室内环境下手机GPS定位精度研究

谢 翔，荆 昊，郭际明

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.诺丁汉大学，英国诺丁汉NG1 4BU)

室内环境下手机GPS定位精度研究

谢 翔，荆 昊，郭际明

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.诺丁汉大学，英国诺丁汉NG1 4BU)

利用Leica 1230双频接收机测得楼顶某点的平面坐标，并利用钢尺将其传递到室内投影点上，在此点利用带A-GPS功能的手机进行实时定位，通过分析这些定位数据讨论手机GPS室内定位的精度。

A-GPS;手机定位;室内环境;精度

一、引 言

随着硬件的发展，GPS接收机的芯片也朝着小型化，高精度方向不断发展，手持便携性导航仪种类繁多。然而，这种导航仪一般只在驾驶车辆时使用，很少有人随身携带。随着社会的发展，人们对定位导航的需求量也越来越大，亟需一个载体能够承载GPS芯片实现定位导航功能，手机就是这样一个很好的终端设备。具有GPS功能的手机将导航定位、通信、娱乐等功能集成在一起，可为大众提供出行服务。

目前，手机GPS定位在空旷环境中能达到几米至几十米的精度，在一般环境中能达到几十米至几百米的精度。虽然不能和专业的导航仪及接收机相比，但至少能够满足人们生活的一般需要［1］。但GPS信号如果穿透建筑物或其他阻挡物时，信号强度将会被削弱。尤其在室内环境中，信号在通过屋顶、墙壁、窗户和树叶等阻挡物时，会由于折射和能量吸收而损耗掉部分能量。最坏的情况下，信号可能被完全阻塞。文献［2—3］给出了影响电磁波传播的各项因子;文献［4］分析了室内环境中的GPS信号特性。因此，当在室内环境时，传统的GPS接收机将无法利用十分微弱的GPS信号进行定位，这时，基于无线移动网络的A-GPS定位技术成为一种选择［5］。

本文将使用带有A-GPS功能的手机，在室内利用微弱的GPS信号及来自移动通信网络的辅助信息进行定位。同时进行定位试验的还有带有高灵敏度芯片的蓝牙GPS接收机［6］。为了达到试验目的，根据实际情况，选择了测绘学院楼顶及某间教室作为试验地点。

二、各类型接收机简介

1.测量型接收机

测量型接收机采用载波相位观测值进行相对定位解算，定位精度高，主要用于精密大地测量和精密工程测量，它的数据质量优于导航型。其主要组成模块有GPS主板、GPS天线、通信模块和电源等。观测数据可事后处理或实时处理(RTK)，需要配备功能完善的数据处理软件［7］。在本次试验中，采用测量型接收机获得高精度定位坐标，作为手机A-GPS定位精度分析的参考值。

2.导航型接收机

导航型接收机主要用于运动载体的导航，可以实时给出载体的位置和速度，一般采用C/A码伪距测量。这种接收机还可以分为:车载型——用于车辆导航定位;航海型——用于船舶导航定位;航空型——用于飞机导航定位;星载型——用于卫星的导航定位。

在导航型接收机中，有一类特殊的接收机——蓝牙GPS接收机。它是一个完整的无线卫星定位接收机，内建蓝牙通信模块，实现定位数据传输功能。这种GPS模块是基于高灵敏度卫星信号接收芯片，让用户在城市和峡谷等遮挡严重的环境下实现定位，并通过蓝牙接口与其他设备连接起来，按照一定的协议将定位结果传输出来。

3.手机型A-GPS接收机

A-GPS技术是一种结合了网络基站信息和GPS伪距观测值对终端进行定位的技术，可以在GSM/ GPRS、WCDMA和CDMA2000网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、GPS基准站等设备［8］。

无线手机网络获得A-GPS接收机的信息，把最近的网络基站位置作为其概略位置发送到位置服务器，位置服务器根据概略位置再计算与该位置相关的GPS辅助信息(包含GPS的星历和方位俯仰角等)并发送到手机，该手机的A-GPS模块根据辅助信息捕获和跟踪GPS卫星，获得伪距观测值［9］。为了计算手机的位置，有两种方式可以实现:① 移动站GPS芯片解算模式，位置计算是在附带有高灵敏度GPS芯片的手机中来完成的;②服务器解算模式，移动站将伪距测量值传输到服务器，然后由服务器计算出移动站的位置坐标，再把这个坐标值发回到移动站［10］。在本次试验中采用的是前一种模式。

三、测试方案设计

本次试验预期达到两个目的:一是室内手机定位的精度比较;二是高灵敏度GPS芯片室内外平面位置相同点的定位精度比较。

本次试验中，采用了Leica 1230 GPS接收机，锐途RT-802B蓝牙GPS接收机和带A-GPS功能的Nokia E72智能手机。观测点位布置如图1所示，室外已知点A在测绘学院楼顶的强制对中墩上，室内点A'在其正下方的测绘学院四楼405教室，该点是点A在室内的投影点，即平面坐标X、Y应相同，只有高程不一样。

图1 观测点位置图

为了达到试验目的，首先要确定楼顶点A的坐标位置。考虑到试验的可行性，笔者在测绘学院楼顶的强制对中墩上架设Leica 1230双频接收机天线。其次，为了确定室内点的位置，笔者利用标尺将楼顶点A的平面位置传递到下面的教室地面上的某一点A'，这一点位于楼顶点A的正下方(如图1所示)。由于手机定位目前在实际生活中对高程需求较少，本次试验中只测试平面位置的精度［11-12］。

四、实施方案及流程

1.安置Leica 1230接收机天线

试验于2010年10月15日8:30—12:30进行，地点选择在武汉大学测绘学院楼顶的强制对中墩上，如图2所示。试验当天天气多云，南部40 m处有高度角为50°左右的少量遮挡，由于位处楼顶较为空旷，所以试验环境良好。

图2 接收机安放位置

2.楼顶点观测

将安置于楼顶的Leica天线用一根铜芯电缆连接到一楼实验室的分线器上，通过分线器将卫星信号分为两路，一路与Leica接收机连接，另一路传给导航型蓝牙GPS接收机，两者同时观测4 h。Leica数据直接记录在手簿中，蓝牙GPS接收机的数据通过蓝牙端口按照NMEA-0183协议格式实时传入电脑，手机型GPS则直接放置在强制对中墩上，实时记录观测数据。

3.室内投影点观测

试验于2010年10月21晚进行，通过钢尺量距的方法，在测绘学院408室找出点A的投影点A'，将手机和蓝牙GPS接收机放置此点A'上进行观测，持续1 h，分别采集定位数据447个。

五、试验结果分析

将观测到的数据处理以后可以得到如表1所示的定位结果。

表1 定位结果

处理A-GPS室内定位数据得到散点图如图3所示。由图3可知，虽然有一些粗差距离已知值较大，但是绝大多数数据都集中在已知值周围，能够得到有效的数据，以定位精度为±1″(约±30 m)以内为有效区域，则有效数据为49.44%;若以定位精度为±2″(约±60 m)以内为有效区域，则有效数据可达到97.99%。

图3 A-GPS室内定位数据散点图

A-GPS室外定位数据处理得到如图4的散点图，由图4可知，手机室外定位时数据更为密集，都在已知值周围波动，很少有粗差。以定位精度为±1″(约±30 m)以内为有效区域，则有效数据可达到91.16%。

图4 A-GPS室外定位数据的散点图

通过将获得的各个定位数据与已知位置坐标作比较，能够确定手机GPS定位和蓝牙GPS定位的精度情况，数据如表2所示。

表2 定位结果比较m

将手机室内、室外定位数据减去已知值可以得到室内、室外定位的残差，如图5、图6所示。通过观察残差数据的波动情况，可以了解定位数据的精度及稳定性。

图5 A-GPS定位室外残差图

图6 A-GPS定位室内残差图

从图5、图6中可以看出，室内定位的残差一般集中在70 m范围内，而室外定位的残差范围主要集中在40 m内。这说明室内定位由于受到多路径和墙体遮挡等因素的影响，数据质量较差，范围波动较大，但还是可以在一定程度上实现定位功能。

六、结 论

根据以上测试数据进行计算，得到如下结论:

1)采用蓝牙GPS芯片定位时，相比普通商用接收机而言，能够实现在室内环境中捕获信号进行定位解算。由于其灵敏度较高，在捕获GPS信号的同时，也捕获到更多的噪声信号，加上缺少抑制多路径的设备，以及算法的不完备性，导致其定位精度较低。而A-GPS技术利用无线通信网络，不仅满足了此次试验的室内环境中的定位需求，并且大大缩减了首次定位时间。

2)室外手机GPS定位的平面精度一般在几米至几十米，基本能够满足用户日常生活的定位需求。而在本次试验中，室内定位平面精度则在±50 m左右，在定位精度要求不高的情况下基本能确定用户所在建筑位置。当在完全没有信号的环境中时，A-GPS技术采用的是无线移动通信网络定位技术［13］，其定位精度在几百米至几千米。这样的定位精度虽然不能像大地型接收机那样准确确定位置，但A-GPS技术可以在救灾救援、搜寻周围服务设施、游乐场所定位等诸多领域广泛地应用。

A-GPS手机定位技术充分利用了移动无线网络的辅助信息，若能配合高灵敏度GPS芯片并结合更好的去除噪声算法，则能进一步提高其在室内环境下的定位精度，从而成为智能交通系统等技术的重要数据来源之一，得到更广泛的应用。

［1］ 程新文，陈性义.手持式GPS定位精度研究［J］.测绘通报，2004(9):20-22.

［2］ STAVROU S，SAUNDERS S R.Factors Influencing Outdoor to Indoor Radio Wave Propagation［C］∥12 th International Conference on Antennas and Propagation.London:［s，n］，2003.

［3］ RAY J K.Mitigation of GPS Code and Carier Phase Multipath Effects Using a Multi-Antenna System［D］.Calgary:University of Calgary，2000.

［4］ 梁坤，施浒立，宁春林.室内环境中的GPS信号特性分析［J］.天文研究与技术，2008，5(1):30-36.

［5］ ANDREY S，FRANK V G.Utilizing Multipath Reflections in Deeply Integrated GPS/INS Architecture for Navigation in Urban Environments［C］∥IEEE International Conference on Systems，Man，and Cybernetics.Taipei:［s.n.］，2006.

［6］ IT168.引领超薄时尚 锐途蓝牙 GPS RT-802评测［EB/OL］.2008-01-26.http:∥www.55gps.com/html/3/6/20080126/3523.html.

［7］ PRATAP M，PER E.全球定位系统——信号、测量与性能［M］.罗鸣，曹冲，肖雄兵，等，译.北京:电子工业出版社，2008:33-36.

［8］ 田永军，贾国庆.A-GPS定位技术在智能手机中的研究与应用［J］.科技信息，2009(4):160.

［9］ 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理［M］.武汉:武汉大学出版社，2005.

［10］ 苏成岭，刘祎梅，托马斯·温特里希.室内无线通信手机卫星定位的可能性研究［J］.测绘与空间地理信息，2006，29(2):11-15.

［11］ 张守信.GPS卫星测量定位理论与应用［M］.长沙:国防科技大学出版社，1996.

［12］ YOICHI M，TAKASHI T.DGPS，RTK-GPS and Star-Fire DGPS Performance Under Tree Shading Environments［C］∥International Conference on Integration Technology.Shenzhen:［s.n.］，2007.

［13］ 赵平.移动通信网络定位技术与相关算法研究［D］.西安:西北工业大学，2005.

Research on Accuracy of Indoor-Mobile-GPS Positioning

XIE Xiang，JING Hao，GUO Jiming

0494-0911(2012)08-0095-04

P228.4

B

2012-01-12

谢 翔(1988—)，男，湖南常德人，硕士生，主要研究方向为GPS定位与导航。