高精度位置服务终端技术与应用

王博远，贾瑞才，贾浩男

(1.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；4.哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

高精度位置服务终端技术与应用

王博远1，贾瑞才2,3，贾浩男4

(1.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；4.哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

国外位置服务系统建设的巨大成功，催生了国内位置服务(Location Based Service,LBS)产业的发展热潮，进而影响了位置服务终端的技术革新。位置服务终端作为用户最直接感受到的服务承载平台，面向不同需求的人群提供愈发精细化的服务。在高精度位置服务终端硬件平台基础上，针对亚米级定位性能和位置服务需求，论述了单频精密单点定位技术、地图技术与位置服务网络，开展终端应用示范活动，验证了其具有提供高精度位置信息以及实时位置服务的能力。

位置服务；高精度定位；地图技术；终端应用示范

0 引言

随着导航与位置服务网的推广，大众对于高精度的位置服务需求日益增加，高精度位置服务是指基于亚米级、分米级或者厘米级的定位能力而开展的应用服务[1]。无缝一体化智慧交通、智慧商场、智慧旅游和环境监测等行业应用需求也推动着导航与位置服务系统建设。

国外在高精度位置服务方面发展比较成熟，如在旅游、交通管理和室内位置服务等领域开展了相应的位置服务网络建设与终端研发[2]。国内位置服务近几年发展迅猛，在政府的引导和支持下，以定位导航技术为核心，加上移动互联网的快速发展，位置服务的范围和行业支持不断拓展[3]，在终端领域也取得长足的进步。

位置服务终端作为位置服务的服务承载平台，直接向用户提供各种形式的位置服务。近年来，位置服务产业的飞速发展推动了位置服务终端设备的技术革新，促进了位置服务终端产业的发展[4]。移动终端设备的高覆盖率[5]反过来也为位置服务业务的进一步发展提供了硬件基础平台。虽然传统位置服务系统快速发展与应用，但较高精度的位置服务行业应用较少[6]，面临的问题主要是目前的位置服务技术定位精度偏低，无法满足高精度服务要求[7]。本文从终端角度出发，瞄准高精度导航与位置服务市场，介绍了基于亚米级定位精度的小型化、集成化的位置服务终端，论述了精密单点定位技术在位置服务终端中应用，介绍了终端内导航软件和地图技术。将高精度GNSS定位技术与位置服务网络相结合，应用高精度位置服务终端开展了应用示范活动，验证了亚米级定位导航的性能与用户接入位置服务的性能。

1 单频精密单点定位

20世纪70年代，由美国率先提出精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)的概念，精密单点定位技术是利用载波相位观测值以及由IGS等组织提供的精密轨道和钟差产品来进行高精度单点定位[8]。系统由5部分组成：广域GNSS基准站(主要是IGS全球观测站)、数据传输链路(主要是宽带网络)、数据处理中心、信息播发系统(如卫星通信、移动通信、局域网络)和智能位置服务终端。

目前基于无电离层组合观测值的双频精密单点定位事后静态单天解精度已达到厘米级至毫米级，动态解达到分米级至厘米级水平，技术已趋于成熟[9]。对于车载导航、手持导航以及GIS数据采集、土地资源调查等应用领域潜在的巨大用户而言，只需要亚米级到分米级的定位精度，降低终端成本是拓展其应用的一个重要因素。因此，采用廉价的单频位置服务终端实现高精度精密单点定位已成为GNSS应用领域研究的热点问题。

对于相对廉价的单频终端，由于可用数据与数据观测质量的限制，其数据处理模型还有待更加深入地研究。单频数据处理研究的突破有助于改进传统的双频数据处理方法。无电离层组合不仅放大了观测值噪声，同时也破坏了模糊度的整数特性，使双频动态单点定位需要较长的收敛时间。如果能够充分利用L1频段上的伪距与载波观测值的精度，直接使用原始观测值组成观测方程，则有望加快精密单点定位的收敛。因此，对GNSS单频精密单点定位算法的系统研究，既是拓展GNSS应用领域的需求，也是深入研究GNSS算法所必需面对的一项挑战。

单频PPP未破坏模糊度整周的特性，具有收敛速度快的优势[10]；并且单频GNSS接收机价格低廉，潜在用户更多，在此介绍单频PPP算法，过程包括：由观测数据预处理、快速初始化、模糊度固定技术和非差非组合PPP，如图1所示。

图1 单频精密单点定位算法

单频单点定位所采用的数学模型因所选择的电离层改正方法的不同而异，KLOBUCHAR模型改正、格网模型改正、GRAPHIC组合以及梯度参数估计方法存在着各自应用的范围与一定的不足：

① KLOBUCHAR模型虽然简单易行，却只能改正50%～60%的电离层延迟，即使在电离层平静时也难以满足亚米级的精度要求[11]；

② GIM模型与实时区域电离层格网都属于格网改正模型，利用这类方法能获得亚米级的定位结果，但这类方法没有能够充分利用相位观测值的精度优势，因此其精度还有一定的提升空间；

③ GRAPHIC的方法虽然充分利用了相位观测值，但由于解算模糊度的原因，要获得亚米级定位解需要一定的收敛时间；

④ 对天顶电离层延迟与水平梯度进行估计的方法，精度的好坏与电离层特性分布的参数描述相关，Gao等人只是给出了一个初步的结果，结果显示在中高纬度地区这种方法可以获得亚米级的定位精度，但在低纬地区由于电离层活跃，精度要差一些[12]，并且这种方法也需要一定的收敛时间。

对单频单点定位的电离层改正方法和数学模型缺少一个具有说服力的统一模型的原因，首先是对电离层结构特性及其随机特性认识的局限，其次是电离层的分布特性如何通过数学模型来描述。

STANFORD大学在美国联邦航空局(Federal Aviation Administration)的支持下开始实施WAAS(Wide Area Augmentation System)项目，2000年其学者指出，虽然利用基准站网的双频观测数据能够精确测定沿信号传播路径的总电子含量STEC(Slant Total Electron Content)，但电离层单层模型的假设并不能保证用户终端获得精确的电离层改正值。为此，STANFORD大学的众多学者投入到对电离层延迟相关性的研究，希望通过统计相关模型探测电离层的不规则运动作为WAAS完备性的一部分。

受到STANFORD大学研究方法和结果的启发，印度学者在其GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation)系统中发展了与WAAS类似的电离层随机模型，以确保为用户提供可靠服务。Chang-Ki Hong等人进一步提出如果电离层格网图仅仅给出电离层延迟改正数，而不提供相应的精度信息，单层假设带来的系统性偏差将影响相对定位用户的模糊度搜索，其研究显示，通过在基线解算中同时考虑电离层改正数及其随机模型信息，模糊度固定的机率可提高23%[13]。

不难看出，国外学者开始将越来越多的目光从单纯的电离层延迟研究转向对电离层延迟及其随机特性的研究。这一方法已在各国SBAS(Satellite Based Augmentation Systems)系统中得到了广泛的应用，而且近几年有部分学者已将其应用于基线解算中，然而国际上还鲜有学者将其应用于单点定位中。

2 地图技术与位置服务网络

导航地图软件是位置服务终端易用性的直接体现，因此地图部分是位置服务终端的一项关键技术。对于行人导航与车辆的行驶导航，地图软件应具备非常方便的查询能力以及及时的信息更新能力[14]，在基于静态的地图数据基础上可加入实时动态的交通信息、丰富生活信息和全面地理信息，全面满足车载用用需求[15]。

导航地图可分为室外地图和室内地图两种形式，一般都具有2D/3D两种地图、多种输入方式。室外地图具有多种路线选择、常用地点保存、自动避障、路口实景和智能推荐等多种功能。室内地图可覆盖机场、购物中心和博物馆等大型公共区域，除了平面图外，室内地图还标注了各种场所和设施，为客户提供便捷的室内位置服务。除了具有上述功能外，地图软件还提供多种定位方式让用户去选择，包括GPS定位、PPP/RTK增强定位、网络定位和自主推算定位等，其中PPP/RTK增强定位方式可以实现车道导航，网络定位和自主推算定位可为用户在室内环境下提供准确的位置信息。

通信网络是用户接收位置服务的媒介，因此位置服务终端必须具有目前最快的4G无线通信接口及无线互联网接入功能，将通信与导航高度集成，既支持远距离通信，又支持区域无线通信。在导航定位方面实现接收广域实时精密定位系统差分信号，支持网络辅助定位功能并能够实现与GPS接收机进行组合定位。在服务方面，保证用户实时得到最快、最新、最准确的位置服务信息，用户还可以通过通信网络存储和分享自身位置状况，实现基于位置数据与通信的社交、交通、物联及管理。

3 终端应用示范

本文开展了一系列高精度位置服务终端应用示范活动，包括九寨沟景区智能导航与搜救系统应用以及宁夏交通位置服务系统应用，下面分别进行介绍。

九寨沟智能景区智能导航与搜救系统是将传统GPS技术、景区管理技术与新兴的智能位置服务技术相结合的一种针对景区导航、管理与搜救三大应用服务系统，由高精度位置服务终端、位置服务网和服务平台组成，同时融入了基于大数据的智能位置服务技术。其中高精度位置服务终端可接收GPS、北斗和伪卫星三模信号，实时接收广域分米级实时精密定位系统差分信号，支持网络辅助定位功能并能够实现与GPS接收机进行组合定位，实现全区域连续亚米级定位，首次应用于游客导航与景区管理。并依靠高速移动网络，具备高可靠的位置信息实时上报能力，应用于景区应急搜救。九寨沟景区智能导航与搜救系统的样图如图2所示。

图2 九寨沟景区智能导航与搜救系统

宁夏交通位置服务系统在宁夏自治区交通运输行业开展车辆位置服务终端应用示范，系统由高精度车辆位置服务终端、企业车辆监控平台和政府车辆监管平台3部分组成，其中车辆位置服务终端将广域实时精密单点定位技术、广域伪距差分技术和车辆位置推算技术结合起来，具备了车道级、亚米级定位能力，为交通监管部门提供精确交通运输数据采集和交通执法等信息服务。位置服务车载终端的安装效果图和所显示的行驶轨迹图如图3和图4所示。

图3 位置服务车载安装

图4 行驶轨迹

4 结束语

本文重点论述了基于GNSS系统的精密单点定位技术，并通过软件实现、工程化，将位置服务终端精度提高到了米级。介绍了地图技术和位置服务网络，从室外地图和室内地图两方面阐述了地图技术可以提供用户的位置信息与服务信息。简单阐述了位置服务网络可以给用户提供广域实时精密定位系统差分信号，支持网络辅助定位，通过移动通信实现基于位置数据的社交、交通、物联及管理。

所开展的应用示范活动验证了高精度位置服务终端可以起到智能景区搜救、车道级导航和地图采集的作用，为整个系统的应用示范提供验证手段，具有提供高精度位置、导航信息以及实时位置服务的能力。研发高精度位置服务终端对我国导航与位置服务系统产业化具有推动作用，有力推动我国智慧城市的建设步伐，加快我国高精度技术的产业化推广，有效加速重点区域应急搜救和交通领域车道级导航概念的推广。

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王博远 男，(1992—)，博士研究生。主要研究方向：卫星导航。

贾瑞才 男，(1986—)，博士，高级工程师。主要研究方向：卫星导航。

Technology and Application of High-precision Terminal Devices in LBS

WANG Bo-yuan1,JIA Rui-cai2,3,JIA Hao-nan4

(1.CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;4.CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China)

The enormous success of foreign LBS construction promoted the development of domestic LBS and affected the technological innovation of the terminal devices.The terminal devices are bearing platform of the user,for the different needs of people,provide fine service.In view of the sub-meter position and service requirements,the paper discusses the single-frequency Precise Point Positioning technology,map technology and network services based the high-precision terminal devices in LBS.Terminal application activities demonstrate that he high-precision terminal devices in LBS have the ability of providing high precision position information and real-time location services.

LBS;high-precision positioning;map technology;terminal application demonstration

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.02

王博远,贾瑞才,贾浩男.高精度位置服务终端技术与应用[J].无线电工程,2016,46(11):5-8.

2016-08-17

国家高技术研究发展计划(“863”)基金资助项目(2012AA12A206，2015AA124001)。

TP391.4

A

1003-3106(2016)11-0005-04