北斗進入手機 導航精度又提升丨觀天測地_風聞

編者按：從古至今，人類從未停止過探索未知世界的腳步，認知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學院空天信息創新研究院聯合開設“觀天測地”專欄，為大家介紹天上地上探索的那些事兒，帶來空天信息領域最新進展，普及科學知識。

萬物互聯時代，位置服務是物聯網價值釋放的“突破口”。以北斗/全球衞星導航系統（GNSS）為代表的衞星導航與位置服務已發揮出重要的時空賦能作用，為我國數字經濟發展賦予了強大生命力，也在人們日常生活生產中發揮出極大作用。

那麼，公眾如何能切實感受到北斗等導航系統的存在呢？智能手機是享用北斗服務的最主要途徑，佔據全球位置服務終端總量的80%左右。智能手機用户規模巨大且對高精度定位需求日益迫切，已逐漸成為公眾獲得高精度位置服務的重要終端，也是實現北斗大眾高精度位置服務的最重要載體。

各位開車的朋友，之前可能有過這樣的經歷：跟着導航開車，快到路口了才提示左轉或者右轉，因來不及變道而錯過了當前路口，導致又多繞了好幾公里。造成這種現象的原因主要是手機目前的定位精度不高，普遍在5到10米左右，而要實現精準的車道級導航，往往需要到1米上下精度。

突破技術瓶頸 實現智能手機高精度定位

面向智能手機的大眾高精度位置服務，是北斗導航最廣泛的應用領域之一；同時，智能手機高精度定位也是推動北斗大眾高精度位置服務應用的關鍵所在。

目前手機定位精度不高的制約因素主要體現在兩個方面。一方面是手機上的硬件條件，智能手機集成度高，採用的超小型線極化天線信號損耗大，原始測量數據質量非常差。另一方面就是手機採用的定位方法，普遍都是衞星導航系統提供的標準單點定位服務，其定位精度無法滿足高精度應用需求。

為解決大眾智能手機高精度定位技術難題，中國科學院空天信息創新研究院北斗智能導航研究團隊圍繞“建模型、提精度、降功耗、進手機”的總體思路開展了持續研究與技術攻關，綜合形成了面向智能手機的北斗輕量化高精度定位方法。

圖1 智能手機與專業導航設備的差異

“建模型”

對於傳統的衞星導航高精度定位而言，用户端通常配備專業的接收機和測量型天線，而手機超小型線極化天線、低功耗要求以及複雜應用場景，使得手機的導航觀測數據與傳統測量型終端觀測數據之間存在顯著的數據特性差異，傳統的高精度定位數學模型難以適用於手機數據進行高精度定位解算。為此，該團隊從觀測模型和隨機模型兩個角度，分別建立了專門用於智能手機的高精度定位模型，解決了傳統高精度定位模型不適用手機的難題。

“提精度”

高精度定位的實現離不開高精度導航增強信息的加持。導航增強信息的作用是對用户端導航測量信息中存在的誤差進行校正。我國北斗衞星導航系統在B2b頻點上播發了支持用户端實現精密單點定位（PPP）的增強服務信號，充分發揮北斗B2b星基廣播式精密定位服務優勢，是提升智能手機定位精度的最佳技術模式。為此，該團隊針對北斗PPP-B2b服務的自身特點，提出了適用於智能手機的北斗PPP-B2b高精度定位方法，有效提升了智能手機的定位精度。

“降功耗”

高精度定位方法通常解算複雜，然而大眾智能手機具有強烈的低功耗應用需求，用户不可能每時每刻連接着電源使用。如何在高精度和低功耗之間實現有效平衡以延長智能手機在使用高精度定位下的續航時間，是北斗高精度定位在大眾領域實現推廣應用必須攻克的難題。為此，該團隊在手機高精度定位方法設計中，一方面根據各種導航誤差源對定位的影響特性建立適合手機用户的參數簡化模型以實現待估參數的最簡；另一方面從手機接收到的北斗、GPS、GLONASS以及Galileo等導航系統衞星中，按照一定的方法原則篩選出部分觀測數據質量優良的衞星建立最優觀測子集用於構建觀測方程；最後，再根據用户的應用場景設計了高精度定位服務的優化調用和休眠控制模式，減少高精度定位調用的負載。

圖2 智能手機北斗高精度定位成果體系

從研到用 車道級導航定位性能強大

為推動北斗高精度定位技術進入大眾智能手機，該團隊自主研發了智能手機北斗實時精密定位應用軟件包，可面向市場主流手機大規模推廣應用，在不改變當前手機硬件結構的前提下，將大眾手機定位精度從3-5米提升至動態優於1米、靜態優於0.5米。以日常出行為例，亞米級的定位精度將賦予智能手機實現車道級的導航能力。

為推動研究成果的落地應用，該團隊通過與手機生產商開展技術合作，推動北斗高精度定位技術落地智能手機，成功支持某國產智能手機業內首發亞米級車道導航，並且在通信運營商進行的手機定位性能公測中排名第一，產生了顯著行業影響力和社會效益。目前已拓展支撐市場上6個系列的10餘款手機實現車道級導航定位。近兩年，用某些手機導航時，不再需要用户手動去確認在主路上還是輔路上，同時導航體驗比前些年大大提升。

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智能手機車道級導航北五環實測效果：高精度定位技術加持下的車道級導航 ，可以準確定位車輛所在車道，並引導用户提前駛入最合適的車道，同時提供車道級的預警服務，能夠顯著提升導航體驗。

鑑於在推動北斗高精度定位大眾規模化應用中的貢獻，中國衞星導航年會授予該研究成果為2020年度北斗衞星導航應用推進貢獻獎·探索創新類。同時，上述研究成果獲得2021年度北京市自然科學二等獎。

隨着“十四五”期間北斗系統的深入推廣，該研究成果將助力北斗高精度定位服務在交通運輸、智慧出行、數字城市建設、移動互聯網LBS等眾多對低成本高精度導航定位需求迫切的位置服務領域實現泛在應用。

相關論文鏈接：

1. Wang Liang, Li Zishen*, Wang Ningbo, Wang Zhiyu (2021). Real-Time GNSS Precise Point Positioning for Low-cost Smart Devices. GPS Solutions, 25:69. https://doi.org/10.1007/s10291-021-01106-1.

2. Li Zishen, Wang Liang*, Wang Ningbo, Li Ran, Liu Ang (2022). Real-time GNSS precise point positioning with smartphones for vehicle navigation. Satellite Navigation 3, 19. https://doi.org/10.1186/s43020-022-00079-x. 

來源：中國科學院空天信息創新研究院