兩型GNSS接收機比測及數(shù)據(jù)處理分析?

劉備鐘斌紀(jì)兵

（海軍工程大學(xué) 武漢 430032）

1 引言

近年來，海洋測繪、大地測量與衛(wèi)星導(dǎo)航的交集愈漸增多，尤其在軟硬件的共享上表現(xiàn)得更加廣泛［1］。之前很多試用于衛(wèi)星導(dǎo)航的系統(tǒng)及設(shè)備現(xiàn)在具有很強的通用性。GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機作為衛(wèi)星導(dǎo)航地面站的重要環(huán)節(jié)［2］，發(fā)展得更為快速。接收機從用途上可分為三類，一是主要用于運動載體導(dǎo)航的導(dǎo)航型接收機，可以實時給出載體的位置和速度；二是主要用于精密大地測量和精密工程測量的測地型接收機；三是主要利用GNSS衛(wèi)星提供高精度時間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時的授時型接收機［3～4］。接收機按載波頻率也可分為單頻、雙頻、多頻接收機。本文通過對固定點位置的測定對兩種接收設(shè)備的性能進(jìn)行比測，并對位置精度較差的接收機提供一種Loess數(shù)據(jù)處理方法，用于更精準(zhǔn)地找到測定點。

2 各型接收機介紹及實驗流程

2.1 實驗設(shè)備介紹

實驗使用兩套不同型號的GNSS接收機設(shè)備，一型為高精度多系統(tǒng)多星RTK野外成圖系統(tǒng)及與之配套的手簿，以下稱為多系統(tǒng)型；另一型為北斗/GPS雙系統(tǒng)四頻高精度接收機，以下稱為雙系統(tǒng)型。

多系統(tǒng)型系統(tǒng)是際上導(dǎo)航設(shè)計生產(chǎn)的新一代高精度、高性能、手持式GNSS hRTK系統(tǒng)。它顛覆了第二代RTK的結(jié)構(gòu)概念，集業(yè)內(nèi)頂尖科技于一身，為用戶提供人性化、穩(wěn)定可靠的高精度動靜態(tài)實時/事后定位服務(wù)，支持大數(shù)據(jù)量影像數(shù)據(jù)加載及百兆級矢量數(shù)據(jù)加載，與市場4大主流GIS平臺無縫銜接，可廣泛應(yīng)用于高精度RTK測量、工程施工放樣、組建高精度大范圍靜態(tài)控制網(wǎng)以及野外數(shù)據(jù)采集等作業(yè)。

雙系統(tǒng)型接收機可為各種GNSS應(yīng)用提供強大而靈活的解決方案。手簿標(biāo)配為高靈敏工業(yè)級GeoRef K2E，也可以選配高性能戶外平板電腦gPad進(jìn)行組合作業(yè)，形成功能強大的專業(yè)野外測量系統(tǒng)，在野外即可完成數(shù)據(jù)的分析處理工作，一站式作業(yè)模式將極大提高野外測量的效率［5～7］。

2.2 實驗流程

實驗采用際上空間eFix R1接收機通過接入湖北省CORS，獲取高精度定位數(shù)據(jù)（主要是經(jīng)度和緯度），從而為之后接收機的普通單點定位的數(shù)據(jù)采集和分析提供良好的定位基準(zhǔn)。為保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質(zhì)量，選擇的測站上空相對開闊，在 15°高度角以上無成片的障礙物［8］；為減少各種電磁波對GNSS衛(wèi)星信號的干擾，在測站周圍約200m的范圍內(nèi)無電視塔、微波站、高壓輸電線等強電磁波干擾設(shè)備；為避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生，測站選擇點遠(yuǎn)離高層建筑、成片水域等對電磁波信號反射強烈的地形、地物。

在滿足以上條件后，選好地點，架好實驗設(shè)備，設(shè)好參數(shù)，選定觀測定位時間為2016年10月13日上午09：00～12：00，采點頻率設(shè)為1Hz，進(jìn)行實驗。實驗3個小時采集10800個碎步點，對數(shù)據(jù)處理過后確定定位基準(zhǔn)，即真值點。調(diào)換eFix R1工作模式，選擇普通單點定位模式，地點不變，時間為13：00～15：00，采點頻率依然設(shè)為1Hz，實驗2小時采集7200個碎步點。在同一地點架設(shè)和芯星通設(shè)備，時間為15：30～17：30，采點頻率1Hz，實驗2小時，由于和芯星通設(shè)備不自帶手薄，數(shù)據(jù)直接以NMEA格式存儲在電腦中，然后利用NMEA解析協(xié)議提取數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度高程信息［9］。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

由于多系統(tǒng)型接收機基于CORS差分的RTK測量技術(shù)是精度最高的一種技術(shù)，所以以接入CORS差分的測量結(jié)果為定位基準(zhǔn)。利用CORS差分得到的數(shù)據(jù)取平均值作為基準(zhǔn)真值L0，如下：

調(diào)換工作模式后利用單點定位得到數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，求出均值點L1，標(biāo)準(zhǔn)差S1，如下：

用Origin繪制二維散點圖如圖1所示。

由圖1可看出，大部分二維散點分布較均勻，個別壞點落在遠(yuǎn)離散點簇位置，可以舍棄。由此可看出多系統(tǒng)型接收機單點定位的水平精度較高。與CORS差分定位水平精度相比相差不大。

為對定位精度做一個進(jìn)一步明確，引入高程精度，可以更直觀的看到單點定位的散點位置分布，分別繪制三維散點圖及三維表面圖如圖2、圖3所示。

上圖可看出，散點在高程上的分布明顯不均，離散程度較大，反映出接收機的垂直精度相對較差，誤差為米級。

雙系統(tǒng)型接收機測量結(jié)果以NMEA數(shù)據(jù)格式得到，利用NMEA協(xié)議解析語句對實驗數(shù)據(jù)提取處理，得到經(jīng)緯度高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，求出其平均值L2，標(biāo)準(zhǔn)差S2，如下：

同樣，用Origin繪制二維散點圖如圖4所示。

由圖4可看出，相對多系統(tǒng)型接收機來說，雙系統(tǒng)型所測得的二維散點分布明顯不均，即便把壞點舍棄仍呈不規(guī)則分布，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化成米之后，誤差為米級。

同樣，引入高程精度后，繪制其三維散點圖及三維表面圖如圖5、圖6所示，觀察其散點分布情況，依然是離散程度大，分布不均，反映出接收機的垂直精度相對較差，誤差為米級。

比測兩種接收設(shè)備的散點數(shù)據(jù)，可看出：1）兩種設(shè)備的垂直精度都不高，只能達(dá)到米級水平；2）多系統(tǒng)型接收機相對于雙系統(tǒng)型接收機所測得的數(shù)據(jù)來說，水平精度明顯更高，分布更加均勻。

由于求數(shù)值平均得到平均點的算法對于不規(guī)則、不均勻分布的散點圖來說，誤差較大，可靠度不高，這里針對雙系統(tǒng)型接收機所測得散點數(shù)據(jù)分布不均的問題，另做數(shù)據(jù)處理，使得尋找到的測定點更有信服力。

通過分析此二維散點分布可知，不適合最小二乘法線性擬合方法，也沒有合適的函數(shù)模型可以直接調(diào)用擬合。在受到核回歸方法散點擬合曲面重構(gòu)的啟發(fā)后，可用統(tǒng)計學(xué)解決平滑問題中的Loess局部加權(quán)回歸法對散點進(jìn)行平滑擬合［10］。

通過擬合后的數(shù)據(jù)如下：

繪出相應(yīng)的散點圖如圖7所示。

由于新的散點圖分布較均勻，可將均值近似視為測定值，得到測定值L3。

對比E和N方向上|L0-L2|與|L0-L3|的值，得到：|L0-L2|＞|L0-L3|，說明經(jīng)過Loess方法處理后精度得到了提升，即驗證了Loess局部加權(quán)回歸法的可行性。

4 結(jié)語

采用多系統(tǒng)（包括GPS、BDS、GLONASS等）的多系統(tǒng)接收機水平精度在相同條件下明顯高于雙系統(tǒng)（GPS+BDS）和芯星通芯片板接收設(shè)備。可看出，多系統(tǒng)使可見星數(shù)增多，可用星數(shù)也隨之增多，對提高水平精度有幫助［11～12］。另得到用Loess加權(quán)回歸平滑法預(yù)處理大量無規(guī)則散點數(shù)據(jù)，在E，N兩個方向上精度比直接求散點平均值得到的測定精度更為準(zhǔn)確。

［1］謝鋼.GPS原理與接收機設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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