兩型GNSS接收機比測及數據處理分析?

劉備鐘斌紀兵

（海軍工程大學 武漢 430032）

1 引言

近年來，海洋測繪、大地測量與衛星導航的交集愈漸增多，尤其在軟硬件的共享上表現得更加廣泛［1］。之前很多試用于衛星導航的系統及設備現在具有很強的通用性。GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機作為衛星導航地面站的重要環節［2］，發展得更為快速。接收機從用途上可分為三類，一是主要用于運動載體導航的導航型接收機，可以實時給出載體的位置和速度；二是主要用于精密大地測量和精密工程測量的測地型接收機；三是主要利用GNSS衛星提供高精度時間標準進行授時的授時型接收機［3～4］。接收機按載波頻率也可分為單頻、雙頻、多頻接收機。本文通過對固定點位置的測定對兩種接收設備的性能進行比測，并對位置精度較差的接收機提供一種Loess數據處理方法，用于更精準地找到測定點。

2 各型接收機介紹及實驗流程

2.1 實驗設備介紹

實驗使用兩套不同型號的GNSS接收機設備，一型為高精度多系統多星RTK野外成圖系統及與之配套的手簿，以下稱為多系統型；另一型為北斗/GPS雙系統四頻高精度接收機，以下稱為雙系統型。

多系統型系統是際上導航設計生產的新一代高精度、高性能、手持式GNSS hRTK系統。它顛覆了第二代RTK的結構概念，集業內頂尖科技于一身，為用戶提供人性化、穩定可靠的高精度動靜態實時/事后定位服務，支持大數據量影像數據加載及百兆級矢量數據加載，與市場4大主流GIS平臺無縫銜接，可廣泛應用于高精度RTK測量、工程施工放樣、組建高精度大范圍靜態控制網以及野外數據采集等作業。

雙系統型接收機可為各種GNSS應用提供強大而靈活的解決方案。手簿標配為高靈敏工業級GeoRef K2E，也可以選配高性能戶外平板電腦gPad進行組合作業，形成功能強大的專業野外測量系統，在野外即可完成數據的分析處理工作，一站式作業模式將極大提高野外測量的效率［5～7］。

2.2 實驗流程

實驗采用際上空間eFix R1接收機通過接入湖北省CORS，獲取高精度定位數據（主要是經度和緯度），從而為之后接收機的普通單點定位的數據采集和分析提供良好的定位基準。為保證對衛星的連續跟蹤觀測和衛星信號的質量，選擇的測站上空相對開闊，在 15°高度角以上無成片的障礙物［8］；為減少各種電磁波對GNSS衛星信號的干擾，在測站周圍約200m的范圍內無電視塔、微波站、高壓輸電線等強電磁波干擾設備；為避免或減少多路徑效應的發生，測站選擇點遠離高層建筑、成片水域等對電磁波信號反射強烈的地形、地物。

在滿足以上條件后，選好地點，架好實驗設備，設好參數，選定觀測定位時間為2016年10月13日上午09：00～12：00，采點頻率設為1Hz，進行實驗。實驗3個小時采集10800個碎步點，對數據處理過后確定定位基準，即真值點。調換eFix R1工作模式，選擇普通單點定位模式，地點不變，時間為13：00～15：00，采點頻率依然設為1Hz，實驗2小時采集7200個碎步點。在同一地點架設和芯星通設備，時間為15：30～17：30，采點頻率1Hz，實驗2小時，由于和芯星通設備不自帶手薄，數據直接以NMEA格式存儲在電腦中，然后利用NMEA解析協議提取數據中的經緯度高程信息［9］。

3 數據處理及分析

由于多系統型接收機基于CORS差分的RTK測量技術是精度最高的一種技術，所以以接入CORS差分的測量結果為定位基準。利用CORS差分得到的數據取平均值作為基準真值L0，如下：

調換工作模式后利用單點定位得到數據，并將數據導入Excel，求出均值點L1，標準差S1，如下：

用Origin繪制二維散點圖如圖1所示。

由圖1可看出，大部分二維散點分布較均勻，個別壞點落在遠離散點簇位置，可以舍棄。由此可看出多系統型接收機單點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。

為對定位精度做一個進一步明確，引入高程精度，可以更直觀的看到單點定位的散點位置分布，分別繪制三維散點圖及三維表面圖如圖2、圖3所示。

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

雙系統型接收機測量結果以NMEA數據格式得到，利用NMEA協議解析語句對實驗數據提取處理，得到經緯度高程數據導入Excel，求出其平均值L2，標準差S2，如下：

同樣，用Origin繪制二維散點圖如圖4所示。

由圖4可看出，相對多系統型接收機來說，雙系統型所測得的二維散點分布明顯不均，即便把壞點舍棄仍呈不規則分布，將經緯度轉化成米之后，誤差為米級。

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

比測兩種接收設備的散點數據，可看出：1）兩種設備的垂直精度都不高，只能達到米級水平；2）多系統型接收機相對于雙系統型接收機所測得的數據來說，水平精度明顯更高，分布更加均勻。

由于求數值平均得到平均點的算法對于不規則、不均勻分布的散點圖來說，誤差較大，可靠度不高，這里針對雙系統型接收機所測得散點數據分布不均的問題，另做數據處理，使得尋找到的測定點更有信服力。

通過分析此二維散點分布可知，不適合最小二乘法線性擬合方法，也沒有合適的函數模型可以直接調用擬合。在受到核回歸方法散點擬合曲面重構的啟發后，可用統計學解決平滑問題中的Loess局部加權回歸法對散點進行平滑擬合［10］。

通過擬合后的數據如下：

繪出相應的散點圖如圖7所示。

由于新的散點圖分布較均勻，可將均值近似視為測定值，得到測定值L3。

對比E和N方向上|L0-L2|與|L0-L3|的值，得到：|L0-L2|＞|L0-L3|，說明經過Loess方法處理后精度得到了提升，即驗證了Loess局部加權回歸法的可行性。

4 結語

采用多系統（包括GPS、BDS、GLONASS等）的多系統接收機水平精度在相同條件下明顯高于雙系統（GPS+BDS）和芯星通芯片板接收設備?？煽闯觯嘞到y使可見星數增多，可用星數也隨之增多，對提高水平精度有幫助［11～12］。另得到用Loess加權回歸平滑法預處理大量無規則散點數據，在E，N兩個方向上精度比直接求散點平均值得到的測定精度更為準確。

［1］謝鋼.GPS原理與接收機設計［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［2］魯郁.北斗/GPS雙模軟件接收機原理與實現技術［M］.北京：電子工業出版社，2016.

［3］邊少鋒，紀兵，李厚樸.衛星導航系統概論［M］.第二版.北京：測繪出版社，2016.

［4］叢佃偉.北斗衛星導航系統高動態定位性能檢定理論與關鍵技術研究［D］.鄭州：信息工程大學，2016：6-15.

［5］凌清，周同弟，劉文君.RTK技術在公路斷面測量中應用［J］.工程技術研究，2017（12）：23-26.

［6］祝會忠，劉經南，唐衛明，高星偉.長距離網絡RTK基準站間整周模糊度單歷元確定方法［J］.測繪學報，2012，41（3）：359-365.

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［9］俞晨晟.高動態接收機及多模解算技術研究［D］.杭州：浙江大學，2008.

［10］趙亮，趙春霞，張二華.核回歸方法的散點擬合曲面重構［J］.計算機研究與發展，2009，46（9）：1446-1455.

［11］吳甜甜，張云，劉永明，袁國良.北斗/GPS組合定位方法［J］.遙感學報，2014，18（5）：1087-1097.

［12］羅小敏，蔡昌盛.GPS/GALILEO組合單點定位精度分析［J］.大地測量與地球動力學，2013，33（3）：136-140.