安卓手機(jī)終端原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

陳 波，高成發(fā)，劉永勝，陸軼材

安卓手機(jī)終端原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

陳 波，高成發(fā)，劉永勝，陸軼材

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 211189）

為了彌補(bǔ)當(dāng)前手機(jī)端原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的定性質(zhì)量分析相關(guān)研究較少的不足，提出通過(guò)將手機(jī)與測(cè)地型接收機(jī)同時(shí)同地點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)的方法來(lái)對(duì)比分析手機(jī)端原始GNSS觀測(cè)值的數(shù)據(jù)質(zhì)量，被評(píng)價(jià)的手機(jī)品牌有華為P10、華為榮耀9和小米8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大部分智能手機(jī)能夠觀測(cè)到單頻偽距和載波相位數(shù)據(jù)，有些最新產(chǎn)品能接收到雙頻GNSS數(shù)據(jù)，觀測(cè)到的GPS和GLONASS衛(wèi)星數(shù)目和測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)結(jié)果接近；手機(jī)端觀測(cè)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻繁的信號(hào)失鎖現(xiàn)象，且載波觀測(cè)值存在大量的粗差或原因不明確的系統(tǒng)誤差；手機(jī)端同時(shí)刻偽距觀測(cè)值和載波觀測(cè)值變化率不一致，判斷其原因是偽距和載波觀測(cè)采用不同的時(shí)鐘，造成二者鐘速之差在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)緩慢變化；手機(jī)偽距觀測(cè)值中誤差為4~10 m，BDS衛(wèi)星偽距觀測(cè)值精度高于其他衛(wèi)星；以載波觀測(cè)值變化率平滑性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，手機(jī)端載波觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量比測(cè)地型接收機(jī)差4~6倍。

安卓手機(jī)；質(zhì)量分析；偽距觀測(cè)值；載波觀測(cè)值；變化率

0 引言

智能手機(jī)是如今人們生活中不可或缺的工具，智能手機(jī)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）模塊已經(jīng)極大地改善了現(xiàn)代人類生活。在GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展中，導(dǎo)航或定位精度一直是制約其進(jìn)一步應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活并發(fā)揮巨大作用的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于智能手機(jī)端的GNSS導(dǎo)航定位也是如此，目前其定位精度在10 m左右。由于一直以來(lái)智能手機(jī)中的GNSS導(dǎo)航定位模塊都封裝于手機(jī)操作系統(tǒng)之中，研究人員只能獲取定位最終結(jié)果來(lái)進(jìn)行應(yīng)用層面的開(kāi)發(fā)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)地型接收機(jī)，對(duì)于智能手機(jī)原始觀測(cè)值的分析與定位算法研究都非常缺乏。

谷歌（Google）公司于2016年5月在Android N操作系統(tǒng)上提供了訪問(wèn)GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的接口，如今利用手機(jī)端原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及研究以提高導(dǎo)航定位精度已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)（僅限于Android系統(tǒng)智能終端）。本文通過(guò)手機(jī)終端與測(cè)地型接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)接收，對(duì)手機(jī)端原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，為后續(xù)的定位算法研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)谷歌Android開(kāi)發(fā)者文檔[1]的介紹，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的Android智能手機(jī)中只有華為、小米、三星及谷歌Pixel等品牌的手機(jī)能夠輸出原始GNSS觀測(cè)值供研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其中華為和小米是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上產(chǎn)品占有率較高的智能手機(jī)品牌，故實(shí)驗(yàn)采用的智能手機(jī)設(shè)備為華為手機(jī)和小米手機(jī)。為了獲取較為豐富的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用3臺(tái)不同型號(hào)的智能手機(jī)與2臺(tái)測(cè)地型接收機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于東南大學(xué)教學(xué)樓5樓頂，觀測(cè)條件十分良好。共進(jìn)行了2次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 具體實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置2臺(tái)測(cè)地型接收位于智能手機(jī)兩側(cè)，通過(guò)腳架和皮尺嚴(yán)格控制2臺(tái)測(cè)地型接收機(jī)位置，使其連線中點(diǎn)即為智能手機(jī)。實(shí)驗(yàn)完成后使用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)差分定位（real-time kinematic, RTK）測(cè)量點(diǎn)位的坐標(biāo)，結(jié)果顯示2臺(tái)測(cè)地型接收機(jī)連線中點(diǎn)位置與智能手機(jī)的位置直線偏差小于1 cm。

由于智能手機(jī)與測(cè)地型接收機(jī)是同地點(diǎn)觀測(cè)的，理論上同一時(shí)刻2臺(tái)測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)值的均值與智能手機(jī)觀測(cè)值完全相同；因?yàn)椴煌臋C(jī)器自身存在的差異（載波記錄方式不同和鐘跳方式不同等）以及位置上的微小偏差，存在一部分系統(tǒng)誤差。而本文采用作差擬合和平滑性對(duì)比的方式評(píng)價(jià)智能手機(jī)觀測(cè)值質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果不受這部分系統(tǒng)誤差的影響。

2 手機(jī)終端觀測(cè)能力

觀察輸出的原始數(shù)據(jù)文件，匯總各個(gè)手機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容，如表2所示。表2中：小米8手機(jī)為市場(chǎng)上最新產(chǎn)品，號(hào)稱利用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）的雙頻信號(hào)進(jìn)行定位，實(shí)際觀測(cè)中雙頻數(shù)據(jù)為GPS衛(wèi)星的L1、L5頻率數(shù)據(jù)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）衛(wèi)星的E1、E5頻率數(shù)據(jù)；GPS L5頻率為GPS現(xiàn)代化之后新發(fā)射的衛(wèi)星攜帶的功能[11]，目前衛(wèi)星數(shù)較少，在1 h觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，觀測(cè)到4顆雙頻GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)；BDS（BeiDou navigation satellite system）為我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GLONASS（global navigation satellite system）為俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

表2 各手機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容

第1次實(shí)驗(yàn)，使用了2臺(tái)測(cè)地型接收機(jī)與2臺(tái)智能手機(jī)（華為榮耀9和華為P10）進(jìn)行觀測(cè)，各歷元觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)如圖1所示。在3h的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)較為穩(wěn)定，能夠觀測(cè)到30顆衛(wèi)星左右；華為榮耀9手機(jī)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)比測(cè)地型接收機(jī)更為穩(wěn)定，但是觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)較少，能夠觀測(cè)到14~18顆衛(wèi)星；華為P10手機(jī)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)最不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出隨時(shí)間的波動(dòng)性變化趨勢(shì)，觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)在8~22顆之間波動(dòng)。

圖1 第1次實(shí)驗(yàn)各設(shè)備觀測(cè)到衛(wèi)星總數(shù)統(tǒng)計(jì)

第1次實(shí)驗(yàn)各設(shè)備在3h內(nèi)觀測(cè)到的各GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)如表3所示，測(cè)地型接收機(jī)2情況與測(cè)地型接收機(jī)1類似，同時(shí)觀察各衛(wèi)星信號(hào)連續(xù)情況（限于篇幅，未給出）。在3h的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)到的BDS衛(wèi)星不僅數(shù)量多，持續(xù)觀測(cè)時(shí)間還很長(zhǎng)，大部分在3 h內(nèi)都能持續(xù)觀測(cè)到，這反映了我國(guó)BDS衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的完善性以及其在我國(guó)領(lǐng)土上空良好的覆蓋性。

表3 第1次實(shí)驗(yàn)各設(shè)備觀測(cè)到各GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)

對(duì)于GPS及GLONASS，華為榮耀9手機(jī)與測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)到衛(wèi)星數(shù)量相近，并且對(duì)每顆衛(wèi)星，當(dāng)測(cè)地型接收機(jī)能夠觀測(cè)到時(shí)華為榮耀9也都能觀測(cè)到，說(shuō)明觀測(cè)信號(hào)比較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失鎖的情況。于此同時(shí)，榮耀9手機(jī)觀測(cè)到的BDS衛(wèi)星很少，且不能觀測(cè)到Galileo衛(wèi)星，應(yīng)當(dāng)是硬件限制。

相較于榮耀9手機(jī)，P10手機(jī)觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)更多，觀測(cè)到的GPS、GLONASS和BDS系統(tǒng)的衛(wèi)星個(gè)數(shù)都接近于測(cè)地型接收機(jī)。與測(cè)地型接收機(jī)及榮耀9手機(jī)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)非常明顯的信號(hào)失鎖現(xiàn)象，幾乎每一顆衛(wèi)星都有信號(hào)失鎖的時(shí)段。各顆衛(wèi)星信號(hào)失鎖的時(shí)刻不相同，但是會(huì)在某些時(shí)刻忽然重新觀測(cè)到多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，如第5370個(gè)歷元和第8022個(gè)歷元，觀測(cè)信號(hào)連續(xù)性不好。

第2次實(shí)驗(yàn)，使用了2臺(tái)測(cè)地型接收機(jī)和1臺(tái)小米8手機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)到衛(wèi)星總數(shù)如圖2所示。在1 h觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，小米8手機(jī)共觀測(cè)到10顆GPS衛(wèi)星、7顆GLONASS衛(wèi)星、4顆BDS衛(wèi)星和8顆Galileo衛(wèi)星，且接收信號(hào)穩(wěn)定性較好，而測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)到9顆GPS衛(wèi)星、8顆GLONASS衛(wèi)星、12顆BDS衛(wèi)星和7顆Galileo衛(wèi)星。說(shuō)明除了BDS系統(tǒng)，小米8手機(jī)觀測(cè)到的其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量與測(cè)地型接收機(jī)相當(dāng)，這與華為P10手機(jī)和榮耀9手機(jī)是不一致的。

圖2 第2次實(shí)驗(yàn)各設(shè)備觀測(cè)到衛(wèi)星總數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 定性分析

圖3所示為華為P10手機(jī)C02衛(wèi)星原始觀測(cè)值與測(cè)地型接收機(jī)原始觀測(cè)值對(duì)比。圖3中接收機(jī)載波與偽距觀測(cè)值重合在一起，實(shí)際上二者之差為載波相位的整周模糊度乘以載波波長(zhǎng)。測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)值在一段時(shí)間之后會(huì)有一個(gè)大幅度的跳動(dòng)，這是接收機(jī)鐘跳引起的，不影響原始觀測(cè)值的定位解算[5]。

圖3 P10手機(jī)C02衛(wèi)星觀測(cè)值與測(cè)地型接收機(jī)對(duì)比

實(shí)際獲取到的手機(jī)載波相位觀測(cè)值是從觀測(cè)開(kāi)始時(shí)刻為0時(shí)進(jìn)行累計(jì)增量疊加的一組數(shù)據(jù)（相當(dāng)于整周模糊度特別大），其量值很??；圖3中是對(duì)手機(jī)載波加了常數(shù)之后作圖的?？梢悦黠@地觀察出手機(jī)觀測(cè)值與接收機(jī)觀測(cè)值之間的差值是不固定的，并且手機(jī)偽距與載波相位觀測(cè)值相互之間的差值也不固定。

以上性質(zhì)說(shuō)明，由于受接收機(jī)鐘速的影響，測(cè)地型接收機(jī)會(huì)通過(guò)鐘跳來(lái)調(diào)整接收機(jī)鐘，導(dǎo)致中觀測(cè)值呈鋸齒狀，而在3h的持續(xù)觀測(cè)中手機(jī)端未發(fā)生鐘跳。手機(jī)端偽距觀測(cè)值與載波觀測(cè)值顯示出了明顯的隨時(shí)間不同步性，其原因尚不明確，下文將進(jìn)行進(jìn)一步討論。

為具體分析觀測(cè)值性質(zhì)，對(duì)觀測(cè)值作變化率（增量除以時(shí)間間隔）分析，如圖4所示。圖4中接收機(jī)偽距變化率和載波變化率重合在一起，這與接收機(jī)觀測(cè)值含義相吻合。很明顯手機(jī)端偽距觀測(cè)值變化率與載波觀測(cè)值變化率不吻合，且手機(jī)端偽距觀測(cè)值變化率抖動(dòng)得十分劇烈，短時(shí)間內(nèi)浮動(dòng)達(dá)到20 m·s-1，體現(xiàn)出偽距觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量之差。

圖4 P10手機(jī)C02衛(wèi)星觀測(cè)值變化率與測(cè)地型接收機(jī)對(duì)比

對(duì)于小米8手機(jī)，其E03衛(wèi)星的雙頻數(shù)據(jù)觀測(cè)值變化率（P1、P5表示E1、E5 2個(gè)頻率的偽距觀測(cè)值，L1、L5表示對(duì)應(yīng)的載波觀測(cè)值）如圖5所示。明顯觀察出2個(gè)頻率的偽距觀測(cè)值變化率重合在一起，而2個(gè)頻率的載波觀測(cè)值變化率也重合在一起；但是載波觀測(cè)值變化率和偽距觀測(cè)值變化率之間存在明顯差異，與華為P10、華為榮耀9表現(xiàn)一致。于此同時(shí)，P5偽距比P1偽距明顯更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量更好。

圖5 小米8手機(jī)E03衛(wèi)星觀測(cè)值變化率

3.2 定量分析方案

由上文可知手機(jī)端偽距觀測(cè)值與載波觀測(cè)值的變化率在數(shù)值上不統(tǒng)一，為進(jìn)一步分析此現(xiàn)象，同時(shí)為計(jì)算手機(jī)端偽距觀測(cè)值中誤差（即觀測(cè)值中包含的隨機(jī)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差）[6]，本文采用以下定量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法：

以測(cè)地型接收機(jī)的載波觀測(cè)值為基準(zhǔn)，將相同時(shí)刻的手機(jī)端接收到的偽距觀測(cè)值和載波觀測(cè)值與測(cè)地型接收機(jī)的載波觀測(cè)值作差；對(duì)一定時(shí)間窗口內(nèi)的觀測(cè)值差值進(jìn)行線性回歸，剔除掉系統(tǒng)性偏差；線性回歸得到回歸殘差，鑒于手機(jī)端偽距觀測(cè)值的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于測(cè)地型接收機(jī)載波相位觀測(cè)值的精度（1~2 mm），偽距觀測(cè)值差值的回歸殘差的標(biāo)準(zhǔn)差即可視作手機(jī)偽距觀測(cè)值的中誤差；同時(shí)可以得到時(shí)間窗口內(nèi)手機(jī)端觀測(cè)值相對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)值的固定偏差以及平均變化率差值的大小。

3.3 觀測(cè)值變化率差異分析

本文以100 s為窗口，對(duì)3臺(tái)手機(jī)所有觀測(cè)值都進(jìn)行上述分析。圖6所示為華為P10手機(jī)各衛(wèi)星偽距觀測(cè)值相對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值在窗口內(nèi)平均變化率的差值，其余2個(gè)手機(jī)情況與P10手機(jī)相同（限于篇幅，未給出）。觀察圖6，各顆衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值變化率與測(cè)地型接收機(jī)的差值呈現(xiàn)出隨時(shí)間變化的一致性，這與設(shè)備鐘差和鐘速的影響是一致的，即同一時(shí)刻鐘差對(duì)各衛(wèi)星影響情況相同，可以認(rèn)為手機(jī)端偽距觀測(cè)值與測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)值同一時(shí)刻變化率的差異是不同設(shè)備時(shí)鐘的差異導(dǎo)致的。觀察不同GNSS系統(tǒng)的圖像，GLONASS衛(wèi)星偽距觀測(cè)值變化率與測(cè)地型接收機(jī)的差值在同一時(shí)刻的差異性顯然大于GPS和BDS衛(wèi)星（Galileo衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)太少，未予考慮），原因尚不明確。

圖6 P10手機(jī)偽距平均變化率與測(cè)地型接收機(jī)差值

圖7所示為華為P10手機(jī)各衛(wèi)星載波觀測(cè)值相對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值在窗口內(nèi)平均變化率的差值。圖7顯示出各顆衛(wèi)星的載波觀測(cè)值變化率與測(cè)地型接收機(jī)的差值呈現(xiàn)出數(shù)值和變化規(guī)律上的一致性，同偽距觀測(cè)值的性質(zhì)一樣，可以認(rèn)為手機(jī)端載波觀測(cè)值與測(cè)地型接收機(jī)觀測(cè)值同一時(shí)刻變化率的差異是不同設(shè)備時(shí)鐘的差異導(dǎo)致的。

與此同時(shí)，同一時(shí)刻手機(jī)端載波觀測(cè)與偽距觀測(cè)值變化率不相同，二者的差值在不同衛(wèi)星間很接近，圖8為所有衛(wèi)星同一時(shí)刻載波觀測(cè)與偽距觀測(cè)值變化率差值隨時(shí)間變化示意圖，可見(jiàn)此差值在3 h觀測(cè)時(shí)間內(nèi)從103 m/s左右逐漸變化到99 m/s左右。

圖7 P10手機(jī)載波平均變化率與測(cè)地型接收機(jī)差值

圖8 P10手機(jī)各衛(wèi)星載波變化率與偽距變化率之差

基于以上分析，手機(jī)端偽距觀測(cè)值和載波觀測(cè)值的變化率相對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)的差異都是不同的時(shí)鐘導(dǎo)致的；但是手機(jī)端偽距和載波觀測(cè)值互相之間變化率也不同步，其性質(zhì)與偽距觀測(cè)和載波觀測(cè)采用不同的時(shí)鐘相吻合。值得注意的是，不是所有衛(wèi)星的載波觀測(cè)值變化率都具有隨時(shí)間變化一致性，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有近半數(shù)衛(wèi)星的載波觀測(cè)值中存在粗差或原因尚不明確的系統(tǒng)誤差，且這些誤差影響量值在1000 m·s-1以上。

3.4 偽距觀測(cè)值精度分析

本文對(duì)手機(jī)端偽距觀測(cè)值數(shù)據(jù)中誤差進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如3.2小節(jié)所介紹，華為P10、化為榮耀9和小米8各衛(wèi)星觀測(cè)值平均中誤差、衛(wèi)星平均高度角和載噪比如圖9、圖10和圖11所示。得到以下結(jié)論：

圖9 P10手機(jī)各衛(wèi)星偽距觀測(cè)值平均中誤差、載噪比和高度角

圖10 榮耀9手機(jī)各衛(wèi)星偽距觀測(cè)值平均中誤差、載噪比和高度角

圖11 小米8手機(jī)各衛(wèi)星偽距觀測(cè)值平均中誤差、載噪比和高度角

小米8手機(jī)偽距觀測(cè)值中誤差明顯小于P10手機(jī)和榮耀9手機(jī)；小米8手機(jī)P5偽距中誤差小于P1偽距中誤差；GLONASS衛(wèi)星偽距質(zhì)量明顯差于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星；對(duì)于大部分衛(wèi)星，載噪比和觀測(cè)值中誤差之間表現(xiàn)出正確的相互關(guān)系，即載噪比越高，觀測(cè)值中誤差越小，而衛(wèi)星高度角和觀測(cè)值中誤差之間沒(méi)有明顯的相互關(guān)系。

匯總3臺(tái)手機(jī)偽距觀測(cè)值中誤差如表4所示，手機(jī)端偽距觀測(cè)值中誤差在4~12 m不等，手機(jī)偽距觀測(cè)值質(zhì)量與手機(jī)上市時(shí)間和價(jià)格高低有關(guān)。

表4 偽距觀測(cè)值中誤差　　m

3.5 載波觀測(cè)值精度分析

對(duì)于手機(jī)端載波觀測(cè)值，由于不確定其精度是否遠(yuǎn)低于測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值精度，故不宜采用作差擬合的方式來(lái)計(jì)算其中誤差。鑒于GNSS衛(wèi)星在空間中運(yùn)動(dòng)十分平滑，原始觀測(cè)值理論上也十分平滑。本文采用計(jì)算短時(shí)間內(nèi)手機(jī)端載波觀測(cè)值變化率平滑程度，并與測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值變化率平滑程度作對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)手機(jī)端載波觀測(cè)值質(zhì)量。以100 s為窗口，對(duì)載波觀測(cè)值變化率進(jìn)行線性擬合，得到擬合殘差標(biāo)準(zhǔn)差。

圖12為P10手機(jī)C02衛(wèi)星和G13衛(wèi)星載波觀測(cè)值變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間變化示意圖。很明顯手機(jī)載波觀測(cè)值在剛開(kāi)始觀測(cè)時(shí)精度較差，觀測(cè)大約800 s后精度明顯提高，其他衛(wèi)星觀測(cè)值也體現(xiàn)出此規(guī)律，榮耀9手機(jī)具有相同的規(guī)律，小米8手機(jī)沒(méi)有。

圖12 P10手機(jī)載波變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差

圖13為P10手機(jī)各衛(wèi)星載波觀測(cè)值變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差在3 h內(nèi)的均值與測(cè)地型接收機(jī)對(duì)比圖?？梢钥闯?，各GNSS系統(tǒng)的手機(jī)載波觀測(cè)值精度差距不大，以載波觀測(cè)值變化率平滑性作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各衛(wèi)星載波觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量（僅考慮隨機(jī)誤差影響）比測(cè)地型接收機(jī)差5~10倍。觀察榮耀9手機(jī)計(jì)算結(jié)果，載波觀測(cè)值精度略高于P10手機(jī)，同時(shí)GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星載波觀測(cè)值穩(wěn)定性要差于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星。

圖13 P10手機(jī)各衛(wèi)星載波變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差均值與測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值對(duì)比

圖14為小米8手機(jī)各衛(wèi)星載波觀測(cè)值變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差在1 h內(nèi)的均值與測(cè)地型接收機(jī)對(duì)比圖?？梢钥闯?，小米8手機(jī)載波觀測(cè)值質(zhì)量比P10手機(jī)明顯更好，大部分衛(wèi)星觀測(cè)值變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差是測(cè)地型接收機(jī)的3~4倍左右，但是存在一小部分衛(wèi)星明顯偏離群值，同時(shí)GLONASS衛(wèi)星載波數(shù)據(jù)質(zhì)量也差于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星。

圖14 小米8手機(jī)各衛(wèi)星載波變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差均值與測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值對(duì)比

表5為各手機(jī)及測(cè)地型接收機(jī)載波觀測(cè)值變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差匯總，以觀測(cè)值平滑性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，P10手機(jī)、榮耀9手機(jī)和小米8手機(jī)的載波數(shù)據(jù)質(zhì)量分別比測(cè)地型接收機(jī)差6.4、5.5和4.0倍。

表5 載波觀測(cè)值變化率線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差 　　m·s-1

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)智能手機(jī)終端和測(cè)地型接收機(jī)同時(shí)同位置進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，對(duì)手機(jī)端原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的質(zhì)量分析，為正在逐步開(kāi)展起來(lái)的基于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的手機(jī)端定位理論研究提供了參考。結(jié)論包括：

目前，市場(chǎng)上大部分的Android智能手機(jī)能夠觀測(cè)到的原始GNSS數(shù)據(jù)為單頻偽距和載波相位數(shù)據(jù)，僅有少數(shù)最新產(chǎn)品能夠觀測(cè)到雙頻原始數(shù)據(jù)，雙頻原始數(shù)據(jù)內(nèi)容為GPS衛(wèi)星L1、L5頻率數(shù)據(jù)和Galileo衛(wèi)星E1、E5頻率數(shù)據(jù)。手機(jī)端能夠觀測(cè)到的GPS和GLONASS衛(wèi)星數(shù)目和測(cè)地型接收機(jī)接近，BDS和Galileo衛(wèi)星數(shù)目與具體手機(jī)型號(hào)有關(guān)。

手機(jī)端GNSS觀測(cè)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較為頻繁的信號(hào)失鎖的現(xiàn)象，且接近半數(shù)衛(wèi)星的載波觀測(cè)值存在粗差或原因不明確的系統(tǒng)誤差。

手機(jī)端同時(shí)刻偽距觀測(cè)值和載波觀測(cè)值變化率不一致，性質(zhì)接近于偽距和載波觀測(cè)采用不同的時(shí)鐘，二者鐘速之差在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)緩慢變化。

華為P10手機(jī)、華為榮耀9手機(jī)和小米8手機(jī)偽距觀測(cè)值中誤差分別為8.577、12.227和3.969 m，且對(duì)于小米8手機(jī)P5偽距質(zhì)量要高于P1偽距質(zhì)量。BDS衛(wèi)星偽距觀測(cè)值精度最高，GLONASS衛(wèi)星偽距質(zhì)量較差。對(duì)于偽距定位，相較于衛(wèi)星高度角定權(quán)方式，載噪比定權(quán)更為合理。

P10手機(jī)和榮耀9手機(jī)載波觀測(cè)值在剛開(kāi)始觀測(cè)時(shí)質(zhì)量較差，約10 min分鐘后會(huì)有明顯提升。以載波觀測(cè)值變化率平滑性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，手機(jī)端載波觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量（僅考慮隨機(jī)誤差影響）比測(cè)地型接收機(jī)差4~6倍。

[1] Google Inc.Raw GNSS measurements[EB/OL]. [2018-08-20]. https://developer.android.google.cn/guide/topics/sensors/ gnss.

[2] European GNSS Agency. White paper on using GNSS raw measurements on Android devices[R/OL]. (2018-02-21) [2018-07-30].https://galileognss.eu/wp-content/uploads/2018/05/Using-GNSS-Raw-Measurements-on-Android-devices. pdf.

[3] 高成發(fā)，胡伍生. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用[M]. 北京:人民交通出版社，2011.

[4] 張?jiān)? 馬天翊, 闕揚(yáng)州,等. 移動(dòng)終端中的GNSS高精度定位技術(shù)評(píng)估[EB/OL].[2018-07-30]. http://kns.cnki. net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CPFD&dbname=CPFDLAST2018&filename=ZKBD201805008039&uid=WEEvREcwSlJHSldRa1FhdXNXa0d1YXFWb0pmTWRiU1k4NXh4TWZaR1VnST0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!&v=MDg4NjVuanFxeGRFZU1PVUtyaWZadTV1Rnl2c1VyZk1JMW9SUHliSmFyRzRIOW5NcW85RmJPc01CUk5LdWhkaG5qOThU.

[5] 楊劍, 王澤民, 王貴文,等. GPS接收機(jī)鐘跳的研究[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2007, 27(3): 123-127.

[6] 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組. 誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)[M].武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2009.

[7] 畢京學(xué), 甄杰, 郭英. Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2016(7): 10-13.

[8] 李杰, 秘金鐘, 李得海, 等. Android平臺(tái)下實(shí)時(shí)BDS+GPS雙系統(tǒng)廣域差分定位技術(shù)研究[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2017(12): 12-15.

[9] VAN DIGGELEN F. GNSS inside mobile phones:GPS, GLONASS, QZSS, and SBAS in a single chip[J]. InsideGNSS, 2011(5): 50-60.

[10] REALINI E, CALDERA S, PERTUSINI L, et al.Precise GNSS positioning using smart devices[EB/OL]. [2018-07-30].https://www.researchgate.net/publication/320591917_Precise_GNSS_Positioning_Using_Smart_Devices.

[11] 黃丁發(fā), 張勤, 張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社, 2015.

Quality analysis on raw GNSS measurements of Android mobile terminals

CHEN Bo, GAO Chengfa, LIU Yongsheng, LU Yicai

（School of Transportation, Southeast University, Nanjing 211189, China）

In order to supplement the insufficiency of studying on the qualitative analysis of raw GNSS observations of mobile phones, the paper proposed to comparatively analyze the raw GNSS measured data quality of mobile terminals by observing with smart phones and common GNSS receivers simultaneously at the same place, taking the samples of Huawei P10, Huawei Honor 9 and Xiaomi 8 into accout. Experimental result showed that: most smartphones could receive single-frequency pseudo-range and carrier phase, some of the latest products could receive dual-band raw GNSS measurements, and the number of observed GPS and GLONASS satellites would be close to that by GNSS receivers; there would be occasional frequent signal loss in mobile phone observations, and a large number of faults or systematic errors with unclear causes in carrier phase observations; the change rates of pseudo-range observation and carrier phase observation would be inconsistent, which could be due to the different clocks used by the two observations leading to the slow change of the clock rate difference between the two clocks during the observation period; at the same time, the root mean square error in the pseudo-range observations of mobile phones would be 4~10 m, and the accuracy of pseudo-range observations of BDS satellites would be better than that of other GNSS satellites; moreover, taking the change rate smoothness of carrier phase observation as the evaluation index, the data quality of mobile carrier phase observation would be 4~6 times worse than that of the common GNSS receivers.

Android mobile phone; quality analysis; pseudo-range observation; carrier phase observation; change rate

P228

A

2095-4999(2019)03-0015-09

2018-10-22

陳波（1996—），男，安徽蕪湖人，碩士生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)終端GNSS定位。

高成發(fā)（1963—），男，江蘇海安人，博士，教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星定位導(dǎo)航算法及衛(wèi)星定位導(dǎo)航在交通工程中的應(yīng)用。

陳波，高成發(fā)，劉永勝，等.安卓手機(jī)終端原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(3):87-95.（CHEN Bo，GAO Chengfa，LIU Yongsheng，et al.Quality analysis on raw GNSS measurements of Android mobile terminals[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):87-95.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190315.