随着物联网时代的到来，万物物联需要有高精度的位置信息作为支撑^[1]。其中，为城市区域车辆提供亚米级精度的导航位置服务是建设智慧城市的重要基础。目前车辆导航中GNSS一般采用标准单点定位（standard point positioning，SPP）^[2]的方式进行定位，精度一般在10 m左右，不具备直接用GNSS提供高精度位置服务的能力，而且传统的高精度定位的服务很难向大众领域拓展，一是受限于GNSS双频接收机成本高；二是GNSS高精度RTK（real-time kinematic）位置服务主要针对专业级测量用户，很难应用于民众领域；三是现有的网络RTK服务软件算法复杂，无法满足海量RTK（real-time kinematic）用户同时接入，限制了GNSS在大众高精度导航定位中的应用。当前民用GNSS高精度定位技术在国内外还处于研究阶段^{[3, 4]}，实际应用较少。一方面，随着国际GNSS服务（International GNSS Service，IGS）实时服务^[5]的发布，实时的精密轨道、钟差以及电离层延迟改正产品可以通过Ntrip协议实时获取，来实现实时精密单点定位（precise point positioning，PPP）。另一方面，当前廉价的GNSS芯片（如u-blox）提供稳定的多系统单频伪距和相位观测值，使得廉价高精度定位解决方案成为可能。为此，本文综合考虑到成本、硬件和算法等多项因素，提出了采用单频PPP模式为消费级u-blox终端提供亚米级定位的解决方案。

PPP只需单台接收机^[6]，通过接收伪距和相位观测数据，精密轨道和钟差即可进行定位。

PPP误差项可通过模型进行改正和估计，其中，地球自转改正、相对论改正、固体潮改正、天线相位中心偏差与变化以及天线相位缠绕都可通过模型进行精确改正。本文采用原始观测值进行PPP解算，不采用任何组合消除电离层延迟项^[6]，PPP基本模型表达为：

式中，i=1，表示观测值频率f1，本文采用单频观测数据；ρ表示卫星与测站之间的实际几何距离；δt_rcv和δt^sat分别表示接收机和卫星的钟差；Tr为对流层延迟；α_i为电离层延迟系数，与频率相关；I为电离层延迟；b_P21为伪距硬件延迟，通过产品改正；B_i为模糊度项；M_i和m_i分别为伪距和相位的多路径误差；ε_Pi和ε_Li分别为伪距和相位噪声。

坐标值、接收机钟差、对流层延迟、电离层延迟和模糊度项作为待估参数统一进行估计。在双频PPP中，经过一定时间初始化后，可以达到10 cm内精度，但是初始化时间通常在15~30 min^[7]，很难满足实时导航需求。影响初始化最主要的因素来自于电离层延迟，不管是通过消电离层组合的方式消除还是将其看作参数估计，都无法有效降低初始化时间。在单频PPP中，电离层虽然可以通过Uofc组合的方式消除电离层^[8]，但是依然需要一定的初始化时间才能达到较高的精度。

考虑到廉价u-blox原始观测值的有限精度，无法连续稳定提供高精度的位置信息，若用传统的定位手段，在高楼遮挡等多路径效应严重和短时无GNSS信号的地方，可能出现定位错误和无法定位的情况，因此需考虑多普勒速度约束的PPP模型，本文采用常加速度模型进行先验的坐标和速度约束^[9]，模型如下：

式中，X、V和A分别为三维坐标、速度和加速度，I为3×3单位矩阵，Δt为前后两历元（k和k-1）的时间差，W（k）为过程噪声。

本文采用的策略是接收来自法国国家空间研究中心发布的实时电离层改正产品直接改正电离层延迟，考虑电离层延迟精度和廉价接收机观测值的稳定性有限，采用单历元解的模式实时动态估计三维坐标，避免对流层延迟和模糊度的错误传递。由于不存在收敛过程，对流层延迟未改正的部分会被坐标高程方向吸收，所以高程方向精度会受到一定影响。模糊度部分将吸收接收机钟差未被改正的部分，其不准确的部分也会在一定程度上影响坐标精度。具体实现流程图如图 1所示。

图 1(Fig.1)

图 1 用户端系统流程图 Fig.1 Flow Chart of Client System

本文实验硬件主要由u-blox开发板、天线、电源、蓝牙模块和智能手机组成。手机通过4G网络接收IGS实时数据中心的精密轨道钟差、电离层延迟等改正产品；u-blox连接天线接收GNSS原始观测数据流，通过蓝牙模块将数据流传到智能手机并进行解码，用安装在手机上的导航定位APP即可在手机端进行单频PPP解算。

为了测试实时单频PPP定位的精度，进行了车载实时动态PPP道路测试，PPP解算采用了GPS和GLONASS双星系统，接收机设备采用u - blox M8T，外接智能手机为华为P20 Pro。本次实验测试地点位于深圳市，测试路段环境开阔、遮挡较少。测试时间为2018年6月17日GPS时7：00—7：48（本地时间15：00—15：48），采样率为1 s。为了比较分析精度，在车顶同时架设了一台天宝R10测量型接收机，外置GPS500测量型天线，连接广州市CORS网RTK（real-time kinematic）服务，用其RTK固定解作为参考值。

从图 2可以看出，车辆行驶全程定位结果未出现跳动，行车轨迹很平滑，考虑到地图精度的影响，实时轨迹和地图会存在一定的系统差，但是剔除系统差后，实时地图呈现的轨迹与实际车道吻合。即便在有短时高楼树木遮挡的地方，也给出了准确的结果，这主要是由于PPP算法中采用了车载运动常加速度模型，同时用多普勒测速信息进行了约束。同时从图 2中可以发现，在弯道等地方，均可以实时响应，不会出现定位偏离的结果。

图 2(Fig.2)

图 2 行车轨迹 Fig.2 Driving Track

图 3是PPP导航定位精度统计结果。从图 3中可以看出，E方向和N方向的精度较高，与RTK固定解参考值比较，E方向最大偏差不超过1. 6 m，N方向最大偏差不超过1. 5 m，统计的STD（standard deviation）分别为0. 54 m和0. 61 m。但是U方向结果稍差，STD为1. 95 m，同时发现在70历元附近U方向有一次较大的误差波动，最大偏差达到5. 2 m，这主要和卫星的几何分布有关，导致U方向的精度较差。可以看出在实际中导航定位水平方向精度已能满足车道级导航的需要，但是在高架等复杂路段进行导航定位时，高程方向的偏差可能导致道路匹配失败，这时单GNSS定位的技术很难满足方面的需求，可以考虑加入廉价的气压计来获取高精度的高程信息来弥补GNSS高程方向精度有限的缺陷。

图 3(Fig.3)

图 3 PDOP与定位精度统计 Fig.3 PDOP and Positioning Accuracy Statistics

本文提出了一种利用普通手机、外置消费级u-blox接收机的GPS/GLONASS双星单频PPP导航定位解决方案。实时PPP车载动态实验结果表明，提出的低成本导航解决方案无需借助CORS等信息即可满足车道级导航定位的需求。相比水平方向定位精度，高程方向精度稍差，可考虑加入气压计来获取高精度的高程信息辅助PPP定位。同时本次测试的路段环境较为开阔，并未出现长时间无GNSS信号的问题，下一步工作将整合消费级惯导芯片到导航终端中，解决长时间遮挡环境下无法稳定导航定位的问题，进一步提高消费级产品的高精度导航定位保障能力。