对安卓手机的定位进行超级精确的校准!

   自动化那些事        

获得基于Android的全球导航卫星系统(GNSS)的原始测量数据已成为研究基于智能手机定位可行性的强烈动机。从该研究开始,智能手机GNSS天线就被认为是主要的限制之一。除了多径(MP),天线的辐射模式是GNSS观测的主要站点依赖性误差源。对双频的华为Mate20X进行了绝对天线校准。


天线校正的影响已经评估了在不同的多径环境下,使用高精度定位算法,采用无差异观测模型,并应用模糊性解析。本文以“Impact of robot antenna calibration on dual-frequency smartphone-based high-accuracy positioning: a case study using the Huawei Mate20X”为题于2020年11月10日发布于《GPS Solutions》杂志上。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


研究背景与实验


全球导航卫星系统(GNSS)天线质量是智能手机定位的一个关键因素。在移动设备中使用全向线性极化天线在接收信号强度和接收信号数量方面具有优势,但也使天线对多径(MP)效应非常敏感。这是普遍接受的,因为智能手机天线的设计驱动程序导致寻求最高灵敏度。


此外,智能手机天线还受到这些便携设备的其他组件的影响,如手机的屏幕。因此,基于智能手机的高精度定位具有挑战性,但一些研究表明,在某些先决条件下,这是可行的。


多位作者调查了智能手机GNSS测量的质量,并制定了在不解决模糊性的情况下提高精确点定位(PPP)类型解决方案的定位结果的策略。不同的研究小组研究了使用外部GNSS天线的智能手机接收器解决模糊问题的潜力。


GNSS测量的位置依赖效应只有部分是由于天线附近的反射。另一个贡献是天线本身的信号接收。在相位观测的情况下,这些畸变称为相位中心变化(PCV),它指的是平均中心,一个假想的点,被认为是平均接收到信号的点。这个中心通常不与天线参考点(ARP)对齐,ARP是从天线外可访问的定义良好的点。


平均相位中心和到ARP的几何偏移量定义了所谓的相位中心偏移量(PCO),它是ARP和平均相位中心之间的矢量,指向平均相位中心。


据研究者所知,目前还没有针对智能手机进行绝对天线校准的尝试。计算了小米8智能手机的近似天线相位中心,方法是对东北和东侧的后处理坐标进行平均。他们的研究表明,在主要去除多路径影响后,使用大约5公里和20公里基线进行厘米级相对定位。研究了天线校正对定位性能的影响,并给出了结果。


下图显示了智能手机天线校准的设置和用于估计天线校正的简化数据流。Mate20X安装在机器人上,将智能手机的几何中心与机器人的旋转中心对齐。在这种情况下,旋转中心对应于ARP。智能手机在校准过程中获得的观测数据已在多频全球导航卫星系统天线定标以及大地测量参考站的全球导航卫星系统观测中进行了后处理。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为机器人天线定标设置和智能手机天线标定简化处理方案

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为Mate20X智能手机天线的L1 PCV

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为L5PCV的Mate20X智能手机天线

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为估计的L1和L5频率的相位中心在Mate20X和天线校准的北定义中的位置


用Mate20X进行了12个不同的天线校准,以评估绝对PCV的可重复性。单个天线的校准时间从最少6小时到最长37小时不等。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为一次校准与类型平均值之间的L1 PCV差的例子

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为一次校准与类型平均值之间的L5 PCV差的例子


此外,对于每一个校准,偏离类型平均值的计算与海拔相关的PCV,如图所示。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为每次校准时与估计的l1(上列)和l5(下排)pcv的类型平均值之间的高度相关的差异


从校准中得到的PCO和PCV校正已应用于GNSMART软件的定位算法,以执行基于智能手机的定位。测试中,研究者假设这两个接收器的大气效应是相同的。后处理算法采用扩展卡尔曼滤波(EKF),并采用10°的高程掩码。研究者用至少四颗卫星成功地固定在整数上,实现了模糊-固定的年代。当模糊度固定为两个频率(即L1和L5)的整数值时,卫星被认为是固定的。


为了评估天线校正的影响,研究者在不同的环境下进行了测试。由于智能手机天线对MP很敏感,研究者在足球场上收集了一些测量数据。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为足球场设置

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为Geo++建筑的屋顶和多径环境


下图描述了相对于俯仰的本地大地测量接收机所获得的2D定位误差,显示了与12公里外的参考站有关的结果。这两个数字表明,在两个实验中应用PCV时,歧义被正确地固定在整数上,分别产生了1.5cm和3.9cm2D误差。高度分量的RMSE分别为3.5cm和6.1cm。由于大气条件对长基线有较强的影响,因此预计远程设置的值会更大。在这两种情况下,至少有4颗卫星的模糊度(TTFA)小于180 s,虽然大部分时间都改进了浮点数,但实验的主要结果是天线校正的使用为正确修正模糊度提供了可能。


对安卓手机的定位进行超级精确的校准!

图为在足球场上的定位性能,Javad接收机在50米外是参考站

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为在足球场上的定位性能,而参考站大约在12公里之外


为了进一步评估天线校正对模糊度解决的影响,考虑了Geo++建筑物屋顶的局部设置。这是一个开放的天空环境,几根具有已知坐标的柱子为全球导航卫星系统的测试提供了有利的位置。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


上图中,顶部:Mate20X(蓝线)和大地测量接收机(橙色线)的载波相位锁定卫星数量。底部:几何(G)、位置(P)、水平(H)和垂直(V)DOP。全球定位系统单频星座(左)和伽利略双频(右)在15小时(全球定位系统时间)在DOY 338。此配置不适合可靠的模糊解决方案。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


上图中顶部:Mate20X(蓝线)和大地测量接收机(橙色线)的载波相位锁定卫星数量。底部:几何(G)、位置(P)、水平(H)和垂直(V)DOP。全球定位系统单频星座(左)和伽利略双频(右)在16小时(全球定位系统时间)的DOY 338。此配置已被证明适用于可靠的模糊解决方案。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


定位误差均方根计算了19个样本的数据收集使用Mate20X躺在一个支柱的Geo++屋顶。天线校准校正的应用提高了定位性能,允许模糊度解决,从而提高了厘米级定位精度。浅蓝色线显示了所有19个样本的二维误差。参考站距离小于10m,在浮子rmse中,约400 s后的颠簸是由于某些特定样本的行为造成的,其中误差远大于其它情况。

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为19个模糊度解算成功样本的TTFA直方图

对安卓手机的定位进行超级精确的校准!


图为实验结果


总之,智能手机观测的模糊度解算仍然具有挑战性,因为可用相位测量的星座几何形状以及天线类型对多径的重大影响。然而,已有的研究表明,当地面反射部分去除时,PCV校正使得模糊度解算成为可能,并且可以实现厘米级二维RMSE。


研究结论


Geo ++绝对天线场机器人校准已用于确定华为Mate20X智能手机的PCV。校准已经进行了12次不同的运行,L1和L5的重复性显示,与海拔相关的PCV差异分别小于4 mm和12 mm。绝对PCV可达4 cm左右,经验STD不超过1 cm。


已经测试了不同的多路径环境。高精度定位使用Mate20X和大地测量接收机已经执行。在没有天线校准的情况下,无法获得可靠的固定歧义的解决方案,使用10 50米(约12公里远的参考站的观测结果表明,当应用天线校正时,二维误差小于2厘米(4厘米)。


在这两种情况下,TTFA约为3分钟。两种解决方案之间的误差幅度差异最有可能是由于大气的影响。可以得出结论,计算的PCV适用于手机设备,是一种资产,基于智能手机定位,模糊分辨率。该研究成果为智能手机高精度定位开辟了新的科研方向。


未来的研究可能会利用智能手机内置的几个传感器。传感器融合技术可以在移动应用中支持天线校正,照顾到智能手机的姿态,并使其在不同的方向上使用。研究者相信,减少多路径的权宜之计将推出使用Android设备的基于gnss的半专业应用程序。


参考文献:Francesco Darugna, Jannes B. Wübbena, Gerhard Wübbena, Martin Schmitz, Steffen Schön & André Warneke Impact of robot antenna calibration on dual-frequency smartphone-based high-accuracy positioning: a case study using the Huawei Mate20X  GPS Solutions (2021)


最新评论(0)条评论
不吐不快,我来说两句

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐