北斗衛星導航系統用于東北地區高精度變形監測性能分析

丁　盼，席瑞杰，肖玉鋼

(武漢大學測繪學院， 湖北 武漢 430079)

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北斗衛星導航系統用于東北地區高精度變形監測性能分析

丁盼，席瑞杰，肖玉鋼

(武漢大學測繪學院， 湖北 武漢 430079)

Performance Analysis of High-precision Deformation Monitoring Using Beidou Navigation Satellite System in Northeast China Region

DING Pan，XI Ruijie，XIAO Yugang

摘要：截至2015年1月，我國北斗區域衛星導航系統已正式運行滿2年。目前北斗衛星導航系統的星座組網尚未完成，只可為亞太地區特別是低緯度地區提供較好的服務，即服務拓展到南北緯55°，東經55°至180°。由于我國東北地區所處緯度較高，可能會受到北斗星座不完善的影響。為了分析我國北斗衛星導航系統在東北地區高精度變形監測中的監測性能，本文在哈爾濱地區搭建了北斗變形監測數據采集平臺并研制了北斗高精度變形監測軟件。通過對連續10 d的實測數據進行處理，測試評估了北斗在變形監測中的數據質量與精度。試驗結果表明，東北地區短基線變形監測條件下，北斗變形監測多個測段對應基線N、E分量重復性優于7 mm，U分量重復性優于1 cm。

關鍵詞：北斗衛星導航系統；東北地區；高精度；變形監測；數據質量

作為當今最先進的變形監測手段之一，GNSS定位技術已廣泛應用于大型建筑物(如大壩、水庫等)、滑坡體、構造運動等變形監測中[1-5]，并取得了較好的監測效果。如文獻[2]的GPS高精度變形監測軟件GPSMON可實現單歷元解算水平方向8 mm，高程方向亞厘米的定位精度；文獻[3]的大壩變形監測系統可實現4 h時段解N、E、U方向0.8、0.7、1.5 mm的定位精度，并在山西省西龍池抽水蓄能水電站上水庫的變形監測工作中穩定運行。可見，GPS技術已趨于成熟，在GNSS高精度變形監測中占據著主導地位。

北斗區域衛星導航系統(BeiDou Regional Navigation Satellite System，BDS)于2012年12月27日正式開始運行，已可為亞太地區提供獨立定位、導航、授時(PNT)和短報文服務[6-8]。楊元喜院士初步評估了北斗在目前衛星星座狀態下的基本導航定位性能，得出北斗偽距和載波相位測量精度已與GPS處在同一水平[6]。在變形監測領域，文獻[9]驗證了北斗衛星導航系統在高精度變形監測中的監測性能，即在短基線變形監測條件下，水平方向精度優于1 mm，垂直方向優于2 mm，可滿足各種工程建筑物及地質災害的高精度監測需求。由此可見，北斗衛星導航系統的成功建立為打破GPS在高精度變形監測領域中的壟斷地位提供了良好契機。

但目前北斗衛星導航系統星座布網尚未完成，其覆蓋范圍有限，特別是較高緯度地區可能會受到北斗星座不完善的影響，文獻[9]并未針對較高緯度的監測性能作深入分析。為此本文在北緯46°、東經126°搭建了北斗變形監測數據采集平臺，并利用北斗高精度變形監測軟件進行數據處理，評估了北斗衛星導航系統在東北地區高精度變形監測中的數據質量和監測精度，為北斗系統用于較高緯度地區變形監測提供一定的技術支撐。

一、GNSS數據采集與處理

1. 北斗數據采集平臺

為開展北斗變形監測的數據質量及精度評估，本文在哈爾濱地區一段高鐵沿線相距290 m的兩端安裝了GNSS自動化變形監測系統，其中基準站為HB01，監測站為HC01、HC02、HC03、HB02。HB01和HC01相距4 m，HC02、HC03、HB02三個站平均距離為4 m，HB01和HB02相距290 m，如圖1所示。儀器配置均采用Trimble NET R9接收機及CHOKE RING天線(TRM59900.00)，天線固定在強制對中基座上(安裝于觀測墩上)，觀測墩要求嚴格水平。數據采集自2015年3月12—21日(年積日為071—080，共10 d)，采用全天候24 h不間斷觀測，采樣間隔為15 s。同時接收和存儲BDS和GPS觀測數據，后期對兩個系統觀測數據分別進行解算以便進行對比分析。

圖1　變形監測網

2. 數據處理軟件

本文針對變形監測的短基線特點，顧及高精度的需求，對GNSS基線解算模型進行精化，開發了北斗基線解算軟件。主要模型及基線處理策略見表1。

表1　基線處理策略

二、數據質量分析

目前北斗星座尚未部署完畢，衛星數及空間幾何結構可能需要進一步完善。在進行試驗之前對北斗試驗數據進行質量分析，包括衛星可見性、衛星的幾何結構精度因子(PDOP)等觀測情況，并分析了觀測過程中受到的多路徑影響，從而為數據處理及結果分析提供基礎信息。

1. 衛星可見性及PDOP值分析

試驗數據采用的是基準站HB01站在2015年3月18日(DOY=077)一整天的北斗觀測數據，采樣間隔是15 s，共采集了5760個歷元的數據。分別統計了一天內的可見衛星數及三維位置精度因子PDOP值，如圖 2所示。圖中灰色線條表示的是可見衛星數逐歷元的變化，黑色線條表示的是PDOP值逐歷元的變化。

從圖中可以看出，在HB01測站，每個歷元可觀測北斗衛星5～10顆，平均可觀測到8顆衛星。從PDOP值可以看出，三維位置精度因子為1～4之間，一般小于3，且個別歷元出現跳躍的現象，與衛星數曲線對比可以看出，PDOP出現跳躍主要與衛星個數變化即衛星的出現和消失有關，因此從衛星可見數及幾何精度因子來看，北斗衛星可實現基本的導航定位需求，但在若干時段可能出現精度下降的現象。

圖2　衛星數及PDOP 值

同時，本文計算了衛星的高度角和方位角，繪出了第77天的衛星天空圖，如圖 3所示。其中，1—4號衛星為GEO衛星， 6—10號衛星為IGSO衛星， 11、12和14號衛星為MEO衛星。由圖可見，在HB01測站，一天內可觀測到12顆在軌正常運行的北斗衛星；由于1—4號衛星為地球靜止同步軌道衛星，因此衛星相對于測站基本處于靜止狀態，衛星軌跡為點狀；6—10號衛星為傾斜地球同步軌道衛星，在天空圖里顯示為“8字”形。而5號衛星和13號衛星在所有時段中均觀測不到，主要是因為測站緯度較高造成的。從圖中還可看出，北斗衛星在南北方向衛星分布很不均勻，這必定給N和U方向的定位精度造成較大影響。

圖3　HB01測站衛星天空圖

2. 多路徑分析

衛星信號與經附近反射物進入接收機天線的信號產生干涉引起的時延，稱為多路徑效應。多路徑誤差常常與測站周圍的環境有關，在一定程度上表現為偶然誤差，很難進行模型化[10]，是GPS測量的一個主要誤差源。在試驗前對多路徑效應進行分析，可有效掌握數據質量，為后續數據處理打下一定的基礎。由于載波相位觀測值受到的多路徑影響較偽距觀測值小得多，因此，在進行多路徑分析時，僅利用偽距多路徑信息來評估數據質量。本文使用2015年第77天一整天的數據計算了HB01站觀測到的所有北斗衛星的MP1、MP2序列及衛星高度角，如圖4、圖5所示。限于篇幅，本文僅顯示了2顆GEO衛星、2顆IGSO衛星和2顆MEO衛星的多路徑信息圖。

圖4　偽距多路徑效應MP1

由圖可見，1號衛星一天里高度角變化較小，為45°左右，MP1、MP2變化在1 m以內，并且較為平緩；2號衛星的MP1、MP2變化較大，可能是由于附近有遮擋導致，但普遍也在1 m以內。IGSO衛星和MEO衛星高度角變化較為明顯，相應的多路徑變化也較大，且在高度角較低時受到的多路徑較為嚴重。但是，除極少數時段外，所有衛星的多路徑均在2 m以內，高度角較高的情況下均在1 m以內，表明數據采集的觀測環境較好，數據質量較好，為后續評估北斗在較高緯度的變形監測性能提供了較好的數據基礎。

三、監測精度分析

在數據處理之前，本文利用GAMIT軟件對多天的GPS數據進行處理，求得了各測站達毫米級的點位坐標，以此作為真值供后續使用。首先利用自主研制的北斗高精度變形監測軟件對上述60個時段的BDS數據進行了數據處理，同時利用與北斗高精度變形監測軟件相同算法與策略的GPS變形監測軟件對GPS數據進行處理，然后在各時段解與真值作差后獲得E、N、U 3個方向上的殘差序列，繪制了殘差序列圖。限于篇幅，僅顯示HC01和HC03兩個測站的結果，如圖6、圖7所示。其中圓點為BDS數據處理結果，三角形為GPS結果。

從圖中可以看出，BDS基線解算結果在E分量上的波動在5 mm 以內，與GPS 解算結果精度相當；N分量上，BDS 解算結果波動在1 cm以內，而 GPS 解算結果在4 mm 以內；U分量上，BDS 解算結果波動在1.5 cm以內，GPS 解算結果在8 mm以內。由以上對比可知，BDS解算結果與GPS結果在E分量上吻合較好，而N、U分量BDS數據處理結果均與GPS結果存在一定差距。

圖5　偽距多路徑效應MP2

圖6　HC01監測站殘差序列圖

由圖中還可以看出，單BDS數據處理結果各基線序列均表現為E分量結果最好，N分量次之，U分量較差，這主要是由于BDS系統的衛星在東西方向上分布較為均勻，南北方向分布不均，造成南北方向的衛星幾何強度比東西方向差，因此對南北方向和垂直方向的精度造成一定的影響。

本文對BDS和GPS 60個時段的數據處理結果進行了基線重復性統計(見表2)。從表中可以看出，BDS基線重復性在水平方向上優于7 mm，垂直方向上優于1 cm。而GAMIT處理的GPS結果在水平方向上可達到3 mm，垂直方向上可達到5 mm。這種差距主要是由于BDS系統星座組網尚未完成導致的，隨著BDS衛星星座的不斷完善，其數據處理精度必定會進一步提高。

四、結束語

本文在較高緯度的東北地區搭建了北斗變形監測數據采集平臺，利用北斗高精度變形監測軟件，對北斗在較高緯度的變形監測性能進行了分析。得出，在東北地區采集到的北斗數據較好，數據解算的多個測段對應基線水平方向重復性優于7 mm，垂直方向重復性優于1 cm，相較于GPS結果還存在一定差距。這主要是因為北斗衛星星座組網尚未完成，未能獲得較好的衛星幾何結構，隨著BDS衛星星座的不斷完善，其監測精度必定會進一步提高。然而北斗變形監測在當前的星座下依然可為東北地區多種工程建筑物及地質災害監測提供技術支撐。

參考文獻：

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[10]HOFFMANN-WELLENHOF B, LICHTENEGGER H, COLLINS J. GPS Theory and Practice[M]. 3rd ed. New York:Springer-Verlag，1994.

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0033-05

作者簡介：丁盼(1990—)，男，碩士生，主要研究方向為GNSS變形監測。E-mail：m13163295218@163.com

基金項目：國家自然科學基金(41374033)

收稿日期：2015-07-13

引文格式： 丁盼，席瑞杰，肖玉鋼. 北斗衛星導航系統用于東北地區高精度變形監測性能分析[J].測繪通報，2016(4)：33-37.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0116.