北斗接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位精度測試與分析

王 博，焦海松，谷 慶，黃靜華

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，洛陽 471003）

1 引言

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）是類似于美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）的無源定位系統(tǒng)。目前共有16顆北斗衛(wèi)星在軌，14顆衛(wèi)星正常工作，形成了5個(gè)地球靜止軌道（geostationary earth orbits，GEO）衛(wèi)星、5個(gè)傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛(wèi)星及4個(gè)中圓地球軌道（medium earth orbits；MEO）衛(wèi)星的組網(wǎng)模式，正在提供亞太大部分地區(qū)全天候24h的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)［1］。國內(nèi)目前已有北斗接收機(jī)研制成功。本文研究主要目的：一是測試北斗接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位精度，二是驗(yàn)證差分GPS作為真值對(duì)其他同類定位設(shè)備鑒定的可行性，三是分析動(dòng)態(tài)精度誤差，為下一步提高動(dòng)態(tài)定位精度提供參考。主要方法是以差分GPS定位數(shù)據(jù)為真值，運(yùn)用 “跑車”測試法獲取北斗接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)，通過與真值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取北斗接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位誤差數(shù)據(jù)，解算出動(dòng)態(tài)定位精度。

2 北斗接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位誤差分析

定位誤差主要分為三類：1）衛(wèi)星誤差：星歷誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差；2）傳播誤差：電離層延遲改正誤差、對(duì)流層延遲改正誤差、多路徑效應(yīng)、相對(duì)論效應(yīng)誤差；3）接收機(jī)誤差：觀測噪聲誤差、天線相位中心誤差［2］、接收機(jī)鐘差。

在實(shí)際工作中，可采用以下措施修正誤差，提高定位精度：1）通過差分技術(shù)或二項(xiàng)式模擬衛(wèi)星鐘誤差消弱衛(wèi)星鐘差［3］；2）通過導(dǎo)航電文中的電離層改正模型減小電離層延遲誤差［4］、采用對(duì)流層改正模型減小對(duì)流層延遲誤差、在天線下設(shè)置抑制板阻擋反射波、利用天線方向圖的空間特性來降低多徑效應(yīng)誤差［5］；3）避免不必要的人為操作誤差。

3 北斗接收機(jī)定位精度測試

3.1 測試設(shè)備

定位精度測試設(shè)備包括硬件設(shè)備和軟件設(shè)備。

硬件設(shè)備包括：北斗接收機(jī)一套（接收機(jī)、天線、電纜）、錄取數(shù)據(jù)用筆記本電腦一臺(tái)、通用串口RS232轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線一根；GPS接收機(jī)兩套（接收機(jī)、天線、饋線、存儲(chǔ)卡）作為對(duì)比標(biāo)定設(shè)備。

軟件設(shè)備包括：GrafNav數(shù)據(jù)處理軟件、Convert32數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件和 “坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”軟件。設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)測試設(shè)備連接圖

3.2 測試地點(diǎn)及路線

基準(zhǔn)站設(shè)在某指揮所GPS機(jī)房，GPS天線架于指揮所樓頂，動(dòng)態(tài)定位精度測試的場所位于野外測試車內(nèi)，北斗接收機(jī)和GPS接收機(jī)天線架設(shè)于野外測試車頂，兩臺(tái)GPS接收機(jī)天線精確水平距離為169cm，北斗接收機(jī)天線中心距離其中一套GPS接收機(jī)天線10cm。動(dòng)態(tài)定位精度測試起止數(shù)據(jù)的起止時(shí)間為2013－10－11T15：08：00—16：13：00，采樣率為1s。測量路線為某市環(huán)城公路。

3.3 差分GPS測量結(jié)果作為真值鑒定北斗接收機(jī)的可行性

由于在動(dòng)態(tài)定位中很難找到一個(gè)絕對(duì)的 “真值”，因此，采用內(nèi)部檢驗(yàn)與外部比較相結(jié)合的辦法來對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。一是采用相對(duì)動(dòng)態(tài)定位模式分別求解兩臺(tái)GPS接收機(jī)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的位置，二是結(jié)合基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)對(duì)兩臺(tái)GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位進(jìn)行差分修正，三是解算出它們每個(gè)歷元的幾何距離，與地面量測的精確距離進(jìn)行比對(duì)，以檢驗(yàn)其動(dòng)態(tài)精度，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，解算得到的幾何距離與真實(shí)距離169cm在4cm范圍內(nèi)波動(dòng)，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)在誤差在2cm以內(nèi)，曲線波動(dòng)比較平穩(wěn)，解算結(jié)果表明差分后的GPS數(shù)據(jù)精度很高，完全可以用其鑒定北斗接收機(jī)。

圖2 雙GPS天線斜距離誤差圖

3.4 北斗時(shí)與GPS時(shí)空系統(tǒng)比較

3.4.1 CGCS2000與WGS－84坐標(biāo)系

我國北斗系統(tǒng)CGCS2000與GPS系統(tǒng)WGS－84同屬于協(xié)議地球參考系。其坐標(biāo)系坐標(biāo)定義基本一致，但由于存在測軌監(jiān)測站站址坐標(biāo)誤差和測量誤差，因而定義的坐標(biāo)系和實(shí)際使用的坐標(biāo)系存在一定的差異。WGS84精度最初精度為1m，經(jīng)過兩次精化后，目前已達(dá)到5cm，CGCS2000坐標(biāo)系精度也在這個(gè)水平，因而對(duì)于精度低于5cm，可以認(rèn)為這兩個(gè)坐標(biāo)系同屬于一個(gè)坐標(biāo)系，不需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，只需要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一格式即可。

3.4.2 北斗時(shí)與GPS時(shí)

北斗系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)采用北斗時(shí)（BeiDou navigation satellite system time，BDT），BDT是一個(gè)連續(xù)的時(shí)間系統(tǒng)，取國際單位制（SI）秒為基本單位，以周和周內(nèi)秒為單位連續(xù)計(jì)數(shù)，不閏秒，并通過北斗導(dǎo)航電文播發(fā)。BDT起算歷元時(shí)問為2006－01－01T00：00：00的協(xié)調(diào)世界時(shí)（coordinated universal time，UTC），BDT與UTC的時(shí)間偏差保持在100ns內(nèi)，BDT與UTC之間的閏秒信息會(huì)在導(dǎo)航電文中播報(bào)［6］。

GPS系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)采用GPS時(shí)（GPS time，GPST），和BDT不同的是它的起算歷元時(shí)問為1980－01－06T00：00：00的協(xié)調(diào)世界時(shí)，GPST 與UTC的時(shí)間偏差保持在100ns內(nèi)，GPST與UTC之間的閏秒信息會(huì)在導(dǎo)航電文中播報(bào)［7］。

本文在數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到UTC時(shí)，進(jìn)行比較。

3.5 北斗接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位測試結(jié)果

對(duì)北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)真值坐標(biāo)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和時(shí)間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，北斗數(shù)據(jù)與GPS真值部分?jǐn)?shù)據(jù)比對(duì)如表1所示（左邊數(shù)據(jù)為北斗數(shù)據(jù)）。

表1 BDS動(dòng)態(tài)測量數(shù)據(jù)與GPS真值數(shù)據(jù)比對(duì)/m

ECEF－X方向數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在6m范圍內(nèi)起伏，個(gè)別誤差數(shù)據(jù)達(dá)到7m。ECEF－Y方向數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在3m范圍內(nèi)起伏，個(gè)別誤差數(shù)據(jù)達(dá)到4m。ECEF－Z方向數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在3m范圍內(nèi)起伏，個(gè)別誤差數(shù)據(jù)達(dá)到4m。斜距離數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差在8m。比對(duì)結(jié)果如圖3～圖6所示：

圖3 北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)真值在ECEF－X方向誤差圖

圖4 北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)真值在ECEF－Y方向誤差圖

圖5 北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)真值在ECEF－Z方向誤差圖

圖6 北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)真值斜距離誤差圖

3.6 北斗接收機(jī)與GPS接收機(jī)精度比較

GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與真值部分?jǐn)?shù)據(jù)比對(duì)如表2所示（左邊數(shù)據(jù)為GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)）。

表2 GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與真值部分?jǐn)?shù)據(jù)比對(duì)

GPS接收機(jī)ECEF－X方向數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在4m范圍內(nèi)起伏，個(gè)別誤差數(shù)據(jù)達(dá)到5m。ECEF－Y方向數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在7m范圍內(nèi)起伏，個(gè)別誤差數(shù)據(jù)達(dá)到8m。ECEF－Z方向數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差數(shù)據(jù)主要在2.5m范圍內(nèi)起伏，個(gè)別誤差數(shù)據(jù)達(dá)到3m。斜距離數(shù)據(jù)與真值對(duì)比結(jié)果：誤差在8m。比對(duì)結(jié)果如圖7～圖10所示，從數(shù)據(jù)來看在ECEF－X方向北斗接收機(jī)誤差大，在ECEF－Y方向GPS接收機(jī)誤差大，在ECEF－Z方向誤差二者精度相當(dāng)，在斜距離方面二者精度相當(dāng)。

圖7 GPS與真值在ECEF－X方向誤差圖

圖8 GPS與真值在ECEF－Y方向誤差圖

圖9 GPS與真值在ECEF－Z方向誤差圖

圖10 GPS與真值斜距離誤差圖

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)影響北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差的原理進(jìn)行了描述，然后運(yùn)用GPS接收機(jī)與北斗接收機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)精度測試，最后通過測試數(shù)據(jù)與真值比對(duì)得到北斗接收機(jī)的動(dòng)態(tài)定位誤差數(shù)據(jù)，對(duì)定位誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析并與GPS接收機(jī)精度進(jìn)行了比較。在本文研究過程中，由于天氣、測試時(shí)間、路線等原因，動(dòng)態(tài)誤差測試數(shù)據(jù)不一定具有代表性，數(shù)據(jù)量也不足，因此得出的結(jié)論可能并不適用于所有的情況。另外由于測試所使用的北斗接收機(jī)的接收級(jí)別較低，定位的精度有限，使得測試得到的數(shù)據(jù)與真值存在著不小的偏差，以至于獲得的動(dòng)態(tài)定位誤差結(jié)果偏大。今后，隨著BDS空間混合星座布局的不斷完善，北斗接收機(jī)的精度還會(huì)逐步提高，再加上充分發(fā)揮短報(bào)文特色服務(wù)，屆時(shí)，BDS將成為全球重要的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，甚至國際導(dǎo)航定位系統(tǒng)的領(lǐng)跑者。

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