两型GNSS接收机比测及数据处理分析∗

刘备钟斌纪兵

（海军工程大学 武汉 430032）

1 引言

近年来，海洋测绘、大地测量与卫星导航的交集愈渐增多，尤其在软硬件的共享上表现得更加广泛［1］。之前很多试用于卫星导航的系统及设备现在具有很强的通用性。GNSS（Global Navigation Satellite System）接收机作为卫星导航地面站的重要环节［2］，发展得更为快速。接收机从用途上可分为三类，一是主要用于运动载体导航的导航型接收机，可以实时给出载体的位置和速度；二是主要用于精密大地测量和精密工程测量的测地型接收机；三是主要利用GNSS卫星提供高精度时间标准进行授时的授时型接收机［3～4］。接收机按载波频率也可分为单频、双频、多频接收机。本文通过对固定点位置的测定对两种接收设备的性能进行比测，并对位置精度较差的接收机提供一种Loess数据处理方法，用于更精准地找到测定点。

2 各型接收机介绍及实验流程

2.1 实验设备介绍

实验使用两套不同型号的GNSS接收机设备，一型为高精度多系统多星RTK野外成图系统及与之配套的手簿，以下称为多系统型；另一型为北斗/GPS双系统四频高精度接收机，以下称为双系统型。

多系统型系统是际上导航设计生产的新一代高精度、高性能、手持式GNSS hRTK系统。它颠覆了第二代RTK的结构概念，集业内顶尖科技于一身，为用户提供人性化、稳定可靠的高精度动静态实时/事后定位服务，支持大数据量影像数据加载及百兆级矢量数据加载，与市场4大主流GIS平台无缝衔接，可广泛应用于高精度RTK测量、工程施工放样、组建高精度大范围静态控制网以及野外数据采集等作业。

双系统型接收机可为各种GNSS应用提供强大而灵活的解决方案。手簿标配为高灵敏工业级GeoRef K2E，也可以选配高性能户外平板电脑gPad进行组合作业，形成功能强大的专业野外测量系统，在野外即可完成数据的分析处理工作，一站式作业模式将极大提高野外测量的效率［5～7］。

2.2 实验流程

实验采用际上空间eFix R1接收机通过接入湖北省CORS，获取高精度定位数据（主要是经度和纬度），从而为之后接收机的普通单点定位的数据采集和分析提供良好的定位基准。为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，选择的测站上空相对开阔，在 15°高度角以上无成片的障碍物［8］；为减少各种电磁波对GNSS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内无电视塔、微波站、高压输电线等强电磁波干扰设备；为避免或减少多路径效应的发生，测站选择点远离高层建筑、成片水域等对电磁波信号反射强烈的地形、地物。

在满足以上条件后，选好地点，架好实验设备，设好参数，选定观测定位时间为2016年10月13日上午09：00～12：00，采点频率设为1Hz，进行实验。实验3个小时采集10800个碎步点，对数据处理过后确定定位基准，即真值点。调换eFix R1工作模式，选择普通单点定位模式，地点不变，时间为13：00～15：00，采点频率依然设为1Hz，实验2小时采集7200个碎步点。在同一地点架设和芯星通设备，时间为15：30～17：30，采点频率1Hz，实验2小时，由于和芯星通设备不自带手薄，数据直接以NMEA格式存储在电脑中，然后利用NMEA解析协议提取数据中的经纬度高程信息［9］。

3 数据处理及分析

由于多系统型接收机基于CORS差分的RTK测量技术是精度最高的一种技术，所以以接入CORS差分的测量结果为定位基准。利用CORS差分得到的数据取平均值作为基准真值L0，如下：

调换工作模式后利用单点定位得到数据，并将数据导入Excel，求出均值点L1，标准差S1，如下：

用Origin绘制二维散点图如图1所示。

由图1可看出，大部分二维散点分布较均匀，个别坏点落在远离散点簇位置，可以舍弃。由此可看出多系统型接收机单点定位的水平精度较高。与CORS差分定位水平精度相比相差不大。

为对定位精度做一个进一步明确，引入高程精度，可以更直观的看到单点定位的散点位置分布，分别绘制三维散点图及三维表面图如图2、图3所示。

上图可看出，散点在高程上的分布明显不均，离散程度较大，反映出接收机的垂直精度相对较差，误差为米级。

双系统型接收机测量结果以NMEA数据格式得到，利用NMEA协议解析语句对实验数据提取处理，得到经纬度高程数据导入Excel，求出其平均值L2，标准差S2，如下：

同样，用Origin绘制二维散点图如图4所示。

由图4可看出，相对多系统型接收机来说，双系统型所测得的二维散点分布明显不均，即便把坏点舍弃仍呈不规则分布，将经纬度转化成米之后，误差为米级。

同样，引入高程精度后，绘制其三维散点图及三维表面图如图5、图6所示，观察其散点分布情况，依然是离散程度大，分布不均，反映出接收机的垂直精度相对较差，误差为米级。

比测两种接收设备的散点数据，可看出：1）两种设备的垂直精度都不高，只能达到米级水平；2）多系统型接收机相对于双系统型接收机所测得的数据来说，水平精度明显更高，分布更加均匀。

由于求数值平均得到平均点的算法对于不规则、不均匀分布的散点图来说，误差较大，可靠度不高，这里针对双系统型接收机所测得散点数据分布不均的问题，另做数据处理，使得寻找到的测定点更有信服力。

通过分析此二维散点分布可知，不适合最小二乘法线性拟合方法，也没有合适的函数模型可以直接调用拟合。在受到核回归方法散点拟合曲面重构的启发后，可用统计学解决平滑问题中的Loess局部加权回归法对散点进行平滑拟合［10］。

通过拟合后的数据如下：

绘出相应的散点图如图7所示。

由于新的散点图分布较均匀，可将均值近似视为测定值，得到测定值L3。

对比E和N方向上|L0-L2|与|L0-L3|的值，得到：|L0-L2|＞|L0-L3|，说明经过Loess方法处理后精度得到了提升，即验证了Loess局部加权回归法的可行性。

4 结语

采用多系统（包括GPS、BDS、GLONASS等）的多系统接收机水平精度在相同条件下明显高于双系统（GPS+BDS）和芯星通芯片板接收设备。可看出，多系统使可见星数增多，可用星数也随之增多，对提高水平精度有帮助［11～12］。另得到用Loess加权回归平滑法预处理大量无规则散点数据，在E，N两个方向上精度比直接求散点平均值得到的测定精度更为准确。

［1］谢钢.GPS原理与接收机设计［M］.北京：电子工业出版社，2009.

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［4］丛佃伟.北斗卫星导航系统高动态定位性能检定理论与关键技术研究［D］.郑州：信息工程大学，2016：6-15.

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