張 弘，管慶林,2，樊春明,2

不同測量型接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比分析

張 弘1，*管慶林1,2，樊春明1,2

（1.閩江學(xué)院地理與海洋學(xué)院，福建，福州 350108；2.閩江學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航與空間信息工程研究院，福建，福州 350108）

針對不同全球定位系統(tǒng)（GNSS）測量型接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量差異問題，基于國內(nèi)外5款GNSS測量型接收機的實測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比指標(biāo)對各接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估。實驗結(jié)果表明：綜合數(shù)據(jù)完整率、載噪比和周跳比看，JAVAD TRE_3接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收機。此外，國產(chǎn)司南T300接收機在BDS系統(tǒng)衛(wèi)星信號處理及北斗信號多路徑誤差處理方面較其他四款接收機有一定優(yōu)勢。

GNSS；測量型接收機；觀測數(shù)據(jù)；質(zhì)量評估

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）測量型GNSS接收機因能夠提供高質(zhì)量的偽距和載波相位觀測數(shù)據(jù)而被廣泛用于大地測量、工程測量等高精度定位領(lǐng)域[1-2]。接收機觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和導(dǎo)航衛(wèi)星的空間幾何分布是確保高精度定位的兩個重要因素，對測量型接收機的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估是高精度定位解算的必要步驟，也是測量型接收機性能評價和運行狀態(tài)監(jiān)測的重要手段[3-4]。隨著GNSS技術(shù)及接收機硬件技術(shù)的發(fā)展，高精度定位應(yīng)用領(lǐng)域?qū)邮諜C數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求不斷提高，然而，國內(nèi)國際市場上測量型接收機品牌和型號眾多。因此，針對不同品牌/型號的測量級接收機觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估，對高精度應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)備選型具有一定意義。

近年來，許多研究人員對GNSS接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了研究和分析。蔡昌盛等人[5]對美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），俄羅斯全球定位系統(tǒng)（GLObal NAvigation Satellite System, GLONASS）、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）及歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo Satellite Navigation System，GALILEO)的觀測噪聲和多路徑誤差進行了分析，結(jié)果表明各系統(tǒng)不同頻率的測量噪聲范圍是5～25 cm，載波相位噪聲范圍為0.9～1.5 mm。肖秋龍等人[6]就北斗地基增強系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了評估，結(jié)果表明91.1%的框架網(wǎng)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足建站要求。郭亮亮等人[7]利用國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS）和多模GNSS實驗網(wǎng)（Multi-GNSS Experiment，MGEX）觀測數(shù)據(jù)分析了不同接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。帥瑋祎等人[8]分析了GNSS接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及常見問題，結(jié)果表明北斗接收機觀測到的數(shù)據(jù)各項指標(biāo)都略差于GPS/GLONASS雙模接收機。劉海鋒、龔真春、劉備等人[9-11]利用TEQC、QCVIEW32以及RTKLIB軟件對GNSS接收機觀測數(shù)據(jù)進行了評估分析，為GNSS接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量評價提供了有益參考。

GNSS接收機觀測量的質(zhì)量與衛(wèi)星信號強弱、測量環(huán)境及接收機質(zhì)量有關(guān)。鑒于當(dāng)前市場上測量級接收機的品牌和型號眾多，本文基于國內(nèi)外5個品牌不同型號GNSS測量型接收機的實測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比指標(biāo)對各接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估，為GNSS測量型接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量評估及高精度定位領(lǐng)域的接收機選型提供有益參考依據(jù)。

1 接收機觀測數(shù)據(jù)評估方法

對測量型接收機觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估指標(biāo)通常包括觀測數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比等指標(biāo)，通常情況下數(shù)據(jù)完整率越大，多路徑誤差越小、周跳比越大時，GNSS接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越好[12]。其中數(shù)據(jù)完整率是接收機觀測到的衛(wèi)星實際歷元數(shù)與理論歷元數(shù)量的比值，其單頻點和單系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)完整率可表示為[12]：

載噪比定義為載波信號功率與噪聲功率譜密度之比，單位為dBHz，其計算公式為[12]：

多路徑誤差定義為由非直達衛(wèi)星信號引入的測距誤差。計算偽距多路徑誤差時，必須依賴雙頻觀測數(shù)據(jù)，可采用偽距觀測方程和相位觀測方程組合，消除對流程和電離層延遲影響后計算得到。在無周跳的多個歷元間多路徑誤差可按公式（4）進行計算[12]。

周跳比指在某時段內(nèi)，接收機觀測數(shù)據(jù)的實際歷元數(shù)量與發(fā)生周跳歷元數(shù)據(jù)量的比值，周跳比值越小，說明觀測數(shù)據(jù)中周跳越嚴(yán)重[12]。周跳比可聯(lián)合粗差探測方法、周跳探測方法和接收機鐘跳探測方法來確定周跳發(fā)生的歷元并統(tǒng)計發(fā)生周跳歷元的數(shù)據(jù)量，然后根據(jù)周跳比定義進行計算。

2 接收機觀測數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)來源

為評估不同GNSS測量型接收機的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，選擇5款國內(nèi)外知名品牌的測量型接收機，各款接收機觀測數(shù)據(jù)采集信息見表1。采用開源的RTKLIB和司南導(dǎo)航的Compass軟件進行觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，數(shù)據(jù)分析時高度截止角設(shè)置為10°。其中，司南T300接收機觀測數(shù)據(jù)在思南公司樓頂采集，數(shù)據(jù)采集時間為2021年3月19日，采樣間隔為1 s，TRIMBLE、SEPT、JAVAD和LECIA接收機數(shù)據(jù)從國際GNSS服務(wù)（International GNSS Service，IGS）下載，數(shù)據(jù)采集時間為2021年5月2日，采樣間隔為30 s。

表1 各型GNSS測量型接收機的觀測數(shù)據(jù)信息

Table 1 Observation information for different GNSS survey-grade receivers

接收機品牌接收機型號天線型號站點時長 思南導(dǎo)航T300T300思南樓頂1 h TRIMBLENET R9TRM59800GAMB24 h SEPTPOLARX5TRM115000AJAC24 h JAVADTRE3 DELTALEIAR25.R4LEIJ24 h LEICAGR30LEIAR20LATE24 h

2. 2 不同品牌測量型接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

圖1給出5款測量型接收機觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、載噪比和多路徑誤差的對比結(jié)果，與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)以及周跳比如表2中所示。結(jié)合圖1和表2可看出，5款接收機觀測數(shù)據(jù)的完整率均優(yōu)于90%，其中司南T300、SEPT POLARX5、JAVAD TRE_3三款接收機觀測數(shù)據(jù)完整率超過99%，TRIMBLE NETR9接收機在觀測數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)上比其他四款接收機略差。5款接收機L1、L2、L5頻段觀測數(shù)據(jù)的載噪比均大于40 dBHz，且L5頻段載噪比優(yōu)于L1和L2頻段，其中司南T300、JAVAD TRE_3兩款接收機在載噪比指標(biāo)上略優(yōu)于SEPT POLARX5和LEICA GR30接收機，此外，LEICA GR30接收機在對多路徑誤差的處理方面較其他四款接收機有優(yōu)勢。

圖1 各型測量型接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

考慮到思南T300接收機觀測數(shù)據(jù)的觀測時長和采樣間隔和其他四款接收機不一致，主要對其他四款接收機觀測數(shù)據(jù)的周跳比進行分析。在采樣率及數(shù)據(jù)時長相同的四款接收機中，JAVAD TRE_3接收機的周跳比最大，說明在周跳比指標(biāo)方面JAVAD TRE_3接收機表現(xiàn)較其他三款接收機好。

表2 各型測量型接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計

Table 2 Statistics of observation quality indicators for 5 GNSS survey-grade receivers

接收機/%/dBHz/dBHz/dBHz/m/m周跳比 司南T30099.824345460.230.2250684 TRIMBLE NETR992.074243460.170.1441 SEPT POLARX599.784240440.150.1273 JAVAD TRE_399.884644480.230.18344 LEICA GR3097.664343460.080.1162

2.3 不同系統(tǒng)測量型接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量對比分析

為分析5款接收機在不同GNSS系統(tǒng)下的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，表3給出了5款接收機對GPS、GLONASS、BDS和GALILEO四個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、周跳比以及各GNSS L1、L2、L5頻段的載噪比和多路徑誤差，與之相對應(yīng)的各指標(biāo)的對比如圖2所示。表3中為了方便表述將GLONASS縮寫為GLO，將GALILEO縮寫為GAL。其中，5款接收機不支持GLONASS系統(tǒng)L5頻段衛(wèi)星信號接收，TRIMBLE NETR9和JAVAD TRE_3兩款接收機暫不支持GPS系統(tǒng)L5頻段衛(wèi)星信號接收，因此，L5頻段相應(yīng)的載噪比和多路徑誤差并未在表3和圖2中呈現(xiàn)。

結(jié)合表3和圖2的接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)容易看出，5款接收機對GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系統(tǒng)信號的接收和處理能力各不相同。其中，TRIMBLE NETR9接收機的數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)比其他四款接收機的略差，SEPT POLARX5接收機觀測數(shù)據(jù)在多路徑誤差指標(biāo)上優(yōu)于其他四款接收機。JAVAD TRE_3接收機GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)在載噪比和周跳比指標(biāo)上優(yōu)于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收機。綜合數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比指標(biāo)看，JAVAD TRE_3接收機的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)。需要特別指出的是，從各GNSS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)來看，司南T300接收機的BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量總體比其他四款接收機的BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好，說明思南接收機在BDS系統(tǒng)衛(wèi)星信號處理方面較其他四款接收機具有優(yōu)勢，司南T300接收機的GPS、GLONASS和GALILEO數(shù)據(jù)質(zhì)量與其他四款接收機的相當(dāng)。

表3 5款測量型接收機不同衛(wèi)星系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計

Table 3 Statistics of observation quality indicators of 5 survey-grade receivers for different GNSS

GNSS接收機/%/dBHz/dBHz/dBHz/m/m/m周跳比 GPS司南99.254241460.240.320.3816009 TRIMBLE95.244240---0.200.15---42 SEPT1004336460.120.120.0754 JAVAD99.944541---0.200.20---377 LEICA97.944444500.060.100.1143 GLO司南99.954446---0.380.35---20643 TRIMBLE94.924241---0.170.13---44 SEPT1004442---0.190.20---88 JAVAD99.984743---0.230.20---208 LEICA96.704342---0.080.09---67 BDS司南1004446450.170.150.2281741 TRIMBLE82.434045460.340.160.1168 SEPT99.124241440.280.160.07228 JAVAD99.754546450.380.250.12919 LEICA99.324141420.140.150.14166 GAL司南99.924448470.300.200.2117651 TRIMBLE95.694446440.120.140.1432 SEPT1004144430.080.070.0645 JAVAD99.944748480.180.080.08210 LEICA96.684647480.070.110.1147

圖2 5款測量型接收機不同GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)對比

3 結(jié)論與展望

GNSS接收機的數(shù)據(jù)質(zhì)量是實現(xiàn)高精度定位的基本條件之一。為探究不同GNSS接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異，而選取市場上國內(nèi)外知名的5款測量型接收機，從各接收機觀測數(shù)據(jù)的完整率、各頻段的載噪比、多路徑誤差和周跳比等指標(biāo)分別對5款測量型接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估。結(jié)果表明：

1）從數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比單個指標(biāo)來看，不同品牌的測量型接收機各有特色。綜合數(shù)據(jù)完整率、載噪比和周跳比看，JAVAD TRE_3接收機觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收機。

2）從不同衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量看，5款接收機對GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系統(tǒng)信號的接收和處理能力各不相同。其中國產(chǎn)品牌思南T300接收機的GPS、GLONASS和GALILEO觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量與其他四款接收機相當(dāng)。

3）國產(chǎn)品牌司南T300接收機的BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于其他系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，表明思南接收機在BDS系統(tǒng)衛(wèi)星信號處理方面較其他四款接收機具有一定優(yōu)勢。

[1] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報告(4.0)版[R].北京:中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室,2019.

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QUALITY ASSESSMENT OF OBSERVATIONS FOR DIFFERENT GNSS SURVEY-GRADE RECEIVERS

ZHANG Hong1, *GUAN Qing-lin1,2, FAN Chun-ming1,2

（1. College of Geography and Oceanography, Minjiang University, Fuzhou, Fujian 350108, China; 2.Institute of Satellite Navigation and Space Information Engineering, Minjinag University, Fuzhou, Fujian 350108, China）

To evaluate the observation quality of different GNSS survey-grade receivers, this paper evaluated the observation quality of five well-known domestic and foreign receivers in terms of observation integrity rate, carrier-to-noise ratio, multi-path error and cycle slip ratio. The results show that the observation quality of JAVAD TRE_3 receiver is better than TRIMBLE NETR9, SEPT, POLARX5 and LEICA GR30 receivers in terms of observation integrity rate, carrier-to-noise ratio and number of cycle slip. In addition, the domestic Sino T300 receiver outperforms the other 4 GNSS receivers in terms of BDS satellite signal processing and multi-path error processing of BeiDou signals.

GNSS; survey-grade receiver; observation; quality assessment

1674-8085（2022）03-0061-05

P2228.1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.03.010

2021–09–07；

2021-12-03

福建省科技廳創(chuàng)新資金項目(2021C0027)；閩江學(xué)院科技項目(MYK21010)

張 弘(1987-)，男，福建福州人，實驗師，碩士，主要從事GNSS定位與應(yīng)用研究(E-mail:522463786@qq.com)；

*管慶林(1986-)，男，云南宣威人，實驗師，碩士，主要從事GNSS定位與應(yīng)用研究(E-mail:cugqlguan1006@163.com).