代喜慶, 童成寶

(1. 青海省地理國情監(jiān)測院 調(diào)查部, 西寧 810001； 2. 青海省基礎(chǔ)測繪院 技術(shù)部, 西寧 810001)

0 引 言

2016年Google公司開放了Android手機全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS: Global Navigation Satellite System)芯片的原始測量數(shù)據(jù)訪問接口(API: Application Programming Interface), 這不僅極大地促進了Android手機高精度定位技術(shù)的進步, 也使智能手機高精度GNSS定位技術(shù)研究成為當(dāng)前最熱門的領(lǐng)域, 同時還促進發(fā)展了更多的Android GNSS新的應(yīng)用, 如車道級駕駛、 精準(zhǔn)地圖和現(xiàn)實增強(AR: Augmented Reality)等。

利用Android平臺的GNSS原始測量數(shù)據(jù)偏重于研究高精度定位算法, 例如： PPP(Precise Point Positioning)和RTK(Real Time Kinematic)。近幾年, 隨著雙頻GNSS芯片手機推出, 以及智能手機天線不斷改進, 手機實現(xiàn)分米甚至厘米級定位服務(wù)成為可能。智能手機的高精度定位會對人們的日常生活產(chǎn)生深遠影響, 并可能實現(xiàn)車道級駕駛導(dǎo)航等應(yīng)用。

Humphreys等[1]是最早從事智能手機收集數(shù)據(jù)的研究人員之一, 并在2016年指出手機局部多路徑對相位質(zhì)量是一個挑戰(zhàn)； 2017年, Realini等[2]利用goGPS軟件對GPS L1的雙差相位觀測值進行了處理, 得出手機靜止時分米級定位是可以實現(xiàn)的； 同年, Pirazzi等[3]利用智能手機運動軌跡在一張A4紙上寫下6個英文字符----“VADASE”, 實驗證明手機GNSS相位測量是可以達到厘米級的。2018年, 全球首款雙頻GNSS手機(小米Mi8搭載博通4775芯片)發(fā)布后, 智能手機GNSS相關(guān)研究成果數(shù)量快速增長, 定位結(jié)果更好。Chen等[4]在沒有外部校正的情況下, 在靜止的小米Mi8上測試了PPP, 并在30 s內(nèi)收到了亞米級水平精度。Li等[5]通過連接外部天線, 實現(xiàn)Nexus9手機3方向定位誤差小于0.5 m； 2020年, Wen等[6]使用PPP-AR算法實現(xiàn)了Mi8手機優(yōu)于3 cm的定位結(jié)果。Liu等[7]在Mi8上實現(xiàn)了一個RTK+IMU算法, 并在郊區(qū)駕駛汽車的儀表板上用手機進行了測試。眾多研究表明采用智能手機內(nèi)置天線可以進行亞米定位[8-12], 而采用外置天線可以實現(xiàn)厘米定位[13-14]。針對目前市面上常見的智能手機GNSS芯片以及Android版本, 筆者選取其中兩款智能手機(華為P10和Samsung Galaxy S8)與另一款低成本的GNSS接收機(u-blox NEO M8T)進行定位性能比較， 在不用觀測環(huán)境下采用了兩種定位方法(靜態(tài)和動態(tài))， 并且使用不同的軟件獲得后處理定位解。

1 實驗設(shè)計

表1統(tǒng)計了常見的智能手機GNSS芯片以及Android版本。

表1 常見GNSS原始數(shù)據(jù)輸出的Android手機設(shè)備

選取了兩個典型環(huán)境場景(見圖1)： 第1個實驗地點(測點A)位于屋頂, 四周存在高樓, 具有明顯的多路徑效應(yīng)和觀測噪聲, 衛(wèi)星能見度低； 第2個實驗地點(測點B)位于露天場地, 四周開闊且不存在電磁干擾。測點A和B事先已通過大地測量型GNSS接收機連續(xù)觀測48 h, 采用GAMIT/GLOBK軟件計算獲得ITRF2014坐標(biāo), 作為真值參與實驗對比。

圖1 測試點實際環(huán)境測點FIg.1 Actual environment of test point

筆者采用GEO++應(yīng)用程序在智能手機中獲取GNSS原始測量值并將其轉(zhuǎn)換存儲到RINEX文件中, 圖2給出了工作流程。

圖2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理概略Fig.2 Data acquisition and data processing overview

筆者設(shè)計了不同場景下靜態(tài)和動態(tài)方法的兩大類實驗, 數(shù)據(jù)處理采用兩種不同軟件(RTKLIB和LGO)； 實驗1在測點A和測點B, 將智能手機的結(jié)果與u-blox接收器獲得的結(jié)果進行后處理定位比較(靜態(tài))； 實驗2為動態(tài)定位(rtk)結(jié)果。對比分析主要從兩個維度考慮, 即： 內(nèi)符合精度(Precision)與外符合準(zhǔn)度(Accuracy)。

2 結(jié)果與分析

基于后處理模式, 分析RTKLIB軟件處理兩款智能手機定位精度。圖3和圖4分別給出了華為P10和三星Galaxy S8在測點A和測點B 3種定位模式(單點定位SPP、動態(tài)定位Kin和靜態(tài)定位Static)結(jié)果, 所有計算結(jié)果采用相同的參數(shù)模型。分析結(jié)果, 存在3個明顯特點： 1) 測點位置A比測點位置B GNSS觀測信號噪聲(多路徑)更大, 因此精度較低； 2) 觀測時長和定位精度沒有明顯相關(guān)性； 3) 三星Galaxy S8定位結(jié)果普遍優(yōu)于華為P10。

靜態(tài)后處理模式分析安卓智能手機的定位精度, 選擇實驗場地300 m距離的連續(xù)觀測站作為基準(zhǔn)站做差分解算。分別在測點A、 測點B觀測10 min、30 min、60 min, 解算軟件采用RTKLIB后處理(RTKPOST工具)和Leica Geo Office 8.4軟件, 解算策略采用一致設(shè)置。表2給出了華為P10定位結(jié)果, 從表2可以看出, LGO解算結(jié)果好于RTKLIB解算結(jié)果, 測點B觀測的數(shù)據(jù)定位精度優(yōu)于測點A； 三星Galaxy S8智能手機測試結(jié)果相同, 限于篇幅未展示。

從表2還可看出, 解算精度和觀測時長并沒有相關(guān)性, 而大量研究表明測量型接收機觀測時長與定位精度存在正相關(guān)性； 分析原因, 智能手機的GNSS接收信號噪聲較大是因為天線尺寸比較小, 由于天線的增益(接收到的信號強弱)跟面積成正比, 因此天線的面積越大接收到的信號越強, 則定位精度越高。進一步分析, 選擇U-Blox M8P接收機和安卓智能手機定位精度對比, 表3給出了3個設(shè)備在測點B進行30 min觀測的定位結(jié)果。

表2 RTKLIB和LGO解算結(jié)果對比

表3 U-blox接收機和智能手機定位結(jié)果對比

動態(tài)處理模式分析安卓智能手機的定位精度。圖5給出采用RTKLIB軟件中的RTKNAVI工具實現(xiàn)RTK定位結(jié)果。實驗在測點B進行了5 min的動態(tài)實時定位, 華為P10智能手機, 無法獲得RTK固定解, 固定率為0%； 三星Galaxy S8智能手機rtk固定率14%； 相比之下, U-blox接收機有83%的固定率, 坐標(biāo)3分量的準(zhǔn)確度3～4 cm、 精度1 cm以內(nèi), U-blox接收機浮點解準(zhǔn)確度優(yōu)于40 cm、 精度5 cm以內(nèi)。

兩款智能手機存在明顯差異。三星Galaxy S8實現(xiàn)固定解具有較好的準(zhǔn)度(優(yōu)于10 cm)； 華為P10的結(jié)果較差, 準(zhǔn)確度在3.18～5.52 m之間, 而精度在2.67～4.88 m之間, 且未實現(xiàn)固定解。結(jié)果表明, 不是所有的Android智能手機都能提供相同的GNSS定位結(jié)果, 這與智能手機GNSS芯片、 接收星座以及原始觀測數(shù)據(jù)的噪聲均有關(guān)聯(lián)。

圖5 實時動態(tài)定位精度結(jié)果Fig.5 Results of real-time dynamic positioning accuracy

3 結(jié) 語

近些年, 隨著安卓新平臺等“大眾消費級”GNSS設(shè)備開放, 對智能手機無論是靜態(tài)還是動態(tài)均能得到良好的定位結(jié)果, 在無人機、 行人定位、 無人駕駛車道定位、 物體跟蹤等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用。筆者通過實驗, 證明了使用智能手機收集的GNSS信號質(zhì)量完全能達到良好的定位效果。通過外接GNSS天線, 與智能手機終端組合, 能獲得更加出色的定位精度, 應(yīng)用場景也將更廣泛。筆者使用的兩款智能手機, 均為單頻GNSS芯片獲得的結(jié)果。近幾年, 以小米Mi8為代表的雙頻智能手機, 更加充分展示出消費級手機的GNSS定位精度和準(zhǔn)度, 智能手機已經(jīng)不僅只是用于通話和聊天, 并能成為應(yīng)用于地理信息的潛在工具。在不久的將來, 新的GNSS星座和信號有望在精度和性能方面進一步提升, 全民享受高精度定位服務(wù)的時代即將開啟, 真正的“泛在測繪”將得以實現(xiàn)。