GNSS接收機(jī)檢測(cè)及其實(shí)驗(yàn)分析

暢 毅，徐慶儒，劉洪喜，楊 榕，司海新，張浚顯

（1.中國(guó)石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處長(zhǎng)慶作業(yè)部，寧夏銀川750006；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處設(shè)備物資科，河北涿州072750）

GNSS接收機(jī)檢測(cè)及其實(shí)驗(yàn)分析

暢 毅1，徐慶儒1，劉洪喜2，楊 榕1，司海新1，張浚顯1

（1.中國(guó)石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處長(zhǎng)慶作業(yè)部，寧夏銀川750006；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處設(shè)備物資科，河北涿州072750）

介紹了全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位接收機(jī)檢測(cè)的概念及其檢測(cè)方法，使用不同型號(hào)全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位接收機(jī)在長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了研究和分析，得出了全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位接收機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)途搬遷或投入使用前必須進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)論。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位接收機(jī)；檢測(cè)；實(shí)驗(yàn)分析

0 引 言

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的技術(shù)升級(jí)以及GLONASS、Galileo及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建設(shè)與聯(lián)合應(yīng)用，用戶定位精度得到了顯著提高，如：精密單點(diǎn)定位（PPP）、網(wǎng)絡(luò)RTK（NRTK）等一些新技術(shù)的出現(xiàn)，精度已達(dá)到了厘米量級(jí)甚至優(yōu)于1cm的量級(jí)，基本滿足了絕大部分用戶對(duì)精度的需求。尤其精密單點(diǎn)定位技術(shù)恰好集成了標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位和差分定位的優(yōu)點(diǎn)，它改變了以往只能使用雙差相位定位模式才能達(dá)到較高定位精度的現(xiàn)狀，是GNSS定位技術(shù)中繼RTK/網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)后的又一次技術(shù)革命[1］。與之相比，決定用戶安全性能的導(dǎo)航定位接收機(jī)的檢測(cè)就變得更加突出[2］。

1 GNSS接收機(jī)檢測(cè)

GNSS系統(tǒng)的指標(biāo)有四個(gè)參數(shù)：精度、連續(xù)性、有效性和完備性[3］。

GNSS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分及用戶部分三部分構(gòu)成，導(dǎo)航衛(wèi)星從發(fā)射信號(hào)、信號(hào)在介質(zhì)中傳播到接收機(jī)接收信號(hào)的整個(gè)過程中均受到各種誤差的影響。根據(jù)誤差來源分為：衛(wèi)星（空間部分：衛(wèi)星、軌道等）偏差、信號(hào)傳播（地面控制部分，對(duì)衛(wèi)星和軌道等進(jìn)行控制和管理等）誤差和接收機(jī)（主要是接收并處理衛(wèi)星信號(hào)，為用戶提供坐標(biāo)、速度和時(shí)間等信息）誤差三類。對(duì)于大多數(shù)用戶而言，最關(guān)注的是與接收機(jī)有關(guān)的誤差，所以，GNSS接收機(jī)的檢測(cè)與測(cè)試對(duì)確保工程質(zhì)量就顯得至關(guān)重要。

2 GNSS接收機(jī)檢測(cè)方法

GNSS接收機(jī)的檢測(cè)與測(cè)試一般可分為出貨檢驗(yàn)、用戶委托檢定及用戶現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

2.1 出貨檢驗(yàn)

出貨檢驗(yàn)是指產(chǎn)品在出貨之前為保證出貨產(chǎn)品滿足客戶品質(zhì)要求所進(jìn)行的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)一般依據(jù)GB/T 18214.1－2000idt IEC 1108－1：1996《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）第1部分：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法和要求的測(cè)試結(jié)果》[4］等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品才能予以放行出貨。出貨檢驗(yàn)一般實(shí)行抽檢，出貨檢驗(yàn)結(jié)果記錄有時(shí)根據(jù)客戶要求提供給客戶。

2.2 用戶委托檢定

用戶委托檢定是指用戶新購(gòu)置的GPS接收機(jī)，以及當(dāng)接收機(jī)天線受到強(qiáng)烈撞擊，或更新接收機(jī)部件后，或更新天線與接收機(jī)的匹配關(guān)系后的接收機(jī)，應(yīng)由用戶按規(guī)定送交經(jīng)國(guó)家相關(guān)部門授權(quán)、有相關(guān)資質(zhì)的檢定部門按照CH 8016－95《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程》[5］及CH/T 8018－2009《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）測(cè)量型接收機(jī)RTK檢定規(guī)程》[6］等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲水平測(cè)試（零基線測(cè)試方法、超短基線測(cè)試方法等）、天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試（相對(duì)測(cè)定法、旋轉(zhuǎn)天線法）、GPS接收機(jī)野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試、RTK測(cè)量精度、RTK測(cè)量重復(fù)性精度、RTK初始化時(shí)間及RTK初始化最大距離等的檢測(cè)與檢定工作。

2.3 用戶現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

用戶現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)就是經(jīng)檢定合格的設(shè)備到達(dá)用戶工區(qū)，為了避免因接收機(jī)天線受到強(qiáng)烈撞擊或因天線與接收機(jī)的匹配關(guān)系變更等原因引起的接收機(jī)性能及精度降低，造成的作業(yè)質(zhì)量問題，在新工區(qū)使用前由用戶按照GT/T 18314－2009全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[7］、CH/T 2009－2010全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范[8］及SY/T 5171－2011陸上石油物探測(cè)量規(guī)范[9］等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行的儀器一致性檢驗(yàn)與測(cè)試。

3 長(zhǎng)慶探區(qū)GNSS接收機(jī)檢測(cè)分析

長(zhǎng)慶探區(qū)GNSS接收機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)以往都是接收機(jī)到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，操作員利用現(xiàn)有的接收機(jī)隨機(jī)建立一條由多點(diǎn)組成的基線或一個(gè)由多點(diǎn)組成的網(wǎng)狀幾何圖形，再利用其對(duì)所有接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試或檢測(cè)，這樣的檢驗(yàn)可能因?yàn)閭€(gè)別設(shè)備或附件出現(xiàn)問題，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果失真，存在一定的作業(yè)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。為了確保GNSS接收機(jī)檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)有效性，確保地震勘探測(cè)量作業(yè)成果的正確性，作業(yè)部組織建立了“長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)”，用于每年長(zhǎng)慶探區(qū)的GNSS接收機(jī)的檢測(cè)工作。

3.1 長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)有7個(gè)強(qiáng)制觀測(cè)墩（點(diǎn)）組成，如圖1所示，分別位于長(zhǎng)慶物探處原辦公樓頂（YC01）及長(zhǎng)慶作業(yè)部辦公樓頂（YC02－YC07），如圖2所示。該檢驗(yàn)場(chǎng)最長(zhǎng)邊（YC01－YC02）邊長(zhǎng)為973.978 8m，最短邊（YC04－YC05）邊長(zhǎng)只有5.923 2m，累計(jì)觀測(cè)時(shí)間達(dá)1 150h.

圖1 “長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)”強(qiáng)制觀測(cè)墩點(diǎn)位分布圖（7個(gè)點(diǎn)位）

圖2 “長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)”強(qiáng)制觀測(cè)墩點(diǎn)位分布圖（長(zhǎng)慶作業(yè)部樓頂6個(gè)點(diǎn)位））

圖3 “長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)”控制網(wǎng)圖

長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)控制網(wǎng)則由14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)組成，如圖3所示，最長(zhǎng)邊（B001－D098）達(dá)215 911.224 8m，最短邊（YC04－YC05）只有5.923 2m，累計(jì)觀測(cè)時(shí)間超過1 600h.GNSS數(shù)據(jù)處理方法包括數(shù)據(jù)處理軟件及數(shù)據(jù)處理方案，由于采用數(shù)學(xué)模型的差異以及數(shù)據(jù)處理的具體策略及算法的不同，由不同的數(shù)據(jù)處理軟件所獲得的結(jié)果并不相同[10］，為了確保數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，該網(wǎng)數(shù)據(jù)全部采用TBC、LGO及GAMIT與Power ADJ科研版軟件分別進(jìn)行基線處理與網(wǎng)平差，并相互進(jìn)行了驗(yàn)證。

通過GAMIT與Power ADJ軟件進(jìn)行基線處理與網(wǎng)平差的數(shù)據(jù)分析可知，該網(wǎng)布設(shè)均勻，結(jié)構(gòu)合理，觀測(cè)時(shí)間符合設(shè)計(jì)要求，采用網(wǎng)聯(lián)式觀測(cè)，獲得了精度很高的結(jié)果（如表1、表2所示）。最終求取YC01～YC07點(diǎn)的精確坐標(biāo)及其21條基線長(zhǎng)作為GNSS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的基準(zhǔn)。

表1 38組基線重復(fù)性精度統(tǒng)計(jì)

表2 點(diǎn)位精度中誤差區(qū)間個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)（單位：個(gè)）

3.2 GNSS接收機(jī)檢測(cè)

2014年初長(zhǎng)慶作業(yè)部對(duì)投入到長(zhǎng)慶探區(qū)的80多臺(tái)GNSS接收機(jī)按項(xiàng)目組分別安排在圖1所示的“長(zhǎng)慶銀川短基線檢驗(yàn)場(chǎng)”進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)分為靜態(tài)和RTK兩種方式：

3.2.1 靜態(tài)

每組7臺(tái)儀器（點(diǎn)）為一個(gè)同步觀測(cè)時(shí)段，全部為強(qiáng)制對(duì)中，每組同步觀測(cè)30min，觀測(cè)結(jié)束換另外一組儀器按同樣方法進(jìn)行操作，觀測(cè)數(shù)據(jù)用隨機(jī)TBC或LGO軟件進(jìn)行處理，獲取每臺(tái)儀器間的相鄰基線長(zhǎng)并與標(biāo)準(zhǔn)基線長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)儀器及其附件的性能及精度。

3.2.2 RTK

將一臺(tái)儀器固定在YC01上作為基準(zhǔn)站，另外的儀器均在YC02－YC07等6個(gè)點(diǎn)中任選1個(gè)點(diǎn)逐臺(tái)進(jìn)行RTK測(cè)試，每點(diǎn)觀測(cè)并記錄3個(gè)歷元的數(shù)據(jù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)用隨機(jī)TBC或LGO軟件進(jìn)行處理，獲取每臺(tái)儀器的觀測(cè)坐標(biāo)并與YC05點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)儀器及其附件RTK的性能及精度。

3.3 GNSS接收機(jī)檢測(cè)與測(cè)試結(jié)果分析

3.3.1 GNSS接收機(jī)靜態(tài)檢測(cè)與測(cè)試結(jié)果分析

GNSS接收機(jī)靜態(tài)檢測(cè)與測(cè)試結(jié)果是利用隨機(jī)TBC或LGO軟件處理獲取的，測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地帶有誤差，帶有誤差的觀測(cè)量是一個(gè)隨機(jī)變量。觀測(cè)得出的有限個(gè)觀測(cè)值構(gòu)成一組子樣，因此觀測(cè)本身就是一種隨機(jī)抽樣[11］。分別選取幾種不同品牌、型號(hào)的儀器的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

表3 Trimble 5700靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果比較（部分）

由表3，Trimble 5700儀器的檢測(cè)結(jié)果比較可見，架設(shè)在YC03點(diǎn)的編號(hào)0220312069的儀器有問題，凡是與該儀器有關(guān)系的基線長(zhǎng)較差均超限，甚至導(dǎo)致該儀器架設(shè)的YC03點(diǎn)與0220268326架設(shè)的YC04點(diǎn)的基線解都無法解算，這可能是5700儀器老化，加之檢定后長(zhǎng)途運(yùn)輸撞擊所造成的。同時(shí)，0220268326架設(shè)的YC04點(diǎn)可能存在人為干擾問題，導(dǎo)致其與0220317836儀器架設(shè)的YC06點(diǎn)基線長(zhǎng)較差也超限，其余基線長(zhǎng)較差均小于10mm.

由圖4，Trimble R7儀器的檢測(cè)結(jié)果比較表可見，所有基線長(zhǎng)較差基本上均小于5mm，最小為0.5mm，這說明Trimble R7儀器性能穩(wěn)定，精度高，其雙星系統(tǒng)確保了定位精度的提高。

由圖5，Leica GS10儀器靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果比較表可見，所有基線長(zhǎng)較差基本上均小于5mm，最小為0.0mm，這說明Leica GS10儀器性能穩(wěn)定，精度高，其雙星系統(tǒng)確保了定位精度的提高。

圖4 Trimble R7靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果比較圖（部分）

圖5 Leica GS10靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果比較圖（部分）

3.3.2 GNSS接收機(jī)RTK檢測(cè)與測(cè)試結(jié)果分析

GNSS接收機(jī)RTK檢測(cè)與測(cè)試結(jié)果也是利用隨機(jī)TBC或LGO軟件處理獲取的，下面分別選取幾種不同品牌、型號(hào)的儀器檢測(cè)結(jié)果分析如下：

圖6示出了以YC06點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)x＝3.827、y＝6.498、h＝6.925（為了保密，只取尾數(shù)進(jìn)行比較分析，下同）與儀器編號(hào)分別為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J等儀器檢測(cè)實(shí)測(cè)的坐標(biāo)比較結(jié)果，可見，Trimble5700RTK檢測(cè)點(diǎn)位（X、Y、h）較差則都在0.01～0.08m，超出圖7、圖8所示的Trimble R7RTK及Leica GS10RTK儀器檢測(cè)精度的一個(gè)數(shù)量級(jí)，這與其為單星系統(tǒng)儀器精度低及接收機(jī)老化可能有關(guān)系。

圖6 Trimble 5700RTK檢測(cè)結(jié)果比較圖（部分）

圖7 Trimble R7RTK檢測(cè)結(jié)果比較圖（部分）

圖8 Leica GS10RTK檢測(cè)結(jié)果比較圖（部分）

圖7、圖8分別示出了以YC05點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)x＝4.418、y＝0.969、h＝7.608（為了保密，只取尾數(shù)進(jìn)行比較分析，下同）與儀器編號(hào)分別為a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ等儀器檢測(cè)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較的結(jié)果，可見，除Leica GS10儀器號(hào)為1596143（Ⅷ）的高程較差（h＝－0.142m）超限外，其它Trimble R7/R8/R10及Leica GS10RTK檢測(cè)點(diǎn)位（X、Y）較差基本都在0.01m內(nèi)，高程較差（h）大多數(shù)也在0.01m內(nèi)，這可能是該儀器檢定后長(zhǎng)途運(yùn)輸撞擊所造成的或存在人為干擾問題所致，經(jīng)緊固主要板件后重新測(cè)試一切正常。

4 結(jié)束語

GNSS技術(shù)已經(jīng)成為石油物探測(cè)量的重要方法和手段之一，性能完好、穩(wěn)定及精度可靠的GNSS接收機(jī)是確保工作質(zhì)量、工程質(zhì)量的主要保障。通過上述檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比分析可得出如下結(jié)論：

1）GNSS接收機(jī)在使用前必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；

2）GNSS接收機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)途搬運(yùn)后必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；

3）通過更換GNSS接收機(jī)主要部件等維修手段維修后的接收機(jī)必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；

4）經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，性能完好、穩(wěn)定及精度可靠的GNSS接收機(jī)才能投入到工程項(xiàng)目中；

5）實(shí)際作業(yè)中要切實(shí)加強(qiáng)GNSS接收機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)工作。

[1]李征航，張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[2]秘金鐘.GNSS完備性檢測(cè)理論與應(yīng)用[M］.北京：測(cè)繪出版社，2012.

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[11]陶本藻.測(cè)量數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計(jì)理論和方法[M］.北京：測(cè)繪出版社，2007.

GNSS Receiver Monitoring and Its Experimental Analysis

CHANG YI1，XU Qingru1，LIU Hongxi2，YANG Rong1，SI Haixin1，ZHANG Junxian1
（1.Changqing Department of Work in Division of Equipment Service，BGP INC.，Yin′chuan 750006，China；2.Equipments and Supplies Section of Work in Division of Equipment Service，BGP INC.，Zhuo′zhou 072750，China）

The theory and methods of GNSS receiver monitoring are introduced.GNSS equipments of different models are tested in Changqing short baseline proving ground and the data is analyzed in this paper，and the experimental data is studied and analyzed.Then we proved that the GNSS equipments have to pass the integrity monitoring after a long distance transportation or before ever use.

GNSS receivers；monitoring；experimental and analysis

P228.4

A

1008－9268（2015）01－0086－05

10.13442/j.gnss.1008－9268.2015.01.020

暢 毅（1963－），男，甘肅鎮(zhèn)原人、高級(jí)工程師，主要從事全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及其新技術(shù)在石油工程中應(yīng)用等工作。

徐慶儒（1972－），男，甘肅會(huì)寧人、助理工程師，主要從事石油物探測(cè)量放樣及數(shù)據(jù)處理工作。

劉洪喜（1975－），男，遼寧瓦房店人，工程師，主要從事石油測(cè)量工程及其新技術(shù)應(yīng)用等工作。

2014－01－13

聯(lián)系人：暢毅E－mail：chp＿2001＠163.com