開(kāi)放GNSS原始測(cè)量對(duì)安卓平臺(tái)定位精度影響分析

楊 琪，李四海，劉 洋

開(kāi)放GNSS原始測(cè)量對(duì)安卓平臺(tái)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(dòng)化學(xué)院，西安 710129）

安卓設(shè)備；原始測(cè)量；接收機(jī)；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(jī)/平板/可穿戴設(shè)備等）數(shù)量急劇增長(zhǎng)，LBS智能設(shè)備的普及正在逐步影響并改變?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)和生活方式。現(xiàn)在廣泛使用的基于安卓（Android）系統(tǒng)的智能平臺(tái)，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(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用，用戶(hù)只能得到最終定位信息，無(wú)法獲取原始測(cè)量（偽距和載波相位觀測(cè)值）。這樣的系統(tǒng)框架簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工作，但在很大程度上制約了Android平臺(tái)GNSS系統(tǒng)定位精度和可靠性的進(jìn)一步提高。2016年5月，谷歌宣布從Android Nougat系統(tǒng)開(kāi)始，開(kāi)放GNSS原始測(cè)量信息[1-2]，用于提高Android系統(tǒng)GNSS定位精度和可靠性，促進(jìn)LBS應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。自2016年5月在谷歌I/O開(kāi)發(fā)者大會(huì)上宣布開(kāi)放GNSS原始測(cè)量信息以來(lái)，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(dá)什么樣的精度就是亟需解答的問(wèn)題[3]。谷歌對(duì)Android系統(tǒng)原始GNSS數(shù)據(jù)的開(kāi)放，引起了導(dǎo)航領(lǐng)域的巨大關(guān)注，在2017年9月份召開(kāi)的ION GNSS+ 會(huì)議上，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了《智能手機(jī)原始GNSS觀測(cè)應(yīng)用》議題，來(lái)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(jī)構(gòu)和意大利、韓國(guó)、加拿大等高校的研究人員針對(duì)智能手機(jī)原始測(cè)量和高精度定位應(yīng)用進(jìn)行了交流[4-5]。從美國(guó)導(dǎo)航協(xié)會(huì)（The Institute of Navigation, ION）會(huì)議交流情況來(lái)看，目前國(guó)外大部分研究仍處于演示驗(yàn)證階段，在原始數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、高精度定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)和對(duì)比、不同環(huán)境和硬件平臺(tái)等因素影響等方面都值得展開(kāi)進(jìn)一步研究。

在這樣的背景下，本文以手機(jī)和平板為例，利用2種設(shè)備提供的GNSS原始測(cè)量信息分析原始信息質(zhì)量以及不同技術(shù)所能達(dá)到的實(shí)際定位精度，并與不同等級(jí)的接收機(jī)進(jìn)行對(duì)比[6-8]。

1 原始測(cè)量信息的獲取

安卓操作系統(tǒng)有一個(gè)特殊的接口，稱(chēng)為API（應(yīng)用程序編程接口），允許用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)的功能。在Android N中嵌入的24級(jí)API 中利用GNSS Measurement類(lèi)和GNSS Clock類(lèi)增加了對(duì)安卓設(shè)備中GNSS測(cè)量值的訪(fǎng)問(wèn)[9-10]。該接口會(huì)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(shí)間相關(guān)的各類(lèi)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(jī)內(nèi)部硬件時(shí)鐘值（單位：ns），是安卓設(shè)備啟動(dòng)后的時(shí)間計(jì)數(shù)器；

get Full Bias Nanos()：獲取接收機(jī)內(nèi)的硬件時(shí)鐘與實(shí)際全球定位系統(tǒng)（global position system, GPS）時(shí)間的差值（1980年1月6日開(kāi)始的GPS參考時(shí)間）。如果接收機(jī)估計(jì)了GPS時(shí)間，這個(gè)值是可用的。如果計(jì)算的時(shí)間為非GPS星座，須加上該星座到GPS的時(shí)間偏移量。并且此偏差只在開(kāi)始時(shí)使用一次，用來(lái)估計(jì)接收時(shí)鐘的額外漂移；

get Bias Nanos()：獲取亞納秒級(jí)時(shí)鐘偏差；

get Time Offset Nanos()：獲取納秒級(jí)時(shí)鐘偏差；

根據(jù)上述時(shí)間參數(shù)估計(jì)出接收時(shí)間和發(fā)射時(shí)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(cè)量值，該值是載波相位量測(cè)與載波頻率相乘再取負(fù)所得；

get Accumulated Delta Range State()：檢測(cè)載波相位測(cè)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(jī)原始測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

對(duì)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(yàn)設(shè)備分為3種等級(jí)：成本高的測(cè)量級(jí)接收機(jī)NovAtel OEM 638、低成本接收機(jī)u-blox m8n、超低成本的安卓平臺(tái)接收機(jī)芯片HuaweiP20及Nexus 9- Broadcom BCM4753，具體參數(shù)如表1所示。

表1 不同等級(jí)的接收機(jī)分類(lèi)

3 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

文中靜態(tài)試驗(yàn)地點(diǎn)選在西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院樓天臺(tái)，試驗(yàn)點(diǎn)環(huán)境空曠，周邊無(wú)其他物體對(duì)其進(jìn)行干擾，4個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用單點(diǎn)定位、偽距差分、載波相位差分、單頻精密單點(diǎn)定位等不同定位技術(shù)進(jìn)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(duì)平板數(shù)據(jù)采用單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)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(jìn)行計(jì)算時(shí)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(jì)算北（）方向標(biāo)準(zhǔn)差為8.2 m、高（）方向?yàn)?5.4 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(duì)比可以看出，曲線(xiàn)明顯得到平滑，經(jīng)計(jì)算方向標(biāo)準(zhǔn)差為4.6 m、方向?yàn)?0.7 m。2張圖對(duì)比可以說(shuō)明使用多普勒平滑偽距之后單點(diǎn)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(duì)比試驗(yàn)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(gè)不同級(jí)別4個(gè)硬件設(shè)備的視圖。同時(shí)進(jìn)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(yàn)環(huán)境

信噪比即接收的載波信號(hào)與干擾噪聲功率譜密度之比是影響GNSS接收機(jī)測(cè)距精度的重要因素之一。GNSS天線(xiàn)接收功率主要取決于3個(gè)因素：①接收GNSS信號(hào)的功率密度；②天線(xiàn)有效面積；③天線(xiàn)增益。由于u-blox天線(xiàn)限制及華為P20手機(jī)原始測(cè)量信息并未覆蓋整個(gè)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(gè)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的信噪比。可以看出Nexus9接收到9顆衛(wèi)星信號(hào)，但整體數(shù)值擴(kuò)散在20～40dB·Hz，曲線(xiàn)毛刺較大；華為手機(jī)接收到8顆衛(wèi)星信號(hào)，整體數(shù)值集中在37～45dB·Hz；u-blox接收機(jī)收到9顆衛(wèi)星信號(hào)，數(shù)值集中在37～47dB·Hz；NovAtel接收機(jī)收到10顆衛(wèi)星信號(hào)且數(shù)值集中在45～55dB·Hz。可以看出接收機(jī)安卓設(shè)備的信號(hào)質(zhì)量明顯低于測(cè)量級(jí)接收機(jī)，也略低于低成本接收機(jī)。這是由于安卓設(shè)備天線(xiàn)形狀、極化方式等硬件條件約束導(dǎo)致信號(hào)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(lái)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(diǎn)分析經(jīng)度方向定位精度，其他2個(gè)方向規(guī)律相同（如表3、表4所示）。4種接收機(jī)的單點(diǎn)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(jī)定位精度已達(dá)到亞米級(jí)水平，其余3種均為米級(jí)精度。無(wú)論是低成本接收機(jī)或測(cè)量級(jí)接收機(jī)，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(jī)單點(diǎn)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?zhuān)桨逍旁氡戎底畹停盘?hào)質(zhì)量最差，其定位精度也處于最差水平。

圖11 4種接收機(jī)經(jīng)度方向單點(diǎn)定位誤差

表2　 4種接收機(jī)經(jīng)度方向的STD值 　　 m

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

圖12 4種接收機(jī)經(jīng)度方向偽距差分定位誤差

表3　4種接收機(jī)緯度方向的STD值 　　 m

圖13為手機(jī)、平板、u-blox分別與NovAtel進(jìn)行載波相位差分處理后的定位誤差以及平板精密單點(diǎn)定位誤差圖，STD值見(jiàn)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(jī)、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(jī)載波相位差分定位誤差

表4 4種接收機(jī)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(diǎn)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(guò)400 s可收斂到0.5 m以?xún)?nèi)；精密單點(diǎn)定位精度收斂到0.7 m以?xún)?nèi)。

圖14 4種定位技術(shù)精度對(duì)比（平板數(shù)據(jù)）

4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步探究安卓平臺(tái)的定位精度，繼續(xù)進(jìn)行一組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，其中Nexus 9平板以及接收機(jī)天線(xiàn)沿車(chē)身縱向被放置在移動(dòng)汽車(chē)的車(chē)頂，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)由NovAtel接收機(jī)提供。試驗(yàn)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(méi)有地標(biāo)標(biāo)識(shí)的直線(xiàn)為NovAtel接收機(jī)與基準(zhǔn)站差分得到的標(biāo)準(zhǔn)路線(xiàn)，標(biāo)識(shí)地標(biāo)1線(xiàn)為Nexus 9平板與基準(zhǔn)站差分所得的結(jié)果，標(biāo)識(shí)地標(biāo)2線(xiàn)為u-blox與基準(zhǔn)站差分得到。造成圖15地標(biāo)1、2線(xiàn)差異的主要原因是安卓設(shè)備天線(xiàn)形狀及極化方式等硬件條件限制導(dǎo)致信號(hào)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(jī)具有相同的定位精度。

圖15 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果（遮擋較多）

圖16 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果（遮擋較少）

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選取2個(gè)已開(kāi)放原始測(cè)量信息的安卓設(shè)備、華為P20手機(jī)和Nexus9平板原始測(cè)量進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量及定位精度分析，并與低成本接收機(jī)u-blox和測(cè)量級(jí)接收機(jī)NovAtel進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：安卓設(shè)備的原始測(cè)量質(zhì)量均低于2種接收機(jī)且手機(jī)信號(hào)質(zhì)量高于平板信號(hào)；安卓設(shè)備單點(diǎn)定位水平面內(nèi)定位精度為5～15ｍ；相對(duì)于單點(diǎn)定位，偽距差分對(duì)定位精度提升不大，仍為米級(jí)水平；載波相位差分和精密單點(diǎn)定位精度均有明顯提升，達(dá)到分米級(jí)水平。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明，無(wú)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(dá)到低成本接收機(jī)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(shí)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(xiàng)目（G2018KY0417）。

楊琪（1995—），女，陜西西安人，碩士生，研究方向?yàn)樾l(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?yàn)閼T性系統(tǒng)的對(duì)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(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)等。

楊琪，李四海，劉洋.開(kāi)放GNSS原始測(cè)量對(duì)安卓平臺(tái)定位精度影響分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),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.