安卓智能手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)篩選方案研究

甘 露 高成發(fā) 尚 睿

1 東南大學(xué)交通學(xué)院，南京市東南大學(xué)路2號(hào)，211189

隨著智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，基于智能手機(jī)的導(dǎo)航定位服務(wù)已成為人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂械膭傂琛?016年是Android智能手機(jī)GNSS定位元年，Google 公司在I/O開發(fā)者大會(huì)上宣布授予開發(fā)者獲取原始GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)限。2017年歐洲 GNSS 管理局(GSA)發(fā)布在Android智能設(shè)備上使用原始GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)白皮書，詳細(xì)介紹偽距、多普勒和載波觀測(cè)值的計(jì)算方式。2018年雙頻GPS手機(jī)陸續(xù)問世，大量學(xué)者對(duì)雙頻GPS智能手機(jī)的原始GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量和定位性能進(jìn)行評(píng)估[1-2]。Robustelli等[3]采用直方圖對(duì)測(cè)地型接收機(jī)和智能手機(jī)衛(wèi)星信號(hào)信噪比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)通常情況下智能手機(jī)信噪比要比測(cè)地型接收機(jī)低5～10 dB-Hz；Wanninger等[4]采用MP組合觀測(cè)值方式分析智能手機(jī)偽距多路徑效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)MP組合觀測(cè)值與信噪比具有很強(qiáng)的相關(guān)性，但與高度角的相關(guān)性很低；Paziewski等[5]采用CMC組合觀測(cè)值方式評(píng)估偽距觀測(cè)值的噪聲和多路徑效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)的偽距噪聲比測(cè)地型接收機(jī)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析大多基于開闊無遮擋場(chǎng)景，針對(duì)智能手機(jī)中非直射衛(wèi)星信號(hào)場(chǎng)景還需進(jìn)一步分析。因此，本文擬對(duì)華為P30、華為P40、小米8三款雙頻智能手機(jī)中直射衛(wèi)星信號(hào)與非直射衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)篩選方案，以提高智能手機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的定位精度。

1 Android智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

1.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)評(píng)估4臺(tái)Android智能手機(jī)，分別為2臺(tái)小米8手機(jī)和2臺(tái)華為P系列手機(jī)，手機(jī)硬件詳細(xì)信息如表1所示。MIA08、MIA10、HW30、HW40分別代表Android 8系統(tǒng)小米8手機(jī)、Android 10系統(tǒng)小米8手機(jī)、華為P30和華為P40手機(jī)。

表1 智能手機(jī)硬件詳細(xì)信息

為分析智能手機(jī)在不同環(huán)境下原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量和定位性能，在兩個(gè)特征明顯的環(huán)境中靜態(tài)采集智能手機(jī)原始GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)P1為理想開闊環(huán)境，附近無高大建筑物和樹木；數(shù)據(jù)采集點(diǎn)P2為嚴(yán)重遮擋環(huán)境，北側(cè)為高約60 m的建筑物。

將華測(cè)i90測(cè)地型GNSS接收機(jī)放置于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)P1和P2，采集數(shù)據(jù)20 min。將采集點(diǎn)P1和P2靜態(tài)采集的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入商用基線解算軟件中進(jìn)行解算?；€報(bào)告顯示，P1和P2均為L(zhǎng)1固定解，P1和P2與基準(zhǔn)站基線的RMS分別為0.028 2 m和0.005 9 m。已知基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，可由基準(zhǔn)站坐標(biāo)和基線向量推算出P1和P2坐標(biāo)精度為cm級(jí)。將P1和P2點(diǎn)坐標(biāo)推算至4部手機(jī)放置位置坐標(biāo)，可作為4部手機(jī)靜態(tài)定位的真值。

1.2 GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

1.2.1 可見衛(wèi)星數(shù)量

圖1為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)P1和P2的可見衛(wèi)星數(shù)量，其中Rover代表智能手機(jī)旁測(cè)地型接收機(jī)同步觀測(cè)的結(jié)果。2臺(tái)華為手機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)量與接收機(jī)相當(dāng)，2臺(tái)小米手機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)量比接收機(jī)少11～20顆。MIA10手機(jī)可手動(dòng)打開“強(qiáng)制啟用GNSS測(cè)量結(jié)果全面跟蹤選項(xiàng)”，MIA08手機(jī)系統(tǒng)不提供此功能，因此MIA10比MIA08在P1點(diǎn)的平均可見衛(wèi)星數(shù)量多9顆。2臺(tái)小米手機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)量與測(cè)地型接收機(jī)相近，2臺(tái)華為手機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)量比接收機(jī)多12顆。后續(xù)分析發(fā)現(xiàn)，由于智能手機(jī)可接收部分非直射衛(wèi)星信號(hào)，2臺(tái)華為手機(jī)在P2點(diǎn)的可見衛(wèi)星數(shù)量多于測(cè)地型接收機(jī)。

圖1 P1和P2數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可見衛(wèi)星數(shù)Fig.1 The number of visible satellites at data collection points P1 and P2

1.2.2 測(cè)地型接收機(jī)與智能手機(jī)信噪比

圖2為P1和P2數(shù)據(jù)采集點(diǎn)4款手機(jī)和測(cè)地型接收機(jī)連續(xù)1 200個(gè)歷元的信噪比均值和標(biāo)準(zhǔn)差。在開闊地點(diǎn)P1，智能手機(jī)的整體信噪比水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于測(cè)地型接收機(jī)，存在6～11 dB-Hz偏差。在嚴(yán)重遮擋地點(diǎn)P2，智能手機(jī)的信噪比均值下降幅度明顯，信噪比標(biāo)準(zhǔn)差也隨之變大。通過對(duì)比P1與P2點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)地型接收機(jī)的信噪比均值降低1.3 dB-Hz，信噪比標(biāo)準(zhǔn)差增大1.4 dB-Hz；智能手機(jī)的信噪比均值降低2～7 dB-Hz，信噪比標(biāo)準(zhǔn)差增大2～5 dB-Hz。智能手機(jī)的低信噪比均值和高信噪比標(biāo)準(zhǔn)差特征說明，智能手機(jī)的GNSS數(shù)據(jù)存在很多低質(zhì)量數(shù)據(jù)信息。

圖2 信噪比與采集環(huán)境關(guān)系Fig.2 The relationship between signal-to-noise ratio and collection environment

1.3 智能手機(jī)非直射衛(wèi)星信號(hào)特征分析

已知P2數(shù)據(jù)采集點(diǎn)附近高樓建筑物的高度和方位信息，可由衛(wèi)星方位角與高度角直接區(qū)分直射衛(wèi)星信號(hào)與非直射衛(wèi)星信號(hào)。

1.3.1 非直射衛(wèi)星信號(hào)信噪比

當(dāng)直射衛(wèi)星信號(hào)受阻時(shí)，智能手機(jī)接收到的信號(hào)為反射衛(wèi)星信號(hào)和衍射衛(wèi)星信號(hào)。這兩種衛(wèi)星信號(hào)與直射衛(wèi)星信號(hào)存在不一樣的信噪比特征。圖3(a)為G12衛(wèi)星信號(hào)從直射過渡到非直射過程中信噪比的變化情況。G12衛(wèi)星在信號(hào)非直射區(qū)域的信噪比均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為23.59 dB-Hz和5.99 dB-Hz，G12衛(wèi)星在信號(hào)直射區(qū)域的信噪比均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為40.38 dB-Hz和2.31 dB-Hz，說明直射衛(wèi)星信號(hào)與非直射衛(wèi)星信號(hào)信噪比特征明顯，能夠采用設(shè)定閾值的方式進(jìn)行區(qū)分。

圖3 信噪比與衛(wèi)星方位角關(guān)系Fig.3 The relationship between signal-to-noise ratio and satellite azimuth

圖3(b)為MIA10手機(jī)所有直射衛(wèi)星信號(hào)和非直射衛(wèi)星信號(hào)信噪比與方位角散點(diǎn)圖。方位角信息用于區(qū)分衛(wèi)星信號(hào)類型，虛點(diǎn)線之間即為衛(wèi)星信號(hào)直射區(qū)域。由圖可知，大部分非直射衛(wèi)星信號(hào)的信噪比集中在25 dB-Hz以下，直射衛(wèi)星信號(hào)信噪比水平明顯高于非直射衛(wèi)星信號(hào)。

表2(單位dB-Hz)為4款智能手機(jī)直射和非直射衛(wèi)星信號(hào)的信噪比均值和標(biāo)準(zhǔn)差。由表可知，華為手機(jī)直射衛(wèi)星信號(hào)的信噪比均值高于小米手機(jī)，4款手機(jī)直射衛(wèi)星信號(hào)的信噪比標(biāo)準(zhǔn)差相近。根據(jù)表2信息，將4款智能手機(jī)的信噪比閾值統(tǒng)一設(shè)定為27 dB-Hz，可剔除1倍中誤差以上的非直射衛(wèi)星信號(hào)。信噪比低于27 dB-Hz的信號(hào)包含部分直射衛(wèi)星信號(hào)，但因信號(hào)質(zhì)量差，對(duì)定位結(jié)果影響較小。

圖4 偽距變化率、原始偽距變化率和載波變化率Fig.4 Pseudorange change rate, original pseudorange change rate and carrier change rate

表2 直射和非直射信號(hào)信噪比

1.3.2 偽距單差、載波單差和原始偽距變化率

文獻(xiàn)[6]已對(duì)觀測(cè)值單差、雙差結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，本文在此基礎(chǔ)上，將觀測(cè)值單差、雙差結(jié)果的單位均統(tǒng)一至m/s，并直接舍棄個(gè)別不合理的粗差值。一般情況下，將偽距變化率、載波相位變化率和原始偽距變化率三者的單位換算為m/s后數(shù)值上應(yīng)該近似相等。將間隔為1 s的偽距觀測(cè)值之差作為偽距變化率，將間隔為1 s的載波相位之差作為載波相位變化率。載波相位觀測(cè)值由API字段累積增量范圍直接獲得，單位為m。偽距變化率和載波變化率計(jì)算公式可表示為：

(1)

式中，ΔPk、ΔLk為當(dāng)前歷元的偽距變化率和載波變化率，P、L分別為偽距和載波相位觀測(cè)值，k為當(dāng)前歷元序號(hào)，k大于1時(shí)才能求得變化率。偽距變化率與原始偽距變化率差值的計(jì)算公式可表示為：

Δ=ΔPk-Dk

(2)

式中，Δ為偽距變化率與原始偽距變化率的差值，Dk為當(dāng)前歷元的原始偽距變化率，由智能手機(jī)直接輸出，單位為m/s。

圖4(a)為G12衛(wèi)星在直射信號(hào)和非直射信號(hào)下偽距變化率、載波變化率和原始偽距變化率之間的關(guān)系，黑色虛線用于區(qū)分直射信號(hào)和非直射信號(hào)。在衛(wèi)星信號(hào)直射區(qū)域，偽距變化率、載波變化率和原始偽距變化率相近；在衛(wèi)星信號(hào)非直射區(qū)域，偽距變化率“抖動(dòng)”幅度明顯增強(qiáng)。由圖4(b)可知，在衛(wèi)星信號(hào)非直射區(qū)域，偽距變化率與原始偽距變化率的差值明顯增大。圖4(c)和圖4(d)為HW40手機(jī)直射衛(wèi)星信號(hào)和非直射衛(wèi)星信號(hào)偽距變化率與原始偽距變化率差值散點(diǎn)圖。由圖可知，HW40手機(jī)直射衛(wèi)星信號(hào)的偽距變化率與原始偽距變化率差值為-20～20 m/s。

表3(單位m/s)為4款手機(jī)直射和非直射衛(wèi)星信號(hào)偽距變化率與原始偽距變化率差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。2款小米手機(jī)非直射衛(wèi)星信號(hào)變化率差值的標(biāo)準(zhǔn)差約為15 m/s，而2款華為手機(jī)非直射衛(wèi)星信號(hào)變化率差值的標(biāo)準(zhǔn)差約為5 m/s。非直射信號(hào)的變化率差值雖然波動(dòng)較大，但是存在

表3 偽距變化率與原始偽距變化率差值

部分與直射信號(hào)相近的差值難以區(qū)分。將4款手機(jī)變化率差值的閾值統(tǒng)一設(shè)定為16 m/s，可以剔除智能手機(jī)部分非直射信號(hào)，保留智能手機(jī)中所有不超過3倍中誤差的直射衛(wèi)星信號(hào)。

1.3.3 偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差

在§1.3.2基礎(chǔ)上，分析衛(wèi)星偽距觀測(cè)值雙差、載波觀測(cè)值雙差和原始偽距變化率單差。偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差可表示為：

(3)

式中，?Pk、?Lk和ΔDk分別為偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差，P為偽距觀測(cè)值，L為載波觀測(cè)值，D為原始偽距變化率，k為歷元序號(hào)，k大于2時(shí)才能計(jì)算。

圖5為HW40手機(jī)G12衛(wèi)星在信號(hào)直射區(qū)域與非直射區(qū)域偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差的變化情況。由圖可知，在信號(hào)非直射區(qū)域偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差“波動(dòng)”明顯增大。

圖5 偽距和載波雙差、原始偽距變化率單差Fig.5 Pseudorange and carrier double difference, original pseudorange change rate single difference

2 原始GNSS數(shù)據(jù)篩選方案

根據(jù)上文數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果和智能手機(jī)原始GNSS測(cè)量信息，本文設(shè)計(jì)如下智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)篩選方案：

1)利用Android API提供的測(cè)量狀態(tài)參數(shù)State判斷bits 0和3是否均為1。若均為1則保留該條GNSS測(cè)量信息，忽略時(shí)間為0或周秒解碼不成功的GNSS測(cè)量信息，因其缺少用于計(jì)算偽距的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間參數(shù)。

2)利用Android API提供的載波相位狀態(tài)判斷是否發(fā)生周跳，若發(fā)生周跳則載波觀測(cè)值不可用。同時(shí)利用Android API提供的多路徑標(biāo)識(shí)判斷是否發(fā)生多路徑，若發(fā)生多路徑，則該條測(cè)量信息的載波相位和多普勒不可用。

3)不確定度檢核。利用Android API獲取接收衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間不確定度、載波相位觀測(cè)值不確定度和原始偽距變化率不確定度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將三者的閾值分別設(shè)定為500 ns、1 m和1 m/s，剔除觀測(cè)質(zhì)量極差的粗差。

4)雙頻校核。智能手機(jī)能夠輸出部分GPS和Galileo衛(wèi)星的雙頻衛(wèi)星信號(hào)，可通過設(shè)置較大的閾值，使用雙頻觀測(cè)值作差法來探測(cè)并剔除雙頻偽距與多普勒觀測(cè)值中較為明顯的粗差：

(4)

式中，P1與P2為2個(gè)波段的偽距觀測(cè)值，D1與D2為2個(gè)波段的原始偽距變化率。統(tǒng)計(jì)P1點(diǎn)4部手機(jī)Δ1和Δ2值發(fā)現(xiàn)，個(gè)別離群值大于30 m和2 m/s，因此將雙頻偽距和原始偽距變化率的較差閾值分別設(shè)定為Δ1=30 m和Δ2=2 m/s。舍棄超過閾值的偽距和多普勒觀測(cè)值。

5)根據(jù)§1.3.1分析結(jié)果，將智能手機(jī)的信噪比閾值統(tǒng)一設(shè)定為27 dB-Hz。

6)單差檢驗(yàn)。當(dāng)歷元數(shù)大于2時(shí)，設(shè)置偽距變化率與原始偽距變化率差值的閾值來剔除部分非直射衛(wèi)星信號(hào)。將變化率差值超過16 m/s的衛(wèi)星信號(hào)偽距觀測(cè)值設(shè)為不可用。

7)雙差檢驗(yàn)。當(dāng)歷元數(shù)大于3時(shí)，設(shè)置偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差的閾值來判斷當(dāng)前歷元的偽距、載波和多普勒觀測(cè)值是否可用。偽距雙差、載波雙差和原始偽距變化率單差的閾值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別設(shè)定為15 m/s2、1 m/s2和2 m/s2。

3 靜態(tài)定位實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)篩選方案的有效性，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)評(píng)估的4臺(tái)手機(jī)進(jìn)行靜態(tài)定位實(shí)驗(yàn)。采用數(shù)據(jù)采集點(diǎn)P2的數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)定位算法測(cè)試，選取SPP和RTK 2種定位算法對(duì)智能手機(jī)定位性能進(jìn)行評(píng)估，定位實(shí)驗(yàn)設(shè)置如表4所示。表中Y代表使用該項(xiàng)設(shè)置，N代表不使用該項(xiàng)設(shè)置。設(shè)置1和設(shè)置2分別代表采用本文設(shè)計(jì)的智能手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)篩選方案和未采用本文設(shè)計(jì)的GNSS數(shù)據(jù)篩選方案。

表4 原始GNSS數(shù)據(jù)篩選設(shè)置

偽距剔除率Pr和載波剔除率Cr計(jì)算公式可表示為：

(5)

式中，Pn為剔除偽距數(shù)量，Pa為所有偽距數(shù)量，載波同理。

表5(單位%)為基于表4中兩種原始GNSS數(shù)據(jù)篩選設(shè)置條件下4部智能手機(jī)的偽距和載波觀測(cè)值剔除率情況。

表5 偽距和載波數(shù)據(jù)篩選率統(tǒng)計(jì)

在設(shè)置2條件下，由于華為2款手機(jī)GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)無載波數(shù)據(jù)，偽距和載波剔除率不同。在設(shè)置1條件下，除MIA08外其他3款手機(jī)偽距數(shù)據(jù)剔除率均在30%以上，載波相位剔除率比偽距略低。MIA08剔除率偏低可能跟“duty cycle”機(jī)制有關(guān)。

本文智能手機(jī)定位所采用的SPP算法與文獻(xiàn)[7]中算法相同，RTK算法與文獻(xiàn)[8]中解算模型類似，去除RTK算法待估向量中的速度與加速度參數(shù)即為智能手機(jī)靜態(tài)RTK定位解算算法。由于手機(jī)載波觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，載波相位周跳占比較高，本文未開展載波相位模糊度固定工作，采用模糊度浮點(diǎn)解。

已知4部智能手機(jī)的位置坐標(biāo)，表6(單位m)為基于表4中兩種智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)篩選設(shè)置條件下4部智能手機(jī)靜態(tài)情況下所有歷元SPP算法和RTK算法的定位精度。在數(shù)據(jù)篩選設(shè)置1條件下，4部智能手機(jī)SPP定位算法精度在U方向具有較大提升，MIA08手機(jī)、MIA10手機(jī)、HW30手機(jī)和HW40手機(jī)U方向RMSE分別提升50.1%、43.8%、36.1%和59.5%。與數(shù)據(jù)篩選設(shè)置2相比，4款手機(jī)RTK算法提升幅度較SPP算法小，其中HW40手機(jī)RTK定位算法N、E、U方向RMSE分別提升10.9%、22.4%和24.2%。MIA08手機(jī)RTK定位算法的平面定位精度略低于SPP定位算法，原因?yàn)镸IA08手機(jī)無法關(guān)閉“duty cycle”機(jī)制，導(dǎo)致載波相位跟蹤不連續(xù)，前后歷元載波相位觀測(cè)值存在周跳，其他3款手機(jī)不受“duty cycle”機(jī)制影響。對(duì)比數(shù)據(jù)篩選設(shè)置1與設(shè)置2可知，智能手機(jī)SPP算法和RTK算法的定位精度具有一定提升，說明本文設(shè)計(jì)的GNSS數(shù)據(jù)篩選方案有效。

表6 靜態(tài)條件下GNSS定位中誤差統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

本文將測(cè)地型接收機(jī)與智能手機(jī)置于相近地點(diǎn)同步觀測(cè)，分析測(cè)地型接收機(jī)和智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

1) 在高樓遮擋環(huán)境P2點(diǎn)下，智能手機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)量大于測(cè)地型接收機(jī)。智能手機(jī)信噪比均值比測(cè)地型接收機(jī)小9～12 dB-Hz，信噪比方差比測(cè)地型接收機(jī)大2～6 dB-Hz。智能手機(jī)中存在很多低質(zhì)量的GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)。

2) 智能手機(jī)中非直射衛(wèi)星信號(hào)與直射衛(wèi)星信號(hào)表現(xiàn)出明顯不一致的特征。通過對(duì)直射衛(wèi)星信號(hào)與非直射衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并設(shè)置閾值，可有效區(qū)分直射衛(wèi)星信號(hào)與非直射衛(wèi)星信號(hào)。

3) 本文設(shè)計(jì)的智能手機(jī)原始GNSS數(shù)據(jù)篩選方案能夠剔除大部分非直射衛(wèi)星信號(hào)和部分低質(zhì)量的衛(wèi)星信號(hào)，可提高智能手機(jī)靜態(tài)SPP定位算法和RTK定位算法在復(fù)雜環(huán)境下的定位精度。