洪衛(wèi)，何浩鵬，彭友志，汪洋艦，宋瀟

( 武漢地震計(jì)量檢定與測(cè)量工程研究院有限公司, 武漢 438300 )

0 引言

隨著GNSS的建立和完善，GNSS接收機(jī)廣泛應(yīng)用于測(cè)量、導(dǎo)航和授時(shí)等領(lǐng)域，為生產(chǎn)生活提供更加便利的服務(wù)，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展. GNSS的整體服務(wù)質(zhì)量取決于GNSS接收機(jī)的性能，尤其是應(yīng)用于工程測(cè)量或安全監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景的高精度測(cè)地型GNSS接收機(jī)，其性能直接影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]，因此對(duì)GNSS接收機(jī)的性能檢測(cè)至關(guān)重要.

依據(jù)國(guó)家規(guī)程規(guī)范[3]，測(cè)地型GNSS接收機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(real-time kinematic，RTK)性能檢測(cè)方法是在室外GNSS基線場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，將解算得到的RTK精度以不大于GNSS接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度作為評(píng)判接收機(jī)RTK性能是否合格的標(biāo)準(zhǔn). 采用室外基線場(chǎng)檢測(cè)方法雖然能反應(yīng)GNSS接收機(jī)的RTK性能，但是易受觀測(cè)環(huán)境的影響. 即使是同一臺(tái)GNSS接收機(jī)，不同時(shí)間段測(cè)試的結(jié)果也不同，主要是因?yàn)槭彝饣€場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境如天空衛(wèi)星分布、多路徑和天氣狀況等因素，影響GNSS接收機(jī)的RTK測(cè)量結(jié)果[4-5].因此室外基線場(chǎng)測(cè)量未能科學(xué)合理的評(píng)估GNSS接收機(jī)的RTK性能. 針對(duì)以上問(wèn)題，相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用GNSS信號(hào)模擬器檢測(cè)GNSS接收機(jī)性能[6-8]. 每次測(cè)試使用相同的仿真場(chǎng)景，GNSS接收機(jī)的測(cè)試結(jié)果差異較小. 但是即使是最新型的GNSS信號(hào)模擬器也不能完全滿足GNSS接收機(jī)的檢測(cè)需求，因?yàn)镚NSS信號(hào)模擬器是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和可預(yù)測(cè)的場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法評(píng)估GNSS接收機(jī)在實(shí)際環(huán)境中的性能，實(shí)際場(chǎng)景的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)應(yīng)用于GNSS信號(hào)模擬器的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停热鐪?zhǔn)確的模擬遮擋嚴(yán)重和時(shí)變的多路徑場(chǎng)景是非常困難[9]. 此外GNSS信號(hào)模擬器造價(jià)昂貴，檢測(cè)成本較高.

以上方法在檢測(cè)GNSS接收機(jī)RTK性能的過(guò)程中，由觀測(cè)環(huán)境等因素造成的重復(fù)性差、難以模擬真實(shí)場(chǎng)景下的多路徑以及成本高等問(wèn)題，而GNSS信號(hào)采集回放儀很好地解決了這些問(wèn)題. GNSS信號(hào)采集回放儀能夠采集真實(shí)環(huán)境下的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，并將采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室或無(wú)電磁干擾的環(huán)境下回放，可以高重復(fù)性的重建真實(shí)檢測(cè)場(chǎng)景[10-11]. 本文采用GNSS信號(hào)采集回放儀對(duì)GNSS接收機(jī)的RTK精度進(jìn)行檢測(cè)，并與真實(shí)環(huán)境下檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析. 研究結(jié)果表明：GNSS信號(hào)采集回放儀回放的信號(hào)具有高重復(fù)性及穩(wěn)定性，采用GNSS信號(hào)采集回放儀對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)是可行的，對(duì)GNSS接收機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)和檢測(cè)具有指導(dǎo)意義.

1 檢測(cè)原理及方法

GNSS信號(hào)采集回放儀器在經(jīng)溯源的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位采集衛(wèi)星信號(hào)，衛(wèi)星信號(hào)采集完成后在實(shí)驗(yàn)室暗室回放，GNSS接收機(jī)進(jìn)行RTK坐標(biāo)測(cè)量. GNSS接收機(jī)在相同點(diǎn)位進(jìn)行RTK坐標(biāo)測(cè)量. 采用地平站心坐標(biāo)系計(jì)算基線水平和垂直誤差如式(1)和式(2)，分析采集回放儀與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)GNSS接收機(jī)RTK精度的差異.

式中： δh為基線水平誤差，單位為mm； δv為基線垂直誤差，單位為mm；N1、E1、U1為在以基線起始點(diǎn)為原點(diǎn)的站心坐標(biāo)系下的北、東、高方向的基線終點(diǎn)；N0、E0、U0為在以基線起始點(diǎn)為原點(diǎn)的站心坐標(biāo)系下的北、東、高方向的已知基線終點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)采用GNSS接收機(jī)、天線和采集回放儀信息如表1所示.

表1 儀器設(shè)備信息

1.1 一體式GNSS接收機(jī)

一體式GNSS接收機(jī)自帶貼片天線，當(dāng)信號(hào)采集回放儀信號(hào)采集完成后，再利用GNSS接收機(jī)進(jìn)行RTK測(cè)量.

1.1.1 空曠環(huán)境

在GNSS基線場(chǎng)的2個(gè)點(diǎn)位分別架設(shè)2臺(tái)GNSS信號(hào)采集回放儀同時(shí)采集衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，天線型號(hào)GPS1000. 將2臺(tái)采集的信號(hào)作為基準(zhǔn)站信號(hào)和流動(dòng)站信號(hào)，采集時(shí)長(zhǎng)為20 min，信號(hào)采集完成后，2臺(tái)GNSS接收機(jī)(型號(hào)H32)放置在與信號(hào)采集回放儀相同的點(diǎn)位進(jìn)行RTK測(cè)量，待接收機(jī)獲得RTK固定解后采集50個(gè)測(cè)量結(jié)果，采集間隔為1 s，按式(1)和(2)計(jì)算基線誤差.

GNSS信號(hào)采集回放儀的基準(zhǔn)站信號(hào)和流動(dòng)站信號(hào)在實(shí)驗(yàn)室2個(gè)暗室回放存儲(chǔ)的GNSS信號(hào)，2臺(tái)GNSS接收機(jī)放置于暗室，待GNSS接收機(jī)獲取RTK固定解后，獲取50個(gè)RTK測(cè)量結(jié)果作為一組，采樣間隔為1 s，采集完成后按式(1)和(2)計(jì)算水平和垂直誤差，均方根(root mean square，RMS)值作為RTK精度. 按照此方式重復(fù)測(cè)量10次，組內(nèi)獲取RTK坐標(biāo)的時(shí)刻相同.

1.1.2 部分遮擋環(huán)境

部分遮擋環(huán)境下，由于嚴(yán)重的多路徑會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室信號(hào)回放中，GNSS接收機(jī)無(wú)法鎖定衛(wèi)星，因此采用Leica AR25扼流圈天線以提升信號(hào)的采集質(zhì)量.除了GNSS接收機(jī)和信號(hào)采集回放儀的采集天線不同，其他儀器設(shè)備和測(cè)試過(guò)程與空曠環(huán)境一致.

1.2 分體式GNSS接收機(jī)

實(shí)驗(yàn)采用千尋位置網(wǎng)絡(luò)科技有限公司生產(chǎn)的MR02接收機(jī)和GPS1000天線. 為充分分析接收機(jī)性能的變化，分體式GNSS接收機(jī)采用事后差分處理(post processed kinematic，PPK)技術(shù). GNSS信號(hào)采集回放儀和GNSS接收機(jī)通過(guò)功分器連接至GPS1000天線，保證GNSS接收機(jī)的觀測(cè)時(shí)刻與GNSS信號(hào)采集回放儀采集信號(hào)的時(shí)刻保持一致，儀器連接示意圖如圖1所示. 1臺(tái)GNSS接收機(jī)和采集回放儀作為基準(zhǔn)站放置于基線場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上，另外一臺(tái)接收機(jī)和采集回放儀作為流動(dòng)站放置于基線場(chǎng)另外標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上，測(cè)量時(shí)間為20 min.

圖1 GNSS接收機(jī)與信號(hào)采集回放儀連接示意圖

待信號(hào)采集完成后，在實(shí)驗(yàn)室微波暗室內(nèi)回放采集的信號(hào)，2臺(tái)接收機(jī)放置于微波暗室進(jìn)行觀測(cè). 測(cè)試完成后，獲取在接收機(jī)真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和信號(hào)采集回訪儀觀測(cè)方法的原始觀測(cè)文件，統(tǒng)計(jì)相同時(shí)間段15 min的基線結(jié)果.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 一體式接收機(jī)

2.1.1 空曠環(huán)境

利用信號(hào)采集回放儀和真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行RTK測(cè)試，計(jì)算10組測(cè)試結(jié)果的RTK精度以及組間的重復(fù)性，并與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2和圖2～3所示. 由表2可知，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)的RTK水平精度重復(fù)性為0.46×10-3m，垂直精度為0.78×10-3m，說(shuō)明GNSS信號(hào)采集回放儀每次回放的信號(hào)具有較高的復(fù)現(xiàn)性.

圖2 RTK水平測(cè)試結(jié)果

圖3 RTK垂直測(cè)試結(jié)果

表2 基線水平方向和垂直方向精度×10-3 m

由表2可知，與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)接收機(jī)得到的RTK精度相比，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)得到的接收機(jī)RTK水平和垂直精度稍大，水平方向偏大0.13×10-3～1.68×10-3m，垂直方向偏大2.45×10-3～4.76×10-3m. 從圖2～3也可發(fā)現(xiàn)信號(hào)采集回放儀對(duì)接收機(jī)進(jìn)行RTK測(cè)試時(shí)，解算得到的基線比真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的基線結(jié)果波動(dòng)大. 造成基線波動(dòng)偏大的原因，一方面是信號(hào)采集回放儀在存儲(chǔ)或者回放信號(hào)階段引入噪聲誤差，另一方面是信號(hào)采集回放儀采集信號(hào)的時(shí)間與真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)測(cè)試的時(shí)間不一致，觀測(cè)點(diǎn)位的觀測(cè)環(huán)境發(fā)生了變化(衛(wèi)星分布以及多路徑效應(yīng)等)，導(dǎo)致信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)的RTK結(jié)果比真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)結(jié)果偏大. 但是由噪聲等因素引起的RTK精度誤差小于接收機(jī)RTK標(biāo)稱(chēng)精度的1/3，中海達(dá)H32接收機(jī)平面方向標(biāo)稱(chēng)精度為±(8 mm+1×10-6×D)，高程精度為±(15 mm+1×10-6×D)，其中D為4.73 m. 因此信號(hào)采集回放儀對(duì)接收機(jī)的RTK性能檢測(cè)是可行的.

2.1.2 部分遮擋環(huán)境

在遮擋環(huán)境下，信號(hào)采集回放儀和真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行RTK測(cè)試，計(jì)算3組RTK精度以及重復(fù)性，并與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3和圖4所示. 從表3可知，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)的RTK水平精度重復(fù)性為0.9×10-3m，說(shuō)明GNSS信號(hào)采集回放儀每次回放的信號(hào)具有較高的復(fù)現(xiàn)性.

圖4 RTK水平測(cè)試結(jié)果

表3 基線水平方向精度×10-3 m

由表3可知，與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)接收機(jī)得到的RTK精度相比，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)得到的接收機(jī)RTK水平精度稍大，水平方向偏大約0.29×10-3～1.91×10-3m. 從圖4也可發(fā)現(xiàn)，信號(hào)采集回放儀對(duì)接收機(jī)進(jìn)行RTK測(cè)試時(shí)，水平基線比真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的水平基線偏大，造成基線誤差偏大的原因與空曠環(huán)境下相同，但是采集回放儀引入的誤差未超出接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度的1/3，極點(diǎn)接收機(jī)平面方向標(biāo)稱(chēng)精度為±(8 mm+1×10-6×D)，其中D為504 m. 此外，與空曠環(huán)境相比，在遮擋環(huán)境下，水平誤差偏大，說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)環(huán)境對(duì)RTK測(cè)量的影響不可忽略. 因此在遮擋環(huán)境下，信號(hào)采集回放儀對(duì)接收機(jī)的水平RTK性能檢測(cè)是可行的.

2.2 分體式接收機(jī)

GNSS信號(hào)采集回放儀與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)GNSS接收機(jī)的PPK性能結(jié)果，統(tǒng)計(jì)基線精度如表4所示，600個(gè)10 min基線值如圖5～8所示.

圖5 水平基線(#9～#3)

圖7 垂直基線(#9～#3)

圖8 垂直基線(#9～#4)

表4 水平和垂直方向基線精度 ×10-3 m

由表4可知，與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)接收機(jī)的PPK精度相比，GNSS信號(hào)采集回放儀在#3號(hào)點(diǎn)和#4號(hào)點(diǎn)檢測(cè)接收機(jī)的PPK精度水平方向偏大0.01×10-3～0.43×10-3m，垂直方向偏大1.09×10-3～1.55×10-3m. 從圖5～8可發(fā)現(xiàn)，信號(hào)采集回放儀與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)接收機(jī)得到的基線變化波動(dòng)趨勢(shì)大體相同，由此說(shuō)明信號(hào)采集回放儀采集的信號(hào)與真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)的一致性較好. 但是，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)得到的基線比真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)接收機(jī)得到的基線偏大. 說(shuō)明GNSS信號(hào)采集回放儀在采集或回放信號(hào)階段引入了誤差，導(dǎo)致結(jié)果偏大的原因是GNSS信號(hào)采集回放儀和功分器引入的噪聲. 但是GNSS信號(hào)采集回放儀測(cè)試PPK精度由噪聲引入的誤差小于GNSS接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)RTK精度的1/3. 千尋位置MR02接收機(jī)平面方向標(biāo)稱(chēng)精度為±(10 mm+1×10-6×D)，高程精度為±(20 mm+1×10-6×D)，其中D為測(cè)點(diǎn)間的距離. 因此信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)的PPK性能是可行的.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了采用GNSS信號(hào)采集回訪儀檢測(cè)GNSS接收機(jī)的RTK性能，分析研究信號(hào)采集回放儀回放信號(hào)的復(fù)現(xiàn)性，并與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)檢測(cè)RTK性能進(jìn)行比較. 經(jīng)測(cè)試分析可知，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)RTK精度的重復(fù)性優(yōu)于1 mm，說(shuō)明GNSS信號(hào)采集回放儀具有較高的復(fù)現(xiàn)性. 因其具有較高的復(fù)現(xiàn)性，信號(hào)采集回放儀可以為研發(fā)生產(chǎn)和檢測(cè)GNSS接收機(jī)或板卡提供穩(wěn)定性的導(dǎo)航信號(hào)，解決由于不同的觀測(cè)環(huán)境導(dǎo)致接收機(jī)性能一致性較差等問(wèn)題，降低人力物力成本，提升效率. 雖然GNSS信號(hào)采集回放儀在采集存儲(chǔ)和回放的過(guò)程中會(huì)引入噪聲，對(duì)GNSS接收機(jī)RTK性能檢測(cè)有一定的影響，但滿足作為測(cè)試用設(shè)備的要求. 因此，信號(hào)采集回放儀檢測(cè)接收機(jī)的RTK性能是可行的.