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1、监测型GNSS接收机校准规范编制说明监测型GNSS接收机校准规范编写组2023年6月监测型GNSS接收机校准规范编制说明一、任务来源根据湖北省市场监督管理局2023年4月14日下达的湖北省市场监督管理局办公室关于印发2023年度第一批地方计量规范制修订计划的通知，由武汉地震计量检定与测量工程研究院主持编制监测型GNSS接收机校准规范。二、编制说明1、制定规范的目的和意义监测型GNSS（全球导航卫星系统）接收机是一种用于监测形变的接收机，通过对卫星导航信号的连续观测，采用特定的数据处理算法和系统，获取监测点的实时或准实时位移量。当监测点（地表和桥梁等）发生微小位移时，接收机监测的数据也会变化，从
2、而来监测位移的变化情况。一旦位移量接近或超过安全阈值，后台监测系统能及时预警预报，可以直观的掌握建筑地表地质参数的实际动态情况，便于安全评估，为工程设计和管理部门及时消除隐患提供依据，在保障社会发展和人民生命财产安全有着举足轻重的作用。监测型接收机在监测地表地质形变方面具有高精度、高灵敏度和监测点位易于布置的特点，广泛应用于矿山地表沉降、边坡监测、滑坡、桥梁和大坝位移等安全监测领域。国内外主要的测绘仪器厂商，如彳来卡、天宝、中海达和华测等，均推出了相应的产品。湖北省由于山川河流较多，造成的需求快速增长，据不完全统计，目前省内的市场存有量已达上千台，可以预见将成为测绘地理信息采集领域的重要工作计
3、量器具。随着使用量不断增长，其计量需求越来越大。但是，当前与之相关的计量技术法规仍然比较滞后，没有适用于计量的检定规程和校准规范。目前，我国与相关的规范与标准有JJF1347-2012全球定位系统（GPS）接收机（测地型）型式评价大纲、JJFIlI8-2004全球定位系统（GPS）接收机（测地型和导航型）校准规范、JJG（测绘）2301-2013全球导航卫星系统（GNSS）测量型接收机RTK和GB/T39399-2020北斗卫星导航系统测量型接收机通用规范。上述规范与标准中所规定的检测方法均只适用于测量型接收机（测量两点之间的距离），导致监测型接收机的关键性能（位移变化量）未能给出合理的评估,
4、未能满足计量需求。因此，编制地方性计量技术法规监测型GNSS接收机校准规范具有重要的现实意义，不仅为监测型GNSS接收机的在线校准提供参考依据，保障其量值的准确可靠，为安全监测提供量值保障，还可以促进其校准工作的规范化和法制化，以利于计量市场的监督与管理。2、制定规范的过程说明经前期探索研究，于2022年12月提交了规范编写计划任务书，2023年4月任务下达。自2023年1月至2023年3月，规范编制小组进行了更加全面的设备调研，收集了各生产商相关设备的使用说明书、技术参数文件、设备在国内外的实际应用说明等资料，对设备的具体应用情况、设备结构、技术性能等有了较为详细了解，初步确定了监测型GNS
5、S接收机校准的主要项目及其性能要求。2023年3月至2023年4月期间，项目组以武汉梦芯MR3000为实验对象，对监测型接收机的位移测量功能进行实验验证分析，主要包括实时位移测量重复性、实时位移测量分辨力和位移测量误差，并通过实验分析接收机的平滑工作模式跟静态观测模式的区别等。通过实验项目组对接收机的位移测量功能有了比较深入的认识与理解，对后续校准方法确定提供了基础。2023年5月，根据前期实验分析结果，进一步讨论分析，初步确定了准实时位移测量稳定性、实时位移测量重复性、实时位移测量分辨力、位移测量示值误差四个主要校准项目及校准方法，确定了位移平台、GNSS基线等主要计量标准器。2023年6月
6、，根据校准方法进行具体的实验工作，实验的接收机为合众思壮的MIS20和MIS30,主要包括计量标准器的精度确认、校准方法可行性验证、校准项目的具体实验等。在以上实验工作的基础上，对校准结果进行不确定度的评定分析。针对不足进行实验的补充验证，项目组编制规范草稿、编制说明、实验报告等。准备于2023年7月，规范草稿征求意见。3、制定规范的主要参考资料JJF1001-2011通用计量术语及定义JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则JJF1118-2004全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范JJG2301-2013全球导航卫
7、星系统(GNSS)测量型接收机RTKJJF1784-2019全站仪型式评价大纲4、制定规范的原则和依据由于是制定校准规范，需要对校准规范中规定的仪器性能等进行全面的确认,针对制定规范的具体要求，规范起草小组对监测型GNSS接收机的性能、特性等技术指标做了充分考虑和查找。通过查找，未发现相应的国际建议、国际技术标准，制定规范的技术依据主要是监测型GNSS接收机厂商的技术标准和产品使用说明。5、监测型GNSS接收机的基本原理监测型GNSS接收机在监测中使用的主要是其位移测量功能，是监测型GNSS接收机的测量准确度的核心，因此，其监测原理及其在测量过程中的影响因素，是我们需要重点分析的。位移测量工作
8、原理：监测站接收机和基准站接收机接收导航卫星的信号，通过内部电器解码成测距信息和导航电文，通过网络上传至监测平台，平台对监测的数据进行分析和解算，得到监测站的空间位置并进行位置初始化，通过一定时间的观测，最终解算监测站的初始位置，并以此作为零点，以监测站解算得到的空间位置的变化作为位移变化量，实现位移测量功能。目前市场上的监测型GNSS接收机的主流测量模式有两种，一种为静态测量模式，一种为动态测量模式。通常理解静态测量的输出值为一段时间测量结果的最小二乘均值，动态测量的输出值为当前时刻的测量结果。在这两种测量模式中监测平台可能会加入平滑测量功能，会对静态和和动态测量模式的结果进行一段时间的平滑
9、，最终在指定的采样时刻输出对应的平滑值。动态测量模式输出结果的频率较高，一般为1Hz,而静态测量模式输出结果的频率较低，一般为1小时甚至数十几个小时才会输出一个测量结果。如果接收机在动态测量模式中加入了平滑功能，接收机在当前时刻的输出值实际上是当前时刻和前一段滑动时间的所有观测值的均值，实际上并没有反映当前接收机的位移测量值。静态测量模式中也存在平滑的问题，即便是接收机Ih输出一个“静态”测量值，假如平滑的时间为6h,此时输出的结果实际上是前6h的均值结果，而不是接收机当前Ih时长的数据处理结果。因此针对实际解算功能，本规范采用准实时和实时位移测量来进行区分。采用了一段时间的观测值进行数据处理
10、后的结果，称为准实时位移测量；以IHZ及以下输出频率且未采用平滑测量模式输出的结果称为实时位移测量。6、监测型GNSS接收机的校准方法及其原理6.1 校准环境的确定由于设备在监测中的使用环境相对比较复杂，以现场实际环境为主，在校准过程中无法做到严格的环境控制，因此，对于校准环境的要求方面，要能满足设备额定工作环境，环境温度要求（-20+50）,湿度要求不大于90%,同时，不能有强磁场、电场、振动等干扰因素,对天空卫星空间几何分布参数做出要求，要求PDoP（位置精度因子）4o由于接收机的观测准确度跟距离有关，且受到观测环境的影响，为了最大程度地削弱多路径效应、电离层延迟、对流层延迟对观测结果的影
11、响，将监测站接收机放置在距离基准站24m以内的位置进行校准，期望测量结果能有更好的复现性。6.2 校准项目的确定根据监测型GNSS接收机测量原理及使用特性，从准实时位移测量稳定性、实时位移测量重复性、实时位移测量分辨力及位移测量误差四个方面进行特性分析及校准。6.3 准实时位移测量稳定性在术语中加入了该项目名称的解释，不同于计量中通常认为的稳定性一般为年稳定性、季稳定性和月稳定性，这里的稳定性是指按Ih采样间隔采样15h观测数据，采用贝塞尔公式计算得到的结果，由于测量时间相对较长，并不满足重复性测量条件，因此称本校准项目为测量稳定性更合适。将被测接收机安置在GNSS基线上，设置为准实时测量模式
12、，截止高度角为15。，初始化后以1h数据输出间隔采集15h的数据，采用贝塞尔公式计算准实时水平位移测量稳定性和准实时垂直位移测量稳定性。15h属于较长时长的观测，如果观测值存在线性漂移，则采用实验标准偏差计算稳定性的结果可能不收敛，因此在实验中采取了阿伦标准偏差和实验标准偏差的比较实验。通过实验发现采用实验标准偏差的方法可行。实验中分析了10h72h的观测历元的数据，在水平和垂直实验标准偏差上，各历元时长的结果偏差不超过0.1mm和0.2mm,因此选择10h72h任意测量时长作为本项目时长是可行的。从卫星运行轨道周期考虑，除开地球同步轨道卫星外，四大卫星导航系统的运行周期分别为llh58min
13、(GPS)1lhl5min(GLONASS)14h5min(Galileo)12h50min(BDS),为了包含所有卫星的轨道运行周期时间，观测时长采用15ho再考虑到计量校准的经济实用便捷性，可以在下班前约17：30架设设备，在第二天早上8点30后收回设备，不影响其他计量器具的检校工作。最终本项目确定观测时长为15h。6.4 实时位移测量重复性将被测接收机安置在GNSS基线上，设置为实时测量模式，截止高度角为15,初始化后以IS位移输出间隔采集10个历元的数据，采用贝塞尔公式计算水平和垂直方向的实时位移测量重复性。6.5 位移测量分辨力监测型GNSS接收机在进行形变监测中，对微小变化量和较大
14、形变都能进行探测，仪器的显示分辨力作为仪器信息的输出形式，不足以反应仪器本身的噪声水平，而我们需要通过对仪器本身分辨力的测量，来反映由于仪器本身噪声水平对微小位移测量所带来的影响，因此，在本规范中对实时位移测量分辨力进行校准。实时位移测量分辨力校准的原理：利用位移平台，提供标准位移值，根据监测平台输出的北、东、高位移值换算为水平和垂直位移，与标准值进行比较，计算其合并样本偏差，得到分辨力校准结果，校准过程参考了JJF1784-2019全站仪型式评价大纲中8.2.16鉴别力的试验方法。6.6 位移测量误差位移测量误差能够直接反应接收机的位移监测水平。将被测接收机安置在GNSS基线上，设置接收机为
15、准实时测量模式，截止高度角为15。，初始化后将被测接收机从GNSS基线一端移动至另一个端，记录设定的观测输出间隔的观测数据，取10次数据的平均值作为测量结果。将接收机的北位移和东位移进行合成，与GNSS基线水平标准值求差得到水平位移测量误差，同理可计算得到垂直位移测量误差。7制定规范的主要内容7.1 按照JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则的要求制定监测型GNSS接收机的校准规范。在内容与格式上保持一致，校准规范的具体内容有范围、引用文献、概述、计量特性、校准条件、校准项目和校准方法、校准结果、复校时间间隔、附录。7.2 根据监测型GNSS接收机的应用需求，规范编制小组确定了监测型
16、GNSS接收机的准实时位移测量稳定性、实时位移测量重复性、实时位移测量分辨力、位移测量误差4项计量特性要求，由于校准均在超短基线下进行，因此校准参数的限差均要求不超过接收机标称标准差的固定误差。具体要求如下：接收机标称测量标准差表示为a+bD式中：a标称固定误差，mm；b标称比例误差，mm/km；D被测点间距离，km07.2.1 准实时位移测量稳定性准实时水平位移测量稳定性不大于接收机静态水平方向小准实时垂直位移测量稳定性不大于接收机静态垂直方向7.2.2 实时位移测量重复性实时水平位移测量重复性不大于接收机动态水平方向小实时垂直位移测量重复性不大于接收机动态垂直方向07.23实时位移测量分辨力实时水平位移测量分辨力不大于接收机动态水平方向小实时垂直位移测量分辨力不大
