王瑞光 王中元 胡 超 王陽陽 劉冰雨

1 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇省徐州市大學(xué)路1號(hào)，221116 2 安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽省淮南市泰豐大街168號(hào)，232001

2018-05全球第一款搭載BCM 47755 GNSS芯片組的小米8手機(jī)發(fā)布，其為一款多星座雙頻GNSS智能手機(jī)，同時(shí)增加GPS L5頻率、QZSS L5頻率和Galileo E5a頻率[1-2]。小米8手機(jī)的發(fā)布引起國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)智能手機(jī)GNSS觀測(cè)質(zhì)量和定位質(zhì)量的研究[3-8]。Liu等[9]對(duì)智能手機(jī)GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行全面研究，結(jié)果表明，偽距定位精度與信噪比的相關(guān)性比與衛(wèi)星高度角的相關(guān)性更強(qiáng)。Zhang等[10]評(píng)估智能手機(jī)GNSS原始觀測(cè)值的質(zhì)量，結(jié)果表明，與測(cè)地型接收機(jī)相比，智能手機(jī)信噪比均值低約10 dB-Hz，采用信噪比相關(guān)加權(quán)算法后，定位精度得到提升。Zhang等[11]研究分析華為P9智能手機(jī)GNSS觀測(cè)值質(zhì)量，結(jié)果表明，智能手機(jī)信噪比均值通常可以達(dá)到25 dB-Hz以上，由于智能手機(jī)硬件問題，與測(cè)地型接收機(jī)相比，其信噪比值較低。趙碩等[12]研究分析小米8智能手機(jī)GNSS原始觀測(cè)值質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，在理想和復(fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，與測(cè)地型接收機(jī)相比，智能手機(jī)的原始觀測(cè)值具有較低的信噪比和更高的多路徑效應(yīng)，同時(shí)，相位觀測(cè)值具有較多周跳。但這些均未涉及BDS-3相關(guān)頻率的研究。

現(xiàn)在多數(shù)手機(jī)無法獲取載波相位觀測(cè)值，但普遍可以獲取偽距觀測(cè)值，而偽距定位較載波相位定位更具有普適性。為系統(tǒng)地評(píng)估智能手機(jī)BDS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文利用Xiaomi 11(青春版)智能手機(jī)進(jìn)行3 h觀測(cè)時(shí)長的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和不同場(chǎng)地的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采集多系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，選取信噪比、衛(wèi)星可視性及偽距噪聲等指標(biāo)對(duì)BDS和GPS不同頻率的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比研究，同時(shí)分析不同頻率的單點(diǎn)定位性能。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

本文采用Xiaomi 11(青春版)智能手機(jī)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，該手機(jī)可觀測(cè)到GPS雙頻信號(hào)(L1/L5)和BDS三頻信號(hào)(B1I/B1C/B2a)。在手機(jī)旁邊架設(shè)支持三頻(L1/L2/L5)GPS和三頻(B1I/B2I/B3I)BDS的CHC i70測(cè)地型接收機(jī)，用于計(jì)算手機(jī)的坐標(biāo)參考真值。

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景如圖1(a)所示，位于江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院樓頂，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開闊，測(cè)量時(shí)手機(jī)正面朝上固定于觀測(cè)臺(tái)上。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1(b)所示，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)校園，另外一組實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)體育場(chǎng)。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)采樣時(shí)長為3 h，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)采樣頻率均設(shè)置為1 Hz，手機(jī)與接收機(jī)之間的位置參數(shù)信息已提前測(cè)量，處理時(shí)加以改正。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.1 Experiment scenario

1.1 衛(wèi)星可視性分析

圖2為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中智能手機(jī)觀測(cè)到的BDS和GPS各個(gè)頻率的衛(wèi)星數(shù)，結(jié)果如表1所示。由于BDS-3星座布局較優(yōu)和IGSO衛(wèi)星的加入，智能手機(jī)觀測(cè)到的BDS衛(wèi)星數(shù)高于GPS衛(wèi)星數(shù)。BDS衛(wèi)星除C59、C60和C61外均能夠同時(shí)播發(fā)智能手機(jī)所觀測(cè)的B1I、B1C和B2a信號(hào)，因此，智能手機(jī)觀測(cè)到BDS各個(gè)頻率的衛(wèi)星數(shù)均高于GPS。智能手機(jī)只能觀測(cè)到BDS中C59、C60和C61衛(wèi)星的B1I信號(hào)，因此，B1I所觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)高于其他頻率衛(wèi)星數(shù)。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，由于GPS星座設(shè)計(jì)及觀測(cè)環(huán)境較復(fù)雜，可觀測(cè)到的GPS L5頻率衛(wèi)星有限，致使部分歷元衛(wèi)星數(shù)低于4，不滿足定位需求。

圖2 手機(jī)觀測(cè)到BDS和GPS各頻率衛(wèi)星數(shù)Fig.2 Number of BDS and GPS satellites observed at each frequency by smartphone

表1 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)均值

1.2 信噪比分析

信噪比是指接收機(jī)在接收信號(hào)過程中信號(hào)功率與噪聲之比，信噪比可反映實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中觀測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)噪聲水平，信噪比值越低，表示觀測(cè)質(zhì)量越差[13]。

1.2.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖3為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中智能手機(jī)觀測(cè)到的BDS和GPS各個(gè)頻率中衛(wèi)星信噪比值隨觀測(cè)歷元的變化，從上至下分別為GPS L1/L5頻率、BDSB1I/B1C/B2a頻率，其中每種顏色表示所在頻率內(nèi)的一顆衛(wèi)星，因衛(wèi)星數(shù)目較多便不再一一列舉出衛(wèi)星編號(hào)。結(jié)合圖3(a)和圖4(a)可知，智能手機(jī)的GNSS天線成本低，致使信噪比較低，普遍略低于35 dB-Hz，其中B1C頻率衛(wèi)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頻率抗干擾能力較強(qiáng)。

圖3 智能手機(jī)觀測(cè)的各衛(wèi)星信噪比值Fig.3 SNR of satellites observed by smartphone

圖4 智能手機(jī)觀測(cè)BDS和GPS各頻率信噪比均值對(duì)比Fig.4 Comparison of mean SNR of BDS and GPSobserved by smartphone at each frequency

1.2.2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

結(jié)合圖3(b)、圖3(c)和圖4(b)可知，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中智能手機(jī)觀測(cè)到的BDS和GPS第一頻率信噪比均值普遍略高于35 dB-Hz，這是因?yàn)樵趶?fù)雜環(huán)境中，智能手機(jī)不易鎖定信號(hào)質(zhì)量差的衛(wèi)星，導(dǎo)致其信噪比均值比靜態(tài)數(shù)據(jù)略高。同時(shí)可以看出，在復(fù)雜環(huán)境中GPS L1和BDS B1C頻率抗干擾能力較強(qiáng)。

1.3 偽距噪聲分析

偽距噪聲泛指導(dǎo)航信號(hào)在產(chǎn)生端至接收機(jī)端過程中產(chǎn)生或引入的隨機(jī)誤差對(duì)偽距測(cè)量的綜合影響。偽距噪聲會(huì)影響偽距觀測(cè)值質(zhì)量和單點(diǎn)定位精度[14]，本文采用歷元間三次差分模型[15]計(jì)算偽距噪聲，其主要步驟如下。

1)對(duì)各頻率衛(wèi)星偽距觀測(cè)值分弧段計(jì)算歷元間三次差：

(1)

式中，ρ為偽距觀測(cè)值，t為觀測(cè)歷元時(shí)刻，歷元間偽距三次差值用于描述數(shù)據(jù)質(zhì)量與歷元間的關(guān)系。

2)求均值和方差：

(2)

3)對(duì)某個(gè)頻率下所有觀測(cè)衛(wèi)星的偽距噪聲取均值，作為該頻率的偽距噪聲觀測(cè)值。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，B1I頻率中IGSO衛(wèi)星C38、C39和C40偽距噪聲值過大，可能是因?yàn)槠滠壍垒^高。不考慮IGSO衛(wèi)星，各個(gè)頻率偽距噪聲值如表2所示，GPS L1和BDS B1I偽距噪聲值略高于其他頻率。圖5為GPS和BDS偽距三次差值、信噪比變化，從圖中可以看出，信噪比低于28 dB-Hz時(shí)偽距三次差值明顯更大，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。

表2 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)偽距噪聲值

圖5 偽距三次差值、信噪比變化Fig.5 Variation of pseudo-range triple difference and SNR

2 不同頻率SPP性能分析

利用上述采集到的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算智能手機(jī)不同頻率的單頻單點(diǎn)定位(single point positioning, SPP)精度。采用RTKLIB(v2.4.3 b34)軟件進(jìn)行解算，將接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS和BDS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位，使用雙頻無電離層組合進(jìn)行解算，使用WUM精密軌道和鐘差產(chǎn)品，衛(wèi)星截止高度角為15°，解算結(jié)果作為參考值。手機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同頻率的單頻SPP解算，使用廣播星歷產(chǎn)品，衛(wèi)星截止高度角為15°，對(duì)流層延遲采用Saastamoinen模型[16]進(jìn)行修正。手機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)解算過程中，將信噪比值低于28 dB-Hz的觀測(cè)數(shù)據(jù)剔除，不參與定位解算。由于手機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量原因，部分歷元SPP結(jié)果無法通過殘差檢驗(yàn)，因此將解算歷元數(shù)與觀測(cè)歷元數(shù)之比定義為定位率，作為定位質(zhì)量指標(biāo)之一。

表3為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)SPP東、北、天(E、N、U)方向均方根(RMS)值和定位率。就定位率而言，BDS B2a頻率表現(xiàn)最為出色，達(dá)到99.06%；就定位精度而言，GPS L5頻率SPP結(jié)果較優(yōu)，67.19%歷元各個(gè)方向優(yōu)于5 m。B1I定位精度較低，結(jié)合偽距噪聲計(jì)算過程分析認(rèn)為，部分衛(wèi)星B1I偽距噪聲值較大，從而影響定位結(jié)果。

表3 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)SPP結(jié)果

表4為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中各頻率SPP結(jié)果。就定位率而言，受智能手機(jī)可視衛(wèi)星數(shù)量限制，GPS L5頻率定位率最低，在環(huán)境較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地1內(nèi)未解算出結(jié)果，在一般開闊環(huán)境的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地2內(nèi)定位率低至25.86%。就定位結(jié)果而言，GPS L1頻率和BDS B1C頻率抗干擾能力較強(qiáng)。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，定位率比重較大，綜合定位精度和定位率可知，BDS B1C頻率較優(yōu)，在兩個(gè)場(chǎng)地內(nèi)定位率均達(dá)到90%以上，在兩個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中E方向優(yōu)于10 m、N方向優(yōu)于5 m、U方向在10 m左右。同靜態(tài)實(shí)驗(yàn)一致，BDS B1I頻率定位精度較差，又因動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景復(fù)雜，其定位精度低于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合靜態(tài)實(shí)驗(yàn)可知，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中BDS B2a和GPS L5頻率定位精度較低，表明B2a和L5頻率抗干擾能力較差。

表4 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)SPP結(jié)果

3 結(jié) 語

本文基于搭載雙頻GPS和三頻BDS芯片的智能手機(jī)Xiaomi 11(青春版)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于其輸出的GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和SPP結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，受限于內(nèi)置GNSS芯片硬件，智能手機(jī)擁有較高的偽距噪聲和較低的信噪比值。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，智能手機(jī)BDS B1I頻率定位精度較低，因部分衛(wèi)星B1I偽距噪聲較大，對(duì)定位結(jié)果產(chǎn)生一定影響；GPS L5和BDS B2a抗干擾能力較弱，GPS L1和BDS B1C抗干擾能力較強(qiáng)。在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，GPS L5頻率SPP結(jié)果較優(yōu)，67.19%歷元各個(gè)方向優(yōu)于5 m。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，BDS B1C頻率SPP結(jié)果較優(yōu)，在兩個(gè)場(chǎng)地內(nèi)定位率均達(dá)到90%以上，E方向優(yōu)于10 m、N方向優(yōu)于5 m、U方向在10 m左右。