北斗进入手机导航精度又提升丨观天测地_风闻

中科院之声-中国科学院官方账号-02-28 12:04

2023-02-28

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

万物互联时代，位置服务是物联网价值释放的“突破口”。以北斗/全球卫星导航系统（GNSS）为代表的卫星导航与位置服务已发挥出重要的时空赋能作用，为我国数字经济发展赋予了强大生命力，也在人们日常生活生产中发挥出极大作用。

那么，公众如何能切实感受到北斗等导航系统的存在呢？智能手机是享用北斗服务的最主要途径，占据全球位置服务终端总量的80%左右。智能手机用户规模巨大且对高精度定位需求日益迫切，已逐渐成为公众获得高精度位置服务的重要终端，也是实现北斗大众高精度位置服务的最重要载体。

各位开车的朋友，之前可能有过这样的经历：跟着导航开车，快到路口了才提示左转或者右转，因来不及变道而错过了当前路口，导致又多绕了好几公里。造成这种现象的原因主要是手机目前的定位精度不高，普遍在5到10米左右，而要实现精准的车道级导航，往往需要到1米上下精度。

突破技术瓶颈实现智能手机高精度定位

面向智能手机的大众高精度位置服务，是北斗导航最广泛的应用领域之一；同时，智能手机高精度定位也是推动北斗大众高精度位置服务应用的关键所在。

目前手机定位精度不高的制约因素主要体现在两个方面。一方面是手机上的硬件条件，智能手机集成度高，采用的超小型线极化天线信号损耗大，原始测量数据质量非常差。另一方面就是手机采用的定位方法，普遍都是卫星导航系统提供的标准单点定位服务，其定位精度无法满足高精度应用需求。

为解决大众智能手机高精度定位技术难题，中国科学院空天信息创新研究院北斗智能导航研究团队围绕“建模型、提精度、降功耗、进手机”的总体思路开展了持续研究与技术攻关，综合形成了面向智能手机的北斗轻量化高精度定位方法。

图1 智能手机与专业导航设备的差异

“建模型”

对于传统的卫星导航高精度定位而言，用户端通常配备专业的接收机和测量型天线，而手机超小型线极化天线、低功耗要求以及复杂应用场景，使得手机的导航观测数据与传统测量型终端观测数据之间存在显著的数据特性差异，传统的高精度定位数学模型难以适用于手机数据进行高精度定位解算。为此，该团队从观测模型和随机模型两个角度，分别建立了专门用于智能手机的高精度定位模型，解决了传统高精度定位模型不适用手机的难题。

“提精度”

高精度定位的实现离不开高精度导航增强信息的加持。导航增强信息的作用是对用户端导航测量信息中存在的误差进行校正。我国北斗卫星导航系统在B2b频点上播发了支持用户端实现精密单点定位（PPP）的增强服务信号，充分发挥北斗B2b星基广播式精密定位服务优势，是提升智能手机定位精度的最佳技术模式。为此，该团队针对北斗PPP-B2b服务的自身特点，提出了适用于智能手机的北斗PPP-B2b高精度定位方法，有效提升了智能手机的定位精度。

“降功耗”

高精度定位方法通常解算复杂，然而大众智能手机具有强烈的低功耗应用需求，用户不可能每时每刻连接着电源使用。如何在高精度和低功耗之间实现有效平衡以延长智能手机在使用高精度定位下的续航时间，是北斗高精度定位在大众领域实现推广应用必须攻克的难题。为此，该团队在手机高精度定位方法设计中，一方面根据各种导航误差源对定位的影响特性建立适合手机用户的参数简化模型以实现待估参数的最简；另一方面从手机接收到的北斗、GPS、GLONASS以及Galileo等导航系统卫星中，按照一定的方法原则筛选出部分观测数据质量优良的卫星建立最优观测子集用于构建观测方程；最后，再根据用户的应用场景设计了高精度定位服务的优化调用和休眠控制模式，减少高精度定位调用的负载。

图2 智能手机北斗高精度定位成果体系

从研到用车道级导航定位性能强大

为推动北斗高精度定位技术进入大众智能手机，该团队自主研发了智能手机北斗实时精密定位应用软件包，可面向市场主流手机大规模推广应用，在不改变当前手机硬件结构的前提下，将大众手机定位精度从3-5米提升至动态优于1米、静态优于0.5米。以日常出行为例，亚米级的定位精度将赋予智能手机实现车道级的导航能力。

为推动研究成果的落地应用，该团队通过与手机生产商开展技术合作，推动北斗高精度定位技术落地智能手机，成功支持某国产智能手机业内首发亚米级车道导航，并且在通信运营商进行的手机定位性能公测中排名第一，产生了显著行业影响力和社会效益。目前已拓展支撑市场上6个系列的10余款手机实现车道级导航定位。近两年，用某些手机导航时，不再需要用户手动去确认在主路上还是辅路上，同时导航体验比前些年大大提升。

视频链接请戳

智能手机车道级导航北五环实测效果：高精度定位技术加持下的车道级导航，可以准确定位车辆所在车道，并引导用户提前驶入最合适的车道，同时提供车道级的预警服务，能够显著提升导航体验。

鉴于在推动北斗高精度定位大众规模化应用中的贡献，中国卫星导航年会授予该研究成果为2020年度北斗卫星导航应用推进贡献奖·探索创新类。同时，上述研究成果获得2021年度北京市自然科学二等奖。

随着“十四五”期间北斗系统的深入推广，该研究成果将助力北斗高精度定位服务在交通运输、智慧出行、数字城市建设、移动互联网LBS等众多对低成本高精度导航定位需求迫切的位置服务领域实现泛在应用。