劉備鐘斌紀(jì)兵

（海軍工程大學(xué) 武漢 430032）

1 引言

近年來(lái)，海洋測(cè)繪、大地測(cè)量與衛(wèi)星導(dǎo)航的交集愈漸增多，尤其在軟硬件的共享上表現(xiàn)得更加廣泛［1］。之前很多試用于衛(wèi)星導(dǎo)航的系統(tǒng)及設(shè)備現(xiàn)在具有很強(qiáng)的通用性。GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機(jī)作為衛(wèi)星導(dǎo)航地面站的重要環(huán)節(jié)［2］，發(fā)展得更為快速。接收機(jī)從用途上可分為三類，一是主要用于運(yùn)動(dòng)載體導(dǎo)航的導(dǎo)航型接收機(jī)，可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度；二是主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量的測(cè)地型接收機(jī)；三是主要利用GNSS衛(wèi)星提供高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)的授時(shí)型接收機(jī)［3～4］。接收機(jī)按載波頻率也可分為單頻、雙頻、多頻接收機(jī)。本文通過(guò)對(duì)固定點(diǎn)位置的測(cè)定對(duì)兩種接收設(shè)備的性能進(jìn)行比測(cè)，并對(duì)位置精度較差的接收機(jī)提供一種Loess數(shù)據(jù)處理方法，用于更精準(zhǔn)地找到測(cè)定點(diǎn)。

2 各型接收機(jī)介紹及實(shí)驗(yàn)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

實(shí)驗(yàn)使用兩套不同型號(hào)的GNSS接收機(jī)設(shè)備，一型為高精度多系統(tǒng)多星RTK野外成圖系統(tǒng)及與之配套的手簿，以下稱為多系統(tǒng)型；另一型為北斗/GPS雙系統(tǒng)四頻高精度接收機(jī)，以下稱為雙系統(tǒng)型。

多系統(tǒng)型系統(tǒng)是際上導(dǎo)航設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新一代高精度、高性能、手持式GNSS hRTK系統(tǒng)。它顛覆了第二代RTK的結(jié)構(gòu)概念，集業(yè)內(nèi)頂尖科技于一身，為用戶提供人性化、穩(wěn)定可靠的高精度動(dòng)靜態(tài)實(shí)時(shí)/事后定位服務(wù)，支持大數(shù)據(jù)量影像數(shù)據(jù)加載及百兆級(jí)矢量數(shù)據(jù)加載，與市場(chǎng)4大主流GIS平臺(tái)無(wú)縫銜接，可廣泛應(yīng)用于高精度RTK測(cè)量、工程施工放樣、組建高精度大范圍靜態(tài)控制網(wǎng)以及野外數(shù)據(jù)采集等作業(yè)。

雙系統(tǒng)型接收機(jī)可為各種GNSS應(yīng)用提供強(qiáng)大而靈活的解決方案。手簿標(biāo)配為高靈敏工業(yè)級(jí)GeoRef K2E，也可以選配高性能戶外平板電腦gPad進(jìn)行組合作業(yè)，形成功能強(qiáng)大的專業(yè)野外測(cè)量系統(tǒng)，在野外即可完成數(shù)據(jù)的分析處理工作，一站式作業(yè)模式將極大提高野外測(cè)量的效率［5～7］。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)采用際上空間eFix R1接收機(jī)通過(guò)接入湖北省CORS，獲取高精度定位數(shù)據(jù)（主要是經(jīng)度和緯度），從而為之后接收機(jī)的普通單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)采集和分析提供良好的定位基準(zhǔn)。為保證對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測(cè)和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量，選擇的測(cè)站上空相對(duì)開(kāi)闊，在 15°高度角以上無(wú)成片的障礙物［8］；為減少各種電磁波對(duì)GNSS衛(wèi)星信號(hào)的干擾，在測(cè)站周圍約200m的范圍內(nèi)無(wú)電視塔、微波站、高壓輸電線等強(qiáng)電磁波干擾設(shè)備；為避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生，測(cè)站選擇點(diǎn)遠(yuǎn)離高層建筑、成片水域等對(duì)電磁波信號(hào)反射強(qiáng)烈的地形、地物。

在滿足以上條件后，選好地點(diǎn)，架好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)好參數(shù)，選定觀測(cè)定位時(shí)間為2016年10月13日上午09：00～12：00，采點(diǎn)頻率設(shè)為1Hz，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)3個(gè)小時(shí)采集10800個(gè)碎步點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)后確定定位基準(zhǔn)，即真值點(diǎn)。調(diào)換eFix R1工作模式，選擇普通單點(diǎn)定位模式，地點(diǎn)不變，時(shí)間為13：00～15：00，采點(diǎn)頻率依然設(shè)為1Hz，實(shí)驗(yàn)2小時(shí)采集7200個(gè)碎步點(diǎn)。在同一地點(diǎn)架設(shè)和芯星通設(shè)備，時(shí)間為15：30～17：30，采點(diǎn)頻率1Hz，實(shí)驗(yàn)2小時(shí)，由于和芯星通設(shè)備不自帶手薄，數(shù)據(jù)直接以NMEA格式存儲(chǔ)在電腦中，然后利用NMEA解析協(xié)議提取數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度高程信息［9］。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

由于多系統(tǒng)型接收機(jī)基于CORS差分的RTK測(cè)量技術(shù)是精度最高的一種技術(shù)，所以以接入CORS差分的測(cè)量結(jié)果為定位基準(zhǔn)。利用CORS差分得到的數(shù)據(jù)取平均值作為基準(zhǔn)真值L0，如下：

調(diào)換工作模式后利用單點(diǎn)定位得到數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，求出均值點(diǎn)L1，標(biāo)準(zhǔn)差S1，如下：

用Origin繪制二維散點(diǎn)圖如圖1所示。

由圖1可看出，大部分二維散點(diǎn)分布較均勻，個(gè)別壞點(diǎn)落在遠(yuǎn)離散點(diǎn)簇位置，可以舍棄。由此可看出多系統(tǒng)型接收機(jī)單點(diǎn)定位的水平精度較高。與CORS差分定位水平精度相比相差不大。

為對(duì)定位精度做一個(gè)進(jìn)一步明確，引入高程精度，可以更直觀的看到單點(diǎn)定位的散點(diǎn)位置分布，分別繪制三維散點(diǎn)圖及三維表面圖如圖2、圖3所示。

上圖可看出，散點(diǎn)在高程上的分布明顯不均，離散程度較大，反映出接收機(jī)的垂直精度相對(duì)較差，誤差為米級(jí)。

雙系統(tǒng)型接收機(jī)測(cè)量結(jié)果以NMEA數(shù)據(jù)格式得到，利用NMEA協(xié)議解析語(yǔ)句對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取處理，得到經(jīng)緯度高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，求出其平均值L2，標(biāo)準(zhǔn)差S2，如下：

同樣，用Origin繪制二維散點(diǎn)圖如圖4所示。

由圖4可看出，相對(duì)多系統(tǒng)型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，雙系統(tǒng)型所測(cè)得的二維散點(diǎn)分布明顯不均，即便把壞點(diǎn)舍棄仍呈不規(guī)則分布，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化成米之后，誤差為米級(jí)。

同樣，引入高程精度后，繪制其三維散點(diǎn)圖及三維表面圖如圖5、圖6所示，觀察其散點(diǎn)分布情況，依然是離散程度大，分布不均，反映出接收機(jī)的垂直精度相對(duì)較差，誤差為米級(jí)。

比測(cè)兩種接收設(shè)備的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，可看出：1）兩種設(shè)備的垂直精度都不高，只能達(dá)到米級(jí)水平；2）多系統(tǒng)型接收機(jī)相對(duì)于雙系統(tǒng)型接收機(jī)所測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，水平精度明顯更高，分布更加均勻。

由于求數(shù)值平均得到平均點(diǎn)的算法對(duì)于不規(guī)則、不均勻分布的散點(diǎn)圖來(lái)說(shuō)，誤差較大，可靠度不高，這里針對(duì)雙系統(tǒng)型接收機(jī)所測(cè)得散點(diǎn)數(shù)據(jù)分布不均的問(wèn)題，另做數(shù)據(jù)處理，使得尋找到的測(cè)定點(diǎn)更有信服力。

通過(guò)分析此二維散點(diǎn)分布可知，不適合最小二乘法線性擬合方法，也沒(méi)有合適的函數(shù)模型可以直接調(diào)用擬合。在受到核回歸方法散點(diǎn)擬合曲面重構(gòu)的啟發(fā)后，可用統(tǒng)計(jì)學(xué)解決平滑問(wèn)題中的Loess局部加權(quán)回歸法對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行平滑擬合［10］。

通過(guò)擬合后的數(shù)據(jù)如下：

繪出相應(yīng)的散點(diǎn)圖如圖7所示。

由于新的散點(diǎn)圖分布較均勻，可將均值近似視為測(cè)定值，得到測(cè)定值L3。

對(duì)比E和N方向上|L0-L2|與|L0-L3|的值，得到：|L0-L2|＞|L0-L3|，說(shuō)明經(jīng)過(guò)Loess方法處理后精度得到了提升，即驗(yàn)證了Loess局部加權(quán)回歸法的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

采用多系統(tǒng)（包括GPS、BDS、GLONASS等）的多系統(tǒng)接收機(jī)水平精度在相同條件下明顯高于雙系統(tǒng)（GPS+BDS）和芯星通芯片板接收設(shè)備?？煽闯?，多系統(tǒng)使可見(jiàn)星數(shù)增多，可用星數(shù)也隨之增多，對(duì)提高水平精度有幫助［11～12］。另得到用Loess加權(quán)回歸平滑法預(yù)處理大量無(wú)規(guī)則散點(diǎn)數(shù)據(jù)，在E，N兩個(gè)方向上精度比直接求散點(diǎn)平均值得到的測(cè)定精度更為準(zhǔn)確。

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