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 |
|
(c) BT-290 GNSS圓盤型天線 |
(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 % |
|
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 % |
|
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 % |
|
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 |
|
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 |
|
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 |
|
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 |
|
MT3333 |
0.2237 |
0.2332 |
0.6403 |
|
|
2018/05/14 |
M8T |
0.1889 |
0.1982 |
0.5996 |
|
MT3333 |
0.2093 |
0.2306 |
0.5980 |
|
|
2018/05/15 |
M8T |
0.1833 |
0.1918 |
0.5952 |
|
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 |
|
MT3333 |
±1.32 |
±0.99 |
±4.31 |
|
|
2018/05/14 |
M8T |
±2.06 |
±1.60 |
±8.60 |
|
MT3333 |
±1.14 |
±1.11 |
±3.52 |
|
|
2018/05/15 |
M8T |
±2.65 |
±0.92 |
±4.14 |
|
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 |
|
MT3333 |
±1.41 |
0.2240 |
|
|
2018/05/14 |
M8T |
±2.04 |
0.1890 |
|
MT3333 |
±1.21 |
0.2087 |
|
|
2018/05/15 |
M8T |
±2.45 |
0.1815 |
|
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 % |
|
ANT.2 |
1616 |
1403 |
86.82 % |
||
|
MT3333 |
ANT.1 |
1590 |
1583 |
99.56 % |
|
|
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% |
|||
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
|
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 % |
|
ANT.2 |
2647 |
2435 |
91.99 % |
||
|
MT3333 |
ANT.1 |
2497 |
2463 |
98.64 % |
|
|
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。
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 % |
|
ANT.2 |
1416 |
1182 |
83.47 % |
||
|
MT3333 |
ANT.1 |
1399 |
1317 |
94.14 % |
|
|
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% |
|||
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 % |
|
ANT.2 |
2028 |
1075 |
53.01 % |
||
|
MT3333 |
ANT.1 |
1874 |
1769 |
94.40 % |
|
|
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
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 |
|
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 |
|
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 |
|
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 % |
|
ANT.2 |
1616 |
1403 |
86.82 % |
|||
|
MT3333 |
ANT.1 |
1590 |
1583 |
99.56 % |
||
|
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 % |
|
ANT.2 |
2647 |
2435 |
91.99 % |
|||
|
MT3333 |
ANT.1 |
2497 |
2463 |
98.64 % |
||
|
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 % |
|
ANT.2 |
1416 |
1182 |
83.47 % |
|||
|
MT3333 |
ANT.1 |
1399 |
1317 |
94.14 % |
||
|
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 % |
|
ANT.2 |
2028 |
1075 |
53.01 % |
|||
|
MT3333 |
ANT.1 |
1874 |
1769 |
94.40 % |
||
|
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 |
|
MT3333 |
0.2364 |
-0.0306 |
1.3675 |
|
|
濱海公路 |
M8T |
0.4340 |
-0.0844 |
1.3670 |
|
MT3333 |
0.4775 |
-0.1199 |
1.3666 |
|
|
和平島 |
M8T |
0.6872 |
0.2153 |
1.3700 |
|
MT3333 |
0.6784 |
0.2429 |
1.3703 |
|
|
快速道路 |
M8T |
0.6359 |
0.2922 |
1.3708 |
|
MT3333 |
0.7565 |
0.3230 |
1.3711 |
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