王向阳,杨国东

(1.大庆钻探工程公司地球物理勘探二公司测绘中心,吉林松原 138000;2.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春 130020)

多种类型GPS仪器抗干扰性能的测试研究*

王向阳1,杨国东2

(1.大庆钻探工程公司地球物理勘探二公司测绘中心,吉林松原 138000;2.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春 130020)

介绍了抗干扰性能测试的目的和意义,通过对几种类型GPS仪器在不同环境下的抗干扰性能进行测试研究,测试环境包括微波、无线电、窗镜、高楼、树林等,取得一定的成果。测试结果表明,该研究对不同环境下采用何种仪器具有一定的指导意义。

GPS仪器;RTK;微波塔;无线电发射源;抗干扰性能;测试环境

0 引言

随着现代科学技术的飞速发展,新的GPS仪器设备日新月异,各种型号不断涌现,性能也各有优势,如在材质、重量、抗低温、初始化速度、抗干扰等各个方面各有特点,在对外部环境的抗干扰性能上表现得尤为明显,因此对各种类型的GPS仪器在不同环境下进行抗干扰性能的研究测试,针对不同环境采用相应仪器设备,值得研究和商榷。

1 抗干扰性能测试的目的和意义

选择在各种复杂环境下进行各种GPS仪器抗干扰性能测试,如城区高楼林立、高压线纵横、微波塔、无线电发射源随处可见,这些复杂的干扰源对GPS仪器的信号接收与处理都会造成一定的影响。在这样各种干扰源纵横的复杂环境下,仅使用一种GPS仪器很难完成测量任务。由于各GPS仪器都有自己的技术特点和优势,因此要想顺利完成复杂地区地震勘探测量,就必须根据环境条件和各种仪器性能特点,测试各种仪器抗干扰性能,探索多种GPS仪器在复杂环境下联合作业的新技术,解决在强干扰源等复杂环境下采集高精度测量数据的技术难题。

物探测量工作主要用于把设计好的地震测线精确地放样到实地,针对物探测量生产的技术特点,在购买GPS设备时,最关心的主要技术指标是定位精度和各种仪器兼容性问题,其次要考虑仪器的初始化时间 (定位速度)及固定解精度,而影响GPS仪器定位精度与速度的主要原因之一是外界环境中各种干扰源的干扰。

由于城区等复杂环境遍布各种微波、无线电、窗镜、高楼、树林等,所以这些区域也是外界干扰源分布最广泛的,影响也是最大的。

由于各种类型GPS仪器均有自己的技术特色和技术优势,在各种复杂环境下,如楼区、高压线、强磁场 (无线电发射源、微波塔)、密林等的抗干扰能力各有所长,接收数据和发射数据的功能,以及接收和发射数据的精度也不尽相同。研究同一探区各种环境,多种GPS仪器采用实时相位差分技术,联合布设测线时的相互影响,及根据各种仪器的技术特色,探索多种类型GPS仪器在各种环境的联合作业方法,以及研究卫星信号对各种卫星定位仪器的影响,根据各种仪器在各种复杂环境下的性能和特点,在物探测量施工中对各种仪器取长补短,在保障测量精度,保障施工进度的前提下,为地震勘探提供准确可靠的测量数据,弥补各种GPS测量仪器的性能差异,都有着非常重要的意义。

2 GPS仪器抗干扰性能概述

不同的外界环境会对GPS信号产生不同的影响,所谓GPS仪器的抗干扰能力,主要是指GPS仪器排除外界环境中各种干扰源干扰的能力,及在各种干扰源影响下接收GPS卫星信号的能力和精确处理与解算有效GPS卫星数据的能力。

GPS卫星信号在传播过程中会受到很多影响,这种影响被称为GPS测量误差,分很多种,如信号传播中遇到的各种环境(微波及强磁等),都会使卫星信号传播路径发生改变及信号相对减弱,对精度造成影响。

研究卫星信号对各种GPS卫星定位仪器的影响,主要体现在GPS卫星定位仪器接收与处理卫星信号的能力上,也就是抗干扰能力上,各种仪器的抗干扰能力的强弱就是消除信号传播中各种误差的能力的强弱。

3 各种GPS仪器抗干扰性能测试

3.1 技术说明

如前文所述,各种GPS仪器抗干扰能力是不同的,通过这些试验,找出各种仪器在不同环境中的抗干扰能力,在以后的实际工作中取长补短,在不同环境下使用不同的仪器,发挥各自的长处,是这次测试的最终目的。

1)测试方法:将各种仪器同时放置在测试环境区域,进行各种对比测试其抗干扰能力。2)试验时间:外业试验 2006年 5月 1日至 2006年 10月 30日3)试验地点:具有各种干扰源的城区 (松原市城区)及周边40 km区域进行试验。

4)测试内容:RTK初始化时间、作业距离、密林、强磁场、微波等比对测试。

3.2 RTK初始化时间比对测试

2006年 5月 18～20日与 9月 23日,先后在各种不同观测条件下对 Topcon HiPer Plus、Leica SR530、Leica GX1230、Tr imble 5700和 Trimble R8 GNSS多种接收机的 RTK初始化时间进行了比对测试。共做了 6次比对试验,每次试验重复进行 6～10组计算平均时间。RTK初始化平均时间统计,见表 1。

将多台接收机的基准站安置在城区,因为 Leica SR530、Leica GX1230接收机开机后需要自检,所以在对比测试时,没有关闭接收机电源,而是盖住接收机天线直至跟踪卫星数为 0时,掀开盖子并分别计时,直到出现 RTK固定解。

表1 RTK初始化平均时间统计Tab.1 Mean time statistic of RTK initialization

3.3 RTK作业距离测试

投入试验的GPS仪器设备包括有 Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和 Trimble 5700GPS。其中 ,Topcon HiPer Plus、Leica GX1230这两种GPS接收机均使用 PDL公司的产品作为差分数据的发射和接收设备,基准站电台功率都是35 W;Trimble 5700GPS接收机基准站使用 TR IMMARK3电台作为差分数据的发射设备,基准站电台功率是25 W,流动站接收机采用内置电台接收设备。本次测试中,对这 3种接收机的 RTK作业距离进行了比较测试。

将 3台接收机的基准站安置在松原市市区,物探二公司测绘中心大院门前,均采用高功率发射 RTK差分数据。将 3台流动站接收机和接收电台的天线伸出到移动汽车窗外。汽车沿着松原至乾安县的方向行驶,沿途不断监视 3台接收机的差分信号的接收状况。RTK作业距离测试结果,见表 2。

表2 RTK作业距离测试结果Tab.2 Testing result of RTKworking distances

3.4 RTK作业密林中测试

茂密树林影响主要是遮挡,也就是遮挡GPS天线接收卫星信号。以 Topcon HiPer Plus、Leica SR530、Leica GX1230、Tr imble 5700和 Trimble R8 GNSSGPS接收机作为测试仪器,将 5种接收机的基准站架设在松原市市区,物探二公司测绘中心大院门前,均采用高功率发射 RTK差分数据。5种接收机的流动站到达松原至乾安县方向的韩家店附近的密林中,距离大约有8.5 km,比对测试。共做了 5次比对试验,每次试验重复进行5～10组,计算平均时间。从开始初始化直到出现 RTK固定解。此次 RTK密林中平均时间统计,见表 3。

表3 RTK密林中平均时间统计Tab.3 Mean time statistic of RTKworking in jungle

3.5 RTK作业强磁场 (如高压线)测试

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和Trimble 5700GPS接收机作为测试仪器,将 3种仪器接收机的基准站架设在松原市市区,物探二公司测绘中心大院门前,均采用高功率发射 RTK差分数据。3种仪器接收机的流动站到达松原市市区江北,油田井下作业处附近的强高压线下,距离大约有10 km,比对测试。共做了 3次比对试验,每次试验重复进行 5～6组计算平均时间。从开始初始化直到出现 RTK固定解。此次平均时间统计,见表 4。

表4 RTK强磁场下平均时间统计Tab.4 Mean time statistic of RTKworking under strongmagnetic field

3.6 RTK作业微波测试

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230和 Tr imble 5700GPS接收机作为测试仪器,将 3台接收机的基准站架设在松原市市区,物探二公司测绘中心大院门前,均采用高功率发射 RTK差分数据。3台流动站接收机到达松原市市区中心,电视台的微波附近及移动通讯公司的通讯塔下,距离大约有 2～6 km,比对测试。共做了 3次比对试验,每次试验重复进行 5～6组计算平均时间。从开始初始化直到出现 RTK固定解。此次平均时间统计,见表 5。

3.7 RTK作业楼房遮挡及窗镜多路径影响测试

Topcon HiPer Plus、Leica GX1230、Leica SR530和 Tr imble 5700GPS接收机作为测试仪器,将 3台接收机的基准站架设在松原市市区,物探二公司测绘中心大院门前,均采用高功率发射RTK差分数据。3台流动站接收机到达松原市市区高层建筑下,进行楼房遮挡及窗镜多路径影响测试。共做了两次比对试验,每次试验重复进行 5～6组计算平均时间。从开始初始化直到出现 RTK固定解。此次平均时间统计,见表 6。

表5 RTK微波塔及无线电发射源下平均时间统计Tab.5 Mean t ime statistic of RTK working under the microwave transmission tower and radio transmission resources

表6 RTK作业楼房遮挡及窗镜多路径影响平均时间统计Tab.6 Mean time statistic of RTKworking influenced by the building sheltering from and multi-path window lens effect

4 结论

通过对几种类型GPS仪器抗干扰性能的测试研究,笔者得出如下结论:

1)RTK初始化时间快慢与各种仪器的内部数据解算方法及内部硬件 (如主频及主板等)优劣有很大关系,不同观测条件下的 RTK初始化时间测试结果表明:在良好的观测条件下,Trimble R8 GNSS只需要 3 s、Topcon HiPer Plus只需要 5 s,就可以获得 RTK固定解。在有部分遮挡的差一些观测条件下,1 min内可以固定整周模糊度;在恶劣的环境下,2～3 min内可获得固定解。这两种类型仪器 RTK初始化时间短于其它同类测地型GPS接收机,其主要原因是这两种类型仪器不管在内部数据解算方法 (主要用于消除前文所述各种误差方面)上,还是内部硬件结构上均为目前最先进的仪器设备。

2)RTK作业距离测试主要是电台的性能的测试与接收机数据链传播及解算的测试,Trimble 5700接收机使用 TR IMMARK3电台,其它几种仪器均使用 PDL公司的电台产品,在性能上基本不分伯仲,而 Topcon HiPer Plus集成接收机所配置的RTK数据链,传播距离略远,接收机远距离确定整周模糊度的能力稍强,较适用于长距离的线形区域的测量和施工放样。

3)在低遮挡或遮挡较严重 (密林)及长距离的情况下,Trimble R8 GNSSGPS与 Topcon HiPer Plus接收机在性能上明显占优势,特别是 Trimble R8 GNSSGPS仪器,因为该两种类型仪器采用双星系统,可同时接收GPS卫星和 GLONASS卫星,单一系统的接收机因为遮挡,不容易接收到 4颗GPS卫星,导致 RTK定位速度特别慢。两种集成接收机因为能够同时接收两种卫星系统的信号,在条件恶劣地区 (密林)能够观测到的卫星数多于单一GPS系统接收机,使观测到少于 4颗GPS卫星的 RTK定位成为可能,锁定的卫星数将会增多,卫星空间分布的图形结构得到改善,RTK定位精度和可靠性将进一步提高。在恶劣的观测条件下,双系统集成接收机在双差整周模糊度固定后的定位中,点位精度和可靠性要明显优于单系统接收机。

4)在强磁场 (如高压线)的影响下进行试验,Topcon HiPer Plus集成接收机在抗强磁场干扰方面明显有优势。强磁场 RTK测试结果表明:Topcon HiPer Plus集成接收机 RTK定位的外符合精度,水平方向与高程方向,均能达到 RTK测量的标称精度。如果在强磁场较弱的情况下,Topcon HiPer Plus系列集成接收机锁定的卫星数将会增多,卫星信号衰减或发生改变的可能性减少,卫星空间分布的图形结构得到改善,RTK定位精度和可靠性将进一步提高。

5)在微波方面,可以干扰 RTK测量的主要是两种微波:一种是频率接近 410～430 MHz、450～470 MHz的微波,这种微波会干扰电台信号;另一种是频率接近 L1/L2载波的微波,这种微波会干扰卫星信号。对于第一种微波,Trimble仪器采用 TRIMMARK3电台,抗干扰能力较好,其余各仪器采用的均是 PCC的PDL电台,抗干扰能力基本相当。对于第二种微波的干扰,各种仪器均有各自解决问题的技术办法,但相对来说,Trimble采用了带内抗干扰抑制技术,在一定程度上通过数字补偿可以抵消其影响。徕卡的 SmartTrack也有一定的滤波作用。在抗微波干扰方面,相对来说,Trimble仪器有一定优势。

6)GPS接收机天线除了接收到从GPS卫星直接到达的信号 (直达波)外,还同时接收到了来自经周围反射体 (高楼、窗镜、地面、水面等)反射的GPS卫星信号 (反射波),两种信号叠加后将会使观测值偏离真值而产生多路径误差,多路径影响是GPS测量中一种严重的误差源,将损害GPS测量的精度,严重时还会引起信号失锁。通常,各种仪器采用扼流圈天线可以减小地面以及水面等小于天线高以下的目标反射回来的反射波,但对于从高于天线高以上的目标反射回来的反射波却无能力为,Leica采用一种专利的信号处理算法,极其有效地消除了从高于天线高以上的目标 (如:高楼、窗镜等)反射回来的反射波的多路径影响,准确跟踪从GPS卫星直接到达的信号,对弱信号的跟踪锁定能力较强,并可大幅度消除失周,所以 Leica仪器在消除多路径影响方面很突出。

本文通过初始化时间对比、距离远近对比、密林中接收信号的对比、强磁场的对比、微波对比、楼房遮挡及窗镜多路径效应的对比等,对几种GPS仪器抗干扰性能进行测试,基本掌握各种仪器在不同干扰环境下信号受干扰的程度,这对以后复杂环境联合测量,针对不同的干扰采用不同的仪器来采集数据,具有一定的指导作用。

[1]郭艳丽,林象平.GPS抗干扰技术浅析[J].航天电子对抗,2001(6):8.

[2]狄旻珉,张尔扬.GPS抗干扰接收技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2006.

[3]张文明,周一宇.卫星导航系统干扰抑制技术[D].长沙:国防科学技术大学,2003.

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

王向阳 (1968～),男,辽宁盘锦人,工程师,现主要从事石油物探测量软件开发与应用方面的工作。