华为P30手机GNSS伪距和相位数据质量评估与厘米级定位

本Loser以前写过用Nexus 9进行单频精密单点定位的实验，之后做了些结果本来想灌水写论文，就没继续写公众号了。然而拖延症严重，后来开始写论文时这个方向已经发了大量论文了，所以是既没有写论文也没有写公众号了，就是这么Loser。最近看见有大佬发论文很深入的研究了华为P30的GNSS数据及其定位结果，所以就搬过来细细读了一下，以下为阅读笔记。

论文题目

Lambert Wanninger,Anja Heßelbarth (2020) GNSS code and carrier phase observations of a Huawei P30 smartphone: quality assessment and centimeter-accurate positioning, GPS Solutions 24:64

摘要

2016年，Google开始提供获取安卓GNSS原始观测数据的应用程序接口。自此，对安卓GNSS原始数据的研究层出不穷。本文对华为P30所搭载麒麟980芯片所提供的80多小时的静态双频GNSS数据的质量进行了分析。相对于大地型接收机进行基线数据处理，结果表明可以成功固定GPS L1的整数模糊度。对GPS L1的天线相位中心进行校正表明水平方向存在相位中心偏差，而对应的相位中心变化不超过1-2厘米。经过模糊度固定后，5分钟静态三维定位误差小于4厘米，更长时间数据可以实现2厘米的三维定位精度。

数据采集

• 设备：华为P30
• 软件：GNSS Logger再转为RINEX数据
• 实验环境：楼顶+野外
• 采集时间： 6-12小时每次，总共>80小时
• 观测数据：GPS L1/L5, GLONASS G1, Galileo E1/E5a, BDS-2 B1, QZSS L5，如表1
• 基线数据处理：相隔数米的Septentrio PolaRx5以及数米远的虚拟参考站（VRS）

表1 华为P30采集观测值种类

图1 华为P30观测环境

信号强度

• 旋转天线，以绘制出不同方位角情况下的信号强度情况，如图2
• 手机GNSS数据大概比大地型GNSS数据低10dB-Hz
• P30的天线增益与入射角关系不大，而大地型天线增益随高度角降低而降低
• 对于GPS L1,删除<35 dB-Hz数据可以有效地删除观测粗差

图2 华为P30 GPS L1和Galileo E5a信号强度

伪距质量

• 评估伪距质量方法

  • 使用双频多路径组合观测值
  • 单频伪距-相位观测值

• 伪距多路径与高度角相关性很小，如图3。高度角加权可能在处理手机GNSS数据中并不是最优的随机模型
  

  图3 华为P30 GPS和Galileo伪距与高度角相关性

• 与有明显的相关性，如图4。建议使用基于对观测值进行定权。
  

  图4 华为P30 GPS和Galileo伪距与信号强度相关性

• 伪距-相位残差标准值，如表2
  

  表2 伪距-相位残差标准值

模糊度固定

• 模糊度固定的可行性评估方法
  • 短基线相对于大地型接收机的双差残差
  • 模糊度受载波相位多路径，噪声，以及差分硬件偏差影响
  • 研究模糊度的非整数部分，如图5
• 只有GPS L1有明显的波峰（集中于0.0表明模糊度越接近整数），而其他信号都不具有这种特性
• 基本上GPS L1，也只有39%模糊度非整数部分出于-0.1 ~ +0.1周内

• 成功进行GPS L1的单频模糊度固定，宽巷是暂时不能用了

  
  
  图5 模糊度的非整数部分分布情况

华为P30天线校正

• 厘米级定位要求精密的天线相位中心（PCO）和变化（PCV）
• 采用GPS L1模糊度固定解进行天线校正，并通过旋转获取不同方位角情况下的结果
• 华为P30相位中心处理手机顶部中央偏右的位置，如图6
• 水平PCO和PCV不超过2厘米，大多数应用可忽略，如图7

图6 华为P30天线相位中心

图7 华为P30 GPS L1天线相位中心及其变化

模糊度固定后相位质量

• 短基线VRS和P30固定模糊度的残差
• 华为P30-VRS单差残差RMS为1-2厘米，比大地型接收机-VRS大2-5倍
• 相位残差存在高度角和的相关性，如图8
  
  图8 华为P30单差GPSL1相位残差与高度角和信号强度相关性

定位结果

• 大约24小时数据，分为5分钟和60分钟的数据组，VRS与华为P30短基线定位，三种模式（只用GPS L1）：
  • 伪距差分DGNSS
  • 浮点相位模糊度解
  • 固定相位模糊度解
• 由于伪距和相位质量比较差，短时间固定模糊度比较难
• 固定模糊后，定位精度有明显提升，如表3和图9

表3 静态定位误差

图9 三种模式的定位精度比较

总结与展望

• 处理手机GNSS数据需要进行三方面改进：粗差剔除，随机模型，模糊度固定阈值
• 仅可以在GPS L1实现模糊度固定
• 总的来说，固定模糊度可以实现短基线静态厘米级精密定位

彩蛋

1. 华为P30的GNSS芯片应该是海思Hi-1103芯片，其集成了GNSS模块
2. 最新的华为P40/Pro系列开始支持BDS三频（华为官网：B1I，B1C，B2a），可能是更新了芯片海思Hi-1105，研究（灌水）的朋友们可以抓紧预定

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