Android移動(dòng)智能終端高精度 導(dǎo)航定位技術(shù)研究

1、Android移動(dòng)智能終端高精度 導(dǎo)航定位技術(shù)研究摘 要：近年來(lái)，Android高精度定位技術(shù)迅速開(kāi)展，相繼提供了訪問(wèn)GNSS原始數(shù)據(jù)的API和Wifi往返時(shí)延定位技術(shù)RTT，定位精度可到達(dá)1米級(jí)。本文系統(tǒng)介紹了Android平臺(tái)RTT技術(shù)和基于GNSS原始觀測(cè)量的定位技術(shù)，為基于Android平臺(tái)的航海導(dǎo)航應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供借鑒。關(guān)鍵詞：Android，GNSS，RTT0引言Android智能終端定位效勞動(dòng)態(tài)定位精度通常在10m左右。2021年，谷歌在“I/O大會(huì)上，宣布Android操作系統(tǒng)自7.0版本開(kāi)始，開(kāi)放GNSS原始觀測(cè)量的訪問(wèn)接口，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)這些接口訪問(wèn)GNSS原始觀測(cè)量

2、。谷歌這一舉措意義重大，開(kāi)發(fā)者可以使用偽距、多普勒頻率及載波相位等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)RTK、PPP高精度定位，從而拓展高精度GNSS的實(shí)現(xiàn)空間和應(yīng)用領(lǐng)域。2021年，谷歌在AndroidP引入了WifiRTT定位技術(shù)，能夠在室內(nèi)提供高精度定位。雖然智能終端在定位精度方面永遠(yuǎn)不會(huì)超越高端的大地測(cè)量?jī)x器，但由于智能終端應(yīng)用的普遍性，這可能會(huì)促進(jìn)以前無(wú)法想象的新應(yīng)用程序的出現(xiàn)。1Wifi往返時(shí)延定位技術(shù)【1】1.1  原理Wifi往返時(shí)延定位技術(shù)WifiRTT是基于WiFi射頻信號(hào)傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)。2021年，谷歌基于IEEE802.11mc測(cè)距協(xié)議在Android9.0參加

3、了RTT定位技術(shù)。RTT主要用于Android智能終端的室內(nèi)定位，定位精度可達(dá)12m。WifiRTT定位原理如下：首先，智能終端掃描標(biāo)準(zhǔn)的Wifi信號(hào)，發(fā)現(xiàn)附近的Wifi接入點(diǎn)，并根據(jù)Wifi信標(biāo)幀和探測(cè)幀特定比特位確定Wifi接入點(diǎn)是否支持RTT，以選擇其中的某些Wifi接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。測(cè)距時(shí)，智能終端向接入點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，接入點(diǎn)在響應(yīng)時(shí)啟動(dòng)一個(gè)Ping-Pong協(xié)議。發(fā)送至智能終端的ping稱為精確時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)包，返回Wifi接入點(diǎn)的pong是認(rèn)可上述數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。智能終端和接入點(diǎn)都記錄信號(hào)的離開(kāi)和到達(dá)時(shí)間，但智能終端要計(jì)算總體的往返時(shí)間需要所有的4個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)。因此，Wifi接入點(diǎn)再次向智能終端

4、發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包包含了Wifi接入點(diǎn)記錄的時(shí)間信息。智能終端根據(jù)4個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算出信號(hào)的往返時(shí)間，再乘以光速就可求得距離。執(zhí)行上述測(cè)距過(guò)程次數(shù)越多，測(cè)距的精度越高。一般情況下，需要8次，這樣系統(tǒng)可計(jì)算距離平均值和誤差。在獲得距離數(shù)據(jù)后，就可以利用類似于GPS單點(diǎn)定位的方法，根據(jù)3個(gè)以上獨(dú)立的接入點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)采用最小二乘法計(jì)算得到智能終端的位置。目前，WifiRTT技術(shù)存在一些問(wèn)題。測(cè)量得到的距離會(huì)有固定的誤差，有時(shí)能達(dá)半米;還會(huì)存在多路徑效應(yīng)，使測(cè)量的距離變長(zhǎng)。這些問(wèn)題可采用天線分集技術(shù)解決。WifiRTT定位需要Wifi接入點(diǎn)支持IEEE802.11mc協(xié)議。2021年底Googl

5、eWifi開(kāi)始默認(rèn)支持RTT定位。韓國(guó)也開(kāi)始了支持RTTWifi的大規(guī)模建設(shè)。1.2 RTT定位實(shí)現(xiàn)WifiRttManager類提供了實(shí)現(xiàn)RTT定位的主要API。實(shí)現(xiàn)RTT定位時(shí)，首先判斷智能終端是否支持WifiRTT定位，應(yīng)利用getPackageManager.hasSystemFeaturePackageManager.FEATURE_WIFI_RTT方法判斷;再利用WifiManager.startScan方法掃描周圍的Wifi接入點(diǎn);然后將掃描結(jié)果添加到RangingRequest.Builder構(gòu)建RangingRequest實(shí)例。此時(shí)就可調(diào)用WifiRttManage

6、r.startRanging方法進(jìn)行測(cè)距，RangingResultCallback參數(shù)返回測(cè)距結(jié)果，如圖1所示。2GPS原始觀測(cè)量1-2谷歌自Android操作系統(tǒng)自7.0版本開(kāi)始開(kāi)放了訪問(wèn)GNSS原始數(shù)據(jù)的API。GNSS原始觀測(cè)量可通過(guò)GnssClock和GnssMeasurement類來(lái)獲取，共28種，詳見(jiàn)表1。在使用智能終端獲取載波相位數(shù)據(jù)時(shí)，需將周期性定位cycleduty模式關(guān)閉。當(dāng)利用智能終端導(dǎo)航時(shí)，位置點(diǎn)會(huì)連續(xù)移動(dòng)，用戶會(huì)認(rèn)為GPS在連續(xù)工作。實(shí)際上為了節(jié)省電量，在一秒鐘時(shí)間內(nèi)GPS翻開(kāi)幾分之一秒，然后其他時(shí)間關(guān)閉，如此循環(huán)。GPS采用周期性定位的工作方式。在利用智能終端進(jìn)行

7、載波相位測(cè)量時(shí)，要連續(xù)、不間斷地跟蹤載波相位信號(hào)，需將周期性定位模式關(guān)閉。自Android9.0開(kāi)始為開(kāi)發(fā)者提供了有關(guān)API，由開(kāi)發(fā)者選擇是否關(guān)閉周期性定位。2.1GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取要獲取GNSS原始測(cè)量數(shù)據(jù)，需調(diào)用LocationManager的registerGnssMeasurementsCallback方法注冊(cè)類型為GnssMeasurementsEvent.Callback的GPS測(cè)量回調(diào)函數(shù)。開(kāi)發(fā)者需重寫onGnssMeasurementsReceived方法，獲取GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。2.2 偽距計(jì)算偽距是GPS定位中最重要的根本參數(shù)之一。為了縮短首次定位時(shí)間，智能

8、終端在TOWGPS周時(shí)未解碼前大量使用GNSS測(cè)量值，這些測(cè)量值在傳統(tǒng)GNSS定位中認(rèn)為是無(wú)效的。因此，智能終端并未顯式提供偽距值，需根據(jù)偽距定義計(jì)算。偽距=c×tAu-tTs上式中c表示光速，tAu表示用戶接收機(jī)測(cè)量的導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)時(shí)間;tTs表示未改正的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間。衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間tTs可通過(guò)GnssMeasurement.getReceivedSvTimeNanos方法獲得，該值是相對(duì)于當(dāng)前GPS周的周時(shí)。GNSS接收機(jī)測(cè)量的衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)時(shí)間tAu計(jì)算方法如下：tAu=tmesurement-tfullbias+tbias-tweeknumbernanos上式中tAu表示衛(wèi)

9、星信號(hào)到達(dá)GNSS接收機(jī)的GPS周時(shí);tmesurement是GNSS接收機(jī)測(cè)量時(shí)刻，tmesurement=TimeOffsetNanos+TimeNanos;tfullbias是接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間整納秒偏差，值為FullBiasNanos;tbias接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間的亞納秒偏差，值為BiasNanos;tmesurement-tfullbias+tbias是測(cè)量時(shí)刻的GPS時(shí)間，起算點(diǎn)為1980年1月6日UTC0時(shí);tweeknumbernanos表示當(dāng)前GPS周起算點(diǎn)，值為604800×109×floorFullBiasNanos×10-9

10、/604800。2.3 基于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的高精度定位開(kāi)發(fā)者可利用Android移動(dòng)終端輸出的GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精密單點(diǎn)定位PPP、偽距差分、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量RTK等高精度定位。法國(guó)航天局基于Android智能終端開(kāi)發(fā)了具有精密單點(diǎn)定位功能的App，定位精度到達(dá)了分米級(jí);?基于Android智能移動(dòng)終端的高精度差分軟件設(shè)計(jì)?【3】在Android智能移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)了高精度動(dòng)態(tài)定位軟件，軟件基于原始測(cè)量值，利用RTK參考基站的差分信息實(shí)現(xiàn)了RTK定位，定位精度在2m以內(nèi)。3結(jié)論本文總結(jié)了近年來(lái)Android系統(tǒng)RTT、GPS高精度定位技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)。目前，Android定位效勞無(wú)論是室內(nèi)還是在室外，定位精度均可到達(dá)1m級(jí)，較之前定位精度有了大幅提高，將在智能交通、社交網(wǎng)絡(luò)、虛擬網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)【1】howtoachive1-meteraccuracyinandroid.FrankVanDiggelen.GPSWorld，2021.【2】PrecisePositioni