引用格式：張嘉驊，陶賢露，朱鋒. 安卓智慧手機GNSS單點測速效能評估[J]. 導航定位學報, 2021, 9(3): 26-35.（ZHANG Jiahua, TAO Xianlu, ZHU Feng.The performance evaluation of GNSS absolute velocity determination for Android smartphone[J]. Journal ofNavigation and Positioning, 2021, 9(3): 26-35.）

安卓智慧手機GNSS單點測速效能評估

張嘉驊，陶賢露，朱 鋒

（武漢大學 測繪學院，武漢 430079）

摘要：針對很少有人使用安卓（Android）智慧手機搭載的低成本全球衛星導航系統（GNSS）晶片研究測速的問題，採用多普勒頻移、載波相位中心差分和載波相位曆元間差分（TDCP）三種GNSS單點測速方法，評估了小米8和華為P10安卓智慧手機在不同場景中的測速精度。結果表明：在靜態場景中，小米8手機的多普勒頻移測速精度達到釐米每秒級，載波相位中心差分和TDCP法測速精度可達毫米每秒級；P10手機的三種測速法的測速精度達到分米每秒級。在開闊動態場景中，兩部手機多普勒頻移在水平方向及垂直方向上的測速精度分別約為1 dm/s、2 dm/s，而兩種載波相位測速法的測速精度可達釐米每秒級；在樹蔭遮擋場景中，兩部手機多普勒頻移的三維測速精度為4~5 dm/s。兩種載波相位測速法受到觀測環境影響而導致精度下降，但仍優於多普勒頻移的測速精度。在高樓遮擋場景中，兩部手機多普勒頻移的三維測速精度約為7 dm/s，小米8手機TDCP法在垂直方向的測速誤差可達1.25 m/s。

0 引言

使用低成本定位裝置獲取高精度定位結果，是當前大眾位置服務的主要發展趨勢。文獻[1]詳細總結了現有的低成本高精度定位技術。隨著智慧手機的大規模普及，基於智慧終端的位置服務成為大眾位置服務的主要組成部分。文獻[2]透過實驗，首次證明了基於智慧手機天線得到的全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）觀測值，可以獲取釐米級的高精度定位解。如何基於安卓裝置獲取亞米級、釐米級的高精度定位解，諸多學者主要從原始觀測資料誤差特性分析[3-4]和相位差分定位技術[5-7]兩大方面展開了一系列研究。安卓智慧裝置透過偽距平滑、濾波技術可獲取亞米級精度的定位解[8-9]，相位差分定位解精度達到分米級甚至釐米級[10-11]。速度作為描述物體運動狀態的一項重要引數，在GNSS觀測值噪聲建模、低成本高精度定位演算法和GNSS/慣性導航系統（inertial navigation system, INS）組合導航等領域具有重要的應用價值。相比高精度定位技術，基於安卓智慧裝置GNSS測速方面的研究較少。本文使用兩臺安卓智慧手機開展靜態、動態資料採集實驗，採用多普勒頻移、載波相位中心差分和載波相位曆元間差分（time-differenced carrier phase, TDCP）三種測速方法，評估了安卓智慧手機在不同使用場景中的測速精度。

1 GNSS單點測速原理

1.1 多普勒頻移單點測速

式（4）中，等號左邊為待求解的4個未知引數，即接收機三維速度與接收機時鐘頻漂等效距離誤差；等號右邊的衛星執行速度與衛星時鐘頻漂可透過導航星曆解算；在採用高取樣率時，大氣時延誤差變化率可忽略不計。

1.2 載波相位中心差分測速

載波相位中心差分測速與多普勒頻移測速的區別在於獲取偽距變化率的方式不同，偽距變化率可透過載波相位觀測值得到，即

1.3 載波相位曆元間差分測速

載波相位觀測方程為

1.4 資料質量控制

本文對載波相位觀測值進行了周跳探測與剔除，不做修復。安卓智慧手機搭載低成本GNSS模組和線性極化天線，相比測量型GNSS接收機，載波相位觀測值易頻繁發生周跳。對於安卓手機，剔除含粗差的觀測值不可過多，這樣會面臨長時間可用衛星數不足，無法有效進行定位測速等問題。為解決上述問題，本文提出了一種周跳探測和抗差估計相結合的方法。具體為：

1）首先採用多普勒頻移觀測值構造周跳檢驗量，剔除相位觀測值中的大周跳。多普勒頻移觀測值表示載波相位觀測值的瞬時變化率，但又獨立於載波相位觀測值，其觀測值精度不受載波相位發生周跳的影響。某一觀測時段內的多普勒頻移積分值等於這一時段內載波相位觀測值的變化量，可以採用積分多普勒來探測載波相位中的周跳[13]。具體為

2）剔除大周跳後，根據載波相位曆元間三次差殘差，採用中國科學院測量與地球物理研究所（Institute of Geodesy and Geophysics, IGG）抗差估計方案，對各曆元載波相位觀測值進行抗差估計。載波相位曆元間高次差呈現出偶然誤差特性，當相位發生周跳時，在相位曆元間高次差時間序列中，將會出現異常值。受硬體製作工藝的影響，低成本GNSS模組載波相位觀測值包含有系統誤差。為此，本文將當前觀測曆元每顆觀測衛星的載波相位曆元間三次差與其中位數做差，構造當前觀測曆元的載波相位曆元間三次差殘差，以削弱硬體系統偏差的影響。根據載波相位曆元間三次差殘差構造權因子，採用IGG III抗差估計方案[14]對載波相位觀測值進行抗差估計。具體為

2 實驗及結果分析

使用華為P10和MI8兩部安卓智慧手機開展了靜態、動態測試實驗。其中，華為P10手機搭載單頻GNSS定位晶片且存在佔空比機制，MI8手機搭載雙頻GNSS定位晶片，不存在佔空比機制。本文采用安卓應用程式（GnssLogger）來獲取安卓手機GNSS原始觀測資料。

本文實驗算例中，P10手機採用美國全球定位系統（global positioning system,GPS）L1頻率訊號、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system,GLONASS）G1頻率訊號、歐盟伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellitesystem, Galileo）E1頻率訊號和中國北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）B1頻率訊號的單頻觀測資料參與速度解算；MI8手機採用GPS L1/L5頻率訊號、Galileo E1/E5a頻率訊號、日本準天頂衛星系統（quasi-zenith satellitesystem, QZSS）L1/L5雙頻訊號的觀測資料，GLONASSG1頻率訊號、BDS B1頻率訊號單頻觀測資料參與速度解算。MI8手機L5/E5a頻段可見衛星數總體較少，考慮環境遮擋和觀測資料質量等因素，MI8手機只能在特定運動區域和特定觀測時段下，實現雙頻L1/E1與L5/E5a無電離層組合測速。為此，本文未採用雙頻L1/E1與L5/E5a無電離層組合進行測速。

2.1 靜態實驗

靜態實驗於2019年10月23日在武漢大學測繪學院四樓樓頂進行，連續觀測2 h，取樣率為1 Hz。衛星截止高度角為10°，信噪比（signalnoise ratio, SNR）閾值為20 dB·Hz。靜態場景中速度參考真值為零。實驗環境及實驗裝置放置情況如圖1所示。

圖2給出了靜態場景中，兩部手機觀測時段可見衛星數。從圖2可以看出，MI8手機可見衛星數時間序列整體比較平穩，P10手機可見衛星數時間序列具有明顯的起伏，出現了較大波動。

在靜態場景中，P10手機可見衛星數為11~20顆，平均可見衛星數為15.6顆。MI8手機可見衛星數為30~36顆，平均可見衛星數為33.3顆。其中，L5/E5a頻段可見衛星數為7~9顆，平均可見衛星數為7.9顆。

基於靜態實驗原始觀測資料，圖3給出了靜態場景中P10、MI8手機三種測速方法測速誤差時間序列。表1給出了P10、MI8手機在靜態場景中，以均方根（root mean square, RMS）表示的測速精度的統計值。

從圖3及表1可以看出，載波相位測速精度明顯優於多普勒頻移測速。在靜態場景中，MI8手機多普勒頻移在水平和垂直方向上的測速精度分別為3.8、7.6 cm/s。TDCP法測速的精度略優於相位中心差分測速的精度。MI8手機TDCP法在水平和垂直方向上的測速精度分別為7 mm/s、1.2 cm/s。相比MI8手機，P10手機靜態測速的精度較差。P10手機在靜態狀態下，開啟了佔空比[3]，影響了觀測資料質量，可見衛星數也有所減少。P10手機多普勒頻移在水平方向上的測速精度約為2 dm/s，在垂直方向上的測速精度約為3 dm/s。兩種載波相位測速法在水平方向上的測速精度約為1 dm/s，在垂直方向上的測速精度約為2 dm/s。

2.2 動態實驗

動態實驗於2019年10月25日在武漢大學資訊學部操場及周邊進行，分為樹蔭遮擋、開闊和高樓遮擋三個場景。其中開闊場景南北方向在部分時間段內，存在高樓和樹蔭連續遮擋。使用小推車搭載P10、MI8手機採集動態觀測資料，同時搭載諾瓦泰（NovAtel）公司的FSAS-SPAN組合導航系統。用FSAS-SPAN系統採集資料，採用NovAtel商業軟體IE（InertialExplorer）獲取實時動態差分（real-timekinematic, RTK）與INS的組合解，並將其作為智慧手機提供運動速度的真值。實驗環境以及實驗裝置放置情況見圖4。

圖5給出了三種動態場景中，兩部手機觀測時段內可見衛星數。在動態場景中，P10手機關閉了佔空比[3]，可見衛星數有所增加。P10手機在動態開闊場景中的可見衛星數時間序列較平穩。在另外兩種動態場景中，P10手機的可見衛星數時間序列均出現了不同程度的起伏波動，特別是在高樓遮擋場景中，P10手機的可見衛星數時間序列出現了大波動。MI8手機在三種動態場景中的可見衛星數時間序列整體比較平穩，L5/E5a頻段的可見衛星數時間序列，在高樓遮擋場景中出現了明顯波動。上述情況表明，P10手機更易受遮擋環境的影響。

圖6給出了P10和MI8手機在三種動態場景中，TDCP法測速的位置精度因子（positiondilution of precision, PDOP）數值。

從圖6可以看出，兩部手機在動態開闊場景中的PDOP值最優，其次是動態樹蔭遮擋場景中的PDOP值。在動態樹蔭遮擋和高樓遮擋場景中，兩種手機的PDOP值時間序列，均出現了明顯的起伏波動，直觀地反映出不同觀測環境對手機測速精度的影響。特別是在動態高樓遮擋場景中，兩部手機的PDOP值時間序列，均出現了幾處大波動。這是由於穿過高樓時衛星訊號出現失鎖，無法有效定位和測速。

圖7給出了MI8手機G24、J02、C19衛星在三種動態場景中（由上向下分別是樹蔭遮擋、開闊和高樓遮擋場景）載波相位曆元間三次差時間序列，其中G24、J02為雙頻L1/L5訊號衛星。

從圖7相位曆元間三次差時間序列可以看出，受環境遮擋的影響，MI8手機載波相位頻繁發生周跳。即使在動態開闊場景中，MI8手機相位發生周跳的次數也較多。這從側面說明了相位周跳探測和抗差估計的重要性。相位曆元間三次差時間序列中的大粗差呈現出週期性趨勢，特別是在開闊場景中，週期性趨勢更加明顯。這是由於在小推車動態採集資料實驗中，多次重複經過不同場景的既定路線。在高樓遮擋場景中，相位曆元間三次差時間序列中出現了幾處中斷，這是由於穿過高樓時衛星訊號受到嚴重遮擋而引起載波相位短暫失鎖。同一動態場景中，MI8手機相同衛星在不同頻段的載波相位曆元間的三次差時間序列呈現出差異性。文獻[15]詳細分析了MI8手機的雙頻衛星觀測資料特性，評估了在城市環境下基於多模雙頻衛星訊號的定位效能。

基於動態觀測資料，圖8給出了開闊場景中，P10、MI8手機三種測速方法測速誤差時間序列。表2給出了P10、MI8手機在三種動態場景中測速誤差的RMS統計值。

在樹蔭遮擋場景中，受觀測資料質量的影響，兩部手機測速精度偏低。在同一觀測時段內，雙頻MI8手機的衛星觀測資料更多，其測速精優於P10手機。在水平方向上，比較三種測速法測速精度，兩部手機均表現出TDCP法測速精度最高，載波相位中心差分法次之。P10手機的多普勒頻移測速和載波相位中心差分法，在水平方向上的測速精度分別為3.70、3.48 dm/s，P10手機的TDCP法，在水平方向上測速精度為3.15dm/s。MI8手機的多普勒頻移測速和載波相位中心差分法，在水平方向上的測速精度分別為3.10、2.69dm/s，MI8手機的TDCP法，在水平方向上的測速精度為2.42dm/s。在觀測時段內，由於存在連續的樹蔭遮擋，剔除了一些含有粗差的衛星觀測資料，這也在一定程度上破壞了衛星的空間幾何分佈構型。兩部手機在垂直方向上的載波相位測速精度，均不及多普勒頻移的測速精度。P10和MI8手機的三種測速法，在垂直方向上的測速精度分別約為4、3 dm/s。

在動態開闊場景中，兩部手機均得到了較好的測速結果。在相同觀測時段內，P10手機的可見衛星數維持在20顆及以上，MI8手機的可見衛星數維持在35顆及以上。參考圖6動態開闊場景中，兩手機TDCP測速法的PDOP值的時間序列，TDCP法的PDOP值的時間序列除出現幾處明顯波動之外，與MI8手機的PDOP值的時間序列相接近。MI8手機在可見衛星數方面，比P10手機具有優勢，但二者在動態開闊場景中，可見衛星數均較為充足，PODP值也較為接近，考慮是MI8手機部分衛星觀測資料質量不及P10手機的因素，MI8手機並沒有顯示出雙頻手機的優勢，測速精度略低於P10手機。比較三種測速法在水平方向和垂直方向上的測速精度，兩部手機均表現出TDCP法測速精度最高，載波相位中心差分法次之。P10手機的多普勒頻移在水平方向上的測速精度約為1 dm/s，在垂直方向上測速精度約為1.81 dm/s。兩種載波相位法在水平方向上的測速精度約為5~6 cm/s，在垂直方向上的測速精度為6~8 cm/s。MI8手機的多普勒頻移在水平方向上的測速精度為1.32 dm/s，在垂直方向上的測速精度為1.72 dm/s。兩種載波相位法在水平方向上的測速精度約為7 cm/s，在垂直方向上的測速精度約為10 cm/s。

在高樓遮擋場景中，衛星訊號受遮擋嚴重，載波相位頻繁發生失鎖且多路徑和純反射非視距（none line of sight, NLOS）訊號引起的非視距誤差較大，使得多普勒頻移和載波相位觀測噪聲較大。兩部手機多普勒頻移測速和載波相位測速精度均較差。在這一場景中，兩部手機均表現出TDCP法的測速精度最差，多普勒頻移的測速精度最高。兩部手機的多普勒頻移在水平和在垂直方向上的測速精度約為5 dm/s。P10手機的兩種載波相位測速法，在水平方向上的測速精度約為 5.5 dm/s，在垂直方向上的測速精度為5~6 dm/s。MI8手機的載波相位中心差分法和TDCP法，在水平方向上測速精度分別約為5、7 dm/s，TDCP法在垂直方向上的測速誤差達到1.25 m/s。

在靜態場景、動態樹蔭遮擋和開闊場景中，相比多普勒頻移測速和相位中心差分測速，MI8和P10手機的TDCP測速法，顯示出了明顯的精度優勢。圖9給出了MI8手機TDCP法在靜態和動態測試場景中的測速誤差累積分佈圖。

從圖9可以看出，在靜態場景中，MI8手機的TDCP法，單方向速度分量的測速精度可達毫米每秒級，水平和垂直方向上的測速精度優於 5 cm/s。在動態開闊場景中，MI8手機的TDCP法，單方向的測速精度可達釐米每秒級，水平和垂直方向上的測速精度優於10 cm/s的觀測曆元，佔比分別約為88%和80%。在動態樹蔭遮擋場景中，受觀測環境的影響，導致MI8手機的TDCP法的測速精度下降。水平和垂直方向上的測速精度優於10 cm/s 的觀測曆元佔比分別約為28%和40%。在動態高樓遮擋場景中，MI8手機的TDCP法的測速精度較差，水平和垂直方向上的測速誤差大於1m/s 的觀測曆元佔比分別約為5%和7%。

3 結束語

本文采用多普勒頻移、載波相位中心差分和載波相位曆元間差分三種GNSS單點測速方法，評估了小米8和華為P10安卓智慧手機在靜態、動態場景中的測速精度。安卓智慧手機搭載低成本GNSS定位晶片和線性極化天線，載波相位易受觀測環境影響而頻繁發生周跳，安卓智慧裝置在嚴重遮擋場景中（比如高樓連續遮擋場景），如何獲取高精度的定位測速結果，仍是亟待解決的問題。上述靜態和動態實驗場景均為安卓手機在城市使用的典型的場景，本文透過實驗，為安卓裝置測速研究提供了一定的資料參考。

基金專案：中央高校基本科研業務費專項資金資助專案（2042019kf0214）；湖北省技術創新專項資金資助專案（2019AAA043）。

第一作者簡介：張嘉驊（1996—），男，河南汝南人，碩士研究生，研究方向為低成本組合導航。