不同環(huán)境下手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量及PPP性能分析

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，曾樹(shù)林

不同環(huán)境下手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量及PPP性能分析

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，曾樹(shù)林

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

為了進(jìn)一步提高智能手機(jī)的定位精度，提出一種不同環(huán)境下智能手機(jī)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）數(shù)據(jù)質(zhì)量及精密單點(diǎn)定位（PPP）性能的分析方法：通過(guò)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、數(shù)據(jù)完整率、數(shù)據(jù)中斷次數(shù)、載波噪聲密度比（C/N0，文中簡(jiǎn)稱為載噪比）、多路徑5個(gè)指標(biāo)對(duì)小米8手機(jī)在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓5種不同環(huán)境下的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析；隨后測(cè)試其在不同環(huán)境下的PPP性能。結(jié)果表明：在可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)方面，全球定位系統(tǒng)（GPS）與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)明顯較多；在數(shù)據(jù)完整率方面，L5/E5a頻率信號(hào)相對(duì)L1/E1頻率信號(hào)更易受環(huán)境因素的影響；對(duì)于數(shù)據(jù)中斷情況，L5/E5a頻率信號(hào)發(fā)生中斷的次數(shù)在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊和樹(shù)蔭4個(gè)不同環(huán)境下分別比L1/E1頻率信號(hào)增加了95%、89%、54%和32%；對(duì)于載噪比，不同環(huán)境下的L1/G1/B1/E1頻率信號(hào)C/N0均與高度角呈明顯正相關(guān)關(guān)系，而L5/E5a頻率信號(hào)C/N0與高度角無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系；在多路徑方面，小米8手機(jī)的多路徑均方根誤差是天寶大地型接收機(jī)的5倍多，表明手機(jī)內(nèi)置的線性極化天線對(duì)多路徑的抑制能力較差；另外，河邊和高樓環(huán)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(tài)開(kāi)闊環(huán)境下小米8手機(jī)三維定位精度可達(dá)1.45 m，相比信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓環(huán)境分別提高了6%、42%、44%和94%，動(dòng)態(tài)PPP三維定位精度相比靜態(tài)下降到2.35 m。

不同環(huán)境；智能手機(jī)；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）；數(shù)據(jù)質(zhì)量；精密單點(diǎn)定位（PPP）

0 引言

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能手機(jī)的導(dǎo)航定位服務(wù)在大眾市場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。其中基于手機(jī)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）高精度定位技術(shù)在大眾市場(chǎng)與專業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。自2016年谷歌開(kāi)放部分安卓手機(jī)原始數(shù)據(jù)接口以來(lái)[1]，手機(jī)GNSS高精度定位引起了廣泛關(guān)注。然而，受空間和成本限制，手機(jī)通常采用線性極化天線[2]和低成本GNSS芯片，使其數(shù)據(jù)質(zhì)量與大地型接收機(jī)存在顯著差異。此外，手機(jī)的使用環(huán)境比較復(fù)雜，受高樓、林蔭等障礙物影響，進(jìn)一步降低了手機(jī)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞在很大程度上影響高精度定位的實(shí)現(xiàn)。受線性極化天線的影響，手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)噪聲大、多路徑效應(yīng)嚴(yán)重，且易失鎖，這些因素成了影響手機(jī)定位精度的主要誤差源。近年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析。不少學(xué)者比較了在開(kāi)闊環(huán)境下智能終端與大地型接收機(jī)觀測(cè)的載波噪聲密度比（carrier-to-noise density，文中簡(jiǎn)稱為載噪比）差異，如：文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)使用谷歌奈克瑟斯（Nexus）9觀測(cè)的載噪比比大地型接收機(jī)低約10 dB·Hz；文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)使用華為P20手機(jī)觀測(cè)的載噪比比大地型接收機(jī)低約9.4 dB·Hz；盡管手機(jī)GNSS信號(hào)載噪比相對(duì)較低，但偽距觀測(cè)值噪聲與載噪比的相關(guān)性強(qiáng)于其與高度角的相關(guān)性，因而在手機(jī)定位中，普遍使用基于載噪比的觀測(cè)值定權(quán)模型[5]；文獻(xiàn)[6]評(píng)估了小米8手機(jī)全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）信號(hào)的偽距多路徑效應(yīng)，結(jié)果表明手機(jī)的偽距多路徑效應(yīng)相比大地型接收機(jī)更為顯著；手機(jī)占空比是一種為了省電而不連續(xù)接收載波相位觀測(cè)值的機(jī)制[4]，在安卓9.0及其后續(xù)版本中可以將其關(guān)閉，從而可以獲得連續(xù)的載波相位觀測(cè)值[7]，為手機(jī)端基于載波相位觀測(cè)值的精密單點(diǎn)定位（precise point positioning, PPP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件；文獻(xiàn)[8]使用小米8手機(jī)在靜態(tài)開(kāi)闊環(huán)境下采用單頻PPP技術(shù)，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(kāi)闊環(huán)境下，文獻(xiàn)[9]使用小米8手機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，雙頻PPP在收斂后東、北、天三方向定位精度分別可達(dá)0.22、0.04和0.11 m。

從已有文獻(xiàn)來(lái)看，大多數(shù)研究選擇在開(kāi)闊環(huán)境下進(jìn)行手機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量和定位性能分析，而對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的手機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量特性及其定位性能分析還比較欠缺?；诖?，本文分別在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓5種不同環(huán)境下對(duì)比分析手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量，利用可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、數(shù)據(jù)完整率、數(shù)據(jù)中斷次數(shù)、載噪比、多路徑5個(gè)指標(biāo)，探究在不同環(huán)境下GNSS星座和頻率間的數(shù)據(jù)質(zhì)量特性差異。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)手機(jī)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境下的PPP定位性能進(jìn)行了評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)采集

本文采用小米8手機(jī)進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)采集。該手機(jī)是發(fā)布的第一款具有雙頻信號(hào)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(shù)據(jù)軟件為Geo++公司開(kāi)發(fā)的與接收機(jī)無(wú)關(guān)的交換格式（receiver independent exchange format，RINEX）數(shù)據(jù)記錄軟件[10]。本次實(shí)驗(yàn)分別在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭以及高樓5個(gè)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，靜態(tài)模式下觀測(cè)了約100 min，采樣頻率為1 Hz。5個(gè)不同環(huán)境如圖1所示。在開(kāi)闊環(huán)境下，增加了一臺(tái)天寶R9大地型接收機(jī)，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便進(jìn)行對(duì)比分析。小米8手機(jī)能同時(shí)接收到GPS、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）和Galileo 4個(gè)星座信號(hào)，其中GPS和Galileo可以分別接收L1/L5和E1/E5a雙頻信號(hào)，而GLONASS和BDS只能接收G1和B1單頻信號(hào)。

圖1 小米8手機(jī)在5種觀測(cè)環(huán)境下進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)采集

2 手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.1 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)

GNSS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)反映了手機(jī)接收GNSS信號(hào)的能力，直接影響了手機(jī)的定位性能。同時(shí)，不同頻率可接收衛(wèi)星數(shù)也直接影響到了PPP中對(duì)電離層誤差的處理方式，因而本文統(tǒng)計(jì)了天寶大地型接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境下和小米8手機(jī)在5種不同環(huán)境下各頻率信號(hào)的平均可見(jiàn)衛(wèi)星總數(shù)，如圖2所示。由圖2可知，在開(kāi)闊環(huán)境下小米8手機(jī)在L1/G1/B1/E1頻率平均每個(gè)歷元比天寶接收機(jī)少接收超過(guò)20顆衛(wèi)星，在L5/E5a頻率比天寶接收機(jī)少接收超過(guò)4顆衛(wèi)星，表明小米8手機(jī)的衛(wèi)星接收能力顯著弱于天寶接收機(jī)。小米8在開(kāi)闊環(huán)境下能接收25顆左右的衛(wèi)星，在其他環(huán)境下接收到的衛(wèi)星數(shù)量略微下降。表1給出了天寶接收機(jī)開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下各星座各頻率的平均衛(wèi)星數(shù)。由表1可知，GPS和BDS的L1/B1頻率信號(hào)在不同環(huán)境下平均接收到的衛(wèi)星數(shù)為5～8顆，而Galileo和GLONASS在E1/G1頻率接收到的平均衛(wèi)星數(shù)僅為2～5顆，說(shuō)明4個(gè)星座中GPS和BDS衛(wèi)星的跟蹤性能最好。同時(shí)，對(duì)于雙頻GPS和Galileo衛(wèi)星，在L5/E5a頻率接收到的衛(wèi)星數(shù)量均少于對(duì)應(yīng)的L1/E1頻率，可能與手機(jī)使用具有不規(guī)則增益特性的全向線性極化天線有關(guān)[11]。

圖2 天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在5種不同環(huán)境下平均可見(jiàn)衛(wèi)星總數(shù)

表1 天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在5種不同環(huán)境下平均接收到的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量 顆

2.2 數(shù)據(jù)完整率

數(shù)據(jù)完整率可以直觀反映GNSS信號(hào)的整體缺失情況，該值由實(shí)際接收數(shù)據(jù)量與理論接收數(shù)據(jù)量之比獲得。計(jì)算公式為

圖3給出了天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下4個(gè)星座偽距和載波相位觀測(cè)值的平均數(shù)據(jù)完整率。由圖3可知，天寶接收機(jī)偽距和載波相位觀測(cè)值的數(shù)據(jù)完整率均在90%左右，而小米8手機(jī)相對(duì)天寶接收機(jī)少了超過(guò)30%。整體而言，小米8手機(jī)在L1/G1/B1/E1頻率的數(shù)據(jù)完整率比L5/E5a頻率高。L5/E5a頻率觀測(cè)值的數(shù)據(jù)完整率在信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓環(huán)境相比L1/G1/B1/E1信號(hào)明顯下降，尤其在信號(hào)塔和高樓環(huán)境下降幅度最大，可能是不同頻率信號(hào)對(duì)于電磁輻射和遮擋環(huán)境敏感性不同所致。在信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓環(huán)境下，相比開(kāi)闊環(huán)境L1/G1/B1/E1頻率信號(hào)的偽距觀測(cè)值數(shù)據(jù)完整率分別減少了3%、2%、8%和12%，L5/E5a頻率信號(hào)的偽距觀測(cè)值數(shù)據(jù)完整率分別減少了14%、10%、13%和23%，L1/G1/B1/E1頻率信號(hào)的相位觀測(cè)值數(shù)據(jù)完整率分別減少了6%、4%、6%和13%，L5/E5a頻率信號(hào)的相位觀測(cè)值數(shù)據(jù)完整率分別減少了9%、4%、8%和17%。

圖3 天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下各頻率信號(hào)平均數(shù)據(jù)完整率

2.3 數(shù)據(jù)中斷次數(shù)

GNSS數(shù)據(jù)采集時(shí)的信號(hào)中斷會(huì)使精密定位中的模糊度參數(shù)頻繁初始化，進(jìn)而嚴(yán)重影響精密定位性能。以某顆衛(wèi)星在某頻率的GNSS信號(hào)丟失觀測(cè)值1次記為1次數(shù)據(jù)中斷，表2為天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下GNSS信號(hào)中斷次數(shù)統(tǒng)計(jì)表。在開(kāi)闊環(huán)境下的約100 min觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，小米8手機(jī)GNSS信號(hào)中斷次數(shù)多達(dá)3929次，是天寶接收機(jī)的48倍。對(duì)于雙頻GPS與Galileo衛(wèi)星，在L5/E5a頻率的信號(hào)更易發(fā)生丟失現(xiàn)象，在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭、高樓5個(gè)不同環(huán)境中L5/E5a頻率上的信號(hào)比L1/E1頻率信號(hào)中斷次數(shù)分別增加了95%、89%、54%和32%。而在高樓環(huán)境中L5/E5a頻率上的信號(hào)中斷次數(shù)比L1/E1有所降低，原因可能是：一方面高樓環(huán)境下手機(jī)接收到的L5/E5a頻率觀測(cè)值比L1/E1頻率更少；另一方面，高樓環(huán)境下L5/E5a頻率的所有偽距和相位觀測(cè)值更易同時(shí)丟失。該情況已在數(shù)據(jù)完整率中進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，未統(tǒng)計(jì)為中斷次數(shù)。

表2 天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下GNSS信號(hào)中斷次數(shù) 次

2.4 載噪比

載噪比是載波信號(hào)接收功率和載波噪聲平均功率之比，是表征GNSS原始觀測(cè)值噪聲水平的重要指標(biāo)，可以直接從RINEX原始觀測(cè)文件中獲得。表3給出了天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下星座間和頻率間的載噪比在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段的平均值。由表3可知，在開(kāi)闊環(huán)境下小米8手機(jī)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(jī)低約15 dB·Hz。在L1/G1/B1/E1頻率，小米8手機(jī)在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓 5種環(huán)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(huán)境的變化會(huì)在很大程度上影響小米8手機(jī)的載噪比。另外，不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)均表現(xiàn)出小米8手機(jī)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(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下觀測(cè)時(shí)段的載噪比平均值 dB·Hz

將不同環(huán)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(guān)關(guān)系。圖4展示了天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在5種不同環(huán)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(jī)和小米8手機(jī)的載噪比與高度角均呈明顯的正相關(guān)關(guān)系；而在L5/E5a頻率小米8手機(jī)的載噪比在5個(gè)環(huán)境下均呈現(xiàn)與高度角無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系，其原因可能與手機(jī)使用內(nèi)置線性極化天線有關(guān)。另外，在高高度角時(shí)手機(jī)接收的L5/E5a信號(hào)在不同環(huán)境下的載噪比差異明顯變大，一方面因?yàn)樵诤舆吅蜆?shù)蔭環(huán)境高度角大于70°時(shí)僅能接收到2～3顆左右衛(wèi)星，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)可能存在一定偏差，另一方面因?yàn)楦邩黔h(huán)境遮擋了約50°左右的高度角衛(wèi)星信號(hào)，接收到的高度角大于50°的衛(wèi)星信號(hào)增益變大，使得L5/E5a信號(hào)載噪比增加。

2.5 多路徑效應(yīng)

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

小米8手機(jī)GNSS 4個(gè)星座中僅GPS和Galileo含有雙頻數(shù)據(jù)，因此僅對(duì)比分析這2個(gè)星座的多路徑效應(yīng)。圖5是天寶接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境和小米8手機(jī)在不同環(huán)境下的多路徑效應(yīng)均方根誤差（root mean square error, RMSE）對(duì)比。均方根誤差計(jì)算公式為

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

3 手機(jī)PPP定位性能分析

3.1 PPP處理策略

前文的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果表明，手機(jī)數(shù)據(jù)接收能力較差，容易造成數(shù)據(jù)量不足。因此，本文在手機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)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(jìn)行對(duì)比。本文采用武漢大學(xué)提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品改正衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差；采用中國(guó)科學(xué)院的全球電離層產(chǎn)品改正電離層延遲；利用薩斯塔莫寧（Saastamoine）模型對(duì)對(duì)流層干延遲進(jìn)行改正，而天頂濕延遲作為一個(gè)未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。采用卡爾曼濾波器估計(jì)接收機(jī)位置、接收機(jī)鐘差、系統(tǒng)間偏差、天頂濕延遲、電離層延遲和模糊度等未知參數(shù)。將接收機(jī)位置、天頂濕延遲和電離層延遲估計(jì)為隨機(jī)游走過(guò)程，將接收機(jī)鐘差和系統(tǒng)間偏差估計(jì)為白噪聲，模糊度則作為一個(gè)浮點(diǎn)常數(shù)值進(jìn)行估計(jì)。本文采用基于載噪比的隨機(jī)模型進(jìn)行觀測(cè)值定權(quán)，定權(quán)公式為

3.2 靜態(tài)測(cè)試

將100 min的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)劃分為2個(gè)獨(dú)立的時(shí)段，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度為50 min。以第1時(shí)段為例，圖6顯示了小米8手機(jī)在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓5個(gè)不同環(huán)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(shí)間序列。由圖6可知，在樹(shù)蔭和高樓環(huán)境下的定位誤差序列波動(dòng)劇烈，其中高樓環(huán)境下定位誤差最大，甚至無(wú)法使用DF-PPP模型進(jìn)行解算，這是L5/E5a信號(hào)在該環(huán)境下缺失和中斷嚴(yán)重所致。表4給出了2個(gè)時(shí)段所得定位結(jié)果RMSE的平均值。由表4可知，不同環(huán)境下的定位結(jié)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(kāi)闊環(huán)境下使用MIX-PPP模型的三維精度可達(dá)1.45 m，相比信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓環(huán)境分別提高了6%、42%、44%和94%。結(jié)果表明，信號(hào)塔電磁輻射環(huán)境對(duì)定位結(jié)果有輕微影響，而河邊、樹(shù)蔭和高樓等強(qiáng)多路徑或遮擋環(huán)境對(duì)定位結(jié)果影響較大。

圖6 小米8手機(jī)在不同環(huán)境下使用不同定位模型的定位誤差時(shí)間序列

表4 小米8手機(jī)在不同環(huán)境使用不同定位模型的定位誤差RMSE統(tǒng)計(jì)值 m

3.3 動(dòng)態(tài)測(cè)試

用小米8手機(jī)在一段復(fù)雜環(huán)境路段動(dòng)態(tài)采集GNSS數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)持續(xù)約10 min，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。在1 km外架設(shè)另一臺(tái)天寶R9大地型接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)（real-time kinematic, RTK）計(jì)算天寶接收機(jī)的運(yùn)行軌跡作為位置參考。圖8為動(dòng)態(tài)環(huán)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(shí)間序列。表5為對(duì)應(yīng)的定位精度RMSE統(tǒng)計(jì)值。與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)類似的是，明顯可見(jiàn)使用DF-PPP模型的定位誤差最大，這是由于手機(jī)接收到的L5/E5a頻率信號(hào)衛(wèi)星數(shù)量不足所致。小米8手機(jī)使用MIX-PPP方法三維精度可達(dá)2.35 m，相對(duì)于DF-PPP和SF-PPP分別提高了87%和36%。

圖7 GNSS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集軌跡

表5 小米8手機(jī)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用不同定位模型的定位精度RMSE統(tǒng)計(jì)值 m

圖8 小米8手機(jī)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用不同定位模型的定位誤差時(shí)間序列

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先通過(guò)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、數(shù)據(jù)完整率、數(shù)據(jù)中斷次數(shù)、載噪比、多路徑效應(yīng)5個(gè)指標(biāo)，對(duì)比分析了小米8手機(jī)在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓5個(gè)不同環(huán)境下的GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量特性。隨后對(duì)手機(jī)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境下的PPP定位性能進(jìn)行了評(píng)估。得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于L1/G1/B1/E1信號(hào)，在開(kāi)闊環(huán)境下手機(jī)平均每個(gè)歷元接收到的衛(wèi)星數(shù)量比天寶接收機(jī)少20多，其衛(wèi)星接收能力顯著弱于大地型接收機(jī)；L5/E5a頻率的數(shù)據(jù)完整率相對(duì)L1/E1頻率更易受環(huán)境因素的影響；在開(kāi)闊、信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭4個(gè)不同環(huán)境中，L5/E5a信號(hào)比L1/E1信號(hào)中斷次數(shù)分別增加了95%、89%、54%和32%，但在高樓環(huán)境中，L5/E5a信號(hào)中斷次數(shù)反而少于L1/E1信號(hào)。

2）在不同環(huán)境下的L1/G1/B1/E1頻率信號(hào)高度角與載噪比呈明顯正相關(guān)關(guān)系，而L5/E5a頻率信號(hào)高度角與載噪比無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

3）小米8手機(jī)的多路徑效應(yīng)RMSE是天寶接收機(jī)的5倍多，表明手機(jī)內(nèi)置的線性極化天線對(duì)多路徑效應(yīng)的抑制能力較差。另外，由于河邊和高樓環(huán)境的信號(hào)反射，使得這2種環(huán)境下的多路徑效應(yīng)明顯較大。

4）使用單雙頻混合PPP模型在開(kāi)闊靜態(tài)環(huán)境下其三維定位精度可達(dá)1.45 m，相比信號(hào)塔、河邊、樹(shù)蔭和高樓環(huán)境分別提高了6%、42%、44%和94%，動(dòng)態(tài)環(huán)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(huán)境下手機(jī)GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量及PPP性能分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFA0713501）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42174040）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020JJ4111）；湖南省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20200241）。

李燕杰（1997—），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛谑謾C(jī)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?yàn)镚NSS導(dǎo)航和精密定位。