5G微基站環(huán)境下GNSS接收機性能及觀測質(zhì)量分析

孟慶波，王亮亮，王晨旭

(齊魯空天信息研究院， 濟南 250010)

0 引言

我國已全面進入5G商用時代。截至2021年3月底，我國已建成5G各類基站81.9萬個。5G基站是5G通信組網(wǎng)的核心設(shè)備，由于5G 信號頻率較高，在信號傳播過程中衰減較大，因此5G基站建成密度較高。根據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行基準站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)基準站需遠離無線電發(fā)射源至少200m，由于建設(shè)條件限制，當前部分5G微基站與全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satel-lite System，GNSS)差分基準站不可避免地存在建設(shè)距離較近的情況，所以確定5G微基站及其通信信號頻段對GNSS接收機工作性能及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，對于今后衛(wèi)星導航定位GNSS差分基準站的建設(shè)及維護工作十分有意義。

當前學者針對5G對于衛(wèi)星信號觀測質(zhì)量影響進行量化分析的研究相對較少，研究方法較為單一。徐姍姍通過探討5G基站對C波段廣播衛(wèi)星接收站的干擾，提出了加裝濾波器、合理選址等建議，但未對5G信號對于衛(wèi)星觀測信號的影響繼續(xù)做量化研究；趙利江等通過TEQC軟件分析中國移動信號基站發(fā)出的五種不同通信頻段對GPS信號的影響；張勝等在北斗地基增強站與 5G 通信基站共址可行性研究中，同樣利用分析軟件對觀測數(shù)據(jù)的完好性、多路徑效應(yīng)等進行分析。以上研究通過觀測質(zhì)量分析軟件得出，在一定范圍內(nèi)5G基站對于差分基站的影響可以忽略，但未對5G基站對于GNSS衛(wèi)星的不同頻段、偽距和載波相位觀測產(chǎn)生的影響做深入的量化研究，且未具體說明影響程度的大小。

除使用GNSS觀測質(zhì)量分析軟件外，零基線檢驗法也是檢定觀測噪聲影響及評估接收機性能的常用方法。零基線檢驗本質(zhì)上是采用雙差觀測方程進行數(shù)據(jù)解算，消除了一系列影響觀測精度的誤差來源[6-7]，如電離層延遲、對流層延遲、軌道誤差、衛(wèi)星鐘誤差、接收機鐘誤差等，得到的基線偏差反映了5G基站噪聲和接收機內(nèi)部噪聲影響，據(jù)此來評估接收機性能質(zhì)量水平與數(shù)據(jù)可信性。

本文采用零基線雙差殘差評估法，在消除各種誤差之后，得到反映5G微基站對接收機影響的觀測噪聲的殘差序列，并通過對比相對定位結(jié)果，對5G微基站環(huán)境下GNSS接收機工作性能及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行詳細的量化評估。

1 零基線雙差觀測模型

兩臺GNSS接收機天線的相位中心相對距離為零時，即為零基線。兩臺接收機通過功分器同時使用同一個天線接收導航衛(wèi)星信號時，由于共用同一個天線，天線相位中心相對距離為零，從而實現(xiàn)零基線觀測，布設(shè)原理如圖1所示。

圖1 零基線觀測示意圖Fig.1 Zero baseline observation

零基線的偽距觀測值和載波相位觀測方程可表示為

(1)

在測站、單差觀測的基礎(chǔ)上，以衛(wèi)星、之間做星間差分，得到最終雙差觀測方程

(2)

零基線接收機觀測同一衛(wèi)星時，通過差分消除了衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲、接收機鐘差和多路徑效應(yīng)等。剩余的觀測值噪聲主要是由接收機內(nèi)部噪聲引起, 由于5G微基站通過帶外射頻干擾對接收機產(chǎn)生內(nèi)部噪聲影響，零基線雙差殘差可通過反映接收機間內(nèi)部噪聲水平情況，間接反映5G微基站影響。

2 實驗及結(jié)果分析

在科技館樓頂通過自建基準站進行零基線數(shù)據(jù)觀測采集。樓頂設(shè)有固定底座型號為JCA229的北斗星通3D扼流圈天線，距離天線14.75m外建設(shè)有中國移動通信的華為5G微基站，設(shè)備及位置如圖2所示。經(jīng)過功分器將GNSS衛(wèi)星信號分為兩路，同時傳輸給一對北斗星通UR4B0全系統(tǒng)全頻點GNSS高精度基準站接收機，設(shè)定采樣間隔為10s，衛(wèi)星高度截止角為20°，采用零基線雙差處理靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，分別獲取到偽距和載波相位的觀測殘差。

圖2 零基線觀測實驗Fig.2 Zero baseline observation experiment

2.1 數(shù)據(jù)完整性及多路徑效應(yīng)

由于觀察環(huán)境中存在遮擋或接收機噪聲，以及數(shù)據(jù)生成和傳輸過程中的缺失等影響，最終得到的觀察數(shù)據(jù)文件會存在不同程度的丟失，造成數(shù)據(jù)觀察質(zhì)量下降。數(shù)據(jù)完整率可以反映觀察時段內(nèi)數(shù)據(jù)的可用性及完好性，既可以體現(xiàn)環(huán)境影響因素，又可以反映接收機性能。數(shù)據(jù)完整率為觀察時間段內(nèi)，可用觀測歷元數(shù)據(jù)占所有觀測歷元的比例。

當天線周圍存在強反射物體時，衛(wèi)星信號經(jīng)反射會與來自衛(wèi)星的直接信號一同進入接收機并產(chǎn)生干涉，嚴重損害GNSS測量精度，甚至引發(fā)信號失鎖。通過載波相位和偽距計算所有頻率偽距多路徑誤差的公式為

(3)

式中：、分別代表雙頻偽距觀測值和雙頻載波相位觀測值；為信號頻率；在建立基準站時，多路徑效應(yīng)一般要滿足：MP≤0.35m，MP≤0.45m。

Anubis作為目前國際上應(yīng)用成熟的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核軟件，其檢核結(jié)果可以作為參考。得到數(shù)據(jù)完整率結(jié)果如表1所示，各系統(tǒng)多路徑誤差如圖3所示。

表1 實驗測站數(shù)據(jù)完整率處理結(jié)果

圖3 各導航系統(tǒng)多路徑誤差Fig.3 Multi-path error of the navigation systems

從圖1和表3可以看出，在實驗觀測階段，數(shù)據(jù)觀測的完整率可以達到94.5%，且多路徑效應(yīng)均值指標均滿足要求，在0.1～0.25m以內(nèi)，這反映了接收機運行穩(wěn)定正常。實際指標遠小于要求，這和接收機天線位于樓頂開闊地無遮蔽，及5G微基站電磁環(huán)境對接收機、天線工作影響較小有關(guān)。從完整觀測數(shù)/跳變數(shù)比值o/slps可以看出，站點周跳次數(shù)很小，表明觀測環(huán)境良好，接收機在5G微基站電磁環(huán)境下仍運行良好。

2.2 零基線觀察分析

在零基線測試中，使用測站間與衛(wèi)星間觀測值雙差操作，可以消除除觀察值以外的其他誤差項，雙差載波相位和偽距觀測值計算公式為

(4)

從式(4)可以看出，零基線雙差偽距觀測值僅包含觀測值噪聲，可以直接進行統(tǒng)計分析，以評估偽距觀測噪聲水平的影響。而雙差載波相位觀測值除了觀測噪聲，還包含雙差模糊度項。對于GPS、BDS、GALILEO系統(tǒng)，觀測值雙差之后，雙差模糊度已十分接近整數(shù)值，可以取整以獲取雙差模糊度。由于GLONASS采用頻多分址，雙差模糊度非整數(shù)值，不可直接取整?？紤]模糊度參數(shù)可以當作常數(shù)直接處理，可將雙差序列均值作為模糊度項進行剔除，然后進行統(tǒng)計分析。

根據(jù)上述方法，對BDS(B1/B2/B3)和GPS(L1/L2)頻段的觀測進行統(tǒng)計分析，評估5G微基站對于接收機觀測的影響。圖4～圖7所示為零基線觀測數(shù)據(jù)計算獲取的載波相位殘差及偽距殘差，雙差模糊度項已按照前述方法進行剔除。

(a) L1

(b) L2圖4 GPS(L1/L2)雙頻載波相位雙差殘差Fig.4 GPS (L1/L2) dual frequency carrier phase double difference residual

(a) P1

(b) P2圖5 GPS(P1/P2)雙頻偽距雙差殘差Fig.5 GPS (P1/P2) dual-frequency pseudorange double difference residual

(a) B1

(b) B2

(c) B3圖6 BDS(B1/B2/B3)三頻載波相位雙差殘差Fig.6 BDS (B1/B2/B3) triple-frequency carrier phase double difference residual

(a) BP1

(b) BP2

(c) BP3圖7 BDS(BP1/BP2/BP3)三頻偽距雙差殘差Fig.7 BDS (BP1/BP2/BP3) triple-frequency pseudorange double difference residual

假定相同衛(wèi)星和接收機獲取的觀測噪聲水平相當，根據(jù)誤差傳播定律，雙差觀測值噪聲水平相當于原始觀測值噪聲擴大了2倍。從圖4～圖7可以得出，在工作時間段內(nèi)，獲取的BDS和GPS的載波相位觀測噪聲變化范圍為-5～5cm之間，且噪聲水平分布基本一致，偽距觀測噪聲變化范圍為-15～15cm內(nèi)，且BDS與GPS雙差偽距觀測值分布情況類似。經(jīng)統(tǒng)計，GPS和BDS的雙差偽距觀測值序列的平均值小于5cm。這與不存在5G微基站時的觀測數(shù)據(jù)水平一致，說明在5G微基站工作期間，在實驗距離內(nèi)，對于接收機的影響可以忽略，接收機觀測數(shù)據(jù)認為正常。

進一步選擇BDS的C07與C01的雙差殘差序列，檢驗其分布規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。

圖8 雙差殘差序列分布圖Fig.8 The distribution of double difference residual

從圖8中可以看出，5G微基站一定程度上影響了載波相位測量噪聲的正態(tài)分布特性，導致殘差序列與標準正態(tài)分布并不完全吻合。但由于5G微基站的噪聲影響的量級較小，對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響也較小，因此殘差序列整體與正態(tài)分布接近。

利用零基線靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行動態(tài)相對定位計算, 進一步評估5G微基站的噪聲影響量級，同時對比無5G微基站的定位結(jié)果，對比結(jié)果如圖9所示。由圖9定位曲線可知，系統(tǒng)解算結(jié)果無明顯跳點現(xiàn)象，零基線定位解算精度在E、N兩方向上均優(yōu)于1mm。依據(jù)《全球定位系統(tǒng)測量型接收機檢定規(guī)程》規(guī)定：零基線測試時，1.5h觀測數(shù)據(jù)靜態(tài)解基線向量及長度應(yīng)在1mm以內(nèi)，則認為噪聲水平滿足測量要求。對比無5G微基站的結(jié)果，兩實驗的偏差曲線一致，基線長度偏差在0.5mm范圍內(nèi)，均未超出規(guī)定的限差要求。

圖9 零基線數(shù)據(jù)靜態(tài)相對定位對比結(jié)果Fig.9 Comparison of zero baseline data static relative positioning

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，5G微基站對于GNSS差分基準站及接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響可以忽略。

3 結(jié)束語

當前全球?qū)Ш脚c定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用與5G技術(shù)的全面推廣，不可避免地使GNSS基站與5G基站的建設(shè)距離越來越近。本文通過空天科技館的GNSS差分基準站，測試了5G微基站環(huán)境下GNSS接收機性能及觀測質(zhì)量，實驗表明：

1)在實驗距離內(nèi)，GNSS差分基準站載波相位觀測噪聲變化范圍為5cm，偽距觀測噪聲變化范圍為15cm，零基線測試結(jié)果變化范圍為1mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)本文對北斗差分基準站與5G基站共址建設(shè)具有一定的參考價值，在未來規(guī)劃建設(shè)上可節(jié)約一定的成本。