5G微基站环境下GNSS接收机性能及观测质量分析

孟庆波，王亮亮，王晨旭

(齐鲁空天信息研究院， 济南 250010)

0 引言

我国已全面进入5G商用时代。截至2021年3月底，我国已建成5G各类基站81.9万个。5G基站是5G通信组网的核心设备，由于5G 信号频率较高，在信号传播过程中衰减较大，因此5G基站建成密度较高。根据《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》规定，全球定位系统(Global Positioning System, GPS)基准站需远离无线电发射源至少200m，由于建设条件限制，当前部分5G微基站与全球卫星导航系统(Global Navigation Satel-lite System，GNSS)差分基准站不可避免地存在建设距离较近的情况，所以确定5G微基站及其通信信号频段对GNSS接收机工作性能及观测数据质量的影响，对于今后卫星导航定位GNSS差分基准站的建设及维护工作十分有意义。

当前学者针对5G对于卫星信号观测质量影响进行量化分析的研究相对较少，研究方法较为单一。徐姗姗通过探讨5G基站对C波段广播卫星接收站的干扰，提出了加装滤波器、合理选址等建议，但未对5G信号对于卫星观测信号的影响继续做量化研究；赵利江等通过TEQC软件分析中国移动信号基站发出的五种不同通信频段对GPS信号的影响；张胜等在北斗地基增强站与 5G 通信基站共址可行性研究中，同样利用分析软件对观测数据的完好性、多路径效应等进行分析。以上研究通过观测质量分析软件得出，在一定范围内5G基站对于差分基站的影响可以忽略，但未对5G基站对于GNSS卫星的不同频段、伪距和载波相位观测产生的影响做深入的量化研究，且未具体说明影响程度的大小。

除使用GNSS观测质量分析软件外，零基线检验法也是检定观测噪声影响及评估接收机性能的常用方法。零基线检验本质上是采用双差观测方程进行数据解算，消除了一系列影响观测精度的误差来源[6-7]，如电离层延迟、对流层延迟、轨道误差、卫星钟误差、接收机钟误差等，得到的基线偏差反映了5G基站噪声和接收机内部噪声影响，据此来评估接收机性能质量水平与数据可信性。

本文采用零基线双差残差评估法，在消除各种误差之后，得到反映5G微基站对接收机影响的观测噪声的残差序列，并通过对比相对定位结果，对5G微基站环境下GNSS接收机工作性能及观测数据质量进行详细的量化评估。

1 零基线双差观测模型

两台GNSS接收机天线的相位中心相对距离为零时，即为零基线。两台接收机通过功分器同时使用同一个天线接收导航卫星信号时，由于共用同一个天线，天线相位中心相对距离为零，从而实现零基线观测，布设原理如图1所示。

图1 零基线观测示意图Fig.1 Zero baseline observation

零基线的伪距观测值和载波相位观测方程可表示为

(1)

在测站、单差观测的基础上，以卫星、之间做星间差分，得到最终双差观测方程

(2)

零基线接收机观测同一卫星时，通过差分消除了卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、接收机钟差和多路径效应等。剩余的观测值噪声主要是由接收机内部噪声引起, 由于5G微基站通过带外射频干扰对接收机产生内部噪声影响，零基线双差残差可通过反映接收机间内部噪声水平情况，间接反映5G微基站影响。

2 实验及结果分析

在科技馆楼顶通过自建基准站进行零基线数据观测采集。楼顶设有固定底座型号为JCA229的北斗星通3D扼流圈天线，距离天线14.75m外建设有中国移动通信的华为5G微基站，设备及位置如图2所示。经过功分器将GNSS卫星信号分为两路，同时传输给一对北斗星通UR4B0全系统全频点GNSS高精度基准站接收机，设定采样间隔为10s，卫星高度截止角为20°，采用零基线双差处理静态观测数据，分别获取到伪距和载波相位的观测残差。

图2 零基线观测实验Fig.2 Zero baseline observation experiment

2.1 数据完整性及多路径效应

由于观察环境中存在遮挡或接收机噪声，以及数据生成和传输过程中的缺失等影响，最终得到的观察数据文件会存在不同程度的丢失，造成数据观察质量下降。数据完整率可以反映观察时段内数据的可用性及完好性，既可以体现环境影响因素，又可以反映接收机性能。数据完整率为观察时间段内，可用观测历元数据占所有观测历元的比例。

当天线周围存在强反射物体时，卫星信号经反射会与来自卫星的直接信号一同进入接收机并产生干涉，严重损害GNSS测量精度，甚至引发信号失锁。通过载波相位和伪距计算所有频率伪距多路径误差的公式为

(3)

式中：、分别代表双频伪距观测值和双频载波相位观测值；为信号频率；在建立基准站时，多路径效应一般要满足：MP≤0.35m，MP≤0.45m。

Anubis作为目前国际上应用成熟的数据质量检核软件，其检核结果可以作为参考。得到数据完整率结果如表1所示，各系统多路径误差如图3所示。

表1 实验测站数据完整率处理结果

图3 各导航系统多路径误差Fig.3 Multi-path error of the navigation systems

从图1和表3可以看出，在实验观测阶段，数据观测的完整率可以达到94.5%，且多路径效应均值指标均满足要求，在0.1～0.25m以内，这反映了接收机运行稳定正常。实际指标远小于要求，这和接收机天线位于楼顶开阔地无遮蔽，及5G微基站电磁环境对接收机、天线工作影响较小有关。从完整观测数/跳变数比值o/slps可以看出，站点周跳次数很小，表明观测环境良好，接收机在5G微基站电磁环境下仍运行良好。

2.2 零基线观察分析

在零基线测试中，使用测站间与卫星间观测值双差操作，可以消除除观察值以外的其他误差项，双差载波相位和伪距观测值计算公式为

(4)

从式(4)可以看出，零基线双差伪距观测值仅包含观测值噪声，可以直接进行统计分析，以评估伪距观测噪声水平的影响。而双差载波相位观测值除了观测噪声，还包含双差模糊度项。对于GPS、BDS、GALILEO系统，观测值双差之后，双差模糊度已十分接近整数值，可以取整以获取双差模糊度。由于GLONASS采用频多分址，双差模糊度非整数值，不可直接取整。考虑模糊度参数可以当作常数直接处理，可将双差序列均值作为模糊度项进行剔除，然后进行统计分析。

根据上述方法，对BDS(B1/B2/B3)和GPS(L1/L2)频段的观测进行统计分析，评估5G微基站对于接收机观测的影响。图4～图7所示为零基线观测数据计算获取的载波相位残差及伪距残差，双差模糊度项已按照前述方法进行剔除。

(a) L1

(b) L2图4 GPS(L1/L2)双频载波相位双差残差Fig.4 GPS (L1/L2) dual frequency carrier phase double difference residual

(a) P1

(b) P2图5 GPS(P1/P2)双频伪距双差残差Fig.5 GPS (P1/P2) dual-frequency pseudorange double difference residual

(a) B1

(b) B2

(c) B3图6 BDS(B1/B2/B3)三频载波相位双差残差Fig.6 BDS (B1/B2/B3) triple-frequency carrier phase double difference residual

(a) BP1

(b) BP2

(c) BP3图7 BDS(BP1/BP2/BP3)三频伪距双差残差Fig.7 BDS (BP1/BP2/BP3) triple-frequency pseudorange double difference residual

假定相同卫星和接收机获取的观测噪声水平相当，根据误差传播定律，双差观测值噪声水平相当于原始观测值噪声扩大了2倍。从图4～图7可以得出，在工作时间段内，获取的BDS和GPS的载波相位观测噪声变化范围为-5～5cm之间，且噪声水平分布基本一致，伪距观测噪声变化范围为-15～15cm内，且BDS与GPS双差伪距观测值分布情况类似。经统计，GPS和BDS的双差伪距观测值序列的平均值小于5cm。这与不存在5G微基站时的观测数据水平一致，说明在5G微基站工作期间，在实验距离内，对于接收机的影响可以忽略，接收机观测数据认为正常。

进一步选择BDS的C07与C01的双差残差序列，检验其分布规律，结果如图8所示。

图8 双差残差序列分布图Fig.8 The distribution of double difference residual

从图8中可以看出，5G微基站一定程度上影响了载波相位测量噪声的正态分布特性，导致残差序列与标准正态分布并不完全吻合。但由于5G微基站的噪声影响的量级较小，对观测数据质量的影响也较小，因此残差序列整体与正态分布接近。

利用零基线静态观测数据进行动态相对定位计算, 进一步评估5G微基站的噪声影响量级，同时对比无5G微基站的定位结果，对比结果如图9所示。由图9定位曲线可知，系统解算结果无明显跳点现象，零基线定位解算精度在E、N两方向上均优于1mm。依据《全球定位系统测量型接收机检定规程》规定：零基线测试时，1.5h观测数据静态解基线向量及长度应在1mm以内，则认为噪声水平满足测量要求。对比无5G微基站的结果，两实验的偏差曲线一致，基线长度偏差在0.5mm范围内，均未超出规定的限差要求。

图9 零基线数据静态相对定位对比结果Fig.9 Comparison of zero baseline data static relative positioning

综上所述，在一定范围内，5G微基站对于GNSS差分基准站及接收机观测数据质量的影响可以忽略。

3 结束语

当前全球导航与定位技术的广泛应用与5G技术的全面推广，不可避免地使GNSS基站与5G基站的建设距离越来越近。本文通过空天科技馆的GNSS差分基准站，测试了5G微基站环境下GNSS接收机性能及观测质量，实验表明：

1)在实验距离内，GNSS差分基准站载波相位观测噪声变化范围为5cm，伪距观测噪声变化范围为15cm，零基线测试结果变化范围为1mm，满足相关规范要求。

2)本文对北斗差分基准站与5G基站共址建设具有一定的参考价值，在未来规划建设上可节约一定的成本。