北斗三頻與雙頻相對定位性能分析

楊東森,呂志偉,岳彩亞,王鵬旭,劉柳

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.北斗導航應用技術河南省協同創新中心,鄭州 450001;3.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590)

?

北斗三頻與雙頻相對定位性能分析

楊東森1,2,呂志偉1,2,岳彩亞3,王鵬旭1,2,劉柳1,2

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.北斗導航應用技術河南省協同創新中心,鄭州 450001;3.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590)

對北斗三頻與雙頻相對定位的性能進行分析。鑒于目前對北斗三頻相對于雙頻的優勢分析較少,本文利用北斗及GPS實測數據在定位精度與質量上,分析對比了二者的性能且對北斗頻率的變化對定位產生的影響進行了分析。同時區分GEO、IGSO、MEO不同類型衛星對整周模糊度解算的影響進行了實驗分析。

北斗衛星導航系統;三頻;雙頻;定位性能

0　引　言

目前世界上主要的衛星導航系統包括美國的全球定位系統GPS、俄羅斯的格洛納斯系統(GLONASS)、歐盟的伽利略系統(Galileo)以及我國的北斗衛星導航系統(BDS),還有日本的準天頂衛星導航系統(QZSS)以及印度的區域衛星導航系統(IRNSS)。這些系統都將在至少三個頻點上播發衛星導航信號,多系統多頻觀測值的出現,使得長波長、電離層誤差小以及觀測噪聲小的組合方式更加靈活[1]。GNSS技術應用已由原來單接收機的GNSS標準定位(SPS),發展到差分GNSS(DGNSS)、RTK、精密單點定位(PPP)、網絡RTK、地基增強WAAS系統、空基增強SBAS系統等多種導航定位技術。GPS 靜態相對定位技術目前已經廣泛應用在各級控制網布設和實施中,隨著我國北斗系統的快速建設,GPS/BDS雙星座靜態相對定位成為可能。

李浩軍利用三頻信號進行精密單點定位時指出三頻觀測值對于長時間觀測結果精度的改善不明顯,但對于短時間觀測結果的精度與參數收斂時間都有一定的改善[2]。劉威在偽距單點定位精度及可用性方面分析了北斗單頻與多頻的特點,指出在觀測條件較差時,多頻比單頻偽距單點定位更加穩定、可靠,但是其僅僅分析了單點定位的性能[3]。趙磊分析了北斗系統單頻點的信噪比、多徑誤差以及單點定位精度,對北斗系統三頻單點定位做出了整體評估,但是沒有關于相對定位的介紹[4]。朱永興研究了北斗區域導航系統靜態、動態精密單點定位的精度,并與GPS定位結果進行比較,指出北斗精密單點定位可以實現靜態厘米級、動態分米級的定位精度,達到目前GPS精密單點定位水平[5]。張小紅在分析北斗多頻模糊度解算方法時提到三頻相對于雙頻的優勢,但是其在定位性能方面未作詳細探討[6-7]。為充分利用多頻使模糊度更容易被固定、更好地進行周跳探測與修復以達到高精度定位、導航的要求,現已有大量學者在原有模糊度解算方法TCAR基礎上進行研究與創新。

鑒于目前關于北斗三頻相對于雙頻的優勢分析較少,本文采用實測北斗三頻數據分析了二者在相對定位方面的性能優劣,并因北斗星座異構對模糊度解算所產生的影響進行了研究分析。

1　BDS/GPS衛星星座

GPS星座采用碼分多址(CDMA)擴頻通信體制,現代化后的GPS衛星將在L1、L2和L5上調制衛星導航信號。我國BDS同樣由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成,根據計劃空間星座部分主要由5顆地球靜止軌道衛星(GEO)和27顆中圓地球軌道衛星(MEO)和3顆傾斜地球同步軌道衛星(IGSO)組成。北斗衛星導航(區域)系統的衛星星座由 14 顆組網衛星組成,其中包括5顆地球靜止同步軌道衛星,5顆傾斜軌道衛星以及4顆中軌衛星。北斗衛星導航系統同樣采用碼分多址擴頻通信體制,在 B1,B2 和 B3 三個頻段上調制導航信號[8]。北斗系統多頻技術在多頻觀測量組合理論、周跳探測與修復以及整周模糊度解算等方面已經獲得巨大的應用。目前北斗精密單點定位可以實現靜態厘米級、動態分米級的定位精度,與GPS精密單點定位水平相差不多[9]。2012 年底北斗衛星導航系統初步具備亞太地區服務的能力,北斗系統區別于GPS,在軌衛星均能發射三頻衛星信號,極大地方便了學者們的研究,其載波頻率如表1所示。

表1　GPS/BDS系統頻率　　　單位:MHz

2　實驗設計

為分析北斗系統三頻定位與雙頻定位的性能,本文使用在鄭州市采集的數據,以區別于CORS網站及IGS參考站,驗證系統在一般地區的定位性能。利用上海司南測量型接收機(M300Pro)于2015年12月22日、12月28日分別采集基線長度大約為6 m、22 km的基線,采樣間隔均設置為1 s,高度截止角設定為15°,接收機均置于樓頂且具備較好的觀測條件。

通過處理實驗數據以分析利用北斗三頻數據與雙頻數據進行相對定位的性能。利用Rtklib開源軟件及自編程序分析北斗衛星導航系統在使用三頻定位與使用雙頻定位的差異,并且對北斗GEO、IGSO、MEO三種不同類型衛星在參與模糊度解算時所表現出的差異給予分析。

3　實驗分析

因為GPS在同一歷元時刻觀測到發射三頻信號衛星的數量不足4顆,所以只利用BDS進行三頻與雙頻定位的分析。實驗采用基線長度約為6 m的實測北斗數據,首先對比北斗單頻、雙頻與三頻靜態相對定位在緯度、經度以及高程分量的絕對誤差可知,三頻相對于雙頻(B1+B2)在相對定位精度方面沒有太大的改善。對于6 m左右短基線的相對定位,基線真值選用GPS衛星并輔以精密星歷及鐘差文件計算獲得,定位的絕對誤差如表2所示。

表2　不同頻率組合定位絕對坐標誤差

圖1(a)示出了6 m基線相對定位時雙頻定位的標準差,圖1(b)示出了三頻情形下相關結果。由圖1可以看出,北斗三頻相對定位在短基線情形下相比于雙頻定位結果較穩定,但是對于定位的精度沒有顯著的提高。

圖2(a)和圖2(b)分別為22 km基線相對定位時雙頻與三頻定位的標準差。由圖2可以看出,對于該長度左右的基線的相對定位,一般情況下三頻相對于雙頻在定位精度上并沒有太大的提升。

為研究動態定位情況下北斗三頻與雙頻定位性能,通過在鄭州市采集約一個多小時的動態數據進行動態相對定位的實驗分析。實驗采樣間隔設置為1 s,基線長度大約為13 km.

圖3(a)為雙頻情形下動態定位在E、N、U方向的標準差,圖3(b)為三頻情形下相關結果。這表明,在進行動態定位時,北斗三頻相對于雙頻定位性能提升亦不明顯,動態定位的結果仍然不夠理想,二者相差的并不多。

由以上分析可知,北斗三頻相對定位精度相比于雙頻情形下沒有明顯地提高[6],這也是目前對于北斗三頻在定位精度上研究較少而在多頻組合觀測理論、周跳探測與修復以及整周模糊度解算等方面研究較多的一個原因。

圖3　動態定位時雙頻與三頻相對定位標準差 (a)雙頻；(b)三頻

由圖4可以看出,在利用TCAR方法解算北斗短基線模糊度時,單純GEO衛星在解算單頻點(B1)模糊度時有較大的誤差,大部分都在0.3周左右,當選用IGSO-GEO、MEO-GEO衛星組合時,可見解算誤差相應的減小;當選用IGSO-IGSO衛星組合時,基礎模糊度解算誤差可以限制在0.2周左右;同樣,IGSO-MEO、MEO-MEO衛星組合也可以達到相應的精度。北斗衛星導航系統星座中,ISGO、GEO為運動角速度較慢的高軌衛星,尤其是GEO 衛星的角速度更慢,這會對定位結構模型精度產生影響。由于GEO衛星的多路徑誤差和空間幾何構型變化緩慢,所以其參與模糊度解算后會降低模糊度固定的可靠性。

圖5左邊為20°高度截止角解算北斗短基線B1頻點模糊度誤差,右邊為30°高度截止角解算結果。分析圖4與圖5中GEO衛星解算單頻點模糊度誤差可以發現,通過設置較大的高度截止角可以有效減小GEO衛星解算模糊度誤差。

圖4　不同類型衛星模糊度估值解算誤差

圖5　不同高度截止角解算誤差(a) 20°;(b) 30°

4　結束語

北斗高精度導航與定位是目前研究的重難點,也是鞏固北斗衛星導航系統在全球衛星導航系統中的地位之要求。多頻技術的出現被稱為無線電技術的又一場革命。目前主要的衛星導航系統均向多頻信號發展,多頻相對于雙頻和單頻有不可替代的作用。

本文分析了不同長度基線在靜態相對定位以及動態相對定位中的性能。實驗結果表明:北斗三頻相對定位的精度相比于雙頻定位結果沒有太大的提高,但是其利用多頻線性組合在模糊度快速收斂方面有較大的優勢。北斗GEO衛星由于其系統性的偏差以及衛星空間幾何構型變化緩慢,所以其參與模糊度解算時會降低固定的可靠性,相比較而言,IGSO、MEO衛星則有較好的精度。

[1]李金龍.北斗/GPS多頻實時精密定位理論與方法[D]. 鄭州:信息工程大學,2014.

[2]李浩軍,朱衛東,張勇. 采用三頻信號的精密單點定位[J]. 中國科學院上海天文臺年刊,2013,34:93-101.

[3]劉威,陳向東,朱軍,等.北斗單頻與多頻偽距單點定位精度與可用性分析[C]//第五屆中國衛星導航學術年會電子文集,2014.

[4]趙磊,張云,韓彥嶺,等.北斗系統三頻單點定位性能研究[J].測繪科學,2015,40(7):8-14.

[5]朱永興,馮來平,賈小林,等.北斗區域導航系統的PPP精度分析[J]. 測繪學報,2015,44(4):377-383.

[6]ZHANG X H, HE X Y. Performance analysis of triple-frequency ambiguity resolution with BeiDou observations[J].GPS Solutions,2016(20):269-281.

[7]張小紅,何錫揚. 北斗三頻相位觀測值線性組合模型及特性研究[J]. 中國科學:地球科學,2015,45(5):601-610.

[8]楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1):1-6.

[9]張小紅,左翔,李盼,等.BDS/GPS精密單點定位收斂時間與定位精度的比較[J]. 測繪學報,2015,44(3):250-256.

Performance Analysis of Relative Positioning with BeiDou Triple-frequency and Dual-frequency Observations

YANG Dongsen1,2,Lü Zhiwei1,2,YUE Caiya3,WANG Pengxu1,2,LIU Liu1,2

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China；2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China；3.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

To analyze the performance of relative positioning with BeiDou triple-frequency and dual-frequency data. Given the current BeiDou triple-frequencywith respect to the dual-frequency advantages of less analysis,analyzed the performance of the two and the impact of the positioning with BeiDou frequency changed with real BeiDou and GPS observations.At the same time, the comparison of variousinfluenceon ambiguity resolution between the different types of satellitesGeostationary Orbit (GEO), Inclined Geosynchronous Orbit (IGSO), and Medium Earth Orbit (MEO) was also conduct.

BDS; triple frequency; dual-frequency; positioning performance

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.011

2016-05-10

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0048-05

楊東森(1991-),男,河南南陽人,碩士生,主要從事GNSS多頻數據處理的研究。

呂志偉(1974-),男,江西贛州人,副教授,主要從事衛星精密定位的研究。

岳彩亞(1990-),男,河南濮陽人,碩士生,主要從事GNSS數據處理與分析。

聯系人： 楊東森 E-mail :yangdongsen2015@sina.com