面向大眾的GNSS接收機(jī)精度對比試驗(yàn)研究

張婷

摘? 要：由于測量級GNSS接收機(jī)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(tǒng)的使用人群僅限于部分專業(yè)測量人員，難以在大眾市場普及。針對無人機(jī)、機(jī)器制導(dǎo)、精密農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域?qū)Ω呔榷ㄎ恍枨蟮脑黾樱疚奶接懗墒斓牡统杀据d波相位GNSS定位系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)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(jī)進(jìn)行不同基線、不同時段下的靜態(tài)觀測和精度分析，結(jié)果表明這兩臺低成本GNSS測量系統(tǒng)能夠達(dá)到厘米級定位精度，滿足測量工作和GIS應(yīng)用的需求，是測量級GNSS接收機(jī)中經(jīng)濟(jì)適用的選擇。

關(guān)鍵詞：GNSS? 低成本? GNSS接收機(jī)? 靜態(tài)測量系統(tǒng)? 差分GNSS

中圖分類號：P228.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（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(qiáng)大的定位能力和高質(zhì)量的定位精度使它越來越多地用于民用和軍事應(yīng)用。GNSS定位有兩種方法：單點(diǎn)定位和差分定位。單點(diǎn)定位是一種根據(jù)接收器的觀測數(shù)據(jù)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(diǎn)定位方法主要適用于不需要高精度的任務(wù)。為了滿足最高精度要求，測量級GNSS接收機(jī)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(jī)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(xiàn)實(shí)生活中被廣泛使用。這種類型的電路板可以產(chǎn)生載波相位，這對于測量接收機(jī)來說是一個不錯的選擇，而且這種廉價的單頻接收機(jī)價格低廉，只需幾百元人民幣，用戶可以接受。在靜態(tài)測量和動態(tài)測量中，國內(nèi)外學(xué)者都使用該板進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)并取得了一系列的成果[2]。

這項研究的目的是測試實(shí)際應(yīng)用中成熟、低成本的載波相位GNSS定位系統(tǒng)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(jī)：LEA-6T和NEO-M8T[2]。

1? 低成本定位系統(tǒng)——LEA-6T

使用LEA-6T模塊作為接收機(jī)的定位系統(tǒng)，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(diǎn)分別是實(shí)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(shù)據(jù)輸出、L1碼相位和載波相位等。這種單頻接收機(jī)擁有12條平行通道接收來自衛(wèi)星的信號，更新速率達(dá)到1Hz。接收機(jī)芯片的尺寸17.0mm×22.4mm×24mm，重2.6g[2]。

（2）用于數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)接收軟件和個人計算機(jī)：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(shù)據(jù)收集器（通常是個人計算機(jī)）通過串口[3]。因此，配備有數(shù)據(jù)采集軟件的個人計算機(jī)可以通過串行端口連接到LEA-6T板上，以獲得實(shí)時數(shù)據(jù)（包括偽距和載波相位數(shù)據(jù)）。要使用的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)具有其自己的格式，必須先轉(zhuǎn)換為通用RINEX格式，然后才能被其他GNSS數(shù)據(jù)處理軟件識別[4]。像U-BLOX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件一樣，RTKCOVN可以通過在Windows系統(tǒng)個人計算機(jī)上運(yùn)行，選擇輸入文件和輸出路徑[5]來完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，則需要提供5V電源。

（5）接口數(shù)據(jù)/電力傳輸接口：GPS模塊上有兩個串行數(shù)據(jù)輸出端口，一個輸出相位信息，另一個輸出NMEA協(xié)議格式的數(shù)據(jù)。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(tǒng)——NEO-M8T

在此測試中，另一款NEO-M8T OEM GPS接收器是新一代U-BLOX產(chǎn)品。它不僅可以快速搜索恒星，而且還擁有許多衛(wèi)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(shí)時數(shù)據(jù)信息（衛(wèi)星的數(shù)量和狀態(tài)）。同時記錄原始觀測數(shù)據(jù)（偽距和相位數(shù)據(jù)）。

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(shí)時顯示GPS衛(wèi)星的基本信息、實(shí)時精度、接收器位置、演示速度演示水平和垂直高度、經(jīng)緯度的概率、UTC時間、DGPS狀態(tài)、用于定位的可見星星數(shù)量、HDOP、VDOP、PDOP、TDOP。“天空地圖”窗口顯示有關(guān)衛(wèi)星信號強(qiáng)度以及星座之間關(guān)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(yù)設(shè)信息發(fā)送到接收器。您還可以調(diào)整個人設(shè)置、反饋等。

3? 靜態(tài)定位試驗(yàn)

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

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

解算結(jié)果顯示該GNSS測量系統(tǒng)收斂速度快，固定所需時間短。固定率達(dá)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(jìn)一步將移動站天線位置坐標(biāo)解算結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較。

解算結(jié)果如表1所示。

結(jié)果表明在基線距離5km條件下，定位精度優(yōu)于2cm。

（2）第二組基線長度10km，基準(zhǔn)站記為2號點(diǎn)，坐標(biāo)已知。對兩組接收機(jī)分別進(jìn)行30min和2h的靜態(tài)觀測。

在基線距離10km的情況下，整體定位精度仍能達(dá)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(jié)果如表2所示。

對比發(fā)現(xiàn)，X、Y方向的定位精度在3cm以內(nèi)，高程精度在5cm以內(nèi)。

（3）第三組基線長度50km，當(dāng)基線長度擴(kuò)大到50km，收斂時間增加到5min，固定之后的精度范圍在5cm以內(nèi)?？傮w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(dāng)基線達(dá)到50km，X、Y、Z三個方向的定位精度仍能達(dá)到5cm，能滿足工程測量的要求。

4? 結(jié)語

通過對多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)該定位系統(tǒng)可以達(dá)到厘米級的定位精度。在實(shí)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(tǒng)也正適用于短基線的測量定位任務(wù)。同時試驗(yàn)表明該定位系統(tǒng)確實(shí)大大降低了測量任務(wù)的成本。因此，可將該模塊做為經(jīng)濟(jì)適用且高精度的大地測量型GPS接收機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟小芳.一種用于監(jiān)測型GNSS接收機(jī)的定位精度測試設(shè)備研究[J].現(xiàn)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(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技資訊， 2017（7）：14-16.

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

[4] 趙正揚(yáng).低成本雙模GNSS/SINS緊組合車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：東南大學(xué)，2018.

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

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