智能手持終端GNSS數(shù)據(jù)解碼方式及質量分析

孫孝波，王志剛，張永欣，李 靜，馬 勝，周航帆

(1.國網(wǎng)信息通信產業(yè)集團有限公司，100052，北京；2.國網(wǎng)思極神往位置服務(北京)有限公司，102200，北京)

0 引言

智能手持終端通常采用性能較弱的全球衛(wèi)星導航定位(Global Navigation Satellite System，GNSS)芯片和內置天線，其單點定位精度大約在4 m左右[1]，但隨著聯(lián)發(fā)科、博通、意法半導體等芯片廠商陸續(xù)推出能夠接收GPS L5、Galileo E5雙頻信號的GNSS手機定位芯片[2]，同時谷歌開放了安卓系統(tǒng)GNSS原始數(shù)據(jù)的獲取接口，很多國內外學者開始研究利用手機GNSS雙頻原始數(shù)據(jù)進行高精度定位的可行性。

目前，智能手持終端高精度定位的研究主要包括動態(tài)差分定位技術、星基增強技術和多源融合導航與定位技術等。文獻[3]利用三閾值單差濾波方法將手機單機平面定位精度提高到0.9 m左右，文獻[4]利用手機雙頻數(shù)據(jù)進行靜態(tài)PPP定位，經(jīng)過長時間收斂后可獲得0.3 m左右的平面定位精度，文獻[5]利用RTK技術進行不同系統(tǒng)組合下的定位解算，分析其定位精度與穩(wěn)定性，在華為Mate20手機獲得了靜態(tài)分米級定位精度。文獻[6-8]研究了利用精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)技術在手機端的應用，實時靜態(tài)精密單點定位解算結果的精度為0.62 m，可在8 min內收斂至1 m以內精度，并且長期收斂后的可達亞米級精度。在工程應用方面，國內地理信息行業(yè)使用的三防手機通過集成螺旋天線、使用類似u-blox公司的F9p小型化模組等方法提高手機終端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質量，結合連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)差分服務實現(xiàn)厘米級定位精度；美國天寶公司則利用軟件接收機技術和外置智能天線的方法提高手機終端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質量，結合其全球星基增強服務RTX獲得厘米級定位精度；文獻[9]總結了低成本接收機應用高精度定位技術將要面臨的硬件問題，即接收信號處理與天線性能方面，智能手持終端高精度定位的根本難點在于觀測數(shù)據(jù)的質量提高。因此本文主要介紹基于安卓系統(tǒng)的手機GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的獲取、轉換、數(shù)據(jù)質量分析方法。

1 獲取安卓GNSS原始數(shù)據(jù)

1.1 原始數(shù)據(jù)格式

安卓APP程序并不能直接跟定位芯片通信，而是通過安卓系統(tǒng)間接輸出GNSS芯片的原始觀測信息，安卓系統(tǒng)輸出的GNSS原始時鐘信息數(shù)據(jù)包括硬件時鐘、時鐘誤差估計、總時鐘偏差、中斷計數(shù)等，具體見表1。

表1 安卓GNSS原始時鐘信息

安卓系統(tǒng)輸出的GNSS原始觀測信息數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星編號、星座類型、載噪比、載波頻率等信息，具體見表2。

表2 安卓GNSS原始觀測信息

1.2 數(shù)據(jù)獲取流程

谷歌在安卓系統(tǒng)7.0以上版本提供了獲取GNSS原始觀測值的數(shù)據(jù)接口類(Location Manager)，應用層軟件通過向Location Manager類可獲得時鐘信息(GNSS Clock)及原始觀測值信息(GNSS Measurement)，經(jīng)過轉換得到衛(wèi)星GNSS原始觀測數(shù)據(jù)，具體流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)接口及調用流程圖

2 標準數(shù)據(jù)轉換

2.1 GPS時間轉換

從安卓系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)并不是觀測值，還需要經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換計算才能得到高精度定位所需的GPS時間、偽距觀測值、載波觀測值等信息[10]，由于系統(tǒng)并未直接輸出GPS時間，需要根據(jù)硬件時鐘及相對于衛(wèi)星時鐘的鐘差信息計算得到，計算方法如式(1)：

tgps=t0-(tFull+tBias)-tsys

(1)

式中：tgps為GPS系統(tǒng)時間，t0為硬件時鐘(Time Nanos)，tFull為總時鐘偏差(Full Bias Nanos)，tBias為亞偏差(Bias Nanos)，tsys為不同系統(tǒng)間的時間偏差。

2.2 偽距觀測值

安卓系統(tǒng)并未直接輸出衛(wèi)星的偽距觀測值，需由信號從衛(wèi)星發(fā)射到手機接收到的時間差值計算得到，計算方法如式(2)：

(2)

式中：ρ為偽距，c為光速，tTx為發(fā)射時間，可由系統(tǒng)直接獲得(Received Sv Time Nanos)，tRx為接收時間，需要經(jīng)過計算得到，計算方法如式(3)：

tRx=t0-(tFull+tBias)-WN

(3)

2.3 載波相位觀測值

安卓系統(tǒng)并未直接輸出衛(wèi)星的載波相位觀測值，需由距離觀測值反算得到，計算方法如式(4)：

(4)

式中：L為載波觀測值，R為累積增量值(Accumulated Delta Range Meters)，fn為載波頻率。

經(jīng)過轉換獲得時間及觀測值后，即可組成觀測歷元數(shù)據(jù)，為了進行數(shù)據(jù)后處理，本文按照RINEX標準格式保存文件。

3 數(shù)據(jù)質量分析

3.1 數(shù)據(jù)完整率

GNSS原始觀測數(shù)據(jù)質量直接關系到導航定位的精度和可靠性，對其質量進行分析和評估是應用中的一項非常重要的基礎工作，通常使用的數(shù)據(jù)質量評價指標有：數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應、電離層影響[11-12]，常見的分析工具有TEQC、Anubis以及萊卡公司開發(fā)的SpiderQC軟件等。

數(shù)據(jù)完整率指標體現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的整體可用性與完好性，其定義如式(5)：

(5)

式中：%為數(shù)據(jù)完整率，C為具有完整觀測值的歷元數(shù)，P為理論可見衛(wèi)星觀測歷元數(shù)。具有完整觀測值是指一顆衛(wèi)星在一個歷元的觀測值具有偽距和載波數(shù)據(jù)，同時信噪比大于限制值，凡是出現(xiàn)丟歷元、丟衛(wèi)星、丟頻點的都判斷為歷元不完整。由于目前GPS和北斗系統(tǒng)中存在新舊衛(wèi)星發(fā)射不同頻點信號的情況，實際統(tǒng)計時應按衛(wèi)星進行細分統(tǒng)計。

3.2 多路徑效應

多路徑效應主要受觀測環(huán)境、接收機內部算法及硬件噪聲等影響[13]，因此，對多路徑效應的抑制性能也成了衡量數(shù)據(jù)質量的一個指標，通常多路徑效應對偽距測量的影響比相位觀測值的影響更為顯著，因此可用偽距多路徑的大小來體現(xiàn)數(shù)據(jù)質量，計算方程如式(6)：

(6)

式中：MPk為各頻率上的多路徑值，Pk為偽距觀測值，Li、Lj為雙頻載波相位觀測距離，fi、fj載波頻率，k、i、j為各系統(tǒng)頻率編號。

目前各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)均有3個頻率設計，以GPS系統(tǒng)的L1，L2，L5上的偽距多路徑計算為例，MP1、MP2、MP5的計算公式分別如式(7)～(9)：

(7)

(8)

(9)

3.3 周跳比

載波相位觀測值的連續(xù)性能夠反映出信號跟蹤質量，雙頻數(shù)據(jù)的周跳可以采用電離層殘差組合法[14]，通過構建無幾何關系的載波相位觀測值進行探測，對于單頻數(shù)據(jù)可以采用歷元間差分法進行探測[15]。所以，可以通過周跳數(shù)量與觀測值的相對關系體現(xiàn)數(shù)據(jù)質量，周跳比的定義如式(10)：

(10)

式中：ratio為周跳比，o為載波相位觀測值的總數(shù)，s為周跳總數(shù)。周跳比數(shù)值越大，說明發(fā)生周跳的頻率越低，數(shù)據(jù)質量越好。

3.4 信噪比

衛(wèi)星信號本質上是電磁波，在傳輸過程中會受到大氣噪聲和各類電磁干擾的影響，可以通過載波信號強度與噪聲強度的比值來評價數(shù)據(jù)質量，在安卓系統(tǒng)的GNSS原始數(shù)據(jù)中可以直接提取Cn0DbHz字段獲得以dB.Hz為單位的載噪比/信噪比。同一顆衛(wèi)星隨著截止高度角的上升，信噪比的數(shù)值會提升。

4 實驗分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

以小米公司2020年推出的小米K30手機作為測試樣機，同時與測量型接收機(V30)和使用ublox F9p模組的手持北斗+5G融合定位終端進行對比測試，3款設備的基本配置如表3。

實驗測試場地選取廣州市某辦公樓樓頂，測試環(huán)境開闊無遮擋，如圖2所示。

3款設備同時開機，以1 s的采樣間隔采集和

表3 測試設備參數(shù)

圖2 現(xiàn)場測試環(huán)境

記錄1 h的數(shù)據(jù)，使用自編APP軟件進行手機端原始數(shù)據(jù)采集，于3個不同工作日的相同時段，重復測試3次，期間天氣晴朗，大氣環(huán)境相同，獲得3組測試數(shù)據(jù)后轉換為Rinex文件。

4.2 質量分析

考慮到智能手機中的衛(wèi)星導航芯片并不能接收所有衛(wèi)星系統(tǒng)信號，實驗選擇僅以GPS系統(tǒng)的L1/L5進行橫向數(shù)據(jù)對比。分別統(tǒng)計3次測試中不同接收機的數(shù)據(jù)完整率 (高度角>10°)、GPSL1信噪比、GPSL1多路徑、GPSL5多路徑、單GPS系統(tǒng)周跳比信息，測試結果見表4～表6所示。

表4 第1組測試結果對比

表5 第2組測試結果對比

表6 第3組測試結果對比

從3組測試結果來看，消費類手機芯片雖然支持多個GNSS系統(tǒng)的多個頻點信號跟蹤，但實際只能跟蹤部分衛(wèi)星的雙頻信號，同時信噪比平均值比測量型接收機低7 dB左右，即便在開闊環(huán)境下數(shù)據(jù)完整率也只能達到90%左右，同時偽距多路徑噪聲達到米級，載波相位的周跳非常頻繁，而北斗+5G融合定位終端的數(shù)據(jù)完整率達到了99%以上，多徑誤差相比消費類手機顯著降低，整體數(shù)據(jù)質量較高。

5 小結

隨著北斗星基增強服務和全國地基增強系統(tǒng)的建設普及，高精度手持定位終端的應用將會越來越廣泛。本文主要介紹了安卓系統(tǒng)下GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的獲取接口、轉換和質量分析方法。實驗表明，本文技術路線能夠滿足數(shù)據(jù)采集需求，測試數(shù)據(jù)可以為北斗手持高精度定位終端研究工作提供經(jīng)驗和借鑒。