安卓手机终端原始GNSS观测数据质量分析

陈 波，高成发，刘永胜，陆轶材

安卓手机终端原始GNSS观测数据质量分析

陈 波，高成发，刘永胜，陆轶材

（东南大学 交通学院，南京 211189）

为了弥补当前手机端原始GNSS观测数据的定性质量分析相关研究较少的不足，提出通过将手机与测地型接收机同时同地点进行观测的方法来对比分析手机端原始GNSS观测值的数据质量，被评价的手机品牌有华为P10、华为荣耀9和小米8。实验结果表明：大部分智能手机能够观测到单频伪距和载波相位数据，有些最新产品能接收到双频GNSS数据，观测到的GPS和GLONASS卫星数目和测地型接收机观测结果接近；手机端观测有时会出现频繁的信号失锁现象，且载波观测值存在大量的粗差或原因不明确的系统误差；手机端同时刻伪距观测值和载波观测值变化率不一致，判断其原因是伪距和载波观测采用不同的时钟，造成二者钟速之差在观测时段内缓慢变化；手机伪距观测值中误差为4~10 m，BDS卫星伪距观测值精度高于其他卫星；以载波观测值变化率平滑性作为评价指标，手机端载波观测值数据质量比测地型接收机差4~6倍。

安卓手机；质量分析；伪距观测值；载波观测值；变化率

0 引言

智能手机是如今人们生活中不可或缺的工具，智能手机中的全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）模块已经极大地改善了现代人类生活。在GNSS导航定位技术的发展中，导航或定位精度一直是制约其进一步应用于人类生产生活并发挥巨大作用的关键问题，对于智能手机端的GNSS导航定位也是如此，目前其定位精度在10 m左右。由于一直以来智能手机中的GNSS导航定位模块都封装于手机操作系统之中，研究人员只能获取定位最终结果来进行应用层面的开发，因此相对于传统测地型接收机，对于智能手机原始观测值的分析与定位算法研究都非常缺乏。

谷歌（Google）公司于2016年5月在Android N操作系统上提供了访问GNSS原始观测数据的接口，如今利用手机端原始观测数据进行分析及研究以提高导航定位精度已经可以实现（仅限于Android系统智能终端）。本文通过手机终端与测地型接收机同时进行原始数据接收，对手机端原始GNSS观测数据进行质量分析，为后续的定位算法研究提供参考。

1 实验方案

根据谷歌Android开发者文档[1]的介绍，目前国内市场上的Android智能手机中只有华为、小米、三星及谷歌Pixel等品牌的手机能够输出原始GNSS观测值供研究人员进行实验分析，其中华为和小米是目前国内市场上产品占有率较高的智能手机品牌，故实验采用的智能手机设备为华为手机和小米手机。为了获取较为丰富的原始观测数据，采用3台不同型号的智能手机与2台测地型接收机进行长时间数据采集实验。实验地点位于东南大学教学楼5楼顶，观测条件十分良好。共进行了2次观测实验，具体实验方案如表1所示。

表1 具体实验方案

实验中设置2台测地型接收位于智能手机两侧，通过脚架和皮尺严格控制2台测地型接收机位置，使其连线中点即为智能手机。实验完成后使用网络实时差分定位（real-time kinematic, RTK）测量点位的坐标，结果显示2台测地型接收机连线中点位置与智能手机的位置直线偏差小于1 cm。

由于智能手机与测地型接收机是同地点观测的，理论上同一时刻2台测地型接收机观测值的均值与智能手机观测值完全相同；因为不同的机器自身存在的差异（载波记录方式不同和钟跳方式不同等）以及位置上的微小偏差，存在一部分系统误差。而本文采用作差拟合和平滑性对比的方式评价智能手机观测值质量，计算结果不受这部分系统误差的影响。

2 手机终端观测能力

观察输出的原始数据文件，汇总各个手机的观测数据内容，如表2所示。表2中：小米8手机为市场上最新产品，号称利用全球定位系统（global positioning system，GPS）的双频信号进行定位，实际观测中双频数据为GPS卫星的L1、L5频率数据和伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）卫星的E1、E5频率数据；GPS L5频率为GPS现代化之后新发射的卫星携带的功能[11]，目前卫星数较少，在1 h观测时间内，观测到4颗双频GPS卫星数据；BDS（BeiDou navigation satellite system）为我国的北斗卫星导航系统；GLONASS（global navigation satellite system）为俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统。

表2 各手机观测数据内容

第1次实验，使用了2台测地型接收机与2台智能手机（华为荣耀9和华为P10）进行观测，各历元观测卫星数如图1所示。在3h的观测时间内，测地型接收机观测卫星数较为稳定，能够观测到30颗卫星左右；华为荣耀9手机观测卫星数比测地型接收机更为稳定，但是观测卫星数较少，能够观测到14~18颗卫星；华为P10手机观测卫星数最不稳定，呈现出随时间的波动性变化趋势，观测卫星数在8~22颗之间波动。

图1 第1次实验各设备观测到卫星总数统计

第1次实验各设备在3h内观测到的各GNSS系统卫星数如表3所示，测地型接收机2情况与测地型接收机1类似，同时观察各卫星信号连续情况（限于篇幅，未给出）。在3h的观测时间内，测地型接收机观测到的BDS卫星不仅数量多，持续观测时间还很长，大部分在3 h内都能持续观测到，这反映了我国BDS卫星定位导航系统建设的完善性以及其在我国领土上空良好的覆盖性。

表3 第1次实验各设备观测到各GNSS系统卫星数

对于GPS及GLONASS，华为荣耀9手机与测地型接收机观测到卫星数量相近，并且对每颗卫星，当测地型接收机能够观测到时华为荣耀9也都能观测到，说明观测信号比较稳定，不会出现信号失锁的情况。于此同时，荣耀9手机观测到的BDS卫星很少，且不能观测到Galileo卫星，应当是硬件限制。

相较于荣耀9手机，P10手机观测到的卫星数更多，观测到的GPS、GLONASS和BDS系统的卫星个数都接近于测地型接收机。与测地型接收机及荣耀9手机对比，发现观测过程会出现非常明显的信号失锁现象，几乎每一颗卫星都有信号失锁的时段。各颗卫星信号失锁的时刻不相同，但是会在某些时刻忽然重新观测到多个卫星信号，如第5370个历元和第8022个历元，观测信号连续性不好。

第2次实验，使用了2台测地型接收机和1台小米8手机进行观测，观测到卫星总数如图2所示。在1 h观测时间内，小米8手机共观测到10颗GPS卫星、7颗GLONASS卫星、4颗BDS卫星和8颗Galileo卫星，且接收信号稳定性较好，而测地型接收机观测到9颗GPS卫星、8颗GLONASS卫星、12颗BDS卫星和7颗Galileo卫星。说明除了BDS系统，小米8手机观测到的其他GNSS系统卫星数量与测地型接收机相当，这与华为P10手机和荣耀9手机是不一致的。

图2 第2次实验各设备观测到卫星总数统计

3 数据质量分析

3.1 定性分析

图3所示为华为P10手机C02卫星原始观测值与测地型接收机原始观测值对比。图3中接收机载波与伪距观测值重合在一起，实际上二者之差为载波相位的整周模糊度乘以载波波长。测地型接收机观测值在一段时间之后会有一个大幅度的跳动，这是接收机钟跳引起的，不影响原始观测值的定位解算[5]。

图3 P10手机C02卫星观测值与测地型接收机对比

实际获取到的手机载波相位观测值是从观测开始时刻为0时进行累计增量叠加的一组数据（相当于整周模糊度特别大），其量值很小；图3中是对手机载波加了常数之后作图的。可以明显地观察出手机观测值与接收机观测值之间的差值是不固定的，并且手机伪距与载波相位观测值相互之间的差值也不固定。

以上性质说明，由于受接收机钟速的影响，测地型接收机会通过钟跳来调整接收机钟，导致中观测值呈锯齿状，而在3h的持续观测中手机端未发生钟跳。手机端伪距观测值与载波观测值显示出了明显的随时间不同步性，其原因尚不明确，下文将进行进一步讨论。

为具体分析观测值性质，对观测值作变化率（增量除以时间间隔）分析，如图4所示。图4中接收机伪距变化率和载波变化率重合在一起，这与接收机观测值含义相吻合。很明显手机端伪距观测值变化率与载波观测值变化率不吻合，且手机端伪距观测值变化率抖动得十分剧烈，短时间内浮动达到20 m·s-1，体现出伪距观测值数据质量之差。

图4 P10手机C02卫星观测值变化率与测地型接收机对比

对于小米8手机，其E03卫星的双频数据观测值变化率（P1、P5表示E1、E5 2个频率的伪距观测值，L1、L5表示对应的载波观测值）如图5所示。明显观察出2个频率的伪距观测值变化率重合在一起，而2个频率的载波观测值变化率也重合在一起；但是载波观测值变化率和伪距观测值变化率之间存在明显差异，与华为P10、华为荣耀9表现一致。于此同时，P5伪距比P1伪距明显更加稳定，数据质量更好。

图5 小米8手机E03卫星观测值变化率

3.2 定量分析方案

由上文可知手机端伪距观测值与载波观测值的变化率在数值上不统一，为进一步分析此现象，同时为计算手机端伪距观测值中误差（即观测值中包含的随机误差的标准差）[6]，本文采用以下定量数据质量分析方法：

以测地型接收机的载波观测值为基准，将相同时刻的手机端接收到的伪距观测值和载波观测值与测地型接收机的载波观测值作差；对一定时间窗口内的观测值差值进行线性回归，剔除掉系统性偏差；线性回归得到回归残差，鉴于手机端伪距观测值的精度远远低于测地型接收机载波相位观测值的精度（1~2 mm），伪距观测值差值的回归残差的标准差即可视作手机伪距观测值的中误差；同时可以得到时间窗口内手机端观测值相对于测地型接收机观测值的固定偏差以及平均变化率差值的大小。

3.3 观测值变化率差异分析

本文以100 s为窗口，对3台手机所有观测值都进行上述分析。图6所示为华为P10手机各卫星伪距观测值相对于测地型接收机载波观测值在窗口内平均变化率的差值，其余2个手机情况与P10手机相同（限于篇幅，未给出）。观察图6，各颗卫星的伪距观测值变化率与测地型接收机的差值呈现出随时间变化的一致性，这与设备钟差和钟速的影响是一致的，即同一时刻钟差对各卫星影响情况相同，可以认为手机端伪距观测值与测地型接收机观测值同一时刻变化率的差异是不同设备时钟的差异导致的。观察不同GNSS系统的图像，GLONASS卫星伪距观测值变化率与测地型接收机的差值在同一时刻的差异性显然大于GPS和BDS卫星（Galileo卫星观测数据太少，未予考虑），原因尚不明确。

图6 P10手机伪距平均变化率与测地型接收机差值

图7所示为华为P10手机各卫星载波观测值相对于测地型接收机载波观测值在窗口内平均变化率的差值。图7显示出各颗卫星的载波观测值变化率与测地型接收机的差值呈现出数值和变化规律上的一致性，同伪距观测值的性质一样，可以认为手机端载波观测值与测地型接收机观测值同一时刻变化率的差异是不同设备时钟的差异导致的。

与此同时，同一时刻手机端载波观测与伪距观测值变化率不相同，二者的差值在不同卫星间很接近，图8为所有卫星同一时刻载波观测与伪距观测值变化率差值随时间变化示意图，可见此差值在3 h观测时间内从103 m/s左右逐渐变化到99 m/s左右。

图7 P10手机载波平均变化率与测地型接收机差值

图8 P10手机各卫星载波变化率与伪距变化率之差

基于以上分析，手机端伪距观测值和载波观测值的变化率相对于测地型接收机的差异都是不同的时钟导致的；但是手机端伪距和载波观测值互相之间变化率也不同步，其性质与伪距观测和载波观测采用不同的时钟相吻合。值得注意的是，不是所有卫星的载波观测值变化率都具有随时间变化一致性，实验中发现有近半数卫星的载波观测值中存在粗差或原因尚不明确的系统误差，且这些误差影响量值在1000 m·s-1以上。

3.4 伪距观测值精度分析

本文对手机端伪距观测值数据中误差进行计算，计算方法如3.2小节所介绍，华为P10、化为荣耀9和小米8各卫星观测值平均中误差、卫星平均高度角和载噪比如图9、图10和图11所示。得到以下结论：

图9 P10手机各卫星伪距观测值平均中误差、载噪比和高度角

图10 荣耀9手机各卫星伪距观测值平均中误差、载噪比和高度角

图11 小米8手机各卫星伪距观测值平均中误差、载噪比和高度角

小米8手机伪距观测值中误差明显小于P10手机和荣耀9手机；小米8手机P5伪距中误差小于P1伪距中误差；GLONASS卫星伪距质量明显差于其他GNSS系统卫星；对于大部分卫星，载噪比和观测值中误差之间表现出正确的相互关系，即载噪比越高，观测值中误差越小，而卫星高度角和观测值中误差之间没有明显的相互关系。

汇总3台手机伪距观测值中误差如表4所示，手机端伪距观测值中误差在4~12 m不等，手机伪距观测值质量与手机上市时间和价格高低有关。

表4 伪距观测值中误差　　m

3.5 载波观测值精度分析

对于手机端载波观测值，由于不确定其精度是否远低于测地型接收机载波观测值精度，故不宜采用作差拟合的方式来计算其中误差。鉴于GNSS卫星在空间中运动十分平滑，原始观测值理论上也十分平滑。本文采用计算短时间内手机端载波观测值变化率平滑程度，并与测地型接收机载波观测值变化率平滑程度作对比来评价手机端载波观测值质量。以100 s为窗口，对载波观测值变化率进行线性拟合，得到拟合残差标准差。

图12为P10手机C02卫星和G13卫星载波观测值变化率线性拟合标准差随时间变化示意图。很明显手机载波观测值在刚开始观测时精度较差，观测大约800 s后精度明显提高，其他卫星观测值也体现出此规律，荣耀9手机具有相同的规律，小米8手机没有。

图12 P10手机载波变化率线性拟合标准差

图13为P10手机各卫星载波观测值变化率线性拟合标准差在3 h内的均值与测地型接收机对比图。可以看出，各GNSS系统的手机载波观测值精度差距不大，以载波观测值变化率平滑性作为评价标准，各卫星载波观测值数据质量（仅考虑随机误差影响）比测地型接收机差5~10倍。观察荣耀9手机计算结果，载波观测值精度略高于P10手机，同时GLONASS系统卫星载波观测值稳定性要差于其他GNSS系统卫星。

图13 P10手机各卫星载波变化率线性拟合标准差均值与测地型接收机载波观测值对比

图14为小米8手机各卫星载波观测值变化率线性拟合标准差在1 h内的均值与测地型接收机对比图。可以看出，小米8手机载波观测值质量比P10手机明显更好，大部分卫星观测值变化率线性拟合标准差是测地型接收机的3~4倍左右，但是存在一小部分卫星明显偏离群值，同时GLONASS卫星载波数据质量也差于其他GNSS系统卫星。

图14 小米8手机各卫星载波变化率线性拟合标准差均值与测地型接收机载波观测值对比

表5为各手机及测地型接收机载波观测值变化率线性拟合标准差汇总，以观测值平滑性作为评价指标，P10手机、荣耀9手机和小米8手机的载波数据质量分别比测地型接收机差6.4、5.5和4.0倍。

表5 载波观测值变化率线性拟合标准差 　　m·s-1

4 结束语

本文通过智能手机终端和测地型接收机同时同位置进行数据接收，对手机端原始GNSS观测数据进行了系统的质量分析，为正在逐步开展起来的基于原始观测数据的手机端定位理论研究提供了参考。结论包括：

目前，市场上大部分的Android智能手机能够观测到的原始GNSS数据为单频伪距和载波相位数据，仅有少数最新产品能够观测到双频原始数据，双频原始数据内容为GPS卫星L1、L5频率数据和Galileo卫星E1、E5频率数据。手机端能够观测到的GPS和GLONASS卫星数目和测地型接收机接近，BDS和Galileo卫星数目与具体手机型号有关。

手机端GNSS观测有时会出现较为频繁的信号失锁的现象，且接近半数卫星的载波观测值存在粗差或原因不明确的系统误差。

手机端同时刻伪距观测值和载波观测值变化率不一致，性质接近于伪距和载波观测采用不同的时钟，二者钟速之差在观测时段内缓慢变化。

华为P10手机、华为荣耀9手机和小米8手机伪距观测值中误差分别为8.577、12.227和3.969 m，且对于小米8手机P5伪距质量要高于P1伪距质量。BDS卫星伪距观测值精度最高，GLONASS卫星伪距质量较差。对于伪距定位，相较于卫星高度角定权方式，载噪比定权更为合理。

P10手机和荣耀9手机载波观测值在刚开始观测时质量较差，约10 min分钟后会有明显提升。以载波观测值变化率平滑性作为评价指标，手机端载波观测值数据质量（仅考虑随机误差影响）比测地型接收机差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

陈波（1996—），男，安徽芜湖人，硕士生，研究方向为移动终端GNSS定位。

高成发（1963—），男，江苏海安人，博士，教授，研究方向为卫星定位导航算法及卫星定位导航在交通工程中的应用。

陈波，高成发，刘永胜，等.安卓手机终端原始GNSS观测数据质量分析[J].导航定位学报,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.