唐龍江，徐愛功，徐宗秋，2，李 凱

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079；3.上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201702)

復(fù)雜環(huán)境下多模GNSS接收機性能評估

唐龍江1，徐愛功1，徐宗秋1，2，李 凱3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079；3.上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201702)

針對城市CORS建設(shè)中無法模型化的誤差逐漸成為影響CORS提供高精度服務(wù)的主要因素的問題，提出使用超短基線詳細分析多模GNSS接收機在復(fù)雜環(huán)境下的定位效果，重點測試其在強磁場和多路徑環(huán)境下的性能；利用一加一RTK模式模擬網(wǎng)絡(luò)CORS，從系統(tǒng)定位精度和服務(wù)性能2方面評估多模GNSS接收機的CORS組網(wǎng)性能。實驗結(jié)果表明：在強磁場環(huán)境下，使用多模GNSS接收機無明顯優(yōu)勢；在多路徑環(huán)境下，使用GNSS接收機不會明顯增大多路徑效應(yīng)的影響并且能夠提高解的穩(wěn)定性，其中GPS/GLONASS組合觀測值解算的結(jié)果最穩(wěn)定；通過模擬CORS網(wǎng)中參考站對流動站的服務(wù)模式，可以發(fā)現(xiàn)在強磁場、遮擋和多路徑等復(fù)雜環(huán)境中使用GNSS接收機來組建CORS網(wǎng)能夠明顯提高CORS系統(tǒng)的精度。

多模GNSS；CORS；多路徑；強磁場

0 引言

為了能進行準時、實時的快速定位、事后定位和導(dǎo)航定位，連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)在城市的建設(shè)發(fā)展中應(yīng)運而生[1]。通過建設(shè)多個永久性連續(xù)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的基準站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時地向各類用戶發(fā)送信息，可以滿足用戶不同需求。目前，國際國內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航市場基本被全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)占領(lǐng)，其中GPS技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、定位精度高。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)于2012-12-27正式提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)，目前處于發(fā)展的第3階段，整個系統(tǒng)將在2020年形成全球覆蓋能力，可以讓全球用戶都可以享受到衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展帶來的成果[2-3]。

隨著GNSS定位技術(shù)的快速發(fā)展和深入應(yīng)用，天線相位中心變化、相位纏繞、相對論效應(yīng)等誤差均可以被模型化[4-5]；而無法模型化的誤差，包括多路徑和強磁場，成為影響CORS提供高精度服務(wù)的主要制約因素，是差分或精密單點定位(precision point positioning，PPP)中需要重點考慮的誤差。研究表明，由多路徑引起的相位偏差約為波長的1/4，其中對L1波長的最大影響約為4.8 cm，對L2波長的最大影響約為6.2 cm[6]。多年來，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量理論研究和試驗，旨在提高GPS接收天線的抗干擾性、完善GPS數(shù)據(jù)處理軟件的功能；同時，在實際操作中明確要求GPS測量點位應(yīng)盡量避開射頻與環(huán)境干擾源[7]。在現(xiàn)實環(huán)境中，定位終端經(jīng)常會在城市、叢林或峽谷等復(fù)雜環(huán)境下進行測量，這樣的復(fù)雜環(huán)境容易導(dǎo)致衛(wèi)星數(shù)目陡增或陡減；另外，城市叢林和峽谷區(qū)域同樣會出現(xiàn)通信終端，導(dǎo)致無法接收到實時軌道和鐘差等差分改正信息。隨著BDS的推廣使用，越來越多省份的CORS網(wǎng)使用GNSS接收機，然而目前針對多模GNSS接收機在CORS組網(wǎng)中性能的研究仍然較少，尤其是罕有針對強磁場或多路徑效應(yīng)等情況下的相關(guān)分析。

為了分析復(fù)雜環(huán)境下多模GNSS接收機的定位性能，本文首先采用超短基線法進行抗強磁場測試和抗多路徑測試，接著采用一加一實時動態(tài)定位技術(shù)(real time kinematic，RTK)模式模擬網(wǎng)絡(luò)CORS，分析多模GNSS接收機在強磁場、遮擋和多路徑等復(fù)雜環(huán)境下的定位精度，最后從系統(tǒng)定位精度和服務(wù)性能2方面詳細評估多模GNSS接收機的CORS組網(wǎng)性能。數(shù)據(jù)處理軟件采用定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理(positioning and navigation data analysis，PANDA)軟件[8-9]，電離層和對流層等通過雙差消除，其余誤差進行模型化處理。

1 多模GNSS接收機性能測試分析

1.1 實驗設(shè)計

實驗過程采用的多模接收機是南方S86GNSS，為詳細分析在抗磁場環(huán)境下和多路徑環(huán)境下的多模GNSS接收機性能，分別在不同環(huán)境下設(shè)計抗強磁場和多路徑效應(yīng)測試。實驗過程中，接收機受磁場或多路徑影響較大，因此忽略mm級的誤差對實驗結(jié)果的影響。

1)抗強磁場測試?，F(xiàn)行的GPS測量規(guī)范 GB/T 18314-2009中要求GPS測量點位應(yīng)遠離無線電發(fā)射電源、高壓輸電線和微波無線電信號傳輸通道，目的是減少強磁場對衛(wèi)星信號的干擾。然而在城市測量中，無線電、高壓輸電線等設(shè)備分布較為廣泛，這就要求GNSS接收機要有良好的抗磁場性能。測站分布如圖1所示，A1點距離變電房10 m，A2與A1距離1.5 m，測站周圍環(huán)境空曠，A3、A4距離變電房約100 m，A3與A4距離1.5 m(鋼尺多次測量取均值，精確到mm)。對測區(qū)采用4臺接收機進行同步觀測1.5 h，觀測2個時段，如此每天在相同的時段進行觀測，共觀測12 d。在解算過程中剔除MP1>0.4m、MP2>0.5 m(MP1，MP2為觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標)的衛(wèi)星。為排除定位系統(tǒng)本身的誤差，將基線A3A4的結(jié)果作為當天基線參考值，使用統(tǒng)計學(xué)原理統(tǒng)計出誤差的大小及范圍。

圖1 強磁場測試測站分布

抗多路徑測試。為了比較多系統(tǒng)GNSS接收機與單系統(tǒng)接收機的抗多路徑性能，采用超短基線法結(jié)合預(yù)報星歷分析水面和建筑物對接收機產(chǎn)生的多路徑影響，測站分布圖如2所示(B1、B2于湖泊和高樓之間，距離湖泊約5 m，距離教學(xué)樓在15 m左右，B3、B4位于空曠地帶，B1和B2、B3和B4之間距離均為1.5 m)。在進行數(shù)據(jù)解算前，利用星歷預(yù)報分析提取MP1>0.6 m，MP2>0.6 m的衛(wèi)星及位置精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)較小的觀測時段，將基線B3B4的結(jié)果作為當天基線參考值，使用統(tǒng)計學(xué)原理統(tǒng)計出誤差的大小及范圍(觀測12 d)。

圖2 多路徑測試測站分布

1.2 抗強磁場測試結(jié)果

圖3列出了強磁場環(huán)境下單系統(tǒng)/多系統(tǒng)的基線測量誤差。從圖中可看出，利用單BDS系統(tǒng)解算的基線誤差最高(近130 mm)，說明BDS系統(tǒng)在強磁場環(huán)境下測量效果相對較差；另外GPS/GLONASS組合解算的結(jié)果比較穩(wěn)定，周期性明顯，多系統(tǒng)的解算結(jié)果明顯比單系統(tǒng)解算結(jié)果穩(wěn)定。表1給出了強磁場環(huán)境下測量誤差的次數(shù)統(tǒng)計。從表中可看出不論是各個單系統(tǒng)解算還是聯(lián)合解算，它們的基線解算誤差都主要集中在100～130 mm范圍內(nèi)；因此從誤差分布來看，利用多模GNSS接收機在強磁場環(huán)境下進行測量可以提高解的穩(wěn)定性。

圖3 強磁場環(huán)境下單系統(tǒng)/多系統(tǒng)的基線測量誤差

測量誤差范圍/mmGPS(出現(xiàn)次數(shù))GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))BDS(出現(xiàn)次數(shù))GPS/GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))BDS/GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))GPS/BDS(出現(xiàn)次數(shù))GPS/BDS/GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))90～1003233322100～1106426345110～1303673675

1.3 抗多路徑測試結(jié)果

圖4給出了多路徑環(huán)境下單系統(tǒng)/多系統(tǒng)的基線測量誤差。從圖中可看出，利用單系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)解算得到的基線誤差最小值和最大值之差均達到25 mm以上，變化幅度較大。雖然多系統(tǒng)解算得到的基線誤差的最小值和最大值之差均達到25 mm以上(由3系統(tǒng)組合解算得到的基線誤差最小值和最大值之差為30 mm)：但穩(wěn)定性明顯提高，尤其是GPS/GLONASS組合，其基線誤差的最小值和最大值之差均在10 mm以內(nèi)(除去第7天)：這說明利用多系統(tǒng)，尤其是GPS/GLONASS組合的觀測數(shù)據(jù)可以提高解的穩(wěn)定性。表2給出了多路徑環(huán)境下的測量誤差的次數(shù)統(tǒng)計。從表中可看出不論是單

系統(tǒng)還是多系統(tǒng)觀測，其測量結(jié)果誤差主要集中在110～130 mm；且3系統(tǒng)的測量結(jié)果略優(yōu)于雙系統(tǒng)：這說明在多路徑較強的環(huán)境中使用GNSS接收機不會明顯增加多路徑效應(yīng)的影響。

圖4 多路徑環(huán)境下單系統(tǒng)/多系統(tǒng)的基線測量誤差

測量誤差范圍/mmGPS(出現(xiàn)次數(shù))GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))BDS(出現(xiàn)次數(shù))GPS/GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))BDS/GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))GPS/BDS(出現(xiàn)次數(shù))GPS/BDS/GLONASS(出現(xiàn)次數(shù))90～1003110111100～1102241113110～1307971110108

表3給出了第10 天的基線處理結(jié)果。從表中可看出，單GLONASS解算的中誤差達到0.148 m，其解算效果最差；單BDS解算的中誤差為0.014 m，優(yōu)于單GPS的結(jié)算結(jié)果0.019 m。在單系統(tǒng)情況下，BDS系統(tǒng)抵御多路徑影響效果最佳。由于GPS解算效果不好，進而導(dǎo)致GPS/GLONASS和GPS/BDS的聯(lián)合解算效果比GLONASS/BDS聯(lián)合解算效果差。另外單系統(tǒng)解算的結(jié)果與雙系統(tǒng)解算的結(jié)果近乎一致。值得注意的是，GPS/GLONASS/BDS 3者聯(lián)合解算的中誤差達到0.012 m，優(yōu)于雙系統(tǒng)組合的結(jié)果。總體而言，使用多模GNSS接收機在復(fù)雜環(huán)境下，特別在城市、峽谷等復(fù)雜環(huán)境中具有較為明顯的優(yōu)勢。

表3 基線處理結(jié)果

2 系統(tǒng)定位精度測試

為了進一步分析多模GNSS接收機在復(fù)雜環(huán)境下的定位精度，首先分析多模GNSS分別在遮擋、多路徑、強磁場等環(huán)境下的解算效果，并檢測系統(tǒng)定位精度。使用南方GNSS接收機在一加一RTK模式下，分別在不同的環(huán)境中，測試其定位精度，通過偏差反映多系統(tǒng)在CORS組網(wǎng)中對系統(tǒng)定位精度的影響。

表4給出了GNSS接收機在強磁場環(huán)境下的測量精度。從表4中可看出，在強磁場環(huán)境下，利用在網(wǎng)絡(luò)CORS下的GPS觀測數(shù)據(jù)解算的基線精度優(yōu)于20.3 mm；而利用在一加一RTK模式下的GNSS數(shù)據(jù)解算的基線精度優(yōu)于5.1 mm：這說明在強磁場環(huán)境下，利用GNSS觀測值可以提高定位精度。

表4 強磁場環(huán)境下測量結(jié)果 mm

表5給出了GNSS接收機在遮擋環(huán)境下的定位精度。從表5中可看出，遮擋環(huán)境對于GNSS接收機定位精度的影響比較大；但GNSS接收機可觀測更多的衛(wèi)星，其一加一RTK模式下的定位精度也會得到明顯的提高。

表5 遮擋環(huán)境下測量結(jié)果 mm

表6給出了GNSS接收機在多路徑環(huán)境下的定位精度。從表6中可看出，使用GNSS觀測值解算的基線精度比使用GPS觀測值解算的基線精度提高了25 %～37 %，這說明在相同的環(huán)境下，使用GNSS接收機組成CORS網(wǎng)可以明顯提高用戶定位的精度。

表6 多路徑環(huán)境下測量結(jié)果 mm

3 系統(tǒng)服務(wù)性能分析

對于用戶來說，定位的實效性就是接收機從撥號登陸成功到獲得固定解所需要的初始化時間。為了分析CORS參考站上多GNSS接收機服務(wù)用戶的效果，采用南方GNSS接收機模擬CORS參考站進行一加一RTK模式測試，并記錄初始化時間，進行多組測試。

表7列出了測試點初始化的時間。由表中可知，流動站附近的點初始化為固定解的時間較短，隨著距離的增加，初始化的時間逐漸變長，其中2號點和5號點的初始化時間比較長是因為2、5號位于樹下，信號有遮擋；而對于同樣的位置，單系統(tǒng)觀測值得到固定解的時間比利用GNSS觀測值得到固定解的時間長，這說明在時效性方面，采用多GNSS接收機進行CORS組網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢。

表7 測試點初始化時間

表8給出了由單GPS觀測值處理的基線誤差，表9給出了由GNSS觀測值處理的基線誤差。從表8和表9可看出，與由GPS觀測值計算的差分改正信息相比，由GNSS觀測值計算的差分改正信息精度更高，這充分說明由GNSS接收機來組建CORS網(wǎng)能提高CORS系統(tǒng)的精度。

表8 GPS觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果 mm

表9 南方GNSS觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果 mm

4 結(jié)束語

本文采用超短基線法進行了抗強磁場測試和抗多路徑測試，接著采用一加一RTK模式模擬網(wǎng)絡(luò)CORS，重點分析了多模GNSS接收機在強磁場、遮擋和多路徑等復(fù)雜環(huán)境下的定位精度，最后從系統(tǒng)定位精度和服務(wù)性能2方面分析了系統(tǒng)的定位效果。在強磁場環(huán)境下，使用多模GNSS接收機無明顯優(yōu)勢；在多路徑環(huán)境下，使用GNSS接收機不會明顯增加多路徑效應(yīng)的影響并且能提高解的穩(wěn)定性，其中GPS/GLONASS組合觀測值解算的結(jié)果最穩(wěn)定。通過在強磁場、遮擋和多路徑等復(fù)雜環(huán)境下使用一加一RTK模擬CORS的實驗可以發(fā)現(xiàn)，使用GNSS接收機來組建CORS網(wǎng)能明顯提高CORS系統(tǒng)的精度，這對建設(shè)城市CORS有借鑒意義。

[1] 陳俊勇，黨亞民.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的進展及建設(shè)CORS的思考[J].地理空間信息，2009，7(3)：1-4.

[2] 施闖，趙齊樂，李敏，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42(6)：854-861.

[3] 朱永興，馮來平，賈小林，等.北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的PPP精度分析[J].測繪學(xué)報，2015，44(4)：377-383.

[4] KOUBA J，HéROUX P.Precise point positioning using IGS orbit and clock products[J].GPS Solutions，2001，5(2)：12-28.

[5] KOUBA J.A guide to using international GNSS service(IGS)products[EB/OL].[2016-05-22].http：//acc.igs.org/UsingIGSProductsVer21.pdf.

[6] 戴吾蛟，丁曉利，朱建軍.GPS動態(tài)變形測量中的多路徑效應(yīng)特征研究[J].大地測量與地球動力學(xué)，2008，28(1)：65-71.

[7] 黃聲享，李沛鴻，楊保岑，等.GPS動態(tài)監(jiān)測中多路徑效應(yīng)的規(guī)律性研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2005，30(10)：877-880.

[8] 耿濤，趙齊樂，劉經(jīng)南，等.基于PANDA軟件的實時精密單點定位研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2007，32(4)：312-315.

[9] 施闖，趙齊樂，樓益棟，等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合分析處理軟件PANDA及研究進展[J].航天器工程，2009，18(4)：64-70.

PerformanceevaluationofmultimodeGNSSreceiverforCORSnetwork

TANGLongjiang1，XUAigong1，XUZongqiu1，2，LIKai3

(1.School of Geomatics of Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000，China；2.Research Center of GNSS，Wuhan University，Wuhan 430079，China；3.Shanghai CHC，Shanghai 201702，China)

Aiming at the problem that the errors unable to model are becoming the main factor of influencing the highly precise service of CORS in the construction of urban CORS，the paper proposed to use the method of ultra-short baseline to analyze the positioning effect of multimode GNSS receiver under complex environment，and specially tested the performance in the condition of strong magnetic fields and multipath.Moreover，the one plus one RTK mode was used to simulate CORS network，and the performance of CORS network for multimode GNSS receiver was evaluated from the two aspects of positioning precision and serving quality.Expermental result showed that using of multimode GNSS receiver would have no superiority in the situation of strong magnetic fields，however，have better stability in the situation of multipath.By simulating the service mode of reference station to flow station in CORS network，it was found that the CORS network constructed by multimode GNSS receiver could help improve the precision of CORS system in the situation of strong magnetic fields，shade and multipath.

multimode GNSS；CORS；multipath；strong magnetic fields

2016-06-23

國家863計劃項目(2014AA121301)；國家青年基金項目(41504030，41504010)；遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團隊項目(LT2015013)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2014139)；遼寧省科技廳博士啟動基金項目(201501126)。

唐龍江(1991—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向為GNSS精密定位及數(shù)據(jù)處理。

徐愛功(1963—)，男，山東日照人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為衛(wèi)星定位與地理信息系統(tǒng)理論與應(yīng)用。

唐龍江，徐愛功，徐宗秋，等.復(fù)雜環(huán)境下多模GNSS接收機性能評估[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2017，5(1)：105-109.(TANG Longjiang，XU Aigong，XU Zongqiu，et al.Performance evaluation of multimode GNSS receiver for CORS network[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：105-109.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170419.

P228

A

2095-4999(2017)04-0105-05