竹林环境中GPS信号质量及其定位性能分析

程 政，班 亚 龙，张 提 升，牛 小 骥

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079)



竹林环境中GPS信号质量及其定位性能分析

程 政，班 亚 龙，张 提 升*，牛 小 骥

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079)

竹林定位有助于大规模林业的智能管理，然而竹林环境的GPS定位性能一直没有被测试和评估。该文采用多接收机多测试点思路测试竹林中GPS信号质量及其定位性能，并采用全站仪提供测试点参考真值。测试结果表明：与开阔天空相比，竹林环境GPS信号载噪比平均衰减5 dB-Hz，多路径误差增加一倍；典型竹林环境下GPS静态相对定位的水平定位误差小于2.5 cm，且卫星几何分布对GPS定位精度影响明显。因此，这种厘米级GPS静态定位可以在竹林资源管理中发挥作用。

竹林环境；GPS弱信号；多路径；GPS静态相对定位

0 引言

在大规模的林业研究和管理中，全球定位系统(GPS)的作用日益凸显。然而，当卫星信号穿过树林时，树叶会使卫星信号发生反射和衍射而产生多路径效应，树冠的遮挡会使卫星信号发生衰减。多路径和衰减会明显增加GPS接收机的测量误差。

近年来，部分学者研究了GPS接收机在树林环境下的定位性能，并通过对GPS接收机观测的载波相位进行RTK后处理来分析接收机定位精度。例如，Valbuena等测试分析了山地环境中GPS接收机在树冠遮挡下的定位精度，利用30 min的GPS接收机L1和L2载波相位观测值进行差分后处理解算，接收机能达0.657 m的定位精度[1]，远低于开阔天空下厘米级的定位精度。Naesset比较了在树冠遮挡下GPS接收机单频观测值和双频观测值的定位精度，发现利用双频观测值进行数据后处理解算的定位精度高于单频观测值的定位精度[2]，这对于提升树林环境中的定位精度有指导意义。Sigrist等对比了GPS接收机在不同树种和不同季节里的定位精度，发现在冬季落叶之后树林里接收机的定位精度会明显提高[3]。研究表明，GPS接收机在树林环境下能跟踪卫星信号的载波相位，树林的郁闭程度和载波相位观测值类型会影响定位精度。

竹林是陆地生态系统中的一个重要植被类型，有着独特的资源、生态和经济价值[4]。相比于阔叶林，竹林环境特点鲜明：竹叶分布比普通树叶稀疏，竹林遮挡的种类也比较简单和确定。第七次全国森林资源清查结果表明，我国现有竹林面积5.38万hm2，占全国森林面积的2.2%。然而，还没有文献就GPS接收机在竹林环境中的定位精度进行研究。本文对比开阔天空和竹林环境下的GPS信号载噪比和多路径情况，分析了GPS信号质量；通过对GPS接收机在竹林环境中采集到的L1和L2载波相位观测值进行RTK后处理解算，然后与通过全站仪前方交会测量得到的坐标参考真值比较，评估GPS接收机在竹林中的定位精度。评估结果可以对大规模的竹林研究和智能管理提供参考依据[5,6]。

1 竹林GPS测试及分析方法

1.1 竹林GPS测试方法

利用GPS进行绝对定位时，定位精度受卫星轨道误差、卫星钟差及信号传播误差等因素影响，虽然部分系统误差可以通过模型加以消除，但是残差仍不可忽视。相对定位是利用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置[7]。静态相对定位要求安装在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测取得充分的观测数据,其能有效地消除或者减弱一些系统性误差，如：卫星轨道误差、卫星钟差和大气折射误差等，从而提高定位精度。在对载波相位观测值进行数据处理时，为了可靠地确定载波相位整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间。

竹林测试环境选择武汉东湖磨山风景区，测试时间为2015年1月8日。测试场景如图1所示，基站1为架设在武汉大学教学实验大楼楼顶的Trimble R9，其坐标位置已知；此基站位于距测试竹林5.2 km的西南方向。基站2和基站3为临时架设在磨山公园草坪上的Trimble R9和NovAtel ProPak6接收机，其位于测试点的南方，与竹林里测试点的距离小于50 m。这两台基站接收机的静态观测时间为3 h。竹林里设置3个测试点，分别使用Trimble R9和NovAtel ProPak6接收机进行测量,总测试时间为3 h，一个测试点静态采集1 h后，接收机更换下一个测试点。所有接收机均记录了GPS卫星L1和L2的载波相位观测值，采样间隔为1 s。

Fig.1 Measuring diagrammatic sketch

1.2 参考真值测试方法

基站2和基站3的接收机在开阔天空下静态采集3 h的GPS卫星L1和L2的载波相位值。以基站1为主站，通过使用NovAtel公司的Grafnav软件进行静态基线解算，得到基站2和基站3在WGS84体系下的平面坐标(表1)。

表1 基站2和基站3平面坐标

Table 1 Horizontal coordinates of base 2 and base 3

纬度经度基站230．5519166917°114．4027197722°基站330．5515547278°114．4031518833°

在基站2和基站3的坐标点上，通过拓普康102型全站仪进行前方交会测量，计算得到竹林里3个测试点在WGS84体系下的平面坐标参考真值。表2为全站仪在基站2和基站3的坐标点上测得的角度。根据前方交会坐标计算公式可得3个被测点的坐标参考真值(表3)。

表2 全站仪测得的角度

Table 2 Measured angles by the total station

测试点1测试点2测试点3基站2α角72°40′45″73°13′58″72°34′55″基站3β角51°31′40″51°34′46″52°03′46″

前方交会坐标计算公式为[8]：

(1)

(2)

表3测试点的平面坐标真值

Table3Truehorizontalcoordinatesofthreetestpoints

测试点1测试点2测试点3纬度30．5521526568°30．5521587487°30．5521549019°经度114．4032195311°114．4032208558°114．4032263286°

1.3 GPS测试数据的分析方法

GPS测试数据的分析方法及数据处理流程为：1)提取采集到的基站和移动站数据，并对数据进行解码。2)对比开阔天空和竹林环境下GPS接收机接收到的卫星信号的载噪比和多路径，分析竹林环境中GPS卫星信号的质量。3)以基站2和基站3为主站，使用NovAtel公司的Grafnav软件进行RTK后处理解算。处理过程中使用了GPS接收机L1和L2载波相位观测值，定位模式为静态，卫星截止高度角为10°，单历元解算,输出为卡尔曼正向滤波和反向滤波组合的结果。4)将得到的坐标值(x,y)与参考真值(xtrue,ytrue)相减得到误差序列，并统计误差序列在水平方向上的标准差、RMS和均值。通过标准差来评估接收机定位结果的离散程度，即定位精度。通过RMS值和均值来评估接收机定位相对于真值的绝对误差，即定位准确度。

2 测试结果与分析

2.1 GPS信号质量分析

载波噪声比C/N0简称载噪比，用来表征卫星信号强度[9]。多路径是指接收机除接收到卫星信号的直射波之外，接收到反射波的现象[10]。而竹林环境会造成卫星信号衰减和多路径增大，竹叶密度也会影响到卫星信号衰减和多路径。

将GPS接收机采集到的原始数据解码，可得Rinex格式的观测值文件，观测值包含了卫星信号的载噪比信息。将观测值文件导入RTKlib可得卫星信号的载噪比与多路径信息。通过对比卫星信号载噪比和多路径，可以分析竹林环境下和开阔天空环境下接收机接收到的卫星信号的差异。表4、表5分别统计了观测时段内在不同环境下的卫星信号载噪比均值和多路径RMS，且只统计了观测时段内可见时间大于1.5 h的卫星。

在两种环境下，卫星信号的载噪比随着卫星高度角的增大而增大(图2)。由表4和图2可知，在开阔天空下卫星信号的载噪比明显大于竹林环境下卫星信号的载噪比，平均为5 dBHz，并且竹林环境下载噪比的波动较大。在两种环境下，卫星信号的多路径随着高度角的增加而减小(图3)，竹林环境下的多路径变化相对开阔天空波动明显。由表5可知，在竹林环境下的卫星信号多路径约为开阔天空下卫星信号多路径的两倍。

表4 卫星信号载噪比

Table 4C/N0of GPS signal

卫星号开阔天空下载噪比均值(dBHz)竹林环境下载噪比均值(dBHz)1243．8838．801443．6138．351546．5641．071847．1043．302145．1941．662245．5840．432447．4343．982542．9737．82

表5 卫星信号多路径

Table 5 Multi-path of GPS signal

卫星号开阔天空下多路径RMS(m)竹林环境下多路径RMS(m)120．33200．7445140．34480．7578150．29150．7013180．26750．6133210．28760．6621220．34790．6645240．26940．6152250．34160．7220

图2 信号载噪比随高度角的变化情况

Fig.2 Signal CNR with the change of elevating angle

图3 多路径随高度角的变化情况

Fig.3 Multi-path with the change of elevating angle

2.2 定位误差分析

图4描述了三个时段内两台接收机的定位结果与参考真值在水平方向的偏差随时间的变化情况。表6统计了三个时段两台接收机定位结果在水平方向上相对于参考真值的定位误差。由图4和表6可知，在时段2和时段3两台接收机在水平方向上定位误差的标准差、RMS和平均值均小于2.5 cm，而在时段1水平方向的定位误差超过40 cm，定位误差明显大于时段2和时段3。

图4 位置解算结果与真值偏差

Fig.4 Errors between the calculated results with the true coordinates

表6 接收机水平方向定位误差

Table 6 The horizontal position error of the receivers

TrimbleR9NovAtelPP6时段123123标准差(cm)34．82．01．773．01．51．9RMS(cm)46．32．31．985．51．62．1平均值(cm)44．82．11．560．31．41．7

表7统计了三个时段内卫星HDOP的平均值。其中，时段1的HDOP值明显大于时段2和时段3,而且时段1的GPS接收机跟踪上的低仰角卫星较多，低仰角卫星都分布在15°左右。一方面，低仰角卫星信号的大气层延时校正误差和多路径效应要大于高仰角卫星的;另一方面，卫星的仰角越低在竹林中传播的距离越远，卫星信号的衰减和由竹林引起的多路径效应越大,接收机捕获跟踪这些低仰角卫星信号会得到误差较大的载波相位观测值。因此，较大的载波相位测量误差加上较大的HDOP值，造成时段1更大的定位误差。

表7 三个时段内HDOP平均值

Table 7 HDOP average value in three periods

时段HDOP平均值时段11．9748时段21．2587时段31．0720

3 总结与展望

本文对比了开阔天空下和竹林环境中GPS接收机接收到卫星信号的载噪比和多路径情况,并对GPS接收机竹林测试的数据进行定位性能分析。通过测试可得以下结论：相比于开阔天空，竹林环境对卫星信号强度有衰减，而且会有更大的多路径误差；在卫星几何分布较好时，GPS接收机在竹林环境中能达到误差小于2.5 cm的定位精度和准确度；在竹林环境中，当卫星的几何分布较差时，低仰角卫星的信号穿过竹林时带来较大的载波相位测量误差和较大的卫星DOP值，会造成很大的定位误差。因此，在一定程度上，GPS定位可以用于竹林环境下的定位测试工作。GPS/北斗系统的卫星可见性和DOP值要优于GPS单系统[11]。后续考虑在接收机竹林测试中加入北斗系统，评估和对比在双系统下接收机的定位精度和准确度。

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[11] 刘伟洲,伍吉仓.GPS/北斗组合导航系统卫星可见性和 DOP 值分析[A].第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S06 北斗/GNSS 测试评估技术[C].2012.

Signal Quality and Positioning Accuracy of GPS under Bamboo Forest

CHENG Zheng，BAN Ya-long，ZHANG Ti-sheng，NIU Xiao-ji

(GNSSResearchCenter,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

GPS techniques can boost forest management and inventory control.Compared to the broadleaved forest that causes serious GPS signal attenuation and multi-path,bamboo forest has distinct characteristics and has better GPS positioning.Two commercial survey-grade GPS receivers were tested in a bamboo forest,and the GNSS static relative positioning method,i.e.Post-Process Kinematic (PPK),was used.The carrier to noise ratio and multi-path of the GPS signals were compared between open sky and bamboo forest to assess the impact of the bamboo canopy to GPS signals.The reference truth coordinates obtained by total station were used to evaluate the accuracy and precision of the PPK coordinates from the static GPS L1 and L2 observations.The results show that GPS signals were affected distinctly by the bamboo forest,such as satellite signal attenuation of 5 dBHz level and increased multi-path errors.Data analysis has shown that the geometry of the satellites can significantly affect the positioning results.With sufficient number of satellites and reasonable geometry,the positioning errors of GPS receivers can be less than 2.5 cm in the bamboo forest.With such unexpected centimeter level positioning precision and accuracy,GPS static relative positioning can be used for bamboo forest management and inventory control.

bamboo forest；GPS weak signal；multi-path；GPS static relative positioning

2015-03-20；

2015-05-26

国家自然科学基金项目(41174028、41404029)；国家863项目(2015AA124002)；中国博士后基金项目(2014M560628)

程政(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为卫星基带信号处理。*通讯作者E-mail：zts@whu.edu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.05.010

P228.4

A

1672-0504(2015)05-0044-04