智能手機GNSS標準定位性能與精度分析

王天文

(沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

智能手機已經成為當今應用最廣泛的GNSS定位終端，基于定位芯片所設計開發出來的如共享單車、位置分享、車載導航、移動醫療等位置服務(Location Based Services，LBS)，提高了人們日常生活的質量。國內外科研人員已經做了大量關于智能終端高精度技術定位的研究，實驗發現Duty Cycle機制在很大程度上影響了載波相位觀測值的連續性，而載波相位觀測值常用于高精度定位，因此智能終端很難實現高精度定位[5]。

2 智能手機GNSS原始數據的獲取

Android應用程序和GNSS等不同移動傳感器之間的交互是使用Android框架API進行的。Android平臺的每個新版本都與一個新的API相關聯，GNSS芯片組的配置、交互和用戶訪問都取決于API級別。用戶應用程序使用框架位置API訪問GNSS數據。在Android API 23之前，這僅限于獲取：GPS衛星信息(C/No、方位角、高程)、具有適當時間戳的NMEA語句和PVT解決方案。用戶可以向芯片組發送基本配置命令，包括重啟/啟動GNSS芯片組或清除輔助數據。然而GNSS星座優先級和不同PVT算法的所有配置設置都是由芯片組本身決定的。從API 23(Android 6)開始，開發人員可以訪問以下Android類：GPS衛星，其中包含衛星方位角(Azimuth)、高度角(Elevation)、衛星號PRN和C/No等基本衛星信息。它還標記了衛星是否用于PVT解決方案以及歷書和星歷表的可用性。GPS狀態，提供有關GNSS芯片組狀態和解決方案的信息。位置，指示是否提供位置和時間解決方案。NMEA監聽器，提供基本的NMEA語句。API 24提供了利于獲取信息的三個新接口：接收機鐘信息GNSS Clock、每個衛星信號的觀測信息GNSS Measurements、衛星星歷信息GNSS Navigation Message。智能終端并不是直接獲取得到偽距觀測值，而是將GNSS Clock與GNSS Measurements的信息進行計算生成每個衛星的偽距觀測值。

3 智能手機GNSS原始觀測值的生成

3.1 偽距觀測值的生成

Android系統并不直接提供偽距測量值，它提供了計算所需要的參數。偽距的計算基于測量時間與接收時間的時間差，計算公式如下：

ρ=(tRx-tTx)×C

(1)

其中，C表示的是光速，其數值為 299 792 458 m/s。tRx為接收機端的測量時間，tTx為衛星發射時間。

tTx=ReceivedSvTimeNanos[ns]

(2)

其中ReceivedSvTimeNanos是測量時接收到的GNSS衛星時間，單位為納秒。tTx的有效范圍取決于跟蹤狀態，如果跟蹤狀態不等于解碼(GPS)，則變得模糊，即偽距變得模糊。tTx受衛星原子鐘的鐘差影響，該鐘差可以通過衛星星歷提供的參數進行改正。tRx由GNSS Clock提供的信息計算得到，如下式：

tRxGNSS=TimeNanos+TimeOffsetNanos-(FullBiasNanos+BiasNanos)[ns]

(3)

其中TimeOffsetNanos是測量時間的時間偏移量，單位為納秒。只有FullBiasNanos和BiasNanos的第一個值用于計算所有接收時間。此操作適用于內部接收時間不連續的情況，這通常只在GNSS模塊重新啟動時發生。tRxGNSS僅在用于計算接收時間的GNSS參考系統中提供。但是，tTx為每個GNSS系統提供，通常GNSS接收機將GPST作為默認的GNSS參考時間。

3.2 載波觀測值的生成

Android 7提供的載波相位測量是以米為單位累加的。它們沒有時間信息，這意味著接收器只能計算兩個時期之間發生的周期數，如果發生周跳，則接收器將丟失此計數。載波相位的有效性測量值由GNSS Measurement接口中的AccumulatedDeltaRangeMeters參數轉換得到，轉換公式如下：

φ=AccumulatedDeltaRangeMeters/λ

(4)

4 數據質量分析

使用小米Mi8智能手機內置的Broadcom BCM47755芯片采集觀測數據。為分析智能手機的定位性能，使用Trimble NetR9接收機和小米Mi8同步觀測作為比較。

4.1 可見衛星數量

小米Mi 8智能手機跟蹤衛星數量圖和衛星星空圖如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可得，小米Mi8智能手機在20：00～21：59這段時間內，一共跟蹤到43顆衛星的信號。由此可見，智能手機就衛星信號的跟蹤和捕獲性能方面是滿足日常定位所需的，但由于城市環境的復雜以及存在很多遮擋的情況，對于部分衛星信號的跟蹤并不連續和穩定。

圖1 小米Mi 8可見衛星數量

圖2 小米Mi 8跟蹤到的衛星星空圖

4.2 PDOP值分析

接收機在進行觀測時，若受到地形結構和環境的影響，可能造成觀測質量差，衛星分布較少的情況。位置精度衰減因子PDOP(Position Dilution of Precision)是分析衛星導航系統定位精度的一個重要指標。由于不同的衛星導航系統采用的是不同的軌道參數，將不同的軌道的衛星進行組合，就可以優化衛星的幾何分布；而且組合系統中，衛星的可見數量增加，優化了衛星的幾何分布，可以有效地提高衛星定位的精度和可靠性。PDOP值越小就意味著天空中衛星的幾何分布程度越好，定位精度越高。

圖3 截止高度角15°下GPS系統的PDOP值變化

圖4 截止高度角15°下BDS系統的PDOP值變化

圖5 截止高度角15°下組合系統的PDOP值變化

圖3、圖4、圖5分別是截止高度角15°下GPS系統，BDS系統和組合系統的PDOP值的變化情況。上圖可以看出，GPS系統的PDOP值變化較BDS較為平穩，且均值也更低，幾何分布較好。GPS的PDOP值在1～4之間，BDS的PDOP值在2～10之間。而圖5組合系統的PDOP值較單一系統的PDOP值明顯變小，也更加平穩，在1～2之間變化。他們的PDOP值均小于10，故可以得出單一系統下，可以滿足定位需求，而且在組合系統可見衛星數增加的情況下，定位精度和可靠性可以得到進一步提升。

4.3 信噪比特性

本節對小米Mi 8智能手機和Trimble NetR9測量型接收機的信噪比數據進行解碼和統計分析。圖6給出了智能手機和接收機觀測到的L1波段觀測值的信噪比的頻率分布直方圖。由圖6可以看出，智能手機和接收機的大部分觀測值的信噪比都在 30 dB～40 dB區間之中。

圖6 智能手機和接收機L1波段信噪比頻率分布直方圖

圖7將放置在同種環境下的智能手機和測量型接收機接收到的L1波段的衛星信號的平均信噪比做對比分析。可以看出，測量型接收機衛星信號的平均信噪比要高于智能手機衛星信號的平均信噪比。

圖7 智能手機和接收機的L1波段衛星平均信噪比柱形圖

圖8反映了智能手機觀測到的五個系統每個衛星信號信噪比的平均值。其中，智能手機主要接收到了GPS、Galileo和QZSS L1/L5波段的數據，GLONASS L1波段的數據，以及BDS L2波段的數據。GPS、Galileo、QZSS三系統的L1波段的信噪比普遍高于L5波段的信噪比，BDS系統的L2波段的信噪比大部分在 30 dB～40 dB范圍內。總體上看，GPS系統的信噪比最高，Galileo系統的信噪比最低。

圖8 智能手機多系統衛星信號信噪比柱形圖

圖9 G12衛星L1波段信噪比隨衛星高度角變化關系圖

衛星高度角、信噪比信息與觀測數據質量有著較大的相關性，為了進一步分析，選取了GPS系統的G12衛星，繪制出隨著高度角的變化平均信噪比變化的折線圖，如圖9所示。由此可以看出，測量型接收機的信噪比和高度角的相關性強，隨著高度角的增大而增大，變化較大，在高度角達到最大的時候，信噪比最大，觀測質量最好，而智能手機的信噪比隨高度角的變化并不明顯。由于不同高度角衛星發射的信號的傳播路徑不同，受到傳播過程的各種誤差的影響也不一樣，故觀測質量就不同。例如，對流層誤差隨著衛星高度角的減小而逐漸增大。智能手機的信噪比與高度角相關性較小的原因可能是由于智能手機內置的天線采用的是線性極化的方式，從而受到多路徑效應的影響較大。

4.4 多路徑效應分析

由圖10、圖11可以看出，測量型接收機受多路徑影響較于智能手機明顯較小。并且，兩者在測量時，處于同樣的觀測環境下，可以忽略環境不同的因素。測量型接收機內部采用了Trimble EVERSTTM多路徑抑制技術來確保GNSS信號的高增益和抗干擾能力，可以有效地減小多路徑效應的影響，而智能終端中使用的是價格低廉的PIFA天線，它的線型極化方式抗干擾能力弱，易受多路徑效應的影響。由此可以得出，與測量型接收機相比，智能手機內置的天線設計大大影響了GNSS原始數據質量。

圖10 Mi 8多路徑誤差

圖11 測量型接收機多路徑誤差

5 智能終端不同定位模式的精度分析

在智能手機獲取的觀測數據中，選取質量較好的GPS和BDS系統的數據進行偽距單點定位和偽距差分定位模型的解算。表1為通過程序解算后的定位結果精度，可以看出，偽距單點模型和偽距差分模型解算后的定位結果精度相差不大，說明觀測數據中包含了大量的異常值，影響了定位精度。在不經過平滑或者增強算法處理的情況下，小米Mi 8智能手機在水平方向上的精度可以達到 3 m～13 m，在高程方向上的精度可以達到 12 m～40 m。

小米Mi 8智能手機SPP/RTD定位精度統計表 表1

將小米8手機分別放置在開闊環境與樹林遮擋較多的環境中(圖12)，采用RTK靜態模式下進行實時解算，Ratio值設置為3，其RTK定位東(de)、北(dn)、天頂(du)3個方向的誤差值如圖13、圖14、表2所示，開闊環境下手機定位偏差波動較小，定位偏差在 0.5 m以內，而遮擋環境下手機定位N，U方向偏差波動較大。

圖12

圖13 Mi 8開闊環境

圖14 Mi 8遮擋環境

不同環境定位誤差統計表 表2

在小米8智能手機附近3 m處架設一臺專業測地形接收機Trimble NetR9組成超短基線，進行同時段觀測，觀測條件良好，采樣間隔為 1 s，并對觀測數據進行事后靜態相對定位解算，與之對比。如圖15、圖16、表3所示，Trimble NetR9測地形接收機定位精度較小米8智能手機高出一個量級，由上所述是智能手機采用線性極化天線，抑制多路徑效果更差，產生更多噪聲所致。

圖15 Trimble NetR9

圖16 Mi 8

不同接收設備定位誤差統計表 表3

6 結 論

對小米Mi 8智能手機觀測的數據進行了較為全面和系統的質量分析，評估了該智能手機的標準定位性能和精度，為人們在城市生活的定位需求提供了低成本的解決方案。在智能手機跟蹤和捕獲衛星信號的方面，在一般情況下智能手機能夠跟蹤到5個星座系統的衛星，衛星數量在43顆左右；并且發現智能手機觀測值的信噪比平均值要低于測量型接收機。這是因為智能手機內置的天線采用線性極化的方式，極易受到多路徑效應的影響。雙頻的小米Mi 8智能手機的定位精度在水平方向上達到了 3 m～13 m，高程方向上的精度達到了 12 m～40 m。結果表明，智能終端的GNSS性能能夠滿足日常米級定位的需要。