陳春花,陳沖,趙亞枝

(1. 湖南省測繪科技研究所,湖南 長沙 410007;2. 山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;3. 中國測繪科學(xué)研究院,北京 100830)

0 引 言

截至2018年底,我國智能手機(jī)用戶數(shù)量達(dá)到13億人次,位居全球第一．智能手機(jī)基本都嵌入全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模塊,來自2018年6月的移動報告指出,全球現(xiàn)有48億部智能手機(jī)采用GNSS芯片組[1],其已成為大眾定位重要的應(yīng)用終端．2016年5月谷歌在年度開發(fā)人員會議期間宣布,將在Android Nougat操作系統(tǒng)中提供GNSS原始數(shù)據(jù)觀測值的應(yīng)用程序編程接口(API),2018年5月,小米公司也發(fā)布了世界上第一臺雙頻GNSS智能手機(jī)．這款智能手機(jī)代表了GNSS技術(shù)的突破,因為它首次商用部署了博通革命性的BCM47755芯片．按照歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局(GSA)的說法,它可提供高達(dá)分米級的精度為本地和車載導(dǎo)航服務(wù)．但考慮美觀與功耗問題,智能手機(jī)上的GNSS模塊芯片與天線在設(shè)計上與傳統(tǒng)的GNSS芯片的思路與側(cè)重不同,導(dǎo)致手機(jī)GNSS觀測數(shù)據(jù)噪聲大、質(zhì)量差．

在谷歌開放了Android系統(tǒng)GNSS原始數(shù)據(jù)的API之后．Banville和Van Diggelen[2]利用Android 7.0系統(tǒng)的接口獲取了三星Galaxy S7智能手機(jī)的GNSS數(shù)據(jù),他們在對相位觀測值分析的過程中發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)GNSS芯片組的工作循環(huán)(duty cycle)機(jī)制極大地影響了相位觀測值的連續(xù)性,這將嚴(yán)重影響利用相位觀測值進(jìn)行高精度定位時的效果．惠孟堂等[3]對單頻安卓智能手機(jī)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行差分改正,并取得了亞米級的定位效果．

為了分析安卓智能手機(jī)的GNSS原始觀測值的數(shù)據(jù)質(zhì)量,本文利用小米8和華為P30智能手機(jī)采集了多星座,雙頻偽距和載波相位原始數(shù)據(jù)．對載噪比、多路徑效應(yīng)進(jìn)行分析,并與天寶R9 GNSS接收機(jī)采集的GNSS原始觀測值的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行比對．

1 GNSS原始觀測數(shù)據(jù)獲取與分析方法

1.1 安卓智能手機(jī)GNSS原始觀測數(shù)據(jù)獲取方法

在2016年或之后生產(chǎn)的并配備Android 7.0或更高版本的大多數(shù)安卓智能設(shè)備都可以提供GNSS原始觀測數(shù)據(jù)．其主要包含偽距和偽距率、廣播星歷、載波相位觀測值和硬件鐘延遲等．

開發(fā)者可以從GnssClock和GnssMeasurement兩個Android系統(tǒng)自帶的原生類的字段中獲取GNSS原始數(shù)據(jù)和用于計算原始數(shù)據(jù)的相關(guān)信息．GnssClock類提供了接收器時鐘的測量值、鐘差等．GnssMeasurement類主要包含原始測量值和計算信息、如星座類型、載波頻率、載波相位觀測值、衛(wèi)星號、載噪比、接收衛(wèi)星時間、偽距率．相關(guān)字段的具體信息如表1所示[4-5]．

表1 Android API時鐘和測量類字段信息

Android 7不會直接提供GNSS時間,但如果接收器已估算GNSS參考時間,則會提供內(nèi)部硬件時鐘和對真實GPS時間的偏差(以ns為單位)．

接收器估算GPS時間后,可以將其計算為

GpsTime=TimeNanos-(FullBiasNanos+

BiasNanos)[ns],

(1)

式中:TimeNanos為GNSS接收機(jī)的內(nèi)部硬件鐘;FullBiasNanos為接收機(jī)內(nèi)部鐘與GPS時累計差異;BiasNanos為GNSS接收機(jī)鐘鐘偏．

Android系統(tǒng)不直接提供偽距．可以通過衛(wèi)星信號接收時間(測量時間)與衛(wèi)星信號發(fā)送時間之間的時間差獲得偽距觀測值:

(2)

式中:tTx為GNSS模塊測量的衛(wèi)星信號接收時間,可根據(jù)式(3)從API中直接獲取;tRx為衛(wèi)星信號發(fā)射時間,可由式(4)計算得到;c為光速;ρ為偽距測量值．

tTx=ReceivedSvTimeNanos[ns],

(3)

tRx=TimeNanos+TimeOffsetNanos

-(FullBiasNanos+BiasNanos)[ns].

(4)

衛(wèi)星運(yùn)動引起的多普勒頻移可以利用每秒的偽距變化率推導(dǎo)得出:

(5)

式中,f為載波頻率．

載波相位觀測值可以從API接口中直接獲?。?/p>

1.2 多路徑效應(yīng)分析方法

在進(jìn)行GNSS測量時,由于觀測站周圍反射源所反射的衛(wèi)星信號也能進(jìn)入接收機(jī)天線,它與直接進(jìn)入接收機(jī)天線的衛(wèi)星信號產(chǎn)生干涉,從而使碼觀測值和載波相位觀測值產(chǎn)生誤差,即稱為多路徑誤差．

在GNSS測量時,多路徑效應(yīng)對測量精度造成一定影響,嚴(yán)重時將會導(dǎo)致信號的失鎖．

多路徑效應(yīng)的公式為:

(6)

在同一衛(wèi)星系統(tǒng)下,i和j間距越大越好．

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

小米 8的內(nèi)置芯片為Broadcom BCM47755,可以提供GPS、BDS、GLONASS和Galileo四個系統(tǒng)的觀測值數(shù)據(jù)并支持GPS和Galileo系統(tǒng)在L5和E5a頻率上輸出原始數(shù)據(jù)．華為P30的內(nèi)置芯片為Hisilicon-Hi1103[6]支持 GPS(L1+L5雙頻)、AGPS、GLONASS、BDS、Galileo(E1+E5a雙頻)以及QZSS(L1+L5雙頻)．

Geo++RINEX Logger[7]應(yīng)用程序于2017年由Geo++公司發(fā)布．它以RINEX格式直接提供GNSS觀測量．本文使用的原始數(shù)據(jù)利用Geo++RINEX Logger采集獲得．

為了系統(tǒng)研究不同安卓智能手機(jī)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,本文采用小米8、華為P30和天寶 R9接收機(jī),在相同環(huán)境下同步觀測數(shù)小時,以天寶 R9接收機(jī)觀測的數(shù)據(jù)為參考,主要對多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)載噪比進(jìn)行分析．

2.1 多路徑效應(yīng)

在測量作業(yè)時,對多路徑誤差的抵制一般從改善接收機(jī)天線構(gòu)造和選擇較好的測量環(huán)境兩個方面進(jìn)行．出于對智能手機(jī)美觀與功耗問題的考慮,智能手機(jī)的GNSS天線在設(shè)計上與傳統(tǒng)的GNSS芯片的思路與側(cè)重不同,其使用非常小的線性極化貼片天線,同時智能手機(jī)的日常使用環(huán)境也包含大量的多路徑誤差．因此,多路徑誤差是影響手機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素．

使用華為P30、小米8和天寶R9接收機(jī)在相同環(huán)境下同步觀測,分別對單顆衛(wèi)星和GPS系統(tǒng)的綜合多路徑誤差進(jìn)行分析．由于華為P30和小米8均支持在L1和L5頻段上輸出原始數(shù)據(jù),分別分析其在L1和L5頻段上的多路徑誤差．

首先,為具體分析某一顆衛(wèi)星的多路徑效應(yīng),選取G03號GPS衛(wèi)星,分析其在L1和L5頻段上的多路徑誤差．

首先看其在L1頻段的多路徑誤差,與天寶R9接收機(jī)進(jìn)行比較,誤差散點圖如圖1所示．由圖1和表2可知,在L1頻段上,華為P30的多路徑誤差相對于小米8較小,且均明顯高于測量型接收機(jī)．圖2所示為G03號衛(wèi)星在L1和L5頻段上的多路徑誤差比較．可以看出,L5頻段上的多路徑誤差普遍小于L1頻段；結(jié)合表2所示，小米8在L5頻段上的多路徑誤差較華為P30更小,其主要原因是其數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定,華為P30出現(xiàn)了較大的粗差．由表2所示,小米8在L5頻段上的多路徑誤差的std已經(jīng)較為接近天寶R9接收機(jī)在L1頻段上的多路徑誤差．

圖1 G03衛(wèi)星L1頻段多路徑誤差散點圖

圖2 G03衛(wèi)星L1和L5頻段多路徑誤差對比

表2 G03衛(wèi)星不同終端多路徑誤差

分析GPS系統(tǒng)的綜合多路徑誤差時,對GPS系統(tǒng)的每個歷元的每顆衛(wèi)星的多路徑誤差取算術(shù)平均值作為GPS系統(tǒng)綜合多路徑誤差．首先分析L1頻段的綜合多路徑誤差,與天寶R9在L1頻段上的綜合多路徑誤差相比較,綜合多路徑誤差散點圖如圖3所示．由于華為P30和小米8均支持在L1和L5頻段上輸出原始數(shù)據(jù),對其兩個不同頻段上的綜合多路徑誤差進(jìn)行分析,其L1和L5頻段上的綜合多路徑誤差對比如圖4所示．

圖3 L1頻段綜合多路徑誤差散點圖

圖4 L1和L5頻段綜合多路徑誤差對比

表3 不同終端綜合多路徑誤差

從圖3、4和表3可以看出,安卓智能手機(jī)的GPS綜合多路徑效應(yīng)誤差明顯高于測量型接收機(jī);華為P30和小米8的綜合多路徑效應(yīng)誤差相當(dāng),華為P30略高于小米8．并且相對于小米8,華為P30存在較多的粗差,因此,小米8的數(shù)據(jù)質(zhì)量更加穩(wěn)定．且L5頻段的綜合多路徑誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于L1．

2.2 數(shù)據(jù)載噪比

接收機(jī)輸出的信號噪聲比C/N0反映了所跟蹤GNSS衛(wèi)星觀測值精度和接收機(jī)天線的噪聲密度,是反映測量中存在的噪聲水平的重要指標(biāo)[8-10]．載噪比與數(shù)據(jù)質(zhì)量成正比．安卓智能手機(jī)的載噪比可以從API中直接獲?。畬θA為P30、小米8和天寶R9接收機(jī)各自選取四顆不同衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星對測量得到的載噪比進(jìn)行比較．

由圖5對比可知,四個衛(wèi)星系統(tǒng)的載噪比大致相當(dāng),安卓智能手機(jī)的載噪比明顯低于測量型接收機(jī),小米8和華為P30載噪比相當(dāng)．因此證明安卓智能手機(jī)觀測的GNSS觀測數(shù)據(jù)含有大量噪聲．

圖5 不同終端各系統(tǒng)衛(wèi)星載噪比

為了具體分析安卓智能手機(jī)的載噪比,采用華為P30的觀測數(shù)據(jù),對觀測時段內(nèi)GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星,繪制星空圖．如圖6所示,在高度角低于10°時,衛(wèi)星載噪比低于30;高度角高于40°時,衛(wèi)星載噪比也增長到了40以上,即:衛(wèi)星高度角越高,衛(wèi)星載噪比越大,且手機(jī)的載噪比小于50．

圖6 GPS衛(wèi)星載噪比

3 結(jié)束語

由于Android系統(tǒng)開放了GNSS原始數(shù)據(jù)觀測值,本文介紹了Android系統(tǒng)獲取GNSS原始觀測值的方法．并使用小米8和華為P30手機(jī)獲取GNSS原始觀測數(shù)據(jù),與天寶R9接收機(jī)比對,在多路徑效應(yīng)、數(shù)據(jù)載噪比方面分析了數(shù)據(jù)質(zhì)量．結(jié)果表明:相對于測量型接收機(jī),安卓智能手機(jī)的原始觀測值載噪比較低且多路徑效應(yīng)嚴(yán)重．因此,在使用安卓智能手機(jī)進(jìn)行高精度定位時,必須對GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化．