楊 琪，李四海，劉 洋

開放GNSS原始測量對安卓平臺定位精度影響分析

楊 琪，李四海，劉 洋

（西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710129）

安卓設(shè)備；原始測量；接收機；信噪比；定位精度

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）技術(shù)的不斷完善和成熟，便捷的高精度定位信息獲取使得基于位置服務(wù)（location-based services, LBS）的智能設(shè)備（手機/平板/可穿戴設(shè)備等）數(shù)量急劇增長，LBS智能設(shè)備的普及正在逐步影響并改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式?，F(xiàn)在廣泛使用的基于安卓（Android）系統(tǒng)的智能平臺，在系統(tǒng)層面只提供GNSS定位結(jié)果的應(yīng)用程序接口（application programmers interface, API）供手機應(yīng)用程序進行調(diào)用，用戶只能得到最終定位信息，無法獲取原始測量（偽距和載波相位觀測值）。這樣的系統(tǒng)框架簡化了應(yīng)用程序開發(fā)工作，但在很大程度上制約了Android平臺GNSS系統(tǒng)定位精度和可靠性的進一步提高。2016年5月，谷歌宣布從Android Nougat系統(tǒng)開始，開放GNSS原始測量信息[1-2]，用于提高Android系統(tǒng)GNSS定位精度和可靠性，促進LBS應(yīng)用的進一步發(fā)展。自2016年5月在谷歌I/O開發(fā)者大會上宣布開放GNSS原始測量信息以來，如何用Android智能設(shè)備高精度定位，目前的技術(shù)能使定位到達什么樣的精度就是亟需解答的問題[3]。谷歌對Android系統(tǒng)原始GNSS數(shù)據(jù)的開放，引起了導(dǎo)航領(lǐng)域的巨大關(guān)注，在2017年9月份召開的ION GNSS+ 會議上，專門設(shè)置了《智能手機原始GNSS觀測應(yīng)用》議題，來自歐洲宇航中心、聯(lián)發(fā)科、空客、Trimble、GMV、日本衛(wèi)星定位研究中心等研究機構(gòu)和意大利、韓國、加拿大等高校的研究人員針對智能手機原始測量和高精度定位應(yīng)用進行了交流[4-5]。從美國導(dǎo)航協(xié)會（The Institute of Navigation, ION）會議交流情況來看，目前國外大部分研究仍處于演示驗證階段，在原始數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、高精度定位技術(shù)實現(xiàn)和對比、不同環(huán)境和硬件平臺等因素影響等方面都值得展開進一步研究。

在這樣的背景下，本文以手機和平板為例，利用2種設(shè)備提供的GNSS原始測量信息分析原始信息質(zhì)量以及不同技術(shù)所能達到的實際定位精度，并與不同等級的接收機進行對比[6-8]。

1 原始測量信息的獲取

安卓操作系統(tǒng)有一個特殊的接口，稱為API（應(yīng)用程序編程接口），允許用戶訪問系統(tǒng)的功能。在Android N中嵌入的24級API 中利用GNSS Measurement類和GNSS Clock類增加了對安卓設(shè)備中GNSS測量值的訪問[9-10]。該接口會輸出完整標(biāo)準(zhǔn)RINEX文件需要的所有元素，包括偽距、載波相位、多普勒和信噪比。但是，安卓設(shè)備直接提供的是與時間相關(guān)的各類參數(shù)，而并非標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式，具體參數(shù)定義以及轉(zhuǎn)換方法如下：

getTimeNanos()：獲取接收機內(nèi)部硬件時鐘值（單位：ns），是安卓設(shè)備啟動后的時間計數(shù)器；

get Full Bias Nanos()：獲取接收機內(nèi)的硬件時鐘與實際全球定位系統(tǒng)（global position system, GPS）時間的差值（1980年1月6日開始的GPS參考時間）。如果接收機估計了GPS時間，這個值是可用的。如果計算的時間為非GPS星座，須加上該星座到GPS的時間偏移量。并且此偏差只在開始時使用一次，用來估計接收時鐘的額外漂移；

get Bias Nanos()：獲取亞納秒級時鐘偏差；

get Time Offset Nanos()：獲取納秒級時鐘偏差；

根據(jù)上述時間參數(shù)估計出接收時間和發(fā)射時間，從而得到RINEX格式中定義的偽距，具體方法如圖1所示。

圖1 偽距生成原理

get Accumulated Delta Range Meters()：獲取載波相位測量值，該值是載波相位量測與載波頻率相乘再取負所得；

get Accumulated Delta Range State()：檢測載波相位測量值是否復(fù)位或周跳；

get Pseudorange Rate Meters Per Second()：獲取偽距率值，該值與多普勒頻移量成正比；

getCn0DbHz()：獲取信噪比；

綜合上述參數(shù)，可以得到RINEX格式的手機原始測量數(shù)據(jù)。

2 試驗設(shè)備簡介

對于衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品而言，GNSS硬件的成本和精度是主要參考因素，根據(jù)成本高低將試驗設(shè)備分為3種等級：成本高的測量級接收機NovAtel OEM 638、低成本接收機u-blox m8n、超低成本的安卓平臺接收機芯片HuaweiP20及Nexus 9- Broadcom BCM4753，具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同等級的接收機分類

3 靜態(tài)試驗結(jié)果與分析

文中靜態(tài)試驗地點選在西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院樓天臺，試驗點環(huán)境空曠，周邊無其他物體對其進行干擾，4個設(shè)備同時進行數(shù)據(jù)采集，用單點定位、偽距差分、載波相位差分、單頻精密單點定位等不同定位技術(shù)進行事后處理，結(jié)果如下：

首先分析相同設(shè)備同種定位技術(shù)在不同算法處理后的定位精度，對平板數(shù)據(jù)采用單點定位技術(shù)進行處理，算法采用加權(quán)最小二乘法，未使用多普勒平滑偽距進行計算時水平面誤差如圖2所示，高方向誤差如圖3所示。從圖2及圖3中可以看出以平均誤差為參考位置的定位誤差圖毛刺較大，經(jīng)計算北（）方向標(biāo)準(zhǔn)差為8.2 m、高（）方向為25.4 m。

圖2 未加平滑水平面定位算法誤差

圖3 未加平滑高方向定位算法誤差

圖4、圖5是使用平滑后的定位差圖，對比可以看出，曲線明顯得到平滑，經(jīng)計算方向標(biāo)準(zhǔn)差為4.6 m、方向為20.7 m。2張圖對比可以說明使用多普勒平滑偽距之后單點定位精度和穩(wěn)定性都有一定程度提高。

圖4 加平滑后水平面定位算法誤差

圖5 加平滑后高方向定位算法誤差

對比試驗收集了40 min的的靜態(tài)數(shù)據(jù)，圖6顯示了用于數(shù)據(jù)收集的3個不同級別4個硬件設(shè)備的視圖。同時進行數(shù)據(jù)收集，以確保大氣、多路徑等環(huán)境條件保持一致。

圖6 靜態(tài)試驗環(huán)境

信噪比即接收的載波信號與干擾噪聲功率譜密度之比是影響GNSS接收機測距精度的重要因素之一。GNSS天線接收功率主要取決于3個因素：①接收GNSS信號的功率密度；②天線有效面積；③天線增益。由于u-blox天線限制及華為P20手機原始測量信息并未覆蓋整個GNSS星座，圖7至圖10以GPS星座為例分別展示了Nexus9、華為P20、u-blox及NovAtel 4個接收機接收衛(wèi)星信號的信噪比?？梢钥闯鯪exus9接收到9顆衛(wèi)星信號，但整體數(shù)值擴散在20～40dB·Hz，曲線毛刺較大；華為手機接收到8顆衛(wèi)星信號，整體數(shù)值集中在37～45dB·Hz；u-blox接收機收到9顆衛(wèi)星信號，數(shù)值集中在37～47dB·Hz；NovAtel接收機收到10顆衛(wèi)星信號且數(shù)值集中在45～55dB·Hz?？梢钥闯鼋邮諜C安卓設(shè)備的信號質(zhì)量明顯低于測量級接收機，也略低于低成本接收機。這是由于安卓設(shè)備天線形狀、極化方式等硬件條件約束導(dǎo)致信號噪聲較大且多路徑效應(yīng)增加。

圖7 Nexus9接收衛(wèi)星信噪比

圖8 華為P20接收衛(wèi)星信噪比

圖9 u-blox接收衛(wèi)星信噪比

圖10 NovAtel接收衛(wèi)星信噪比

接下來分析不同設(shè)備在同種定位技術(shù)下定位精度。鑒于篇幅限制，本文重點分析經(jīng)度方向定位精度，其他2個方向規(guī)律相同（如表3、表4所示）。4種接收機的單點定位誤差如圖11所示，標(biāo)準(zhǔn)差值（standard deviation, STD）如表2所示。圖11和表2結(jié)合可以看出，NovAtel接收機定位精度已達到亞米級水平，其余3種均為米級精度。無論是低成本接收機或測量級接收機，定位精度均明顯優(yōu)于安卓設(shè)備，其中u-blox與NovAtel定位STD值分別為1.2715、0.8177 m。而手機單點定位STD值為5.7019 m，平板STD值為13.2444 m，這種定位精度可從信噪比角度做出一定解釋，平板信噪比值最低，信號質(zhì)量最差，其定位精度也處于最差水平。

圖11 4種接收機經(jīng)度方向單點定位誤差

表2　 4種接收機經(jīng)度方向的STD值 　　 m

圖12為手機、平板、u-blox分別與NovAtel進行偽距差分處理后的定位誤差圖，STD值見表3。結(jié)合圖表可以看出，相對于單點定位技術(shù)，偽距差分處理后定位精度沒有明顯的提升，這是由于偽距相關(guān)原始測量信息受硬件噪聲影響較大。

圖12 4種接收機經(jīng)度方向偽距差分定位誤差

表3　4種接收機緯度方向的STD值 　　 m

圖13為手機、平板、u-blox分別與NovAtel進行載波相位差分處理后的定位誤差以及平板精密單點定位誤差圖，STD值見表4。與上述2種定位技術(shù)相比，載波相位差分定位精度明顯提高，手機、平板和u-blox分別收斂到0.3、0.6和0.07 m。

圖13 4種接收機載波相位差分定位誤差

表4 4種接收機高度方向的STD值　　 m

最后分析同種設(shè)備不同定位技術(shù)下的定位精度。就平板而言，4種定位技術(shù)定位誤差如圖14所示，載波相位差分與單點定位和偽距差分定位結(jié)果相比定位精度顯著提高：靜態(tài)條件下經(jīng)過400 s可收斂到0.5 m以內(nèi)；精密單點定位精度收斂到0.7 m以內(nèi)。

圖14 4種定位技術(shù)精度對比（平板數(shù)據(jù)）

4 動態(tài)試驗結(jié)果與分析

為進一步探究安卓平臺的定位精度，繼續(xù)進行一組動態(tài)試驗，其中Nexus 9平板以及接收機天線沿車身縱向被放置在移動汽車的車頂，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)由NovAtel接收機提供。試驗結(jié)果如圖15、圖16所示，定位算法采用載波相位差分算法，其中沒有地標(biāo)標(biāo)識的直線為NovAtel接收機與基準(zhǔn)站差分得到的標(biāo)準(zhǔn)路線，標(biāo)識地標(biāo)1線為Nexus 9平板與基準(zhǔn)站差分所得的結(jié)果，標(biāo)識地標(biāo)2線為u-blox與基準(zhǔn)站差分得到。造成圖15地標(biāo)1、2線差異的主要原因是安卓設(shè)備天線形狀及極化方式等硬件條件限制導(dǎo)致信號質(zhì)量較差，在遮擋較多環(huán)境中去除多路徑效應(yīng)的效果較差。在圖16遮擋較少的鄉(xiāng)村環(huán)境中，多路徑效應(yīng)影響較小，安卓設(shè)備可以與低成本接收機具有相同的定位精度。

圖15 動態(tài)試驗結(jié)果（遮擋較多）

圖16 動態(tài)試驗結(jié)果（遮擋較少）

5 結(jié)束語

本文選取2個已開放原始測量信息的安卓設(shè)備、華為P20手機和Nexus9平板原始測量進行信號質(zhì)量及定位精度分析，并與低成本接收機u-blox和測量級接收機NovAtel進行對比。結(jié)果表明：安卓設(shè)備的原始測量質(zhì)量均低于2種接收機且手機信號質(zhì)量高于平板信號；安卓設(shè)備單點定位水平面內(nèi)定位精度為5～15ｍ；相對于單點定位，偽距差分對定位精度提升不大，仍為米級水平；載波相位差分和精密單點定位精度均有明顯提升，達到分米級水平。動態(tài)試驗表明，無遮擋條件下采用載波相位差分技術(shù)，安卓設(shè)備定位精度可達到低成本接收機定位精度相同水平。

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Influence of opening raw GNSS measurement on positioning accuracy of Android platform

YANG Qi, LI Sihai, LIU Yang

（College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China）

Android device; raw measurement; receiver; carrier-to-noise ratio; positioning accuracy

Sv Time Nanos()：獲取衛(wèi)星發(fā)送時間（單位：ns），取決于每顆衛(wèi)星的同步狀態(tài)。

P228

A

2095-4999(2019)03-0115-06

2018-12-11

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)意創(chuàng)新種子基金項目（G2018KY0417）。

楊琪（1995—），女，陜西西安人，碩士生，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航與組合導(dǎo)航。

李四海（1962—），男，浙江舟山人，博士，教授，研究方向為慣性系統(tǒng)的對準(zhǔn)、導(dǎo)航與標(biāo)定技術(shù)，組合導(dǎo)航與導(dǎo)航綜合系統(tǒng)的信息融合技術(shù)及應(yīng)用，民機導(dǎo)航系統(tǒng)等。

楊琪，李四海，劉洋.開放GNSS原始測量對安卓平臺定位精度影響分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2019,7(3):115-120.（YANG Qi, LI Sihai, LIU Yang.Influence of opening raw GNSS measurement on positioning accuracy of Android platform[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):115-120.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190319.