不同環境下手機GNSS數據質量及PPP性能分析

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，曾樹林

不同環境下手機GNSS數據質量及PPP性能分析

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，曾樹林

（中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083）

為了進一步提高智能手機的定位精度，提出一種不同環境下智能手機全球衛星導航系統（GNSS）數據質量及精密單點定位（PPP）性能的分析方法：通過可見衛星數、數據完整率、數據中斷次數、載波噪聲密度比（C/N0，文中簡稱為載噪比）、多路徑5個指標對小米8手機在開闊、信號塔、河邊、樹蔭和高樓5種不同環境下的GNSS數據質量進行對比分析；隨后測試其在不同環境下的PPP性能。結果表明：在可見衛星數方面，全球定位系統（GPS）與北斗衛星導航系統（BDS）觀測衛星數明顯較多；在數據完整率方面，L5/E5a頻率信號相對L1/E1頻率信號更易受環境因素的影響；對于數據中斷情況，L5/E5a頻率信號發生中斷的次數在開闊、信號塔、河邊和樹蔭4個不同環境下分別比L1/E1頻率信號增加了95%、89%、54%和32%；對于載噪比，不同環境下的L1/G1/B1/E1頻率信號C/N0均與高度角呈明顯正相關關系，而L5/E5a頻率信號C/N0與高度角無明顯相關關系；在多路徑方面，小米8手機的多路徑均方根誤差是天寶大地型接收機的5倍多，表明手機內置的線性極化天線對多路徑的抑制能力較差；另外，河邊和高樓環境下的多路徑誤差明顯增大；在定位性能方面，使用單雙頻混合PPP模型在靜態開闊環境下小米8手機三維定位精度可達1.45 m，相比信號塔、河邊、樹蔭和高樓環境分別提高了6%、42%、44%和94%，動態PPP三維定位精度相比靜態下降到2.35 m。

不同環境；智能手機；全球衛星導航系統（GNSS）；數據質量；精密單點定位（PPP）

0 引言

在移動互聯網時代，智能手機的導航定位服務在大眾市場得到了廣泛的應用。其中基于手機的全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）高精度定位技術在大眾市場與專業領域具有巨大的應用潛力。自2016年谷歌開放部分安卓手機原始數據接口以來[1]，手機GNSS高精度定位引起了廣泛關注。然而，受空間和成本限制，手機通常采用線性極化天線[2]和低成本GNSS芯片，使其數據質量與大地型接收機存在顯著差異。此外，手機的使用環境比較復雜，受高樓、林蔭等障礙物影響，進一步降低了手機GNSS觀測數據質量。

GNSS觀測數據質量的好壞在很大程度上影響高精度定位的實現。受線性極化天線的影響，手機GNSS數據噪聲大、多路徑效應嚴重，且易失鎖，這些因素成了影響手機定位精度的主要誤差源。近年來，已有學者對手機GNSS數據質量進行了分析。不少學者比較了在開闊環境下智能終端與大地型接收機觀測的載波噪聲密度比（carrier-to-noise density，文中簡稱為載噪比）差異，如：文獻[3]發現使用谷歌奈克瑟斯（Nexus）9觀測的載噪比比大地型接收機低約10 dB·Hz；文獻[4]發現使用華為P20手機觀測的載噪比比大地型接收機低約9.4 dB·Hz；盡管手機GNSS信號載噪比相對較低，但偽距觀測值噪聲與載噪比的相關性強于其與高度角的相關性，因而在手機定位中，普遍使用基于載噪比的觀測值定權模型[5]；文獻[6]評估了小米8手機全球定位系統（global positioning system, GPS）和伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）信號的偽距多路徑效應，結果表明手機的偽距多路徑效應相比大地型接收機更為顯著；手機占空比是一種為了省電而不連續接收載波相位觀測值的機制[4]，在安卓9.0及其后續版本中可以將其關閉，從而可以獲得連續的載波相位觀測值[7]，為手機端基于載波相位觀測值的精密單點定位（precise point positioning, PPP）技術實現創造了條件；文獻[8]使用小米8手機在靜態開闊環境下采用單頻PPP技術，得到水平方向0.81 m和垂直方向1.65 m的定位精度；同樣在開闊環境下，文獻[9]使用小米8手機測試結果表明，雙頻PPP在收斂后東、北、天三方向定位精度分別可達0.22、0.04和0.11 m。

從已有文獻來看，大多數研究選擇在開闊環境下進行手機數據質量和定位性能分析，而對于復雜環境下的手機數據質量特性及其定位性能分析還比較欠缺?；诖耍疚姆謩e在開闊、信號塔、河邊、樹蔭和高樓5種不同環境下對比分析手機GNSS數據質量，利用可見衛星數、數據完整率、數據中斷次數、載噪比、多路徑5個指標，探究在不同環境下GNSS星座和頻率間的數據質量特性差異。在此基礎上，進一步對手機在靜態和動態環境下的PPP定位性能進行了評估。

1 數據采集

本文采用小米8手機進行GNSS數據采集。該手機是發布的第一款具有雙頻信號的智能終端，配備有博通（Broadcom）公司的BCM47755芯片以及線性極化天線。采集數據軟件為Geo++公司開發的與接收機無關的交換格式（receiver independent exchange format，RINEX）數據記錄軟件[10]。本次實驗分別在開闊、信號塔、河邊、樹蔭以及高樓5個環境下進行數據采集，靜態模式下觀測了約100 min，采樣頻率為1 Hz。5個不同環境如圖1所示。在開闊環境下，增加了一臺天寶R9大地型接收機，同步進行數據采集，以便進行對比分析。小米8手機能同時接收到GPS、格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）、北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）和Galileo 4個星座信號，其中GPS和Galileo可以分別接收L1/L5和E1/E5a雙頻信號，而GLONASS和BDS只能接收G1和B1單頻信號。

圖1 小米8手機在5種觀測環境下進行GNSS數據采集

2 手機GNSS數據質量分析

2.1 可見衛星數

GNSS可見衛星數反映了手機接收GNSS信號的能力，直接影響了手機的定位性能。同時，不同頻率可接收衛星數也直接影響到了PPP中對電離層誤差的處理方式，因而本文統計了天寶大地型接收機在開闊環境下和小米8手機在5種不同環境下各頻率信號的平均可見衛星總數，如圖2所示。由圖2可知，在開闊環境下小米8手機在L1/G1/B1/E1頻率平均每個歷元比天寶接收機少接收超過20顆衛星，在L5/E5a頻率比天寶接收機少接收超過4顆衛星，表明小米8手機的衛星接收能力顯著弱于天寶接收機。小米8在開闊環境下能接收25顆左右的衛星，在其他環境下接收到的衛星數量略微下降。表1給出了天寶接收機開闊環境和小米8手機在不同環境下各星座各頻率的平均衛星數。由表1可知，GPS和BDS的L1/B1頻率信號在不同環境下平均接收到的衛星數為5～8顆，而Galileo和GLONASS在E1/G1頻率接收到的平均衛星數僅為2～5顆，說明4個星座中GPS和BDS衛星的跟蹤性能最好。同時，對于雙頻GPS和Galileo衛星，在L5/E5a頻率接收到的衛星數量均少于對應的L1/E1頻率，可能與手機使用具有不規則增益特性的全向線性極化天線有關[11]。

圖2 天寶接收機在開闊環境和小米8手機在5種不同環境下平均可見衛星總數

表1 天寶接收機在開闊環境和小米8手機在5種不同環境下平均接收到的可見衛星數量 顆

2.2 數據完整率

數據完整率可以直觀反映GNSS信號的整體缺失情況，該值由實際接收數據量與理論接收數據量之比獲得。計算公式為

圖3給出了天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下4個星座偽距和載波相位觀測值的平均數據完整率。由圖3可知，天寶接收機偽距和載波相位觀測值的數據完整率均在90%左右，而小米8手機相對天寶接收機少了超過30%。整體而言，小米8手機在L1/G1/B1/E1頻率的數據完整率比L5/E5a頻率高。L5/E5a頻率觀測值的數據完整率在信號塔、河邊、樹蔭和高樓環境相比L1/G1/B1/E1信號明顯下降，尤其在信號塔和高樓環境下降幅度最大，可能是不同頻率信號對于電磁輻射和遮擋環境敏感性不同所致。在信號塔、河邊、樹蔭和高樓環境下，相比開闊環境L1/G1/B1/E1頻率信號的偽距觀測值數據完整率分別減少了3%、2%、8%和12%，L5/E5a頻率信號的偽距觀測值數據完整率分別減少了14%、10%、13%和23%，L1/G1/B1/E1頻率信號的相位觀測值數據完整率分別減少了6%、4%、6%和13%，L5/E5a頻率信號的相位觀測值數據完整率分別減少了9%、4%、8%和17%。

圖3 天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下各頻率信號平均數據完整率

2.3 數據中斷次數

GNSS數據采集時的信號中斷會使精密定位中的模糊度參數頻繁初始化，進而嚴重影響精密定位性能。以某顆衛星在某頻率的GNSS信號丟失觀測值1次記為1次數據中斷，表2為天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下GNSS信號中斷次數統計表。在開闊環境下的約100 min觀測時段內，小米8手機GNSS信號中斷次數多達3929次，是天寶接收機的48倍。對于雙頻GPS與Galileo衛星，在L5/E5a頻率的信號更易發生丟失現象，在開闊、信號塔、河邊、樹蔭、高樓5個不同環境中L5/E5a頻率上的信號比L1/E1頻率信號中斷次數分別增加了95%、89%、54%和32%。而在高樓環境中L5/E5a頻率上的信號中斷次數比L1/E1有所降低，原因可能是：一方面高樓環境下手機接收到的L5/E5a頻率觀測值比L1/E1頻率更少；另一方面，高樓環境下L5/E5a頻率的所有偽距和相位觀測值更易同時丟失。該情況已在數據完整率中進行了統計，未統計為中斷次數。

表2 天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下GNSS信號中斷次數 次

2.4 載噪比

載噪比是載波信號接收功率和載波噪聲平均功率之比，是表征GNSS原始觀測值噪聲水平的重要指標，可以直接從RINEX原始觀測文件中獲得。表3給出了天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下星座間和頻率間的載噪比在整個觀測時段的平均值。由表3可知，在開闊環境下小米8手機在L1/G1/B1/E1頻率的載噪比比天寶低約1～5 dB·Hz，而在L5/E5a頻率比天寶接收機低約15 dB·Hz。在L1/G1/B1/E1頻率，小米8手機在開闊、信號塔、河邊、樹蔭和高樓 5種環境下GNSS不同星座間的載噪比最大差異分別為3、3.9、4.1、1.1和8.8 dB·Hz，表明環境的變化會在很大程度上影響小米8手機的載噪比。另外，不同環境下的實驗均表現出小米8手機在L1/E1頻率的載噪比整體大于在L5/E5a頻率的載噪比。

表3 天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下觀測時段的載噪比平均值 dB·Hz

將不同環境下所有星座載噪比以5°為間隔求取平均值，以分析載噪比與高度角在不同頻率下的相關關系。圖4展示了天寶接收機在開闊環境和小米8手機在5種不同環境下的載噪比隨高度角的變化曲線。在L1/G1/B1/E1頻率，天寶接收機和小米8手機的載噪比與高度角均呈明顯的正相關關系；而在L5/E5a頻率小米8手機的載噪比在5個環境下均呈現與高度角無明顯相關關系，其原因可能與手機使用內置線性極化天線有關。另外，在高高度角時手機接收的L5/E5a信號在不同環境下的載噪比差異明顯變大，一方面因為在河邊和樹蔭環境高度角大于70°時僅能接收到2～3顆左右衛星，導致統計可能存在一定偏差，另一方面因為高樓環境遮擋了約50°左右的高度角衛星信號，接收到的高度角大于50°的衛星信號增益變大，使得L5/E5a信號載噪比增加。

2.5 多路徑效應

GNSS接收機的抗多路徑性能主要受采集環境和天線的影響。本文使用雙頻載波偽距組合觀測值計算多路徑效應，由于多路徑效應難以與噪聲分離，因而獲取的多路徑效應還包含了觀測值噪聲的影響。計算公式為

小米8手機GNSS 4個星座中僅GPS和Galileo含有雙頻數據，因此僅對比分析這2個星座的多路徑效應。圖5是天寶接收機在開闊環境和小米8手機在不同環境下的多路徑效應均方根誤差（root mean square error, RMSE）對比。均方根誤差計算公式為

式中：為均方根誤差；為第k（k=1, 2,…, n，n為觀測歷元數）歷元的多路徑誤差；為多路徑效應真值，由于多路徑誤差作為噪聲處理，因此此處真值設為0。由圖5可得，天寶接收機在不同星座和頻率間的多路徑效應RMSE均在0.4 m以下，而小米8手機的多路徑效應RMSE是天寶接收機的5倍多，表明手機內置線性極化天線的多路徑抑制能力差。另外，河邊和高樓環境的強烈信號反射使得河邊環境和高樓環境的多路徑效應相對較大。5種環境均表現出GPS L1頻率的多路徑效應相比Galileo E1頻率的多路徑效應更加顯著的特點，而GPS L5頻率與Galileo E5a頻率信號的多路徑效應相近。此外，5種環境也均表現出在L5/E5a信號所遭受到的多路徑效應明顯小于L1/E1信號的特點，表明L5/E5a信號抑制多路徑效應能力更強。

3 手機PPP定位性能分析

3.1 PPP處理策略

前文的數據質量分析結果表明，手機數據接收能力較差，容易造成數據量不足。因此，本文在手機上使用單雙頻混合的非差非組合PPP（mixed single and dual-frequency undifferenced and uncombined precise point positioning, MIX-PPP）模型[13]以充分利用所有單雙頻觀測數據，并與傳統的單頻PPP（single-frequency-only precise point positioning, SF-PPP）[8]模型或者雙頻PPP（dual-frequency-only precise point positioning, DF-PPP）[9]模型進行對比。本文采用武漢大學提供的精密軌道和鐘差產品改正衛星軌道和衛星鐘差；采用中國科學院的全球電離層產品改正電離層延遲；利用薩斯塔莫寧（Saastamoine）模型對對流層干延遲進行改正，而天頂濕延遲作為一個未知參數進行估計。采用卡爾曼濾波器估計接收機位置、接收機鐘差、系統間偏差、天頂濕延遲、電離層延遲和模糊度等未知參數。將接收機位置、天頂濕延遲和電離層延遲估計為隨機游走過程，將接收機鐘差和系統間偏差估計為白噪聲，模糊度則作為一個浮點常數值進行估計。本文采用基于載噪比的隨機模型進行觀測值定權，定權公式為

3.2 靜態測試

將100 min的實驗數據劃分為2個獨立的時段，每個時段長度為50 min。以第1時段為例，圖6顯示了小米8手機在開闊、信號塔、河邊、樹蔭和高樓5個不同環境下使用SF-PPP、DF-PPP和MIX-PPP模型的水平和垂直方向定位誤差時間序列。由圖6可知，在樹蔭和高樓環境下的定位誤差序列波動劇烈，其中高樓環境下定位誤差最大，甚至無法使用DF-PPP模型進行解算，這是L5/E5a信號在該環境下缺失和中斷嚴重所致。表4給出了2個時段所得定位結果RMSE的平均值。由表4可知，不同環境下的定位結果中，MIX-PPP模型的定位性能最佳，相比DF-PPP和SF-PPP模型，在三維定位精度方面提高了62%和41%。在開闊環境下使用MIX-PPP模型的三維精度可達1.45 m，相比信號塔、河邊、樹蔭和高樓環境分別提高了6%、42%、44%和94%。結果表明，信號塔電磁輻射環境對定位結果有輕微影響，而河邊、樹蔭和高樓等強多路徑或遮擋環境對定位結果影響較大。

圖6 小米8手機在不同環境下使用不同定位模型的定位誤差時間序列

表4 小米8手機在不同環境使用不同定位模型的定位誤差RMSE統計值 m

3.3 動態測試

用小米8手機在一段復雜環境路段動態采集GNSS數據，動態實驗持續約10 min，運動軌跡如圖7所示。在1 km外架設另一臺天寶R9大地型接收機作為基準站，使用實時動態差分技術（real-time kinematic, RTK）計算天寶接收機的運行軌跡作為位置參考。圖8為動態環境下使用SF-PPP、DF-PPP和MIX-PPP模型的水平和垂直方向定位誤差時間序列。表5為對應的定位精度RMSE統計值。與靜態實驗類似的是，明顯可見使用DF-PPP模型的定位誤差最大，這是由于手機接收到的L5/E5a頻率信號衛星數量不足所致。小米8手機使用MIX-PPP方法三維精度可達2.35 m，相對于DF-PPP和SF-PPP分別提高了87%和36%。

圖7 GNSS動態數據采集軌跡

表5 小米8手機在動態環境下使用不同定位模型的定位精度RMSE統計值 m

圖8 小米8手機在動態環境下使用不同定位模型的定位誤差時間序列

4 結束語

本文首先通過可見衛星數、數據完整率、數據中斷次數、載噪比、多路徑效應5個指標，對比分析了小米8手機在開闊、信號塔、河邊、樹蔭和高樓5個不同環境下的GNSS數據質量特性。隨后對手機在靜態和動態環境下的PPP定位性能進行了評估。得出以下結論：

1）對于L1/G1/B1/E1信號，在開闊環境下手機平均每個歷元接收到的衛星數量比天寶接收機少20多，其衛星接收能力顯著弱于大地型接收機；L5/E5a頻率的數據完整率相對L1/E1頻率更易受環境因素的影響；在開闊、信號塔、河邊、樹蔭4個不同環境中，L5/E5a信號比L1/E1信號中斷次數分別增加了95%、89%、54%和32%，但在高樓環境中，L5/E5a信號中斷次數反而少于L1/E1信號。

2）在不同環境下的L1/G1/B1/E1頻率信號高度角與載噪比呈明顯正相關關系，而L5/E5a頻率信號高度角與載噪比無明顯相關關系。

3）小米8手機的多路徑效應RMSE是天寶接收機的5倍多，表明手機內置的線性極化天線對多路徑效應的抑制能力較差。另外，由于河邊和高樓環境的信號反射，使得這2種環境下的多路徑效應明顯較大。

4）使用單雙頻混合PPP模型在開闊靜態環境下其三維定位精度可達1.45 m，相比信號塔、河邊、樹蔭和高樓環境分別提高了6%、42%、44%和94%，動態環境下三維定位精度則降到2.35 m。

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Comparative analysis on GNSS data quality and PPP performance of smartphones under different environments

LI Yanjie, CAI Changsheng, XU Zhenyu, ZENG Shulin

（School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China）

In order to further improve the positioning accuracy of smartphones, the paper proposed a method of analyzing global navigation satellite system (GNSS) data quality and precise point positioning (PPP) performance of smartphones under different environments: the GNSS data quality of Xiaomi Mi8 smartphones in the enviroments of open lands, signal transmitting towers, riversides, shades and urban canyons was comparatively analyzed by the indexes of the number of visible satellites, data integrity rate, data interruption times, carrier-to-noise density (C/N0) and multipath effect; afterward, the performance of precise point positioning (PPP) on a Xiaomi Mi8 smartphone under different environments was tested. Results showed that: the number of global positioning system (GPS) satellites and BeiDou satellite navigation system (BDS) satellites could be both significantly more than that of other constellations; in terms of data integrity rate, the L5/E5a frequency signals could be more susceptible to environmental changes; the data interruption times at L5/E5a frequency signals could be 95%, 89%, 54% and 32%, respectively, more than that at L1/E1 frequencies in open land, signal transmitting tower, riverside, and shade environments; the C/N0 at L1/G1/B1/E1 frequencies in different environments would have a significant positive correlation with the elevation angle, while the C/N0 at L5/E5a frequencies could have no obvious correlation with the elevation angle; the root mean square error of the multipath effect of the Xiaomi Mi8 smartphone would be more than 5 times that of a geodetic receiver named Trimble R9, indicating that the linear polarization antenna built-in Xiaomi Mi8 could have poor multipath suppression ability; in addition, the multipath effect would be relatively large in riverside and urban canyon environments; in the case of positioning performance, in the static mode, the three-dimensional positioning accuracy of the Xiaomi Mi8 smartphone in the open environment could reach 1.45 m using mixed single-frequency and dual-frequency PPP model, which would improve by 6%, 42%, 44% and 94% over that in the signal transmitting tower, riverside, shade and urban canyon environments, respectively, while in the kinematic mode, the three-dimensional PPP accuracy could decrease to 2.35 m.

different environments; smartphone; global navigation satellite system (GNSS); data quality; precise point positioning (PPP)

P228

A

2095-4999(2023)01-0080-09

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，等. 不同環境下手機GNSS數據質量及PPP性能分析[J]. 導航定位學報, 2023, 11(1): 80-88.（LI Yanjie, CAI Changsheng, XU Zhenyu, et al. Comparative analysis on GNSS data quality and PPP performance of smartphones under different environments[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(1): 80-88.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230112.

2022-04-13

國家重點研發計劃項目（2020YFA0713501）；國家自然科學基金項目（42174040）；湖南省自然科學基金項目（2020JJ4111）；湖南省研究生創新項目（CX20200241）。

李燕杰（1997—），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向為基于手機端的GNSS精密定位。

蔡昌盛（1977—），男，湖北荊州人，博士，教授，研究方向為GNSS導航和精密定位。