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李子申研究员、汪亮博士:面向车载导航的智能手机GNSS实时精密单点定位

汪亮 卫星导航国际期刊 2023-01-11

标题:面向车载导航的智能手机GNSS实时精密单点定位

作者:李子申,汪亮*,王宁波,李冉,刘昂

主题词全球卫星导航系统智能手机定位精密单点定位;原始观测值;车载导航         

                 

(图片来自作者)


Real-time GNSS precise point positioning with smartphones for vehicle navigationZishen Li , Liang Wang*, Ningbo Wang, Ran Li and Ang LiuSatellite Navigation (2022) 3: 19

引用文章:

Li, Z. S., Wang, L., Wang, N. B. et al. Real-time GNSS precise point positioning with smartphones for vehicle navigation. Satell Navig 3, 19 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43020-022-00079-x

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‍https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-022-00079-x

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Editorial Summary

Real-time PPP with smartphones for vehicle navigation

To promote the application of GNSS Precise Point Positioning (PPP) for land vehicle navigation with smartphones, the authors proposed a real-time smartphone PPP processing method for realizing high accuracy positioning. Two vehicle-based comparative experiments for data quality analysis and positioning performance validation were carried out using two Huawei Mate30 smartphones and two Huawei P40 smartphones with different installation modes: the vehicle-roof mode with smartphones mounted on the top roof outside the vehicle, and the dashboard mode with smartphones stabilized on the dashboard inside the vehicle. 

Positioning results show that the real-time PPP can achieve the horizontal positioning accuracy of about 1–1.5 m in terms of Root-Mean-Square (RMS) and better than 2.5 m at the 95th percentile for the vehicle-based kinematic positioning with the experimental smartphones mounted on the dashboard inside the vehicle, which is the real scenario in vehicle navigation



本文亮点

1.从信号强度、伪距噪声以及载波相位噪声与周跳率等多个角度,详细对比分析了智能手机置于车顶和车内两种车载动态模式下的双频GNSS(GPS/GLONASS/Galileo/BDS)数据特性。
2.针对智能手机低质量原始观测数据的高精度定位,提出了智能手机实时精密单点定位方法以及适用于智能手机的数据质量控制方法和数据处理策略
3.利用两部华为Mate30手机和两部华为P40手机,开展了智能手机在车顶和车内两种放置模式下的城市道路车载动态实时精密单点定位实验,并与智能手机自身定位结果进行对比,实现了水平方向1m(RMS)左右的定位精度,大幅提升了智能手机定位性能。

内容简介

为促进卫星导航精密单点定位(PPP)技术在大众日常车载导航出行中的应用,本文主要研究了车载动态模式下的智能手机实时精密单点定位方法。为开展数据质量分析和定位性能测试验证,使用两台华为Mate30智能手机和两台华为P40智能手机进行了城市道路车载动态定位实验。根据手机放置方式的不同,定位实验包括两类:手机置于车顶模式(用作对比)以及手机放置在挡风玻璃下的车内模式(日常使用情景)。本文首先详细比较分析了两种手机放置模式下的双频信号强度和观测数据质量,然后提出了智能手机实时PPP定位方法和适用于智能手机的数据处理策略,最后通过车顶模式和车内模式实验验证了该方法的定位性能。一些主要的分析与实验结果总结如下:

1)当智能手机放置在车内时,四款实验智能手机的导航信号平均载噪比(C/N0)在第一个频点(GPS/GLONASS L1、Galileo E1和BDS B1I)上约为34–35 dB·Hz,较车顶放置模式时低2–3 dB左右,而在第二个频点(GPS/Galileo L5/E5a)上约为27–29 dB·Hz,较车顶放置模式则要低5–7 dB左右。

2)智能手机的GPS L1和Galileo E1伪距的噪声约为4.0 m,GLONASS L1伪距的噪声达到6.0 m左右,BDS B1I伪距的噪声在3.0 m以内,要低于其他三个GNSS系统的伪距噪声水平。对于智能手机上的第二个频点信号而言,GPS L5的伪距噪声为1.0 m左右,Galileo E5a的伪距噪声为1.5–2.0 m左右,显著低于GPS/Galileo L1/E1。而当把智能手机放置在车内时,伪距观测量的噪声整体而言将有所增加

3)对于城市环境下的车载动态场景,智能手机GNSS载波相位的测量噪声在0.15–0.3周左右。受手机内的占空比(duty-cycling)机制和动态场景影响,智能手机的载波相位测量表现出频繁周跳、不连续性和高噪声的特性,并且对于放置在车内的智能手机来说影响更为严重。

4)对于放置在车顶的智能手机而言,实时PPP的定位精度为水平分量1.0 m,垂直分量1.5 m左右(均方根)。当智能手机放置在车内时,基于实时PPP获得的定位结果的均方根误差在水平方向约为1.01.5 m,在垂直方向约为12 m此外,实时PPP解不仅总体上优于手机自身的PVT结果,而且没有明显的偏差。总体而言,智能手机在车载动态应用场景中可以实现约1米量级的实时PPP定位精度,这也表明智能手机在精度要求约1米的精准位置服务中具有很好的应用潜力

  图文导读 

实验测试情况说明

我们在北京进行了对比性的两次车载动态定位实验,分别是车顶模式实验和车内模式实验。在车顶模式实验中,四个实验智能手机安装在车顶上;在车内模式实验中,四个实验智能手机通过手机支架并排稳定在车内挡风玻璃下仪表板上,这也是日常手机车载导航的实际应用场景。为了评估定位精度,在实验智能手机附近安装了一个NovAtel大地测量天线,以确定参考轨迹

图 1 车载动态定位实验的设备安装、测试路线和车速信息(左栏,车顶模式;右栏,车内模式)实验设备安装和测试路线以及车速信息等如图1所示。可以看到,在测试过程中,实验车辆大部分时间以2045 km/h的速度行驶,这也是日常城市道路上行驶的正常车速情况


II 信号强度统计分析结果

载噪比C/N0广泛用于描述GNSS信号接收的强度和质量。图2显示了P40_A智能手机在车顶和车内模式下的双频C/N0值,以及实验对比用的测量型NovAtel接收机的C/N0值。表1总结了所有可见卫星双频信号的平均C/N0值的统计结果。为了分析不同卫星系统的智能手机信号接收差异,表1还给出了两种智能手机安装模式下每个系统的平均C/N0值的统计结果

图 2 车顶和车内模式下实验智能手机的双频C/N0值情况(以P40_A智能手机为例)(左栏,频点1:GPS/GLONASS L1,Galileo E1,BDS B1I;右栏,频点2:GPS L5,Galileo E5a)表 1 智能手机在车顶模式和车内模式下的双频GNSS信号C/N0值的统计结果(单位:dB·Hz

从图2和表1中可以看到,智能手机的GNSS卫星C/N0值大部分时间里在2550 dB·Hz之间呈较大幅度波动。与之对比的是,对于传统使用测量天线的接收机而言,GNSS卫星C/N0值的变化基本都在3552 dB·Hz的范围内,比智能手机的C/N0值高得多且分布更为集中,尤其是对于GPS/Galileo L5/E5a频段。另外,智能手机第二个频点(GPS/Galileo L5/E5a)的导航信号平均C/N0值要比其第一个频点(GPS/GLONASS L1Galileo E1BDS B1I)的低26 dB并且,比较两种放置模式下卫星C/N0值的统计结果可知,在车内模式下的卫星C/N0值明显较低且波动更剧烈。此外,从表1还可以看出,智能手机的信号接收性能对于GPSGLONASSGalileoBDS卫星而言存在差异


III 伪距噪声分析结果

伪距测量的噪声水平是评估GNSS终端性能的重要指标之一。对于同一型号的两款智能手机,测量噪声级可以视为相同,我们采用超短基线双差方法评估了智能手机的GNSS伪距噪声水平表 2 双差方法评估的智能手机伪距噪声情况

2给出了四款实验智能手机在车顶模式和车内模式下的GPSGLONASSGalileoBDS双频伪距噪声的统计结果。从中可以看出,对于安装在车顶模式下的P40智能手机,GPSGLONASSGalileoBDS的频点1上的噪声分别为3.526.263.822.42 mP40智能手机放置在车内时,此时四个卫星系统在第一个频点上的伪距噪声相应分别为4.036.573.412.86 m另外,比较两个频点之间的伪距噪声可知,GPS L5的伪距噪声约为1.0 mGalileo E5a的伪距噪声约为1.52.0 m,显著低于GPS/Galileo L1/E1对于Mate30智能手机结论类似


IV 载波相位质量分析结果

我们使用历元间三次差法评估了两种实验模式下的智能手机载波相位噪声,同时分析了对应的双频载波相位平均周跳率情况,结果分别如表3和表4所示表 3 载波相位噪声统计结果

比较表3中给出的GPSGLONASSGalileoBDS载波相位测量噪声统计结果可知,对于城市环境中的车载动态场景,智能手机载波相位的噪声在0.150.3周范围内。虽然Mate30P40智能手机的载波相位测量噪声水平没有显著差异,但P40智能手机的载波相位测量质量整体上略优于Mate30表 4 载波相位平均周跳率统计结果

从表4中的周跳比结果可以看出,Mate30智能手机在载波相位测量中表现出比P40智能手机更多的周跳。此外,表4中给出的比较结果还表明,如果智能手机在车内,载波相位测量遭受更多的周跳。总的来说,智能手机载波相位测量受到频繁的周跳和不连续性的严重影响,制约基于载波相位的高精度定位效果


车顶模式实验定位结果

对于车顶模式实验,以Mate30_AP40_A智能手机为例,图3和图4分别给出了实时PPP结果和手机自身PVT结果在东(E)、北(N)和天(U)分量以及在水平(H)和垂直(V)方向上的定位误差。对于定位精度的统计,表5中以均方根(RMS)和95%百分位值给出,同时还计算了PPP解相对于PVT结果的提升情况,以箭头“↑“表示如图3所示,Mate30_A智能手机的PPP解在EN分量上的定位误差在±2.0 m内变化,U分量上的定位误差在±4.0 m内变化,ENU分量相应的均方根值为1.000.941.30 m

图 3 车顶模式实验中Mate30_A智能手机PPPPVT定位误差时间序列左栏,ENU分量误差;右栏,水平和垂直方向误差)。如图4所示,对于P40_A智能手机的PPP解在EN分量的绝对定位误差在1.0米以下,U分量的绝对定位误差在3.0 m以内,ENU分量相应的误差均方根值为0.390.571.22 m

图 4 车顶模式实验中P40_A智能手机PPPPVT定位误差时间序列(左栏,ENU分量误差;右栏,水平和垂直方向误差)。
根据表5中总结的统计结果,对于安装在车外的智能手机动态定位而言,实时PPP定位误差水平方向RMS可达约1 m的精度,垂直方向约为1.5 m,其中,使用P40_A智能手机时,水平方向的最佳定位精度为0.69 m表 5 车顶模式实验定位精度统计结果


VI车内模式实验定位结果

对于车内模式实验,同样以Mate30_AP40_A智能手机为例,图5和图6分别给出了实时PPP结果和手机自身PVT结果在东(E)、北(N)和天(U)分量以及在水平(H)和垂直(V)方向上的定位误差。对于定位精度的统计,表6中以均方根(RMS)和95%百分位值给出,同时还计算了PPP解相对于PVT结果的提升情况如图5和图6所示,Mate30_A智能手机PPP定位结果在EN分量上的误差主要在±2 m范围内波动,在U分量上的变化幅度则在±3 m范围内,相应的误差RMS值分别为0.831.061.70 mP40_A智能手机PPP解的定位误差变化较Mate30_A手机的更为平稳,在ENU方向上的误差RMS值分别为0.540.921.24 m

图 5 车内模式实验中Mate30_A智能手机PPPPVT定位误差时间序列(左栏,ENU分量误差;右栏,水平和垂直方向误差)。

图 6 车内模式实验中P40_A智能手机PPPPVT定位误差时间序列(左栏,ENU分量误差;右栏,水平和垂直方向误差)。


根据表6中给出的统计数据,在车载导航实际应用场景下,基于实时PPP获得的定位结果的均方根误差在水平方向约为1.01.5 m,在垂直方向约为12 m,特别是对于两款P40智能手机,水平和垂直方向的均方根误差约为1.2 m表 6 车内模式实验定位精度统计结果

作者简介


李子申 研究员
 本文第一作者   中国科学院空天信息创新研究院作者简介李子申,中国科学院空天信息创新研究院研究员,博士生导师。主要从事北斗/GNSS空间大气建模与应用研究更多介绍,请点击作者主页

汪亮 博士
  本文通讯作者  中国科学院空天信息创新研究院作者简介本文通讯作者,毕业于中国科学院大学并获得博士学位,现为中科院空天信息创新研究院助理研究员。主要从事卫星导航高精度定位技术研究、软件研发与终端研制等方面的工作

撰稿:本文作者

编辑:星航

校对:李教授


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