智能手机BDS-3/GPS数据质量及SPP性能分析

王瑞光 王中元 胡 超 王阳阳 刘冰雨

1 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏省徐州市大学路1号，221116 2 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽省淮南市泰丰大街168号，232001

2018-05全球第一款搭载BCM 47755 GNSS芯片组的小米8手机发布，其为一款多星座双频GNSS智能手机，同时增加GPS L5频率、QZSS L5频率和Galileo E5a频率[1-2]。小米8手机的发布引起国内外大量学者对智能手机GNSS观测质量和定位质量的研究[3-8]。Liu等[9]对智能手机GNSS原始观测数据质量进行全面研究，结果表明，伪距定位精度与信噪比的相关性比与卫星高度角的相关性更强。Zhang等[10]评估智能手机GNSS原始观测值的质量，结果表明，与测地型接收机相比，智能手机信噪比均值低约10 dB-Hz，采用信噪比相关加权算法后，定位精度得到提升。Zhang等[11]研究分析华为P9智能手机GNSS观测值质量，结果表明，智能手机信噪比均值通常可以达到25 dB-Hz以上，由于智能手机硬件问题，与测地型接收机相比，其信噪比值较低。赵硕等[12]研究分析小米8智能手机GNSS原始观测值质量发现，在理想和复杂实验环境中，与测地型接收机相比，智能手机的原始观测值具有较低的信噪比和更高的多路径效应，同时，相位观测值具有较多周跳。但这些均未涉及BDS-3相关频率的研究。

现在多数手机无法获取载波相位观测值，但普遍可以获取伪距观测值，而伪距定位较载波相位定位更具有普适性。为系统地评估智能手机BDS原始观测数据质量，本文利用Xiaomi 11(青春版)智能手机进行3 h观测时长的静态实验和不同场地的动态实验，采集多系统原始数据，选取信噪比、卫星可视性及伪距噪声等指标对BDS和GPS不同频率的数据质量进行对比研究，同时分析不同频率的单点定位性能。

1 数据质量分析

本文采用Xiaomi 11(青春版)智能手机进行静态和动态数据采集实验，该手机可观测到GPS双频信号(L1/L5)和BDS三频信号(B1I/B1C/B2a)。在手机旁边架设支持三频(L1/L2/L5)GPS和三频(B1I/B2I/B3I)BDS的CHC i70测地型接收机，用于计算手机的坐标参考真值。

静态实验数据采集场景如图1(a)所示，位于江苏省徐州市中国矿业大学环境与测绘学院楼顶，实验场地开阔，测量时手机正面朝上固定于观测台上。动态实验场景如图1(b)所示，动态实验分为两组，一组实验场地位于中国矿业大学南湖校区校园，另外一组实验场地位于中国矿业大学南湖校区体育场。静态实验采样时长为3 h，静态和动态实验采样频率均设置为1 Hz，手机与接收机之间的位置参数信息已提前测量，处理时加以改正。

图1 实验场景Fig.1 Experiment scenario

1.1 卫星可视性分析

图2为静态和动态实验中智能手机观测到的BDS和GPS各个频率的卫星数，结果如表1所示。由于BDS-3星座布局较优和IGSO卫星的加入，智能手机观测到的BDS卫星数高于GPS卫星数。BDS卫星除C59、C60和C61外均能够同时播发智能手机所观测的B1I、B1C和B2a信号，因此，智能手机观测到BDS各个频率的卫星数均高于GPS。智能手机只能观测到BDS中C59、C60和C61卫星的B1I信号，因此，B1I所观测到的卫星数高于其他频率卫星数。在动态实验中，由于GPS星座设计及观测环境较复杂，可观测到的GPS L5频率卫星有限，致使部分历元卫星数低于4，不满足定位需求。

图2 手机观测到BDS和GPS各频率卫星数Fig.2 Number of BDS and GPS satellites observed at each frequency by smartphone

表1 静态和动态实验中观测到的卫星数均值

1.2 信噪比分析

信噪比是指接收机在接收信号过程中信号功率与噪声之比，信噪比可反映实验测量过程中观测卫星的信号噪声水平，信噪比值越低，表示观测质量越差[13]。

1.2.1 静态实验

图3为静态和动态实验中智能手机观测到的BDS和GPS各个频率中卫星信噪比值随观测历元的变化，从上至下分别为GPS L1/L5频率、BDSB1I/B1C/B2a频率，其中每种颜色表示所在频率内的一颗卫星，因卫星数目较多便不再一一列举出卫星编号。结合图3(a)和图4(a)可知，智能手机的GNSS天线成本低，致使信噪比较低，普遍略低于35 dB-Hz，其中B1C频率卫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频率抗干扰能力较强。

图3 智能手机观测的各卫星信噪比值Fig.3 SNR of satellites observed by smartphone

图4 智能手机观测BDS和GPS各频率信噪比均值对比Fig.4 Comparison of mean SNR of BDS and GPSobserved by smartphone at each frequency

1.2.2 动态实验

结合图3(b)、图3(c)和图4(b)可知，动态实验1和实验2中智能手机观测到的BDS和GPS第一频率信噪比均值普遍略高于35 dB-Hz，这是因为在复杂环境中，智能手机不易锁定信号质量差的卫星，导致其信噪比均值比静态数据略高。同时可以看出，在复杂环境中GPS L1和BDS B1C频率抗干扰能力较强。

1.3 伪距噪声分析

伪距噪声泛指导航信号在产生端至接收机端过程中产生或引入的随机误差对伪距测量的综合影响。伪距噪声会影响伪距观测值质量和单点定位精度[14]，本文采用历元间三次差分模型[15]计算伪距噪声，其主要步骤如下。

1)对各频率卫星伪距观测值分弧段计算历元间三次差：

(1)

式中，ρ为伪距观测值，t为观测历元时刻，历元间伪距三次差值用于描述数据质量与历元间的关系。

2)求均值和方差：

(2)

3)对某个频率下所有观测卫星的伪距噪声取均值，作为该频率的伪距噪声观测值。

通过计算发现，B1I频率中IGSO卫星C38、C39和C40伪距噪声值过大，可能是因为其轨道较高。不考虑IGSO卫星，各个频率伪距噪声值如表2所示，GPS L1和BDS B1I伪距噪声值略高于其他频率。图5为GPS和BDS伪距三次差值、信噪比变化，从图中可以看出，信噪比低于28 dB-Hz时伪距三次差值明显更大，表明观测数据质量较差。

表2 静态实验伪距噪声值

图5 伪距三次差值、信噪比变化Fig.5 Variation of pseudo-range triple difference and SNR

2 不同频率SPP性能分析

利用上述采集到的原始观测数据，计算智能手机不同频率的单频单点定位(single point positioning, SPP)精度。采用RTKLIB(v2.4.3 b34)软件进行解算，将接收机观测数据进行GPS和BDS双系统精密单点定位，使用双频无电离层组合进行解算，使用WUM精密轨道和钟差产品，卫星截止高度角为15°，解算结果作为参考值。手机观测数据进行不同频率的单频SPP解算，使用广播星历产品，卫星截止高度角为15°，对流层延迟采用Saastamoinen模型[16]进行修正。手机观测数据解算过程中，将信噪比值低于28 dB-Hz的观测数据剔除，不参与定位解算。由于手机数据质量原因，部分历元SPP结果无法通过残差检验，因此将解算历元数与观测历元数之比定义为定位率，作为定位质量指标之一。

表3为静态实验SPP东、北、天(E、N、U)方向均方根(RMS)值和定位率。就定位率而言，BDS B2a频率表现最为出色，达到99.06%；就定位精度而言，GPS L5频率SPP结果较优，67.19%历元各个方向优于5 m。B1I定位精度较低，结合伪距噪声计算过程分析认为，部分卫星B1I伪距噪声值较大，从而影响定位结果。

表3 静态实验SPP结果

表4为动态实验中各频率SPP结果。就定位率而言，受智能手机可视卫星数量限制，GPS L5频率定位率最低，在环境较为复杂的实验场地1内未解算出结果，在一般开阔环境的实验场地2内定位率低至25.86%。就定位结果而言，GPS L1频率和BDS B1C频率抗干扰能力较强。在动态实验中，定位率比重较大，综合定位精度和定位率可知，BDS B1C频率较优，在两个场地内定位率均达到90%以上，在两个动态实验中E方向优于10 m、N方向优于5 m、U方向在10 m左右。同静态实验一致，BDS B1I频率定位精度较差，又因动态实验场景复杂，其定位精度低于静态实验。结合静态实验可知，动态实验中BDS B2a和GPS L5频率定位精度较低，表明B2a和L5频率抗干扰能力较差。

表4 动态实验SPP结果

3 结 语

本文基于搭载双频GPS和三频BDS芯片的智能手机Xiaomi 11(青春版)进行静态和动态实验，对于其输出的GNSS原始观测数据和SPP结果进行分析。实验结果表明，受限于内置GNSS芯片硬件，智能手机拥有较高的伪距噪声和较低的信噪比值。在静态和动态实验中，智能手机BDS B1I频率定位精度较低，因部分卫星B1I伪距噪声较大，对定位结果产生一定影响；GPS L5和BDS B2a抗干扰能力较弱，GPS L1和BDS B1C抗干扰能力较强。在静态实验中，GPS L5频率SPP结果较优，67.19%历元各个方向优于5 m。在动态实验中，BDS B1C频率SPP结果较优，在两个场地内定位率均达到90%以上，E方向优于10 m、N方向优于5 m、U方向在10 m左右。