低成本μ-blox單頻多系統GNSS接收機的定位性能分析

龍馳宇, 溫強

(1. 武漢大學 測繪學院,湖北 武漢430079; 2. 武漢大學 衛星導航定位技術研究中心,湖北 武漢430079)

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)定位結果受接收機和天線等硬件的影響,面向不同市場應用的接收機在穩定性、接收信號質量和衛星信號可觀測性等方面會表現出很大的差異[1-2]. 因此,在同樣的環境條件下,GNSS定位精度的高低受制于接收機和天線本身的衛星信號處理能力. 當前的GNSS接收機主要分為用于消費市場的低成本接收機和用于科研、工程領域的測量型接收機. 測量型接收機由于使用了高性能的硬件以及復雜的信號跟蹤處理算法[3],一般能夠同步跟蹤雙頻甚至更多頻的多系統載波相位、偽距和多普勒等觀測值. 同時,測量型接收機配有高精度天線,可以更好地抑制多路徑效應等誤差的影響,從而獲得更高質量的觀測信號. 因此,測量型接收機在信號可觀測性、穩定性以及觀測信號質量方面表現優異,可以實現厘米乃至毫米級的高精度定位. 相比之下,用于大眾市場的低成本接收機一般僅能提供米級的定位精度[4-5]. 由于接收機成本的限制,目前市場上新型主流的低成本GNSS接收機僅能接收單頻雙系統GPS/GLONASS的觀測數據,并且所使用的多是低成本天線,其多路徑噪聲抑制能力較差,并且具有較低的信噪比.

測量型GNSS接收機雖然可以提供很高的測量精度,但是由于其價格昂貴,體積和質量較大,超過了大眾消費市場的成本承受能力,并且無法安置在平臺較小的設備上,從而制約了其應用[6],因此低成本高精度接收機的研發及其數據處理理論的發展成為現在位置服務市場的迫切需求. 截至目前,面向大眾市場的μ-blox接收機不僅成本低,能夠為大眾市場所接受,而且體積質量都很小,可以滿足小型平臺對GNSS接收機對體積和載荷的限制性要求[7],為消費市場的各種應用實現提供了較好的備選方案.

本文基于μ-blox M8P低成本GNSS接收機進行測試,分析其觀測數據質量與靜態模式和車載動態模式下的單頻載波相對定位的性能,為基于載波的低成本單頻GNSS高精度定位的實際應用提供有益參考.

1 觀測模型

GNSS單頻偽距和載波相位的觀測方程一般表示為[8]

(1)

GNSS定位方式主要包括單點定位和相對定位,且基于不同類型的觀測值可提供不同量級的定位精度. 其中基于載波相位觀測值的相對定位和精密單點定位(PPP)技術是實現GNSS高精度定位的主流技術[8]. 基于載波相位觀測值的相對定位,接收機端和衛星端的鐘差、硬件延遲以及衛星軌道誤差被消除,空間相關性較強的電離層延遲和對流層延遲被削弱甚至可忽略不計,因此基于短基線的載波相對定位通常可以實現厘米級甚至毫米級定位精度. 本文將采用相對定位模式對低成本接收機的定位性能做評估分析.

2 實驗與分析

本文基于低成本GNSS接收機和低成本貼片天線的實測數據,首先對數據質量進行分析,然后進行靜態定位和動態車載定位性能分析. 所使用的低成本接收機和天線為可以接收單頻GPS/GLONASS雙系統觀測數據的新型μ-blox M8P接收機及其配帶的ANN-MS貼片型天線.

2.1 靜態實驗測試

為了測試μ-blox M8P接收機靜態環境下能夠達到的定位精度,本實驗在較為開闊的環境進行了17個小時靜態連續觀測. 數據采集時間為2018年6月4日07:00:00協調世界時(UTC)至2018年6月4日24:00:00 UTC,觀測值為單頻GPS/GLONASS偽距觀測值和載波相位觀測值,采樣率為1 Hz. 數據采集地點為武漢大學信息學部教學實驗大樓樓頂,μ-blox M8P和Trimble NetR9觀測條件一致. 在測試前已經通過雙頻接收機數據解算精確測定兩臺接收機天線所在位置坐標,精度可達2 mm, 可以作為兩臺天線位置的參考真值.

2.1.1 數據質量分析

本節將從載噪比、偽距及載波相位觀測噪聲等方面分析低成本接收機μ-blox的數據質量.

1)載噪比

接收機測量的載噪比是指載波信號與噪聲的能量密度之比,與信號強度息息相關. 載噪比是信號在整個傳輸過程中經過增益和損耗的結果,受到衛星有效載荷、衛星天線、傳播路徑、接收機等的影響[9]. 因此,通過與相同測試環境下的高精度接收機的載噪比比較,可以反映出低成本接收機的觀測信號強度和質量.

如圖1所示，對比了兩種接收機測量的GNSS載噪比與高度角的關系,其以5°為單元劃分0°～90°高度角,統計每單元內兩種接收機所接收的所有GPS和GLONASS衛星信號載噪比的均值.其中不同形狀代表不同的接收機和不同的衛星系統. 如圖1中高度角37.5°處的星形點表示μ-blox接收機所接收的高度角在35°～40°內的GPS衛星的信號載噪比均值. 除衛星高度角在10°～15°外,Trimble接收機所測量GPS信號載噪比均略大于μ-blox接收機所測量的GPS信號載噪比,兩種接收機所測量GLONASS信號載噪比值相近. 除個別高度角區段,兩種接收機在同等高度角下測量的GLONASS信號載噪比值均小于GPS信號載噪比值. μ-blox接收機接收到的信號載噪比隨高度角降低而減小,這與Trimble接收機相似,所以μ-blox接收機可采用與測量型接收機同樣的觀測值定權方式,即高度角定權.

圖1 Trimble和μ-blox的GNSS信號載噪比與高度角關系(其中R代表GLONASS衛星,G代表GPS衛星)

2)觀測值噪聲

偽距噪聲和載波相位噪聲可用于評估接收機觀測質量. 為了確定觀測值的噪聲,本文采用三階導數法[10]. 三階導數法的原理是假定觀測值的高頻信息等價于噪聲,通過對觀測值的微分來確定觀測值的噪聲. 該方法使用連續的四個歷元進行差分,消除了大氣延遲、部分多徑誤差和幾何距離等低頻信息. 在歸一化后,三階導數的標準差可以被用作觀測值噪聲的度量[11].

用CP(i)表示歷元i的載波相位測量值,CPN表示載波相位噪聲,用三階導數法計算CPN的公式如下:

CPN=

(2)

用P(i)表示歷元i的偽距測量值,PN表示偽距噪聲,用三階導數法計算PN的公式如下:

PN=

(3)

三階導數法解算觀測噪聲可以自動排除測量偏差等信息,但在估計載波相位噪聲的時候,有兩點需要注意.第一點是,低成本接收機的鐘噪聲往往具有與載波相位熱噪聲相同甚至更高的數量級,這意味著三階導數法無法分離鐘噪聲和相位熱噪聲.第二點是,載波相位測量值中可能存在周跳,當探測到周跳時需要將其從載波相位測量值中排除.

圖2和圖3分別示出了Trimble和μ-blox所采集靜態數據中的GPS和GLOANSS偽距噪聲和載波相位噪聲,不同顏色表示不同的衛星.從圖2中可看出兩種接收機所觀測的GLONASS偽距噪聲標準差均大于所觀測的GPS偽距噪聲標準差20 cm左右.Trimble接收機觀測的GPS偽距噪聲標準差為0.25 m,約小于μ-blox接收機觀測的GPS偽距噪聲的標準差0.07 m;Trimble接收機觀測的GLONASS偽距噪聲標準差為0.45 m,約小于μ-blox接收機觀測的GLONASS偽距噪聲的標準差0.09 m. 兩種設備的正常偽距噪聲穩定度相近,但μ-blox接收機觀測的偽距存在較多的非正常噪聲,本文認為這些非正常噪聲是粗差,造成了μ-blox 接收機的偽距觀測值標準差偏大. 圖3示出了Trimble接收機所觀測的GPS和GLONASS信號的載波相位噪聲標準差均在0.0050 cycle左右,μ-blox接收機觀測的標準差均在0.0194 cycle左右. 圖3中還示出GPS與GLONASS信號的載波相位噪聲標準差十分接近. 可見由于硬件性能上的差異,相較測量型接收機,低成本接收機μ-blox M8P所測量的偽距和載波相位均具有較大的測量噪聲,其偽距測量存在較多粗差,載波相位噪聲比測量型接收機的大一個量級.

圖2 Trimble和μ-blox所采集靜態數據中GPS與GLONASS信號的偽距噪聲

圖3 Trimble和μ-blox所采集靜態數據中GPS與GLONASS信號的載波相位噪聲

2.1.2 偽距單點定位精度

為了評估低成本接收機偽距定位精度,首先進行的是偽距單點定位的處理.在偽距單點定位中,所使用的是戈達德航天中心(GSFC)發布的廣播星歷,電離層延遲使用Klobuchar模型進行改正,對流層延遲使用Saastamoinen經驗模型進行改正,截止高度角設置為10°.

圖4、5、6分別示出了Trimble NetR9和μ-blox M8P接收機單頻GPS、GLONASS、GPS/GLONASS偽距單點定位的誤差. 如圖4所示,單頻GPS偽距單點定位時,Trimble接收機E/N/U三個方向的定位誤差均方根(RMS)值分別為0.59 m、0.94 m、1.38 m, μ-blox 接收機E/N/U三個方向的定位誤差RMS分別為0.75 m、0.99 m、1.71 m. 單頻GLONASS偽距單點定位時,如圖5所示,Trimble接收機E/N/U三個方向的定位誤差RMS分別為1.81 m、1.90 m、6.71 m,μ-blox 接收機E/N/U三個方向的定位誤差RMS分別為3.02 m、3.27 m、8.30 m. 可見,與GPS相比,兩種接收機的GLONASS偽距定位誤差均較大,且存在定位異常. 而采用單頻GPS/GLONASS組合偽距單點定位時,如圖6所示,Trimble接收機E/N/U三個方向的定位誤差RMS分別為0.65 m、0.94 m、1.33 m, μ-blox 接收機E/N/U三個方向的定位誤差RMS分別為0.81 m、1.16 m、1.90 m. 其結果優于GLONASS結果,且與GPS結果趨近. 在靜態模式下,低成本接收機GLONASS偽距單點定位的誤差最大,GPS偽距單點定位的誤差最小,GPS偽距單點定位水平精度優于1 m,垂直精度優于2 m.

在數據質量分析中,經分析得出了同等高度角下,GLONASS衛星載噪比小于GPS衛星載噪比,且GLONASS信號的偽距噪聲大于GPS信號偽距噪聲. 因此,這導致了靜態GLONASS偽距單點定位的誤差顯著大于GPS/GLONASS結合和GPS單系統的結果. 同時,由于GLONASS廣播星歷精度沒有GPS的高,導致了GPS/GLONASS結合時偽距單點定位的精度反而不如GPS單系統. 此外,μ-blox接收機測量的偽距噪聲大于Trimble接收機測量的偽距噪聲,且載噪比小于Trimble接收機的,這導致了μ-blox接收機的偽距單點定位結果差于Trimble接收機的偽距單點定位結果.

圖4 Trimble 和 μ-blox 靜態GPS偽距單點定位誤差對比圖

圖5 Trimble 和 μ-blox 靜態GLONASS偽距單點定位誤差對比圖

圖6 Trimble 和 μ-blox 靜態GPS/GLONASS結合偽距單點定位誤差對比圖

2.1.3 短基線相對定位精度

為了測試靜態條件下低成本接收機相位觀測值定位精度,本文對兩種接收機數據進行了短基線相對定位的處理.基準站選取為距離實驗地點約430 m的IGS觀測站WUHN站,采用單頻GPS/GLONASS雙系統觀測數據,采樣率為1 Hz,截止高度角設為10°. 圖7、8、9分別表示靜態短基線相對定位模式下,μ-blox低成本接收機和Trimble高精度接收機GPS單系統相對定位、GLONASS單系統相對定位、GPS/GLONASS組合相對定位的結果. 如圖7所示,μ-blox低成本接收機GPS單系統相對定位結果差于測量型接收機結果,其E/N/U三方向上RMS分別為0.34 cm、0.41 cm、1.11 cm,比Trimble的E/N/U三方向RMS分別大0.21 cm、 0.25 cm、0.48 cm. 如圖8所示,μ-blox定位結果在三方向上RMS分別為7.26 cm、2.68 cm、2.48 cm,比Trimble的E/N/U三方向RMS分別大7.88 cm、2.76 cm、5.27 cm,而兩種接收機GLONASS單系統相對定位結果誤差都很大,且局部定位結果不穩定有較大起伏,這可能是在此時間段GLONASS可用衛星數較少造成的. 如圖9所示,μ-blox低成本接收機GPS/GLONASS組合相對定位結果差于測量型接收機結果,其E/N/U三方向上RMS分別為0.29 cm、0.32 cm、0.93 mm,比Trimble的E/N/U三方向RMS分別大0.35 cm、0.47 cm、0.77 cm. 通過對比μ-blox低成本接收機三個系統的載波相對定位結果,可知在GPS觀測衛星足夠多時,與GLONASS組合的相對定位并沒有改善定位結果,有時甚至更差,但GPS/GLONASS雙系統組合對測量型接收機的相對定位結果有顯著提升,此差異可能是由于兩種接收機對GLONASS衛星觀測的數據質量差異造成的.

相對定位結果受接收機的載波相位噪聲的影響,在觀測值的質量分析中,可得出μ-blox接收機的載波相位噪聲大于Trimble接收機的一個數量級,且對于所有可用衛星整體而言,μ-blox低成本接收機所接收衛星信號的載噪比較小,因此導致了μ-blox低成本接收機的定位結果較差. 但在良好的觀測環境下,基于μ-blox低成本接收機組合GPS/GLONASS相對定位,或GPS單系統相對定位仍可以提供亞厘米至厘米級的高精度定位服務.

圖7 Trimble和μ-blox靜態短基線GPS相對定位誤差對比圖

圖8 Trimble和μ-blox靜態短基線GLONASS相對定位誤差對比圖

2.2 動態車載實驗測試分析

為了測試低成本接收機動態定位性能,本文設計了在城市環境下的動態車載實驗.測試地點為武漢市高新技術開發區,數據采集時間為2018年6月27日上午10時至12時,所使用接收機采樣率均為1 Hz. 測試路線如圖10所示,實驗中行車環繞此區域共5圈. 數據處理中分別采用GPS/GLONASS組合及單GPS載波相位相對定位解算,其中基準站為Trimble NetR9 接收機,安置在測區內(圖10右下角). 實驗中試驗車車頂分別安置了一臺Trimble NetR9接收機和一臺μ-blox M8P接收機,兩者之間的相對位置固定且測定. 本文將車頂Trimble NetR9接收機解算出的軌跡作為參考軌跡,將低成本接收機解算的軌跡與參考軌跡進行求差對比. 如圖11中左側的三條曲線所示,GPS/GLONASS組合相對定位E/N/U三方向上的定位誤差RMS分別為 0.73 m、 1.38 m和0.82 m;如圖11中右側的三條曲線所示,GPS單系統相對定位E/N/U三方向上的定位誤差RMS分別為1.18 m、1.59 m和0.99 m,這說明在信號受限的環境下,雙系統相對定位提供了更穩定的結果. 由于城市環境下車道兩側多高大建筑物,對GNSS信號會產生很大的遮擋,并且低成本的μ-blox接收機所使用的貼片天線抗多路徑差,而城市環境下多路徑噪聲嚴重,所以其在城市環境下動態實驗結果的精度只有亞米級至米級. 這說明低成本接收機若想投入到自動駕駛等要求更高動態定位精度的領域使用,在接收機硬件及數據處理策略上還需做出改進.

圖10 動態車載實驗路線圖

圖11 低成本接收機μ-blox定位結果誤差

3 結束語

本文對低成本單頻多系統GNSS接收機μ-blox M8P進行了不同場景下定位精度的測試分析,通過與測量型接收機的定位結果對比,得出如下結論:

1)低成本接收機μ-blox M8P所測量GPS信號載噪比總體小于測量型接收機,所測量GLONASS信號載噪比總體與測量型接收機相近.

2)低成本接收機μ-blox M8P所測量的偽距和載波相位均具有較大的測量噪聲,其偽距測量存在較多粗差,載波相位噪聲比測量型接收機的大一個量級.

3)在靜態模式下,低成本接收機GPS偽距單點定位水平精度優于1 m,垂直精度優于2 m,而采用短基線載波相位相對定位,可以實現厘米級的定位精度,具有很好的應用前景.

4)在車載動態模式下,低成本接收機能夠提供亞米級到米級的定位精度.但是對于自動駕駛等需要分米級定位精度的應用,低成本接收機還需要做出改進.

5)在優越環境下,GPS/GLONASS雙系統對低成本接收機定位性能提升不顯著甚至變差,但在信號受限環境下,雙系統能夠提供更穩定的定位結果.