好文推荐｜低成本高精度定位技术研究进展
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目前已有超过120颗全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)卫星进入太空，为各行各业提供高质量定位服务，多频多模的组合定位逐渐成为研究热点[1]。定位精度是GNSS技术进步的主要驱动因素，而实时位置服务成为GNSS的发展趋势[2]，如自动靠泊、水文测量、智能交通、建筑工程和货物卸载[3]等应用对低价高精度定位的需求都迅速增长。随着GNSS高精度定位技术的愈发成熟，高精度定位产品的价格呈下降趋势，如何解决高精度定位在低成本应用中的矛盾成为GNSS高精度定位向大众市场深入拓展的研究热点。
目前主流的GNSS高精度定位技术主要有载波相位差分技术(carrier-phase differential GNSS，CDGNSS)、实时动态定位技术(real time kinematic，RTK)、精确单点定位技术(precise point position，PPP)。文献[4-5]指出载波相位差分GNSS定位技术成为高精度定位技术主流，并广泛应用于测绘、精准农业等领域，但是在智能手机和其他用户级接收机的应用中却受到了阻碍，其原因并不在用户接收机GNSS芯片上，而在抗多径效应能力较差的低成本、低质量的GNSS接收天线上。与测绘级接收机相比，低成本接收机的卫星信号处理能力与天线性能相对较弱，这也为高精度定位向低成本趋势发展带来挑战。
2018年12月底，北斗三号系统基本全面建成，开始为全球提供定位服务。由于北斗信号较GPS信号拥有更好的抗多径性能，因此为低成本接收机实现高精度定位带来新的契机。国内外先后有许多学者也针对GNSS接收机天线运动减轻多径影响以提高定位性能的研究，如在天线运动方式、天线运动引起多径信号变化、多天线运动等方面开展了广泛研究。
文献[5-6]均通过试验证明，智能手机所接收到的卫星观测数据能够支持高精度定位。随着市场GNSS信号处理芯片的演进，智能手机等低成本终端能够通过访问、解析产生实现定位技术所需的观测数据。
本文首先对现有的高精度GNSS定位技术进行总结，分析在低成本接收机中应用高精度定位技术存在的问题；然后针对这些问题从接收机信号处理能力与天线性能两个方面展开低成本实现高精度定位的解决方案的讨论；最后对低成本实现高精度定位技术的发展趋势作出展望。
1 高精度定位技术
1.1 差分定位技术(DGNSS)
差分全球定位系统(DGNSS)技术基本原理是根据参考站已知精确三维坐标，将求出的差分修正量发送给用户，用户对测量数据或位置进行修正，以达到提高GNSS定位精度的目的。目前该技术能将电离层、对流层等误差进行分离，向移动站接收机发送卫星轨道纠正、卫星时钟修正和大气延迟改正数等信息。DGNSS已经由单参考站发展为具有多个参考站的局域差分系统和广域差分系统，广域差分系统如美国的WAAS、欧盟的EGNOS等都得到了发展和应用[7]。
根据差分修正量类型的不同，可以将差分定位分为位置差分、伪距差分、载波相位差分3类。位置差分与伪距差分都属于编码差分，因其编码结构与随机噪声的测量精度影响，这种定位方式很难满足高精度的要求[8]。载波相位差分技术通过对不同接收机的卫星载波相位观测值组合进行差分处理，消除测量值中的公共误差项，继而达到厘米级的高精度定位水平[9]。为实现更高精度的定位性能，标准的编码定位技术已被载波相位差分技术所替代。但在载波相位量未能连续观测的情况下，伪距定位的方式仍将作为备选解算方案。
1.2 实时动态定位技术(RTK)
RTK是利用GNSS载波相位观测量进行实时动态相对定位的技术。RTK技术更加复杂、更易受干扰，其目标是在尽可能短的实时数据处理时间内，使任何用户在动态场景下的定位精度高达厘米级水平[10]。但受参考站数量及通信方式等的限制，传统RTK存在测程短、不能达到100%的可靠度、可用性低、受卫星状况限制等问题[11]；另外，RTK定位最复杂的部分就在于模糊度解算，且易受双向通信链路和服务提供区域的制约。
网络RTK(NRTK)技术是依靠通信网络将多个基准站的数据实时传输到计算中心，联合若干个基准站解算电离层、对流层影响，并以移动通信方式向用户进行传输修正量，以提高RTK定位可靠性和定位精度的方法[12]。虽然NRTK已经成功地应用于精密工程测量和形变监测等许多领域，但是在城市地区，NRTK的初始化速度、模糊度解算固定速率、定位精度受导航卫星信号阻塞的显著影响。文献[13]基于香港城市环境开发了一种GNSS NRTK服务平台，这种NRTK为低成本终端解决城市地区卫星信号阻塞带来了新思路。
1.3 精密单点定位技术(PPP)
PPP技术是基于单个接收机的载波相位和伪距观测量，通过模型或参数改正的方式改善误差对定位的影响。PPP技术克服了伪距单点定位(SPP)精度低的不足，同时避免了相对定位和差分定位作业观测复杂、依赖基站等缺点，为全球高精度定位提供了一种低成本的定位新方法[14]。
要实现厘米级的PPP快速定位就要将相位整周数解算为整数值，但是在标准的PPP技术中，模糊度难以从相位与编码数据的卫星硬件延迟偏差中直接分离，且获得PPP固定解的初始化时间较长。文献[15]提出了一种单接收机用户在短时间内完成模糊度解算并实现高精度定位的PPP-RTK方法。这种方法的基本原理类似于标准PPP方法，却克服了RTK与PPP各自的缺陷，能够实现动态定位的亚米级、甚至厘米级精度。针对低成本接收机实现PPP而言，还需要攻克其初始化时间较长、难以得到模糊度固定解等关键技术问题。
1.4 小结
DGNSS、RTK、PPP等技术经提出后，为定位精度的提高带来了许多解决方案。随着定位需求的提升，这些技术也在不断地改进，许多研究机构与高校致力于高精度定位的研究，在定位模型、算法结构、误差建模等方面都取得了不少研究成果。对于PPP而言，如何进行初始化时间的缩短是获得高精度解的关键难点。对于RTK而言，成本相对较高，且作业复杂，如何解决成本与精度之间的矛盾依然是亟须考虑的问题。
定位精确度取决于接收机所获得的GNSS观测量的精确度，即编码与载波相位的精确度。接收机消除误差的能力越强，其定位精度就越高、越可靠。另外，与低成本接收机相比，测绘级接收机具有更好的信号接收与处理性能，可以显著提高接收机的定位精度。因此，需要从低成本接收机与天线的特性入手，探索适用于移动终端等低成本接收机的高精度定位技术。
2 低成本解决方案
低成本、低功耗、低复杂度、高实时性、强抗多径能力是移动终端实现高精度定位的具体要求。时钟误差、轨道误差、电离层延迟、对流层延迟等误差来源可以通过差分技术加以消除，但多径效应所带来的影响则需要额外的技术加以消除。
高精度定位是基于载波相位的定位技术，这就使得准确估计出载波相位整周数显得尤为重要。不论是发生周跳还是整周模糊度解算性能差等问题都会导致观测量误差范围变大。另外，在载波相位观测量中，为了增加载波测量的精确度，还需要对天线相位中心的偏移(PCO)与变化(PCV)进行修正工作[16]。若天线相位中心不够稳定，也将造成定位精度的偏差。
无论是从天线性能，还是从接收机信号处理能力方面应对低成本接收机的精度优化要求，都涉及多径效应所带来的问题。下面将从这两个方面展开低成本接收机如何解决多径效应等问题的叙述。
2.1 基于接收机信号处理的解决方案
2.1.1 多径信号处理
目前，高精度定位技术均是基于载波相位测距方法。影响载波相位差分技术在低成本接收机中发展的主要原因之一是参考站与移动站之间的通信链路不可避免地存在多径效应。多径效应根据通信信道环境的不同造成导航信号不同程度的时延，而多径效应又无法通过差分技术消除。对于移动终端而言，其所处的场景也呈现动态化、多元化。因此，从接收机信号处理性能方面应对多径效应具有重要意义。
2.1.1.1 相关器技术
相关器技术主要通过相关器、相关函数等处理方法减轻多径干扰或补偿多径误差[17]。其中，窄相关技术[18]、脉冲间隙相关器(PAC)技术[19]、Strobe相关器[20]都具有较好的多径干扰抑制能力。文献[20]介绍了一种增强型的Strobe相关器，由于该项技术不估计任何多径参数，减少了算法的复杂度，可独立运用到每个信道上，使得每路的多径抑制都互不干扰。相关器导致接收机需要额外的计算功率生成更多的相关器抽头系数，从而提高了计算的复杂度与处理器功率消耗。而对于低成本接收机来说，无法承担高的计算复杂度与处理器功耗。
2.1.1.2 多径估计延迟锁定环
多径估计延迟锁定环算法(MEDLL)是关键的多径抑制算法之一，为减小载波相位误差提供了有效解决方案。MEDLL将多径估计和伪码跟踪环路相结合，通过估计多径参数达到消除多径效应的目的[21]。尽管相比传统延迟锁定环(DLL)，MEDLL有更好的抑制多径性能，但它具有计算量大、实时性差和误差积累等缺点。
2.1.1.3 基于信噪比的多径误差修正
检测和减少载波相位多径误差可以基于GNSS接收机提供的信号质量值[22]进行。文献[23-24]提出了一种利用信噪比修正差分相位观测中的多径误差方法，将差分相位误差降低至接近接收机噪声水平。其中文献[24]对该方法进行改进，结合自适应估计多径信噪比中多径信号的频谱参数(频率、幅值、相位偏移)，能够减少47%的差分载波相位多径。该技术通过自适应算法能够实现对待估计参数的实时处理，人为引入多径的方式也在一定程度上加强了对多径强度和频率的控制。这种基于信噪比的多径误差修正方法在测量原始观测量时完成，故而导致持续测量时间较长。
2.1.2 载波相位观测量处理
对于基于载波相位的定位技术而言，载波相位观测量的精确度决定定位结果的精确度，而在解算时存在模糊度的问题。周跳发生在卫星信号失锁而导致的整周计数跳变与中断情况下，如被高层建筑物、树木等遮挡导致卫星信号暂时中断，或多径效应导致卫星信号信噪比过低等。本文将从整周模糊度解算、周跳探测与修复两个方面讨论适用于低成本接收机的技术方法。
2.1.2.1 整周模糊度解算
在载波相位观测量中，载波相位整数模糊度分辨率是实时高精度GNSS定位中的关键方面。文献[25]总结了GNSS载波相位模糊度解算的主要技术，包括整数约束、整数引导、整数最小二乘、贝叶斯估计等方法。本文从上述两个方面叙述适用于低成本接收机的整周模糊度解算方法。
(1) 整周模糊度解算精确度：LAMBDA是一种经典的整数最小二乘模糊度估计方法[26]，为进一步减小LAMBDA的复杂度，提高模糊度解算的实时性，又有学者提出了改进的LAMBDA方法(MLAMBDA)[27]。观测中偏差将在参数估计中传播，对于模糊度解算而言考虑多径效应所引起的偏差十分重要。
(2) 整周模糊度解算收敛时间：文献[4]指出，低成本天线的多径抑制效果差，导致接收机静止时相位误差大且与时间相关性强。这种误差会进一步导致CDGNSS的初始化时间，即所谓的模糊度解算时间(TAR)延长到数百秒。RTK、PPP定位技术在获得模糊度固定解时需要较长的收敛时间，而对于低成本接收机而言，在相位偏差、大气延迟等参数进行精化求解时，无疑又将延长TAR。模糊度初始化时间较长的问题将严重制约实时高精度定位技术在低成本终端的应用，这也是目前高精度定位研究的重难点[28]。另外，有学者提出天线运动、改进的卡尔曼滤波算法等方式能够缩短模糊度解算的初始化时间，具体在后面章节进行讨论。
2.1.2.2 周跳探测与修复
由于多径影响与卫星信号信噪比低而造成周跳是最常见的情形之一，若观测量的稳健性较差也可能引起连续的观测量丢失与周跳现象的发生。
文献[29]总结出了基于观测量的周跳探测与修复方法，如相—码、相—相、多普勒积分[30]、时间差分、惯性辅助等。其中多普勒积分法复杂度低、成本低、实时性强，但是由于其为测量频率的瞬时位移，在高度动态的场景下精确度容易受到影响。基于惯性辅助[31]的周跳探测与修正方法能够实现较为精确的估计，不足之处是要额外增加惯性系统的成本，且GPS与INS集成的复杂度也相应提高。
另外还有一系列其他周跳探测与修复方法，如电离层残差法、多项式拟合、伪距/相位组合法等；也可以采用卡尔曼滤波、小波分析等信号处理方法分析与实现，如文献[32]利用小波分析对奇异点探测的优良性能来探测载波相位的观测量是否存在周跳现象。
2.1.3 GNSS卫星信号估计
2.1.3.1 基于最小二乘的信号估计
文献[33]利用最小二乘方差分量估计法(LS-VCE)对相位方差与协方差进行了精确建模，将连接测绘级天线的低成本接收机与价格高昂的GPS接收机进行了定位性能比较。试验表明，低成本接收机也能够提供与测绘级接收机同样的高精度定位。利用LS-VCE法对接收机的码相方差和协方差进行估计，减小接收机诱导相关时间，并建立精确的随机模型，在正确建模的基础上才能完成对接收机模糊度解算和定位性能的研究。该方法主要针对提升低成本接收机基带信号的处理能力进行研究，通过对原始观测量进行精确建模，进一步达到与测绘级接收机相匹配的定位精度。
2.1.3.2 基于小波分析的信号估计
文献[34]研究了利用小波矩广义方法(GMWM)在低成本GNSS接收机信号随机建模中的应用，还指出对于低成本的接收机而言，如果仅将误差近似为白噪声随机过程，即连续的GNSS观测量被认为是互不相关的，这种误差模型并不足以实现高精度的测量要求。在GNSS定位误差建模这种假设并不总是最优的，反而会对系统的整体定位精度质量产生负面的影响，这就需要对GNSS定位方案及其定量模型的剩余噪声特征进行精确分析，减小系统误差。
2.2 基于接收机天线的解决方案
相比于测绘级GNSS接收天线，低成本接收机的天线存在抗多径能力较差、天线相位中心不够稳定等问题。阻碍厘米级定位技术在移动终端等低成本接收机中发展的主要因素之一就是天线。有研究人员发现，天线的运动能为低成本GNSS终端带来一定的抗多径效果。因此，本文重点从天线运动与天线相位中心两个方面展开基于天线的低成本解决方案的讨论。
2.2.1 基于天线运动的解决方案
文献[35]提出接收机的连续天线运动能够减轻多径干扰。文献[36]研发了一种伺服系统，使得GPS天线能够以圆周方式移动平均多径效应，提高了精确度，减少了整周模糊度。导航领域实现天线运动的基本概念来自雷达领域中的合成孔径技术(SAR)[37]。SAR能够使用平台的运动合成一个尺寸更大的天线阵列，从而产生窄的波束赋形，使得干扰趋于零[38]。天线运动为提高低成本GNSS接收机的抗干扰能力带来新思路，为实现低成本终端的高精度定位提供可能性，因此研究天线运动具有重要意义。
当终端处于高速运动的场景时，周围环境的剧烈变化导致多径信号迅速变化，由于多路反射信号叠加会使得载波相位变化更快，多径效应表现出很强的随机性[7]。因此在进行PVT解算时，动态场景下卡尔曼滤波方法能够更好地对多径误差进行滤波和消除，从而，天线运动能够在一定程度上实现低成本接收机定位精度的提高。
2.2.1.1 利用天线运动减轻多径干扰
文献[39]利用天线运动对多径误差进行抑制，采用一种特殊的多天线选择机制模拟天线的运动，有效地减少了水平位置的定位误差。该文献还提出，在接收机天线静止或运动缓慢时，直射信号与多径信号变化也十分缓慢，而当接收机天线运动时，强的反射信号却能够很好地被平均或抑制掉。文献在研究多径误差与天线运动速度之间关系的基础上，通过对手摇式、旋转式、周期切换式等运动方式的对比，发现多天线的圆周运动机制能够更好地利用天线角度带来的多径抑制性能增益。
文献[4]与文献[39]所提到的天线运动方式并不相同，前者采用的是平缓的随机天线运动，而后者则是可选择周期的规律天线运动。
2.2.1.2 利用天线运动加速模糊度解算时间
文献[4]提出了在使用载波相位差分技术(CDGNSS)进行PVT解算时，利用天线运动减小相位观测量误差相关时间的方法。文献[5]还指出平稳的天线运动能够显著缩短模糊度解算所需的时间。文献[4]在此基础上对运动特性加以利用，进一步减小了模糊度解算的时间(TAR)，并认为在CDGNSS处理过程中，正确建模能够更准确地实现模糊度估计，但不能显著缩短TAR，因此模糊度解算时间研究工作的重点还应落在减小观测量误差的时间相关性上。
该方法与文献[37]中所采用的SAR技术的区别在于，其并没有利用完全的运动特性连贯地处理复杂的天线运动轨迹的参数，如姿态、方位角、速度等。该方法没有对天线运动的特性进行精确分析，而是仅利用移动站天线的相位中心与中心的变化幅度信息建立模型，对天线相对位置模型进行扩展，并利用到CDGNSS估计器中，从而缩短解算的初始化时间。
2.2.1.3 基于天线运动的多径信号分析
文献[40]提出了一种利用天线运动引起的信号幅度或相位变化的影响对GNSS多径信号进行特征分析与误差补偿的方法。不同于文献[37]，该方法并不是探索利用天线运动对直射与多径信号的不同影响减轻多径效应，而是通过对直射与多径信号相对位置关系分析减小载波相位的多径失真。尽管该方法联合CDGNSS估计器提供了伪码与载波多径信号精确的建模分析方法，但其复杂度较高。
2.2.1.4 小结
探索天线运动为低成本接收机实现高精度定位提供了很多可参考的解决思路，如利用天线运动的先验知识降低接收机模糊度解算的时间[4]、利用天线运动应对复杂的多径环境[39]、利用虚拟天线运动对干扰信号进行空间抑制[41]。表 1对以上文献中的4种不同基于天线运动的技术进行了总结。
表 1 天线运动技术汇总
| 技术分类 | 原理 | 运动特性 | 多径抑制 | 复杂度 | 成本 |
| 随机天线运动[4] | 平稳天线运动减少观测量误差的相关时间，从而减小TAR | 部分利用 | 是 | 低 | 低 |
| 基于GPS的SAR[37] | 天线运动形成大的合成孔径，缩窄相位阵列波束，增加直射信号方向的增益 | 全部利用 | 是 | 高 | 高 |
| 周期天线运动[39] | 多天线运动的周期选择利用多角度接收信号、平均多径带来的误差干扰 | 不利用 | 是 | 低 | 一般，需特殊 装置支持 |
| 基于天线运动的 多径信号分析[40] | 分析天线运动引起的信号幅度、相位变化，对多径信号进行特征分析与误差补偿 | 部分利用 | 是 | 高 | 一般 |
2.2.2 基于天线相位中心的解决方案
在卫星定位导航系统中，数据处理时一般将天线的物理相位中心设为基准点，天线相位中心的偏移对高精度定位的影响可能达到厘米级，从而对接收机解算结果产生影响[42]。实现GNSS的厘米级甚至是毫米级的高精度定位，要求对载波相位进行精确测量，并对载波相位中心偏移(PCO)和相位中心变化(PCV)进行修正。
大地测量的参数都会受相位中心修正量的影响，根据每个软件处理观测模型和参数估计方式的不同，这种影响又将会被不同程度地放大[43]。本文将从两个方面展开对天线相位中心不稳定问题的解决策略展开叙述。
2.2.2.1 天线设计
文献[44]提出了一种利用GPS和GLONASS信号进行高精度定位的右圆极化槽状带状线漏波天线的辐射单元设计。结果表明，新辐射器的应用降低了轴向比，改善了相位中心的交叉抑制且提高了其稳定性，提升了观测数据的质量，进而提高了定位的精度。
文献[45]提出了一种新型的具有稳定相位中心的环形开槽中心馈电圆极化天线。由于贴片辐射体结构紧凑对称，因此该类天线相位中心偏差(PCV)很小。这种紧凑型GNSS天线能够减小天线相位中心偏差，为移动终端的定位提供实现集成度高、成本低、多频段高精度定位的可能。
2.2.2.2 天线相位中心参数估计
天线相位中心误差为主要的误差源之一。文献[46]以天线相位图和幅值图的实测数据为基础，采用最小二乘法计算天线相位中心偏差。该方法测量精度小于1 mm，能够准确方便地测量相位中心。
文献[47]提出了一种改进、有效的平均电相位中心(MEPC)分析与估计方法，通过试验分别对两种不同天线进行了测量与评估，试验结果表明贴片天线具有在GNSS信号接收中应用的潜力。该估计方法涉及数字化后处理的相对相位观测量，并分析了相位中心随观测量角度和频率的变化。
3 总结
文献[44]指出使用智能手机天线接收到的信号进行高精度差分定位的主要挑战不是源于信号的低载噪比，而是由于天线的抗多径性能差，导致解算过程中产生显著的多径诱导相位误差。如果能够利用较低成本的信号处理技术与天线实现定位精度的提升，无疑扩大了RTK、PPP等载波相位差分技术的应用范围。本文总结了3种高精度定位技术，比较了其中的利弊和改进技术。另外，还着重分析了低成本接收机实现精度更高的定位技术将要面临的主要问题，即接收信号处理与天线性能方面，并针对其中问题提出了解决方案，总结见表 2。
表 2 低成本高精度定位的技术实现总结
| 面临的问题 | 处理角度 | 技术方法 | 解决问题 |
| 信号处理 | 多径信号处理 | 改进的相关器、MEDLL | 多径抑制与误差补偿 |
| 基于SNR的多径误差修正 | 误差补偿 | ||
| 载波相位观测量 | 惯导辅助、多普勒积分 | 周跳探测与修复 | |
| AMPE、信号平方法 | 整周模糊度解算 | ||
| GNSS信号估计 | LS、KF | 随机模型的精确建立 | |
| 小波分析 | 精确建模 | ||
| 天线 | 天线运动 | 随机天线运动 | 缩短TAR / TTFFꎬ多径抑制 |
| 周期天线运动 | 平均多径误差 | ||
| 天线相位中心 | 相位中心参数精确建模 | 补偿相位中心误差 | |
| 天线设计 | 稳定的天线相位中心 |
由于低成本GNSS接收机的计算性能与存储资源都十分有限，无法同厘米级乃至毫米级定位精度的双频测绘级GNSS接收机相比。测绘级接收机卓越的多径抑制技术、接收信号的强度与可观测卫星的数目等都使得其能够支持高精度的定位性能的实现。因此，要实现低价的高精度定位技术，就要另辟蹊径，解决低成本接收机本质问题。已有研究人员提出天线运动能够有效地减轻多径效应带来的误差，提高低成本接收机的定位性能。文献[63]提到天线运动会引起多径反射信号的幅度与相位变化，而对于天线运动是否会对天线相位中心造成影响还需要试验分析。本文未来的重点研究工作为天线的随机运动，研究天线运动的具体参数(如速度、运动轨迹等)对定位精度的影响，以及低成本接收机接收的数据质量情况，尝试提出相关的参数模型，提供改进定位算法的思路或具体方法，探索实现低成本高精度定位的普适性技术。
引文格式：
李婉清, 傅其祥, 刘倍典, 等. 低成本高精度定位技术研究进展[J]. 测绘通报，2020(2)：1-8. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2020.0036.
LI Wanqing, FU Qixiang, LIU Beidian, et al. Review of low-cost and high-precision positioning technology[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2020(2): 1-8. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2020.0036.
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