面向大眾的GNSS接收機精度對比試驗研究

張婷

摘? 要：由于測量級GNSS接收機相對比較昂貴，且地面基站和移動站體積大、攜帶不方便等原因，使得商用GNSS測量系統的使用人群僅限于部分專業測量人員，難以在大眾市場普及。針對無人機、機器制導、精密農業等眾多領域對高精度定位需求的增加，本文探討成熟的低成本載波相位GNSS定位系統在實際應用中的可能性。通過對U-BLOX的LEA-6T和NEO-M8T兩款低成本OEM型GNSS接收機進行不同基線、不同時段下的靜態觀測和精度分析，結果表明這兩臺低成本GNSS測量系統能夠達到厘米級定位精度，滿足測量工作和GIS應用的需求，是測量級GNSS接收機中經濟適用的選擇。

關鍵詞：GNSS? 低成本? GNSS接收機? 靜態測量系統? 差分GNSS

中圖分類號：P228.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0091-03

Abstract： Due to the relatively expensive measurement level GNSS receiver， the large size of ground base station and mobile station， and the inconvenience of carrying， the users of commercial GNSS measurement system are limited to some professional measurement personnel， which is difficult to be popularized in the mass market. In view of the increasing demand for high-precision positioning in many fields such as UAV， machine guidance， precision agriculture and so on， this paper discusses the possibility of mature low-cost carrier phase GNSS positioning system in practical application. Through the static observation and accuracy analysis of u-blox's lea-6t and neo-m8t low-cost OEM type GNSS receivers under different baselines and periods， the results show that the two low-cost GNSS measurement systems can achieve centimeter level positioning accuracy， meet the needs of measurement work and GIS application， and are the economic and applicable choice of measurement level GNSS receivers.

Key Words： GNSS; Low cost; GNSS receiver; Static measurement system;? ?Differential GNSS

目前，全球導航衛星系統（GNSS）的定位精度已從米級提高到厘米級，并且受到天氣和氣候因素的影響較小[1]。GNSS強大的定位能力和高質量的定位精度使它越來越多地用于民用和軍事應用。GNSS定位有兩種方法：單點定位和差分定位。單點定位是一種根據接收器的觀測數據確定接收器位置的定位方法。由于只能使用偽距測量，因此單點定位方法主要適用于不需要高精度的任務。為了滿足最高精度要求，測量級GNSS接收機最近添加了用于差分定位的載波相位測量。但是，測量級GNSS接收機相對昂貴，價格通常在幾萬元到幾十萬元之間[2]。

近年來，OEM低成本GNSS接收器（板）已在現實生活中被廣泛使用。這種類型的電路板可以產生載波相位，這對于測量接收機來說是一個不錯的選擇，而且這種廉價的單頻接收機價格低廉，只需幾百元人民幣，用戶可以接受。在靜態測量和動態測量中，國內外學者都使用該板進行了大量的實驗并取得了一系列的成果[2]。

這項研究的目的是測試實際應用中成熟、低成本的載波相位GNSS定位系統的可能性。研究的主要課題是兩種不同型號的U-BLOX OEM型GNSS接收機：LEA-6T和NEO-M8T[2]。

1? 低成本定位系統——LEA-6T

使用LEA-6T模塊作為接收機的定位系統，如圖1所示，其主要組成部件包括如下。

（1）LEA-6T OEM板：LEA-6T有幾大特點分別是實時時鐘、PPS時間輸出、非易失性存儲器、差分GPS功能、偽距和相位原始數據輸出、L1碼相位和載波相位等。這種單頻接收機擁有12條平行通道接收來自衛星的信號，更新速率達到1Hz。接收機芯片的尺寸17.0mm×22.4mm×24mm，重2.6g[2]。

（2）用于數據收集的數據接收軟件和個人計算機：由于接收器本身沒有存儲和存儲功能，因此必須將LEA-6T模塊連接到數據收集器（通常是個人計算機）通過串口[3]。因此，配備有數據采集軟件的個人計算機可以通過串行端口連接到LEA-6T板上，以獲得實時數據（包括偽距和載波相位數據）。要使用的數據采集軟件是U-center。該軟件可以加載歷書信息、位置、時間，下載歷書和相位信息。U-center接收到的數據具有其自己的格式，必須先轉換為通用RINEX格式，然后才能被其他GNSS數據處理軟件識別[4]。像U-BLOX數據轉換軟件一樣，RTKCOVN可以通過在Windows系統個人計算機上運行，選擇輸入文件和輸出路徑[5]來完成數據格式轉換。

（3）天線低頻或單頻測量天線或低成本通用天線。

（4）電源電源：連接每個組件后，如果要使用openlog記錄數據，則需要提供5V電源。

（5）接口數據/電力傳輸接口：GPS模塊上有兩個串行數據輸出端口，一個輸出相位信息，另一個輸出NMEA協議格式的數據。波特率可以選擇1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等[6]。

2? 低成本定位系統——NEO-M8T

在此測試中，另一款NEO-M8T OEM GPS接收器是新一代U-BLOX產品。它不僅可以快速搜索恒星，而且還擁有許多衛星，還支持北斗，GLONASS和具有多個星座的GPS。

使用NEO-M8T觀測期間的部分實時數據信息（衛星的數量和狀態）。同時記錄原始觀測數據（偽距和相位數據）。

U-center軟件可以獲取多種信息，例如：位置信息窗口以圖形形式實時顯示GPS衛星的基本信息、實時精度、接收器位置、演示速度演示水平和垂直高度、經緯度的概率、UTC時間、DGPS狀態、用于定位的可見星星數量、HDOP、VDOP、PDOP、TDOP。“天空地圖”窗口顯示有關衛星信號強度以及星座之間關系的特定信息。此外，該軟件還具有用于終端程序指令的輸入窗口，該窗口可以將用戶預設信息發送到接收器。您還可以調整個人設置、反饋等。

3? 靜態定位試驗

用兩個不同型號的低成本高精度GNSS測量系統展開3組靜態測量。為了驗證測試系統的定位精度和性能，研究對不同長度的基線分別進行不同時間的觀測。

（1）第一組基線長度為5km，基準站記為1號點。基準站天線和移動站天線均架設在坐標已知的控制點上，且四周開闊無遮擋。兩組靜態觀測時間分別為30min和2h。

解算結果顯示該GNSS測量系統收斂速度快，固定所需時間短。固定率達到99.8%，同時得到E-W、N-S、U-D方向的RMS（均方根誤差）值分別為0.62cm、0.83cm、0.95cm。進一步將移動站天線位置坐標解算結果與已知坐標進行比較。

解算結果如表1所示。

結果表明在基線距離5km條件下，定位精度優于2cm。

（2）第二組基線長度10km，基準站記為2號點，坐標已知。對兩組接收機分別進行30min和2h的靜態觀測。

在基線距離10km的情況下，整體定位精度仍能達到2cm，收斂時間稍有延長但是仍能快速固定。固定率為93.4%，E-W方向的RMS值為4.8cm，N-S方向的RMS值為5.2cm，U-D方向的RMS值為8.9cm。各觀測時段的解算結果如表2所示。

對比發現，X、Y方向的定位精度在3cm以內，高程精度在5cm以內。

（3）第三組基線長度50km，當基線長度擴大到50km，收斂時間增加到5min，固定之后的精度范圍在5cm以內。總體固定率為89.2%，E-W、N-S、U-D三個方向的RMS值分別為3.2cm、9.3cm、13.3cm。當基線達到50km，X、Y、Z三個方向的定位精度仍能達到5cm，能滿足工程測量的要求。

4? 結語

通過對多組試驗數據的分析發現該定位系統可以達到厘米級的定位精度。在實際測量中基線長度一般不會要求太長，這種低成本的GNSS定位系統也正適用于短基線的測量定位任務。同時試驗表明該定位系統確實大大降低了測量任務的成本。因此，可將該模塊做為經濟適用且高精度的大地測量型GPS接收機。

參考文獻

[1] 孟小芳.一種用于監測型GNSS接收機的定位精度測試設備研究[J].現代測繪，2019（11）：53-55.

[2] 楊銳波. 面向城市測量的低成本高精度GNSS靜態測量系統設計與實現[J]. 科技資訊， 2017（7）：14-16.

[3] 孫景領.不同型號GNSS接收機RTK測量精度分析[J].地理空間信息， 2019（10）：93-95.

[4] 趙正揚.低成本雙模GNSS/SINS緊組合車載導航系統設計[D].南京：東南大學，2018.

[5] 董蒙蒙.低成本MEMS-IMU/GNSS組合導航算法研究[D].南京：江蘇師范大學，2018.

[6] 鄒曉軍.矢量GNSS接收機自主完好性監控性能研究[J].電子與信息學報，2019（8）：1966-1973.