張垠，涂銳,3，洪菊，李芳馨，侯福榮

( 1.中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點(diǎn)實驗室，西安 710600 )

0 引言

當(dāng)今時代，手機(jī)等智能設(shè)備由于具有成本低、便攜性好的特點(diǎn)，該設(shè)備已經(jīng)成為人類生活和工作中不可或缺的工具.目前，智能手機(jī)基本都搭載了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模塊，極大地方便了人們的日常生活.各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步發(fā)展，可見衛(wèi)星數(shù)進(jìn)一步增加，也為基于移動位置服務(wù)(LBS)的快速發(fā)展提供了保證[1].未來公眾對LBS服務(wù)的需求將會越來越大，對定位精度、穩(wěn)定性要求也會越來越高.因此，手機(jī)等智能設(shè)備的高精度定位受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前導(dǎo)航定位領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn).

在早期的Android 系統(tǒng)版本中，GNSS模塊只開放了獲取GNSS芯片輸出的位置、速度等信息的應(yīng)用程序編程接口(API)，開發(fā)者和用戶很難得到原始的GNSS觀測數(shù)據(jù)，因此難以開展進(jìn)一步的研究.2016年5月谷歌公司宣布，從Android N 版本操作系統(tǒng)開始，開發(fā)者和用戶可以通過API 來得到GNSS的偽距、載波相位、多普勒等原始觀測數(shù)據(jù)，從而具備進(jìn)行精確計算的條件，這對于研究智能設(shè)備的精確定位有著重要的意義.與測量型等專用GNSS接收機(jī)不同，手機(jī)、平板電腦等這些大眾智能設(shè)備，往往采用體積小、成本低的線性極化天線[2]和低成本、低功耗的導(dǎo)航芯片，這必將影響智能設(shè)備的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，而原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞是影響定位精度的主要因素.

國內(nèi)外許多學(xué)者對智能設(shè)備的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量和定位精度進(jìn)行了研究和分析.早在谷歌還未開放獲取GNSS原始數(shù)據(jù)的API 時，就已經(jīng)有學(xué)者對此產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣.Kirkko-Jaakkola 等[3]和Humphreys T E等[4]使用定制的智能手機(jī)諾基亞Lumia 1520和三星Galaxy S5獲得了GNSS原始觀測數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)的GNSS數(shù)據(jù)噪聲和異常值均明顯高于低成本接收機(jī).H?kansson M[5]通過Nexus 9平板電腦評估了多路徑效應(yīng)對精確定位的影響.Paziewski J 等[6]使用華為P20和Javad Alpha+GrAnt_G3T 天線評估了智能手機(jī)的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量.Riley 等[7]指出手機(jī)由于電池容量限制存在占空比(duty cycle)機(jī)制，這種機(jī)制降低了功耗但會導(dǎo)致載波相位觀測數(shù)據(jù)不連續(xù).LIU 等[8]、陳波等[9]指出手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)存在載波相位與偽距不一致的問題，并且通過平滑偽距的方式進(jìn)行了單點(diǎn)定位及差分定位的測試.薄亞東等[10]對華為Mate30和華為honor V20的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和定位結(jié)果進(jìn)行分析，指出智能手機(jī)會發(fā)生頻繁的失鎖現(xiàn)象且多路徑誤差明顯，差分定位存在無法固定模糊度的問題.總體來說，目前針對智能手機(jī)GNSS定位的研究相對較少，且大部分并未將單雙頻手機(jī)進(jìn)行對比分析.

本文同時使用單頻、雙頻智能手機(jī)采集GNSS原始觀測數(shù)據(jù)，并將其與北斗星通UR4B0-D高性能GNSS接收機(jī)的數(shù)據(jù)作對比，從衛(wèi)星可見性、載噪比(CNR)、高度角、多路徑效應(yīng)等方面進(jìn)行分析，評估智能手機(jī)GNSS的原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)手機(jī)高精度定位應(yīng)用提供參考.

1 智能手機(jī)GNSS原始觀測值獲取與分析方法

1.1 智能手機(jī)GNSS原始觀測值獲取

自Android 7.0(即N 版本)開始，Android API等級升級至24，開發(fā)者可以通過GNSSClock 和GNSSMearement 兩類中的字段直接或者間接的獲取偽距觀測值、載波相位觀測值、多普勒觀測值和CNR 等.相關(guān)字段如表1所示[11].

表1 Android API 時鐘和測量類字段信息

GPS時間、偽距觀測值、多普勒觀測值并不能直接通過Android API獲取到，需要通過計算間接得到.其中GPS時(GPST)可由下式計算得到：

式中，c為光速.

其中TimeNanos和TimeOffsetNanos取當(dāng)前歷元值，而FullBiasNanos和BiasNanos取第一個歷元從API 獲取到的值.這是因為由于手機(jī)鐘差不穩(wěn)定，會導(dǎo)致接收機(jī)硬件時鐘與GPST的差值會隨時間變化，以第一個歷元的偏差值作為偏差估計值可以保證接收數(shù)據(jù)的時間間隔一致，避免給后續(xù)處理帶來麻煩.

多普勒的計算公式如下：

載波相位觀測值及CNR 可以分別通過AccumulatedDelataRange和Cn0DbHz 字段得到.

由上可知，Andriod N 版本開始應(yīng)用程序可以通過相關(guān)API獲取分析所需的GNSS原始數(shù)據(jù).許多公司利用這些應(yīng)用程序接口，開發(fā)了可以輸出GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序(APP)，如谷歌公司的發(fā)布的GNSSLogger，Geo++公司發(fā)布的Geo++RINEX Logger 等.但由于GNSSLogger 無法直接以RINEX格式輸出原始數(shù)據(jù)，不便于后續(xù)分析研究，而Geo++RINEX Logger 可以以RINEX 標(biāo)準(zhǔn)格式輸出原始數(shù)據(jù)，因此選擇使用Geo++RINEX Logger 采集原始數(shù)據(jù).

1.2 多路徑誤差分析方法

在衛(wèi)星信號傳輸過程中，信號會在接收機(jī)附近的地面、墻壁等物體表面發(fā)生反射現(xiàn)象，反射后的信號與衛(wèi)星直接發(fā)射的信號同時被接收機(jī)接收，從而產(chǎn)生多路徑誤差.降低多路徑誤差主要通過使用較好的GNSS天線和選擇較為開闊的測量環(huán)境兩個方面進(jìn)行.但Android 智能手機(jī)受到體積限制，只能使用體積很小的線性極化貼片天線，這使得Android 智能手機(jī)受到多路徑效應(yīng)的影響較為嚴(yán)重.同時，Android智能手機(jī)的使用環(huán)境常常位于高樓林立的城市峽谷中，這使得多路徑誤差進(jìn)一步增大，成為了手機(jī)定位的主要誤差項之一.

利用偽距和載波相位觀測值的線性組合，再消去雙頻信號計算得到的電離層延遲，可以得到L1和L5頻點(diǎn)的多路徑效應(yīng)，計算公式如式(6)所示：

2 實驗簡介

本文使用三星S9+(Exynos)(下文簡稱三星S9+)、華為Mate30、華為P40 Pro進(jìn)行靜態(tài)觀測實驗，并且與測量型接收機(jī)北斗星通UR4B0-D的同步觀測數(shù)據(jù)做對比，3款智能手機(jī)的具體參數(shù)如表2所示.實驗地點(diǎn)為中國科學(xué)院國家授時中心臨潼園區(qū)的綜合樓樓頂，視野開闊無遮擋物，觀測條件良好，采樣率為1 s，采樣時長為3 h.實驗環(huán)境如圖1所示.

表2 三款智能手機(jī)具體參數(shù)

圖1 實驗環(huán)境

部分Android 智能手機(jī)為了減少電量消耗以達(dá)到更長的續(xù)航時間，往往采用占空比技術(shù).在占空比技術(shù)下，一個脈沖循環(huán)內(nèi)只有一部分時間可以通電，因此會導(dǎo)致載波相位觀測值不連續(xù)[7].而部分手機(jī)可以在開發(fā)者選項中手動選擇“強(qiáng)制進(jìn)行全GNSS測量”以關(guān)閉占空比技術(shù)，如圖2所示.本文選用的三星S9+采用該方法關(guān)閉占空比技術(shù)，而華為P40 Pro和華為Mate30默認(rèn)關(guān)閉占空比技術(shù).

圖2 開發(fā)者選項開啟“強(qiáng)制進(jìn)行全GNSS測量”

3 實驗結(jié)果分析

3.1 可見衛(wèi)星數(shù)分析

對手機(jī)原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，3臺Android 手機(jī)均可以接收北斗二號(BDS-2)和北斗三號(BDS-3)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，但2臺雙頻手機(jī)接收到的有雙頻數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù)量都很有限.華為Mate30可以接收到7顆同時具有L1+L5信號的GPS衛(wèi)星，3顆同時具有L1+L5的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)衛(wèi)星，在不同時段最多可以同時接收到7顆具有E1+E5a 信號的Galileo衛(wèi)星；華為P40 Pro可以接收到4顆同時具有L1+L5信號的GPS衛(wèi)星，3顆同時具有L1+L5的QZSS衛(wèi)星，8顆同時具有E1+E5a 信號的Galileo衛(wèi)星.但部分衛(wèi)星的雙頻信號并不穩(wěn)定，存在大量的數(shù)據(jù)缺口，導(dǎo)致實際可用的衛(wèi)星數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于觀測到的可見衛(wèi)星數(shù).

在3 h 的觀測時間內(nèi)，剔除掉未接收到數(shù)據(jù)的衛(wèi)星后，3臺智能手機(jī)和北斗星通UR4B0-D接收機(jī)各歷元觀測衛(wèi)星數(shù)如圖3～6所示.可以非常明顯的發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)的可見衛(wèi)星數(shù)非常穩(wěn)定且觀測到的衛(wèi)星數(shù)目是最多的，約為45～50顆.3臺智能手機(jī)中，三星S9+的可見衛(wèi)星數(shù)是3臺手機(jī)中最少的，約為25～34顆，但相較于另外2部手機(jī)衛(wèi)星數(shù)的波動較小，穩(wěn)定性更好.華為P40 Pro的可見衛(wèi)星數(shù)約為32～38顆，但衛(wèi)星數(shù)的波動是3臺手機(jī)中最大的.華為Mate30接收到的衛(wèi)星數(shù)目約為35～44顆，可見衛(wèi)星數(shù)的波動較大，但在第6 224歷元附近出現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集中斷，導(dǎo)致圖形出現(xiàn)不正常的跳變.華為P40 Pro和華為Mate30的可見衛(wèi)星數(shù)都有較大的波動，這種波動主要是由于GLONASS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的可見衛(wèi)星數(shù)波動較大導(dǎo)致的，而GPS和Galileo系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)波動較小.

圖3 接收機(jī)可見衛(wèi)星數(shù)

圖4 三星S9+可見衛(wèi)星數(shù)

圖5 華為P40 Pro可見衛(wèi)星數(shù)

圖6 華為Mate30 可見衛(wèi)星數(shù)

總體來說，相對于接收機(jī)而言手機(jī)觀測能力和穩(wěn)定性均表現(xiàn)較差，且不同機(jī)型之間由于采用不同的GNSS芯片和天線，觀測能力也存在著較大的差異.即使是同品牌的手機(jī)，這種差異也比較明顯.

3.2 CNR 分析

接收機(jī)輸出的CNR 反映了所跟蹤GNSS衛(wèi)星的觀測值精度和接收機(jī)天線的噪聲密度，是反映測量噪聲水平的重要指標(biāo)[11].CNR 大小和數(shù)據(jù)質(zhì)量成正比.從每個衛(wèi)星系統(tǒng)中選取3顆衛(wèi)星，計算接收機(jī)和3臺手機(jī)所選衛(wèi)星所有歷元的平均CNR.不同設(shè)備在L1頻點(diǎn)的CNR 對比如圖7所示.

圖7 L1頻點(diǎn)不同設(shè)備不同衛(wèi)星CNR 對比

由于三星S9+無法接收雙頻信號，因此在L5頻點(diǎn)只進(jìn)行華為Mate30和華為P40 Pro與接收機(jī)的對比.選取GPS的5顆衛(wèi)星進(jìn)行對比，如圖8所示.

圖8 L5頻點(diǎn)不同設(shè)備不同衛(wèi)星CNR 對比

由圖7、圖8可知，Andriod 智能手機(jī)的CNR 明顯低于測量型接收機(jī)，L1頻點(diǎn)3臺手機(jī)的CNR 比測量型接收機(jī)低約10～15 dB·Hz.3臺手機(jī)中只能接受單頻數(shù)據(jù)的三星S9+CNR 最大，大部分衛(wèi)星平均CNR 達(dá)到了35～40 dB·Hz.而華為P40 Pro的CNR最小，平均CNR 約在30 dB·Hz.在L5頻點(diǎn)上，接收機(jī)的CNR 均在40 dB·Hz 以上，而兩臺雙頻手機(jī)的CNR 均較低，華為Mate30 CNR 約為29～34 dB·Hz，而華為P40 Pro CNR 僅有22～27 dB·Hz.較低的CNR 說明手機(jī)接收的數(shù)據(jù)中存在著大量的噪聲.

3.3 高度角分析

選取G31、G27兩顆衛(wèi)星分析其L1頻點(diǎn)CNR和高度角的關(guān)系，圖9～11分別為接收機(jī)、華為Mate30和華為P40 Pro對G31衛(wèi)星CNR 和高度角分析的結(jié)果，圖12～14是三者對G27衛(wèi)星CNR 和高度角分析的結(jié)果.華為P40 Pro僅在6 064歷元中接收到G31衛(wèi)星的數(shù)據(jù).紅色線為高度角，可見對于G31衛(wèi)星，在所有歷元中高度角由大到小變化，接收機(jī)的CNR 也隨之減小約15 dB·Hz，但兩部手機(jī)的CNR 沒有表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，甚至高度角降低時反而有CNR 增大的現(xiàn)象.對G27衛(wèi)星，高度角由小到大變化.在高度角較小時，并未出現(xiàn)CNR 隨高度角減小而一直減小的現(xiàn)象.可見手機(jī)的CNR 與衛(wèi)星高度角的相關(guān)性較小.推測是因為手機(jī)接收到的數(shù)據(jù)中已經(jīng)包含有大量噪聲和多路徑誤差，高度角減小時噪聲和多路徑誤差存在波動的情況，但并不會增大太多.

圖9 接收機(jī)G31衛(wèi)星CNR 與高度角

圖10 華為Mate30 G31衛(wèi)星CNR 與高度角

圖12 接收機(jī)G27 衛(wèi)星CNR 與高度角

圖11 華為P40 Pro G31衛(wèi)星CNR 與高度角

圖13 華為Mate30 G27 衛(wèi)星CNR 與高度角

圖14 華為P40 Pro G27衛(wèi)星CNR 與高度角

3.4 多路徑誤差分析

本文分別使用華為Mate30和華為P40 Pro雙頻GPS信號計算多路徑誤差，選取G04衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別對L1和L5頻點(diǎn)進(jìn)行計算.將兩臺智能手機(jī)多路徑誤差與接收機(jī)UR4B0-D進(jìn)行比較，計算得到G04衛(wèi)星L1、L5頻點(diǎn)的偽距多路徑結(jié)果如圖15～18所示.

圖15 華為Mate30和接收機(jī)G04衛(wèi)星L1頻段多路徑誤差

圖16 華為Mate30和接收機(jī)G04衛(wèi)星L5頻段多路徑誤差

圖17 華為P40 Pro和接收機(jī)G04衛(wèi)星L1頻段多路徑誤差

圖18 華為P40 Pro和接收機(jī)G04衛(wèi)星L5頻段多路徑誤差

計算各終端G04衛(wèi)星多路徑誤差均方根(RMS)，結(jié)果如表3所示.華為Mate30 從5 000歷元開始數(shù)據(jù)噪聲突然增大，導(dǎo)致多路徑誤差計算值增大，因此只分析前5 000歷元的多路徑誤差.由圖15～18以及表3可知，智能手機(jī)的多路徑誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收機(jī)的多路徑誤差，而華為Mate30的多路徑誤差無論是L1頻點(diǎn)還是L5頻點(diǎn)均小于華為P40 Pro.對比點(diǎn)L1和L5頻點(diǎn)的多路徑誤差發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)和華為Mate30在L5頻點(diǎn)的多路徑誤差明顯小于L1頻點(diǎn)的多路徑誤差，華為P40 Pro在L5頻點(diǎn)的多路徑誤差比L1頻點(diǎn)的稍大.可見L5頻點(diǎn)一定程度上可以起到抑制多路徑誤差的作用.總體來說，智能手機(jī)由于天線特點(diǎn)導(dǎo)致多路徑誤差很大，是影響智能手機(jī)高精度定位的主要誤差.

表3 不同終端G04衛(wèi)星多路徑誤差m

4 結(jié)束語

本文使用三星S9+、華為Mate30和華為P40 Pro進(jìn)行GNSS原始數(shù)據(jù)采集，并與北斗星通UR4B0-D接收機(jī)同步采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從可見衛(wèi)星數(shù)、CNR、高度角、多路徑誤差等方面分析了智能手機(jī)的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量.結(jié)果表明：與接收機(jī)相比，Andriod智能手機(jī)GNSS原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，且不同機(jī)型之間存在較大差異.Andriod 智能手機(jī)的GNSS數(shù)據(jù)存在著數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，導(dǎo)致可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的衛(wèi)星數(shù)目小于可見衛(wèi)星數(shù)目.對CNR 和高度角進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，智能手機(jī)的CNR 較小，且沒有表現(xiàn)出隨高度角降低而減小的趨勢.對多路徑誤差進(jìn)行分析，在L1頻點(diǎn)上接收機(jī)的多路徑誤差RMS為0.014 4 m，華為Mate30為2.124 1 m，華為P40 Pro為3.227 9 m；而在L5頻點(diǎn)上接收機(jī)的多路徑誤差RMS為0.010 8 m，華為Mate30為1.816 7 m，華為P40 Pro為3.424 2 m，可見多路徑誤差是影響智能手機(jī)高精度定位的主要誤差，在將來的定位應(yīng)用研究中應(yīng)著重進(jìn)行處理.

致謝：本文的研究得到了國家自然科學(xué)基金項目(41674034,41974032)和中組部、中科院高層次青年人才項目以及王寬誠教育基金會的支持.