伽利略卫星导航系统之现况更新

原创：李亚东，转自：septentrio中国公众号
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        近些年卫星导航系统迅猛发展，BeiDou、GPS、GLONASS、Galileo等几大系统日趋完善。随着我国北斗三号全球卫星导航系统建成并正式开通，更是加速了卫星导航在各行业应用的落地。在民用GNSS产品应用中，通常不是单用北斗系统或者单用GPS系统，而是多系统同时接收、同时使用的混合定位，这样虽然不能够提高的定位，却可以减小遮挡、多径等复杂环境下的位置漂移。以单GPS系统定位为例，通常开阔天空可以收到约12颗左右的GPS卫星，而在城市峡谷卫星数量会减少到5、6颗，这样势必会使得在开阔天空场景下2米左右的定位恶化到几十米甚至上百米。如果同时使用四大GNSS系统，在北京市开阔区域5度仰角以上的卫星数大概在60颗左右，所以在半面天空遮挡情况下也有近30颗，更多的卫星意味着接收机可以把漂移从单GPS的几十米减小到十几米或者几米。所以多个系统同时工作还是有很大的意义。对于RTK定位而言，多颗卫星也意味着可以更快速、更可靠的收敛。在国内大家对北斗、GPS都比较熟悉，相关的技术文章、测试、分析等资料也比较多，而对伽利略系统（Galileo）可能还是比较陌生，多数人认为还停留在Galileo没有几颗卫星、Galileo系统不稳定或者Galileo还不太可用的阶段。而按照计划，Galileo系统会在2020年完成组网，碰巧今年就是2020年，那么Galileo系统当前是什么状态呢？


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首先按照习惯先介绍一下伽利略卫星导航系统，Galileo satellite navigation system是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，简称Galileo。系统由轨道高度为23222km的30颗卫星组成（每个轨道标准平均半轴为29600km），起初计划其中27颗工作星，3颗备份星，后调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星。分布在3个倾角为56°的轨道平面内。（注：有些网络资料没及时更新，对伽利略系统的介绍还是说27颗工作星。）


自2011年首颗试验卫星开始，先后10次火箭发射将26颗卫星送入太空。E14,E18 两颗卫星由于火箭发射失误未进入正常轨道，后经过一系列变轨后播发GPS L5信号做在轨试验。E20,E22两颗卫星先后因在轨电源故障和原子钟故障关闭。所以到目前为止伽利略系统共有在轨可用卫星22颗。据报道，ESA计划在2020年12月使用俄罗斯联盟号运载火箭Fregat-MT发射2颗Galileo卫星完成组网。


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Galileo卫星在L波段用三个频率广播导航信号：E1、E5和E6。其中以1575.42 MHz为中心的E1频段提供三个信号分量，分别为E1-A、E1-B和E1-C。E1-A信号分量携带Galileo系统公共特许服务（PRS）。E1-B和E1-C组件分别构成Galileo E1 公开服务（OS）的数据分量和导频分量。


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E5信号中心频率为1191.795 MHz，由E5a、E5b两组独立的信号组成。其中E5a中心频率为1176.45 MHz，比E5载波频率低15.345 MHz。E5b中心频率为1207.14 MHz，比E5载波频率高15.345 MHz。E5a和E5b即可以当作E5频段内两个不同载波频率的独立信号跟踪处理，又可以合成一个宽带信号来处理。E5使用AltBOC调制，带宽为51.15 MHz，具有更好的多径抑制效果和Gabor带宽。


E6信号中心频点为1278.75 MHz，包括E6-A、E6-B和E6-C三个信号分量。与E1频点类似， E6-A分量是Galileo 系统公共特许服务（PRS）。E6-B和E6-C分别是Galileo 商业服务（CS）的数据分量和导频分量。


各信号对应的载波频率和参考带宽如下：

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详细内容请参Galileo公开服务空间接口控制文件 <Galileo OS SIS ICD>。


我们总结下来：Galileo系统由24颗工作卫星、6颗备份卫星组成。目前在网运行22颗。还差2颗完成工作卫星组网，计划今年12月补齐。


问题来了，Galileo系统组网大体都完成了，可以正常工作吗？性能如何呢？iGMAS说：“一般来说机构评估某个系统可用性会评估URE、空间信号可用性、空间信号连续性、广播电离层、定位、定位可用性、PDOP可用性等。” 当然这也需要更多的参考接收机以及更长的观测时间。关于几大系统的星座状况可以访问iGMAShttps://www.igmas.org/ 。而对于终端用户而言难以将这些参数与自己应用相对应，终端用户更关心不同工作模式下的定位和定位可用性。下面就和大家分享一下Galileo系统在国内的性能测试情况。


本次测试终端使用比利时Septentrio公司的全系统、全频点、100Hz、抗干扰模组mosaic-X5。一方面mosaic模组作为市场上成熟的量产终端产品契合客户的真实应用场景，另一方面作为Galileo系统地面段GNSS接收机设备的供应商，Septentrio把系统段的技术和性能扩展到了包括mosaic在内的用户段终端产品。为此我们有理由相信mosaic-X5可以如实的展现Galileo系统的性能。

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其他测试设备，DUTs天线使用中海达全系统全频点天线AT-35101，在此也特别感谢中海达的天线赞助。参考站使用Septentrio参考站接收机PolaRx5e，参考站天线选用Septentrio PolaNt-x MF。


本次测试包括三个场景：
1. Galileo Only VS. GPS Only单点定位。既然在国内测试为什么选择GPS做对比而没有选择北斗？本次测试的试验分别在3月、4月和7月，当时北斗系统还未组网完成，故而选则GPS做对比参考。   

2. 10km，20km，30km的静态实时RTK测试，Galileo Only RTK VS. GPS Only RTK。


3.实时RTK动态跑车性能，Galileo Only RTK VS. GPS Only RTK。


1.Galileo Only VS. GPS Only单点定位
环境搭建：楼顶天线，天线位置已知。连续工作24小时，保存LOG后做数据分析。

首先用数据质量分析工具Anubis和BKG对GPS系统和Galileo系统进行简单质量分析：

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通过上图系统可用频段可以直观看到GPS系统60%的卫星是双频，40%的卫星是三频。Galileo系统全部卫星都是四频。


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载噪比方面，L1/E1频点GPS和Galileo比较接近，L2/E5b频点伽利略更好一点。因为不是所有的GPS卫星都支持L2C，而L2P(Y)的载噪比要低一些，尤其是低仰角部分更为明显。

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仰角和卫星数方面，图先放这，后面遇到了问题再分析。
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通过Anubis软件计算的单点定位性能和多路径可看出Galileo系统性能比GPS好，这得益于其高性能的星载原子钟。


mosaic实测的单Galileo及单GPS单点定位结果如下：


上图中绿色轨迹为GPS SPP，紫色为Galileo SPP，明显的看出Galileo的单点好于GPS。由于知道楼顶天线位置，所以可以计算水平、高程和三维的瞬态误差，测试用同时使用了四系统的单点结果作为参考，详情如下：

从上面mosaic测试结果来看，开阔天空场景Galileo三频单点定位24小时水平（100%定位点）达到了0.5m，高程0.8m。



5°仰角以上可用卫星数来看， GPS卫星数24小时均值9.73颗，Galileo为7.33颗。而从中国区域可见的卫星数来看，GPS少7颗可用，并且90%时间有8颗以上大于5°仰角的卫星。反观Galileo系统少5颗可用，有40%左右的时间仅有5、6颗大于5°仰角的卫星。所以从系统可用性的角度，GPS更好。当然，如前文所述，客户通常会选用多系统同时接收、混合定位，这也不会是很大问题。


2. 10km、20km、30km静态实时RTK测试

测试是个苦差事，为了选择开阔天空GNSS测试工程师通常都工作在荒郊野岭（Feng Jing You Mei）的地方。有图有真相。



环境搭建：如上图，被测终端分别在距离PolaRx5e参考站10KM、20KM、30KM的位置，天线尽量远离遮挡并用三脚架支起避免地面反射。因为野外没有真值点，所以按照科班做法使用四系统RTK，做十次初始化，每次观测50个历元的固定解定位结果取平均，再将10次结果平均，当做真值的估值。流动站方面，三个mosaic模组分别工作在GPS Only RTK，Galileo Only RTK，BeiDou+GPS+GLONASS+GLONASS四系统RTK模式。本次测试并未按照测绘常规进行多次初始化，而是进行单次初始化长时间采样的方式，采样率1Hz，采样时间1小时。

我做了很多的数据分析表格，但因篇幅有限，直接上定位结果和内符合、外符合分析结果：


通过上述分析结果可以看出GPS和Galileo单系统RTK基本上可以满足水平1cm+1ppm高程1.5cm+1ppm的业界通用标称。10KM和30KM情况下，Galileo RTK Only略好于GPS RTK Only。20KM情况下，Galileo性能比GPS差。单分析Galileo系统瞬态，高程误差相对正常，随着Base和Rover距离变大而相应变化，但水平位置误差比30KM还差。如下图所示：



为了确认此问题，第二天在同样的时间点又做了测试，现象基本一致。期初我怀疑可能是20KM测试时段卫星数比较少或者DOP值差造成的。以此假设做了如下分析：



分析发现20KM情况下，参与RTK解算的卫星数（平均值）比30KM情况下的卫星数还多2颗。还记得上面讲到仰角和卫星数的时候我们说后面遇到问题再分析吗？现在问题来了，卫星数分析完了，是时候考虑仰角。起初配置时，为了照顾还未完成组网的Galileo系统的RTK固定率，我把仰角设置成了5°，而在20KM测试时间段，虽然卫星数多，但几颗卫星在5°~20°仰角内进进出出。所以上述问题主要是低仰角卫星造成的。



在上面测试中，10KM、20KM 测试场景中Galileo Only RTK固定率为100%。在30KM场景下，因为彼时段卫星数较小加之基线距离较长，其固定率为95%左右。GPS在三个场景下的RTK固定率均为100%。


有人或许会问，Galileo only RTK 24小时工作会是啥样？可以一直RTK Fix吗？答案是：短基线距离+开阔天空，可以！


3.实时RTK动态跑车实验。
搭建：天线放在车顶，在Base与Rover距离小于10KM的六环路和京藏高速上飞奔。

四系统RTK的定位轨迹如下：

由于没有搭建惯性后处理真值系统，加上前面静止场景我们已经进行了分析，所以跑车实验不做详细的分析。而且因为mosaic算法设计选择了可靠RTK Fix的策略，RTK 固定解基本可以代表厘米级，所以这里我们只统计RTK 固定率。前面“油条”图放的太多，跑车实验我们来以“饼”图收场吧。四系统RTK固定位在93.2%左右，单GPS RTK固定率为77.5%，单Galileo  RTK固定率为71.9%。GPS的固定率比Galileo好5.6个百分点。


结论：

通过上述简单实验结果，相信大家会对Galileo系统有了新的认识。我本人认为Galileo系统目前基本可用，并且较好。虽然Galileo系统可用性暂时还不如GPS系统，但就GNSS行业发展到现在，多系统、多频点解决方案的普及的当下， Galileo系统应该被更多的支持和使用。原因有三：，针对目前对可靠性和要求高的双频RTK或者三频RTK来说，E5b及E5a的加入会增加更多的卫星。这对于那些因使用没有播发RTCM 1230消息的商用网络RTK服务而放弃GLONASS系统的接收机来说更为重要。第二，针对L1+L5的双频应用来说，因为GPS系统仅有一小部分卫星播发L5信号，所以BeiDou和Galileo系统是的主力系统。而在B2a的RTCM协议正式发布前，此类应用目前还主要依靠Galileo系统。第三，因为E5a信号播发星历数据加上较高的码速率对多径的抑制作用，使得如穿戴式等对功耗极其敏感的应用可以完全放弃L1频点而使用单L5接收机，对于这样的设计来说Galileo系统是当仁不让的主系统，其代替了传统L1频点接收机GPS为主系统的地位。终上，让我们期待Galileo早日组网成功，携手BeiDou、GPS、GLONASS为我们的生产生活做出更大的贡献。