手機PPP定位能力測試驗證

劉旭

摘要：智能手機使用差分數據增強定位能力已經成為當前趨勢，該文首先詳細論述了目前A-GNSS（ Assisting - Global Navigation Satellite System）技術定位技術的特點以及存在的缺陷，據此提出一種基于A-GNSS的改進PPP（precise point positioning）定位方案，并給出了手機在開闊環境、城市環境和林區環境中測試驗證的結果。該文方法可將商用發售版手機定位精度修正至亞米級，對城市環境和林區環境下定位精度也有很好的提升效果。

關鍵詞：北斗定位 ?A-GNSS ?PPP

中圖分類號：TN967.1文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

Test Verification of PPP Positioning on Mobile Phones

LIU Xu

（China Academy of Information and Communications Technology，Beijing，100191 China）

Abstract：It has become a mainstream trend for smart phones to use differential data to enhance positioning capabilities. This article first discusses in detail the characteristics and defects of the current A-GNSS （Assisting-Global Navigation Satellite System） technology positioning technology. Base on that， an improved PPP （precise point positioning） positioning scheme is proposed based on A-GNSS， and the verification results with mobile phones are demonstrated in the open environment， urban environment and forest environment. The method in this paper can correct the positioning accuracy of the commercially available mobile phone to the sub-meter level， which also has a good effect on improving the positioning effect in urban and forest environments..

Key Words：BDS;Positioning accuracy;A-GNSS;PPP

手機終端要實現高精度定位無非是在原有觀測條件下將誤差盡可能消除，而消除誤差的方式除了提升手機本身的天線性能外，最主要的方式是通過某種通信手段的將某種類型的輔助消息實時地傳輸給終端，由終端利用輔助消息對自身的誤差進行消除[1]。智能手機使用衛星差分數據增強定位能力已經成為主流趨勢，在傳統測繪領域比較成熟的RTK（Real Time Kinematic）定位技術已經在少數旗艦型號的手機中落地應用，但是鑒于RTK使用成本等一系列問題，未來在全部機型中大規模應用的可能性較低，因此研究低成本、標準化、可規模推廣的高精度定位實現方案就顯得很有價值。精密單點定位技術（Precise Point Positioning，PPP）是采用單臺GNSS接收機，利用GNSS提供的精密星歷和衛星鐘差，基于載波相位觀測值可實現毫米至分米級高精度定位[2]。該文將介紹PPP定位在手機中測試驗證的一些情況。

1 ?手機PPP定位方案

隨著5G網絡建設逐步推進和終端不斷完善，用戶對高精度需求日益增長[3]。不同的業務應用場景在天線性能等硬件方面有一定的局限性，在精度和收斂時間等性能方面有差異化的需求。中國信息通信研究院北斗導航公共服務平臺提供基于A-GNSS的PPP的車道級導航服務，通過移動通信網播發北斗系統的鐘差、軌差、電離層模型等信息。在3GPP標準TR 36.355 V15中，引入了用以智能終端實現高精度PPP定位的4組關鍵參數：GNSS-SSR-OrbitCorrections（軌道修正）、GNSS-SSR-ClockCorrections（時鐘修正）、BDS-GridModelParameter（網絡模型參數）、GNSS-SSR-CodeBias（碼間偏差），當智能終端可以實時收到上述4組關鍵參數后，便可以實現實時的高精度PPP定位。

1.1 A-GNSS技術和精密單點定位技術

傳統衛星定位解算中除了偽距和載波相位測量外，還需要對衛星的廣播星歷進行解調，受限于衛星高度、播發功率、播發速率、手機天線質量、手機運動狀態等因素，手機對廣播星歷的解調一般需要30s以上，解調完畢后再進行結果解算，最終定位時間需要花費數分鐘以上甚至會出現因為廣播星歷解調失敗導致定位失敗的情況，導致用戶體驗較差。

為了加速手機終端的初始化定位速度，減少TTFF（Time To First Fix）所消耗的時間，3GPP國際化標準組織將網絡輔助衛星技術（A-GNSS）進行標準化，并在手機等智能終端中進行大規模推廣。該技術分為用戶面技術和控制面技術，其中控制面技術需要依賴運營商核心網進行實現，因此在落地應用上受到一定限制。而用戶面的A-GNSS技術因為使用靈活、配置方便和效果顯著等原因已經實現規模化應用，目前國內A-GNSS日活躍用戶不低于3億用戶。FCC6E955-0242-4FBA-B460-20FB89E63374

在R15版本及以前的3GPP標準中，手機等終端依賴A-GNSS技術通過移動蜂窩網主要獲得可見衛星、歷書、星歷、軌道位置、參考位置、cell小區等主要信息，其中cell小區信息需要根據網絡制式的演進逐漸由2G向5G進行迭代，同時在衛星星座的支持程度上也逐漸由僅支持GPS向全星座逐步演進。因此，R15版本之前的A-GNSS技術在手機上實現了定位速度的有效提升，但定位精度相對于傳統衛星定位解算并沒有明顯的提高，因此在最新的標準中支持通過A-GNSS技術向手機終端下發更多的輔助信息，幫助手機實現PPP（精密單點定位）技術，借此提高手機的定位精度。

PPP技術發展可以簡單歸納為5個階段：

第一階段，PPP概念的提出。20世紀70年代，美國學者通過地面觀測站對衛星播發的信號進行多普勒觀測，隨后生成精密星歷進而利用單點定位解算測站坐標。這種精密星歷誤差大概2m左右，相對定位精度達到百萬分之一[4]。到了80年代，隨著差分技術的演進和衛星精密軌道服務的發展，實現了通過靜態基線達到千萬分之二的定位精度。90年代，隨著載波相位技術和廣域差分定位技術的發展，研究者實現了在線模糊度解算的方法。

第二階段，精密軌道服務、精密鐘差服務、非差平滑偽距模型的落地。20世紀90年代初，為了實現全球范圍的高精度定位，IGS（國際GPS地球動力學服務局）成立，并在全球大量建設基于GPS的跟蹤站，并為全球提供精密軌道、精密鐘差服務，同時結合非差平滑偽距模型，可以實現水平1～1.5m，高程3m左右的動態定位精度[5]。

第三階段，電離層自由組合模型的應用。20世紀90年代末，在原有精密軌道服務、精密鐘差服務的基礎上，加入對電離層誤差的改正數播發，并實現網絡化的自動處理和播發，定位精度達到厘米級，促進了該技術的快速發展。

第四階段，PPP模糊度解算策略的持續優化。在非差觀測值中，由于硬件延遲的原因PPP定位模糊度不是整數，準確度固定存在較大難度。德國學者通過預報窄巷UPD的方式進行固定解算使得E、N、U方向精度達到2.8mm、3.0mm和7.8mm。中國學者通過非差模糊度整數解的小數偏差分離和最小二乘法利用更少量的測站實現了固定非差整數模糊度的快速精密單點定位[6]。

第五階段，手機PPP定位技術的應用。傳統的PPP定位基于專業測繪級設備，天線質量可靠，同時不要求實時解算，定位精度方面可以達到厘米級。但是在手機PPP的需求場景中，定位精度達到1.5m即可，但必須實時解算，受限于市場規模、成本控制、器件采購、天線質量、收斂速度和應用場景等限制，手機PPP定位技術具備不同于傳統PPP的需求背景和廣闊的應用市場，是未來手機終端提高定位精度的必然手段。

1.2基于A-GNSS的PPP定位方法改進

中國信息通信研究院（簡稱信通院）根據已有研究，提出了一種基于A-GNSS的改進PPP定位方法。具體如下。

（1）基于3GPP的LPP-R15協議提供SSR改正數，實現標準化的PPP定位。

（2）研發成本低，且向下兼容。已發行手機都支持LPP協議，因此基于LPP協議的PPP定位最終落地的方式是對新payload消息進行解碼，然后進行定位解算，不涉及硬件結構的改動。將來對現有手機終端升級固件和軟件版本即可以實現大規模適配。

（3）具體改正數類型分為4種：GNSS-SSR-OrbitCorrections（軌道修正）、GNSS-SSR-ClockCorrections（時鐘修正）、BDS-GridModelParameter（網絡模型參數）、GNSS-SSR-CodeBias（碼間偏差），具體參數定義可見36.355。

（4）PPP相較于網絡RTK來說，在車道級定位的目標下成本優勢非常明顯，PPP采用廣播式更加適用高并發。

2 ?測試驗證

2.1 測試方法

此次測試與手機及芯片廠商合作，選用多部商用已發售手機終端作為測試樣機，測試方法按3個階段展開。

（1）需要手機或芯片廠商提供手機的原始觀測量給信通院，信通院實時仿真驗證，輸出定位結果，最后定位結果與手機或芯片廠商標定點的絕對坐標做差對比即可。

（2）信通院把解碼后的PPP“明文輔助數據”發送給手機或芯片廠商，手機或芯片廠商進行仿真驗證，輸出定位結果，最后定位結果與手機或芯片廠商標定點的絕對坐標做差對比即可。

（3）信通院把PPP輔助數據按照SUPL協議下發，手機或芯片廠商進行解碼解算，輸出定位結果，最后定位結果與手機或芯片廠商標定點的絕對坐標做差對比即可。

2.2 測試環境

此次測試選取3種測試環境，分別為：開闊環境、城市環境和林區環境（見圖2）。

2.3 測試結果

經過測試，基于該4類改正數，在空曠環境下，可將商用發售版手機定位精度修正至亞米級，效果顯著，對城市環境和林區環境下也有很好的修正效果（見表1）。

3 分析與總結

通過實驗驗證得到結論如下：

（1）在手機等小型化設備中，利用基于A-GNSS的PPP定位可以在多種場景下很好地提高定位精度，為車道級定位服務提供基礎能力。

（2）PPP分鐘級的收斂速度較RTK秒級收斂速度還有一定差距。

（3）PPP的低成本化更加適合海量終端和普遍服務。

（4）基于A-GNSS的PPP定位和傳統定位導航廠商RTK-SDK解決方案相比最大的優點在于LPP是標準化解決方案，兼容性和開放性更好，而且現在95%以上的手機支持LPP協議，因此要實現LPP高精度解決方案僅僅需要固件和軟件升級即可，開發成本低。而SDK解決方案是私有化協議，對手機廠商來說具有極大的不確定性和排他性。

參考文獻

[1] 史增凱，馬祥泰，錢昭勇，等.基于北斗衛星導航系統非組合精密單點定位算法的精密授時精度研究[J/OL].電子與信息學報：1-9[2021-12-30].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4494.TN.20210907.1418.002.html.

[2] 楊子輝，薛彬.北斗衛星導航系統的發展歷程及其發展趨勢[J].導航定位學報，2022（1）：1-21.

[3] 陳詩軍，王慧強，陳大偉.新一代無線定位技術研究與發展趨勢分析[J].中興通訊技術，2018，24（2）：54-58.

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[6] NieZ，WangB，WangZ，etal.An offshore real-time precise point positioning technique based on a single set of BeiDou short-message communication devices[J].Journal of Geodesy，2020，94（9） ：78.1-78.11.FCC6E955-0242-4FBA-B460-20FB89E63374