不同測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比分析

張 弘，管慶林,2，樊春明,2

不同測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比分析

張 弘1，*管慶林1,2，樊春明1,2

（1.閩江學(xué)院地理與海洋學(xué)院，福建，福州 350108；2.閩江學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航與空間信息工程研究院，福建，福州 350108）

針對不同全球定位系統(tǒng)（GNSS）測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量差異問題，基于國內(nèi)外5款GNSS測量型接收機(jī)的實(shí)測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比指標(biāo)對各接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：綜合數(shù)據(jù)完整率、載噪比和周跳比看，JAVAD TRE_3接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收機(jī)。此外，國產(chǎn)司南T300接收機(jī)在BDS系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)處理及北斗信號(hào)多路徑誤差處理方面較其他四款接收機(jī)有一定優(yōu)勢。

GNSS；測量型接收機(jī)；觀測數(shù)據(jù)；質(zhì)量評估

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）測量型GNSS接收機(jī)因能夠提供高質(zhì)量的偽距和載波相位觀測數(shù)據(jù)而被廣泛用于大地測量、工程測量等高精度定位領(lǐng)域[1-2]。接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和導(dǎo)航衛(wèi)星的空間幾何分布是確保高精度定位的兩個(gè)重要因素，對測量型接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估是高精度定位解算的必要步驟，也是測量型接收機(jī)性能評價(jià)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的重要手段[3-4]。隨著GNSS技術(shù)及接收機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，高精度定位應(yīng)用領(lǐng)域?qū)邮諜C(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求不斷提高，然而，國內(nèi)國際市場上測量型接收機(jī)品牌和型號(hào)眾多。因此，針對不同品牌/型號(hào)的測量級(jí)接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，對高精度應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)備選型具有一定意義。

近年來，許多研究人員對GNSS接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了研究和分析。蔡昌盛等人[5]對美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），俄羅斯全球定位系統(tǒng)（GLObal NAvigation Satellite System, GLONASS）、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）及歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo Satellite Navigation System，GALILEO)的觀測噪聲和多路徑誤差進(jìn)行了分析，結(jié)果表明各系統(tǒng)不同頻率的測量噪聲范圍是5～25 cm，載波相位噪聲范圍為0.9～1.5 mm。肖秋龍等人[6]就北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評估，結(jié)果表明91.1%的框架網(wǎng)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足建站要求。郭亮亮等人[7]利用國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS）和多模GNSS實(shí)驗(yàn)網(wǎng)（Multi-GNSS Experiment，MGEX）觀測數(shù)據(jù)分析了不同接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。帥瑋祎等人[8]分析了GNSS接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及常見問題，結(jié)果表明北斗接收機(jī)觀測到的數(shù)據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)都略差于GPS/GLONASS雙模接收機(jī)。劉海鋒、龔真春、劉備等人[9-11]利用TEQC、QCVIEW32以及RTKLIB軟件對GNSS接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了評估分析，為GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)提供了有益參考。

GNSS接收機(jī)觀測量的質(zhì)量與衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱、測量環(huán)境及接收機(jī)質(zhì)量有關(guān)。鑒于當(dāng)前市場上測量級(jí)接收機(jī)的品牌和型號(hào)眾多，本文基于國內(nèi)外5個(gè)品牌不同型號(hào)GNSS測量型接收機(jī)的實(shí)測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比指標(biāo)對各接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，為GNSS測量型接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量評估及高精度定位領(lǐng)域的接收機(jī)選型提供有益參考依據(jù)。

1 接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)評估方法

對測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估指標(biāo)通常包括觀測數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比等指標(biāo)，通常情況下數(shù)據(jù)完整率越大，多路徑誤差越小、周跳比越大時(shí)，GNSS接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越好[12]。其中數(shù)據(jù)完整率是接收機(jī)觀測到的衛(wèi)星實(shí)際歷元數(shù)與理論歷元數(shù)量的比值，其單頻點(diǎn)和單系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)完整率可表示為[12]：

載噪比定義為載波信號(hào)功率與噪聲功率譜密度之比，單位為dBHz，其計(jì)算公式為[12]：

多路徑誤差定義為由非直達(dá)衛(wèi)星信號(hào)引入的測距誤差。計(jì)算偽距多路徑誤差時(shí)，必須依賴雙頻觀測數(shù)據(jù)，可采用偽距觀測方程和相位觀測方程組合，消除對流程和電離層延遲影響后計(jì)算得到。在無周跳的多個(gè)歷元間多路徑誤差可按公式（4）進(jìn)行計(jì)算[12]。

周跳比指在某時(shí)段內(nèi)，接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的實(shí)際歷元數(shù)量與發(fā)生周跳歷元數(shù)據(jù)量的比值，周跳比值越小，說明觀測數(shù)據(jù)中周跳越嚴(yán)重[12]。周跳比可聯(lián)合粗差探測方法、周跳探測方法和接收機(jī)鐘跳探測方法來確定周跳發(fā)生的歷元并統(tǒng)計(jì)發(fā)生周跳歷元的數(shù)據(jù)量，然后根據(jù)周跳比定義進(jìn)行計(jì)算。

2 接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)來源

為評估不同GNSS測量型接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，選擇5款國內(nèi)外知名品牌的測量型接收機(jī)，各款接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)采集信息見表1。采用開源的RTKLIB和司南導(dǎo)航的Compass軟件進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，數(shù)據(jù)分析時(shí)高度截止角設(shè)置為10°。其中，司南T300接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)在思南公司樓頂采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年3月19日，采樣間隔為1 s，TRIMBLE、SEPT、JAVAD和LECIA接收機(jī)數(shù)據(jù)從國際GNSS服務(wù)（International GNSS Service，IGS）下載，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年5月2日，采樣間隔為30 s。

表1 各型GNSS測量型接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)信息

Table 1 Observation information for different GNSS survey-grade receivers

接收機(jī)品牌接收機(jī)型號(hào)天線型號(hào)站點(diǎn)時(shí)長 思南導(dǎo)航T300T300思南樓頂1 h TRIMBLENET R9TRM59800GAMB24 h SEPTPOLARX5TRM115000AJAC24 h JAVADTRE3 DELTALEIAR25.R4LEIJ24 h LEICAGR30LEIAR20LATE24 h

2. 2 不同品牌測量型接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

圖1給出5款測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、載噪比和多路徑誤差的對比結(jié)果，與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)以及周跳比如表2中所示。結(jié)合圖1和表2可看出，5款接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的完整率均優(yōu)于90%，其中司南T300、SEPT POLARX5、JAVAD TRE_3三款接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)完整率超過99%，TRIMBLE NETR9接收機(jī)在觀測數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)上比其他四款接收機(jī)略差。5款接收機(jī)L1、L2、L5頻段觀測數(shù)據(jù)的載噪比均大于40 dBHz，且L5頻段載噪比優(yōu)于L1和L2頻段，其中司南T300、JAVAD TRE_3兩款接收機(jī)在載噪比指標(biāo)上略優(yōu)于SEPT POLARX5和LEICA GR30接收機(jī)，此外，LEICA GR30接收機(jī)在對多路徑誤差的處理方面較其他四款接收機(jī)有優(yōu)勢。

圖1 各型測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

考慮到思南T300接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的觀測時(shí)長和采樣間隔和其他四款接收機(jī)不一致，主要對其他四款接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的周跳比進(jìn)行分析。在采樣率及數(shù)據(jù)時(shí)長相同的四款接收機(jī)中，JAVAD TRE_3接收機(jī)的周跳比最大，說明在周跳比指標(biāo)方面JAVAD TRE_3接收機(jī)表現(xiàn)較其他三款接收機(jī)好。

表2 各型測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

Table 2 Statistics of observation quality indicators for 5 GNSS survey-grade receivers

接收機(jī)/%/dBHz/dBHz/dBHz/m/m周跳比 司南T30099.824345460.230.2250684 TRIMBLE NETR992.074243460.170.1441 SEPT POLARX599.784240440.150.1273 JAVAD TRE_399.884644480.230.18344 LEICA GR3097.664343460.080.1162

2.3 不同系統(tǒng)測量型接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量對比分析

為分析5款接收機(jī)在不同GNSS系統(tǒng)下的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，表3給出了5款接收機(jī)對GPS、GLONASS、BDS和GALILEO四個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完整率、周跳比以及各GNSS L1、L2、L5頻段的載噪比和多路徑誤差，與之相對應(yīng)的各指標(biāo)的對比如圖2所示。表3中為了方便表述將GLONASS縮寫為GLO，將GALILEO縮寫為GAL。其中，5款接收機(jī)不支持GLONASS系統(tǒng)L5頻段衛(wèi)星信號(hào)接收，TRIMBLE NETR9和JAVAD TRE_3兩款接收機(jī)暫不支持GPS系統(tǒng)L5頻段衛(wèi)星信號(hào)接收，因此，L5頻段相應(yīng)的載噪比和多路徑誤差并未在表3和圖2中呈現(xiàn)。

結(jié)合表3和圖2的接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)容易看出，5款接收機(jī)對GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系統(tǒng)信號(hào)的接收和處理能力各不相同。其中，TRIMBLE NETR9接收機(jī)的數(shù)據(jù)完整率指標(biāo)比其他四款接收機(jī)的略差，SEPT POLARX5接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)在多路徑誤差指標(biāo)上優(yōu)于其他四款接收機(jī)。JAVAD TRE_3接收機(jī)GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)在載噪比和周跳比指標(biāo)上優(yōu)于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收機(jī)。綜合數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比指標(biāo)看，JAVAD TRE_3接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)。需要特別指出的是，從各GNSS系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)來看，司南T300接收機(jī)的BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量總體比其他四款接收機(jī)的BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好，說明思南接收機(jī)在BDS系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)處理方面較其他四款接收機(jī)具有優(yōu)勢，司南T300接收機(jī)的GPS、GLONASS和GALILEO數(shù)據(jù)質(zhì)量與其他四款接收機(jī)的相當(dāng)。

表3 5款測量型接收機(jī)不同衛(wèi)星系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

Table 3 Statistics of observation quality indicators of 5 survey-grade receivers for different GNSS

GNSS接收機(jī)/%/dBHz/dBHz/dBHz/m/m/m周跳比 GPS司南99.254241460.240.320.3816009 TRIMBLE95.244240---0.200.15---42 SEPT1004336460.120.120.0754 JAVAD99.944541---0.200.20---377 LEICA97.944444500.060.100.1143 GLO司南99.954446---0.380.35---20643 TRIMBLE94.924241---0.170.13---44 SEPT1004442---0.190.20---88 JAVAD99.984743---0.230.20---208 LEICA96.704342---0.080.09---67 BDS司南1004446450.170.150.2281741 TRIMBLE82.434045460.340.160.1168 SEPT99.124241440.280.160.07228 JAVAD99.754546450.380.250.12919 LEICA99.324141420.140.150.14166 GAL司南99.924448470.300.200.2117651 TRIMBLE95.694446440.120.140.1432 SEPT1004144430.080.070.0645 JAVAD99.944748480.180.080.08210 LEICA96.684647480.070.110.1147

圖2 5款測量型接收機(jī)不同GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)對比

3 結(jié)論與展望

GNSS接收機(jī)的數(shù)據(jù)質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)高精度定位的基本條件之一。為探究不同GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異，而選取市場上國內(nèi)外知名的5款測量型接收機(jī)，從各接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的完整率、各頻段的載噪比、多路徑誤差和周跳比等指標(biāo)分別對5款測量型接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估。結(jié)果表明：

1）從數(shù)據(jù)完整率、載噪比、多路徑誤差和周跳比單個(gè)指標(biāo)來看，不同品牌的測量型接收機(jī)各有特色。綜合數(shù)據(jù)完整率、載噪比和周跳比看，JAVAD TRE_3接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收機(jī)。

2）從不同衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量看，5款接收機(jī)對GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系統(tǒng)信號(hào)的接收和處理能力各不相同。其中國產(chǎn)品牌思南T300接收機(jī)的GPS、GLONASS和GALILEO觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量與其他四款接收機(jī)相當(dāng)。

3）國產(chǎn)品牌司南T300接收機(jī)的BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于其他系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，表明思南接收機(jī)在BDS系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)處理方面較其他四款接收機(jī)具有一定優(yōu)勢。

[1] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告(4.0)版[R].北京:中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室,2019.

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QUALITY ASSESSMENT OF OBSERVATIONS FOR DIFFERENT GNSS SURVEY-GRADE RECEIVERS

ZHANG Hong1, *GUAN Qing-lin1,2, FAN Chun-ming1,2

（1. College of Geography and Oceanography, Minjiang University, Fuzhou, Fujian 350108, China; 2.Institute of Satellite Navigation and Space Information Engineering, Minjinag University, Fuzhou, Fujian 350108, China）

To evaluate the observation quality of different GNSS survey-grade receivers, this paper evaluated the observation quality of five well-known domestic and foreign receivers in terms of observation integrity rate, carrier-to-noise ratio, multi-path error and cycle slip ratio. The results show that the observation quality of JAVAD TRE_3 receiver is better than TRIMBLE NETR9, SEPT, POLARX5 and LEICA GR30 receivers in terms of observation integrity rate, carrier-to-noise ratio and number of cycle slip. In addition, the domestic Sino T300 receiver outperforms the other 4 GNSS receivers in terms of BDS satellite signal processing and multi-path error processing of BeiDou signals.

GNSS; survey-grade receiver; observation; quality assessment

1674-8085（2022）03-0061-05

P2228.1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.03.010

2021–09–07；

2021-12-03

福建省科技廳創(chuàng)新資金項(xiàng)目(2021C0027)；閩江學(xué)院科技項(xiàng)目(MYK21010)

張 弘(1987-)，男，福建福州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事GNSS定位與應(yīng)用研究(E-mail:522463786@qq.com)；

*管慶林(1986-)，男，云南宣威人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事GNSS定位與應(yīng)用研究(E-mail:cugqlguan1006@163.com).