信號采集回放儀檢測全球導航衛星系統接收機RTK性能

洪衛，何浩鵬，彭友志，汪洋艦，宋瀟

( 武漢地震計量檢定與測量工程研究院有限公司, 武漢 438300 )

0 引言

隨著GNSS的建立和完善，GNSS接收機廣泛應用于測量、導航和授時等領域，為生產生活提供更加便利的服務，促進社會的發展. GNSS的整體服務質量取決于GNSS接收機的性能，尤其是應用于工程測量或安全監測等場景的高精度測地型GNSS接收機，其性能直接影響人民生命財產安全[1-2]，因此對GNSS接收機的性能檢測至關重要.

依據國家規程規范[3]，測地型GNSS接收機的實時動態(real-time kinematic，RTK)性能檢測方法是在室外GNSS基線場進行觀測，將解算得到的RTK精度以不大于GNSS接收機標稱精度作為評判接收機RTK性能是否合格的標準. 采用室外基線場檢測方法雖然能反應GNSS接收機的RTK性能，但是易受觀測環境的影響. 即使是同一臺GNSS接收機，不同時間段測試的結果也不同，主要是因為室外基線場觀測點的觀測環境如天空衛星分布、多路徑和天氣狀況等因素，影響GNSS接收機的RTK測量結果[4-5].因此室外基線場測量未能科學合理的評估GNSS接收機的RTK性能. 針對以上問題，相關檢測機構采用GNSS信號模擬器檢測GNSS接收機性能[6-8]. 每次測試使用相同的仿真場景，GNSS接收機的測試結果差異較小. 但是即使是最新型的GNSS信號模擬器也不能完全滿足GNSS接收機的檢測需求，因為GNSS信號模擬器是基于統計學模型和可預測的場景進行設計，無法評估GNSS接收機在實際環境中的性能，實際場景的復雜程度遠遠超過應用于GNSS信號模擬器的經驗模型，比如準確的模擬遮擋嚴重和時變的多路徑場景是非常困難[9]. 此外GNSS信號模擬器造價昂貴，檢測成本較高.

以上方法在檢測GNSS接收機RTK性能的過程中，由觀測環境等因素造成的重復性差、難以模擬真實場景下的多路徑以及成本高等問題，而GNSS信號采集回放儀很好地解決了這些問題. GNSS信號采集回放儀能夠采集真實環境下的衛星導航信號，并將采集的信號進行存儲，在實驗室或無電磁干擾的環境下回放，可以高重復性的重建真實檢測場景[10-11]. 本文采用GNSS信號采集回放儀對GNSS接收機的RTK精度進行檢測，并與真實環境下檢測結果進行對比分析. 研究結果表明：GNSS信號采集回放儀回放的信號具有高重復性及穩定性，采用GNSS信號采集回放儀對GNSS接收機進行檢測是可行的，對GNSS接收機的研發生產和檢測具有指導意義.

1 檢測原理及方法

GNSS信號采集回放儀器在經溯源的標準點位采集衛星信號，衛星信號采集完成后在實驗室暗室回放，GNSS接收機進行RTK坐標測量. GNSS接收機在相同點位進行RTK坐標測量. 采用地平站心坐標系計算基線水平和垂直誤差如式(1)和式(2)，分析采集回放儀與真實導航衛星信號檢測GNSS接收機RTK精度的差異.

式中： δh為基線水平誤差，單位為mm； δv為基線垂直誤差，單位為mm；N1、E1、U1為在以基線起始點為原點的站心坐標系下的北、東、高方向的基線終點；N0、E0、U0為在以基線起始點為原點的站心坐標系下的北、東、高方向的已知基線終點.

實驗采用GNSS接收機、天線和采集回放儀信息如表1所示.

表1 儀器設備信息

1.1 一體式GNSS接收機

一體式GNSS接收機自帶貼片天線，當信號采集回放儀信號采集完成后，再利用GNSS接收機進行RTK測量.

1.1.1 空曠環境

在GNSS基線場的2個點位分別架設2臺GNSS信號采集回放儀同時采集衛星導航信號，天線型號GPS1000. 將2臺采集的信號作為基準站信號和流動站信號，采集時長為20 min，信號采集完成后，2臺GNSS接收機(型號H32)放置在與信號采集回放儀相同的點位進行RTK測量，待接收機獲得RTK固定解后采集50個測量結果，采集間隔為1 s，按式(1)和(2)計算基線誤差.

GNSS信號采集回放儀的基準站信號和流動站信號在實驗室2個暗室回放存儲的GNSS信號，2臺GNSS接收機放置于暗室，待GNSS接收機獲取RTK固定解后，獲取50個RTK測量結果作為一組，采樣間隔為1 s，采集完成后按式(1)和(2)計算水平和垂直誤差，均方根(root mean square，RMS)值作為RTK精度. 按照此方式重復測量10次，組內獲取RTK坐標的時刻相同.

1.1.2 部分遮擋環境

部分遮擋環境下，由于嚴重的多路徑會導致實驗室信號回放中，GNSS接收機無法鎖定衛星，因此采用Leica AR25扼流圈天線以提升信號的采集質量.除了GNSS接收機和信號采集回放儀的采集天線不同，其他儀器設備和測試過程與空曠環境一致.

1.2 分體式GNSS接收機

實驗采用千尋位置網絡科技有限公司生產的MR02接收機和GPS1000天線. 為充分分析接收機性能的變化，分體式GNSS接收機采用事后差分處理(post processed kinematic，PPK)技術. GNSS信號采集回放儀和GNSS接收機通過功分器連接至GPS1000天線，保證GNSS接收機的觀測時刻與GNSS信號采集回放儀采集信號的時刻保持一致，儀器連接示意圖如圖1所示. 1臺GNSS接收機和采集回放儀作為基準站放置于基線場標準點位上，另外一臺接收機和采集回放儀作為流動站放置于基線場另外標準點位上，測量時間為20 min.

圖1 GNSS接收機與信號采集回放儀連接示意圖

待信號采集完成后，在實驗室微波暗室內回放采集的信號，2臺接收機放置于微波暗室進行觀測. 測試完成后，獲取在接收機真實衛星導航信號和信號采集回訪儀觀測方法的原始觀測文件，統計相同時間段15 min的基線結果.

2 實驗結果及分析

2.1 一體式接收機

2.1.1 空曠環境

利用信號采集回放儀和真實衛星導航信號對GNSS接收機進行RTK測試，計算10組測試結果的RTK精度以及組間的重復性，并與真實衛星導航信號測試結果進行對比分析，結果如表2和圖2～3所示. 由表2可知，信號采集回放儀檢測接收機的RTK水平精度重復性為0.46×10-3m，垂直精度為0.78×10-3m，說明GNSS信號采集回放儀每次回放的信號具有較高的復現性.

圖2 RTK水平測試結果

圖3 RTK垂直測試結果

表2 基線水平方向和垂直方向精度×10-3 m

由表2可知，與真實導航衛星信號檢測接收機得到的RTK精度相比，信號采集回放儀檢測得到的接收機RTK水平和垂直精度稍大，水平方向偏大0.13×10-3～1.68×10-3m，垂直方向偏大2.45×10-3～4.76×10-3m. 從圖2～3也可發現信號采集回放儀對接收機進行RTK測試時，解算得到的基線比真實衛星導航信號的基線結果波動大. 造成基線波動偏大的原因，一方面是信號采集回放儀在存儲或者回放信號階段引入噪聲誤差，另一方面是信號采集回放儀采集信號的時間與真實導航信號測試的時間不一致，觀測點位的觀測環境發生了變化(衛星分布以及多路徑效應等)，導致信號采集回放儀檢測接收機的RTK結果比真實導航衛星信號檢測結果偏大. 但是由噪聲等因素引起的RTK精度誤差小于接收機RTK標稱精度的1/3，中海達H32接收機平面方向標稱精度為±(8 mm+1×10-6×D)，高程精度為±(15 mm+1×10-6×D)，其中D為4.73 m. 因此信號采集回放儀對接收機的RTK性能檢測是可行的.

2.1.2 部分遮擋環境

在遮擋環境下，信號采集回放儀和真實衛星導航信號對GNSS接收機進行RTK測試，計算3組RTK精度以及重復性，并與真實衛星導航信號測試結果進行對比分析，結果如表3和圖4所示. 從表3可知，信號采集回放儀檢測接收機的RTK水平精度重復性為0.9×10-3m，說明GNSS信號采集回放儀每次回放的信號具有較高的復現性.

圖4 RTK水平測試結果

表3 基線水平方向精度×10-3 m

由表3可知，與真實導航衛星信號檢測接收機得到的RTK精度相比，信號采集回放儀檢測得到的接收機RTK水平精度稍大，水平方向偏大約0.29×10-3～1.91×10-3m. 從圖4也可發現，信號采集回放儀對接收機進行RTK測試時，水平基線比真實衛星導航信號的水平基線偏大，造成基線誤差偏大的原因與空曠環境下相同，但是采集回放儀引入的誤差未超出接收機標稱精度的1/3，極點接收機平面方向標稱精度為±(8 mm+1×10-6×D)，其中D為504 m. 此外，與空曠環境相比，在遮擋環境下，水平誤差偏大，說明觀測點環境對RTK測量的影響不可忽略. 因此在遮擋環境下，信號采集回放儀對接收機的水平RTK性能檢測是可行的.

2.2 分體式接收機

GNSS信號采集回放儀與真實導航衛星信號檢測GNSS接收機的PPK性能結果，統計基線精度如表4所示，600個10 min基線值如圖5～8所示.

圖5 水平基線(#9～#3)

圖7 垂直基線(#9～#3)

圖8 垂直基線(#9～#4)

表4 水平和垂直方向基線精度 ×10-3 m

由表4可知，與真實導航衛星信號檢測接收機的PPK精度相比，GNSS信號采集回放儀在#3號點和#4號點檢測接收機的PPK精度水平方向偏大0.01×10-3～0.43×10-3m，垂直方向偏大1.09×10-3～1.55×10-3m. 從圖5～8可發現，信號采集回放儀與真實導航衛星信號檢測接收機得到的基線變化波動趨勢大體相同，由此說明信號采集回放儀采集的信號與真實導航信號的一致性較好. 但是，信號采集回放儀檢測接收機得到的基線比真實導航衛星信號檢測接收機得到的基線偏大. 說明GNSS信號采集回放儀在采集或回放信號階段引入了誤差，導致結果偏大的原因是GNSS信號采集回放儀和功分器引入的噪聲. 但是GNSS信號采集回放儀測試PPK精度由噪聲引入的誤差小于GNSS接收機標稱RTK精度的1/3. 千尋位置MR02接收機平面方向標稱精度為±(10 mm+1×10-6×D)，高程精度為±(20 mm+1×10-6×D)，其中D為測點間的距離. 因此信號采集回放儀檢測接收機的PPK性能是可行的.

3 結束語

本文介紹了采用GNSS信號采集回訪儀檢測GNSS接收機的RTK性能，分析研究信號采集回放儀回放信號的復現性，并與真實衛星導航信號檢測RTK性能進行比較. 經測試分析可知，信號采集回放儀檢測接收機RTK精度的重復性優于1 mm，說明GNSS信號采集回放儀具有較高的復現性. 因其具有較高的復現性，信號采集回放儀可以為研發生產和檢測GNSS接收機或板卡提供穩定性的導航信號，解決由于不同的觀測環境導致接收機性能一致性較差等問題，降低人力物力成本，提升效率. 雖然GNSS信號采集回放儀在采集存儲和回放的過程中會引入噪聲，對GNSS接收機RTK性能檢測有一定的影響，但滿足作為測試用設備的要求. 因此，信號采集回放儀檢測接收機的RTK性能是可行的.