gnss测量原理及应用（GNSS测速算法对比评估）

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标题：GNSS测速算法对比评估

作者：吉莉，孙蕊*，程琦，王均晖

主题词：全球导航卫星系统（GNSS）；北斗系统（BDS）；全球定位系统（GPS）；测速

（图片来自作者）

Evaluation of the performance of GNSS-based velocity estimation algorithms

Li Ji, Rui Sun*, Qi Cheng and Junhui Wang

Satellite Navigation (2022) 3: 18

引用文章:

Ji, L., Sun, R., Cheng, Q. et al. Evaluation of the performance of GNSS-based velocity estimation algorithms. Satell Navig3, 18 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43020-022-00080-4

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Editorial Summary

GNSS-based velocity estimation

GNSS-based velocity estimation is one of the most cost-effective and widely used methods in determining velocity in geodesy and transport applications.

The authors investigate the characteristics of the approaches which are currently popular and applicable to the observations of GPS, BDS, and their combination (GPS/ BDS). Specifically, the authors evaluate the performance of the velocity estimated based on the Raw Doppler (RD) method, the Time-Differenced Pseudorange (TDPR) method, the Time-Differenced Carrier Phase (TDCP) method, and the Double-Differenced Carrier Phase (DDCP) method, in both static and dynamic modes of the open and urban scenarios. It is indicated that BDS has the advantages in delivering accurate velocity determinations in the Asia-Pacific region, and the effectiveness of the GPS/BDS in improving the overall accuracy of velocity determination in complex urban scenarios. According to the characteristics of the algorithm model and the overall performance of the actual velocity determination accuracy, this paper gives suggestions for the optimal GNSS velocity determination method in different application scenarios.

本文亮点

1.本文详细分析对比了原始多普勒方法（RD）、历元间伪距差分方法（TDPR）、历元间载波相位差分方法（TDCP）以及双差载波相位方法（DDCP）四种目前常用的GNSS测速算法的优缺点，重点对算法原理及模型特征进行了论证。

2.本文综合对比分析了不同GNSS测速方法在不同卫星系统组合条件下的测速性能，并在轻度城市环境以及中度城市环境下统计了不同GNSS测速方法在不同卫星系统组合下的测速精度，实验结果表明在亚太地区BDS测速精度优于GPS。

3.本文论证了各GNSS测速方法在不同场景下的适用性，并根据算法模型特点及实际测速精度的总体性能综合决策，给出不同应用场景下最优的GNSS测速方法的建议。

内容简介

GNSS测速具有成本低、可靠性高、精度较高、无需初始对准及无误差累积等优点，已成为各种场景下测速的重要手段。然而，目前GNSS测速方法繁多，为了探究不同GNSS测速方法在不同场景下的适用性，统一论证分析这些算法仍具有重要的意义。本文针对原始多普勒方法（RD）、历元间伪距差分方法（TDPR）、历元间载波相位差分方法（TDCP）以及双差载波相位方法（DDCP）这四种GNSS测速方法进行原理论证分析，并在轻度城市环境以及中度城市环境下进行车载实验验证这四种方法在不同卫星系统组合下的静态及动态测速性能。

结果表明：在较为开阔的静态环境中，RD、TDPR、TDCP和DDCP方法均能够达到cm/s级的精度，其中TDCP方法精度最高；在城市环境动态测试中，RD、TDCP和DDCP方法根据环境的不同，精度可以达到cm/s到dm/s级，而TDPR方法由于受到环境的多径影响较大，其精度只能达到dm/s到m/s级。当车辆运动处于高动态状态时，相较于其他方法，RD方法因其数学模型更加严格而展现出更优的测速性能。对比GNSS测速方法在不同卫星系统组合下的测速性能，结果表明，在亚太地区，BDS能够提供比GPS更高精度的测速服务；GPS/BDS的组合能够有效提高城市环境下的测速精度。基于以上测试结果，进一步论证了不同GNSS测速方法在不同场景下的适用性，并提供不同场景下的最优测速方法的选择建议，以满足不同应用所需的准确性和可用性。

图文导读

I 静态测速

静态实验采用测量型天线和接收机对GNSS信号进行采集，采样频率为10Hz，实验地点在南京航空航天大学校园内一处较为开阔处，实验时间为2021年11月8日。如图1所示，所有方法均能实现厘米级的测速精度，其中RD、TDCP、DDCP三种方法的精度相似，以BDS的测速精度为例，三种方法的三维均方根误差（3D RMSE）分别为0.037 m/s、0.034 m/s、0.045m/s，精度均高于TDPR方法的0.076m/s。进一步对比这三种方法可以发现，由于载波相位本身的精度高于多普勒频移，而双差方法会放大噪声，因此TDCP方法的测速精度略高于RD和DDCP方法。

图 1 静态实验中使用RD- (a)、TDPR- (b)、TDCP- (c) 和 DDCP- (d) 方法所测得的载体东向速度误差

对比GNSS测速方法在不同卫星系统组合条件下的测速性能，从图1中可看出GPS/BDS误差曲线的分布范围最小，略小于BDS误差的范围，而GPS误差分布范围最大，表明静态开阔环境下GPS/BDS测速结果最优，BDS次之，GPS最差。其主要原因为在开阔环境和静止条件下，BDS与GPS具有较为接近的原始观测量精度，而BDS由于在亚太地区具有卫星数量及几何构型的优势可以提供更高精度的测速结果。

II动态测速

本文分别在轻度城市环境和中度城市环境中进行两次车载动态实验，分别于2021年11月8日及2021年12月3日在南京市区采用测量型天线和接收机采集GNSS数据，采样频率为10Hz。使用高精度IMU/RTK GNSS集成设备后处理所得到的结果作为参考数据，评估动态测速性能。两次实验的实验路线如图2-3所示。

图 2 动态实验1（轻度城市环境）实验路线

图 3 动态实验1（中度城市环境）实验路线

(1)轻度城市环境测速性能评估

如图2所示，动态实验1在较为开阔的城市主干道上进行，得到的测速结果如图4-5所示。以BDS的测速精度为例，RD、TDPR、TDCP、DDCP四种方法的3D RMSE分别为0.173 m/s、0.938m/s、0.203 m/s、0.217m/s，表明RD方法精度最优，TDCP和DDCP次之，TDPR最差。图5中也显示动态环境中RD、TDCP比TDPR 方法的测速精度更高，TDPR方法的测速精度只能达到米级，比其他方法差一个数量级。分析其原因为伪距测量不如载波相位测量准确，且在城市环境中卫星信号易受到周围建筑物的阻挡或反射，造成多路径效应。而多路径效应对伪距造成的误差大于远大于多普勒与载波相位。图4中显示车辆处于高动态运动状态时，RD方法的测速结果更符合实际速度值曲线，而其他方法均存在一定程度的偏差和波动，表明当车辆运动状态发生较大变化（如加速和转弯）时，RD方法的测速精度更高。

图 4 动态实验1中使用RD- (a)、TDPR- (b)、TDCP- (c) 和DDCP- (d) 方法所测得的载体东向速度分量

对比GNSS测速方法在不同卫星系统组合条件下的测速性能，如图5所示，轻度城市环境下RD方法和TDCP方法使用GPS和BDS的测速精度相似，而TDPR方法使用BDS比使用GPS的测速精度更高。由于双差模型存在放大噪声的缺点，在城市环境中由于受到建筑物的遮挡，可见GPS卫星数量的减少使得DDCP方法放大噪声的缺点被进一步强化，严重影响测速精度。而更为密集的BDS卫星分布提供了较多的冗余卫星数据，其更优的卫星几何构型使得使用BDS的测速精度远高于GPS，对应的3D RMSE分别为0.273m/s和0.519m/s。对于GPS/BDS组合而言，由于可见卫星的增加，其测速精度比单星座更高。

图 5 动态实验1中使用RD- (a)、TDPR- (b)、TDCP- (c) 和 DDCP- (d) 方法所得到的东向测速误差

(2)中度城市环境测速性能评估

如图3所示，动态实验2在建筑物较为密集的区域进行，得到的测速结果如图6-7所示。同样以BDS的测速精度为例，RD、TDPR、TDCP、DDCP四种方法的3D RMSE分别为0.218m/s、1.516m/s、0.282m/s、0.273m/s，可见RD、TDCP、DDCP三种方法的测速精度远高于TDPR方法。图7中也显示由于城市峡谷环境中卫星信号的阻塞和反射造成较为严重的多径误差，导致TDPR方法的测速精度严重降低，东向仅能达到分米级到米级精度，而RD、TDCP和DDCP方法的精度较高，在0.1m/s和0.2m/s之间。

图 6 动态实验2中使用RD- (a)、TDPR- (b)、TDCP- (c) 和DDCP- (d) 方法所测得的载体东向速度分量

动态实验2的数据结果也显示出了不同的卫星系统的测速性能。由于BDS在亚太地区具有更多的卫星数量和更好的卫星几何分布，在复杂城市环境中可以表现出更高的测速性能。以RD方法为例，误差数据表明，RD方法使用BDS、GPS、GPS/BDS数据时的3D RMSE分别为0.218m/s、0.233m/s、0.136m/s，BDS精度略高于GPS。如图6所示，BDS的测速结果比GPS更贴近参考值，而 GPS/BDS 的曲线比单星座更符合参考曲线，具有更少的尖峰误差，这表明GPS/BDS的组合可以有效提高测速精度。

图 7 动态实验2中使用RD- (a)、TDPR- (b)、TDCP- (c) 和DDCP- (d) 方法所得到的东向测速误差

本文对测速方法进行了可用性评估，结果如表1所示。以DDCP 方法为例，在使用GPS数据时该方法只有77.14%的时间可用，这代表着在中度城市环境中有将近四分之一的时间DDCP方法无法得出可靠的测速结果。而由于BDS可见卫星数量的优势，在城市遮蔽环境中可见卫星数目也足以实现DDCP方法的准确解算，使用BDS时可用性得到大幅提高，为96.60%。使用GPS/BDS组合时可见卫星的数量大大增加，所有方法的可用性和准确性进一步提高，这表明与使用单星座相比，GPS/BDS的组合可以实现更为准确可靠的连续测速。

表 1 动态实验2中测速方法的可用性

作者简介

▍本文通讯作者简介

孙蕊，女，南京航空航天大学民航学院研究员，博士生导师。主要研究方向为城市复杂环境下PNT技术及智能交通应用。

初审：段鹏丽

复审：宋启凡

终审：金 君

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