不同测量型接收机观测数据质量对比分析

张 弘，管庆林,2，樊春明,2

不同测量型接收机观测数据质量对比分析

张 弘1，*管庆林1,2，樊春明1,2

（1.闽江学院地理与海洋学院，福建，福州 350108；2.闽江学院卫星导航与空间信息工程研究院，福建，福州 350108）

针对不同全球定位系统（GNSS）测量型接收机观测数据质量差异问题，基于国内外5款GNSS测量型接收机的实测数据，从数据完整率、载噪比、多路径误差和周跳比指标对各接收机观测数据质量进行评估。实验结果表明：综合数据完整率、载噪比和周跳比看，JAVAD TRE_3接收机数据质量优于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收机。此外，国产司南T300接收机在BDS系统卫星信号处理及北斗信号多路径误差处理方面较其他四款接收机有一定优势。

GNSS；测量型接收机；观测数据；质量评估

0 引言

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）测量型GNSS接收机因能够提供高质量的伪距和载波相位观测数据而被广泛用于大地测量、工程测量等高精度定位领域[1-2]。接收机观测数据的质量和导航卫星的空间几何分布是确保高精度定位的两个重要因素，对测量型接收机的观测数据进行质量评估是高精度定位解算的必要步骤，也是测量型接收机性能评价和运行状态监测的重要手段[3-4]。随着GNSS技术及接收机硬件技术的发展，高精度定位应用领域对接收机数据质量的要求不断提高，然而，国内国际市场上测量型接收机品牌和型号众多。因此，针对不同品牌/型号的测量级接收机观测数据进行质量评估，对高精度应用领域设备选型具有一定意义。

近年来，许多研究人员对GNSS接收机观测数据质量进行了研究和分析。蔡昌盛等人[5]对美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS），俄罗斯全球定位系统（GLObal NAvigation Satellite System, GLONASS）、我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）及欧洲伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite Navigation System，GALILEO)的观测噪声和多路径误差进行了分析，结果表明各系统不同频率的测量噪声范围是5～25 cm，载波相位噪声范围为0.9～1.5 mm。肖秋龙等人[6]就北斗地基增强系统的观测数据质量进行了评估，结果表明91.1%的框架网基准站的数据质量满足建站要求。郭亮亮等人[7]利用国际GNSS监测评估系统（International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS）和多模GNSS实验网（Multi-GNSS Experiment，MGEX）观测数据分析了不同接收机观测数据质量。帅玮祎等人[8]分析了GNSS接收机观测数据质量及常见问题，结果表明北斗接收机观测到的数据各项指标都略差于GPS/GLONASS双模接收机。刘海锋、龚真春、刘备等人[9-11]利用TEQC、QCVIEW32以及RTKLIB软件对GNSS接收机观测数据进行了评估分析，为GNSS接收机数据质量评价提供了有益参考。

GNSS接收机观测量的质量与卫星信号强弱、测量环境及接收机质量有关。鉴于当前市场上测量级接收机的品牌和型号众多，本文基于国内外5个品牌不同型号GNSS测量型接收机的实测数据，从数据完整率、载噪比、多路径误差和周跳比指标对各接收机观测数据质量进行评估，为GNSS测量型接收机数据质量评估及高精度定位领域的接收机选型提供有益参考依据。

1 接收机观测数据评估方法

对测量型接收机观测数据的质量评估指标通常包括观测数据完整率、载噪比、多路径误差和周跳比等指标，通常情况下数据完整率越大，多路径误差越小、周跳比越大时，GNSS接收机观测数据质量越好[12]。其中数据完整率是接收机观测到的卫星实际历元数与理论历元数量的比值，其单频点和单系统观测数据完整率可表示为[12]：

载噪比定义为载波信号功率与噪声功率谱密度之比，单位为dBHz，其计算公式为[12]：

多路径误差定义为由非直达卫星信号引入的测距误差。计算伪距多路径误差时，必须依赖双频观测数据，可采用伪距观测方程和相位观测方程组合，消除对流程和电离层延迟影响后计算得到。在无周跳的多个历元间多路径误差可按公式（4）进行计算[12]。

周跳比指在某时段内，接收机观测数据的实际历元数量与发生周跳历元数据量的比值，周跳比值越小，说明观测数据中周跳越严重[12]。周跳比可联合粗差探测方法、周跳探测方法和接收机钟跳探测方法来确定周跳发生的历元并统计发生周跳历元的数据量，然后根据周跳比定义进行计算。

2 接收机观测数据处理与分析

2.1 观测数据来源

为评估不同GNSS测量型接收机的观测数据质量，选择5款国内外知名品牌的测量型接收机，各款接收机观测数据采集信息见表1。采用开源的RTKLIB和司南导航的Compass软件进行观测数据质量分析，数据分析时高度截止角设置为10°。其中，司南T300接收机观测数据在思南公司楼顶采集，数据采集时间为2021年3月19日，采样间隔为1 s，TRIMBLE、SEPT、JAVAD和LECIA接收机数据从国际GNSS服务（International GNSS Service，IGS）下载，数据采集时间为2021年5月2日，采样间隔为30 s。

表1 各型GNSS测量型接收机的观测数据信息

Table 1 Observation information for different GNSS survey-grade receivers

接收机品牌接收机型号天线型号站点时长 思南导航T300T300思南楼顶1 h TRIMBLENET R9TRM59800GAMB24 h SEPTPOLARX5TRM115000AJAC24 h JAVADTRE3 DELTALEIAR25.R4LEIJ24 h LEICAGR30LEIAR20LATE24 h

2. 2 不同品牌测量型接收机数据质量分析

图1给出5款测量型接收机观测数据的数据完整率、载噪比和多路径误差的对比结果，与之对应的数据质量指标以及周跳比如表2中所示。结合图1和表2可看出，5款接收机观测数据的完整率均优于90%，其中司南T300、SEPT POLARX5、JAVAD TRE_3三款接收机观测数据完整率超过99%，TRIMBLE NETR9接收机在观测数据完整率指标上比其他四款接收机略差。5款接收机L1、L2、L5频段观测数据的载噪比均大于40 dBHz，且L5频段载噪比优于L1和L2频段，其中司南T300、JAVAD TRE_3两款接收机在载噪比指标上略优于SEPT POLARX5和LEICA GR30接收机，此外，LEICA GR30接收机在对多路径误差的处理方面较其他四款接收机有优势。

图1 各型测量型接收机观测数据质量对比

考虑到思南T300接收机观测数据的观测时长和采样间隔和其他四款接收机不一致，主要对其他四款接收机观测数据的周跳比进行分析。在采样率及数据时长相同的四款接收机中，JAVAD TRE_3接收机的周跳比最大，说明在周跳比指标方面JAVAD TRE_3接收机表现较其他三款接收机好。

表2 各型测量型接收机观测数据质量指标统计

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

接收机/%/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 不同系统测量型接收机数据质量对比分析

为分析5款接收机在不同GNSS系统下的观测数据质量，表3给出了5款接收机对GPS、GLONASS、BDS和GALILEO四个全球卫星导航系统观测数据的数据完整率、周跳比以及各GNSS L1、L2、L5频段的载噪比和多路径误差，与之相对应的各指标的对比如图2所示。表3中为了方便表述将GLONASS缩写为GLO，将GALILEO缩写为GAL。其中，5款接收机不支持GLONASS系统L5频段卫星信号接收，TRIMBLE NETR9和JAVAD TRE_3两款接收机暂不支持GPS系统L5频段卫星信号接收，因此，L5频段相应的载噪比和多路径误差并未在表3和图2中呈现。

结合表3和图2的接收机数据质量指标容易看出，5款接收机对GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系统信号的接收和处理能力各不相同。其中，TRIMBLE NETR9接收机的数据完整率指标比其他四款接收机的略差，SEPT POLARX5接收机观测数据在多路径误差指标上优于其他四款接收机。JAVAD TRE_3接收机GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系统观测数据在载噪比和周跳比指标上优于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收机。综合数据完整率、载噪比、多路径误差和周跳比指标看，JAVAD TRE_3接收机的观测数据质量更优。需要特别指出的是，从各GNSS系统的观测数据质量指标来看，司南T300接收机的BDS观测数据质量总体比其他四款接收机的BDS观测数据质量好，说明思南接收机在BDS系统卫星信号处理方面较其他四款接收机具有优势，司南T300接收机的GPS、GLONASS和GALILEO数据质量与其他四款接收机的相当。

表3 5款测量型接收机不同卫星系统观测数据质量指标统计

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

GNSS接收机/%/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

图2 5款测量型接收机不同GNSS观测数据质量指标对比

3 结论与展望

GNSS接收机的数据质量是实现高精度定位的基本条件之一。为探究不同GNSS接收机数据质量的差异，而选取市场上国内外知名的5款测量型接收机，从各接收机观测数据的完整率、各频段的载噪比、多路径误差和周跳比等指标分别对5款测量型接收机观测数据质量进行评估。结果表明：

1）从数据完整率、载噪比、多路径误差和周跳比单个指标来看，不同品牌的测量型接收机各有特色。综合数据完整率、载噪比和周跳比看，JAVAD TRE_3接收机观测数据质量好于TRIMBLE NETR9、SEPT POLARX5和LEICA GR30三款接收机。

2）从不同卫星系统的观测数据质量看，5款接收机对GPS、GLONASS、BDS和GALILEO系统信号的接收和处理能力各不相同。其中国产品牌思南T300接收机的GPS、GLONASS和GALILEO观测数据质量与其他四款接收机相当。

3）国产品牌司南T300接收机的BDS观测数据质量优于其他系统的观测数据质量，表明思南接收机在BDS系统卫星信号处理方面较其他四款接收机具有一定优势。

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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

福建省科技厅创新资金项目(2021C0027)；闽江学院科技项目(MYK21010)

张 弘(1987-)，男，福建福州人，实验师，硕士，主要从事GNSS定位与应用研究(E-mail:522463786@qq.com)；

*管庆林(1986-)，男，云南宣威人，实验师，硕士，主要从事GNSS定位与应用研究(E-mail:cugqlguan1006@163.com).