不同环境下手机GNSS数据质量及PPP性能分析_李燕杰.pdf

第 11 卷 第 1 期 导航定位学报 Vol.11，No.1 2023 年 2 月 Journal of Navigation and Positioning Feb.，2023 引文格式：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 environmentsJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(1):80-88.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230112.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）摘要：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。关键词：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）中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)01-0080-09 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）Abstract：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 收稿日期：2022-04-13 基金项目：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）。第一作者简介：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。通信作者简介：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。第 1 期 李燕杰，等.不同环境下手机 GNSS 数据质量及 PPP 性能分析 81 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.Keywords:different environments;smartphone;global navigation satellite system(GNSS);data quality;precise point positioning(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 dBHz；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 dBHz；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