高铁控制网中多频多模接收机测量性能研究

胡锦民

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

2020年，中国北斗导航系统完成了全球组网，正式对全球提供服务[1-2]，随着GNSS行业发展，未来全球各卫星系统计划中，GNSS卫星总量将超过100颗[3-4]，可在地球动力学[5]、精密定位[6]、地震监测[7]、水汽探测[8]等领域发挥重要作用。

截至2021年末，我国高铁营业里程突破了4万km[9]，定期开展控制网的复测是保证控制网精度、控制点稳定可靠的必要工作[10-11]，运用北斗高精度定位技术对一高速铁路的桥梁段、路基段沉降变形进行了现场监测试验，研究该技术用于高速铁路基础设施沉降变形监测的精度和可靠性[12]。目前，已有大量研究证明GNSS多系统基线解算的优越性[13]，但少有针对高铁测量的应用研究[14-15]。目前，国内静态控制测量设备仍高度依赖国外厂商，GNSS测量设备国产化的需求十分紧迫，而接收机性能指标与测量结果质量息息相关，吴太旗等提出了一套GNSS接收机静态和动态批量测试方法，可解决无GNSS检定场下的接收机自主评估问题[16]；李娟娟等着重从观测数据质量、接收机内部噪声的角度评价了接收机性能[17]。但当前鲜有针对铁路应用场景的接收机性能分析。

利用某高铁CPⅠ、CPⅡ控制网，对自研测地型接收机、国外T品牌和L品牌接收机进行数据质量分析和对比，以证明观测数据的可靠性，并使用自研接收机的GPS/BDS/GLONASS多系统数据分析CPⅠ/CPⅡ控制测量的基线精度，探讨自研接收机的可靠性和BDS/GNSS多系统控制测量的可行性。

2 自研测地型GNSS接收机

自研四星全频测地型接收机(以下称为C品牌接收机)配备HG-GOYP8201四星八频无源天线，其部分参数如下。

(1)功能性指标

IP68级防水防尘，功耗低于3 W，最高刷新频率100 Hz，9～36 V DC宽压供电，全网通3G/4G，内置电池3 000 mAh，工作温度-40 ℃～+85 ℃。

(2)卫星跟踪频率

GPS:L1C/A，L1C，L1PY，L2C，L2P，L5；GLONASS:L1CA，L2CA，L2P，L3 CDMA；Beidou:B1I，B1C，B2a，B2I，B3；Galileo:E1，E5a，E5b，E5 AltBoc，E6；QZSS:L1C/A，L1C，L2C，L5，L6。

(3)标称定位精度

单点定位精度：平面为±1.5 m，高程为±2.0 m；RTK定位精度：平面为±1.0 cm+1 ppm×D，高程为±2.0 cm+1 ppm×D；静态定位精度：平面为±2.5 mm+0.5 ppm×D，高程为±5 mm+0.5 ppm×D。其中，D为基线边长。

T品牌与L品牌接收机均具有GPS/GLONASS/Galileo/BDS多系统三频观测能力，其中，T品牌接收机静态定位精度：平面为±5 mm+0.5 ppm×D，高程为±5 mm+1 ppm×D；L品牌接收机的平面与高程静态定位精度均为±5 mm+0.5 ppm×D。

3 测试方案与技术要求

3.1 测试方案

选取某高铁连续100 km区域的沿线CPⅠ、CPⅡ控制点，利用T品牌、L品牌和C品牌接收机(各6台)进行静态测量，3种接收机均保持相同网形和测量时段数，CPⅠ与CPⅡ的控制网网形分别见图1、图2。

图1 某高铁CPⅠ控制网网形

图2 某高铁CPⅡ控制网网形

(1)CPⅠ静态测量

CPⅠ控制网包含29个CPⅠ控制点，沿线联测3个国家点，构建49条独立基线和18个最小独立环，所有接收机的卫星高度角设置为15°，采样间隔为15 s，每个站点观测时段数为2，时段长为90 min。使用5种方案进行测试。

方案一：T+L品牌接收机GPS测量；方案二：C品牌接收机GPS测量；方案三：C品牌接收机BDS测量；方案四：C品牌接收机GPS+BDS测量；方案五：C品牌接收机GPS+BDS+GLONASS测量。

(2)CPⅡ静态测量

采用两段CPⅡ网进行测试，其中控制网1长约21 km，包含6个CPⅠ控制点和22个CPⅡ控制点，构建独立基线41条、最小独立环14个，同时采用T品牌和C品牌接收机进行观测；控制网2长约25 km，包含7个CPⅠ控制点和30个CPⅡ控制点，构建独立基线54条、最小独立环18个，同时采用L品牌和C品牌接收机进行观测。所有接收机的卫星高度角设置为15°，采样间隔为15 s，每个站点观测时段数为1，时段长60 min，延长观测5 min。使用与CPⅠ网相同的5种方案进行测试。

3.2 技术要求

对各方案测量的CPⅠ、CPⅡ基线进行预处理，各指标应符合表1的要求。

表1 基线质量检验限差

CPⅠ控制点相对定位精度≤10 mm，基线边方向中误差≤1.3″，最弱边相对中误差小于1/180 000；CPⅡ控制点相对定位精度≤8 mm，基线边方向中误差≤1.7″，最弱边相对中误差小于1/100 000。其他技术要求按照《高速铁路工程测量规范》执行。

4 数据质量分析

采用TEQC软件，对3个品牌接收机重复测量点位的观测数据进行质量检测，分析其L1、L2频率上的多路径效应mp1、mp2和周跳比o/slps。

4.1 T品牌与C品牌接收机对比

对T品牌接收机与C品牌接收机分别分析144个时段数据，平均时长约1.45 h，各指标数量分布见图3。

图3 T品牌与C品牌接收机的数据质量分析

由图3可知，C品牌接收机的mp1和mp2值整体分布范围更小，o/slps值整体分布更大，且C品牌接收机的3项数据质量指标分布更为集中，说明受多路径效应和周跳影响更小且更稳定。

选取本次测试观测环境较差的5个点位，2种接收机的数据质量分析结果见表2。

表2 T品牌与C品牌接收机在5个观测环境较差点位的观测数据质量分析

由表2可知，在5个观测条件差的点位，C品牌接收机的各个指标均优于T品牌接收机，体现出C品牌接收机在较差观测环境下良好的抗干扰性。

T品牌接收机与C品牌接收机的mp1、mp2与o/slps的均值、最大值与最小值统计见表3，由表3可知，C品牌接收机各数据质量参数的各项统计指标均优于T品牌接收机，表明前者的数据稳定性和综合质量都更好。相较于T品牌接收机，C品牌接收机的mp1、mp2、o/slps指标平均提升28%、17%、35%。

表3 T品牌与C品牌接收机数据质量分析指标统计

4.2 L品牌与C品牌接收机对比

对L品牌与C品牌接收机100个时段数据进行分析，平均时长约1.65 h，两种接收机的mp1、mp2、周跳比o/slps数量分布见图4。

图4 L品牌与C品牌接收机的数据质量分析

由图4可知，C品牌接收机的mp1、mp2和o/slps值整体分布范围更集中，基本没有出现“飞点”，且周跳比o/slps值的分布远高于L品牌接收机，可见C品牌接收机克服多路径效应和周跳影响的能力更优。

L品牌接收机与C品牌接收机的各数据质量参数的均值、最大值与最小值统计见表4。由表4可知，C品牌接收机的mp1、mp2和o/slps的各项统计指标都优于L品牌。相较于L品牌接收机，C品牌接收机的mp1、mp2、o/slps指标平均提升16.5%、4.1%、94%，其周跳影响优于前者。

表4 L品牌与C品牌接收机数据质量分析指标统计

综合以上对比和分析，C品牌接收机的多路径效应影响值mp1和mp2的平均值和稳定性均好于T品牌和L品牌，其受周跳的影响也明显更小。对于在GNSS控制测量中对精度影响最大的多路径和周跳，C品牌接收机有很好的控制能力。

5 实例分析

5.1 同一接收机不同时段重复基线分析

按照四边形环边连接的原则构建49条独立基线，对每条基线选取2条不同时段的重复基线，即各方案得出49条基线较差数据。对CPⅠ测量中5种方案不同时段的复测基线较差进行检查，可得5种方案所有复测基线在X、Y、Z分量和全长限差均符合要求。

各方案同一接收机不同时段基线的X、Y、Z分量和全长S的较差序列见图5，由图5可知，5种方案均不超限，且保持着较好的一致性，与方案一相比，方案二的稳定性更好。

统计5种方案不同时段基线的X、Y、Z分量和全长较差的最大值、均值、均方根和标准差，结果见表5。

表5 同一接收机不同时段重复基线较差统计 mm

由表5可得出如下结论。

(1)T+L品牌接收机GPS解算的X、Y、Z分量和基线长S的误差均方根分别为5.6，5.2，7.7 mm和10.8 mm，而C品牌接收机分别为5.2，4.7，6.2 mm和9.4 mm，可见C品牌接收机的GPS基线测量精度等级与T+L品牌接收机相同，但在各方向上精度都有一定的优势。

(2)C品牌接收机BDS解算的不同时段复测基线X、Y、Z分量和基线长S的较差均方根分别为8.3，6.4，6.5 mm和12.3 mm，相较于T+L品牌接收机GPS解算和C品牌接收机GPS解算的误差均方根，精度在一个量级上，但略低于方案一和方案二。不同时段重复基线X、Y、Z分量的平均限差为32.2 mm，全长S的平均限差为55.8 mm，因此C品牌接收机BDS基线解算误差均方根远高于平均限差要求，初步印证了C品牌接收机BDS解算的精度比较可靠。

(3)C品牌接收机GPS+BDS解算的不同时段复测基线X、Y、Z分量和基线长S的较差在最大值、均值、均方根和标准差上均优于C品牌接收机单GPS解算和C品牌接收机单BDS解算，也优于T+L品牌接收机GPS解算。

(4)C品牌接收机GPS+GLONASS+BDS解算的不同时段复测基线X、Y、Z分量和基线长S的较差均方根分别为4.62，4.21，4.80 mm和7.88 mm，在最大值、均值和标准差上均优于方案一、二、三、四，各方向的精度和稳定性皆为最佳。

5.2 不同接收机重复基线分析

采用两种比较方式，方式一：C品牌接收机GPS解算与T+L品牌接收机GPS解算的基线较差；方式二：C品牌接收机BDS解算与T+L品牌接收机GPS解算的基线较差。每种方式各解算出200条基线较差。

两种比较方式的X、Y、Z分量和全长S的基线较差序列分布见图6，可见所有较差均满足限差要求，两种方式较差的大小范围基本一致。

图6 CPⅠ不同接收机各比较方式的X、Y、Z、S较差序列

所有重复基线的X、Y、Z分量及基线长度S的较差均满足《高速铁路工程测量规范》的二等GPS测量限差要求，对所有重复基线的X、Y、Z分量及基线长度S的最大值、均值、均方根和标准差进行统计，见表6。

表6 C品牌接收机GPS/BDS测量与T+L品牌接收机GPS测量的CPⅠ重复基线较差 mm

相较于T+L品牌接收机GPS解算的基线，C品牌接收机GPS解算的重复基线较差X、Y、Z分量和全长S的误差均方根分别为6.1，5.4，7.4 mm和11.0 mm，而C品牌接收机BDS解算的重复基线较差均方根分别为7.3，7.3，8.0 mm和13.0 mm。X、Y、Z分量的平均限差为31.79 mm，全长S的平均限差为55.06 mm，因此C品牌接收机GPS基线解算与T+L品牌接收机GPS基线解算的重复基线符合较好，两者的较差远高于限差要求。

通过以上分析，相较于T+L品牌接收机GPS基线解算，C品牌接收机GPS/BDS基线解算在不同时段的基线较差和不同接收机重复基线的较差上，均具有较好精度，解算结果可靠。

5.3 CPⅠ最小独立环闭合差分析

对CPⅠ测量5种方案的18个最小独立环的X、Y、Z分量闭合差和环长度S闭合差进行检查，各方案最小独立环闭合差的基线较差序列见图7，可见5种方案均不超限，且保持着较好的一致性，与方案一相比，方案二的稳定性良好。

各方案最小独立环各分量的最大值、均值、误差的均方根和标准差进行统计见表7。

表7 最小独立环各分量最大值、均值、误差均方根和标准差统计 mm

由表7可知，C品牌接收机解算的基线最小独立环闭合差中，各解算方式的精度大致排序为(GPS+GLONASS+BDS)>(GPS+BDS)>GPS>BDS。

5.4 CPⅡ同一接收机不同时段重复基线分析

对CPⅡ测量各方案不同时段的复测基线进行检查，各得出16条基线较差数据，5种方案的不同时段复测基线的X、Y、Z分量和全长限差均符合要求。

各方案同一接收机不同时段基线的X、Y、Z分量和全长S的较差序列见图8，由图8可知，5种方案均不超限，且具有较好的一致性，与方案一相比，方案二的稳定性略优。

图8 CPⅡ五种方案同一接收机不同时段X、Y、Z、S较差序列

统计5种方案不同时段基线的X、Y、Z分量和全长较差的最大值、均值、均方根和标准差，见表8。

表8 不同时段基线X、Y、Z分量和全长较差最大值、均值、均方根和标准差统计 mm

由表8可以得出如下结论。

(1)T+L品牌接收机GPS解算的X、Y、Z分量和基线长S的误差均方根分别为4.3，5.3，4.5 mm和8.2 mm，而C品牌接收机GPS解算的分别为4.8，5.1，2.8 mm和7.5 mm，可见C品牌接收机GPS测量基线与T+L品牌接收机GPS解算保持同等级的精度。

(2)C品牌接收机BDS解算的不同时段复测基线X、Y、Z分量和基线长S的较差均方根分别为5.5，3.9，3.5 mm和7.6 mm，相比于T+L品牌接收机GPS解算和C品牌接收机GPS解算的误差均方根，精度在一个量级上，各分量和全长的精度均为mm级。

(3)C品牌接收机GPS+GLONASS+BDS解算的不同时段复测基线X、Y、Z分量和基线长S的较差均方根分别为4.6，4.8，3.1 mm和7.3 mm，其各方向的精度和稳定性都最好。

5.5 CPⅡ不同接收机重复基线分析

采用4种比较方式：(A)C品牌接收机GPS对比T品牌接收机GPS；(B)C品牌接收机GPS对比L品牌接收机GPS；(C)C品牌接收机BDS对比T品牌接收机GPS；(D)C品牌接收机BDS对比L品牌接收机GPS，以分析不同接收机的重复基线较差。

4种比较方式X、Y、Z分量和全长S的较差序列见图9。可见各种比较方案各方向的基线较差都满足限差要求，各基线较差分布都有较好的一致性。

图9 CPⅡ不同接收机4种比较方式X、Y、Z、S较差序列

4种对比方式重复基线较差的最大值、均值、均方根和标准差统计见表9。

由表9可知，C品牌接收机GPS/BDS测量的基线与T/L品牌接收机测量的基线差异较为一致，均方根在X、Y、Z方向为4～6 mm，基线长S为9～11 mm。由此可见，C品牌接收机采用GPS/BDS测量的CPⅡ级基线与T/L品牌接收机GPS解算的重复基线符合较好。

表9 C品牌接收机与T、L品牌接收机CPⅡ重复基线较差 mm

5.6 CPⅡ最小独立环闭合差分析

对CPⅡ测量5种方案的32个最小独立环的X、Y、Z分量和环长度S闭合差进行检查，全部符合限差要求。各方案最小独立环闭合差的基线较差序列见图10，可见5种方案均不超限，且具有较好的一致性。

图10 CPⅡ五种方案最小独立闭合环X、Y、Z、S较差序列

5种方案最小独立环的X、Y、Z分量和全长较差的最大值、均值、均方根和标准差，结果见表10。

表10 最小独立环X、Y、Z分量和全长较差最大值、均值、均方根和标准差统计 mm

由表10可知，T+L品牌接收机GPS与C品牌接收机GPS基线解算的闭合差在X、Y、Z、S方向上差异均较小，可认为精度一致。5种方案中，采用C品牌接收机进行GPS+GLONASS+BDS三系统组合基线解算，最小独立闭合环误差最小，其X、Y、Z、S方向上的均方根分别为3.3,3.5,2.2 mm和5.3 mm。

6 结论

依托某高铁CPⅠ和CPⅡ控制网，使用自研、T品牌和L品牌接收机进行控制测量，从数据质量和基线解算精度方面探讨自研接收机的可靠性和BDS/GNSS多系统控制测量的可行性，得到以下结论。

(1)在3种品牌接收机中，C品牌接收机的数据质量平均值和稳定性最优。相比T品牌接收机，C品牌接收机的mp1、mp2、o/slps指标平均提升28%、17%、35%；相比L品牌接收机，3项指标平均提升16.5%、4.1%、94%。在较差观测环境下，C品牌接收机的数据质量优势明显。

(2)C品牌接收机采用GPS观测数据的基线解算在同一接收机不同时段基线较差、与T品牌和L品牌接收机的基线较差、最小独立闭合环误差上基本等同于T+L品牌接收机，其CPⅠ和CPⅡ级控制测量满足《高速铁路工程测量规范》的要求，可认为C品牌接收机精度可靠。

(3)本次试验中，CPⅠ基线平均长5 650 m，CPⅡ基线平均长700 m，而C品牌接收机的CPⅠ与CPⅡ基线测量较差在同一量级上，体现出其对中短基线良好的适用性。

(4)C品牌接收机BDS测量的各项误差指标满足《高速铁路工程测量规范》中规定的CPⅠ、CPⅡ级GPS测量精度要求；相较于各品牌接收机单GPS或单BDS解算，C品牌接收机GPS+GLONASS+BDS组合的多系统数据处理方式精度最高。