信号采集回放仪检测全球导航卫星系统接收机RTK性能

洪卫，何浩鹏，彭友志，汪洋舰，宋潇

( 武汉地震计量检定与测量工程研究院有限公司, 武汉 438300 )

0 引言

随着GNSS的建立和完善，GNSS接收机广泛应用于测量、导航和授时等领域，为生产生活提供更加便利的服务，促进社会的发展. GNSS的整体服务质量取决于GNSS接收机的性能，尤其是应用于工程测量或安全监测等场景的高精度测地型GNSS接收机，其性能直接影响人民生命财产安全[1-2]，因此对GNSS接收机的性能检测至关重要.

依据国家规程规范[3]，测地型GNSS接收机的实时动态(real-time kinematic，RTK)性能检测方法是在室外GNSS基线场进行观测，将解算得到的RTK精度以不大于GNSS接收机标称精度作为评判接收机RTK性能是否合格的标准. 采用室外基线场检测方法虽然能反应GNSS接收机的RTK性能，但是易受观测环境的影响. 即使是同一台GNSS接收机，不同时间段测试的结果也不同，主要是因为室外基线场观测点的观测环境如天空卫星分布、多路径和天气状况等因素，影响GNSS接收机的RTK测量结果[4-5].因此室外基线场测量未能科学合理的评估GNSS接收机的RTK性能. 针对以上问题，相关检测机构采用GNSS信号模拟器检测GNSS接收机性能[6-8]. 每次测试使用相同的仿真场景，GNSS接收机的测试结果差异较小. 但是即使是最新型的GNSS信号模拟器也不能完全满足GNSS接收机的检测需求，因为GNSS信号模拟器是基于统计学模型和可预测的场景进行设计，无法评估GNSS接收机在实际环境中的性能，实际场景的复杂程度远远超过应用于GNSS信号模拟器的经验模型，比如准确的模拟遮挡严重和时变的多路径场景是非常困难[9]. 此外GNSS信号模拟器造价昂贵，检测成本较高.

以上方法在检测GNSS接收机RTK性能的过程中，由观测环境等因素造成的重复性差、难以模拟真实场景下的多路径以及成本高等问题，而GNSS信号采集回放仪很好地解决了这些问题. GNSS信号采集回放仪能够采集真实环境下的卫星导航信号，并将采集的信号进行存储，在实验室或无电磁干扰的环境下回放，可以高重复性的重建真实检测场景[10-11]. 本文采用GNSS信号采集回放仪对GNSS接收机的RTK精度进行检测，并与真实环境下检测结果进行对比分析. 研究结果表明：GNSS信号采集回放仪回放的信号具有高重复性及稳定性，采用GNSS信号采集回放仪对GNSS接收机进行检测是可行的，对GNSS接收机的研发生产和检测具有指导意义.

1 检测原理及方法

GNSS信号采集回放仪器在经溯源的标准点位采集卫星信号，卫星信号采集完成后在实验室暗室回放，GNSS接收机进行RTK坐标测量. GNSS接收机在相同点位进行RTK坐标测量. 采用地平站心坐标系计算基线水平和垂直误差如式(1)和式(2)，分析采集回放仪与真实导航卫星信号检测GNSS接收机RTK精度的差异.

式中： δh为基线水平误差，单位为mm； δv为基线垂直误差，单位为mm；N1、E1、U1为在以基线起始点为原点的站心坐标系下的北、东、高方向的基线终点；N0、E0、U0为在以基线起始点为原点的站心坐标系下的北、东、高方向的已知基线终点.

实验采用GNSS接收机、天线和采集回放仪信息如表1所示.

表1 仪器设备信息

1.1 一体式GNSS接收机

一体式GNSS接收机自带贴片天线，当信号采集回放仪信号采集完成后，再利用GNSS接收机进行RTK测量.

1.1.1 空旷环境

在GNSS基线场的2个点位分别架设2台GNSS信号采集回放仪同时采集卫星导航信号，天线型号GPS1000. 将2台采集的信号作为基准站信号和流动站信号，采集时长为20 min，信号采集完成后，2台GNSS接收机(型号H32)放置在与信号采集回放仪相同的点位进行RTK测量，待接收机获得RTK固定解后采集50个测量结果，采集间隔为1 s，按式(1)和(2)计算基线误差.

GNSS信号采集回放仪的基准站信号和流动站信号在实验室2个暗室回放存储的GNSS信号，2台GNSS接收机放置于暗室，待GNSS接收机获取RTK固定解后，获取50个RTK测量结果作为一组，采样间隔为1 s，采集完成后按式(1)和(2)计算水平和垂直误差，均方根(root mean square，RMS)值作为RTK精度. 按照此方式重复测量10次，组内获取RTK坐标的时刻相同.

1.1.2 部分遮挡环境

部分遮挡环境下，由于严重的多路径会导致实验室信号回放中，GNSS接收机无法锁定卫星，因此采用Leica AR25扼流圈天线以提升信号的采集质量.除了GNSS接收机和信号采集回放仪的采集天线不同，其他仪器设备和测试过程与空旷环境一致.

1.2 分体式GNSS接收机

实验采用千寻位置网络科技有限公司生产的MR02接收机和GPS1000天线. 为充分分析接收机性能的变化，分体式GNSS接收机采用事后差分处理(post processed kinematic，PPK)技术. GNSS信号采集回放仪和GNSS接收机通过功分器连接至GPS1000天线，保证GNSS接收机的观测时刻与GNSS信号采集回放仪采集信号的时刻保持一致，仪器连接示意图如图1所示. 1台GNSS接收机和采集回放仪作为基准站放置于基线场标准点位上，另外一台接收机和采集回放仪作为流动站放置于基线场另外标准点位上，测量时间为20 min.

图1 GNSS接收机与信号采集回放仪连接示意图

待信号采集完成后，在实验室微波暗室内回放采集的信号，2台接收机放置于微波暗室进行观测. 测试完成后，获取在接收机真实卫星导航信号和信号采集回访仪观测方法的原始观测文件，统计相同时间段15 min的基线结果.

2 实验结果及分析

2.1 一体式接收机

2.1.1 空旷环境

利用信号采集回放仪和真实卫星导航信号对GNSS接收机进行RTK测试，计算10组测试结果的RTK精度以及组间的重复性，并与真实卫星导航信号测试结果进行对比分析，结果如表2和图2～3所示. 由表2可知，信号采集回放仪检测接收机的RTK水平精度重复性为0.46×10-3m，垂直精度为0.78×10-3m，说明GNSS信号采集回放仪每次回放的信号具有较高的复现性.

图2 RTK水平测试结果

图3 RTK垂直测试结果

表2 基线水平方向和垂直方向精度×10-3 m

由表2可知，与真实导航卫星信号检测接收机得到的RTK精度相比，信号采集回放仪检测得到的接收机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. 从图2～3也可发现信号采集回放仪对接收机进行RTK测试时，解算得到的基线比真实卫星导航信号的基线结果波动大. 造成基线波动偏大的原因，一方面是信号采集回放仪在存储或者回放信号阶段引入噪声误差，另一方面是信号采集回放仪采集信号的时间与真实导航信号测试的时间不一致，观测点位的观测环境发生了变化(卫星分布以及多路径效应等)，导致信号采集回放仪检测接收机的RTK结果比真实导航卫星信号检测结果偏大. 但是由噪声等因素引起的RTK精度误差小于接收机RTK标称精度的1/3，中海达H32接收机平面方向标称精度为±(8 mm+1×10-6×D)，高程精度为±(15 mm+1×10-6×D)，其中D为4.73 m. 因此信号采集回放仪对接收机的RTK性能检测是可行的.

2.1.2 部分遮挡环境

在遮挡环境下，信号采集回放仪和真实卫星导航信号对GNSS接收机进行RTK测试，计算3组RTK精度以及重复性，并与真实卫星导航信号测试结果进行对比分析，结果如表3和图4所示. 从表3可知，信号采集回放仪检测接收机的RTK水平精度重复性为0.9×10-3m，说明GNSS信号采集回放仪每次回放的信号具有较高的复现性.

图4 RTK水平测试结果

表3 基线水平方向精度×10-3 m

由表3可知，与真实导航卫星信号检测接收机得到的RTK精度相比，信号采集回放仪检测得到的接收机RTK水平精度稍大，水平方向偏大约0.29×10-3～1.91×10-3m. 从图4也可发现，信号采集回放仪对接收机进行RTK测试时，水平基线比真实卫星导航信号的水平基线偏大，造成基线误差偏大的原因与空旷环境下相同，但是采集回放仪引入的误差未超出接收机标称精度的1/3，极点接收机平面方向标称精度为±(8 mm+1×10-6×D)，其中D为504 m. 此外，与空旷环境相比，在遮挡环境下，水平误差偏大，说明观测点环境对RTK测量的影响不可忽略. 因此在遮挡环境下，信号采集回放仪对接收机的水平RTK性能检测是可行的.

2.2 分体式接收机

GNSS信号采集回放仪与真实导航卫星信号检测GNSS接收机的PPK性能结果，统计基线精度如表4所示，600个10 min基线值如图5～8所示.

图5 水平基线(#9～#3)

图7 垂直基线(#9～#3)

图8 垂直基线(#9～#4)

表4 水平和垂直方向基线精度 ×10-3 m

由表4可知，与真实导航卫星信号检测接收机的PPK精度相比，GNSS信号采集回放仪在#3号点和#4号点检测接收机的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. 从图5～8可发现，信号采集回放仪与真实导航卫星信号检测接收机得到的基线变化波动趋势大体相同，由此说明信号采集回放仪采集的信号与真实导航信号的一致性较好. 但是，信号采集回放仪检测接收机得到的基线比真实导航卫星信号检测接收机得到的基线偏大. 说明GNSS信号采集回放仪在采集或回放信号阶段引入了误差，导致结果偏大的原因是GNSS信号采集回放仪和功分器引入的噪声. 但是GNSS信号采集回放仪测试PPK精度由噪声引入的误差小于GNSS接收机标称RTK精度的1/3. 千寻位置MR02接收机平面方向标称精度为±(10 mm+1×10-6×D)，高程精度为±(20 mm+1×10-6×D)，其中D为测点间的距离. 因此信号采集回放仪检测接收机的PPK性能是可行的.

3 结束语

本文介绍了采用GNSS信号采集回访仪检测GNSS接收机的RTK性能，分析研究信号采集回放仪回放信号的复现性，并与真实卫星导航信号检测RTK性能进行比较. 经测试分析可知，信号采集回放仪检测接收机RTK精度的重复性优于1 mm，说明GNSS信号采集回放仪具有较高的复现性. 因其具有较高的复现性，信号采集回放仪可以为研发生产和检测GNSS接收机或板卡提供稳定性的导航信号，解决由于不同的观测环境导致接收机性能一致性较差等问题，降低人力物力成本，提升效率. 虽然GNSS信号采集回放仪在采集存储和回放的过程中会引入噪声，对GNSS接收机RTK性能检测有一定的影响，但满足作为测试用设备的要求. 因此，信号采集回放仪检测接收机的RTK性能是可行的.