基于智能手機(jī)GNSS雙頻原始觀測(cè)值的電離層延遲提取與分析

徐黎 張寶成

0 引言

隨著多頻多模全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的發(fā)展,歐洲Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System,BDS)逐漸完善[1],可視衛(wèi)星數(shù)量大幅增加,大眾用戶(hù)對(duì)位置服務(wù)的強(qiáng)烈需求,使低成本、高精度定位擁有巨大市場(chǎng)潛力．谷歌公司在2016年開(kāi)發(fā)者大會(huì)上宣布從Android 7起,對(duì)所有用戶(hù)開(kāi)放GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取接口,用戶(hù)不僅可以獲取偽碼,還能獲取相位和多普勒觀測(cè)值,從而能開(kāi)發(fā)算法來(lái)提高面向大眾市場(chǎng)移動(dòng)智能設(shè)備的定位精度．移動(dòng)智能設(shè)備GNSS高精度定位成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[2-5]．

2018年5月,小米科技有限公司發(fā)布了全球首款搭載博通BCM47755雙頻(GPS L1+L5)GNSS芯片的小米8手機(jī),從此,手機(jī)定位進(jìn)入雙頻時(shí)代,極大地推動(dòng)了Android高精度定位算法的研究[6-9]．Massarweh等[10]系統(tǒng)評(píng)估了小米8手機(jī)原始GNSS觀測(cè)值的多路徑特性；Paziewski等[11]證實(shí)了Android智能設(shè)備循環(huán)節(jié)能模式(duty cycle)嚴(yán)重影響了GNSS載波觀測(cè)值的質(zhì)量,導(dǎo)致模糊度無(wú)法固定；Liu等[12]對(duì)Android設(shè)備的循環(huán)節(jié)能模式進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,發(fā)現(xiàn)該模式在設(shè)備處于靜態(tài)時(shí)打開(kāi),動(dòng)態(tài)時(shí)關(guān)閉,且靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化時(shí),打開(kāi)和關(guān)閉有一定時(shí)延,并提出了一種顧及手機(jī)循環(huán)節(jié)能模式的大眾行人導(dǎo)航算法;Geng等[13]發(fā)現(xiàn)了Android設(shè)備初始相位偏差的存在,并利用智能手機(jī)外接高精度天線(xiàn)的方式,首次實(shí)現(xiàn)了相位模糊度固定；Gao等[14]系統(tǒng)分析了智能手機(jī)GNSS原始觀測(cè)值和隨機(jī)模型,并提出了利用智能手機(jī)原始精度因子定權(quán)的策略,取得了較好的定位效果．

目前,智能手機(jī)原始GNSS觀測(cè)值的研究主要集中于觀測(cè)值質(zhì)量分析、隨機(jī)模型與定位算法,利用智能手機(jī)級(jí)別的GNSS設(shè)備進(jìn)行空間天氣方面的研究極少．本文利用小米8智能手機(jī)原始GNSS雙頻載波相位觀測(cè)值,深入研究分析了電離層延遲提取精度．首先介紹了智能手機(jī)獲取原始GNSS觀測(cè)值的方法,然后分析了載波相位觀測(cè)值質(zhì)量,最后分析了GPS和QZSS系統(tǒng)衛(wèi)星提取的電離層延遲精度．

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 Android手機(jī)原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取

Android應(yīng)用程序和不同傳感器(如GNSS)之間的交互是在An-droid框架API下進(jìn)行的．Android平臺(tái)每個(gè)新版本操作系統(tǒng)都與一個(gè)相應(yīng)的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface,API)相關(guān)聯(lián),配置、交互和用戶(hù)對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)都依賴(lài)于此．用戶(hù)可調(diào)用Location API中的GNSSClock和GNSSMeasurement類(lèi)來(lái)獲取原始偽距(非直接)、載波相位和多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)．GnssClock類(lèi)是獲取Android設(shè)備中相關(guān)參數(shù)的一個(gè)基本類(lèi),GnssMeasurement是獲取GNSS觀測(cè)值相關(guān)參數(shù)的類(lèi),包含的與GNSS相關(guān)的部分參數(shù)如表1所示,詳情可參考Android開(kāi)發(fā)文檔(https:∥developer.android.google.cn/guide/topics/sensors/gnss)．

表1 Location API部分原始觀測(cè)信息

Android系統(tǒng)沒(méi)有直接給出偽距觀測(cè)值,而是提供了相關(guān)的計(jì)算參數(shù)．偽距由信號(hào)從衛(wèi)星端發(fā)出到接收機(jī)端的傳播時(shí)間乘以電磁波傳播速度(近似等于光速)得到．

ρ=c·(tRx-tTx)×10-9,

(1)

式中:ρ表示GNSS偽距觀測(cè)值(單位:m),c表示光在真空中的傳播速度(c=299 792 458 m/s),tRx表示測(cè)量時(shí)間(單位:ns),tTx表示衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間(單位:ns)．值得注意的是,tTx(ReceivedSvTimeNanos)的有效范圍取決于跟蹤狀態(tài),且為對(duì)應(yīng)的GNSS系統(tǒng)時(shí),多系統(tǒng)計(jì)算時(shí)需要統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)．根據(jù)本文第2節(jié)時(shí)間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系,計(jì)算方法如下:

(2)

載波相位觀測(cè)值在GNSSMeasurement類(lèi)中用AccumulatedDeltaRangeMeters表示,單位為m,可調(diào)用接口直接獲得．GNSSMeasurement類(lèi)中還給出了AccumulatedDeltaRangeState參數(shù),來(lái)判斷獲取載波相位觀測(cè)值的有效性．僅當(dāng)相位觀測(cè)值有效時(shí)才會(huì)用于位置計(jì)算．并非所有智能設(shè)備都能輸出有效的載波相位觀測(cè)值,這和設(shè)備本身GNSS芯片控制有關(guān),可在Android開(kāi)發(fā)者網(wǎng)站查詢(xún)(https:∥developer.android.google.cn)．

多普勒觀測(cè)值(XDoppler)可以由PseudorangeRateMetersPerSecond參數(shù)(其量值記為vPRMPS)得到,計(jì)算方法如下:

(3)

式中:f表示信號(hào)中心頻率(單位:Hz);c表示真空中的光速(單位:m/s);PseudorangeRateMetersPerSecond(vPRMPS)表示由Android設(shè)備獲取的原始觀測(cè)值(單位:m/s)．

1.2 相位電離層提取

電離層延遲是GNSS主要誤差源,同時(shí)GNSS也是空間天氣研究的重要數(shù)據(jù)源[15-17]．偽距和載波相位是GNSS兩類(lèi)基本觀測(cè)值,原始非差非組合觀測(cè)方程如下:

(4)

目前,基于GNSS觀測(cè)值的電離層總電子濃度(Total Electron Content,TEC)提取方法可分為幾何無(wú)關(guān)組合和非差非組合精密單點(diǎn)定位兩大類(lèi)[18]．由于智能手機(jī)偽距噪聲大、精確位置難以確定,故本文采用載波相位的無(wú)幾何觀測(cè)值提取:

(5)

(6)

式中:ηSTEC-diff表示斜電離層延遲的相對(duì)變化量(單位:TECU),N表示連續(xù)弧段歷元個(gè)數(shù),f表示載波相位的頻率(單位:Hz),下標(biāo)表示不同的頻點(diǎn)．

載波相位觀測(cè)值的質(zhì)量直接影響了電離層提取的精度．智能手機(jī)載波相位觀測(cè)值極易發(fā)生周跳,故周跳探測(cè)極為重要．當(dāng)兩個(gè)連續(xù)歷元間TEC變化量大于給定閾值時(shí),可判斷當(dāng)前歷元發(fā)生周跳．在中緯度地區(qū),測(cè)地型接收機(jī)歷元間變化量約0.01 TECU/s.考慮到智能手機(jī)天線(xiàn)質(zhì)量和相位噪聲,且L1頻點(diǎn)一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的電離層TEC約 1.1 TECU,本文設(shè)定的兩個(gè)連續(xù)歷元間TEC變化量閾值為0.5 TECU/s．為了盡量減少周跳影響,如果當(dāng)前歷元探測(cè)出周跳時(shí),則重新初始化．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

本文智能手機(jī)選用小米 8手機(jī),該手機(jī)支持GPS、GLONASS、BDS、Galileo和QZSS五系統(tǒng),為全球首款搭載博通BCM47755雙頻(GPS L1+L5、Galileo E1+E5a、QZSS L1+L5)GNSS芯片的手機(jī),且能夠獲取有效的原始偽距和載波相位觀測(cè)值,是目前智能手機(jī)精密定位研究中常被選用的設(shè)備,其結(jié)果得到研究人員的廣泛認(rèn)可．

智能手機(jī)在開(kāi)發(fā)者模式中打開(kāi)GNSS相位觀測(cè)值連續(xù)跟蹤選項(xiàng),放置于樓頂開(kāi)闊環(huán)境的觀測(cè)墩上,相隔約5 m的另一觀測(cè)墩上放置Trimble Alloy測(cè)地型接收機(jī),形成超短基線(xiàn),同時(shí)采集數(shù)據(jù)．智能手機(jī)數(shù)據(jù)記錄采用德國(guó)Geo++公司發(fā)布的Geo++Rinex Logger應(yīng)用,該應(yīng)用能將原始GNSS觀測(cè)值直接保存成與接收機(jī)無(wú)關(guān)的交換格式(Receiver Independent Exchange Format,RINEX)．?dāng)?shù)據(jù)采集世界協(xié)調(diào)時(shí)(Coordinated Universal Time,UTC)為2021年1月8日01:00:41—23:59:59,采樣率1 s,總時(shí)長(zhǎng)約23 h．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 智能手機(jī)相位觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

智能手機(jī)載波相位觀測(cè)值的質(zhì)量直接影響了電離層提取的精度．目前,小米8手機(jī)已支持GPS/Galileo/QZSS三系統(tǒng)雙頻觀測(cè)值,然而在本次實(shí)驗(yàn)中未能觀測(cè)到Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星有效的雙頻觀測(cè)值．圖1展示了觀測(cè)到的GPS和QZSS雙頻衛(wèi)星數(shù)量時(shí)間序列,其中紅色表示當(dāng)前歷元觀測(cè)到的所有衛(wèi)星數(shù),藍(lán)色表示當(dāng)前歷元雙頻衛(wèi)星數(shù),可以看出平均每個(gè)歷元GPS雙頻衛(wèi)星大約能觀測(cè)到4顆左右,QZSS衛(wèi)星約3顆,觀測(cè)到總的雙頻衛(wèi)星數(shù)約占總衛(wèi)星數(shù)的33%.

圖1 觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)時(shí)間序列

圖2 載噪比時(shí)間序列(紅色散點(diǎn)表示無(wú)效的觀測(cè)值)

智能手機(jī)GNSS天線(xiàn)為線(xiàn)性極化天線(xiàn),無(wú)法抑制多路徑效應(yīng)的影響,增加了觀測(cè)值的觀測(cè)噪聲,造成衛(wèi)星頻繁失鎖,導(dǎo)致相位觀測(cè)值頻繁發(fā)生周跳．為了最小相位觀測(cè)值對(duì)電離層提取的影響,本文利用高頻數(shù)據(jù),連續(xù)兩個(gè)歷元間電離層變化小的特性進(jìn)行質(zhì)量控制,當(dāng)歷元間電離層變化大于0.5 TECU/s時(shí),判定為周跳,則舍棄當(dāng)前歷元觀測(cè)值．圖2和圖3分別給出了衛(wèi)星信號(hào)載噪比(Carrier to Noise)時(shí)間序列和舍棄的觀測(cè)值載噪比分布,可以看出,GPS和QZSS的L1頻點(diǎn)中舍棄觀測(cè)值載噪比低于30 dB-Hz數(shù)量多于L5頻點(diǎn),這可能是由于L5頻點(diǎn)波長(zhǎng)更長(zhǎng),受多路徑的影響更?。欢cGPS L5頻點(diǎn)相比,GPS L1舍棄觀測(cè)值載噪比低于30 dB-Hz數(shù)量占比高出21個(gè)百分點(diǎn),QZSS僅高出11個(gè)百分點(diǎn),這可能是由于目前智能手機(jī)接收雙頻GNSS信號(hào)采用雙天線(xiàn)設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的差異．由圖3還可以看出,除了GPS L1頻點(diǎn)外,GPS L5、QZSS L1和QZSS L5頻點(diǎn)在載噪比為40 dB-Hz左右舍棄的觀測(cè)值是最多的,由此可見(jiàn),單純?cè)O(shè)置載噪比閾值來(lái)進(jìn)行質(zhì)量控制是不可行的．

圖4和圖5分別給出了衛(wèi)星高度角的時(shí)間序列和舍棄觀測(cè)值的衛(wèi)星高度角分布,可以看出,舍棄的GPS觀測(cè)值中高度角低于30°的觀測(cè)數(shù)約占85%,這是由于衛(wèi)星在低高度角時(shí),衛(wèi)星信號(hào)更容易受到大氣折射、多路徑效應(yīng)等因素的影響,同時(shí)智能手機(jī)線(xiàn)性極化天線(xiàn)抗多路徑性能差,從而導(dǎo)致相位觀測(cè)值頻繁發(fā)生周跳．舍棄的QZSS觀測(cè)值中高度角低于30°的觀測(cè)數(shù)僅占36%,高度角在60°左右占比最大,這可能是由于智能手機(jī)跟蹤不同系統(tǒng)衛(wèi)星性能存在一定的差異造成的．

圖3 舍棄觀測(cè)值載噪比分布(藍(lán)色數(shù)字表示載噪比低于30 dB-Hz的百分比)

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn),由于智能手機(jī)GNSS天線(xiàn)、跟蹤環(huán)路等因素影響,在較高的載噪比或衛(wèi)星高度角時(shí),也常出現(xiàn)跟蹤衛(wèi)星失鎖,導(dǎo)致周跳發(fā)生,嚴(yán)重影響了相位觀測(cè)值質(zhì)量．低載噪比或高度角時(shí),部分相位觀測(cè)值依然有效,甚至舍棄觀測(cè)值更少,間接驗(yàn)證了通過(guò)連續(xù)歷元間電離層變化小的特性進(jìn)行觀測(cè)值質(zhì)量控制的有效性．

3.2 電離層延遲提取比較

本節(jié)主要基于前文提出的相位無(wú)幾何組合方法,并與超短基線(xiàn)Trimble Alloy測(cè)地型接收機(jī)結(jié)果比較,分析GPS和QZSS雙系統(tǒng)提取的電離層延遲精度．

圖4 衛(wèi)星高度角時(shí)間序列(紅色散點(diǎn)表示無(wú)效的觀測(cè)值)

圖5 舍棄觀測(cè)值的衛(wèi)星高度角分布(藍(lán)色數(shù)字表示衛(wèi)星高度角低于30°的百分比)

相位電離層延遲提取時(shí),首先利用連續(xù)歷元間電離層變化閾值進(jìn)行質(zhì)量控制,舍棄無(wú)效的觀測(cè)值,然后形成幾何無(wú)關(guān)組合觀測(cè)值,采用連續(xù)濾波方法,即可得到相對(duì)的STEC值．圖6展示了小米8和Trimble Alloy接收機(jī)觀測(cè)到的部分GPS系統(tǒng)衛(wèi)星提取的相對(duì)STEC時(shí)間序列．不同的子圖表示不同的衛(wèi)星,紅色和藍(lán)色散點(diǎn)分別表示小米8和Trimble Alloy接收機(jī)提取的GPS衛(wèi)星相對(duì)STEC值．可以看出,小米8觀測(cè)到的各衛(wèi)星提取的相對(duì)STEC值和Trimble Alloy接收機(jī)有著一致的變化趨勢(shì),圖6c顯示了測(cè)地型接收機(jī)在UTC時(shí)間16:00—18:00間,探測(cè)到了G06衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑上的電離層變化較為明顯,小米8也很好地探測(cè)到這一變化．同時(shí),小米8提取的結(jié)果變化幅度略高于測(cè)地型接收機(jī),總體上與測(cè)地型接收機(jī)呈現(xiàn)了很好的一致性．

圖7表示小米8和Trimble Alloy接收機(jī)提取GPS衛(wèi)星相對(duì)STEC值的散點(diǎn)分布圖,不同子圖表示不同的GPS衛(wèi)星,紅色和藍(lán)色散點(diǎn)分別表示小米8和Trimble Alloy接收機(jī)相對(duì)STEC值散點(diǎn)和散點(diǎn)直線(xiàn)擬合,藍(lán)色式子表示直線(xiàn)擬合方程,紅色數(shù)字表示小米8以Trimble Alloy接收機(jī)相對(duì)STEC值為真值,相對(duì)STEC值時(shí)間序列的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)．可以看出,小米8和Trimble Alloy接收機(jī)相對(duì)STEC值散點(diǎn)分布在斜率約為1,截距為0的直線(xiàn)上,更加直接地反映了小米8和Trimble Alloy接收機(jī)GPS衛(wèi)星相對(duì)STEC值具有很好的一致性．同時(shí),小米8提取的GPS衛(wèi)星相對(duì)電離層精度約0.1 TECU．

圖6 小米8和Trimble Alloy提取的GPS衛(wèi)星相對(duì)STEC值比較

圖7 小米8和Trimble Alloy提取的GPS衛(wèi)星相對(duì)STEC值的散點(diǎn)圖(紅色數(shù)字表示RMSE值，藍(lán)色式子表示散點(diǎn)的線(xiàn)性擬合方程)

圖8和圖9分別展示了小米8和Trimble Alloy接收機(jī)提取QZSS J01、J02和J03衛(wèi)星相對(duì)STEC值的散點(diǎn)分布圖,其中兩圖的子圖a—c、 d—f和 g—i分別表示J01、J02和J03衛(wèi)星不同時(shí)段的結(jié)果,其他圖示的表示方法和上文一致．可以看出,與GPS類(lèi)似,QZSS衛(wèi)星相對(duì)STEC與測(cè)地型接收機(jī)呈現(xiàn)了很好的一致性,且小米8智能手機(jī)波動(dòng)幅度更大．圖10給出了小米8手機(jī)GPS和QZSS衛(wèi)星相對(duì)STEC提取精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,紅色和藍(lán)色數(shù)字分別表示GPS和QZSS系統(tǒng)衛(wèi)星平均RMSE值．由圖10可知,對(duì)于GPS和QZSS大部分衛(wèi)星相對(duì)STEC提取精度在0.2 TECU以?xún)?nèi),GPS和QZSS平均提取精度分別為0.14 TECU和0.13 TECU,兩者精度相當(dāng)．表明利用智能手機(jī)級(jí)別的低成本GNSS設(shè)備原始觀測(cè)值用于電離層研究是可行的,這大大降低了GNSS空間監(jiān)測(cè)設(shè)備成本,具有廣闊的應(yīng)用前景．

圖8 小米8和Trimble Alloy提取的QZSS衛(wèi)星相對(duì)STEC值比較

4 總結(jié)與展望

本文基于全球首款搭載GNSS雙頻芯片的小米8智能手機(jī)和超短基線(xiàn)的Trimble Alloy測(cè)地型接收機(jī),利用原始GNSS雙頻載波相位無(wú)幾何組合觀測(cè)值,評(píng)估了電離層提取精度．

小米8支持GPS(L1/L5)、Galileo(E1/E5a)和QZSS(L1/L5)三系統(tǒng)雙頻信號(hào)跟蹤,但測(cè)試期間僅能觀測(cè)到GPS和QZSS雙系統(tǒng)雙頻衛(wèi)星,無(wú)法觀測(cè)到有效的Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)．平均每個(gè)歷元大約觀測(cè)到6顆雙頻衛(wèi)星,約占觀測(cè)到總衛(wèi)星數(shù)的33%．同時(shí)利用高頻連續(xù)歷元間電離層變化較小的特性進(jìn)行質(zhì)量控制,超過(guò)閾值的觀測(cè)值被視為發(fā)生了周跳,在提取電離層時(shí)剔除．結(jié)果表明:與設(shè)置載噪比或高度角閾值相比,該方法既能識(shí)別高載噪比和高度角數(shù)據(jù)中的周跳,又能獲取低于載噪比或高度角閾值的有效觀測(cè)數(shù)據(jù),大大提高了觀測(cè)值的利用率．同時(shí),小米8智能手機(jī)在跟蹤GPS和QZSS衛(wèi)星能力表現(xiàn)出系統(tǒng)差異．

圖9 小米8和Trimble Alloy提取的QZSS衛(wèi)星相對(duì)STEC值的散點(diǎn)圖(紅色數(shù)字表示RMSE值，藍(lán)色式子表示散點(diǎn)的線(xiàn)性擬合方程)

圖10 小米8相對(duì)STEC值的精度

與超短基線(xiàn)的Trimble Alloy測(cè)地型接收機(jī)電離層提取結(jié)果比較表明:小米8智能手機(jī)原始GNSS雙頻載波相位觀測(cè)值提取的相對(duì)STEC與Trimble Alloy測(cè)地型接收機(jī)呈現(xiàn)很好的一致性,小米8相對(duì)STEC提取結(jié)果波動(dòng)幅度略大．大部分衛(wèi)星相對(duì)STEC提取精度優(yōu)于0.2 TECU,GPS和QZSS系統(tǒng)衛(wèi)星提取的相對(duì)STEC的RMSE值分別為0.14 TECU和0.13 TECU,沒(méi)有表現(xiàn)很大系統(tǒng)差異,兩者精度基本相當(dāng)．這表明智能手機(jī)級(jí)別的低成本GNSS設(shè)備具有高精度電離層提取的潛力,在保證精度的情況下,能大大降低GNSS空間天氣監(jiān)測(cè)的成本,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景．

下一步將采用不同品牌、不同GNSS芯片型號(hào)的智能手機(jī),比較和分析其電離層提取精度差異,并進(jìn)行電離層建模實(shí)驗(yàn),更加全面地評(píng)估智能手機(jī)提取電離層的精度表現(xiàn)．