GPS L1アンテナ・受信機評価

GPS L1アンテナ・受信機評価
Evaluation of GPS L1 Antenna/Receivers

更新 2009/06/18
2008/05/25

Abstract

廉価一周波GPSアンテナ及び受信機によるRTK-GPS性能を評価するための基礎データとして、GPS L1 アンテナ及び受信機の特性を計測した。計測した特性としてはアンテナ位相中心オフセット・変動、搬送波位相マルチパス、コードマルチパス、搬送波雑音電力密度 (C/N0) である。またこれらのアンテナ及び受信機の組み合わせで一周波RTK-GPS性能の評価を行った。評価内容としてはRTK-GPS性能 (基線長=1 m)、RTK-GPS性能 (基線長=7 km)、RTK-GPS初期化時間である。

高須, 低価格一周波受信機を使ったRTK-GPS性能の評価、課題とその解決策, 日本地球惑星科学連合2008年大会 (発表資料PDF)

T.Takasu and A.Yasuda, Evaluation of RTK-GPS Performance with Low-cost Single-frequency GPS Receivers, International Symposium on GPS/GNSS 2008, November 11-14, 2008, Tokyo International Exchange Center, Japan 11/18追加

解析ツール Analysis Tool : ANTTOOL 1/14 更新

評価結果 7/25更新
Evaluation Results

(1) アンテナ位相中心オフセット・変動 (Antenna Phase Center Offset/Variation)
(2) マルチパス (サマリ) (Multipath Summary)
(3) マルチパス (搬送波位相) (Carrier-Phase Multipath)
(4) マルチパス (コード) (Code Multipath)
(5) 搬送波雑音電力密度 (Carrier To Noise Power Density C/N0)
(6) RTK-GPS性能基線長=1 m (RTK-GPS Performance, Baseline Length=1 m)
(7) RTK-GPS性能基線長=7 km (RTK-GPS Performance, Baseline Length=7 km)
(8) RTK-GPS初期化時間 (RTK-GPS Time To First Fix with Ambiguity Resolution)

No	Antenna	Receiver	Antenna Offset/ PCV	Carrier- Phase Multipath	Code Multipath	C/N0	RTK-GPS (Baseline =1 m)	RTK-GPS (Baseline =7 km)	RTK-GPS TTFF with AR	Notes
1	GPS-702-GG	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Reference
2	ANN-MS	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
3	AT575	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
4	4G15A-XS-3	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
5	2335TB	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
6	GPS-TMG-40N	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
7	GPS-M1ZZ Ant	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
8	GPS-702-GG	AEK-4T	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
9	ANN-MS	AEK-4T	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
10	GPS-702-GG	EVK-5H	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	F/W v.3.00
11	ANN-MS	EVK-5H	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	F/W v.3.00
12	GPS-702-GG	SuperStar II	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
13	ANN-MS	SuperStar II	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
14	GPS-702-GG	Crescent	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
15	ANN-MS	Crescent	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
16	GPS-702-GG	GPS-15L-W	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
17	ANN-MS	GPS-15L-W	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
18	AT2775-43	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
19	AT2775-43	AEK-4T	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
20	Bullet III	OEMV-3	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig
21	Bullet III	AEK-4T	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig	Fig

評価アンテナ
Evaluated Antennas

Vendor	Antenna	Objective	Freq.	Type	Active/ Passive	LNA		Size (mm)	weight (g)	Price	Image
Vendor	Antenna	Objective	Freq.	Type	Active/ Passive	Gain	NF	Size (mm)	weight (g)	Price	Image
NovAtel	GPS-702-GG	Geodetic/ Reference	L1/L2	Pinwheel	Active	29dB	2.0dB	185Φx69	500	$995
u-blox	ANN-MS	General	L1	Patch	Active	27dB	1.5dB	40x48x13	105	$31
Aero Antenna	AT575	General	L1	Patch	Active	12dB	?	53Φx13	113	$200
AntCom	4G15A2-XS-3	Mini-Arinc Airborne	L1	Patch?	Active	?	?	55x86x17	?	$194
Micro Pulse	2335TB	Vehcle Tracking	L1	Patch	Active	26dB	<2.5dB	65Φx12	28	$47
PCTel	GPS-TMG-40N	Timing	L1	Herix	Active	40dB	<2.5dB	80Φx125	300	$219
Pioneer	GPS-M1ZZ Ant	General	L1	Patch	Active	?	?	31x35x12	?	?
Aero Antenna	AT2775-43	Geodetic/ Reference	L1/L2	Choke Ring	Active	40dB	?	357Φx80	2,500	?
Trimble	Bullet III	General	L1	?	Active	35dB	<3.3dB	78φx66	170	$125

** Evaluation Planned

評価受信機
Evaluated Receivers

Vendor	Receiver	Objective	Freq.	# of Channel	Max Rate	DGPS	Output	Size (mm)	Price	Image
NovAtel	OEMV-3	Geodetic/ Reference	L1/L2	48ch	20Hz	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	185x160x71	$7,995 *4
u-blox	AEK-4T	General/ Timing	L1	16ch	4Hz/ 10Hz *1	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	17x22x3 (Module)	$179 (Module)
u-blox	EVK-5H *3	General	L1	50ch	4Hz/ 10Hz *1	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary *3	17x22x3 (Module)	$99 (Module)
NovAtel	Superstar II (OEM Board)	Genaral	L1	12ch	1Hz/ 5Hz *2	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	71x46x13	$165
Garmin	GPS-15L-W (Module)	General	L1	12ch	1Hz	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	36xx46x8	$60
Hemisphere	Crescent (OEM Board)	General/ RTK-GPS	L1	12ch	10Hz/ 20Hz *2	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	71x40x12	$285
Magellan ** (Thalles)	AC12 (Module)	General	L1	12ch	1Hz	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	40x61x13	$106	-
USGlobalSat **	ET202 (SiRF II) (Module)	General	L1	12ch	1Hz	SBAS/ RTCM	NMEA/ Binary	31x31x7.6	$57

*1 Raw Measurement, *2 Optional, *3 only F/W ver. 3.00, unable output raw data after F/W ver.4.00, *4 No RTK Option
** Evaluation Planned

付録　アンテナ/受信機評価方法
Appendix Antenna/Receiver Evaluation Methods

(1) 構成 Configuration

(a) アンテナ・受信機の系統図及びアンテナ設置状況

(b) アンテナマウント・グランドプレーンの位置関係: antmount.pdf

(2) アンテナ位相中心オフセット・変動 (Antenna Phase Center Offset/Variation)

(a) ターゲットアンテナ/受信機、基準アンテナ/受信機で取得したL1搬送波位相観測値の二重位相差φ₁に関し、観測方程式 [1] による基線解析によりターゲットアンテナ位相中心位置を求める。なお基準アンテナ座標は固定し、ターゲットアンテナ位相中心位置座標及び搬送波位相バイアスを一定値として推定する。整数バイアスはFIXせずフロート解として推定する。観測データは24H分 10s間隔のデータとする。

λ₁φ₁ = ((ρ_u^a - ρ_u^b) - (ρ_r^a - ρ_r^b)) + λ₁N + ε ....... [1]

ここでλは搬送波波長、ρは衛星-アンテナ位相中心間の幾何学距離、Nは整数バイアス、εは観測誤差を示す。

(b) (a) で求めたターゲットアンテナ位相中心位置を固定し、再度ターゲットアンテナ/受信機、基準アンテナ/受信機で取得した搬送波位相観測値による二重位相差φ₁に関し、観測方程式 [2] を使った基線解析によりアンテナ位相中心変動パラメータ及び搬送波位相バイアスを一定値として推定する。ここでアンテナ位相中心変動Δφ_pcvは [3] 式に示す球面調和関数により表わす。

λ₁φ₁ = ((ρ_u^a - ρ_u^b) - (ρ_r^a - ρ_r^b)) + λ₁N + Δφ_pcv + ε ....... [2]

Δφ_pcv = Σ Σ (P_nm(cos(2*z)) * (A_nm * cos(m*a) + B_nm * sin(m*a)))) ....... [3]

ここでP_nmは正規化ルジャンドル倍関数、zは衛星天頂角、aは衛星方位角でありアンテナ位相中心変動パラメータとして未知係数 {A₀₀, A₁₀, A₁₁, B₁₁, A₂₀, A₂₁, B₂₁,...} を推定する。なお球面調和関数の次数は10階5次とした。

(3) 搬送波位相マルチパス (Carrier-Phase Multipath)

(a) (2) (b) の推定時に搬送波位相観測値の事後残差及び衛星方位仰角を出力させる。事後残差には基準受信機を基準としたターゲット受信機の搬送波位相マルチパス+受信機雑音が含まれる。

(b) (a) で抽出したマルチパス+受信機雑音からrunning average filterにより受信機雑音成分を低減する。

(4) コードマルチパス (Code Multipath)

(a) 基準アンテナ及び受信機で取得した2周波搬送波位相観測値φ₁_r, φ₂_r から以下 [4] 式により衛星毎のL1電離層遅延変動 I₁ を求める。観測データは24H分 10s間隔のデータとする。

I₁ = - (λ₁φ₁_r - f₁²/ f₂² λ₂ φ₂_r) / 2; I₁ = I₁ - mean(I₁) ...... [4]

(b) ターゲット疑似距離観測値P₁及び搬送波位相観測値φ₁ のGeometry Free線形結合と(a)の電離層遅延変動から以下 [5] 式によりターゲット受信機のコードマルチパス+受信機雑音MP₁を抽出する。

MP₁ = P₁ - λ₁ * φ₁ - 2 * I₁; MP₁ = MP₁ - mean(MP₁) ...... [5]

(c) (b)で抽出したマルチパス+受信機雑音からrunning average filterにより受信機雑音成分を低減する。

(5) 搬送波電力雑音比 (Carrier To Noise Power Density C/N0)

ターゲット受信機が出力する搬送波電力雑音比 (C/N0) と放送暦 (ephemeris) により計算した観測時刻の衛星方位・仰角から、C/N0 スカイプロットまたはC/N0-仰角グラフとして描画する。なおC/N0の代わりにSNR (信号雑音比) を出力する受信機に関しては以下の概算変換式によりC/N0に変換して表示する。

C/N0 = SNR +30dB ...... [6]

(6) RTK-GPS測位性能 (RTK-GPS Performance)

取得したターゲットアンテナ/受信機の観測データと基準局観測データを使った後処理基線解析により測位解を計算する。条件としてはRTK-GPS測位条件と同等とする。出力された測位解を使ってFIX率、整数バイアス正解率、測位解精度を解析する。

(7) RTK-GPS初期化時間 (RTK-GPS Time To First Fix with Ambiguity Resolution)

取得したターゲットアンテナ/受信機の観測データと基準局観測データを使った後処理基線解析により測位解を計算する。条件としてはRTK-GPS測位条件と同等とする。解析を開始するエポックを30秒ごとにずらし解析開始後最初に整数バイアスがFIXするまでの時間 (初期化時間) を計測する。整数バイアス正解率や初期化時間の分布を解析する。

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