王向陽,楊國東

(1.大慶鉆探工程公司地球物理勘探二公司測繪中心,吉林松原 138000;2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春 130020)

多種類型GPS儀器抗干擾性能的測試研究*

王向陽1,楊國東2

(1.大慶鉆探工程公司地球物理勘探二公司測繪中心,吉林松原 138000;2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春 130020)

介紹了抗干擾性能測試的目的和意義,通過對幾種類型GPS儀器在不同環(huán)境下的抗干擾性能進行測試研究,測試環(huán)境包括微波、無線電、窗鏡、高樓、樹林等,取得一定的成果。測試結(jié)果表明,該研究對不同環(huán)境下采用何種儀器具有一定的指導(dǎo)意義。

GPS儀器;RTK;微波塔;無線電發(fā)射源;抗干擾性能;測試環(huán)境

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,新的GPS儀器設(shè)備日新月異,各種型號不斷涌現(xiàn),性能也各有優(yōu)勢,如在材質(zhì)、重量、抗低溫、初始化速度、抗干擾等各個方面各有特點,在對外部環(huán)境的抗干擾性能上表現(xiàn)得尤為明顯,因此對各種類型的GPS儀器在不同環(huán)境下進行抗干擾性能的研究測試,針對不同環(huán)境采用相應(yīng)儀器設(shè)備,值得研究和商榷。

1 抗干擾性能測試的目的和意義

選擇在各種復(fù)雜環(huán)境下進行各種GPS儀器抗干擾性能測試,如城區(qū)高樓林立、高壓線縱橫、微波塔、無線電發(fā)射源隨處可見,這些復(fù)雜的干擾源對GPS儀器的信號接收與處理都會造成一定的影響。在這樣各種干擾源縱橫的復(fù)雜環(huán)境下,僅使用一種GPS儀器很難完成測量任務(wù)。由于各GPS儀器都有自己的技術(shù)特點和優(yōu)勢,因此要想順利完成復(fù)雜地區(qū)地震勘探測量,就必須根據(jù)環(huán)境條件和各種儀器性能特點,測試各種儀器抗干擾性能,探索多種GPS儀器在復(fù)雜環(huán)境下聯(lián)合作業(yè)的新技術(shù),解決在強干擾源等復(fù)雜環(huán)境下采集高精度測量數(shù)據(jù)的技術(shù)難題。

物探測量工作主要用于把設(shè)計好的地震測線精確地放樣到實地,針對物探測量生產(chǎn)的技術(shù)特點,在購買GPS設(shè)備時,最關(guān)心的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和各種儀器兼容性問題,其次要考慮儀器的初始化時間 (定位速度)及固定解精度,而影響GPS儀器定位精度與速度的主要原因之一是外界環(huán)境中各種干擾源的干擾。

由于城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境遍布各種微波、無線電、窗鏡、高樓、樹林等,所以這些區(qū)域也是外界干擾源分布最廣泛的,影響也是最大的。

由于各種類型GPS儀器均有自己的技術(shù)特色和技術(shù)優(yōu)勢,在各種復(fù)雜環(huán)境下,如樓區(qū)、高壓線、強磁場 (無線電發(fā)射源、微波塔)、密林等的抗干擾能力各有所長,接收數(shù)據(jù)和發(fā)射數(shù)據(jù)的功能,以及接收和發(fā)射數(shù)據(jù)的精度也不盡相同。研究同一探區(qū)各種環(huán)境,多種GPS儀器采用實時相位差分技術(shù),聯(lián)合布設(shè)測線時的相互影響,及根據(jù)各種儀器的技術(shù)特色,探索多種類型GPS儀器在各種環(huán)境的聯(lián)合作業(yè)方法,以及研究衛(wèi)星信號對各種衛(wèi)星定位儀器的影響,根據(jù)各種儀器在各種復(fù)雜環(huán)境下的性能和特點,在物探測量施工中對各種儀器取長補短,在保障測量精度,保障施工進度的前提下,為地震勘探提供準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù),彌補各種GPS測量儀器的性能差異,都有著非常重要的意義。

2 GPS儀器抗干擾性能概述

不同的外界環(huán)境會對GPS信號產(chǎn)生不同的影響,所謂GPS儀器的抗干擾能力,主要是指GPS儀器排除外界環(huán)境中各種干擾源干擾的能力,及在各種干擾源影響下接收GPS衛(wèi)星信號的能力和精確處理與解算有效GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力。

GPS衛(wèi)星信號在傳播過程中會受到很多影響,這種影響被稱為GPS測量誤差,分很多種,如信號傳播中遇到的各種環(huán)境(微波及強磁等),都會使衛(wèi)星信號傳播路徑發(fā)生改變及信號相對減弱,對精度造成影響。

研究衛(wèi)星信號對各種GPS衛(wèi)星定位儀器的影響,主要體現(xiàn)在GPS衛(wèi)星定位儀器接收與處理衛(wèi)星信號的能力上,也就是抗干擾能力上,各種儀器的抗干擾能力的強弱就是消除信號傳播中各種誤差的能力的強弱。

3 各種GPS儀器抗干擾性能測試

3.1 技術(shù)說明

如前文所述,各種GPS儀器抗干擾能力是不同的,通過這些試驗,找出各種儀器在不同環(huán)境中的抗干擾能力,在以后的實際工作中取長補短,在不同環(huán)境下使用不同的儀器,發(fā)揮各自的長處,是這次測試的最終目的。

1)測試方法:將各種儀器同時放置在測試環(huán)境區(qū)域,進行各種對比測試其抗干擾能力。2)試驗時間:外業(yè)試驗 2006年 5月 1日至 2006年 10月 30日3)試驗地點:具有各種干擾源的城區(qū) (松原市城區(qū))及周邊40 km區(qū)域進行試驗。

4)測試內(nèi)容:RTK初始化時間、作業(yè)距離、密林、強磁場、微波等比對測試。

3.2 RTK初始化時間比對測試

2006年 5月 18～20日與 9月 23日,先后在各種不同觀測條件下對 Topcon HiPer Plus、Leica SR530、Leica GX1230、Tr imble 5700和 Trimble R8 GNSS多種接收機的 RTK初始化時間進行了比對測試。共做了 6次比對試驗,每次試驗重復(fù)進行 6～10組計算平均時間。RTK初始化平均時間統(tǒng)計,見表 1。

將多臺接收機的基準(zhǔn)站安置在城區(qū),因為 Leica SR530、Leica GX1230接收機開機后需要自檢,所以在對比測試時,沒有關(guān)閉接收機電源,而是蓋住接收機天線直至跟蹤衛(wèi)星數(shù)為 0時,掀開蓋子并分別計時,直到出現(xiàn) RTK固定解。

表1 RTK初始化平均時間統(tǒng)計Tab.1 Mean time statistic of RTK initialization

3.3 RTK作業(yè)距離測試

投入試驗的GPS儀器設(shè)備包括有 Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和 Trimble 5700GPS。其中 ,Topcon HiPer Plus、Leica GX1230這兩種GPS接收機均使用 PDL公司的產(chǎn)品作為差分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)射和接收設(shè)備,基準(zhǔn)站電臺功率都是35 W;Trimble 5700GPS接收機基準(zhǔn)站使用 TR IMMARK3電臺作為差分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)射設(shè)備,基準(zhǔn)站電臺功率是25 W,流動站接收機采用內(nèi)置電臺接收設(shè)備。本次測試中,對這 3種接收機的 RTK作業(yè)距離進行了比較測試。

將 3臺接收機的基準(zhǔn)站安置在松原市市區(qū),物探二公司測繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。將 3臺流動站接收機和接收電臺的天線伸出到移動汽車窗外。汽車沿著松原至乾安縣的方向行駛,沿途不斷監(jiān)視 3臺接收機的差分信號的接收狀況。RTK作業(yè)距離測試結(jié)果,見表 2。

表2 RTK作業(yè)距離測試結(jié)果Tab.2 Testing result of RTKworking distances

3.4 RTK作業(yè)密林中測試

茂密樹林影響主要是遮擋,也就是遮擋GPS天線接收衛(wèi)星信號。以 Topcon HiPer Plus、Leica SR530、Leica GX1230、Tr imble 5700和 Trimble R8 GNSSGPS接收機作為測試儀器,將 5種接收機的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。5種接收機的流動站到達松原至乾安縣方向的韓家店附近的密林中,距離大約有8.5 km,比對測試。共做了 5次比對試驗,每次試驗重復(fù)進行5～10組,計算平均時間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次 RTK密林中平均時間統(tǒng)計,見表 3。

表3 RTK密林中平均時間統(tǒng)計Tab.3 Mean time statistic of RTKworking in jungle

3.5 RTK作業(yè)強磁場 (如高壓線)測試

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和Trimble 5700GPS接收機作為測試儀器,將 3種儀器接收機的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。3種儀器接收機的流動站到達松原市市區(qū)江北,油田井下作業(yè)處附近的強高壓線下,距離大約有10 km,比對測試。共做了 3次比對試驗,每次試驗重復(fù)進行 5～6組計算平均時間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次平均時間統(tǒng)計,見表 4。

表4 RTK強磁場下平均時間統(tǒng)計Tab.4 Mean time statistic of RTKworking under strongmagnetic field

3.6 RTK作業(yè)微波測試

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和 Tr imble 5700GPS接收機作為測試儀器,將 3臺接收機的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。3臺流動站接收機到達松原市市區(qū)中心,電視臺的微波附近及移動通訊公司的通訊塔下,距離大約有 2～6 km,比對測試。共做了 3次比對試驗,每次試驗重復(fù)進行 5～6組計算平均時間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次平均時間統(tǒng)計,見表 5。

3.7 RTK作業(yè)樓房遮擋及窗鏡多路徑影響測試

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230、Leica SR530和 Tr imble 5700GPS接收機作為測試儀器,將 3臺接收機的基準(zhǔn)站架設(shè)在松原市市區(qū),物探二公司測繪中心大院門前,均采用高功率發(fā)射RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。3臺流動站接收機到達松原市市區(qū)高層建筑下,進行樓房遮擋及窗鏡多路徑影響測試。共做了兩次比對試驗,每次試驗重復(fù)進行 5～6組計算平均時間。從開始初始化直到出現(xiàn) RTK固定解。此次平均時間統(tǒng)計,見表 6。

表5 RTK微波塔及無線電發(fā)射源下平均時間統(tǒng)計Tab.5 Mean t ime statistic of RTK working under the microwave transmission tower and radio transmission resources

表6 RTK作業(yè)樓房遮擋及窗鏡多路徑影響平均時間統(tǒng)計Tab.6 Mean time statistic of RTKworking influenced by the building sheltering from and multi-path window lens effect

4 結(jié)論

通過對幾種類型GPS儀器抗干擾性能的測試研究,筆者得出如下結(jié)論:

1)RTK初始化時間快慢與各種儀器的內(nèi)部數(shù)據(jù)解算方法及內(nèi)部硬件 (如主頻及主板等)優(yōu)劣有很大關(guān)系,不同觀測條件下的 RTK初始化時間測試結(jié)果表明:在良好的觀測條件下,Trimble R8 GNSS只需要 3 s、Topcon HiPer Plus只需要 5 s,就可以獲得 RTK固定解。在有部分遮擋的差一些觀測條件下,1 min內(nèi)可以固定整周模糊度;在惡劣的環(huán)境下,2～3 min內(nèi)可獲得固定解。這兩種類型儀器 RTK初始化時間短于其它同類測地型GPS接收機,其主要原因是這兩種類型儀器不管在內(nèi)部數(shù)據(jù)解算方法 (主要用于消除前文所述各種誤差方面)上,還是內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)上均為目前最先進的儀器設(shè)備。

2)RTK作業(yè)距離測試主要是電臺的性能的測試與接收機數(shù)據(jù)鏈傳播及解算的測試,Trimble 5700接收機使用 TR IMMARK3電臺,其它幾種儀器均使用 PDL公司的電臺產(chǎn)品,在性能上基本不分伯仲,而 Topcon HiPer Plus集成接收機所配置的RTK數(shù)據(jù)鏈,傳播距離略遠(yuǎn),接收機遠(yuǎn)距離確定整周模糊度的能力稍強,較適用于長距離的線形區(qū)域的測量和施工放樣。

3)在低遮擋或遮擋較嚴(yán)重 (密林)及長距離的情況下,Trimble R8 GNSSGPS與 Topcon HiPer Plus接收機在性能上明顯占優(yōu)勢,特別是 Trimble R8 GNSSGPS儀器,因為該兩種類型儀器采用雙星系統(tǒng),可同時接收GPS衛(wèi)星和 GLONASS衛(wèi)星,單一系統(tǒng)的接收機因為遮擋,不容易接收到 4顆GPS衛(wèi)星,導(dǎo)致 RTK定位速度特別慢。兩種集成接收機因為能夠同時接收兩種衛(wèi)星系統(tǒng)的信號,在條件惡劣地區(qū) (密林)能夠觀測到的衛(wèi)星數(shù)多于單一GPS系統(tǒng)接收機,使觀測到少于 4顆GPS衛(wèi)星的 RTK定位成為可能,鎖定的衛(wèi)星數(shù)將會增多,衛(wèi)星空間分布的圖形結(jié)構(gòu)得到改善,RTK定位精度和可靠性將進一步提高。在惡劣的觀測條件下,雙系統(tǒng)集成接收機在雙差整周模糊度固定后的定位中,點位精度和可靠性要明顯優(yōu)于單系統(tǒng)接收機。

4)在強磁場 (如高壓線)的影響下進行試驗,Topcon HiPer Plus集成接收機在抗強磁場干擾方面明顯有優(yōu)勢。強磁場 RTK測試結(jié)果表明:Topcon HiPer Plus集成接收機 RTK定位的外符合精度,水平方向與高程方向,均能達到 RTK測量的標(biāo)稱精度。如果在強磁場較弱的情況下,Topcon HiPer Plus系列集成接收機鎖定的衛(wèi)星數(shù)將會增多,衛(wèi)星信號衰減或發(fā)生改變的可能性減少,衛(wèi)星空間分布的圖形結(jié)構(gòu)得到改善,RTK定位精度和可靠性將進一步提高。

5)在微波方面,可以干擾 RTK測量的主要是兩種微波:一種是頻率接近 410～430 MHz、450～470 MHz的微波,這種微波會干擾電臺信號;另一種是頻率接近 L1/L2載波的微波,這種微波會干擾衛(wèi)星信號。對于第一種微波,Trimble儀器采用 TRIMMARK3電臺,抗干擾能力較好,其余各儀器采用的均是 PCC的PDL電臺,抗干擾能力基本相當(dāng)。對于第二種微波的干擾,各種儀器均有各自解決問題的技術(shù)辦法,但相對來說,Trimble采用了帶內(nèi)抗干擾抑制技術(shù),在一定程度上通過數(shù)字補償可以抵消其影響。徠卡的 SmartTrack也有一定的濾波作用。在抗微波干擾方面,相對來說,Trimble儀器有一定優(yōu)勢。

6)GPS接收機天線除了接收到從GPS衛(wèi)星直接到達的信號 (直達波)外,還同時接收到了來自經(jīng)周圍反射體 (高樓、窗鏡、地面、水面等)反射的GPS衛(wèi)星信號 (反射波),兩種信號疊加后將會使觀測值偏離真值而產(chǎn)生多路徑誤差,多路徑影響是GPS測量中一種嚴(yán)重的誤差源,將損害GPS測量的精度,嚴(yán)重時還會引起信號失鎖。通常,各種儀器采用扼流圈天線可以減小地面以及水面等小于天線高以下的目標(biāo)反射回來的反射波,但對于從高于天線高以上的目標(biāo)反射回來的反射波卻無能力為,Leica采用一種專利的信號處理算法,極其有效地消除了從高于天線高以上的目標(biāo) (如:高樓、窗鏡等)反射回來的反射波的多路徑影響,準(zhǔn)確跟蹤從GPS衛(wèi)星直接到達的信號,對弱信號的跟蹤鎖定能力較強,并可大幅度消除失周,所以 Leica儀器在消除多路徑影響方面很突出。

本文通過初始化時間對比、距離遠(yuǎn)近對比、密林中接收信號的對比、強磁場的對比、微波對比、樓房遮擋及窗鏡多路徑效應(yīng)的對比等,對幾種GPS儀器抗干擾性能進行測試,基本掌握各種儀器在不同干擾環(huán)境下信號受干擾的程度,這對以后復(fù)雜環(huán)境聯(lián)合測量,針對不同的干擾采用不同的儀器來采集數(shù)據(jù),具有一定的指導(dǎo)作用。

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Testing Research on Anti-Interference of Multi-type ofGPS Instruments

WANG Xiang-yang1,YANG Guo-dong2
(1.Surveying and Mapping Center of the Second Subcom pany of Geophysical Exploring of Daqing Drilling Engineering Co.,Songyuan Jilin 138000,China;2.School of Geophysical Detection Science and Technology,Jilin University,Changchun Jilin130020,China)

This paper introduces the objective and sense of the detection of anti-interference performance of multitypeGPS instruments.The authors detect and research the anti-interference performance ofmulti-typeGPS instruments,the detection result are influenced by the environment,the testing environments including themicrowaves,radio,window lens,high buildings,forestetc.,the result indicated the definite instructed sense under different environmentswith different types ofGPS instruments.

GPS instrument;RTK;microwave tower;radio trans mitting resource;anti-interference ability;testing environment

P 228.4;P 204

A

1007-9394(2010)01-0010-04

2009-12-27

王向陽 (1968～),男,遼寧盤錦人,工程師,現(xiàn)主要從事石油物探測量軟件開發(fā)與應(yīng)用方面的工作。