学术交流 | 国产单北斗接收机多路径误差建模与性能评估

[1] 都旭煌,牟猷,邹璇,等. 国产单北斗接收机多路径误差建模与性能评估[J]. 测绘科学, 2024, 49 (9): 11-17.   DOI:10.16251/j.cnki.1009-2307.2024.09.002. 

引言

2024年2月12日，美国白宫科技政策办公室(OSTP),发布了一份对美国国家安全具有重要意义的关键和新兴技术(CET)清单，详细概述了可为美国创新开辟新途径并加强国家安全的技术。与2022年的版本相比，主要变化包括增加了“定位、导航和授时(PNT)技术” [1] 。由于美国将中国视为“最重要的战略竞争对手”,这必将加剧中美在相关技术领域的竞争。同时，作为国家安全PNT体系的核心，这也为我国北斗卫星导航系统的应用发展带来了机遇与挑战。随着全球经济发展和对定位导航服务需求的不断增长，为提升北斗系统相对其他卫星导航系统的核心竞争力 [2] ,规避部分多系统接收机捕获北斗信号时需依赖GPS信号引导而导致的安全隐患，确保北斗系统在关键行业独立自主应用服务的安全性和可靠性，相关单位提出了研制和推广使用国产单北斗接收机的需求 [3] 。目前，国内市场已有数款能够独立接收北斗信号的单北斗接收机产品，鉴于其信号捕获方式的改变，单北斗接收机的多路径误差建模应用服务性能可能受到影响，因此有必要开展国产单北斗接收机的多路径误差建模与性能评估工作。

测站处多路径误差影响是GNSS卫星信号受散射、反射等原因，通过多条路径到达接收机天线而导致观测值出现的偏差，与卫星信号、信号接收设备以及测站观测环境具有较强的相关性，无法采用差分处理、现有改正模型或参数化估计等方法予以消除或削弱 [4] 。针对各测站的具体观测环境进行多路径误差建模，是进一步提升我国北斗系统在复杂应用场景下毫米级数据处理、服务性能的关键技术之一。

如果测站周围观测环境保持不变，则理论上同一方向入射信号所受的多路径误差影响相同。卫星轨道的周期性使得同一颗卫星会在一定时间间隔后出现在测站上空的相同位置，该卫星观测信号所受多路径误差影响也会在相同时间间隔后复现，上述是多路径误差建模的理论基础 [5] 。GNSS精密数据处理过程中，由于接收机钟、卫星钟等误差影响，非差观测信号所含多路径误差影响的绝对量难以精确提取，通过不同测站卫星对间双差观测数据，则可获得尽可能精确的多路径误差观测信息 [6] 。北斗系统设计由高-中-低轨卫星组成 [7] ,其卫星轨道重复周期较为复杂，双差观测值对应的卫星对备选组合及公共重复周期极多 [8] ,采用现有恒星日滤波(sidereal filtering, SF)方法，在坐标域或观测值域进行多路径误差建模和应用时无疑会较为繁琐低效，进而影响多路径效应的建模效果和实际应用的可操作性 [9-10] 。

在空间域对测站多路径误差效应进行描述，同样是削弱其影响的一种有效的解决方案，也是当前的研究热点，此类方法更加适用于北斗系统混合卫星星座组成模式下的多路径误差建模应用。文献 [11]通过获取各测站的非差相位观测值残差，建立了测站经验模型(empirical site model, ESM)来削弱未模型化的测站相关误差。文献 [12]提出了多天线共用时钟的方法，建立多路径误差半天球模型(multipath hemispherical map, MHM)。文献 [13]在MHM模型的基础上，根据相同格网信号方向观测值的载噪比差异，细化考虑了测站周围环境变化对多路径误差效应的影响。由于ESM方法在获取非差残差时的零均值假设在某些情况下存在不合理性 [14] ,文献 [15]直接利用测站间双差观测值残差进行半天球空间域建模，获得了更加精确的GPS多路径误差改正模型(multi-point hemispherical grid model, MHGM)。但对于我国的北斗系统，尤其是针对全国产的单北斗接收机设备，目前尚无相关的研究。

本文采用MHGM方法，利用全国产的单北斗接收机设备，论证评估多路径误差改正在现有北斗地基增强服务中的应用有效性，以及该应用服务模式对于我国北斗卫星导航系统的适用性。

1 北斗系统多路径误差建模方法

采用半天球格网点模型MHGM [15] ,在将测站坐标固定为其已知真值的同时，直接利用测站卫星间模糊度固定时段对应的载波相位双差观测值残差，获取尽可能精确的多路径误差观测信息，对测站处的北斗系统多路径误差效应在空间域进行建模。

2 实验设计与数据处理

为评估基于国产单北斗接收机设备，开展多路径误差建模的应用有效性。本文采用M300 Pro单北斗接收机与PD318多系统接收机设备进行数据采集。其中，M300 Pro这款单北斗接收机现已通过单北斗产品认证，符合CEPREI-131-GM《单北斗芯片认证实施规则》的要求。在武汉市内选择了3处北斗地基增强服务站点，YHYY和WDKJ两个测站均安装在楼顶，DSCZ站安装在地面观测墩，测站间的位置分布如图1所示。

在每个测站处，M300 Pro单北斗接收机和PD318多系统接收机设备通过信号功分器，共用同一套天线(北斗星通GPS1000型)分别进行静态观测(图2)。采集了2024年年积日039-049,合计11 d的观测数据。其中，考虑到北斗系统MEO卫星轨道重复周期为7 d, 采用年积日039-045的观测数据用于北斗系统多路径误差建模，评估该模型对年积日046-049观测数据进行多路径模型改正的应用效果。数据处理的采样间隔统一设置为5 s。

3 结果与分析

根据3个站精确已知的测站坐标，采用武汉大学研发的高精度导航定位数据处理分析软件PANDA,计算模糊度固定时段对应的载波相位双差观测值残差。选取2024年年积日039-045,共计7 d的单北斗B1和B3观测数据，对载波相位无电离层组合观测值进行MHGM多路径误差建模，建模时设定格网间隔d为2°。

由图3左侧的国产单北斗接收机建模结果可见，测站YHYY处的多路径误差效应相对较弱，WDKJ和DSCZ两个测站处则存在一定程度的北斗系统多路径误差干扰现象。进一步结合图3右侧的差异量对比结果可以发现，测站WDKJ和DSCZ处多路径误差影响原本较为严重的区域，在差异量分布结果中大多得到了有效削弱。对于残余的少量不一致部分，分析认为这是由于两套数据模糊度固定时段不一致，即式(2)参与MHGM多路径误差建模的数据时段不一致引起。因此，采用国产单北斗接收机和采用多系统接收机的观测数据，进行北斗系统多路径误差建模，可获得基本一致的多路径误差反演结果。

为评估国产单北斗接收机观测数据进行多路径误差改正的应用效果，图4(a)给出了采用MHGM模型进行多路径改正前后，3个测站间于年积日046-049天、不同测站卫星对双差模糊度固定时段，其载波相位观测值残差均方根(root mean square, RMS)的统计结果，分别用“不改正”和“MHGM改正”进行了标注，其标注后的数值为对应模式下RMS序列的均值。同时，图4(b)也给出了多系统接收机所采集北斗观测数据的处理结果，进行对比分析。

由图4可知，单北斗接收机的观测数据在进行多路径误差模型改正后，各双差模糊度固定时段观测值残差的RMS统计结果得到了较为明显的改善。RMS的均值由2.29 cm降低为1.53 cm, 改善率达到了33.0%。该结果与国产多系统接收机所采集北斗数据的测试结果基本一致。此外，从图4(b)还可发现，有少量双差模糊度固定时段的RMS结果出现了变大的情况，而图4(a)中该现象极少发生。

图4 (c)和图4 (d)则以年积日047,DSCZ和WDKJ两个测站，对C03和C16两颗卫星的同步观测结果为例，给出了采用单北斗接收机和多系统接收机时，该组载波相位双差观测值在进行多路径误差改正前后的残差序列。本次测试过程中，国产单北斗接收机观测数据的多路径误差改正效果，要略优于多系统接收机设备，分析认为该性能差异可能是由于功分器至接收机的线缆、功分器端口隔离度、电压驻波比、相位平衡度和幅度平衡度等因素引起。

图5进一步给出了采用单北斗和多系统接收机设备，所采集北斗数据在进行多路径误差改正前后，其在不同测站卫星对的载波相位双差观测值残差RMS统计结果的分布直方图。无论是国产的单北斗接收机还是多系统接收机，北斗观测数据在进行多路径误差改正前，其载波相位双差观测值残差RMS绝大多数小于3 cm; 进行多路径误差改正后，两类接收机的北斗观测数据，其RMS分别在88.7%和85.2%的情况下小于2 cm, 体现出更优的载波相位双差观测精度。

4 结束语

针对基于全国产单北斗接收机设备，在现有北斗地基增强服务中开展多路径误差建模的应用有效性问题，本文采用半天球格网点建模方法MHGM,通过直接利用双差观测值残差提取尽可能精确的北斗系统多路径误差观测信息，建立了各测站半天球空间域格网化描述的多路径误差改正模型。通过与“零基线”模式布设的PD318多系统接收机测试结果进行对比，论证利用全国产单北斗接收机设备，开展多路径误差建模的应用有效性。测试结果表明，采用新一代国产单北斗接收机，可获得与现有国产多系统接收机性能基本一致的北斗系统应用服务效果。对于本文测试算例，在进行北斗系统多路径模型改正后，其载波相位双差观测值残差的RMS均值，由2.29 cm降低为1.53 cm, 精度改善率达到了33.0%。该测试结果验证了采用国产单北斗接收机设备，在现有北斗地基增强服务中，开展多路径误差建模的应用有效性和潜在的工程化推广价值。

来源：测绘学术资讯