智能手機(jī)GNSS標(biāo)準(zhǔn)定位性能與精度分析

王天文

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 引 言

智能手機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的GNSS定位終端，基于定位芯片所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的如共享單車、位置分享、車載導(dǎo)航、移動(dòng)醫(yī)療等位置服務(wù)(Location Based Services，LBS)，提高了人們?nèi)粘Ｉ畹馁|(zhì)量。國(guó)內(nèi)外科研人員已經(jīng)做了大量關(guān)于智能終端高精度技術(shù)定位的研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Duty Cycle機(jī)制在很大程度上影響了載波相位觀測(cè)值的連續(xù)性，而載波相位觀測(cè)值常用于高精度定位，因此智能終端很難實(shí)現(xiàn)高精度定位[5]。

2 智能手機(jī)GNSS原始數(shù)據(jù)的獲取

Android應(yīng)用程序和GNSS等不同移動(dòng)傳感器之間的交互是使用Android框架API進(jìn)行的。Android平臺(tái)的每個(gè)新版本都與一個(gè)新的API相關(guān)聯(lián)，GNSS芯片組的配置、交互和用戶訪問(wèn)都取決于API級(jí)別。用戶應(yīng)用程序使用框架位置API訪問(wèn)GNSS數(shù)據(jù)。在Android API 23之前，這僅限于獲?。篏PS衛(wèi)星信息(C/No、方位角、高程)、具有適當(dāng)時(shí)間戳的NMEA語(yǔ)句和PVT解決方案。用戶可以向芯片組發(fā)送基本配置命令，包括重啟/啟動(dòng)GNSS芯片組或清除輔助數(shù)據(jù)。然而GNSS星座優(yōu)先級(jí)和不同PVT算法的所有配置設(shè)置都是由芯片組本身決定的。從API 23(Android 6)開(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員可以訪問(wèn)以下Android類：GPS衛(wèi)星，其中包含衛(wèi)星方位角(Azimuth)、高度角(Elevation)、衛(wèi)星號(hào)PRN和C/No等基本衛(wèi)星信息。它還標(biāo)記了衛(wèi)星是否用于PVT解決方案以及歷書(shū)和星歷表的可用性。GPS狀態(tài)，提供有關(guān)GNSS芯片組狀態(tài)和解決方案的信息。位置，指示是否提供位置和時(shí)間解決方案。NMEA監(jiān)聽(tīng)器，提供基本的NMEA語(yǔ)句。API 24提供了利于獲取信息的三個(gè)新接口：接收機(jī)鐘信息GNSS Clock、每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的觀測(cè)信息GNSS Measurements、衛(wèi)星星歷信息GNSS Navigation Message。智能終端并不是直接獲取得到偽距觀測(cè)值，而是將GNSS Clock與GNSS Measurements的信息進(jìn)行計(jì)算生成每個(gè)衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值。

3 智能手機(jī)GNSS原始觀測(cè)值的生成

3.1 偽距觀測(cè)值的生成

Android系統(tǒng)并不直接提供偽距測(cè)量值，它提供了計(jì)算所需要的參數(shù)。偽距的計(jì)算基于測(cè)量時(shí)間與接收時(shí)間的時(shí)間差，計(jì)算公式如下：

ρ=(tRx-tTx)×C

(1)

其中，C表示的是光速，其數(shù)值為 299 792 458 m/s。tRx為接收機(jī)端的測(cè)量時(shí)間，tTx為衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間。

tTx=ReceivedSvTimeNanos[ns]

(2)

其中ReceivedSvTimeNanos是測(cè)量時(shí)接收到的GNSS衛(wèi)星時(shí)間，單位為納秒。tTx的有效范圍取決于跟蹤狀態(tài)，如果跟蹤狀態(tài)不等于解碼(GPS)，則變得模糊，即偽距變得模糊。tTx受衛(wèi)星原子鐘的鐘差影響，該鐘差可以通過(guò)衛(wèi)星星歷提供的參數(shù)進(jìn)行改正。tRx由GNSS Clock提供的信息計(jì)算得到，如下式：

tRxGNSS=TimeNanos+TimeOffsetNanos-(FullBiasNanos+BiasNanos)[ns]

(3)

其中TimeOffsetNanos是測(cè)量時(shí)間的時(shí)間偏移量，單位為納秒。只有FullBiasNanos和BiasNanos的第一個(gè)值用于計(jì)算所有接收時(shí)間。此操作適用于內(nèi)部接收時(shí)間不連續(xù)的情況，這通常只在GNSS模塊重新啟動(dòng)時(shí)發(fā)生。tRxGNSS僅在用于計(jì)算接收時(shí)間的GNSS參考系統(tǒng)中提供。但是，tTx為每個(gè)GNSS系統(tǒng)提供，通常GNSS接收機(jī)將GPST作為默認(rèn)的GNSS參考時(shí)間。

3.2 載波觀測(cè)值的生成

Android 7提供的載波相位測(cè)量是以米為單位累加的。它們沒(méi)有時(shí)間信息，這意味著接收器只能計(jì)算兩個(gè)時(shí)期之間發(fā)生的周期數(shù)，如果發(fā)生周跳，則接收器將丟失此計(jì)數(shù)。載波相位的有效性測(cè)量值由GNSS Measurement接口中的AccumulatedDeltaRangeMeters參數(shù)轉(zhuǎn)換得到，轉(zhuǎn)換公式如下：

φ=AccumulatedDeltaRangeMeters/λ

(4)

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

使用小米Mi8智能手機(jī)內(nèi)置的Broadcom BCM47755芯片采集觀測(cè)數(shù)據(jù)。為分析智能手機(jī)的定位性能，使用Trimble NetR9接收機(jī)和小米Mi8同步觀測(cè)作為比較。

4.1 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量

小米Mi 8智能手機(jī)跟蹤衛(wèi)星數(shù)量圖和衛(wèi)星星空?qǐng)D如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可得，小米Mi8智能手機(jī)在20：00～21：59這段時(shí)間內(nèi)，一共跟蹤到43顆衛(wèi)星的信號(hào)。由此可見(jiàn)，智能手機(jī)就衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤和捕獲性能方面是滿足日常定位所需的，但由于城市環(huán)境的復(fù)雜以及存在很多遮擋的情況，對(duì)于部分衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤并不連續(xù)和穩(wěn)定。

圖1 小米Mi 8可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量

圖2 小米Mi 8跟蹤到的衛(wèi)星星空?qǐng)D

4.2 PDOP值分析

接收機(jī)在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，若受到地形結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，可能造成觀測(cè)質(zhì)量差，衛(wèi)星分布較少的情況。位置精度衰減因子PDOP(Position Dilution of Precision)是分析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的一個(gè)重要指標(biāo)。由于不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是不同的軌道參數(shù)，將不同的軌道的衛(wèi)星進(jìn)行組合，就可以優(yōu)化衛(wèi)星的幾何分布；而且組合系統(tǒng)中，衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)量增加，優(yōu)化了衛(wèi)星的幾何分布，可以有效地提高衛(wèi)星定位的精度和可靠性。PDOP值越小就意味著天空中衛(wèi)星的幾何分布程度越好，定位精度越高。

圖3 截止高度角15°下GPS系統(tǒng)的PDOP值變化

圖4 截止高度角15°下BDS系統(tǒng)的PDOP值變化

圖5 截止高度角15°下組合系統(tǒng)的PDOP值變化

圖3、圖4、圖5分別是截止高度角15°下GPS系統(tǒng)，BDS系統(tǒng)和組合系統(tǒng)的PDOP值的變化情況。上圖可以看出，GPS系統(tǒng)的PDOP值變化較BDS較為平穩(wěn)，且均值也更低，幾何分布較好。GPS的PDOP值在1～4之間，BDS的PDOP值在2～10之間。而圖5組合系統(tǒng)的PDOP值較單一系統(tǒng)的PDOP值明顯變小，也更加平穩(wěn)，在1～2之間變化。他們的PDOP值均小于10，故可以得出單一系統(tǒng)下，可以滿足定位需求，而且在組合系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)增加的情況下，定位精度和可靠性可以得到進(jìn)一步提升。

4.3 信噪比特性

本節(jié)對(duì)小米Mi 8智能手機(jī)和Trimble NetR9測(cè)量型接收機(jī)的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和統(tǒng)計(jì)分析。圖6給出了智能手機(jī)和接收機(jī)觀測(cè)到的L1波段觀測(cè)值的信噪比的頻率分布直方圖。由圖6可以看出，智能手機(jī)和接收機(jī)的大部分觀測(cè)值的信噪比都在 30 dB～40 dB區(qū)間之中。

圖6 智能手機(jī)和接收機(jī)L1波段信噪比頻率分布直方圖

圖7將放置在同種環(huán)境下的智能手機(jī)和測(cè)量型接收機(jī)接收到的L1波段的衛(wèi)星信號(hào)的平均信噪比做對(duì)比分析。可以看出，測(cè)量型接收機(jī)衛(wèi)星信號(hào)的平均信噪比要高于智能手機(jī)衛(wèi)星信號(hào)的平均信噪比。

圖7 智能手機(jī)和接收機(jī)的L1波段衛(wèi)星平均信噪比柱形圖

圖8反映了智能手機(jī)觀測(cè)到的五個(gè)系統(tǒng)每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)信噪比的平均值。其中，智能手機(jī)主要接收到了GPS、Galileo和QZSS L1/L5波段的數(shù)據(jù)，GLONASS L1波段的數(shù)據(jù)，以及BDS L2波段的數(shù)據(jù)。GPS、Galileo、QZSS三系統(tǒng)的L1波段的信噪比普遍高于L5波段的信噪比，BDS系統(tǒng)的L2波段的信噪比大部分在 30 dB～40 dB范圍內(nèi)。總體上看，GPS系統(tǒng)的信噪比最高，Galileo系統(tǒng)的信噪比最低。

圖8 智能手機(jī)多系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)信噪比柱形圖

圖9 G12衛(wèi)星L1波段信噪比隨衛(wèi)星高度角變化關(guān)系圖

衛(wèi)星高度角、信噪比信息與觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有著較大的相關(guān)性，為了進(jìn)一步分析，選取了GPS系統(tǒng)的G12衛(wèi)星，繪制出隨著高度角的變化平均信噪比變化的折線圖，如圖9所示。由此可以看出，測(cè)量型接收機(jī)的信噪比和高度角的相關(guān)性強(qiáng)，隨著高度角的增大而增大，變化較大，在高度角達(dá)到最大的時(shí)候，信噪比最大，觀測(cè)質(zhì)量最好，而智能手機(jī)的信噪比隨高度角的變化并不明顯。由于不同高度角衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)的傳播路徑不同，受到傳播過(guò)程的各種誤差的影響也不一樣，故觀測(cè)質(zhì)量就不同。例如，對(duì)流層誤差隨著衛(wèi)星高度角的減小而逐漸增大。智能手機(jī)的信噪比與高度角相關(guān)性較小的原因可能是由于智能手機(jī)內(nèi)置的天線采用的是線性極化的方式，從而受到多路徑效應(yīng)的影響較大。

4.4 多路徑效應(yīng)分析

由圖10、圖11可以看出，測(cè)量型接收機(jī)受多路徑影響較于智能手機(jī)明顯較小。并且，兩者在測(cè)量時(shí)，處于同樣的觀測(cè)環(huán)境下，可以忽略環(huán)境不同的因素。測(cè)量型接收機(jī)內(nèi)部采用了Trimble EVERSTTM多路徑抑制技術(shù)來(lái)確保GNSS信號(hào)的高增益和抗干擾能力，可以有效地減小多路徑效應(yīng)的影響，而智能終端中使用的是價(jià)格低廉的PIFA天線，它的線型極化方式抗干擾能力弱，易受多路徑效應(yīng)的影響。由此可以得出，與測(cè)量型接收機(jī)相比，智能手機(jī)內(nèi)置的天線設(shè)計(jì)大大影響了GNSS原始數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖10 Mi 8多路徑誤差

圖11 測(cè)量型接收機(jī)多路徑誤差

5 智能終端不同定位模式的精度分析

在智能手機(jī)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，選取質(zhì)量較好的GPS和BDS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位和偽距差分定位模型的解算。表1為通過(guò)程序解算后的定位結(jié)果精度，可以看出，偽距單點(diǎn)模型和偽距差分模型解算后的定位結(jié)果精度相差不大，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含了大量的異常值，影響了定位精度。在不經(jīng)過(guò)平滑或者增強(qiáng)算法處理的情況下，小米Mi 8智能手機(jī)在水平方向上的精度可以達(dá)到 3 m～13 m，在高程方向上的精度可以達(dá)到 12 m～40 m。

小米Mi 8智能手機(jī)SPP/RTD定位精度統(tǒng)計(jì)表 表1

將小米8手機(jī)分別放置在開(kāi)闊環(huán)境與樹(shù)林遮擋較多的環(huán)境中(圖12)，采用RTK靜態(tài)模式下進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，Ratio值設(shè)置為3，其RTK定位東(de)、北(dn)、天頂(du)3個(gè)方向的誤差值如圖13、圖14、表2所示，開(kāi)闊環(huán)境下手機(jī)定位偏差波動(dòng)較小，定位偏差在 0.5 m以內(nèi)，而遮擋環(huán)境下手機(jī)定位N，U方向偏差波動(dòng)較大。

圖12

圖13 Mi 8開(kāi)闊環(huán)境

圖14 Mi 8遮擋環(huán)境

不同環(huán)境定位誤差統(tǒng)計(jì)表 表2

在小米8智能手機(jī)附近3 m處架設(shè)一臺(tái)專業(yè)測(cè)地形接收機(jī)Trimble NetR9組成超短基線，進(jìn)行同時(shí)段觀測(cè)，觀測(cè)條件良好，采樣間隔為 1 s，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后靜態(tài)相對(duì)定位解算，與之對(duì)比。如圖15、圖16、表3所示，Trimble NetR9測(cè)地形接收機(jī)定位精度較小米8智能手機(jī)高出一個(gè)量級(jí)，由上所述是智能手機(jī)采用線性極化天線，抑制多路徑效果更差，產(chǎn)生更多噪聲所致。

圖15 Trimble NetR9

圖16 Mi 8

不同接收設(shè)備定位誤差統(tǒng)計(jì)表 表3

6 結(jié) 論

對(duì)小米Mi 8智能手機(jī)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了較為全面和系統(tǒng)的質(zhì)量分析，評(píng)估了該智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)定位性能和精度，為人們?cè)诔鞘猩畹亩ㄎ恍枨筇峁┝说统杀镜慕鉀Q方案。在智能手機(jī)跟蹤和捕獲衛(wèi)星信號(hào)的方面，在一般情況下智能手機(jī)能夠跟蹤到5個(gè)星座系統(tǒng)的衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)量在43顆左右；并且發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)觀測(cè)值的信噪比平均值要低于測(cè)量型接收機(jī)。這是因?yàn)橹悄苁謾C(jī)內(nèi)置的天線采用線性極化的方式，極易受到多路徑效應(yīng)的影響。雙頻的小米Mi 8智能手機(jī)的定位精度在水平方向上達(dá)到了 3 m～13 m，高程方向上的精度達(dá)到了 12 m～40 m。結(jié)果表明，智能終端的GNSS性能能夠滿足日常米級(jí)定位的需要。