小米手机8安卓智能手机双频全球导航卫星系统观测评估及定位性能分析外文翻译资料

 2022-02-27 09:02

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ELECTRONICS

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小米手机8安卓智能手机双频全球导航卫星系统观测评估及定位性能分析

翁贝托·罗布斯塔利，瓦列里奥·贝奥契和乔瓦尼·普吉连诺

  • 意大利那不勒斯帕特诺普大学工程系，80133；umberto.robustelli@uniparthenope.it（U.R.）；giovanni.pugliano@uniparthenope.it（G.P.）
    • 意大利罗马Sapienza大学土木、建筑和环境工程系，I-00184

* 通信：valerio.baiocchi@uniroma1.it；电话： 39-081-547-6800

收到日期：2018年10月31日；接受日期：2019年1月9日；出版日期：2019年1月15日

摘要:2018年5月，配备博通 BCM47755芯片的小米公司生产的全球首款双频全球导航卫星系统（GNSS）智能手机问世。它能够接收来自GPS、伽利略、北斗和GLONASS（全球导航卫星系统）卫星的L1/E1/和L5/E5信号。这项工作的主要目的是通过使用从智能手机收集的多星座、双频伪距和载波相位原始数据来获得手机的位置。此外，双频原始数据的可用性允许评估设备的多路径性能。智能手机的性能与大地测量接收器的性能进行了比较。实验是在两种不同的场景下进行的，目的是在不同的多路径条件下测试智能手机。智能手机测量显示，与大地测量接收器相比，它的碳/氮比更低，多路径比更高。这对于单点定位产生了负面影响，如高均方根误差所示。单点的最佳定位精度通过DRMS(水平均方根误差)为4.57米的E5测量获得。对于E1/L1频率，2均方根值为5.36米。然而，由于没有占空比，小米手机8提供了用于静态单频相对定位的载波相位测量，在低多路径和高多路径位置分别实现了1.02米和1.95米的2均方根值。

关键词:安卓智能手机全球导航卫星系统原始观测；伽利略E5a多路径评估；静态定位；小米手机8；Matlab compact3 TEQC解析器

1.介绍

低成本GPS芯片组在市场上的出现恰逢一场真正的革命。最初，这些设备的成本很高，只设计用于军事用途或高端大地测量应用。1999年，手机制造商Benefon推出了第一款商用GPS手机Benefon ESC！从那时起，已经向前迈出了许多步骤。2018年6月的爱立信移动报告指出，全球有48亿台装有GNSS芯片组的智能手机处于活跃状态。

一场新的革命始于2016年5月，当时谷歌在年度以开发者为中心的会议上宣布，将为Android Nougat操作系统中的应用程序提供原始GNSS测量。大约17年来，由于这些数据受到芯片制造商的保护，开发人员无法获得伪距、多普勒和载波相位观测数据；每个人只能获得由GNSS芯片组计算出的位置。在Google发布之前，智能手机采集的测量数据无法通过后处理软件进行处理，因此，在最佳条件下，定位精度可以达到3米，而在不利的多路径条件下，定位精度下降到数十米。这种精度与使用可达到厘米级的大地测量接收器所能达到的精度相差甚远。尽管无法获取测量数据，科学家们还是试图解决这个问题。Pesyna等人进行了第一次研究。〔1〕2014。他们使用智能手机天线接收全球导航卫星系统信号，并提供软件定义的接收器，生成载波相位和伪距观测数据。然后用差分技术对收集到的测量值进行处理。他们已经表明，性能上的差异是由于智能手机天线对大地天线没有良好的多路径抑制。2015年，Kirkko Jaakkola等人[2]由于Microsoft Mobile专门修改了合适的固件，因此能够访问装有高通GNSS接收器的诺基亚Lumia 1520智能手机的原始GNSS测量值。他们显示，智能手机的测量结果很嘈杂，与U-BLOX低成本接收器收集到的数据相比，存在大量的异常值，并且仅实现了米级定位。2016年，Humphreys等人[3]能够访问由装有Broadcom GNSS芯片组的改进型三星Galaxy S5智能手机收集的GNSS原始测量值，该芯片组运行定制的安卓棉花糖（由博通提供），包括一个改进的GPS库，该库将rinex（接收器独立交换格式）文件记录到手机的存储卡中。他们的分析表明，在典型的智能手机使用情况下，局部多路径效应是实现厘米级精确智能手机定位的主要缺点。

在谷歌于2016年11月发布公告后，Banville和van Diggelen[4]分析了三星Galaxy S7智能手机在位于加利福尼亚州Mountain View的Google Plex上运行Broadcom 4774 GNSS芯片组收集的GNSS数据。他们使用安卓N操作系统的工程构建。他们检查了数据的质量，目的是从智能手机获得精确的定位信息，他们遇到的主要问题是天线的质量和GNSS接收器的工作循环。2016年，Yoon等人[5]能够将差分全球导航卫星系统（DGNSS）应用于商用智能手机，而无需访问原始数据。他们取得的结果显示准确度提高了约30-60%。2017年，Alsubai等人[6]提出了一种方法，通过相对定向和智能手机运动传感器测量，以及将几何场景约束整合到自由网络束调整中，提高智能手机直接地理参考的精度。

Zhang等人[7]2017年测试了一款Nexus9平板电脑，运行由谷歌和HTC共同开发的Broadcom 4752 GNSS芯片组。平板电脑配备了安卓N（7.1.1版），并为GPS和GLONASS提供了伪范围数据、导航信息、累计增量范围和硬件时钟。他们分析和评估了GPS L1观测，研究了静态和动态观测的定位精度，得出结论：仅使用智能手机的伪距观测很难获得米级定位精度。Siddakatte等人[8]使用配备BCM4774 GNSS芯片组的华为Mate9手机，研究了使用内部和不同外部天线配置的各种情况下智能手机测量和定位数据的性能。

直到2018年5月，安装在智能手机上的GPS芯片组都是单频的。在某些情况下，它们已经是多星座了，但是单频非常限制了性能，因为电离层误差不能消除，只能使用像Klobuchar那样的单频模型进行估计。2018年5月31日，由小米生产的全球首款双频GNSS智能手机问世。它配备了Broadcom BCM47755芯片组。它是一个双频（E1/L1 E5/L5）GNSS芯片[9]。这款智能手机及其芯片组，利用安卓双频原始GNSS测量，代表了GNSS设备的最新进展和发展之一，允许用智能手机实现分米级定位。全球导航卫星系统设备可用于智能城市必须提供的一系列移动服务，如停车、最后一英里交付、车辆共享、应急响应和自动驾驶。因此，为了满足基于位置的服务和车辆导航的要求，这些设备的数量正在迅速增加。为了限制GNSS接收器的数量，人们可能会考虑使用智能手机中嵌入的接收器。 然而，迄今为止安装在智能手机上的这些类型的消费者接收器并不总是具有满足智能城市竞赛中此类应用程序所需的不断提高的精度水平的特性。安卓小米8智能手机及其芯片组，利用双频多星座码和载波相位原始测量是全球导航卫星系统设备的最新发展之一。原始测量的可用性可导致将智能手机用作月球车进行实时运动（RTK）定位以实现更高精度的优势。对多个GNSS卫星信号的跟踪，即使在城市峡谷等恶劣环境中，也能最大限度地提高定位的可用性。评估这种智能手机的性能改进是很有意思的，因为它代表了智能手机在高精度GNSS接收机中的重要进步。这一进展将有助于大大减少为可持续智能城市提供绿色通信解决方案的使用设备的数量。

2018年7月，NSL的Flamingo（诺丁汉科学有限公司通过最初的伽利略服务在大众市场实现了更高的定位精度）团队通过比较内部PVT（位置速度时间）解决方案与嵌入旧单频的三星S8解决方案的精度，评估了小米8的能力。Broadcom 4774芯片组与Septentrio Polarx5e芯片组相同，后者是静态情况下的大地测量类GNSS接收器。此测试未使用智能手机原始数据[10]。同一组研究了小米8[11]的原始测量质量，他们发现载波相位不受占空比的影响。沃纳特等。[12]重点分析了露天环境下伪距精度、载波相位双差、码可观测性和估计码多路径。

本研究的主要目的是利用小米8型智能手机采集的多星座、双频伪距和载波相位原始数据来实现定位。双频原始数据的可用性允许我们评估芯片组的多路径性能。将智能手机的性能与大地测量接收器的性能进行了比较。实验在两种不同的场景下进行，以在不同的多路径条件下测试智能手机。鉴于小米8所收集的伽利略测量数据质量良好，Warnat等人证明了这一点。[12]我们还通过计算单点编码定位并与E1信号进行比较，测试了伽利略E5a原始伪距的性能。与参考文献[12]不同，我们对在单点和差分模式下获得的绝对位置进行了分析，而对于代码多路径，我们也在困难的情况下对其进行了估计。大多数智能手机使用的城市情况尤其受多路径影响，多路径被认为是全球导航卫星系统测距误差的主要来源。在这种情况下，测量中出现了几个错误[13]。

增加卫星在定位解决方案中的使用数量是获得更高精度的大众市场接收器的关键。因此，必须利用多星座数据的可用性。这是第一个结合代码多路径评估测试智能手机GNSS原始数据多星座性能的研究，因为所有上述研究仅分析了L1频率上的GPS观测。参考文献[14,15]对多GNSS定位进行了详尽的阐述。

第2节详细介绍了所采用的实验装置，其中显示了所使用的硬件和软件，并描述了收集测量数据的地点。第3节描述了进行分析所遵循的方法学方面。实验结果见第4节，第5节讨论，最后结论见第6节。

  1. 实验装置

使用的智能手机是小米手机8，内置博通BCM47755芯片。这是第一个专门为智能手机开发的双频芯片。它提供对单频(L1/E1)全球定位系统、伽利略和GLONASS的访问，以及对全球定位系统和伽利略的第二频率L5和E5a的访问。小米手机8可以为全球定位系统、GLONASS和伽利略系统提供伪距数据、导航信息、累积增量距离和硬件时钟。在这里，我们想回顾一下，并非所有智能手机都能够记录全球导航卫星系统的原始数据。能够提供原始测量的设备列表保存在网址https://developer.android.com/guide/topics/sensors/gnss.信息还包括星座可用性和相位测量的可用性。所有设备都需要运行Android Nougat或更高版本。为了从智能手机的全球导航卫星系统接收器获得良好的性能，需要解决的主要问题是电池消耗。智能手机供应商实施多种技术来保持低功耗。最常用的策略是占空比:接收器跟踪全球导航卫星系统数据200毫秒，然后关闭800毫秒[4]。如果没有跟踪连续性，两次连续测量之间可能会出现几次周跳，严重限制了实时运动学(RTK)或精确点定位(PPP)等高级相位技术的使用。正如NSL的弗拉明戈小组在参考文献[11]中所示，从小米手机8收集的载波相位观测值不受占空比的影响。

为了评估智能手机的性能，我们用日本托普康角膜内皮细胞计数仪PG-A1天线馈电的日本托普康角膜内皮细胞计数仪GRS-1大地测量接收机作为比较术语。它是一种大地双频(L1/L2)双星座(全球定位系统/GLONASS)大地天线。大地测量接收器和智能手机最大的区别是它们的天线。如张等人所声称的。[7]基于帕塔克等人的研究。[16]，智能手机全球导航卫星系统天线使用线性极化，使其容易受到天线附近表面反射的全球导航卫星系统信号的多路径影响。因此，智能手机天线对低质量全球导航卫星系统信号捕获高度敏感，而大地测量质量设备专门设计用于最小化多路径效应。为了获得与大地测量接收机相当的全球导航卫星系统智能手机定位精度，这是需要克服的主要缺点之一。

为了研究智能手机的性能，我们将我们的分析应用于在两种不同情况下获得的测量结果。第一个数据集位于一个预计为低多路径环境的站点。大地测量接收器和智能手机被放置在波蒂奇(意大利那不勒斯)。实验是使用智能手机在2018年10月3日获取的1赫兹的1小时RINEX 3.0.3文件和大地测量接收器获取的1赫兹RINEX 2.11文件进行的。第二个数据集是2018年10月12日在意大利那不勒斯中心(CDN)一个强多路径场景中使用同一仪器在一个小时内收集的。这是一个“困难”的环境，接收器被建筑物包围。它可以被视为城市峡谷的一个典型例子，在那里，许多全球导航卫星系统信号被多路径效应严重削弱或被摩天大楼阻挡。在整个观测期间，对这两个实验的所有可见卫星进行了分析。

如图1a所示，martsphone不是放在圆形上，而是放在圆形上以这种方式来模拟人类在大约140厘米的高度将它握在手里的使用。

图1.收集两组实验数据的地点，以及本研究中使用的设备:(a)波蒂奇场地，(b)那不勒斯中心(CDN)场地。

3.方法学

Android系统提供了一系列称为API（应用程序编程接口）的功能，开发者可以通过该功能与智能手机中包含的所有传感器（包括GNSS芯片组）进行交互。显然，Android系统的每个不同版本都有不同类型的API。在安卓系统的棉花糖版本之前，可以通过android.gsm.location api获取位置信息[17]。此功能允许用户访问（a）GPS卫星信息（c/no、方位角、仰角），如果该卫星已用于PVT解决方案；（b）将来自不同传感器（GNSS、Wi-Fi、移动网络）的数据与适当的时间戳相结合得到的基本NMEA（国家海洋电子协会）语句转换为pvt解决

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