面向大众的GNSS接收机精度对比试验研究

张婷

摘  要：由于测量级GNSS接收机相对比较昂贵，且地面基站和移动站体积大、携带不方便等原因，使得商用GNSS测量系统的使用人群仅限于部分专业测量人员，难以在大众市场普及。针对无人机、机器制导、精密农业等众多领域对高精度定位需求的增加，本文探讨成熟的低成本载波相位GNSS定位系统在实际应用中的可能性。通过对U-BLOX的LEA-6T和NEO-M8T两款低成本OEM型GNSS接收机进行不同基线、不同时段下的静态观测和精度分析，结果表明这两台低成本GNSS测量系统能够达到厘米级定位精度，满足测量工作和GIS应用的需求，是测量级GNSS接收机中经济适用的选择。

关键词：GNSS  低成本  GNSS接收机  静态测量系统  差分GNSS

中图分类号：P228.4                           文献标识码：A                    文章编号：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，全球导航卫星系统（GNSS）的定位精度已从米级提高到厘米级，并且受到天气和气候因素的影响较小[1]。GNSS强大的定位能力和高质量的定位精度使它越来越多地用于民用和军事应用。GNSS定位有两种方法：单点定位和差分定位。单点定位是一种根据接收器的观测数据确定接收器位置的定位方法。由于只能使用伪距测量，因此单点定位方法主要适用于不需要高精度的任务。为了满足最高精度要求，测量级GNSS接收机最近添加了用于差分定位的载波相位测量。但是，测量级GNSS接收机相对昂贵，价格通常在几万元到几十万元之间[2]。

近年来，OEM低成本GNSS接收器（板）已在现实生活中被广泛使用。这种类型的电路板可以产生载波相位，这对于测量接收机来说是一個不错的选择，而且这种廉价的单频接收机价格低廉，只需几百元人民币，用户可以接受。在静态测量和动态测量中，国内外学者都使用该板进行了大量的实验并取得了一系列的成果[2]。

这项研究的目的是测试实际应用中成熟、低成本的载波相位GNSS定位系统的可能性。研究的主要课题是两种不同型号的U-BLOX OEM型GNSS接收机：LEA-6T和NEO-M8T[2]。

1  低成本定位系统——LEA-6T

使用LEA-6T模块作为接收机的定位系统，如图1所示，其主要组成部件包括如下。

（1）LEA-6T OEM板：LEA-6T有几大特点分别是实时时钟、PPS时间输出、非易失性存储器、差分GPS功能、伪距和相位原始数据输出、L1码相位和载波相位等。这种单频接收机拥有12条平行通道接收来自卫星的信号，更新速率达到1Hz。接收机芯片的尺寸17.0mm×22.4mm×24mm，重2.6g[2]。

（2）用于数据收集的数据接收软件和个人计算机：由于接收器本身没有存储和存储功能，因此必须将LEA-6T模块连接到数据收集器（通常是个人计算机）通过串口[3]。因此，配备有数据采集软件的个人计算机可以通过串行端口连接到LEA-6T板上，以获得实时数据（包括伪距和载波相位数据）。要使用的数据采集软件是U-center。该软件可以加载历书信息、位置、时间，下载历书和相位信息。U-center接收到的数据具有其自己的格式，必须先转换为通用RINEX格式，然后才能被其他GNSS数据处理软件识别[4]。像U-BLOX数据转换软件一样，RTKCOVN可以通过在Windows系统个人计算机上运行，选择输入文件和输出路径[5]来完成数据格式转换。

（3）天线低频或单频测量天线或低成本通用天线。

（4）电源电源：连接每个组件后，如果要使用openlog记录数据，则需要提供5V电源。

（5）接口数据/电力传输接口：GPS模块上有两个串行数据输出端口，一个输出相位信息，另一个输出NMEA协议格式的数据。波特率可以选择1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等[6]。

2  低成本定位系統——NEO-M8T

在此测试中，另一款NEO-M8T OEM GPS接收器是新一代U-BLOX产品。它不仅可以快速搜索恒星，而且还拥有许多卫星，还支持北斗，GLONASS和具有多个星座的GPS。

使用NEO-M8T观测期间的部分实时数据信息（卫星的数量和状态）。同时记录原始观测数据（伪距和相位数据）。

U-center软件可以获取多种信息，例如：位置信息窗口以图形形式实时显示GPS卫星的基本信息、实时精度、接收器位置、演示速度演示水平和垂直高度、经纬度的概率、UTC时间、DGPS状态、用于定位的可见星星数量、HDOP、VDOP、PDOP、TDOP。“天空地图”窗口显示有关卫星信号强度以及星座之间关系的特定信息。此外，该软件还具有用于终端程序指令的输入窗口，该窗口可以将用户预设信息发送到接收器。您还可以调整个人设置、反馈等。

3  静态定位试验

用两个不同型号的低成本高精度GNSS测量系统展开3组静态测量。为了验证测试系统的定位精度和性能，研究对不同长度的基线分别进行不同时间的观测。

（1）第一组基线长度为5km，基准站记为1号点。基准站天线和移动站天线均架设在坐标已知的控制点上，且四周开阔无遮挡。两组静态观测时间分别为30min和2h。

解算结果显示该GNSS测量系统收敛速度快，固定所需时间短。固定率达到99.8%，同时得到E-W、N-S、U-D方向的RMS（均方根误差）值分别为0.62cm、0.83cm、0.95cm。进一步将移动站天线位置坐标解算结果与已知坐标进行比较。

解算结果如表1所示。

结果表明在基线距离5km条件下，定位精度优于2cm。

（2）第二组基线长度10km，基准站记为2号点，坐标已知。对两组接收机分别进行30min和2h的静态观测。

在基线距离10km的情况下，整体定位精度仍能达到2cm，收敛时间稍有延长但是仍能快速固定。固定率为93.4%，E-W方向的RMS值为4.8cm，N-S方向的RMS值为5.2cm，U-D方向的RMS值为8.9cm。各观测时段的解算结果如表2所示。

对比发现，X、Y方向的定位精度在3cm以内，高程精度在5cm以内。

（3）第三组基线长度50km，当基线长度扩大到50km，收敛时间增加到5min，固定之后的精度范围在5cm以内。总体固定率为89.2%，E-W、N-S、U-D三个方向的RMS值分别为3.2cm、9.3cm、13.3cm。当基线达到50km，X、Y、Z三个方向的定位精度仍能达到5cm，能满足工程测量的要求。

4  结语

通过对多组试验数据的分析发现该定位系统可以达到厘米级的定位精度。在实际测量中基线长度一般不会要求太长，这种低成本的GNSS定位系统也正适用于短基线的测量定位任务。同时试验表明该定位系统确实大大降低了测量任务的成本。因此，可将该模块做为经济适用且高精度的大地测量型GPS接收机。

参考文献

[1] 孟小芳.一种用于监测型GNSS接收机的定位精度测试设备研究[J].现代测绘，2019（11）：53-55.

[2] 杨锐波. 面向城市测量的低成本高精度GNSS静态测量系统设计与实现[J]. 科技资讯， 2017（7）：14-16.

[3] 孙景领.不同型号GNSS接收机RTK测量精度分析[J].地理空间信息， 2019（10）：93-95.

[4] 赵正扬.低成本双模GNSS/SINS紧组合车载导航系统设计[D].南京：东南大学，2018.

[5] 董蒙蒙.低成本MEMS-IMU/GNSS组合导航算法研究[D].南京：江苏师范大学，2018.

[6] 邹晓军.矢量GNSS接收机自主完好性监控性能研究[J].电子与信息学报，2019（8）：1966-1973.