手机PPP定位能力测试验证

刘旭

摘要：智能手机使用差分数据增强定位能力已经成为当前趋势，该文首先详细论述了目前A-GNSS（ Assisting - Global Navigation Satellite System）技术定位技术的特点以及存在的缺陷，据此提出一种基于A-GNSS的改进PPP（precise point positioning）定位方案，并给出了手机在开阔环境、城市环境和林区环境中测试验证的结果。该文方法可将商用发售版手机定位精度修正至亚米级，对城市环境和林区环境下定位精度也有很好的提升效果。

关键词：北斗定位  A-GNSS  PPP

中图分类号：TN967.1文献标识码：A文章编号：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

手机终端要实现高精度定位无非是在原有观测条件下将误差尽可能消除，而消除误差的方式除了提升手机本身的天线性能外，最主要的方式是通过某种通信手段的将某种类型的辅助消息实时地传输给终端，由终端利用辅助消息对自身的误差进行消除[1]。智能手机使用卫星差分数据增强定位能力已经成为主流趋势，在传统测绘领域比较成熟的RTK（Real Time Kinematic）定位技术已经在少数旗舰型号的手机中落地应用，但是鉴于RTK使用成本等一系列问题，未来在全部机型中大规模应用的可能性较低，因此研究低成本、标准化、可规模推广的高精度定位实现方案就显得很有价值。精密单点定位技术（Precise Point Positioning，PPP）是采用单台GNSS接收机，利用GNSS提供的精密星历和卫星钟差，基于载波相位观测值可实现毫米至分米级高精度定位[2]。该文将介绍PPP定位在手机中测试验证的一些情况。

1  手机PPP定位方案

隨着5G网络建设逐步推进和终端不断完善，用户对高精度需求日益增长[3]。不同的业务应用场景在天线性能等硬件方面有一定的局限性，在精度和收敛时间等性能方面有差异化的需求。中国信息通信研究院北斗导航公共服务平台提供基于A-GNSS的PPP的车道级导航服务，通过移动通信网播发北斗系统的钟差、轨差、电离层模型等信息。在3GPP标准TR 36.355 V15中，引入了用以智能终端实现高精度PPP定位的4组关键参数：GNSS-SSR-OrbitCorrections（轨道修正）、GNSS-SSR-ClockCorrections（时钟修正）、BDS-GridModelParameter（网络模型参数）、GNSS-SSR-CodeBias（码间偏差），当智能终端可以实时收到上述4组关键参数后，便可以实现实时的高精度PPP定位。

1.1 A-GNSS技术和精密单点定位技术

传统卫星定位解算中除了伪距和载波相位测量外，还需要对卫星的广播星历进行解调，受限于卫星高度、播发功率、播发速率、手机天线质量、手机运动状态等因素，手机对广播星历的解调一般需要30s以上，解调完毕后再进行结果解算，最终定位时间需要花费数分钟以上甚至会出现因为广播星历解调失败导致定位失败的情况，导致用户体验较差。

为了加速手机终端的初始化定位速度，减少TTFF（Time To First Fix）所消耗的时间，3GPP国际化标准组织将网络辅助卫星技术（A-GNSS）进行标准化，并在手机等智能终端中进行大规模推广。该技术分为用户面技术和控制面技术，其中控制面技术需要依赖运营商核心网进行实现，因此在落地应用上受到一定限制。而用户面的A-GNSS技术因为使用灵活、配置方便和效果显著等原因已经实现规模化应用，目前国内A-GNSS日活跃用户不低于3亿用户。FCC6E955-0242-4FBA-B460-20FB89E63374

在R15版本及以前的3GPP标准中，手机等终端依赖A-GNSS技术通过移动蜂窝网主要获得可见卫星、历书、星历、轨道位置、参考位置、cell小区等主要信息，其中cell小区信息需要根据网络制式的演进逐渐由2G向5G进行迭代，同时在卫星星座的支持程度上也逐渐由仅支持GPS向全星座逐步演进。因此，R15版本之前的A-GNSS技术在手机上实现了定位速度的有效提升，但定位精度相对于传统卫星定位解算并没有明显的提高，因此在最新的标准中支持通过A-GNSS技术向手机终端下发更多的辅助信息，帮助手机实现PPP（精密单点定位）技术，借此提高手机的定位精度。

PPP技术发展可以简单归纳为5个阶段：

第一阶段，PPP概念的提出。20世纪70年代，美国学者通过地面观测站对卫星播发的信号进行多普勒观测，随后生成精密星历进而利用单点定位解算测站坐标。这种精密星历误差大概2m左右，相对定位精度达到百万分之一[4]。到了80年代，随着差分技术的演进和卫星精密轨道服务的发展，实现了通过静态基线达到千万分之二的定位精度。90年代，随着载波相位技术和广域差分定位技术的发展，研究者实现了在线模糊度解算的方法。

第二阶段，精密轨道服务、精密钟差服务、非差平滑伪距模型的落地。20世纪90年代初，为了实现全球范围的高精度定位，IGS（国际GPS地球动力学服务局）成立，并在全球大量建设基于GPS的跟踪站，并为全球提供精密轨道、精密钟差服务，同时结合非差平滑伪距模型，可以实现水平1～1.5m，高程3m左右的动态定位精度[5]。

第三阶段，电离层自由组合模型的应用。20世纪90年代末，在原有精密轨道服务、精密钟差服务的基础上，加入对电离层误差的改正数播发，并实现网络化的自动处理和播发，定位精度达到厘米级，促进了该技术的快速发展。

第四阶段，PPP模糊度解算策略的持续优化。在非差观测值中，由于硬件延迟的原因PPP定位模糊度不是整数，准确度固定存在较大难度。德国学者通过预报窄巷UPD的方式进行固定解算使得E、N、U方向精度达到2.8mm、3.0mm和7.8mm。中国学者通过非差模糊度整数解的小数偏差分离和最小二乘法利用更少量的测站实现了固定非差整数模糊度的快速精密单点定位[6]。

第五阶段，手机PPP定位技术的应用。传统的PPP定位基于专业测绘级设备，天线质量可靠，同时不要求实时解算，定位精度方面可以达到厘米级。但是在手机PPP的需求场景中，定位精度达到1.5m即可，但必须实时解算，受限于市场规模、成本控制、器件采购、天线质量、收敛速度和应用场景等限制，手机PPP定位技术具备不同于传统PPP的需求背景和广阔的应用市场，是未来手机终端提高定位精度的必然手段。

1.2基于A-GNSS的PPP定位方法改进

中国信息通信研究院（简称信通院）根据已有研究，提出了一种基于A-GNSS的改进PPP定位方法。具体如下。

（1）基于3GPP的LPP-R15协议提供SSR改正数，实现标准化的PPP定位。

（2）研发成本低，且向下兼容。已发行手机都支持LPP协议，因此基于LPP协议的PPP定位最终落地的方式是对新payload消息进行解码，然后进行定位解算，不涉及硬件结构的改动。将来对现有手机终端升级固件和软件版本即可以实现大规模适配。

（3）具体改正数类型分为4种：GNSS-SSR-OrbitCorrections（轨道修正）、GNSS-SSR-ClockCorrections（时钟修正）、BDS-GridModelParameter（网络模型参数）、GNSS-SSR-CodeBias（码间偏差），具体参数定义可见36.355。

（4）PPP相较于网络RTK来说，在车道级定位的目标下成本优势非常明显，PPP采用广播式更加适用高并发。

2  测试验证

2.1 测试方法

此次测试与手机及芯片厂商合作，选用多部商用已发售手机终端作为测试样机，测试方法按3个阶段展开。

（1）需要手机或芯片厂商提供手机的原始观测量给信通院，信通院实时仿真验证，输出定位结果，最后定位结果与手机或芯片厂商标定点的绝对坐标做差对比即可。

（2）信通院把解码后的PPP“明文辅助数据”发送给手机或芯片厂商，手机或芯片厂商进行仿真验证，输出定位结果，最后定位结果与手机或芯片厂商标定点的绝对坐标做差对比即可。

（3）信通院把PPP輔助数据按照SUPL协议下发，手机或芯片厂商进行解码解算，输出定位结果，最后定位结果与手机或芯片厂商标定点的绝对坐标做差对比即可。

2.2 测试环境

此次测试选取3种测试环境，分别为：开阔环境、城市环境和林区环境（见图2）。

2.3 测试结果

经过测试，基于该4类改正数，在空旷环境下，可将商用发售版手机定位精度修正至亚米级，效果显著，对城市环境和林区环境下也有很好的修正效果（见表1）。

3 分析与总结

通过实验验证得到结论如下：

（1）在手机等小型化设备中，利用基于A-GNSS的PPP定位可以在多种场景下很好地提高定位精度，为车道级定位服务提供基础能力。

（2）PPP分钟级的收敛速度较RTK秒级收敛速度还有一定差距。

（3）PPP的低成本化更加适合海量终端和普遍服务。

（4）基于A-GNSS的PPP定位和传统定位导航厂商RTK-SDK解决方案相比最大的优点在于LPP是标准化解决方案，兼容性和开放性更好，而且现在95%以上的手机支持LPP协议，因此要实现LPP高精度解决方案仅仅需要固件和软件升级即可，开发成本低。而SDK解决方案是私有化协议，对手机厂商来说具有极大的不确定性和排他性。

参考文献

[1] 史增凯，马祥泰，钱昭勇，等.基于北斗卫星导航系统非组合精密单点定位算法的精密授时精度研究[J/OL].电子与信息学报：1-9[2021-12-30].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4494.TN.20210907.1418.002.html.

[2] 杨子辉，薛彬.北斗卫星导航系统的发展历程及其发展趋势[J].导航定位学报，2022（1）：1-21.

[3] 陈诗军，王慧强，陈大伟.新一代无线定位技术研究与发展趋势分析[J].中兴通讯技术，2018，24（2）：54-58.

[4] Li G， Guo S， Lv J， et al. Introduction to global short message communication service of BeiDou-3 navigation satellite system[J]. Advances in Space Research，2021，67（5）：1701-1708.

[5] Kljaic Z， Briski E， Vojvodic H， et al. Benefits of utilisation of GPS error mitigation models for intelligent transport systems[C]//2018 41st International Convention on Information and Communication Technology， Electronics and Microelectronics （MIPRO）. IEEE，2018：1121-1125.

[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