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Volume 44 Issue 10
Oct.  2019
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ZHANG Kaishi, JIAO Wenhai, LI Jianwen. Analysis of GNSS Positioning Precision on Android Smart Devices[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(10): 1472-1477. doi: 10.13203/j.whugis20180085
Citation: ZHANG Kaishi, JIAO Wenhai, LI Jianwen. Analysis of GNSS Positioning Precision on Android Smart Devices[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(10): 1472-1477. doi: 10.13203/j.whugis20180085

Analysis of GNSS Positioning Precision on Android Smart Devices

doi: 10.13203/j.whugis20180085
Funds:  The National Key Research and Development Program of China
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  • Author Bio:

    ZHANG Kaishi, postgraduate, specializes in satellite positing assessm ent and application. E-mail: cashzhang1995@163.com

  • Corresponding author: LI Jianwen, professor. E-mail: ZZLJW@126.com
  • Received Date: 2018-09-11
  • Publish Date: 2019-10-05
  • In recent years, the positioning function of smart devices, such as mobile phone and tablets, gets more and more popular, which is a great convenience to people's daily life. Now, the best horizontal accuracy of positioning that most ordinary smart devices can achieve is about 5 meters. In 2016, Google Inc. launched Android Nougat (7.0) operating system, supporting the compatible smartphone and tablets to obtain global navigation satellite system (GNSS) raw measurements, which makes it possible to compute pseudorange and carrier phase measurements to achieve precise handset positioning. The target of this paper is to evaluate the precision of different positioning methods on the smart devices. A Huawei P9 smartphone was used as experimental devices and set statically in good observation condition to collect GNSS raw measurements. We compute the positioning precise, analyze the accuracy and compare the accuracy with that of the NovAtel DL-V3-L1 receiver which was set nearby at the same time. Experimental results show that the Huawei P9 smartphone can achieve decimeter-level positioning accuracy through precise point positioning or static relative surveying.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Analysis of GNSS Positioning Precision on Android Smart Devices

doi: 10.13203/j.whugis20180085
Funds:  The National Key Research and Development Program of China
  • Author Bio:

  • Corresponding author: LI Jianwen, professor. E-mail: ZZLJW@126.com

Abstract: In recent years, the positioning function of smart devices, such as mobile phone and tablets, gets more and more popular, which is a great convenience to people's daily life. Now, the best horizontal accuracy of positioning that most ordinary smart devices can achieve is about 5 meters. In 2016, Google Inc. launched Android Nougat (7.0) operating system, supporting the compatible smartphone and tablets to obtain global navigation satellite system (GNSS) raw measurements, which makes it possible to compute pseudorange and carrier phase measurements to achieve precise handset positioning. The target of this paper is to evaluate the precision of different positioning methods on the smart devices. A Huawei P9 smartphone was used as experimental devices and set statically in good observation condition to collect GNSS raw measurements. We compute the positioning precise, analyze the accuracy and compare the accuracy with that of the NovAtel DL-V3-L1 receiver which was set nearby at the same time. Experimental results show that the Huawei P9 smartphone can achieve decimeter-level positioning accuracy through precise point positioning or static relative surveying.

ZHANG Kaishi, JIAO Wenhai, LI Jianwen. Analysis of GNSS Positioning Precision on Android Smart Devices[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(10): 1472-1477. doi: 10.13203/j.whugis20180085
Citation: ZHANG Kaishi, JIAO Wenhai, LI Jianwen. Analysis of GNSS Positioning Precision on Android Smart Devices[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(10): 1472-1477. doi: 10.13203/j.whugis20180085
  • 近年来,手机和平板电脑等智能终端已经逐渐成为了大众生活不可或缺的重要工具。基于移动智能终端的位置服务极大地方便了交通出行和生产工作。同时,人们对掌上定位的服务性能需求也越来越高。目前,手机、平板电脑等智能终端在观测条件良好的情况下,其平面定位精度能达到5 m左右,如何进一步提高其定位精度,成为了国内外相关研究的热点。

    2015年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员采用智能手机外置天线的方式,采集GNSS(global navigation satellite system)观测值进行精确定位,并对其可行性和定位精度等进行了验证评估。然而,受制于体积庞大的外置天线,这样的设备难以得到广泛普及和应用。

    与此同时,微软公司也开发了适用于Nokia Lumia 1520手机的外置部件,使手机能够接收GNSS观测值。然而,这种设备接收的观测数据质量较差,最终只能够达到米级或十米级的定位精度[1]

    类似于上述智能终端GNSS定位试验的研究还有许多, 但是它们都需要借助外置部件才可以实现其功能,并且精度也难以满足需求。在2016年的谷歌“I/O开发者大会”上,新推出的Android Nougat(版本号7.0)操作系统开始支持相应型号的智能终端采集GNSS原始观测值。用户只需要一部相应智能手机或者平板电脑,而无需再搭载其他外置配件,就可以获取GNSS原始观测值,并进一步计算伪码测距观测值、多普勒观测值和载波相位观测值等多种GNSS观测值。这意味着,直接在手机或者平板电脑等智能终端上实现高精度的GNSS定位成为可能。

    加拿大自然资源环境中心的科研人员采用Google Nexus 9平板电脑,初探了GPS原始观测值质量和GPS单点定位模式下的定位标准差;意大利地理空间信息研发中心的科研团队将Nexus 9平板电脑与Ublox芯片对比,分别测试了两者在静态相对定位模式下的GPS定位的标准差。由于硬件限制,上述试验都只对平板电脑GPS卫星定位进行了测试,并且试验并没有将手机定位解算值与已知点坐标真值的差值纳入评估体系,对手机定位精度的评估并不全面[1-2]

    基于上述试验,本文采用国产华为P9手机作为测试设备,接收GPS、GLONASS、BDS(BeiDou navigation satellite system)以及QZSS(quasi-zenith satellite system)等卫星系统信号,通过研究人员自行开发的Android后处理定位软件PreciseAndroid 1.0进行GNSS卫星定位解算,评估Android智能终端在伪距单点定位、静态精密单点定位、静态载波相对定位等多种模式下的定位精度,并分析其相应的限制因素。

  • 通常,GNSS接收机的观测误差主要来源于卫星钟误差、卫星星历误差、多路径效应、电离层延迟、对流层延迟以及接收机钟误差等方面。其中,测量型接收机的测量噪声值εi通常远小于上述各项误差,可以忽略不计。

    然而,相比于测量型接收机,Android智能终端的测量噪声可能要大得多。为了分析Android终端定位误差的主要来源,本文研究截取郑州市某楼顶站点GPS时2017-11-10 T 15:44:37-2017-11-11 T 00:15:17时段的华为P9手机观测数据,采样间隔设为1 s,观测条件良好。其信号载噪比(carrier to noise ratio, CNR)分布如图 1所示。

    Figure 1.  CNR of Huawei P9 GNSS Signal

    图 1可见,华为P9手机GNSS观测值载噪比主要分布在35 dBHz以下。在距离10 m左右的相近地点架设NovAtel DL-V3型测量型接收机,其同一时段观测数据载噪比通常都在45 dB-Hz以上,如图 2所示。

    Figure 2.  CNR of NovAtel Receiver Signal

    相较于专业的测量型GNSS接收机,Android智能终端硬件成本低廉,GNSS芯片性能有限,接收的信号载噪比远低于前者。根据既有研究,智能终端的伪码测距噪声高达8~12 m左右,而剔除粗差后的载波相位测距噪声则在0.006 m以内[3]。传统智能手机和平板电脑的定位,通常是在伪距单点定位辅以移动网络基站定位的基础上实现的。由于智能终端接收的伪距观测值噪声大,这样的定位方式难以获得高精度的定位结果。

    为了削弱伪距观测噪声造成的影响,实验采用测量噪声较小的载波相位观测值进行精密单点定位或者相对定位。与伪距单点定位相比,精密单点定位或者相对定位的方式使得Android智能终端的定位精度获得了显著提升。

  • 本次试验采用华为P9手机作为采集GNSS观测值的智能终端。该型号的手机机身尺寸为145.0 mm×70.9 mm,内置Broadcom BCM47531A1 GNSS芯片,其GNSS天线位置尚不明确。在手机上安装研究人员二次开发后的GNSSLogger软件,可以实现GNSS伪码观测值、载波相位观测值和信号载噪比等观测信息的采集,并输出RINEX 2.1.1文件。为了进行对比试验,试验组配备了一台可以采集双频伪码测距观测值和载波相位观测值的NovAtel DL-V3-L1测量型接收机,同步采集数据。将华为P9手机和NovAtel DL-V3接收机分别安置在河南省郑州市内某楼顶观测条件良好的两个已知点上,相距约30 m。当地时间2017-12-29 T 13:03-13:45,采用两台设备同步观测约42 min,一共采集2 500余个历元的GNSS观测值,采样间隔为1 s。除此以外,在测试地点外800 m范围内,还设有一处由国际GNSS监测评估系统iGMAS郑州LSN分析中心管理的连续运行观测站,观测站采用的是Trimble NetR9型接收机。

  • 采用两种不同的方案,分别解算伪距单点定位结果。第一种方案采用广播星历进行定位解算,根据广播Klobuchar电离层参数和Saastamo-inen模型进行电离层改正和对流层改正;第二种方案是在第一种方案的基础上,采用国际GNSS监测评估系统iGMAS郑州LSN分析中心发布的最终精密星历、精密钟差文件和电离层模型文件进行定位解算,并进行相应误差改正[4-6]。将两种方案的定位结果归算到以已知点为原点的当地坐标系下,具体如表 1图 3所示。

    方向 华为P9 NovAtel DL-V3
    均值 标准差 均方根 均值 标准差 均方根
    E 0.086 5.413 5.412 -0.307 0.334 0.453
    N 0.819 5.543 5.602 0.537 0.296 0.613
    U -3.956 14.418 14.949 3.723 1.368 3.966

    Table 1.  Pseudorange Positioning with Broadcast Ephemeris/m

    Figure 3.  Pseudorange Positioning with Broadcast Ephemeris on Huawei P9

    表 1图 3测试结果可知,在相同的测量环境中,Android智能终端采用广播星历进行GNSS伪距单点定位,平面方向上各分量平均值与真值偏差小于1 m,高程方向分量平均值与真值偏差约为3.9 m,与NovAtel DL-V3测量型接收机相近。但是由于智能终端的伪距观测噪声较大,其GNSS定位结果的标准差要远大于测量型接收机,致使其平面定位精度只能达到5~10 m,而高程方向上的误差更是超过了10 m。

    在此基础上,采用精密星历、钟差文件和电离层文件对相关误差进行改正,可以削减定位结果在高程方向分量上的平均值偏差,但是由于观测噪声过大,智能终端的定位精度并没有得到显著改善,具体结果如表 2图 4所示。

    方向 华为P9 NovAtel DL-V3
    均值 标准差 均方根 均值 标准差 均方根
    E 0.282 5.504 5.505 -0.355 0.286 0.456
    N 0.781 5.437 5.487 0.285 0.565 0.632
    U 0.946 14.166 14.182 0.611 1.506 1.626

    Table 2.  Pseudorange Positioning with Precise Ephemeris/m

    Figure 4.  Pseudorange Positioning with Precise Ephemeris on Huwei P9

  • 对于智能终端而言,载波相位观测值噪声要远小于伪距观测值噪声。采用精密星历、钟差文件和电离层文件进行静态精密单点定位,计算智能终端的位置,可以显著提高GNSS定位精度[7-14],其结果如表 3图 5所示。

    方向 均值 标准差 均方根
    E -0.362 5 0.179 4 0.404 4
    N 0.605 0 0.237 8 0.650 0
    U -0.822 5 0.769 5 1.126 2

    Table 3.  Precise Point Positioning on Huawei P9/m

    Figure 5.  Precise Point Positioning on Huawei P9

    表 3图 5可知,采用精密单点定位的方式,可以显著削减智能终端GNSS定位结果的标准差,使终端的平面定位精度达到分米级水平,高程方向分量的测量误差略高于1 m,远优于传统智能终端伪距单点定位的精度。

  • 采用静态载波相位相对定位的方式,可以进一步提高智能终端的GNSS定位精度。以国际GNSS监测评估系统iGMAS郑州LSN分析中心架设的连续运行观测站作为基准站,Android智能终端为工作站,基线长度约500 m,采用静态模型进行载波相位相对定位[15-17],其定位结果具体如表 4图 6所示。

    方向 均值 标准差 均方根
    E -0.032 5 0.229 1 0.231 4
    N 0.033 9 0.325 9 0.327 6
    U -0.342 2 1.000 9 1.057 6

    Table 4.  Static Positioning on Huawei P9 with Float Solution/m

    Figure 6.  Static Positioning Results on Huawei P9 with Float Solution

    表 4图 6结果显示,采用静态模型进行载波相位相对定位,可以使Android智能终端获得更高的定位精度。在这样的情况下,其定位结果在平面方向上各分量平均值与真值偏差只有3~5 cm左右,精度优于0.5 m;高程方向上的平均值与真值偏差在分米级,精度在米级。

    如果剔除载波相对定位的浮点解,只统计固定解结果,智能终端定位精度可以进一步提高。水平方向各分量误差略高于10 cm,高程方向分量的精度可以达到亚米级。具体结果如表 5图 7所示。

    方向 均值 标准差 均方根
    E -0.046 6 0.118 6 0.126 5
    N 0.051 8 0.166 2 0.172 7
    U -0.364 4 0.711 6 0.794 1

    Table 5.  Static Positioning on Huawei P9 Without Float Solution/m

    Figure 7.  Static Positioning on Huawei P9 Without Float Solution

    然而,由于现阶段智能手机载波相位观测量粗差较多,周跳较为频繁,其定位解的固定率往往较低[3]。如表 6所示,本试验中固定解占比不到3%,大部分的解算结果都是精度略差的浮点解结果。同时,由于手机GNSS天线的相位中心具体位置尚不明确,定位结果还存在一定的系统误差。这些都是限制智能手机载波相位相对定位精度的重要原因。

    结果 数目 占比
    固定解 59 2.6%
    浮点解 223 4 97.4%
    总计 229 3 100%

    Table 6.  Static Positioning Solution on Huawei P9

  • 本文采用华为P9手机进行了方案的定位解算。试验结果表明,采用精密单点定位和载波相位相对定位的方式,可以显著改善智能终端的定位精度,所得结论如下:

    1) 采用伪距单点定位的方式,移动智能终端的平面定位精度只能达到5~10 m,高程方向分量误差在10 m以上;

    2) 采用静态精密单点定位的方式,终端的平面定位精度可以达到分米级水平,高程方向分量误差在1 m左右;

    3) 采用静态载波相对观测的方式,可以使智能终端的平面定位误差削减到20 cm以下,高程方向上的精度达到分米级。

    基于上述试验结果,研究认为限制智能终端定位精度进一步提升的主要问题在于:

    1) 静态观测条件下,由于部分型号的智能终端载波观测值周跳较多,不利于估计载波相位观测值的整周模糊度,难以形成正确的固定解;

    2) 不同型号手机天线相位中心的具体位置尚不明确,定位结果包含一定的系统偏差;

    3) 由于部分型号手机的载波相位观测值周跳较多,采用动态模型进行载波相位相对定位还难以达到较高精度。

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