基于Android智能手機(jī)的GNSS定位精度和準(zhǔn)度分析

代喜慶, 童成寶

(1. 青海省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)院 調(diào)查部, 西寧 810001； 2. 青海省基礎(chǔ)測(cè)繪院 技術(shù)部, 西寧 810001)

0 引 言

2016年Google公司開放了Android手機(jī)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS: Global Navigation Satellite System)芯片的原始測(cè)量數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口(API: Application Programming Interface), 這不僅極大地促進(jìn)了Android手機(jī)高精度定位技術(shù)的進(jìn)步, 也使智能手機(jī)高精度GNSS定位技術(shù)研究成為當(dāng)前最熱門的領(lǐng)域, 同時(shí)還促進(jìn)發(fā)展了更多的Android GNSS新的應(yīng)用, 如車道級(jí)駕駛、 精準(zhǔn)地圖和現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)(AR: Augmented Reality)等。

利用Android平臺(tái)的GNSS原始測(cè)量數(shù)據(jù)偏重于研究高精度定位算法, 例如： PPP(Precise Point Positioning)和RTK(Real Time Kinematic)。近幾年, 隨著雙頻GNSS芯片手機(jī)推出, 以及智能手機(jī)天線不斷改進(jìn), 手機(jī)實(shí)現(xiàn)分米甚至厘米級(jí)定位服務(wù)成為可能。智能手機(jī)的高精度定位會(huì)對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響, 并可能實(shí)現(xiàn)車道級(jí)駕駛導(dǎo)航等應(yīng)用。

Humphreys等[1]是最早從事智能手機(jī)收集數(shù)據(jù)的研究人員之一, 并在2016年指出手機(jī)局部多路徑對(duì)相位質(zhì)量是一個(gè)挑戰(zhàn)； 2017年, Realini等[2]利用goGPS軟件對(duì)GPS L1的雙差相位觀測(cè)值進(jìn)行了處理, 得出手機(jī)靜止時(shí)分米級(jí)定位是可以實(shí)現(xiàn)的； 同年, Pirazzi等[3]利用智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡在一張A4紙上寫下6個(gè)英文字符----“VADASE”, 實(shí)驗(yàn)證明手機(jī)GNSS相位測(cè)量是可以達(dá)到厘米級(jí)的。2018年, 全球首款雙頻GNSS手機(jī)(小米Mi8搭載博通4775芯片)發(fā)布后, 智能手機(jī)GNSS相關(guān)研究成果數(shù)量快速增長(zhǎng), 定位結(jié)果更好。Chen等[4]在沒有外部校正的情況下, 在靜止的小米Mi8上測(cè)試了PPP, 并在30 s內(nèi)收到了亞米級(jí)水平精度。Li等[5]通過(guò)連接外部天線, 實(shí)現(xiàn)Nexus9手機(jī)3方向定位誤差小于0.5 m； 2020年, Wen等[6]使用PPP-AR算法實(shí)現(xiàn)了Mi8手機(jī)優(yōu)于3 cm的定位結(jié)果。Liu等[7]在Mi8上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)RTK+IMU算法, 并在郊區(qū)駕駛汽車的儀表板上用手機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。眾多研究表明采用智能手機(jī)內(nèi)置天線可以進(jìn)行亞米定位[8-12], 而采用外置天線可以實(shí)現(xiàn)厘米定位[13-14]。針對(duì)目前市面上常見的智能手機(jī)GNSS芯片以及Android版本, 筆者選取其中兩款智能手機(jī)(華為P10和Samsung Galaxy S8)與另一款低成本的GNSS接收機(jī)(u-blox NEO M8T)進(jìn)行定位性能比較， 在不用觀測(cè)環(huán)境下采用了兩種定位方法(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))， 并且使用不同的軟件獲得后處理定位解。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1統(tǒng)計(jì)了常見的智能手機(jī)GNSS芯片以及Android版本。

表1 常見GNSS原始數(shù)據(jù)輸出的Android手機(jī)設(shè)備

選取了兩個(gè)典型環(huán)境場(chǎng)景(見圖1)： 第1個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)A)位于屋頂, 四周存在高樓, 具有明顯的多路徑效應(yīng)和觀測(cè)噪聲, 衛(wèi)星能見度低； 第2個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)B)位于露天場(chǎng)地, 四周開闊且不存在電磁干擾。測(cè)點(diǎn)A和B事先已通過(guò)大地測(cè)量型GNSS接收機(jī)連續(xù)觀測(cè)48 h, 采用GAMIT/GLOBK軟件計(jì)算獲得ITRF2014坐標(biāo), 作為真值參與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖1 測(cè)試點(diǎn)實(shí)際環(huán)境測(cè)點(diǎn)FIg.1 Actual environment of test point

筆者采用GEO++應(yīng)用程序在智能手機(jī)中獲取GNSS原始測(cè)量值并將其轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到RINEX文件中, 圖2給出了工作流程。

圖2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理概略Fig.2 Data acquisition and data processing overview

筆者設(shè)計(jì)了不同場(chǎng)景下靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方法的兩大類實(shí)驗(yàn), 數(shù)據(jù)處理采用兩種不同軟件(RTKLIB和LGO)； 實(shí)驗(yàn)1在測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B, 將智能手機(jī)的結(jié)果與u-blox接收器獲得的結(jié)果進(jìn)行后處理定位比較(靜態(tài))； 實(shí)驗(yàn)2為動(dòng)態(tài)定位(rtk)結(jié)果。對(duì)比分析主要從兩個(gè)維度考慮, 即： 內(nèi)符合精度(Precision)與外符合準(zhǔn)度(Accuracy)。

2 結(jié)果與分析

基于后處理模式, 分析RTKLIB軟件處理兩款智能手機(jī)定位精度。圖3和圖4分別給出了華為P10和三星Galaxy S8在測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B 3種定位模式(單點(diǎn)定位SPP、動(dòng)態(tài)定位Kin和靜態(tài)定位Static)結(jié)果, 所有計(jì)算結(jié)果采用相同的參數(shù)模型。分析結(jié)果, 存在3個(gè)明顯特點(diǎn)： 1) 測(cè)點(diǎn)位置A比測(cè)點(diǎn)位置B GNSS觀測(cè)信號(hào)噪聲(多路徑)更大, 因此精度較低； 2) 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和定位精度沒有明顯相關(guān)性； 3) 三星Galaxy S8定位結(jié)果普遍優(yōu)于華為P10。

靜態(tài)后處理模式分析安卓智能手機(jī)的定位精度, 選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地300 m距離的連續(xù)觀測(cè)站作為基準(zhǔn)站做差分解算。分別在測(cè)點(diǎn)A、 測(cè)點(diǎn)B觀測(cè)10 min、30 min、60 min, 解算軟件采用RTKLIB后處理(RTKPOST工具)和Leica Geo Office 8.4軟件, 解算策略采用一致設(shè)置。表2給出了華為P10定位結(jié)果, 從表2可以看出, LGO解算結(jié)果好于RTKLIB解算結(jié)果, 測(cè)點(diǎn)B觀測(cè)的數(shù)據(jù)定位精度優(yōu)于測(cè)點(diǎn)A； 三星Galaxy S8智能手機(jī)測(cè)試結(jié)果相同, 限于篇幅未展示。

從表2還可看出, 解算精度和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)并沒有相關(guān)性, 而大量研究表明測(cè)量型接收機(jī)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)與定位精度存在正相關(guān)性； 分析原因, 智能手機(jī)的GNSS接收信號(hào)噪聲較大是因?yàn)樘炀€尺寸比較小, 由于天線的增益(接收到的信號(hào)強(qiáng)弱)跟面積成正比, 因此天線的面積越大接收到的信號(hào)越強(qiáng), 則定位精度越高。進(jìn)一步分析, 選擇U-Blox M8P接收機(jī)和安卓智能手機(jī)定位精度對(duì)比, 表3給出了3個(gè)設(shè)備在測(cè)點(diǎn)B進(jìn)行30 min觀測(cè)的定位結(jié)果。

表2 RTKLIB和LGO解算結(jié)果對(duì)比

表3 U-blox接收機(jī)和智能手機(jī)定位結(jié)果對(duì)比

動(dòng)態(tài)處理模式分析安卓智能手機(jī)的定位精度。圖5給出采用RTKLIB軟件中的RTKNAVI工具實(shí)現(xiàn)RTK定位結(jié)果。實(shí)驗(yàn)在測(cè)點(diǎn)B進(jìn)行了5 min的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位, 華為P10智能手機(jī), 無(wú)法獲得RTK固定解, 固定率為0%； 三星Galaxy S8智能手機(jī)rtk固定率14%； 相比之下, U-blox接收機(jī)有83%的固定率, 坐標(biāo)3分量的準(zhǔn)確度3～4 cm、 精度1 cm以內(nèi), U-blox接收機(jī)浮點(diǎn)解準(zhǔn)確度優(yōu)于40 cm、 精度5 cm以內(nèi)。

兩款智能手機(jī)存在明顯差異。三星Galaxy S8實(shí)現(xiàn)固定解具有較好的準(zhǔn)度(優(yōu)于10 cm)； 華為P10的結(jié)果較差, 準(zhǔn)確度在3.18～5.52 m之間, 而精度在2.67～4.88 m之間, 且未實(shí)現(xiàn)固定解。結(jié)果表明, 不是所有的Android智能手機(jī)都能提供相同的GNSS定位結(jié)果, 這與智能手機(jī)GNSS芯片、 接收星座以及原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的噪聲均有關(guān)聯(lián)。

圖5 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度結(jié)果Fig.5 Results of real-time dynamic positioning accuracy

3 結(jié) 語(yǔ)

近些年, 隨著安卓新平臺(tái)等“大眾消費(fèi)級(jí)”GNSS設(shè)備開放, 對(duì)智能手機(jī)無(wú)論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)均能得到良好的定位結(jié)果, 在無(wú)人機(jī)、 行人定位、 無(wú)人駕駛車道定位、 物體跟蹤等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn), 證明了使用智能手機(jī)收集的GNSS信號(hào)質(zhì)量完全能達(dá)到良好的定位效果。通過(guò)外接GNSS天線, 與智能手機(jī)終端組合, 能獲得更加出色的定位精度, 應(yīng)用場(chǎng)景也將更廣泛。筆者使用的兩款智能手機(jī), 均為單頻GNSS芯片獲得的結(jié)果。近幾年, 以小米Mi8為代表的雙頻智能手機(jī), 更加充分展示出消費(fèi)級(jí)手機(jī)的GNSS定位精度和準(zhǔn)度, 智能手機(jī)已經(jīng)不僅只是用于通話和聊天, 并能成為應(yīng)用于地理信息的潛在工具。在不久的將來(lái), 新的GNSS星座和信號(hào)有望在精度和性能方面進(jìn)一步提升, 全民享受高精度定位服務(wù)的時(shí)代即將開啟, 真正的“泛在測(cè)繪”將得以實(shí)現(xiàn)。