孫孝波，王志剛，張永欣，李 靜，馬 勝，周航帆

(1.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，100052，北京；2.國(guó)網(wǎng)思極神往位置服務(wù)(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(dǎo)航定位(Global Navigation Satellite System，GNSS)芯片和內(nèi)置天線，其單點(diǎn)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(dǎo)體等芯片廠商陸續(xù)推出能夠接收GPS L5、Galileo E5雙頻信號(hào)的GNSS手機(jī)定位芯片[2]，同時(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究利用手機(jī)GNSS雙頻原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)、星基增強(qiáng)技術(shù)和多源融合導(dǎo)航與定位技術(shù)等。文獻(xiàn)[3]利用三閾值單差濾波方法將手機(jī)單機(jī)平面定位精度提高到0.9 m左右，文獻(xiàn)[4]利用手機(jī)雙頻數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)PPP定位，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間收斂后可獲得0.3 m左右的平面定位精度，文獻(xiàn)[5]利用RTK技術(shù)進(jìn)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(jī)獲得了靜態(tài)分米級(jí)定位精度。文獻(xiàn)[6-8]研究了利用精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,PPP)技術(shù)在手機(jī)端的應(yīng)用，實(shí)時(shí)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位解算結(jié)果的精度為0.62 m，可在8 min內(nèi)收斂至1 m以內(nèi)精度，并且長(zhǎng)期收斂后的可達(dá)亞米級(jí)精度。在工程應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)地理信息行業(yè)使用的三防手機(jī)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(jī)終端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)差分服務(wù)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度；美國(guó)天寶公司則利用軟件接收機(jī)技術(shù)和外置智能天線的方法提高手機(jī)終端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合其全球星基增強(qiáng)服務(wù)RTX獲得厘米級(jí)定位精度；文獻(xiàn)[9]總結(jié)了低成本接收機(jī)應(yīng)用高精度定位技術(shù)將要面臨的硬件問題，即接收信號(hào)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(diǎn)在于觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量提高。因此本文主要介紹基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)質(zhì)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(cè)信息，安卓系統(tǒng)輸出的GNSS原始時(shí)鐘信息數(shù)據(jù)包括硬件時(shí)鐘、時(shí)鐘誤差估計(jì)、總時(shí)鐘偏差、中斷計(jì)數(shù)等，具體見表1。

表1 安卓GNSS原始時(shí)鐘信息

安卓系統(tǒng)輸出的GNSS原始觀測(cè)信息數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星編號(hào)、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(cè)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(cè)值的數(shù)據(jù)接口類(Location Manager)，應(yīng)用層軟件通過向Location Manager類可獲得時(shí)鐘信息(GNSS Clock)及原始觀測(cè)值信息(GNSS Measurement)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到衛(wèi)星GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，具體流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)接口及調(diào)用流程圖

2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.1 GPS時(shí)間轉(zhuǎn)換

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

tgps=t0-(tFull+tBias)-tsys

(1)

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

2.2 偽距觀測(cè)值

安卓系統(tǒng)并未直接輸出衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值，需由信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到手機(jī)接收到的時(shí)間差值計(jì)算得到，計(jì)算方法如式(2)：

(2)

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

tRx=t0-(tFull+tBias)-WN

(3)

2.3 載波相位觀測(cè)值

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

(4)

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

經(jīng)過轉(zhuǎn)換獲得時(shí)間及觀測(cè)值后，即可組成觀測(cè)歷元數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，本文按照RINEX標(biāo)準(zhǔn)格式保存文件。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 數(shù)據(jù)完整率

GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到導(dǎo)航定位的精度和可靠性，對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)估是應(yīng)用中的一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作，通常使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)有：數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、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(biāo)體現(xiàn)觀測(cè)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(cè)值的歷元數(shù)，P為理論可見衛(wèi)星觀測(cè)歷元數(shù)。具有完整觀測(cè)值是指一顆衛(wèi)星在一個(gè)歷元的觀測(cè)值具有偽距和載波數(shù)據(jù)，同時(shí)信噪比大于限制值，凡是出現(xiàn)丟歷元、丟衛(wèi)星、丟頻點(diǎn)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(diǎn)信號(hào)的情況，實(shí)際統(tǒng)計(jì)時(shí)應(yīng)按衛(wèi)星進(jìn)行細(xì)分統(tǒng)計(jì)。

3.2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)主要受觀測(cè)環(huán)境、接收機(jī)內(nèi)部算法及硬件噪聲等影響[13]，因此，對(duì)多路徑效應(yīng)的抑制性能也成了衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，通常多路徑效應(yīng)對(duì)偽距測(cè)量的影響比相位觀測(cè)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(zhì)量，計(jì)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(cè)值，Li、Lj為雙頻載波相位觀測(cè)距離，fi、fj載波頻率，k、i、j為各系統(tǒng)頻率編號(hào)。

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

(7)

(8)

(9)

3.3 周跳比

載波相位觀測(cè)值的連續(xù)性能夠反映出信號(hào)跟蹤質(zhì)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(gòu)建無幾何關(guān)系的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行探測(cè)，對(duì)于單頻數(shù)據(jù)可以采用歷元間差分法進(jìn)行探測(cè)[15]。所以，可以通過周跳數(shù)量與觀測(cè)值的相對(duì)關(guān)系體現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)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(cè)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(zhì)量越好。

3.4 信噪比

衛(wèi)星信號(hào)本質(zhì)上是電磁波，在傳輸過程中會(huì)受到大氣噪聲和各類電磁干擾的影響，可以通過載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值來評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)質(zhì)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(huì)提升。

4 實(shí)驗(yàn)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(jī)作為測(cè)試樣機(jī)，同時(shí)與測(cè)量型接收機(jī)(V30)和使用ublox F9p模組的手持北斗+5G融合定位終端進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，3款設(shè)備的基本配置如表3。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地選取廣州市某辦公樓樓頂，測(cè)試環(huán)境開闊無遮擋，如圖2所示。

3款設(shè)備同時(shí)開機(jī)，以1 s的采樣間隔采集和

表3 測(cè)試設(shè)備參數(shù)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

記錄1 h的數(shù)據(jù)，使用自編APP軟件進(jìn)行手機(jī)端原始數(shù)據(jù)采集，于3個(gè)不同工作日的相同時(shí)段，重復(fù)測(cè)試3次，期間天氣晴朗，大氣環(huán)境相同，獲得3組測(cè)試數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為Rinex文件。

4.2 質(zhì)量分析

考慮到智能手機(jī)中的衛(wèi)星導(dǎo)航芯片并不能接收所有衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)選擇僅以GPS系統(tǒng)的L1/L5進(jìn)行橫向數(shù)據(jù)對(duì)比。分別統(tǒng)計(jì)3次測(cè)試中不同接收機(jī)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(cè)試結(jié)果見表4～表6所示。

表4 第1組測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表5 第2組測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表6 第3組測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從3組測(cè)試結(jié)果來看，消費(fèi)類手機(jī)芯片雖然支持多個(gè)GNSS系統(tǒng)的多個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)跟蹤，但實(shí)際只能跟蹤部分衛(wèi)星的雙頻信號(hào)，同時(shí)信噪比平均值比測(cè)量型接收機(jī)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(dá)到90%左右，同時(shí)偽距多路徑噪聲達(dá)到米級(jí)，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(dá)到了99%以上，多徑誤差相比消費(fèi)類手機(jī)顯著降低，整體數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

5 小結(jié)

隨著北斗星基增強(qiáng)服務(wù)和全國(guó)地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)普及，高精度手持定位終端的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。本文主要介紹了安卓系統(tǒng)下GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取接口、轉(zhuǎn)換和質(zhì)量分析方法。實(shí)驗(yàn)表明，本文技術(shù)路線能夠滿足數(shù)據(jù)采集需求，測(cè)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(yàn)和借鑒。