《GNSS RTK接收機精度評定方法分析》4700字

GNSSRTK接收機精度評定方法分析綜述1.1“ISO17123-8”lS017123-8的這一部分描述了兩種不同的現(xiàn)場程序，即簡化的測試程序和完整的測試程序，分別在1.1.1和1.1.2中進行介紹。本課題的研究對兩種方法都進行了介紹。其外業(yè)技術(shù)路線如圖1.1所示圖1.1外業(yè)RTK采集流程內(nèi)業(yè)技術(shù)路線主要從簡單測試程序和完整測試程序兩方面入手，其均能對GNSSRTK進行精度評定，只不過完整測試程序更加全面，是多數(shù)據(jù)量之間的聯(lián)合處理，可靠性更高。簡單測試只需要計算單個序列的水平距離偏差和高差偏差即可進行比對；完整測試則需要計算整個實驗的標準差，然后將實驗標準差和標稱標準差進行對比的假設(shè)性檢驗，同時還要對影響儀器精度的其他不確定性因素進行分析，得到綜合不確定度。內(nèi)業(yè)技術(shù)路線如圖1.2所示，圖1.2“ISO17123-8”數(shù)據(jù)處理流程1.1.1簡化測試程序簡化測試程序：測量數(shù)量較少無法得到顯著的標準差。此部分不開展統(tǒng)計檢驗的工作。簡化測試程序的數(shù)據(jù)只需要一個序列，一個序列的測量由流動站1和流動站2連續(xù)測量的5組數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)采集、整理后，每個測量值直接與給定的標稱值進行比較，以便檢測出任何有嚴重誤差的測量值。分別對每個序列i（i=1、2、3）中的每一組j（j=1、2、3、4、5），計算兩流動站點之間的水平距離和高度差。需要注意的是，這些計算必須是針對于同一個序列而言：（1）式中：xi，j，k、yi，j，k及hi，j，k分別為序列i中流動站點k對應(yīng)的組號j中坐標x、y和h測量值。Ｄi，j、Δｈi，j分別為兩個流動站之間水平距離和高差；Ｄ＊、ｈ＊分別為兩個流動站之間水平距離與高差的參考值；εＤi，j、εｈi，j分別為水平距離及高差與參考值的差值。通過式（1）的計算，有如下比較：（2）式中：sxy、sh的具體值可以是根據(jù)完整檢定獲得的，也可以由儀器制造商提供。如果計算結(jié)果有任何偏差不能滿足公式（2）兩個條件中的任何一個，則懷疑在相應(yīng)的測量中包含了一個或多個離群點；需要重復(fù)測試程序。1.1.2完整測試程序完整測試程序可以確定設(shè)備使用中最佳可達到的精度測量。整個測試過程包括三個序列的測量，即完整測試的數(shù)據(jù)量由３個簡化測試的數(shù)據(jù)量組成。每個序列中的測量順序與簡化測試的情況相同。相鄰的序列數(shù)據(jù)組起始時間至少需要相隔一個半小時。完整測試處理步驟如下：（1）計算相關(guān)數(shù)據(jù)量首先對所有序列的總體測量值進行最小二乘法平差，獲得每個流動站坐標x，y，h的估計值：（3）然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)和式（4）的結(jié)果計算x，y和h的殘差r為：（4）計算殘差平方和為（5）vx、vy、vh是流動站坐標x，y，h對應(yīng)的自由度為，其計算公式為（6）式中：i為序列號；j為組號；p為流動站數(shù)量最后，x，y和h單次測量的實驗標準偏差為（7）綜上，平面位置（x，y）的實驗標準差sxy為（8）平面位置的標準不確定度uISOGNSS?-RTK-xy為：（9）高差的標準不確定uISOGNSS?-RTK-h為：（10）（2）統(tǒng)計檢驗問題的提出采用統(tǒng)計檢驗是為了確定來自實驗的樣本與給出理論標準差的樣本是否屬于同一總體，以及確定來自不同實驗的兩個樣本是否屬于同一總體。即為了解釋測量結(jié)果，對在測量值相對應(yīng)自由度下得到的實驗標準差ｓｘｙ和ｓｈ進行統(tǒng)計檢驗，回答下列問題：①通過計算單次實驗值，判斷得到（x，y）的sxy是否不大于其他方法測定的或儀器制造商提供的σxy？②通過計算單次實驗值，判斷得到高差的sh是否不大于其他方法測定的或儀器制造商提供的σh？③假設(shè)兩個采樣的自由度為vx+vy、vx+vy是一樣的，如果它們的試驗標準差為sxy和sxy，那么兩種不同的測試樣品所確定的平面位置（x,y）的標準差sxy和④假設(shè)兩個樣品的自由度vh和v?是一樣的，其相應(yīng)的試驗標準差為sh和s?，這兩個樣品得到的高差實驗標準差sh和s?（3）統(tǒng)計檢驗表1.1統(tǒng)計檢驗問題假設(shè)檢驗問題零假設(shè)備選假設(shè)問題①sxy≤σxysxy>問題②s?≤σ?s問題③σσ問題④σσ對表2做如下說明：①問題１的零假設(shè)為通過計算單次實驗值，判斷得到（x，y）的sxy不大于其他方法測定的或儀器制造商提供的σxy，如果滿足下列式子，則表示零假設(shè)成立：（11）（12）（13）（14）如果不滿足式（14），則零假設(shè)被拒絕。②問題2的零假設(shè)為通過計算單次實驗值，判斷得到高差的sh不大于其他方法測定的或儀器制造商提供的σh，如果滿足下列式子，則表示零假設(shè)成立：（15）（16）（17）（18）如果不滿足式（18），則零假設(shè)被拒絕。③問題３的零假設(shè)為兩個采樣的自由度為vx+vy、vx+vy是一樣的，那么它們的試驗標準差為sxy和sxy，那么兩種不同的測試樣品所確定的平面位置（x,y）的標準差sxy和sxy（19）（20）（21）（22）如果不滿足式（22），則零假設(shè)被拒絕。④問題4的零假設(shè)為兩個樣品的自由度vh和v?是一樣的，其相應(yīng)的試驗標準差為sxy和sxy，這兩個樣品得到的高差實驗標準差sxy和sxy是同一種類型，如果滿足下列式子，則表示零假設(shè)成立：（23）（24）（25）（26）如果不滿足式（26），則零假設(shè)被拒絕。（4）不確定度不確定度即其測量最終結(jié)果的一個定量屬性。盡管不確定度誤差分析早已成為所有測量科學(xué)的一部分，但是它主要是在過去20年里發(fā)展起來的。ISO17123不僅提供了一種評估儀器精度（實驗標準偏差）的方法，而且還提供了一個定義不確定度預(yù)算的工具，它允許將所有的不確定度成分加起來。所有的不確定度成分的總和，無論它們是隨機的還是系統(tǒng)的，都是一個有代表性的準確度的測量，即綜合標準不確定度。用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用情況來統(tǒng)一的、定量的估計相關(guān)的標準不確定度成分，以便得出結(jié)論并說明測量結(jié)果的不確定度。表３.2給出GNSSRTK接收機了不確定度的來源表1.2GNSSRTK測量誤差源及測量不確定度注：此表出自《GNSSRTK接收機檢定方法研究及結(jié)構(gòu)分析》REF_Ref104189029\r\h[14]從表３.2可以獲得平面位置坐標的綜合測量不確定度為：（27）式中ha為天線高。從表３可以獲得垂直坐標的綜合測量不確定度為：（28）當包含因子ｋ＝２，其擴展不確定度為：（29）（30）顯然，測量不確定度過大會導(dǎo)致測量結(jié)果的實際應(yīng)用價值沒有意義。1.2“規(guī)程CH/T8018-2009”該規(guī)程的精度評定指標有接收機外觀及系統(tǒng)檢視、接收機通電檢視、RTK測量精度評定、關(guān)于RTK測量精度、RTK測量重復(fù)性精度評定的內(nèi)容。還有初始化時間評定、初始化最大距離評定的內(nèi)容等指標。RTK測量附件檢視、手簿控制器軟件功能檢視、數(shù)傳電臺檢視。其中RTK測量精度評定、RTK測量重復(fù)性精度評定、RTK初始化時間檢視、RTK初始化最大距離檢視四項評定指標能夠通過實驗的方法實現(xiàn)，不過初始化時間和初始化距離的評定在新制造后進行檢定，后續(xù)使用過程中則不需要進行此項指標的評定。1.2.1RTK測量精度評定做好準備工作之后，在控制點架設(shè)GNSS接收機，連接手簿藍牙，設(shè)置好測量所需的各項參數(shù)如已知坐標、電臺頻率、數(shù)據(jù)傳輸通道和天線高截至高度角等開始數(shù)據(jù)采集，完成初始化。初始化完成后，流動站的接收機將分別架設(shè)于預(yù)先設(shè)計的檢定場的各點（要求至少4個點），然后按照順序獲取至少20個RTK測量數(shù)據(jù)。隨著流動站的移動，也要注意輸入對應(yīng)點正確的天線高。計算RTK測量精度ms：（31）（32）式中：X0，Y0，Z0——基準站坐標，單位m。Xi，Yi，Zi——實際測量的流動站坐標，單位m。n——RTK觀測記錄的坐標數(shù)。ms——RTK測量精度。Di——流動站與參考站的距離測量值,單位m。D0——觀測點與參考站的距離,單位m。D——n個D1.2.2RTK測量重復(fù)性精度評定與RTK測量精度數(shù)據(jù)獲取方式一樣進行RTK數(shù)據(jù)采集,計算RTK測量重復(fù)性精度mr。（33）式中：mr——RTK測量重復(fù)性精度,單位m。RTK測量精度檢驗數(shù)據(jù)及RTK測量重復(fù)性精度檢驗數(shù)據(jù)均按表1.3順序采集：表1.3“規(guī)程CH/T8018-2009”數(shù)據(jù)采集順序表基準站號流動站號X/mY/mZ/m斜距/m斜距改正數(shù)/mJD00001X001Y001Z001……JD00002X002Y002Z002JD00003X003Y003Z003………JD00019X019Y019Z019……JD00020X020Y020Z020……1.2.3RTK初始化時間GDOP（GeometricDilutionofPrecision）幾何精度因子，是測站、各觀測衛(wèi)星的空間幾何構(gòu)形及鐘差測定對測站定位精度的綜合影響。首先將基準站架設(shè)在已知的點上，啟動并設(shè)置各個參數(shù)使基準站正常工作。然后將流動站架設(shè)在GDOP值分別在1.0<GDOP<4.0、2.0<GDOP<1.0、1.0<GDOP<2.0區(qū)間的位置上，可以進行RTK初始化時間測試，記錄三種情況下的初始化時長最大值就是RTK初始化時間。1.2.4RTK初始化最大距離RTK初始化的最大距離：通過RTK流動站在檢定場各已知點上進行架設(shè)，改變與基準站的距離進行測量。此時記錄下流動站定位完成時與基準站的距離的最大值就是RTK初始化的最大距離。1.3“規(guī)范JJF1118-2004”此規(guī)范的精度評定項目有外觀及各部件相互作用的評定、數(shù)據(jù)后處理軟件及功能的評定，其中包括對數(shù)據(jù)解算部分的規(guī)定：靜態(tài)定位與基線向量的解算和RTK與RTD解算。還有信號傳輸部分的規(guī)定：通訊與數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)報與觀測計劃，還有網(wǎng)平差與坐標轉(zhuǎn)換部分規(guī)定。以及測地型GPS接收機天線相位中心一致性評定、短基線測量誤差評定、中長基線測量誤差評定、導(dǎo)航型GPS接收機定位誤差評定。本章節(jié)只對天線相位中心一致性評定和中長基線測量精度評定進行說明。由于疫情影響，無法對“規(guī)程CH/T8018-2009”所需數(shù)據(jù)進行采集，原定于國內(nèi)外動態(tài)測量的比較工作無法進行，研究課題時有“貴州質(zhì)檢站”提供的“規(guī)范JJF1118-2004”數(shù)據(jù)，所有利用該規(guī)范對靜態(tài)采集數(shù)據(jù)進行研究。其技術(shù)路線如圖1.3所示：圖1.3“規(guī)范JJF1118-2004”數(shù)據(jù)處理流程1.1.1天線相位中心一致性精度評定天線相位中心：GNSS接收機的天線位置需要和接受信號的電氣中心保持點位一致。此時天線才不會影響GNSS接收機對于衛(wèi)星信號的處理。所以，為了評定兩者是否在一個點位上，我們需要對天線相位中心的位置進行精度評定REF_Ref104150806\r\h[16]。天線相位中心的精度評定主要采用相對定位的方法。此時確定天線相位中心的方法是：在GNSS接收機在對準控制點中心、水準氣泡整平的情況下，量取記錄下天線高數(shù)據(jù)。同時使天線方向統(tǒng)一指向正北，然后讓GPS接收機在一小時內(nèi)對超短基線或者短基線點進行觀測。這時需要有一臺GNSS接收機保持天線固定，其他的GNSS接收機天線按照順序分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，然后在這幾個方向上各自在觀測一個小時。處理方法是將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到基線處理軟件進行這三個測量時段的解算。并對每個時段的各基線值進行比較，最大基線長度與最小基線長度的差就是該時段得出的天線相位差，該值按照“規(guī)范JJF1118-2004”要小于接收機的標稱固定誤差值大小。1.1.2短基線測量精度評定