智能手機BDS-3/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量及SPP性能分析

王瑞光 王中元 胡 超 王陽陽 劉冰雨

1 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇省徐州市大學路1號，221116 2 安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽省淮南市泰豐大街168號，232001

2018-05全球第一款搭載BCM 47755 GNSS芯片組的小米8手機發(fā)布，其為一款多星座雙頻GNSS智能手機，同時增加GPS L5頻率、QZSS L5頻率和Galileo E5a頻率[1-2]。小米8手機的發(fā)布引起國內(nèi)外大量學者對智能手機GNSS觀測質(zhì)量和定位質(zhì)量的研究[3-8]。Liu等[9]對智能手機GNSS原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行全面研究，結果表明，偽距定位精度與信噪比的相關性比與衛(wèi)星高度角的相關性更強。Zhang等[10]評估智能手機GNSS原始觀測值的質(zhì)量，結果表明，與測地型接收機相比，智能手機信噪比均值低約10 dB-Hz，采用信噪比相關加權算法后，定位精度得到提升。Zhang等[11]研究分析華為P9智能手機GNSS觀測值質(zhì)量，結果表明，智能手機信噪比均值通常可以達到25 dB-Hz以上，由于智能手機硬件問題，與測地型接收機相比，其信噪比值較低。趙碩等[12]研究分析小米8智能手機GNSS原始觀測值質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，在理想和復雜實驗環(huán)境中，與測地型接收機相比，智能手機的原始觀測值具有較低的信噪比和更高的多路徑效應，同時，相位觀測值具有較多周跳。但這些均未涉及BDS-3相關頻率的研究。

現(xiàn)在多數(shù)手機無法獲取載波相位觀測值，但普遍可以獲取偽距觀測值，而偽距定位較載波相位定位更具有普適性。為系統(tǒng)地評估智能手機BDS原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文利用Xiaomi 11(青春版)智能手機進行3 h觀測時長的靜態(tài)實驗和不同場地的動態(tài)實驗，采集多系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，選取信噪比、衛(wèi)星可視性及偽距噪聲等指標對BDS和GPS不同頻率的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行對比研究，同時分析不同頻率的單點定位性能。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

本文采用Xiaomi 11(青春版)智能手機進行靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)采集實驗，該手機可觀測到GPS雙頻信號(L1/L5)和BDS三頻信號(B1I/B1C/B2a)。在手機旁邊架設支持三頻(L1/L2/L5)GPS和三頻(B1I/B2I/B3I)BDS的CHC i70測地型接收機，用于計算手機的坐標參考真值。

靜態(tài)實驗數(shù)據(jù)采集場景如圖1(a)所示，位于江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院樓頂，實驗場地開闊，測量時手機正面朝上固定于觀測臺上。動態(tài)實驗場景如圖1(b)所示，動態(tài)實驗分為兩組，一組實驗場地位于中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)校園，另外一組實驗場地位于中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)體育場。靜態(tài)實驗采樣時長為3 h，靜態(tài)和動態(tài)實驗采樣頻率均設置為1 Hz，手機與接收機之間的位置參數(shù)信息已提前測量，處理時加以改正。

圖1 實驗場景Fig.1 Experiment scenario

1.1 衛(wèi)星可視性分析

圖2為靜態(tài)和動態(tài)實驗中智能手機觀測到的BDS和GPS各個頻率的衛(wèi)星數(shù)，結果如表1所示。由于BDS-3星座布局較優(yōu)和IGSO衛(wèi)星的加入，智能手機觀測到的BDS衛(wèi)星數(shù)高于GPS衛(wèi)星數(shù)。BDS衛(wèi)星除C59、C60和C61外均能夠同時播發(fā)智能手機所觀測的B1I、B1C和B2a信號，因此，智能手機觀測到BDS各個頻率的衛(wèi)星數(shù)均高于GPS。智能手機只能觀測到BDS中C59、C60和C61衛(wèi)星的B1I信號，因此，B1I所觀測到的衛(wèi)星數(shù)高于其他頻率衛(wèi)星數(shù)。在動態(tài)實驗中，由于GPS星座設計及觀測環(huán)境較復雜，可觀測到的GPS L5頻率衛(wèi)星有限，致使部分歷元衛(wèi)星數(shù)低于4，不滿足定位需求。

圖2 手機觀測到BDS和GPS各頻率衛(wèi)星數(shù)Fig.2 Number of BDS and GPS satellites observed at each frequency by smartphone

表1 靜態(tài)和動態(tài)實驗中觀測到的衛(wèi)星數(shù)均值

1.2 信噪比分析

信噪比是指接收機在接收信號過程中信號功率與噪聲之比，信噪比可反映實驗測量過程中觀測衛(wèi)星的信號噪聲水平，信噪比值越低，表示觀測質(zhì)量越差[13]。

1.2.1 靜態(tài)實驗

圖3為靜態(tài)和動態(tài)實驗中智能手機觀測到的BDS和GPS各個頻率中衛(wèi)星信噪比值隨觀測歷元的變化，從上至下分別為GPS L1/L5頻率、BDSB1I/B1C/B2a頻率，其中每種顏色表示所在頻率內(nèi)的一顆衛(wèi)星，因衛(wèi)星數(shù)目較多便不再一一列舉出衛(wèi)星編號。結合圖3(a)和圖4(a)可知，智能手機的GNSS天線成本低，致使信噪比較低，普遍略低于35 dB-Hz，其中B1C頻率衛(wèi)星信噪比值大多分布在25～40 dB-Hz，其均值略高于35 dB-Hz，表明B1C頻率抗干擾能力較強。

圖3 智能手機觀測的各衛(wèi)星信噪比值Fig.3 SNR of satellites observed by smartphone

圖4 智能手機觀測BDS和GPS各頻率信噪比均值對比Fig.4 Comparison of mean SNR of BDS and GPSobserved by smartphone at each frequency

1.2.2 動態(tài)實驗

結合圖3(b)、圖3(c)和圖4(b)可知，動態(tài)實驗1和實驗2中智能手機觀測到的BDS和GPS第一頻率信噪比均值普遍略高于35 dB-Hz，這是因為在復雜環(huán)境中，智能手機不易鎖定信號質(zhì)量差的衛(wèi)星，導致其信噪比均值比靜態(tài)數(shù)據(jù)略高。同時可以看出，在復雜環(huán)境中GPS L1和BDS B1C頻率抗干擾能力較強。

1.3 偽距噪聲分析

偽距噪聲泛指導航信號在產(chǎn)生端至接收機端過程中產(chǎn)生或引入的隨機誤差對偽距測量的綜合影響。偽距噪聲會影響偽距觀測值質(zhì)量和單點定位精度[14]，本文采用歷元間三次差分模型[15]計算偽距噪聲，其主要步驟如下。

1)對各頻率衛(wèi)星偽距觀測值分弧段計算歷元間三次差：

(1)

式中，ρ為偽距觀測值，t為觀測歷元時刻，歷元間偽距三次差值用于描述數(shù)據(jù)質(zhì)量與歷元間的關系。

2)求均值和方差：

(2)

3)對某個頻率下所有觀測衛(wèi)星的偽距噪聲取均值，作為該頻率的偽距噪聲觀測值。

通過計算發(fā)現(xiàn)，B1I頻率中IGSO衛(wèi)星C38、C39和C40偽距噪聲值過大，可能是因為其軌道較高。不考慮IGSO衛(wèi)星，各個頻率偽距噪聲值如表2所示，GPS L1和BDS B1I偽距噪聲值略高于其他頻率。圖5為GPS和BDS偽距三次差值、信噪比變化，從圖中可以看出，信噪比低于28 dB-Hz時偽距三次差值明顯更大，表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。

表2 靜態(tài)實驗偽距噪聲值

圖5 偽距三次差值、信噪比變化Fig.5 Variation of pseudo-range triple difference and SNR

2 不同頻率SPP性能分析

利用上述采集到的原始觀測數(shù)據(jù)，計算智能手機不同頻率的單頻單點定位(single point positioning, SPP)精度。采用RTKLIB(v2.4.3 b34)軟件進行解算，將接收機觀測數(shù)據(jù)進行GPS和BDS雙系統(tǒng)精密單點定位，使用雙頻無電離層組合進行解算，使用WUM精密軌道和鐘差產(chǎn)品，衛(wèi)星截止高度角為15°，解算結果作為參考值。手機觀測數(shù)據(jù)進行不同頻率的單頻SPP解算，使用廣播星歷產(chǎn)品，衛(wèi)星截止高度角為15°，對流層延遲采用Saastamoinen模型[16]進行修正。手機觀測數(shù)據(jù)解算過程中，將信噪比值低于28 dB-Hz的觀測數(shù)據(jù)剔除，不參與定位解算。由于手機數(shù)據(jù)質(zhì)量原因，部分歷元SPP結果無法通過殘差檢驗，因此將解算歷元數(shù)與觀測歷元數(shù)之比定義為定位率，作為定位質(zhì)量指標之一。

表3為靜態(tài)實驗SPP東、北、天(E、N、U)方向均方根(RMS)值和定位率。就定位率而言，BDS B2a頻率表現(xiàn)最為出色，達到99.06%；就定位精度而言，GPS L5頻率SPP結果較優(yōu)，67.19%歷元各個方向優(yōu)于5 m。B1I定位精度較低，結合偽距噪聲計算過程分析認為，部分衛(wèi)星B1I偽距噪聲值較大，從而影響定位結果。

表3 靜態(tài)實驗SPP結果

表4為動態(tài)實驗中各頻率SPP結果。就定位率而言，受智能手機可視衛(wèi)星數(shù)量限制，GPS L5頻率定位率最低，在環(huán)境較為復雜的實驗場地1內(nèi)未解算出結果，在一般開闊環(huán)境的實驗場地2內(nèi)定位率低至25.86%。就定位結果而言，GPS L1頻率和BDS B1C頻率抗干擾能力較強。在動態(tài)實驗中，定位率比重較大，綜合定位精度和定位率可知，BDS B1C頻率較優(yōu)，在兩個場地內(nèi)定位率均達到90%以上，在兩個動態(tài)實驗中E方向優(yōu)于10 m、N方向優(yōu)于5 m、U方向在10 m左右。同靜態(tài)實驗一致，BDS B1I頻率定位精度較差，又因動態(tài)實驗場景復雜，其定位精度低于靜態(tài)實驗。結合靜態(tài)實驗可知，動態(tài)實驗中BDS B2a和GPS L5頻率定位精度較低，表明B2a和L5頻率抗干擾能力較差。

表4 動態(tài)實驗SPP結果

3 結 語

本文基于搭載雙頻GPS和三頻BDS芯片的智能手機Xiaomi 11(青春版)進行靜態(tài)和動態(tài)實驗，對于其輸出的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)和SPP結果進行分析。實驗結果表明，受限于內(nèi)置GNSS芯片硬件，智能手機擁有較高的偽距噪聲和較低的信噪比值。在靜態(tài)和動態(tài)實驗中，智能手機BDS B1I頻率定位精度較低，因部分衛(wèi)星B1I偽距噪聲較大，對定位結果產(chǎn)生一定影響；GPS L5和BDS B2a抗干擾能力較弱，GPS L1和BDS B1C抗干擾能力較強。在靜態(tài)實驗中，GPS L5頻率SPP結果較優(yōu)，67.19%歷元各個方向優(yōu)于5 m。在動態(tài)實驗中，BDS B1C頻率SPP結果較優(yōu)，在兩個場地內(nèi)定位率均達到90%以上，E方向優(yōu)于10 m、N方向優(yōu)于5 m、U方向在10 m左右。