不同环境下手机GNSS数据质量及PPP性能分析

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，曾树林

不同环境下手机GNSS数据质量及PPP性能分析

李燕杰，蔡昌盛，徐震宇，曾树林

（中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083）

为了进一步提高智能手机的定位精度，提出一种不同环境下智能手机全球卫星导航系统（GNSS）数据质量及精密单点定位（PPP）性能的分析方法：通过可见卫星数、数据完整率、数据中断次数、载波噪声密度比（C/N0，文中简称为载噪比）、多路径5个指标对小米8手机在开阔、信号塔、河边、树荫和高楼5种不同环境下的GNSS数据质量进行对比分析；随后测试其在不同环境下的PPP性能。结果表明：在可见卫星数方面，全球定位系统（GPS）与北斗卫星导航系统（BDS）观测卫星数明显较多；在数据完整率方面，L5/E5a频率信号相对L1/E1频率信号更易受环境因素的影响；对于数据中断情况，L5/E5a频率信号发生中断的次数在开阔、信号塔、河边和树荫4个不同环境下分别比L1/E1频率信号增加了95%、89%、54%和32%；对于载噪比，不同环境下的L1/G1/B1/E1频率信号C/N0均与高度角呈明显正相关关系，而L5/E5a频率信号C/N0与高度角无明显相关关系；在多路径方面，小米8手机的多路径均方根误差是天宝大地型接收机的5倍多，表明手机内置的线性极化天线对多路径的抑制能力较差；另外，河边和高楼环境下的多路径误差明显增大；在定位性能方面，使用单双频混合PPP模型在静态开阔环境下小米8手机三维定位精度可达1.45 m，相比信号塔、河边、树荫和高楼环境分别提高了6%、42%、44%和94%，动态PPP三维定位精度相比静态下降到2.35 m。

不同环境；智能手机；全球卫星导航系统（GNSS）；数据质量；精密单点定位（PPP）

0 引言

在移动互联网时代，智能手机的导航定位服务在大众市场得到了广泛的应用。其中基于手机的全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）高精度定位技术在大众市场与专业领域具有巨大的应用潜力。自2016年谷歌开放部分安卓手机原始数据接口以来[1]，手机GNSS高精度定位引起了广泛关注。然而，受空间和成本限制，手机通常采用线性极化天线[2]和低成本GNSS芯片，使其数据质量与大地型接收机存在显著差异。此外，手机的使用环境比较复杂，受高楼、林荫等障碍物影响，进一步降低了手机GNSS观测数据质量。

GNSS观测数据质量的好坏在很大程度上影响高精度定位的实现。受线性极化天线的影响，手机GNSS数据噪声大、多路径效应严重，且易失锁，这些因素成了影响手机定位精度的主要误差源。近年来，已有学者对手机GNSS数据质量进行了分析。不少学者比较了在开阔环境下智能终端与大地型接收机观测的载波噪声密度比（carrier-to-noise density，文中简称为载噪比）差异，如：文献[3]发现使用谷歌奈克瑟斯（Nexus）9观测的载噪比比大地型接收机低约10 dB·Hz；文献[4]发现使用华为P20手机观测的载噪比比大地型接收机低约9.4 dB·Hz；尽管手机GNSS信号载噪比相对较低，但伪距观测值噪声与载噪比的相关性强于其与高度角的相关性，因而在手机定位中，普遍使用基于载噪比的观测值定权模型[5]；文献[6]评估了小米8手机全球定位系统（global positioning system, GPS）和伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）信号的伪距多路径效应，结果表明手机的伪距多路径效应相比大地型接收机更为显著；手机占空比是一种为了省电而不连续接收载波相位观测值的机制[4]，在安卓9.0及其后续版本中可以将其关闭，从而可以获得连续的载波相位观测值[7]，为手机端基于载波相位观测值的精密单点定位（precise point positioning, PPP）技术实现创造了条件；文献[8]使用小米8手机在静态开阔环境下采用单频PPP技术，得到水平方向0.81 m和垂直方向1.65 m的定位精度；同样在开阔环境下，文献[9]使用小米8手机测试结果表明，双频PPP在收敛后东、北、天三方向定位精度分别可达0.22、0.04和0.11 m。

从已有文献来看，大多数研究选择在开阔环境下进行手机数据质量和定位性能分析，而对于复杂环境下的手机数据质量特性及其定位性能分析还比较欠缺。基于此，本文分别在开阔、信号塔、河边、树荫和高楼5种不同环境下对比分析手机GNSS数据质量，利用可见卫星数、数据完整率、数据中断次数、载噪比、多路径5个指标，探究在不同环境下GNSS星座和频率间的数据质量特性差异。在此基础上，进一步对手机在静态和动态环境下的PPP定位性能进行了评估。

1 数据采集

本文采用小米8手机进行GNSS数据采集。该手机是发布的第一款具有双频信号的智能终端，配备有博通（Broadcom）公司的BCM47755芯片以及线性极化天线。采集数据软件为Geo++公司开发的与接收机无关的交换格式（receiver independent exchange format，RINEX）数据记录软件[10]。本次实验分别在开阔、信号塔、河边、树荫以及高楼5个环境下进行数据采集，静态模式下观测了约100 min，采样频率为1 Hz。5个不同环境如图1所示。在开阔环境下，增加了一台天宝R9大地型接收机，同步进行数据采集，以便进行对比分析。小米8手机能同时接收到GPS、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）和Galileo 4个星座信号，其中GPS和Galileo可以分别接收L1/L5和E1/E5a双频信号，而GLONASS和BDS只能接收G1和B1单频信号。

图1 小米8手机在5种观测环境下进行GNSS数据采集

2 手机GNSS数据质量分析

2.1 可见卫星数

GNSS可见卫星数反映了手机接收GNSS信号的能力，直接影响了手机的定位性能。同时，不同频率可接收卫星数也直接影响到了PPP中对电离层误差的处理方式，因而本文统计了天宝大地型接收机在开阔环境下和小米8手机在5种不同环境下各频率信号的平均可见卫星总数，如图2所示。由图2可知，在开阔环境下小米8手机在L1/G1/B1/E1频率平均每个历元比天宝接收机少接收超过20颗卫星，在L5/E5a频率比天宝接收机少接收超过4颗卫星，表明小米8手机的卫星接收能力显著弱于天宝接收机。小米8在开阔环境下能接收25颗左右的卫星，在其他环境下接收到的卫星数量略微下降。表1给出了天宝接收机开阔环境和小米8手机在不同环境下各星座各频率的平均卫星数。由表1可知，GPS和BDS的L1/B1频率信号在不同环境下平均接收到的卫星数为5～8颗，而Galileo和GLONASS在E1/G1频率接收到的平均卫星数仅为2～5颗，说明4个星座中GPS和BDS卫星的跟踪性能最好。同时，对于双频GPS和Galileo卫星，在L5/E5a频率接收到的卫星数量均少于对应的L1/E1频率，可能与手机使用具有不规则增益特性的全向线性极化天线有关[11]。

图2 天宝接收机在开阔环境和小米8手机在5种不同环境下平均可见卫星总数

表1 天宝接收机在开阔环境和小米8手机在5种不同环境下平均接收到的可见卫星数量 颗

2.2 数据完整率

数据完整率可以直观反映GNSS信号的整体缺失情况，该值由实际接收数据量与理论接收数据量之比获得。计算公式为

图3给出了天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下4个星座伪距和载波相位观测值的平均数据完整率。由图3可知，天宝接收机伪距和载波相位观测值的数据完整率均在90%左右，而小米8手机相对天宝接收机少了超过30%。整体而言，小米8手机在L1/G1/B1/E1频率的数据完整率比L5/E5a频率高。L5/E5a频率观测值的数据完整率在信号塔、河边、树荫和高楼环境相比L1/G1/B1/E1信号明显下降，尤其在信号塔和高楼环境下降幅度最大，可能是不同频率信号对于电磁辐射和遮挡环境敏感性不同所致。在信号塔、河边、树荫和高楼环境下，相比开阔环境L1/G1/B1/E1频率信号的伪距观测值数据完整率分别减少了3%、2%、8%和12%，L5/E5a频率信号的伪距观测值数据完整率分别减少了14%、10%、13%和23%，L1/G1/B1/E1频率信号的相位观测值数据完整率分别减少了6%、4%、6%和13%，L5/E5a频率信号的相位观测值数据完整率分别减少了9%、4%、8%和17%。

图3 天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下各频率信号平均数据完整率

2.3 数据中断次数

GNSS数据采集时的信号中断会使精密定位中的模糊度参数频繁初始化，进而严重影响精密定位性能。以某颗卫星在某频率的GNSS信号丢失观测值1次记为1次数据中断，表2为天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下GNSS信号中断次数统计表。在开阔环境下的约100 min观测时段内，小米8手机GNSS信号中断次数多达3929次，是天宝接收机的48倍。对于双频GPS与Galileo卫星，在L5/E5a频率的信号更易发生丢失现象，在开阔、信号塔、河边、树荫、高楼5个不同环境中L5/E5a频率上的信号比L1/E1频率信号中断次数分别增加了95%、89%、54%和32%。而在高楼环境中L5/E5a频率上的信号中断次数比L1/E1有所降低，原因可能是：一方面高楼环境下手机接收到的L5/E5a频率观测值比L1/E1频率更少；另一方面，高楼环境下L5/E5a频率的所有伪距和相位观测值更易同时丢失。该情况已在数据完整率中进行了统计，未统计为中断次数。

表2 天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下GNSS信号中断次数 次

2.4 载噪比

载噪比是载波信号接收功率和载波噪声平均功率之比，是表征GNSS原始观测值噪声水平的重要指标，可以直接从RINEX原始观测文件中获得。表3给出了天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下星座间和频率间的载噪比在整个观测时段的平均值。由表3可知，在开阔环境下小米8手机在L1/G1/B1/E1频率的载噪比比天宝低约1～5 dB·Hz，而在L5/E5a频率比天宝接收机低约15 dB·Hz。在L1/G1/B1/E1频率，小米8手机在开阔、信号塔、河边、树荫和高楼 5种环境下GNSS不同星座间的载噪比最大差异分别为3、3.9、4.1、1.1和8.8 dB·Hz，表明环境的变化会在很大程度上影响小米8手机的载噪比。另外，不同环境下的实验均表现出小米8手机在L1/E1频率的载噪比整体大于在L5/E5a频率的载噪比。

表3 天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下观测时段的载噪比平均值 dB·Hz

将不同环境下所有星座载噪比以5°为间隔求取平均值，以分析载噪比与高度角在不同频率下的相关关系。图4展示了天宝接收机在开阔环境和小米8手机在5种不同环境下的载噪比随高度角的变化曲线。在L1/G1/B1/E1频率，天宝接收机和小米8手机的载噪比与高度角均呈明显的正相关关系；而在L5/E5a频率小米8手机的载噪比在5个环境下均呈现与高度角无明显相关关系，其原因可能与手机使用内置线性极化天线有关。另外，在高高度角时手机接收的L5/E5a信号在不同环境下的载噪比差异明显变大，一方面因为在河边和树荫环境高度角大于70°时仅能接收到2～3颗左右卫星，导致统计可能存在一定偏差，另一方面因为高楼环境遮挡了约50°左右的高度角卫星信号，接收到的高度角大于50°的卫星信号增益变大，使得L5/E5a信号载噪比增加。

2.5 多路径效应

GNSS接收机的抗多路径性能主要受采集环境和天线的影响。本文使用双频载波伪距组合观测值计算多路径效应，由于多路径效应难以与噪声分离，因而获取的多路径效应还包含了观测值噪声的影响。计算公式为

小米8手机GNSS 4个星座中仅GPS和Galileo含有双频数据，因此仅对比分析这2个星座的多路径效应。图5是天宝接收机在开阔环境和小米8手机在不同环境下的多路径效应均方根误差（root mean square error, RMSE）对比。均方根误差计算公式为

式中：为均方根误差；为第k（k=1, 2,…, n，n为观测历元数）历元的多路径误差；为多路径效应真值，由于多路径误差作为噪声处理，因此此处真值设为0。由图5可得，天宝接收机在不同星座和频率间的多路径效应RMSE均在0.4 m以下，而小米8手机的多路径效应RMSE是天宝接收机的5倍多，表明手机内置线性极化天线的多路径抑制能力差。另外，河边和高楼环境的强烈信号反射使得河边环境和高楼环境的多路径效应相对较大。5种环境均表现出GPS L1频率的多路径效应相比Galileo E1频率的多路径效应更加显著的特点，而GPS L5频率与Galileo E5a频率信号的多路径效应相近。此外，5种环境也均表现出在L5/E5a信号所遭受到的多路径效应明显小于L1/E1信号的特点，表明L5/E5a信号抑制多路径效应能力更强。

3 手机PPP定位性能分析

3.1 PPP处理策略

前文的数据质量分析结果表明，手机数据接收能力较差，容易造成数据量不足。因此，本文在手机上使用单双频混合的非差非组合PPP（mixed single and dual-frequency undifferenced and uncombined precise point positioning, MIX-PPP）模型[13]以充分利用所有单双频观测数据，并与传统的单频PPP（single-frequency-only precise point positioning, SF-PPP）[8]模型或者双频PPP（dual-frequency-only precise point positioning, DF-PPP）[9]模型进行对比。本文采用武汉大学提供的精密轨道和钟差产品改正卫星轨道和卫星钟差；采用中国科学院的全球电离层产品改正电离层延迟；利用萨斯塔莫宁（Saastamoine）模型对对流层干延迟进行改正，而天顶湿延迟作为一个未知参数进行估计。采用卡尔曼滤波器估计接收机位置、接收机钟差、系统间偏差、天顶湿延迟、电离层延迟和模糊度等未知参数。将接收机位置、天顶湿延迟和电离层延迟估计为随机游走过程，将接收机钟差和系统间偏差估计为白噪声，模糊度则作为一个浮点常数值进行估计。本文采用基于载噪比的随机模型进行观测值定权，定权公式为

3.2 静态测试

将100 min的实验数据划分为2个独立的时段，每个时段长度为50 min。以第1时段为例，图6显示了小米8手机在开阔、信号塔、河边、树荫和高楼5个不同环境下使用SF-PPP、DF-PPP和MIX-PPP模型的水平和垂直方向定位误差时间序列。由图6可知，在树荫和高楼环境下的定位误差序列波动剧烈，其中高楼环境下定位误差最大，甚至无法使用DF-PPP模型进行解算，这是L5/E5a信号在该环境下缺失和中断严重所致。表4给出了2个时段所得定位结果RMSE的平均值。由表4可知，不同环境下的定位结果中，MIX-PPP模型的定位性能最佳，相比DF-PPP和SF-PPP模型，在三维定位精度方面提高了62%和41%。在开阔环境下使用MIX-PPP模型的三维精度可达1.45 m，相比信号塔、河边、树荫和高楼环境分别提高了6%、42%、44%和94%。结果表明，信号塔电磁辐射环境对定位结果有轻微影响，而河边、树荫和高楼等强多路径或遮挡环境对定位结果影响较大。

图6 小米8手机在不同环境下使用不同定位模型的定位误差时间序列

表4 小米8手机在不同环境使用不同定位模型的定位误差RMSE统计值 m

3.3 动态测试

用小米8手机在一段复杂环境路段动态采集GNSS数据，动态实验持续约10 min，运动轨迹如图7所示。在1 km外架设另一台天宝R9大地型接收机作为基准站，使用实时动态差分技术（real-time kinematic, RTK）计算天宝接收机的运行轨迹作为位置参考。图8为动态环境下使用SF-PPP、DF-PPP和MIX-PPP模型的水平和垂直方向定位误差时间序列。表5为对应的定位精度RMSE统计值。与静态实验类似的是，明显可见使用DF-PPP模型的定位误差最大，这是由于手机接收到的L5/E5a频率信号卫星数量不足所致。小米8手机使用MIX-PPP方法三维精度可达2.35 m，相对于DF-PPP和SF-PPP分别提高了87%和36%。

图7 GNSS动态数据采集轨迹

表5 小米8手机在动态环境下使用不同定位模型的定位精度RMSE统计值 m

图8 小米8手机在动态环境下使用不同定位模型的定位误差时间序列

4 结束语

本文首先通过可见卫星数、数据完整率、数据中断次数、载噪比、多路径效应5个指标，对比分析了小米8手机在开阔、信号塔、河边、树荫和高楼5个不同环境下的GNSS数据质量特性。随后对手机在静态和动态环境下的PPP定位性能进行了评估。得出以下结论：

1）对于L1/G1/B1/E1信号，在开阔环境下手机平均每个历元接收到的卫星数量比天宝接收机少20多，其卫星接收能力显著弱于大地型接收机；L5/E5a频率的数据完整率相对L1/E1频率更易受环境因素的影响；在开阔、信号塔、河边、树荫4个不同环境中，L5/E5a信号比L1/E1信号中断次数分别增加了95%、89%、54%和32%，但在高楼环境中，L5/E5a信号中断次数反而少于L1/E1信号。

2）在不同环境下的L1/G1/B1/E1频率信号高度角与载噪比呈明显正相关关系，而L5/E5a频率信号高度角与载噪比无明显相关关系。

3）小米8手机的多路径效应RMSE是天宝接收机的5倍多，表明手机内置的线性极化天线对多路径效应的抑制能力较差。另外，由于河边和高楼环境的信号反射，使得这2种环境下的多路径效应明显较大。

4）使用单双频混合PPP模型在开阔静态环境下其三维定位精度可达1.45 m，相比信号塔、河边、树荫和高楼环境分别提高了6%、42%、44%和94%，动态环境下三维定位精度则降到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. 不同环境下手机GNSS数据质量及PPP性能分析[J]. 导航定位学报, 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

国家重点研发计划项目（2020YFA0713501）；国家自然科学基金项目（42174040）；湖南省自然科学基金项目（2020JJ4111）；湖南省研究生创新项目（CX20200241）。

李燕杰（1997—），男，四川成都人，硕士研究生，研究方向为基于手机端的GNSS精密定位。

蔡昌盛（1977—），男，湖北荆州人，博士，教授，研究方向为GNSS导航和精密定位。