随着智能终端和智慧生活的普及，人们对位置信息的需求也日益增加^[1]，利用智能手机GNSS观测数据实时获取用户位置信息在行人车辆导航、位置共享、智能物流、医疗救护等方面发挥着重要作用，智能手机已经成为向人们提供位置信息的重要载体^[2]。

目前智能手机采用低成本低功耗的天线和芯片，导致GNSS观测值的数据质量远不及测量型接收机等专业设备，从而影响定位精度和可靠性^[3]。国内外部分学者针对手机数据质量和高精度定位开展了大量研究，Liu等^[4]详细分析不同智能终端信噪比的分布情况及其与高度角的关系，并通过短基线站间单差探讨伪距测距误差分布及其与信噪比的关系，结果表明伪距精度与信噪比具有很强的相关性；Robustelli等^[5]基于小米8手机双频数据，分析GPS和Galileo双频数据的信噪比与多路径效应，并通过单频伪距和载波实现m级定位精度；Zhang等^[1]将Nexus 9智能终端和NovAtel接收机组成短基线，分析两台终端GPS L1频点的信噪比，并通过短基线站间单差残差分析两者的伪距测量噪声，结果表明Nexus 9终端的残差在±20 m范围内变化，而NovAtel接收机的伪距残差在±1 m之间，远小于Nexus 9；龚成锴等^[6]将小米8、华为Mate20和测地型接收机的卫星可见性、信噪比、伪距变化率以及在伪距单点定位模式下的定位精度进行对比，实验表明智能手机GNSS信号质量明显弱于测地型接收机且具有不同的变化特征。

随着北斗三号系统的建成，基于我国北斗三号全球卫星导航系统的GNSS定位将成为国产手机定位的主要服务模式。本文研究华为P40手机海思定位芯片北斗三号多频观测数据的质量特性，分析其信号特点及伪距和载波相位噪声，对基于我国北斗系统的国产手机芯片高精度导航定位具有研究意义。

1 实验数据

本文主要对华为P40手机实测GPS和BDS数据进行质量分析，该手机芯片支持GPS系统L1、L5双频以及北斗三号系统B1I、B1C和B2a三频。通过手机内置天线整机以及手机加外置天线两种实验模式，对手机天线和导航芯片进行性能评估。为对手机数据质量进行有效对比分析，实验进一步引入高精度测量型接收机作为参考，因此实验使用内置天线、外置天线和测量型接收机3种设备。

在手机加外置天线实验模式中，手机与测量型接收机共用Trimble扼流圈天线并组成零基线，两者与手机整机均组成超短基线。测量型接收机为和芯星通板卡，支持北斗三号系统三频信号。实验地点为武汉大学信息学部教学实验大楼楼顶，观测环境较为开阔，采样间隔为1 s，实验时间为2020-07-08 08:15:00~2020-07-09 09:45:00。

2 数据质量分析 2.1 卫星可见性

实验对内置天线、外置天线和测量型接收机3种设备的卫星信号跟踪情况进行统计。图 1为内置天线、外置天线和测量型接收机3种实验设备对GPS和BDS的可见卫星数。通过分析GPS和BDS信号的跟踪情况可以看出，3种设备对BDS的可见卫星数明显高于GPS，且在测量型接收机中表现最为明显。对比手机内置天线和外置天线可以发现，两者对GPS和BDS的可见卫星数基本一致，BDS可见卫星数比GPS平均多约3颗，这与当前北斗在轨卫星由北斗二号区域导航系统和北斗三号全球导航系统构成有关。因此在中国境内及周边地区，采用北斗系统比GPS系统具有更稳健的定位导航服务性能^[7]。

2.2 信噪比

信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为载波信号功率P_R与噪声功率N之比，表达式为：

$ {\rm{SNR}} = \frac{{{P_R}}}{N} $

(1)

信噪比与卫星天线、信号传播损耗和接收机硬件密切相关^[8]，其本身包含观测值的质量信息。一般而言，信噪比越高，观测信号的质量越好，接收机信号捕获和跟踪性能越好。将信噪比按高度角求取平均值可以看出，信噪比与高度角具有明显关系^{[4, 8]}。本文实验将信噪比按照5°卫星高度角间隔进行分段，计算每个卫星高度角区间GPS和BDS系统不同频点的信噪比均值，并按卫星统计分析3种设备接收到不同导航卫星信号的信噪比差异。

图 2以GPS G26和BDS C26卫星为例, 展示不同频点信噪比与高度角之间的关系。从图中可以明显看出，无论是内置天线、外置天线还是测量型接收机，在整体趋势上均表现为随着高度角增加信噪比逐渐增大。对于内置天线，虽然整体趋势表现为随着高度角增加信噪比逐渐增大，但在高度角低于30°时信号质量略差，且内置天线GPS系统L5频点和BDS系统B2a频点信噪比显著低于其他频点。

图 3以4颗GPS卫星和4颗BDS卫星为例，统计内置天线、外置天线和测量型接收机3种实验设备对不同频点的信噪比均值。对比内置天线和外置天线可以发现，外置天线各卫星的信噪比普遍高于内置天线，约高4 dB。对GPS系统而言，内置天线L1频点的信噪比明显高于L5频点, 而外置天线两者大小相当。对BDS系统而言，内置天线和外置天线均表现为B1I频点信噪比高于B1C频点，B2a频点信噪比最小。

2.3 多路径效应

多路径误差作为测距信号中的主要误差，会严重影响导航定位精度，且该项误差通过差分或者建模方法进行消除的效果并不理想，因此在数据质量分析时应着重考虑^[5]。在双频观测值可用的情况下，可采用载波与伪距的组合观测值来反映多路径误差。在进行观测值组合分析时，一般选取频率相差较大的两个频点的数据进行组合，否则会放大观测噪声，无法正确反映多路径效应。伪距多路径组合观测值的计算公式可表示为^[8]：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{M}}{{\rm{P}}_i} = {P_i} - \frac{{f_i^2 + f_j^2}}{{f_i^2 - f_j^2}}{\varphi _i}{\lambda _i} + \frac{{2f_j^2}}{{f_i^2 - f_j^2}}{\varphi _j}{\lambda _j}}\\ {{\rm{M}}{{\rm{P}}_j} = {P_j} - \frac{{2f_i^2}}{{f_i^2 - f_j^2}}{\varphi _i}{\lambda _i} + \frac{{f_i^2 + f_j^2}}{{f_i^2 - f_j^2}}{\varphi _j}{\lambda _j}} \end{array}} \right. $

(2)

式中，MP_i和MP_j分别为信号i和j上包含多路径误差和整周模糊度信息的计算量，P_i和P_j分别为信号i和j的伪距观测量，φ_i和φ_j分别为信号i和j的载波相位观测值，f_i、f_j和λ_i、λ_j分别为两个频点的频率和波长。

本文计算GPS和BDS卫星不同频点的多路径误差，分析内置天线、外置天线和测量型接收机3种实验设备时多路径误差和高度角的关系，并统计不同卫星频点多路径误差的RMS。

图 4以GPS G26卫星和BDS C25卫星为例，展示同频点多路径效应与高度角的关系。从图中可以明显看出，内置天线和外置天线的多路径效应与高度角无明显相关性，GPS L5和BDS B2a频点的多路径存在线性系统误差，而测量型接收机多路径变化平滑，因此P40手机终端多路径组合观测值的系统误差可能与终端芯片有关。

为便于分析，图 5以4颗GPS和4颗BDS卫星为例，描述内置天线、外置天线和测量型接收机3种实验设备不同频点多路径误差的RMS统计情况。测量型接收机多路径误差的RMS均小于0.2 m，而对比内置天线和外置天线可以看出，两者多路径效应基本相同，外置天线对于改善多路径效应提升较小，内置和外置天线多路径误差的RMS均处于0.6~1.2 m之间，说明P40手机导航芯片在双频信号接收方面还有较大提升空间。

2.4 零基线伪距和载波相位噪声

组成零基线的两台接收机通过站间单差和星间双差可消除卫星端误差、传播路径误差、接收机钟差和接收机硬件延迟等误差，仅保留观测噪声，因此零基线被广泛用来分析GNSS观测值的噪声特性^[8-16]。零基线双差观测方程可表示为：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\varphi _{br, f}^{pq} = \rho _{br}^{pq}/{\lambda _f} - N_{br, f}^{pq} + \varepsilon _{br, f}^{pq}}\\ {P_{br, f}^{pq} = \rho _{br, f}^{pq} + e_{br, f}^{pq}} \end{array}} \right. $

(3)

式中，f为信号频率，φ为载波相位观测值，P为伪距观测值，N为整周模糊度，ρ为卫星到接收机的几何距离，ε和e分别为伪距和载波相位的观测噪声，上标p和q表示卫星，下标b和r表示接收机。

在手机加外置天线实验模式中，手机和测量型接收机共用Trimble扼流圈天线，并组成零基线。本文通过零基线双差残差分析P40手机GPS和BDS卫星不同频点的伪距和载波相位噪声，并通过静态和动态零基线定位精度分析P40手机海思芯片的定位性能。

图 6以4颗GPS和4颗BDS卫星为例，展示零基线双差残差RMS，从图中可以明显看出，GPS和BDS伪距残差的RMS均小于2 m；GPS系统L5频点和BDS系统B2a频点的伪距噪声显著优于其他频点，均小于0.5 m；而载波相位残差的RMS约为2 mm，可达到测量型设备的噪声精度水平。

从图 7可以看出，GPS系统L5频点和BDS系统B2a频点的伪距噪声显著优于其他频点，而这两个频点的相位残差序列中存在较多离散点，特别是在信号跟踪开始阶段，说明P40手机导航芯片在第二个频点的信号跟踪捕获方面还需进一步优化。

表 1(单位cm)为GPS和BDS静态、动态零基线定位精度，从表中可以看出，24 h零基线静态定位精度达到mm级，动态定位精度达到cm级，说明P40手机海思芯片已具备提供高精度导航定位服务的能力。

3 结语

本文对比分析P40手机内置天线整机、手机加外置天线和测量型接收机3种设备北斗三号系统多频点观测数据的卫星可见性、信噪比和多路径误差，并通过零基线双差残差分析P40手机不同频点的伪距和载波相位观测噪声，统计静态和动态零基线定位精度。通过实验得到以下结论：

1) 在卫星可见性方面，3种实验设备均表现为BDS可见卫星数多于GPS。内置天线和外置天线GPS与BDS的可见卫星数基本一致，说明在中国境内及周边地区，采用北斗系统比GPS系统具有更稳健的导航定位服务性能。

2) 在信噪比方面，3种设备在整体趋势上均表现为随着高度角增加信噪比逐渐增大，而内置天线的信噪比在高度角较低时较差。相比于外置天线和测量型接收机，内置天线的信噪比平均低约4 dB。

3) 在多路径方面，内置天线和外置天线的多路径误差基本相同，均表现出线性系统误差，可能与终端芯片双频信号捕获有关。

4) 在伪距和相位噪声方面，伪距和载波相位噪声均可达到测量型接收机的噪声精度水平，B2a伪距噪声优于0.5 m，3个频点的相位噪声均优于2 mm，零基线定位精度达到mm级，说明P40手机海思芯片具备提供高精度导航定位服务的能力。