低成本GNSS接收器發展即時動態定位(RTK)於車載之應用 @ 精密導航實驗室的部落格

摘要

隨著衛星定位技術的快速發展，人們對於衛星定位的精度要求越來越高，在為了符合高精度與支援多衛星的條件下，GNSS接收器的結構與計算已越來越複雜。而在本文中我們將使用低成本的GNSS RTK接收器，運用卡爾曼濾波、部分未定值求解之演算法使其應用於車載上，並使其於多種實測地點測試其定位精度，然而由於各地點之建築與障礙物擁有不同程度之多路徑效應，導致其定位穩態解(fix解)成功率降低，因此本文使用部分未定值求解結合異常檢測技術，使其降低多路徑的影響並提高其定位精度之可信度，最後希望能夠將此技術推廣用於未來的無人機與自動駕駛上。

實驗介紹

本實驗使用3塊NEO-M8T GNSS接收器(可接收GPS、BDS、Galileo、QZSS四星系)、3塊MTK-MT3333 GNSS接收器(可接收GPS、BDS、QZSS三星系)、3個BT-290 GNSS天線及2個一分二訊號分配器。其實驗設備如下所示：

(a) NEO-M8T GNSS接收器

(b) MTK-MT3333 GNSS接收器

(d)一分二訊號分配器

圖1 實驗設備

為了評估並驗證其演算法的準確性，我們在此分為兩類的實驗，一類為靜態固定站，目的為觀察接收器之穩定度與精準度，另一類為動態載具平台，目的為分析接收器即時動態定位與觀測量後處理定位比較之結果。其實驗種類規劃如下：

圖2 實驗規劃

然而因為演算法有結合異常檢測，所以在此對其稍作介紹。在靜態固定站時，由於只有一個天線作為待測站，故當待測站有資料、定位精度顯示為穩態解(fix解)且基線距離誤差小於公分時，判斷為成功資料，然後將成功資料除以總資料筆數即為可用率；在動態車載時，有兩個天線作為待測站，故需當ANT.1(天線1)與ANT.2(天線2)各自有資料、雙天線對應至共同時間、定位精度顯示為穩態解(fix解)且距離誤差小於公分時，才判斷為成功資料，然後將成功資料除以總資料筆數即為可用率。異常檢測流程如下：

圖3 異常檢測流程

實驗結果

1.靜態固定站

本實驗於國立臺灣海洋大學延平技術大樓頂樓進行，其天線架設如下圖所示。實驗內容為使用一分二訊號分接器將M8T、MT3333接收器同時連接至已知座標的參考站與待測站，使其進行連續三天之定位，最後將其定位解出之待測站座標與已知座標進行比對，檢查其穩定度、精度。其中參考站到待測站直線距離為：1.241457公尺、最低觀測仰角為：15度、觀測量取樣頻率為：1Hz。

圖4 固定站定位實驗架設

實驗地點：基隆市海洋大學延平大樓頂樓

實驗時間：107 年 5 月 13 日 8 點 00 分 01 秒至 5 月 14 日 7 點 59 分 59 秒

參考站與待測站直線距離：1.241457 公尺

最低觀測仰角：15 度

觀測量取樣頻率：1 Hz

表1 固定站連續三天靜態實驗可用率分析。

資料時間	接收器	資料時間	總時長	成功筆數	可用率
2018/05/13	M8T	2018/05/13 8:00:01至2018/05/14 7:59:59	86399	86399	100 %
2018/05/13	MT3333	2018/05/13 8:00:01至2018/05/14 7:59:59	86399	86399	100 %
2018/05/14	M8T	2018/05/14 8:00:00至2018/05/15 7:59:59	86400	86400	100 %
2018/05/14	MT3333	2018/05/14 8:00:01至2018/05/15 7:59:59	86399	86399	100 %
2018/05/15	M8T	2018/05/15 8:00:00至2018/05/16 7:59:59	86400	86400	100 %
2018/05/15	MT3333	2018/05/15 8:00:01至2018/05/16 7:59:59	86399	86399	100 %

表2 固定站連續三天靜態實驗ENU量測結果。

資料時間	接收器	Mean E (m)	Mean N (m)	Mean U (m)	基線量測距離平均(m)	基線誤差平均(cm)
2018/05/13	M8T	328401.1367	2782521.4371	64.5847	1.2415	0.0086
2018/05/13	MT3333	328401.1364	2782521.4373	64.5836	1.2414	-0.0099
2018/05/14	M8T	328401.1367	2782521.4370	64.5844	1.2416	0.0139
2018/05/14	MT3333	328401.1365	2782521.4373	64.5834	1.2414	-0.0085
2018/05/15	M8T	328401.1366	2782521.4371	64.5846	1.2415	0.0056
2018/05/15	MT3333	328401.1364	2782521.4376	64.5840	1.2413	-0.0184

圖5 固定站靜態實驗2018/05/13量測誤差。

表3 固定站連續三天靜態實驗量測ENU標準差結果分析。

資料時間	接收器	東西向標準差(cm)	南北向標準差(cm)	高度向標準差(cm)
2018/05/13	M8T	0.1866	0.1920	0.5977
2018/05/13	MT3333	0.2237	0.2332	0.6403
2018/05/14	M8T	0.1889	0.1982	0.5996
2018/05/14	MT3333	0.2093	0.2306	0.5980
2018/05/15	M8T	0.1833	0.1918	0.5952
2018/05/15	MT3333	0.2279	0.2481	0.6041

表4 固定站連續三天靜態實驗量測ENU誤差結果分析。

資料時間	接收器	東西向誤差範圍(cm)	南北向誤差範圍(cm)	高度向誤差範圍(cm)
2018/05/13	M8T	±2.08	±1.01	±4.52
2018/05/13	MT3333	±1.32	±0.99	±4.31
2018/05/14	M8T	±2.06	±1.60	±8.60
2018/05/14	MT3333	±1.14	±1.11	±3.52
2018/05/15	M8T	±2.65	±0.92	±4.14
2018/05/15	MT3333	±1.34	±1.23	±3.27

圖6 固定站靜態實驗2018/05/13基線量測誤差。

表5 固定站連續三天靜態實驗基線結果分析。

資料時間	接收器	基線誤差範圍(cm)	基線標準差(cm)
2018/05/13	M8T	±1.84	0.1861
2018/05/13	MT3333	±1.41	0.2240
2018/05/14	M8T	±2.04	0.1890
2018/05/14	MT3333	±1.21	0.2087
2018/05/15	M8T	±2.45	0.1815
2018/05/15	MT3333	±1.37	0.2282

2.動態載具平台

本實驗於潮境停車場、濱海公路、和平島與快速道路進行，其動態載具平台天線架設如下圖所示。實驗內容為先使用一分二訊號分接器將M8T、MT3333接收器同時連接至已知座標的參考站與二個待測站(ANT.1、ANT.2)，使其進行靜態定位算出其ANT.1與ANT.2的基線距離為1.367846公尺，然後將其於潮境停車場、濱海公路、和平島與快速道路進行即時動態定位，並將動態定位座標與觀測量後處理定位座標進行比對，檢查其穩定度、精度。其中最低觀測仰角為：15度、觀測量取樣頻率為：1Hz。

圖7 動態實驗載具平台之架設

潮境停車場

圖8 潮境停車場動態實驗場示意圖

實驗地點：基隆市中正區潮境停車場

實驗時間：107 年 4 月 10 日 15 點 44 分 35 秒至 16 點 11 分 40 秒

參考站與待測站直線距離：約 3 公里

最低觀測仰角：15 度

觀測量取樣頻率：1 Hz

表6 潮境停車場實驗ANT.1& ANT.2分別可用率分析。

接收器	天線	資料時間	總時長	成功筆數	可用率
M8T	ANT.1	2018/04/10 15:44:35~16:11:40	1626	1539	94.65 %
M8T	ANT.2		1616	1403	86.82 %
MT3333	ANT.1		1590	1583	99.56 %
MT3333	ANT.2		1499	1498	99.93 %

表7 潮境停車場實驗共同時間資料結果分析1。

接收器	天線	總筆數 (EPOCH)	成功筆數 (Fix解)	錯誤筆數
				距離檢核錯誤	Float解
M8T	ANT.1 & ANT.2	1616	1316	0	300
			81.44%	0%	18.56%
MT3333		1471	1464	0	7
			99.52%	0%	0.48%

由於衛星顆數至少要5顆以上才能進行求解，因此可接收四星系的M8T其衛星顆數較多，故其計算總筆數較多。

圖9 動態平台潮境停車場實驗量測距離誤差。

表8 潮境停車場實驗共同時間資料結果分析2。

接收器	RMSE(cm)	距離誤差平均(cm)	距離平均(m)
M8T	0.2629	-0.0265	1.3676
MT3333	0.2364	-0.0306	1.3675

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖10 ANT.1 (a) M8T(b) MT3333 潮境停車場實驗成果圖。

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖11 ANT.2 (a) M8T(b) MT3333 潮境停車場實驗成果圖。

濱海公路

圖12 濱海公路動態實驗場示意圖

實驗地點：基隆市中正區濱海公路

實驗時間：107 年 4 月 10 日 16 點 45 分 45 秒至 17 點 29 分 55 秒

參考站與待測站直線距離：約 6 公里

最低觀測仰角：15 度

觀測量取樣頻率：1 Hz

表9 濱海公路實驗ANT.1 & ANT.2分別可用率分析。

接收器	天線	資料時間	總時長	成功筆數	可用率
M8T	ANT.1	2018/04/10 16:45:45~17:29:55	2648	2460	92.90 %
M8T	ANT.2		2647	2435	91.99 %
MT3333	ANT.1		2497	2463	98.64 %
MT3333	ANT.2		2426	2378	98.02 %

表10 濱海公路實驗共同時間資料結果分析1。

接收器	天線	總筆數 (EPOCH)	成功筆數 (Fix)	錯誤筆數
				距離檢核錯誤	Float解
M8T	ANT.1 & ANT.2	2644	2354	1	289
			89.03%	0.04%	10.93%
MT3333		2386	2321	1	64
			97.28%	0.04%	2.68%

由於衛星顆數至少要5顆以上才能進行求解，因此可接收四星系的M8T其衛星顆數較多，故其計算總筆數較多。

圖13 動態平台濱海公路實驗量測距離誤差。

表11 濱海公路實驗共同時間資料結果分析2。

接收器	RMSE(cm)	距離誤差平均(cm)	距離平均(m)
M8T	0.4340	-0.0844	1.3670
MT3333	0.4775	-0.1199	1.3666

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖14 ANT.1 (a) M8T(b) MT3333 濱海公路實驗成果圖。

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖15 ANT.2 (a) M8T(b) MT3333 濱海公路實驗成果圖。

和平島

圖16 和平島動態實驗場示意圖

實驗地點：基隆市中正區和平島

實驗時間：107 年 5 月 4 日 15 點 51 分 25 秒至 16 點 14 分 55 秒

參考站與待測站直線距離：約 1 公里

最低觀測仰角：15 度

觀測量取樣頻率：1 Hz

表12 和平島實驗ANT.1 & ANT.2分別可用率。

接收器	天線	資料時間	總時長	成功筆數	可用率
M8T	ANT.1	2018/05/04 15:51:25~16:14:55	1416	1121	79.17 %
M8T	ANT.2		1416	1182	83.47 %
MT3333	ANT.1		1399	1317	94.14 %
MT3333	ANT.2		1281	1211	94.54 %

表13 和平島實驗共同時間資料結果分析1。

接收器	天線	總筆數 (EPOCH)	成功筆數 (Fix)	錯誤筆數
				距離檢核錯誤	Float解
M8T	ANT.1 & ANT.2	1413	1039	1	373
			73.53%	0.07%	26.40%
MT3333		1278	1160	8	110
			90.77%	0.63%	8.61%

由於衛星顆數至少要5顆以上才能進行求解，因此可接收四星系的M8T其衛星顆數較多，故其計算總筆數較多。

圖17 動態平台與和平島實驗量測基線誤差。

表14 和平島實驗共同時間資料結果分析2。

接收器	RMSE(cm)	距離誤差平均(cm)	距離平均(m)
M8T	0.6872	0.2153	1.3700
MT3333	0.6784	0.2429	1.3703

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖18 ANT.1 (a) M8T(b) MT3333 和平島實驗成果圖。

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖19 ANT.2 (a) M8T(b) MT3333 和平島實驗成果圖。

快速道路

圖20 快速道路動態實驗場示意圖

實驗地點：基隆市中正區快速道路

實驗時間：107 年 5 月 4 日 16 點 27 分 20 秒至 17 點 13 分 10 秒

參考站與待測站直線距離：約 7 公里

最低觀測仰角：15 度

觀測量取樣頻率：1 Hz

表15 快速道路實驗ANT.1 & ANT.2分別可用率分析。

接收器	天線	資料時間	總時長	成功筆數	可用率
M8T	ANT.1	2018/05/04 16:27:20~17:13:10	1969	985	50.03 %
M8T	ANT.2		2028	1075	53.01 %
MT3333	ANT.1		1874	1769	94.40 %
MT3333	ANT.2		1896	1786	94.20 %

表16 快速道路實驗共同時間資料結果分析1。

接收器	天線	總筆數 (EPOCH)	成功筆數 (Fix)	錯誤筆數
				距離檢核錯誤	Float解
M8T	ANT.1 & ANT.2	1964	795	34	1135
			40.48%	1.73%	57.79%
MT3333		1866	1709	6	151
			91.59%	0.32%	8.09%

由於衛星顆數至少要5顆以上才能進行求解，因此可接收四星系的M8T其衛星顆數較多，故其計算總筆數較多。

圖21 動態平台快速道路實驗量測基線誤差。

表17 快速道路實驗共同時間資料結果分析2。

接收器	RMSE(cm)	距離誤差平均(cm)	距離平均(m)
M8T	0.6359	0.2922	1.3708
MT3333	0.7565	0.3230	1.3711

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖22 ANT.1 (a) M8T(b) MT3333 快速道路實驗成果圖。

(a) M8T：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

(b) MT3333：亮綠為fix、亮黃為float、亮紅為距離檢核錯誤。

圖23 ANT.2 (a) M8T(b) MT3333 快速道路實驗成果圖。

結論

由上述總總數據可以看出，在靜態時M8T與MT3333的可用率皆為100%，且其誤差量是差不多的。而在動態時，我們可以發現M8T、MT3333的可用率皆有部分的降低，這是因為M8T的float解太多與MT3333無衛星進行RTK解算之筆數太多所導致，在此估測M8T為訊號品質較差，因此使其錯誤率較多，導致較多float解，而MT3333估測為其訊號能量較低，因此在相同雜訊下其SNR較低，導致SNR較易低於RTK運算的基準SNR值，故不進行RTK運算，而由上述之資料還可以看出在大部分的地區下MT3333之成功筆數還是多於M8T，因此在相同的環境下MT3333優於M8T。而最後我們也可以由上述各路徑圖看出，我們所實測出的路徑誤差皆很小，因此可以得知我們所使用的演算法是有其一定的精準度與可信度的，所以MT3333真的是一塊相對較優的接收器。

參考資料

[1] 低成本單頻GNSS接收器應用於車載即時動態定位之研究 , 國立臺灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士論文 , 張庭容 , 107

統整表格

表18 固定站連續三天靜態實驗各數據分析。

資料時間	接收器	總筆數	成功筆數	可用率	基線誤差平均 (cm)	東西向標準差(cm)	南北向標準差(cm)	高度向標準差(cm)	東西向誤差範圍(cm)	南北向誤差範圍(cm)	高度向誤差範圍(cm)	基線誤差範圍(cm)	基線標準差(cm)
2018/05/13	M8T	86399	86399	100%	0.0086	0.1866	0.1920	0.5977	±2.08	±1.01	±4.52	±1.84	0.1861
2018/05/13	MT3333	86399	86399	100%	-0.0099	0.2237	0.2332	0.6403	±1.32	±0.99	±4.31	±1.41	0.2240
2018/05/14	M8T	86400	86400	100%	0.0139	0.1889	0.1982	0.5996	±2.06	±1.60	±8.60	±2.04	0.1890
2018/05/14	MT3333	86399	86399	100%	-0.0085	0.2093	0.2306	0.5980	±1.14	±1.11	±3.52	±1.21	0.2087
2018/05/15	M8T	86400	86400	100%	0.0056	0.1833	0.1918	0.5952	±2.65	±0.92	±4.14	±2.45	0.1815
2018/05/15	MT3333	86399	86399	100%	-0.0184	0.2279	0.2481	0.6041	±1.34	±1.23	±3.27	±1.37	0.2282

表19 各實驗場所ANT.1 & ANT.2分別可用率分析。

	接收器	天線	資料時間	總時長	成功筆數	可用率
潮境停車場	M8T	ANT.1	2018/04/10 15:44:35~16:11:40	1626	1539	94.65 %
	M8T	ANT.2		1616	1403	86.82 %
	MT3333	ANT.1		1590	1583	99.56 %
	MT3333	ANT.2		1499	1498	99.93 %
濱海公路	M8T	ANT.1	2018/04/10 16:45:45~17:29:55	2648	2460	92.90 %
	M8T	ANT.2		2647	2435	91.99 %
	MT3333	ANT.1		2497	2463	98.64 %
	MT3333	ANT.2		2426	2378	98.02 %
和平島	M8T	ANT.1	2018/05/04 15:51:25~16:14:55	1416	1121	79.17 %
	M8T	ANT.2		1416	1182	83.47 %
	MT3333	ANT.1		1399	1317	94.14 %
	MT3333	ANT.2		1281	1211	94.54 %
快速道路	M8T	ANT.1	2018/05/04 16:27:20~17:13:10	1969	985	50.03 %
	M8T	ANT.2		2028	1075	53.01 %
	MT3333	ANT.1		1874	1769	94.40 %
	MT3333	ANT.2		1896	1786	94.20 %

表20 各實驗場所共同時間資料結果分析1。

	接收器	天線	總筆數 (EPOCH)	成功筆數 (Fix解)	錯誤筆數
					距離檢核錯誤筆數	Float 解
潮境停車場	M8T	ANT.1 & ANT.2	1616	1316	0	300
				81.44 %	0 %	18.56 %
	MT3333		1471	1464	0	7
				99.52 %	0 %	0.48 %
濱海公路	M8T	ANT.1 & ANT.2	2644	2354	1	289
				89.03 %	0.04 %	10.93 %
	MT3333		2386	2321	1	64
				97.28 %	0.04 %	2.68 %
和平島	M8T	ANT.1 & ANT.2	1413	1039	1	373
				73.53 %	0.07 %	26.40 %
	MT3333		1278	1160	8	110
				90.77 %	0.63 %	8.61 %
快速道路	M8T	ANT.1 & ANT.2	1964	795	34	1135
				40.48 %	1.73 %	57.79 %
	MT3333		1866	1709	6	151
				91.59 %	0.32 %	8.09 %

表21 各實驗場所共同時間資料結果分析2。

	接收器	RMSE(cm)	距離誤差平均(cm)	距離平均(m)
潮境停車場	M8T	0.2629	-0.0265	1.3676
潮境停車場	MT3333	0.2364	-0.0306	1.3675
濱海公路	M8T	0.4340	-0.0844	1.3670
濱海公路	MT3333	0.4775	-0.1199	1.3666
和平島	M8T	0.6872	0.2153	1.3700
和平島	MT3333	0.6784	0.2429	1.3703
快速道路	M8T	0.6359	0.2922	1.3708
快速道路	MT3333	0.7565	0.3230	1.3711