陳 波，高成發(fā)，劉永勝，陸軼材

安卓手機終端原始GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

陳 波，高成發(fā)，劉永勝，陸軼材

（東南大學 交通學院，南京 211189）

為了彌補當前手機端原始GNSS觀測數(shù)據(jù)的定性質(zhì)量分析相關(guān)研究較少的不足，提出通過將手機與測地型接收機同時同地點進行觀測的方法來對比分析手機端原始GNSS觀測值的數(shù)據(jù)質(zhì)量，被評價的手機品牌有華為P10、華為榮耀9和小米8。實驗結(jié)果表明：大部分智能手機能夠觀測到單頻偽距和載波相位數(shù)據(jù)，有些最新產(chǎn)品能接收到雙頻GNSS數(shù)據(jù)，觀測到的GPS和GLONASS衛(wèi)星數(shù)目和測地型接收機觀測結(jié)果接近；手機端觀測有時會出現(xiàn)頻繁的信號失鎖現(xiàn)象，且載波觀測值存在大量的粗差或原因不明確的系統(tǒng)誤差；手機端同時刻偽距觀測值和載波觀測值變化率不一致，判斷其原因是偽距和載波觀測采用不同的時鐘，造成二者鐘速之差在觀測時段內(nèi)緩慢變化；手機偽距觀測值中誤差為4~10 m，BDS衛(wèi)星偽距觀測值精度高于其他衛(wèi)星；以載波觀測值變化率平滑性作為評價指標，手機端載波觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)量比測地型接收機差4~6倍。

安卓手機；質(zhì)量分析；偽距觀測值；載波觀測值；變化率

0 引言

智能手機是如今人們生活中不可或缺的工具，智能手機中的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）模塊已經(jīng)極大地改善了現(xiàn)代人類生活。在GNSS導航定位技術(shù)的發(fā)展中，導航或定位精度一直是制約其進一步應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活并發(fā)揮巨大作用的關(guān)鍵問題，對于智能手機端的GNSS導航定位也是如此，目前其定位精度在10 m左右。由于一直以來智能手機中的GNSS導航定位模塊都封裝于手機操作系統(tǒng)之中，研究人員只能獲取定位最終結(jié)果來進行應(yīng)用層面的開發(fā)，因此相對于傳統(tǒng)測地型接收機，對于智能手機原始觀測值的分析與定位算法研究都非常缺乏。

谷歌（Google）公司于2016年5月在Android N操作系統(tǒng)上提供了訪問GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的接口，如今利用手機端原始觀測數(shù)據(jù)進行分析及研究以提高導航定位精度已經(jīng)可以實現(xiàn)（僅限于Android系統(tǒng)智能終端）。本文通過手機終端與測地型接收機同時進行原始數(shù)據(jù)接收，對手機端原始GNSS觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，為后續(xù)的定位算法研究提供參考。

1 實驗方案

根據(jù)谷歌Android開發(fā)者文檔[1]的介紹，目前國內(nèi)市場上的Android智能手機中只有華為、小米、三星及谷歌Pixel等品牌的手機能夠輸出原始GNSS觀測值供研究人員進行實驗分析，其中華為和小米是目前國內(nèi)市場上產(chǎn)品占有率較高的智能手機品牌，故實驗采用的智能手機設(shè)備為華為手機和小米手機。為了獲取較為豐富的原始觀測數(shù)據(jù)，采用3臺不同型號的智能手機與2臺測地型接收機進行長時間數(shù)據(jù)采集實驗。實驗地點位于東南大學教學樓5樓頂，觀測條件十分良好。共進行了2次觀測實驗，具體實驗方案如表1所示。

表1 具體實驗方案

實驗中設(shè)置2臺測地型接收位于智能手機兩側(cè)，通過腳架和皮尺嚴格控制2臺測地型接收機位置，使其連線中點即為智能手機。實驗完成后使用網(wǎng)絡(luò)實時差分定位（real-time kinematic, RTK）測量點位的坐標，結(jié)果顯示2臺測地型接收機連線中點位置與智能手機的位置直線偏差小于1 cm。

由于智能手機與測地型接收機是同地點觀測的，理論上同一時刻2臺測地型接收機觀測值的均值與智能手機觀測值完全相同；因為不同的機器自身存在的差異（載波記錄方式不同和鐘跳方式不同等）以及位置上的微小偏差，存在一部分系統(tǒng)誤差。而本文采用作差擬合和平滑性對比的方式評價智能手機觀測值質(zhì)量，計算結(jié)果不受這部分系統(tǒng)誤差的影響。

2 手機終端觀測能力

觀察輸出的原始數(shù)據(jù)文件，匯總各個手機的觀測數(shù)據(jù)內(nèi)容，如表2所示。表2中：小米8手機為市場上最新產(chǎn)品，號稱利用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）的雙頻信號進行定位，實際觀測中雙頻數(shù)據(jù)為GPS衛(wèi)星的L1、L5頻率數(shù)據(jù)和伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）衛(wèi)星的E1、E5頻率數(shù)據(jù)；GPS L5頻率為GPS現(xiàn)代化之后新發(fā)射的衛(wèi)星攜帶的功能[11]，目前衛(wèi)星數(shù)較少，在1 h觀測時間內(nèi)，觀測到4顆雙頻GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)；BDS（BeiDou navigation satellite system）為我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；GLONASS（global navigation satellite system）為俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

表2 各手機觀測數(shù)據(jù)內(nèi)容

第1次實驗，使用了2臺測地型接收機與2臺智能手機（華為榮耀9和華為P10）進行觀測，各歷元觀測衛(wèi)星數(shù)如圖1所示。在3h的觀測時間內(nèi)，測地型接收機觀測衛(wèi)星數(shù)較為穩(wěn)定，能夠觀測到30顆衛(wèi)星左右；華為榮耀9手機觀測衛(wèi)星數(shù)比測地型接收機更為穩(wěn)定，但是觀測衛(wèi)星數(shù)較少，能夠觀測到14~18顆衛(wèi)星；華為P10手機觀測衛(wèi)星數(shù)最不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出隨時間的波動性變化趨勢，觀測衛(wèi)星數(shù)在8~22顆之間波動。

圖1 第1次實驗各設(shè)備觀測到衛(wèi)星總數(shù)統(tǒng)計

第1次實驗各設(shè)備在3h內(nèi)觀測到的各GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)如表3所示，測地型接收機2情況與測地型接收機1類似，同時觀察各衛(wèi)星信號連續(xù)情況（限于篇幅，未給出）。在3h的觀測時間內(nèi)，測地型接收機觀測到的BDS衛(wèi)星不僅數(shù)量多，持續(xù)觀測時間還很長，大部分在3 h內(nèi)都能持續(xù)觀測到，這反映了我國BDS衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)建設(shè)的完善性以及其在我國領(lǐng)土上空良好的覆蓋性。

表3 第1次實驗各設(shè)備觀測到各GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)

對于GPS及GLONASS，華為榮耀9手機與測地型接收機觀測到衛(wèi)星數(shù)量相近，并且對每顆衛(wèi)星，當測地型接收機能夠觀測到時華為榮耀9也都能觀測到，說明觀測信號比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)信號失鎖的情況。于此同時，榮耀9手機觀測到的BDS衛(wèi)星很少，且不能觀測到Galileo衛(wèi)星，應(yīng)當是硬件限制。

相較于榮耀9手機，P10手機觀測到的衛(wèi)星數(shù)更多，觀測到的GPS、GLONASS和BDS系統(tǒng)的衛(wèi)星個數(shù)都接近于測地型接收機。與測地型接收機及榮耀9手機對比，發(fā)現(xiàn)觀測過程會出現(xiàn)非常明顯的信號失鎖現(xiàn)象，幾乎每一顆衛(wèi)星都有信號失鎖的時段。各顆衛(wèi)星信號失鎖的時刻不相同，但是會在某些時刻忽然重新觀測到多個衛(wèi)星信號，如第5370個歷元和第8022個歷元，觀測信號連續(xù)性不好。

第2次實驗，使用了2臺測地型接收機和1臺小米8手機進行觀測，觀測到衛(wèi)星總數(shù)如圖2所示。在1 h觀測時間內(nèi)，小米8手機共觀測到10顆GPS衛(wèi)星、7顆GLONASS衛(wèi)星、4顆BDS衛(wèi)星和8顆Galileo衛(wèi)星，且接收信號穩(wěn)定性較好，而測地型接收機觀測到9顆GPS衛(wèi)星、8顆GLONASS衛(wèi)星、12顆BDS衛(wèi)星和7顆Galileo衛(wèi)星。說明除了BDS系統(tǒng)，小米8手機觀測到的其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量與測地型接收機相當，這與華為P10手機和榮耀9手機是不一致的。

圖2 第2次實驗各設(shè)備觀測到衛(wèi)星總數(shù)統(tǒng)計

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 定性分析

圖3所示為華為P10手機C02衛(wèi)星原始觀測值與測地型接收機原始觀測值對比。圖3中接收機載波與偽距觀測值重合在一起，實際上二者之差為載波相位的整周模糊度乘以載波波長。測地型接收機觀測值在一段時間之后會有一個大幅度的跳動，這是接收機鐘跳引起的，不影響原始觀測值的定位解算[5]。

圖3 P10手機C02衛(wèi)星觀測值與測地型接收機對比

實際獲取到的手機載波相位觀測值是從觀測開始時刻為0時進行累計增量疊加的一組數(shù)據(jù)（相當于整周模糊度特別大），其量值很小；圖3中是對手機載波加了常數(shù)之后作圖的?？梢悦黠@地觀察出手機觀測值與接收機觀測值之間的差值是不固定的，并且手機偽距與載波相位觀測值相互之間的差值也不固定。

以上性質(zhì)說明，由于受接收機鐘速的影響，測地型接收機會通過鐘跳來調(diào)整接收機鐘，導致中觀測值呈鋸齒狀，而在3h的持續(xù)觀測中手機端未發(fā)生鐘跳。手機端偽距觀測值與載波觀測值顯示出了明顯的隨時間不同步性，其原因尚不明確，下文將進行進一步討論。

為具體分析觀測值性質(zhì)，對觀測值作變化率（增量除以時間間隔）分析，如圖4所示。圖4中接收機偽距變化率和載波變化率重合在一起，這與接收機觀測值含義相吻合。很明顯手機端偽距觀測值變化率與載波觀測值變化率不吻合，且手機端偽距觀測值變化率抖動得十分劇烈，短時間內(nèi)浮動達到20 m·s-1，體現(xiàn)出偽距觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)量之差。

圖4 P10手機C02衛(wèi)星觀測值變化率與測地型接收機對比

對于小米8手機，其E03衛(wèi)星的雙頻數(shù)據(jù)觀測值變化率（P1、P5表示E1、E5 2個頻率的偽距觀測值，L1、L5表示對應(yīng)的載波觀測值）如圖5所示。明顯觀察出2個頻率的偽距觀測值變化率重合在一起，而2個頻率的載波觀測值變化率也重合在一起；但是載波觀測值變化率和偽距觀測值變化率之間存在明顯差異，與華為P10、華為榮耀9表現(xiàn)一致。于此同時，P5偽距比P1偽距明顯更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量更好。

圖5 小米8手機E03衛(wèi)星觀測值變化率

3.2 定量分析方案

由上文可知手機端偽距觀測值與載波觀測值的變化率在數(shù)值上不統(tǒng)一，為進一步分析此現(xiàn)象，同時為計算手機端偽距觀測值中誤差（即觀測值中包含的隨機誤差的標準差）[6]，本文采用以下定量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法：

以測地型接收機的載波觀測值為基準，將相同時刻的手機端接收到的偽距觀測值和載波觀測值與測地型接收機的載波觀測值作差；對一定時間窗口內(nèi)的觀測值差值進行線性回歸，剔除掉系統(tǒng)性偏差；線性回歸得到回歸殘差，鑒于手機端偽距觀測值的精度遠遠低于測地型接收機載波相位觀測值的精度（1~2 mm），偽距觀測值差值的回歸殘差的標準差即可視作手機偽距觀測值的中誤差；同時可以得到時間窗口內(nèi)手機端觀測值相對于測地型接收機觀測值的固定偏差以及平均變化率差值的大小。

3.3 觀測值變化率差異分析

本文以100 s為窗口，對3臺手機所有觀測值都進行上述分析。圖6所示為華為P10手機各衛(wèi)星偽距觀測值相對于測地型接收機載波觀測值在窗口內(nèi)平均變化率的差值，其余2個手機情況與P10手機相同（限于篇幅，未給出）。觀察圖6，各顆衛(wèi)星的偽距觀測值變化率與測地型接收機的差值呈現(xiàn)出隨時間變化的一致性，這與設(shè)備鐘差和鐘速的影響是一致的，即同一時刻鐘差對各衛(wèi)星影響情況相同，可以認為手機端偽距觀測值與測地型接收機觀測值同一時刻變化率的差異是不同設(shè)備時鐘的差異導致的。觀察不同GNSS系統(tǒng)的圖像，GLONASS衛(wèi)星偽距觀測值變化率與測地型接收機的差值在同一時刻的差異性顯然大于GPS和BDS衛(wèi)星（Galileo衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)太少，未予考慮），原因尚不明確。

圖6 P10手機偽距平均變化率與測地型接收機差值

圖7所示為華為P10手機各衛(wèi)星載波觀測值相對于測地型接收機載波觀測值在窗口內(nèi)平均變化率的差值。圖7顯示出各顆衛(wèi)星的載波觀測值變化率與測地型接收機的差值呈現(xiàn)出數(shù)值和變化規(guī)律上的一致性，同偽距觀測值的性質(zhì)一樣，可以認為手機端載波觀測值與測地型接收機觀測值同一時刻變化率的差異是不同設(shè)備時鐘的差異導致的。

與此同時，同一時刻手機端載波觀測與偽距觀測值變化率不相同，二者的差值在不同衛(wèi)星間很接近，圖8為所有衛(wèi)星同一時刻載波觀測與偽距觀測值變化率差值隨時間變化示意圖，可見此差值在3 h觀測時間內(nèi)從103 m/s左右逐漸變化到99 m/s左右。

圖7 P10手機載波平均變化率與測地型接收機差值

圖8 P10手機各衛(wèi)星載波變化率與偽距變化率之差

基于以上分析，手機端偽距觀測值和載波觀測值的變化率相對于測地型接收機的差異都是不同的時鐘導致的；但是手機端偽距和載波觀測值互相之間變化率也不同步，其性質(zhì)與偽距觀測和載波觀測采用不同的時鐘相吻合。值得注意的是，不是所有衛(wèi)星的載波觀測值變化率都具有隨時間變化一致性，實驗中發(fā)現(xiàn)有近半數(shù)衛(wèi)星的載波觀測值中存在粗差或原因尚不明確的系統(tǒng)誤差，且這些誤差影響量值在1000 m·s-1以上。

3.4 偽距觀測值精度分析

本文對手機端偽距觀測值數(shù)據(jù)中誤差進行計算，計算方法如3.2小節(jié)所介紹，華為P10、化為榮耀9和小米8各衛(wèi)星觀測值平均中誤差、衛(wèi)星平均高度角和載噪比如圖9、圖10和圖11所示。得到以下結(jié)論：

圖9 P10手機各衛(wèi)星偽距觀測值平均中誤差、載噪比和高度角

圖10 榮耀9手機各衛(wèi)星偽距觀測值平均中誤差、載噪比和高度角

圖11 小米8手機各衛(wèi)星偽距觀測值平均中誤差、載噪比和高度角

小米8手機偽距觀測值中誤差明顯小于P10手機和榮耀9手機；小米8手機P5偽距中誤差小于P1偽距中誤差；GLONASS衛(wèi)星偽距質(zhì)量明顯差于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星；對于大部分衛(wèi)星，載噪比和觀測值中誤差之間表現(xiàn)出正確的相互關(guān)系，即載噪比越高，觀測值中誤差越小，而衛(wèi)星高度角和觀測值中誤差之間沒有明顯的相互關(guān)系。

匯總3臺手機偽距觀測值中誤差如表4所示，手機端偽距觀測值中誤差在4~12 m不等，手機偽距觀測值質(zhì)量與手機上市時間和價格高低有關(guān)。

表4 偽距觀測值中誤差　　m

3.5 載波觀測值精度分析

對于手機端載波觀測值，由于不確定其精度是否遠低于測地型接收機載波觀測值精度，故不宜采用作差擬合的方式來計算其中誤差。鑒于GNSS衛(wèi)星在空間中運動十分平滑，原始觀測值理論上也十分平滑。本文采用計算短時間內(nèi)手機端載波觀測值變化率平滑程度，并與測地型接收機載波觀測值變化率平滑程度作對比來評價手機端載波觀測值質(zhì)量。以100 s為窗口，對載波觀測值變化率進行線性擬合，得到擬合殘差標準差。

圖12為P10手機C02衛(wèi)星和G13衛(wèi)星載波觀測值變化率線性擬合標準差隨時間變化示意圖。很明顯手機載波觀測值在剛開始觀測時精度較差，觀測大約800 s后精度明顯提高，其他衛(wèi)星觀測值也體現(xiàn)出此規(guī)律，榮耀9手機具有相同的規(guī)律，小米8手機沒有。

圖12 P10手機載波變化率線性擬合標準差

圖13為P10手機各衛(wèi)星載波觀測值變化率線性擬合標準差在3 h內(nèi)的均值與測地型接收機對比圖?？梢钥闯?，各GNSS系統(tǒng)的手機載波觀測值精度差距不大，以載波觀測值變化率平滑性作為評價標準，各衛(wèi)星載波觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)量（僅考慮隨機誤差影響）比測地型接收機差5~10倍。觀察榮耀9手機計算結(jié)果，載波觀測值精度略高于P10手機，同時GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星載波觀測值穩(wěn)定性要差于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星。

圖13 P10手機各衛(wèi)星載波變化率線性擬合標準差均值與測地型接收機載波觀測值對比

圖14為小米8手機各衛(wèi)星載波觀測值變化率線性擬合標準差在1 h內(nèi)的均值與測地型接收機對比圖?？梢钥闯?，小米8手機載波觀測值質(zhì)量比P10手機明顯更好，大部分衛(wèi)星觀測值變化率線性擬合標準差是測地型接收機的3~4倍左右，但是存在一小部分衛(wèi)星明顯偏離群值，同時GLONASS衛(wèi)星載波數(shù)據(jù)質(zhì)量也差于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星。

圖14 小米8手機各衛(wèi)星載波變化率線性擬合標準差均值與測地型接收機載波觀測值對比

表5為各手機及測地型接收機載波觀測值變化率線性擬合標準差匯總，以觀測值平滑性作為評價指標，P10手機、榮耀9手機和小米8手機的載波數(shù)據(jù)質(zhì)量分別比測地型接收機差6.4、5.5和4.0倍。

表5 載波觀測值變化率線性擬合標準差 　　m·s-1

4 結(jié)束語

本文通過智能手機終端和測地型接收機同時同位置進行數(shù)據(jù)接收，對手機端原始GNSS觀測數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)的質(zhì)量分析，為正在逐步開展起來的基于原始觀測數(shù)據(jù)的手機端定位理論研究提供了參考。結(jié)論包括：

目前，市場上大部分的Android智能手機能夠觀測到的原始GNSS數(shù)據(jù)為單頻偽距和載波相位數(shù)據(jù)，僅有少數(shù)最新產(chǎn)品能夠觀測到雙頻原始數(shù)據(jù)，雙頻原始數(shù)據(jù)內(nèi)容為GPS衛(wèi)星L1、L5頻率數(shù)據(jù)和Galileo衛(wèi)星E1、E5頻率數(shù)據(jù)。手機端能夠觀測到的GPS和GLONASS衛(wèi)星數(shù)目和測地型接收機接近，BDS和Galileo衛(wèi)星數(shù)目與具體手機型號有關(guān)。

手機端GNSS觀測有時會出現(xiàn)較為頻繁的信號失鎖的現(xiàn)象，且接近半數(shù)衛(wèi)星的載波觀測值存在粗差或原因不明確的系統(tǒng)誤差。

手機端同時刻偽距觀測值和載波觀測值變化率不一致，性質(zhì)接近于偽距和載波觀測采用不同的時鐘，二者鐘速之差在觀測時段內(nèi)緩慢變化。

華為P10手機、華為榮耀9手機和小米8手機偽距觀測值中誤差分別為8.577、12.227和3.969 m，且對于小米8手機P5偽距質(zhì)量要高于P1偽距質(zhì)量。BDS衛(wèi)星偽距觀測值精度最高，GLONASS衛(wèi)星偽距質(zhì)量較差。對于偽距定位，相較于衛(wèi)星高度角定權(quán)方式，載噪比定權(quán)更為合理。

P10手機和榮耀9手機載波觀測值在剛開始觀測時質(zhì)量較差，約10 min分鐘后會有明顯提升。以載波觀測值變化率平滑性作為評價指標，手機端載波觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)量（僅考慮隨機誤差影響）比測地型接收機差4~6倍。

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Quality analysis on raw GNSS measurements of Android mobile terminals

CHEN Bo, GAO Chengfa, LIU Yongsheng, LU Yicai

（School of Transportation, Southeast University, Nanjing 211189, China）

In order to supplement the insufficiency of studying on the qualitative analysis of raw GNSS observations of mobile phones, the paper proposed to comparatively analyze the raw GNSS measured data quality of mobile terminals by observing with smart phones and common GNSS receivers simultaneously at the same place, taking the samples of Huawei P10, Huawei Honor 9 and Xiaomi 8 into accout. Experimental result showed that: most smartphones could receive single-frequency pseudo-range and carrier phase, some of the latest products could receive dual-band raw GNSS measurements, and the number of observed GPS and GLONASS satellites would be close to that by GNSS receivers; there would be occasional frequent signal loss in mobile phone observations, and a large number of faults or systematic errors with unclear causes in carrier phase observations; the change rates of pseudo-range observation and carrier phase observation would be inconsistent, which could be due to the different clocks used by the two observations leading to the slow change of the clock rate difference between the two clocks during the observation period; at the same time, the root mean square error in the pseudo-range observations of mobile phones would be 4~10 m, and the accuracy of pseudo-range observations of BDS satellites would be better than that of other GNSS satellites; moreover, taking the change rate smoothness of carrier phase observation as the evaluation index, the data quality of mobile carrier phase observation would be 4~6 times worse than that of the common GNSS receivers.

Android mobile phone; quality analysis; pseudo-range observation; carrier phase observation; change rate

P228

A

2095-4999(2019)03-0015-09

2018-10-22

陳波（1996—），男，安徽蕪湖人，碩士生，研究方向為移動終端GNSS定位。

高成發(fā)（1963—），男，江蘇海安人，博士，教授，研究方向為衛(wèi)星定位導航算法及衛(wèi)星定位導航在交通工程中的應(yīng)用。

陳波，高成發(fā)，劉永勝，等.安卓手機終端原始GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].導航定位學報,2019,7(3):87-95.（CHEN Bo，GAO Chengfa，LIU Yongsheng，et al.Quality analysis on raw GNSS measurements of Android mobile terminals[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):87-95.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190315.