clock

parameter5001500200000-0.2-0.4-0.61000Epoch

(s)Carrier-phase

(m)E1

(m)Carrier-phase

residuals

of

E1/E5a

signals-

with

one

common

receiver

clock

parameter00.10-0.1-0.2-0.30.2E5a

(m)500 1000

1500

2000

2500

3000Epoch

(s)三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位建立與智能手機(jī)數(shù)據(jù)特性匹配的載噪比相關(guān)隨機(jī)模型傳統(tǒng)高度角模型不適用智能手機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)與高度角弱相關(guān)與C/N0強(qiáng)相關(guān)傳統(tǒng)高度×角定權(quán)模型基于信噪√比的定權(quán)模型三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位粗差探測(cè)平滑偽距周跳探測(cè)殘差控制故障診斷與排除00.20.40.811.2-200-10001002000.6Time

(h)Pseudorange

Residuals

(m)77.27.47.888.2-24007.6Epoch

(h)-2300-2200-2100-2000-1900-1800CyclesG29Delta

PseudoRange

Doppler三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位專門針對(duì)智能手機(jī)數(shù)據(jù)特性建立專門的質(zhì)量控制方法數(shù)據(jù)質(zhì)量控制原理和流程圖三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位面向智能終端的情景信息識(shí)別算法設(shè)計(jì)三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位原始數(shù)據(jù)靜態(tài)扶梯動(dòng)態(tài)電梯or樓梯？平地？電梯平地樓梯上or下？上or下？上or下？上下上下上下靜止轉(zhuǎn)彎？直行轉(zhuǎn)彎var

a動(dòng)

態(tài)

？Threa面向智能終端的情景信息識(shí)別算法設(shè)計(jì)決策樹設(shè)計(jì)

el

k

el

k

el

flag

1,if

p

a

Thre&

p

a

Thre

el

flag

0,

otherwise

eses

es

eses

es

es

flag

1,if

p

dbro

Thre&

p

dbro

Thre

flag

1,if

p

dbro

Thre

&

p

dbro

Thre

flag

0,

otherwise

svmw

Threw

st

a

a

afaThre

flag

1,if

R

2

R

4

&

F

flag

0,

otherwise

st

h

flagh

1,if

dh

Threh

flag

1,if

dh

Thre

h加速度幅值的方差加速度幅值正負(fù)過零率

flagel

1,if

p

ak

Thre

el

&

p

ak

Thre

el

氣壓梯度的正負(fù)過零率自相關(guān)系數(shù)和主頻高度梯度值

iKjf

iicP

SKj

1T

三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位面向智能終端的情景信息識(shí)別算法設(shè)計(jì)靜止行走上樓梯下樓梯電梯上電梯下扶梯上扶梯下轉(zhuǎn)彎靜止1/81/81/81/81/81/81/81/8-行走1/91/91/91/91/91/91/91/91/9上樓梯1/41/41/4-----1/4下樓梯1/41/4-1/4----1/4電梯上1/31/3--1/3----電梯下1/31/3---1/3---扶梯上1/31/3----1/3--扶梯下1/31/3-----1/3-轉(zhuǎn)彎1/51/51/51/5----1/5靜止行走上樓梯下樓梯電梯上電梯下扶梯上扶梯下轉(zhuǎn)彎556644662狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率iP

T

特征數(shù)量分配表P

Ti

S

f

P

Ti

P

S

f

Ti

iKjf

iP

S T

icj

1K

基于DT-BP方法的概率分配設(shè)計(jì)不同識(shí)別算法比較提出的算法（DT-BP）與多模型的機(jī)器學(xué)習(xí)的方法有同等的識(shí)別成功率，但計(jì)算復(fù)雜度降低、樣本量需求小、易于實(shí)現(xiàn)。三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位面向智能終端的情景信息識(shí)別算法設(shè)計(jì)ResultsbeforefilteringSmart-PPPsolutions50

mNReference

trajectory低速隨機(jī)性較強(qiáng)高程變化非常緩慢低速、高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受限水平和高程運(yùn)動(dòng)不同基于載體運(yùn)動(dòng)慣性建立自適用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以實(shí)現(xiàn)歷元間的合理約束行人：車輛：施加運(yùn)動(dòng)模型的定位效果三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位綜合形成專門面向智能手機(jī)的北斗/GNSS高精度定位方法PPP-RTK改正信息北斗B2b改正信息以上二選一即可智能手機(jī)內(nèi)部衛(wèi)星 導(dǎo)航觀測(cè)信息Wang,

L.,

et

al.,

Real-timeGNSS

precisepointpositioningfor

low-costsmart

devices.

GPSSolutions,

2021.

25(2)實(shí)驗(yàn)類別1收斂測(cè)試2靜態(tài)定位3行人動(dòng)態(tài)定位4車載動(dòng)態(tài)定位-車頂5車載動(dòng)態(tài)定位-車內(nèi)Android端定位軟件(SmartPPP)三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位與華為合作，開展了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試，驗(yàn)證了算法性能050010001500200025003000HorizontalTime

(s)Convergence

time

[threshold

=

1.0

m]e=660d=440c=92b=30a=1050010001500200025003000Verticale=1308d=721c=268b=48a=1OutlierUpper

adjacent75th

percentileMedian25th

percentileLower

adjacentBox-plot:edcba00.511.52Errors

(m)Convergence

of

Smart-PPP

in

Horizontal00.511.522.530

2

4

6 8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36Epoch

(hour)|Errors|

(m)0

2

4

6 8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36Epoch

(hour)Convergence

of

Smart-PPP

in

Vertical實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果收斂測(cè)試1m門限每小時(shí)重置水平垂直三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位0100030004000-8-6-4-2642Errors

(m)Smart-PPPUpNorthEast1000

20002000Epoch

(s)30004000-10-0.50.5001指標(biāo)Smart-PPP

(m)全部解收斂后ENUENU平均值0.12-0.15-0.260.06-0.18-0.14STD0.410.220.730.210.130.14RMS0.430.270.770.220.220.20三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果2）靜態(tài)測(cè)試-600-400-2000200400600-100-200-3000100200300West

-

East

(m)South

-

North

(m)ReferencePVTSmart-PPP指標(biāo)手機(jī)PVT

(m)Smart-PPP（m）ENUENU平均值-1.36-1.38-1.630.010.08-0.41STD4.532.581.520.650.541.01RMS4.732.922.230.650.541.09CEP958.225.284.151.031.082.29200060008000-15-10-50510154000Epoch(s)Errors

(m)PVT200060008000-3-2-14000Epoch(s)01Errors

(m)Smart-PPPUpNorthEast三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果3）行人動(dòng)態(tài)測(cè)試RMS(m)CEP68(m)CEP95(m)HV3DHV3DHV3D手機(jī)PVT2.864.595.412.545.415.773.136.987.68PPP0.651.221.380.640.851.121.232.722.82PPP增益77.27%73.42%74.49%74.80%84.29%80.59%60.70%61.03%63.28%SPP1.161.862.191.031.732.082.333.674.23SPP增益59.44%59.47%59.52%59.45%68.02%63.95%25.56%47.42%44.92%BDSmartPPPSPP三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果4）車頂動(dòng)態(tài)測(cè)試10002000300040005000123456Epoch

(s)Errors(m)Horizontal

Positioning

ErrorsPVTPPP10002000300040005000-8-6-4-2024Epoch

(s)Errors(m)VerticalPositioningErrorsPVTPPPRMS(m)CEP68(m)CEP95(m)HV3DHV3DHV3D手機(jī)PVT2.553.904.662.084.114.995.007.157.23PPP1.091.241.651.171.181.691.852.432.87PPP增益57.25%68.21%64.59%43.75%71.29%66.13%63.00%66.01%60.30%SPP1.481.972.471.551.802.402.523.854.21SPP增益41.96%49.49%47.00%25.48%56.20%51.90%49.60%46.15%41.77%三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果5）車內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)試主要內(nèi)容一、相關(guān)背景二、PPP-RTK改正信息使用三、北斗/GNSS手機(jī)精密定位四、多源測(cè)距信息定位方法

五、結(jié)論與展望1000300040001238765492000Epoch

(s)Errors

(m)Horizontal

PositioningErrorsPVTPPP基本原則：通信可達(dá)區(qū)域皆可導(dǎo)航。（楊軍,2021）存在問題：各類復(fù)雜或遮擋環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航單一手段難以保證定位精度、連續(xù)性、可用性。解決思路：衛(wèi)星導(dǎo)航、WiFi-RTT以及5G毫米波等主要無(wú)線電測(cè)距手段的高精度測(cè)距信息，可視為“偽衛(wèi)星”，通過深度融合解算，提升和確保智能手機(jī)定位精度。路由器/AP北斗/GNSS衛(wèi)星智能手機(jī)四、多源測(cè)距信息定位方法智能手機(jī)WiFi-RTT測(cè)距基本性能及誤差分析基本原理：雙向時(shí)差測(cè)距，噪聲水平：0.1-0.3m隨機(jī)誤差：WiFi內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器穩(wěn)定性、相位噪聲、信號(hào)處理與硬件時(shí)延、多路徑及非視距系統(tǒng)誤差：呈現(xiàn)半系統(tǒng)性誤差特征、基本穩(wěn)定、可標(biāo)定消除1.2m高木桌+墻壁作為反射面四、多源測(cè)距信息定位方法WiFi-RTT多徑影響WiFi-RTT障礙物影響WiFi-RTT系統(tǒng)誤差及噪聲

x

N

1BT

P(L

S

)

S

(P

R

PBN

-1

BT

P)

1

(P

PBN

-1

BT

P)L

L

H

(

)L

H

(

)

J

+

(I

J

)B[BT

P(I

J

)B]-1

BP(I

J

)

J

=

(P

R)

1

P

N

BT

PB四、多源測(cè)距信息定位方法基于半?yún)?shù)的智能手機(jī)WiFi-RTT定位方法克服半?yún)?shù)系統(tǒng)誤差L

=

BX

+

S

+

Δ,

PWiFi-RTT測(cè)距和定位工作原理示意圖平均偏差（m）標(biāo)準(zhǔn)差（m）RMS（m）XYXYXY最小二乘法-0.080.050.310.320.320.33半?yún)?shù)方法0.01m-0.010.260.280.260.29提升比例87.5%80%16.1%12.5%18.8%12.1%靜態(tài)實(shí)驗(yàn)四、多源測(cè)距信息定位方法基于半?yún)?shù)的智能手機(jī)WiFi-RTT定位方法靜態(tài)定位測(cè)試最小二乘法半?yún)?shù)模型提升比例平均偏差/m縱向航跡-0.060.0350.0%橫向航跡-0.130.0746.2%STD/m縱向航跡1.100.5252.7%橫向航跡1.020.5447.1%RMS/m縱向航跡1.090.5252.3%橫向航跡1.020.5447.1%基于半?yún)?shù)的智能手機(jī)WiFi-RTT定位方法動(dòng)態(tài)定位測(cè)試動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)四、多源測(cè)距信息定位方法基于5G定位信號(hào)與北斗之間的輔助增強(qiáng)關(guān)系四、多源測(cè)距信息定位方法ABDS-縮短首次定位時(shí)間、提升定位精度、等效提升接收靈敏度改善室內(nèi)或半遮擋環(huán)境下定位幾何結(jié)構(gòu)高精度授時(shí)時(shí)空基準(zhǔn)信息北斗5G