多種類型GPS儀器抗干擾性能的測(cè)試研究*

王向陽,楊國東

(1.大慶鉆探工程公司地球物理勘探二公司測(cè)繪中心,吉林松原 138000;2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130020)

多種類型GPS儀器抗干擾性能的測(cè)試研究*

王向陽1,楊國東2

(1.大慶鉆探工程公司地球物理勘探二公司測(cè)繪中心,吉林松原 138000;2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130020)

介紹了抗干擾性能測(cè)試的目的和意義,通過對(duì)幾種類型GPS儀器在不同環(huán)境下的抗干擾性能進(jìn)行測(cè)試研究,測(cè)試環(huán)境包括微波、無線電、窗鏡、高樓、樹林等,取得一定的成果。測(cè)試結(jié)果表明,該研究對(duì)不同環(huán)境下采用何種儀器具有一定的指導(dǎo)意義。

GPS儀器;RTK;微波塔;無線電發(fā)射源;抗干擾性能;測(cè)試環(huán)境

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,新的GPS儀器設(shè)備日新月異,各種型號(hào)不斷涌現(xiàn),性能也各有優(yōu)勢(shì),如在材質(zhì)、重量、抗低溫、初始化速度、抗干擾等各個(gè)方面各有特點(diǎn),在對(duì)外部環(huán)境的抗干擾性能上表現(xiàn)得尤為明顯,因此對(duì)各種類型的GPS儀器在不同環(huán)境下進(jìn)行抗干擾性能的研究測(cè)試,針對(duì)不同環(huán)境采用相應(yīng)儀器設(shè)備,值得研究和商榷。

1 抗干擾性能測(cè)試的目的和意義

選擇在各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行各種GPS儀器抗干擾性能測(cè)試,如城區(qū)高樓林立、高壓線縱橫、微波塔、無線電發(fā)射源隨處可見,這些復(fù)雜的干擾源對(duì)GPS儀器的信號(hào)接收與處理都會(huì)造成一定的影響。在這樣各種干擾源縱橫的復(fù)雜環(huán)境下,僅使用一種GPS儀器很難完成測(cè)量任務(wù)。由于各GPS儀器都有自己的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),因此要想順利完成復(fù)雜地區(qū)地震勘探測(cè)量,就必須根據(jù)環(huán)境條件和各種儀器性能特點(diǎn),測(cè)試各種儀器抗干擾性能,探索多種GPS儀器在復(fù)雜環(huán)境下聯(lián)合作業(yè)的新技術(shù),解決在強(qiáng)干擾源等復(fù)雜環(huán)境下采集高精度測(cè)量數(shù)據(jù)的技術(shù)難題。

物探測(cè)量工作主要用于把設(shè)計(jì)好的地震測(cè)線精確地放樣到實(shí)地,針對(duì)物探測(cè)量生產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn),在購買GPS設(shè)備時(shí),最關(guān)心的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和各種儀器兼容性問題,其次要考慮儀器的初始化時(shí)間 (定位速度)及固定解精度,而影響GPS儀器定位精度與速度的主要原因之一是外界環(huán)境中各種干擾源的干擾。

由于城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境遍布各種微波、無線電、窗鏡、高樓、樹林等,所以這些區(qū)域也是外界干擾源分布最廣泛的,影響也是最大的。

由于各種類型GPS儀器均有自己的技術(shù)特色和技術(shù)優(yōu)勢(shì),在各種復(fù)雜環(huán)境下,如樓區(qū)、高壓線、強(qiáng)磁場(chǎng) (無線電發(fā)射源、微波塔)、密林等的抗干擾能力各有所長(zhǎng),接收數(shù)據(jù)和發(fā)射數(shù)據(jù)的功能,以及接收和發(fā)射數(shù)據(jù)的精度也不盡相同。研究同一探區(qū)各種環(huán)境,多種GPS儀器采用實(shí)時(shí)相位差分技術(shù),聯(lián)合布設(shè)測(cè)線時(shí)的相互影響,及根據(jù)各種儀器的技術(shù)特色,探索多種類型GPS儀器在各種環(huán)境的聯(lián)合作業(yè)方法,以及研究衛(wèi)星信號(hào)對(duì)各種衛(wèi)星定位儀器的影響,根據(jù)各種儀器在各種復(fù)雜環(huán)境下的性能和特點(diǎn),在物探測(cè)量施工中對(duì)各種儀器取長(zhǎng)補(bǔ)短,在保障測(cè)量精度,保障施工進(jìn)度的前提下,為地震勘探提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù),彌補(bǔ)各種GPS測(cè)量?jī)x器的性能差異,都有著非常重要的意義。

2 GPS儀器抗干擾性能概述

不同的外界環(huán)境會(huì)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生不同的影響,所謂GPS儀器的抗干擾能力,主要是指GPS儀器排除外界環(huán)境中各種干擾源干擾的能力,及在各種干擾源影響下接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的能力和精確處理與解算有效GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力。

GPS衛(wèi)星信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到很多影響,這種影響被稱為GPS測(cè)量誤差,分很多種,如信號(hào)傳播中遇到的各種環(huán)境(微波及強(qiáng)磁等),都會(huì)使衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑發(fā)生改變及信號(hào)相對(duì)減弱,對(duì)精度造成影響。

研究衛(wèi)星信號(hào)對(duì)各種GPS衛(wèi)星定位儀器的影響,主要體現(xiàn)在GPS衛(wèi)星定位儀器接收與處理衛(wèi)星信號(hào)的能力上,也就是抗干擾能力上,各種儀器的抗干擾能力的強(qiáng)弱就是消除信號(hào)傳播中各種誤差的能力的強(qiáng)弱。

3 各種GPS儀器抗干擾性能測(cè)試

3.1 技術(shù)說明

如前文所述,各種GPS儀器抗干擾能力是不同的,通過這些試驗(yàn),找出各種儀器在不同環(huán)境中的抗干擾能力,在以后的實(shí)際工作中取長(zhǎng)補(bǔ)短,在不同環(huán)境下使用不同的儀器,發(fā)揮各自的長(zhǎng)處,是這次測(cè)試的最終目的。

1)測(cè)試方法:將各種儀器同時(shí)放置在測(cè)試環(huán)境區(qū)域,進(jìn)行各種對(duì)比測(cè)試其抗干擾能力。2)試驗(yàn)時(shí)間:外業(yè)試驗(yàn) 2006年 5月 1日至 2006年 10月 30日3)試驗(yàn)地點(diǎn):具有各種干擾源的城區(qū) (松原市城區(qū))及周邊40 km區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。

4)測(cè)試內(nèi)容:RTK初始化時(shí)間、作業(yè)距離、密林、強(qiáng)磁場(chǎng)、微波等比對(duì)測(cè)試。

3.2 RTK初始化時(shí)間比對(duì)測(cè)試

2006年 5月 18～20日與 9月 23日,先后在各種不同觀測(cè)條件下對(duì) Topcon HiPer Plus、Leica SR530、Leica GX1230、Tr imble 5700和 Trimble R8 GNSS多種接收機(jī)的 RTK初始化時(shí)間進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試。共做了 6次比對(duì)試驗(yàn),每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行 6～10組計(jì)算平均時(shí)間。RTK初始化平均時(shí)間統(tǒng)計(jì),見表 1。

將多臺(tái)接收機(jī)的基準(zhǔn)站安置在城區(qū),因?yàn)?Leica SR530、Leica GX1230接收機(jī)開機(jī)后需要自檢,所以在對(duì)比測(cè)試時(shí),沒有關(guān)閉接收機(jī)電源,而是蓋住接收機(jī)天線直至跟蹤衛(wèi)星數(shù)為 0時(shí),掀開蓋子并分別計(jì)時(shí),直到出現(xiàn) RTK固定解。

表1 RTK初始化平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.1 Mean time statistic of RTK initialization

3.3 RTK作業(yè)距離測(cè)試

投入試驗(yàn)的GPS儀器設(shè)備包括有 Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和 Trimble 5700GPS。其中 ,Topcon HiPer Plus、Leica GX1230這兩種GPS接收機(jī)均使用 PDL公司的產(chǎn)品作為差分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)射和接收設(shè)備,基準(zhǔn)站電臺(tái)功率都是35 W;Trimble 5700GPS接收機(jī)基準(zhǔn)站使用 TR IMMARK3電臺(tái)作為差分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)射設(shè)備,基準(zhǔn)站電臺(tái)功率是25 W,流動(dòng)站接收機(jī)采用內(nèi)置電臺(tái)接收設(shè)備。本次測(cè)試中,對(duì)這 3種接收機(jī)的 RTK作業(yè)距離進(jìn)行了比較測(cè)試。

將 3臺(tái)接收機(jī)的基準(zhǔn)站安置在松原市市區(qū),物探二公司測(cè)繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。將 3臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)和接收電臺(tái)的天線伸出到移動(dòng)汽車窗外。汽車沿著松原至乾安縣的方向行駛,沿途不斷監(jiān)視 3臺(tái)接收機(jī)的差分信號(hào)的接收狀況。RTK作業(yè)距離測(cè)試結(jié)果,見表 2。

表2 RTK作業(yè)距離測(cè)試結(jié)果Tab.2 Testing result of RTKworking distances

3.4 RTK作業(yè)密林中測(cè)試

茂密樹林影響主要是遮擋,也就是遮擋GPS天線接收衛(wèi)星信號(hào)。以 Topcon HiPer Plus、Leica SR530、Leica GX1230、Tr imble 5700和 Trimble R8 GNSSGPS接收機(jī)作為測(cè)試儀器,將 5種接收機(jī)的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測(cè)繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。5種接收機(jī)的流動(dòng)站到達(dá)松原至乾安縣方向的韓家店附近的密林中,距離大約有8.5 km,比對(duì)測(cè)試。共做了 5次比對(duì)試驗(yàn),每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5～10組,計(jì)算平均時(shí)間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次 RTK密林中平均時(shí)間統(tǒng)計(jì),見表 3。

表3 RTK密林中平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.3 Mean time statistic of RTKworking in jungle

3.5 RTK作業(yè)強(qiáng)磁場(chǎng) (如高壓線)測(cè)試

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和Trimble 5700GPS接收機(jī)作為測(cè)試儀器,將 3種儀器接收機(jī)的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測(cè)繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。3種儀器接收機(jī)的流動(dòng)站到達(dá)松原市市區(qū)江北,油田井下作業(yè)處附近的強(qiáng)高壓線下,距離大約有10 km,比對(duì)測(cè)試。共做了 3次比對(duì)試驗(yàn),每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行 5～6組計(jì)算平均時(shí)間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次平均時(shí)間統(tǒng)計(jì),見表 4。

表4 RTK強(qiáng)磁場(chǎng)下平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.4 Mean time statistic of RTKworking under strongmagnetic field

3.6 RTK作業(yè)微波測(cè)試

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和 Tr imble 5700GPS接收機(jī)作為測(cè)試儀器,將 3臺(tái)接收機(jī)的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測(cè)繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。3臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)到達(dá)松原市市區(qū)中心,電視臺(tái)的微波附近及移動(dòng)通訊公司的通訊塔下,距離大約有 2～6 km,比對(duì)測(cè)試。共做了 3次比對(duì)試驗(yàn),每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行 5～6組計(jì)算平均時(shí)間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次平均時(shí)間統(tǒng)計(jì),見表 5。

3.7 RTK作業(yè)樓房遮擋及窗鏡多路徑影響測(cè)試

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230、Leica SR530和 Tr imble 5700GPS接收機(jī)作為測(cè)試儀器,將 3臺(tái)接收機(jī)的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測(cè)繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。3臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)到達(dá)松原市市區(qū)高層建筑下,進(jìn)行樓房遮擋及窗鏡多路徑影響測(cè)試。共做了兩次比對(duì)試驗(yàn),每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行 5～6組計(jì)算平均時(shí)間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次平均時(shí)間統(tǒng)計(jì),見表 6。

表5 RTK微波塔及無線電發(fā)射源下平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.5 Mean t ime statistic of RTK working under the microwave transmission tower and radio transmission resources

表6 RTK作業(yè)樓房遮擋及窗鏡多路徑影響平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.6 Mean time statistic of RTKworking influenced by the building sheltering from and multi-path window lens effect

4 結(jié)論

通過對(duì)幾種類型GPS儀器抗干擾性能的測(cè)試研究,筆者得出如下結(jié)論:

1)RTK初始化時(shí)間快慢與各種儀器的內(nèi)部數(shù)據(jù)解算方法及內(nèi)部硬件 (如主頻及主板等)優(yōu)劣有很大關(guān)系,不同觀測(cè)條件下的 RTK初始化時(shí)間測(cè)試結(jié)果表明:在良好的觀測(cè)條件下,Trimble R8 GNSS只需要 3 s、Topcon HiPer Plus只需要 5 s,就可以獲得 RTK固定解。在有部分遮擋的差一些觀測(cè)條件下,1 min內(nèi)可以固定整周模糊度;在惡劣的環(huán)境下,2～3 min內(nèi)可獲得固定解。這兩種類型儀器 RTK初始化時(shí)間短于其它同類測(cè)地型GPS接收機(jī),其主要原因是這兩種類型儀器不管在內(nèi)部數(shù)據(jù)解算方法 (主要用于消除前文所述各種誤差方面)上,還是內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)上均為目前最先進(jìn)的儀器設(shè)備。

2)RTK作業(yè)距離測(cè)試主要是電臺(tái)的性能的測(cè)試與接收機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳播及解算的測(cè)試,Trimble 5700接收機(jī)使用 TR IMMARK3電臺(tái),其它幾種儀器均使用 PDL公司的電臺(tái)產(chǎn)品,在性能上基本不分伯仲,而 Topcon HiPer Plus集成接收機(jī)所配置的RTK數(shù)據(jù)鏈,傳播距離略遠(yuǎn),接收機(jī)遠(yuǎn)距離確定整周模糊度的能力稍強(qiáng),較適用于長(zhǎng)距離的線形區(qū)域的測(cè)量和施工放樣。

3)在低遮擋或遮擋較嚴(yán)重 (密林)及長(zhǎng)距離的情況下,Trimble R8 GNSSGPS與 Topcon HiPer Plus接收機(jī)在性能上明顯占優(yōu)勢(shì),特別是 Trimble R8 GNSSGPS儀器,因?yàn)樵搩煞N類型儀器采用雙星系統(tǒng),可同時(shí)接收GPS衛(wèi)星和 GLONASS衛(wèi)星,單一系統(tǒng)的接收機(jī)因?yàn)檎趽?不容易接收到 4顆GPS衛(wèi)星,導(dǎo)致 RTK定位速度特別慢。兩種集成接收機(jī)因?yàn)槟軌蛲瑫r(shí)接收兩種衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào),在條件惡劣地區(qū) (密林)能夠觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)多于單一GPS系統(tǒng)接收機(jī),使觀測(cè)到少于 4顆GPS衛(wèi)星的 RTK定位成為可能,鎖定的衛(wèi)星數(shù)將會(huì)增多,衛(wèi)星空間分布的圖形結(jié)構(gòu)得到改善,RTK定位精度和可靠性將進(jìn)一步提高。在惡劣的觀測(cè)條件下,雙系統(tǒng)集成接收機(jī)在雙差整周模糊度固定后的定位中,點(diǎn)位精度和可靠性要明顯優(yōu)于單系統(tǒng)接收機(jī)。

4)在強(qiáng)磁場(chǎng) (如高壓線)的影響下進(jìn)行試驗(yàn),Topcon HiPer Plus集成接收機(jī)在抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾方面明顯有優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)磁場(chǎng) RTK測(cè)試結(jié)果表明:Topcon HiPer Plus集成接收機(jī) RTK定位的外符合精度,水平方向與高程方向,均能達(dá)到 RTK測(cè)量的標(biāo)稱精度。如果在強(qiáng)磁場(chǎng)較弱的情況下,Topcon HiPer Plus系列集成接收機(jī)鎖定的衛(wèi)星數(shù)將會(huì)增多,衛(wèi)星信號(hào)衰減或發(fā)生改變的可能性減少,衛(wèi)星空間分布的圖形結(jié)構(gòu)得到改善,RTK定位精度和可靠性將進(jìn)一步提高。

5)在微波方面,可以干擾 RTK測(cè)量的主要是兩種微波:一種是頻率接近 410～430 MHz、450～470 MHz的微波,這種微波會(huì)干擾電臺(tái)信號(hào);另一種是頻率接近 L1/L2載波的微波,這種微波會(huì)干擾衛(wèi)星信號(hào)。對(duì)于第一種微波,Trimble儀器采用 TRIMMARK3電臺(tái),抗干擾能力較好,其余各儀器采用的均是 PCC的PDL電臺(tái),抗干擾能力基本相當(dāng)。對(duì)于第二種微波的干擾,各種儀器均有各自解決問題的技術(shù)辦法,但相對(duì)來說,Trimble采用了帶內(nèi)抗干擾抑制技術(shù),在一定程度上通過數(shù)字補(bǔ)償可以抵消其影響。徠卡的 SmartTrack也有一定的濾波作用。在抗微波干擾方面,相對(duì)來說,Trimble儀器有一定優(yōu)勢(shì)。

6)GPS接收機(jī)天線除了接收到從GPS衛(wèi)星直接到達(dá)的信號(hào) (直達(dá)波)外,還同時(shí)接收到了來自經(jīng)周圍反射體 (高樓、窗鏡、地面、水面等)反射的GPS衛(wèi)星信號(hào) (反射波),兩種信號(hào)疊加后將會(huì)使觀測(cè)值偏離真值而產(chǎn)生多路徑誤差,多路徑影響是GPS測(cè)量中一種嚴(yán)重的誤差源,將損害GPS測(cè)量的精度,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起信號(hào)失鎖。通常,各種儀器采用扼流圈天線可以減小地面以及水面等小于天線高以下的目標(biāo)反射回來的反射波,但對(duì)于從高于天線高以上的目標(biāo)反射回來的反射波卻無能力為,Leica采用一種專利的信號(hào)處理算法,極其有效地消除了從高于天線高以上的目標(biāo) (如:高樓、窗鏡等)反射回來的反射波的多路徑影響,準(zhǔn)確跟蹤從GPS衛(wèi)星直接到達(dá)的信號(hào),對(duì)弱信號(hào)的跟蹤鎖定能力較強(qiáng),并可大幅度消除失周,所以 Leica儀器在消除多路徑影響方面很突出。

本文通過初始化時(shí)間對(duì)比、距離遠(yuǎn)近對(duì)比、密林中接收信號(hào)的對(duì)比、強(qiáng)磁場(chǎng)的對(duì)比、微波對(duì)比、樓房遮擋及窗鏡多路徑效應(yīng)的對(duì)比等,對(duì)幾種GPS儀器抗干擾性能進(jìn)行測(cè)試,基本掌握各種儀器在不同干擾環(huán)境下信號(hào)受干擾的程度,這對(duì)以后復(fù)雜環(huán)境聯(lián)合測(cè)量,針對(duì)不同的干擾采用不同的儀器來采集數(shù)據(jù),具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]郭艷麗,林象平.GPS抗干擾技術(shù)淺析[J].航天電子對(duì)抗,2001(6):8.

[2]狄旻珉,張爾揚(yáng).GPS抗干擾接收技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

[3]張文明,周一宇.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾抑制技術(shù)[D].長(zhǎng)沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2003.

Testing Research on Anti-Interference of Multi-type ofGPS Instruments

WANG Xiang-yang1,YANG Guo-dong2
(1.Surveying and Mapping Center of the Second Subcom pany of Geophysical Exploring of Daqing Drilling Engineering Co.,Songyuan Jilin 138000,China;2.School of Geophysical Detection Science and Technology,Jilin University,Changchun Jilin130020,China)

This paper introduces the objective and sense of the detection of anti-interference performance of multitypeGPS instruments.The authors detect and research the anti-interference performance ofmulti-typeGPS instruments,the detection result are influenced by the environment,the testing environments including themicrowaves,radio,window lens,high buildings,forestetc.,the result indicated the definite instructed sense under different environmentswith different types ofGPS instruments.

GPS instrument;RTK;microwave tower;radio trans mitting resource;anti-interference ability;testing environment

P 228.4;P 204

A

1007-9394(2010)01-0010-04

2009-12-27

王向陽 (1968～),男,遼寧盤錦人,工程師,現(xiàn)主要從事石油物探測(cè)量軟件開發(fā)與應(yīng)用方面的工作。