北斗/GPS導航系統在西北地區的定位精度分析

李 勝

（1.新疆維吾爾自治區測繪科學研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

北斗/GPS導航系統在西北地區的定位精度分析

李 勝1

（1.新疆維吾爾自治區測繪科學研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

分析了我國西北地區北斗/GPS地基增強系統的定位精度情況。實測數據說明，該地區GPS、BDS、GPS+BDS三種定位模式的平面內符合精度均優于2 cm，高程方向優于5 cm。在外符合精度方面，雖然三種模式定位精度均能達到設計要求（水平≤5 cm，垂直≤10 cm），但北斗衛星由于其衛星分布構型不均勻（多位于東南方向），導致該地區北斗RTK定位精度在高程方向稍差，明顯遜色于GPS的定位精度。

北斗地基增強系統；網絡RTK；精度測試

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）自誕生以來一直是世界各國搶占未來發展制高點的戰略選擇。最初由美國主導的全球衛星定位系統（GPS）因其開放性得到了廣泛的應用，然而在國防、金融、電力等事關國家安全的領域埋下了嚴重的隱患。2012年12月，我國自主研發、獨立運行的北斗衛星導航系統正式進入試運行階段，且日臻完善。作為北斗高精度定位、導航輔助系統的北斗地基增強系統建設也在積極展開。該系統是在一定區域內建立一個或多個基準站，對所在地區構成網狀覆蓋，并以這些基準站中的一個或多個為基準，計算和播發誤差改正信息，對該區域內的衛星定位用戶進行實時改正[1]。

北斗系統的建設工作目前正處于第二階段，即區域無源，在我國西北地區北斗衛星幾何構型較差，衛星多處于東南方向。基于上述考慮，本文采用新疆北斗地基增強試驗系統實測數據，分析北斗/GPS網絡RTK在西北地區的定位精度。

1 測試方法

系統精度測試是指RTK實時定位精度測試。本文采用靜態已知點檢測方法,分內符合精度測試和外符合精度測試2項。系統內符合、外符合精度測試反映的是用戶在實時動態作業條件下，通過系統播發的網絡RTK改正信息，得到的實時定位服務精度[2]。影響RTK實時定位測量精度的因素有流動站測站點環境情況、時段衛星分布情況（可用衛星數和衛星天空視圖）、通信質量狀況（是否收到網絡RTK改正信息）、系統定位算法的優劣等[3]。統計測試點的內符合精度和外符合精度，即可對系統精度作出正確的評定[4]。

1.1 內符合精度

內符合精度是指同一測試點多次測量結果之差，反映的是系統定位的可靠性和穩定性[5]。其具體做法是[6]：確定坐標系統框架以及投影的中央子午線度數，平面坐標的精度評定以當地中央子午線高斯投影的平面坐標進行，高程方向以大地高為比較值。計算每一測點剔除粗差后的所有測量值的平均值，再將該平均值與每一測量值求差，統計所有差值的分布情況，并對差值在不同區間的概率進行統計，同時根據式（1）分別計算系統N（北）、E（東）、H（平面）、U（高程）方向的內符合精度：

式中，n為測量值總數，即剔除粗差觀測后全部實時動態測量值總數；ΔX為測點測試值與相應測試平均值在x方向的差值；MXx為系統x方向內符合精度，反映系統實時定位的穩定性[7]。

1.2 外符合精度

外符合精度是指測量值與已知值（即控制點）之差，反映系統的正確性、可靠性及兼容性等[5]。在進行外符合精度測試時，將實時解算結果和當地控制點參考坐標均投影至當地中央子午線高斯平面，然后比較二者在N、E、H、U方向的差值并根據式（2）統計外符合精度：

式中，θ為測試坐標、參考坐標進行平面投影后各方向值差值；N為測試歷元數；τ為系統外符合精度，可反映系統定位的準確性。

2 實測數據分析

2.1 測區概況

新疆北斗地基增強試驗系統的基準站分布如圖1所示。圖2為基準站XJHS的星空圖，反映該地區衛星分布情況，GPS可觀測衛星數較多，分布較為均勻；北斗衛星在該地區星座分布偏東南方向，分布結構明顯不如GPS。本次測試在測區內外共選擇了11個測點，每個測點上有100～150個測量數據。

圖1 基準站分布圖

圖2 GPS、BDS衛星星空圖

2.2 內符合精度分析

內符合精度按照本文第一部分的測試方法進行統計。平面坐標的精度評定以87°中央子午線高斯投影的平面坐標進行，以WGS84坐標的大地高為高程方向的比較值，分別采用單GPS、單北斗以及GPS+BDS聯合定位3種定位模式，其內符合精度統計結果如表1、圖3、圖4所示。由圖表數據可見，GPS、BDS、GPS+BDS 3種模式在11個點的測試中內符合誤差RMS值均較小。對實測數據進行內符合誤差分布百分比統計，平面方向內符合誤差RMS在2 cm以內的歷元達到90%以上，且大部分達到100%，平面RMS在5 cm以內的歷元達到100%；高程方向RMS在5 cm內的歷元達到97%以上。因此，該系統定位內符合情況較好，系統具有優良的穩定性。同時從三種定位模式的縱向對比可以看出，BDS、GPS、GPS+BDS定位效果依次變優。

表1 內符合精度統計表/m

圖3 GPS、BDS、GPS+BDS在H（平面）方向內符合精度分布

圖4 GPS、BDS、GPS+BDS在U（高程）方向內符合精度分布

2.3 外符合精度分析

在進行外符合精度測試時，將網絡RTK實時解算結果和控制點參考坐標均投影到87°高斯平面，然后比較二者坐標在平面方向的差值，高程方向仍采用大地高進行比較，其結果如表2所示。圖5、圖6給出了11個測試點分別采用GPS、BDS、GPS+BDS三種定位模式在水平和高程方向的外符合精度分布百分比圖。外符合誤差在N、E、H方向都為cm級，對11個測試點共33組（三種定位模式）記錄在N、E、H方向的偏差求RMS值，分別為0．042 m、0．024 m、0．048 m，U方向的誤差除個別點超過0．1 m外，其他點誤差都在0．1 m以下。由圖表數據可知，單獨使用北斗的定位模式在平面方向其精度與GPS相似，但在高程方向其精度明顯遜色。

表2 外符合精度統計表/m

圖5 GPS、BDS、GPS+BDS在H（平面）方向外符合精度分布百分比圖

圖6 GPS、BDS、GPS+BDS在U（高程）方向外符合精度分布百分比圖

3 結 語

隨著北斗系統的日臻完善，各地區北斗地基增強系統的建設也隨之展開。由于目前北斗系統在軌衛星數目以及星座設計的限制，導致了我國西北地區可觀測的北斗衛星空間幾何構型較差。通過對新疆地區北斗地基增強系統的實測網絡RTK數據的分析，對西北地區北斗/GPS網絡RTK的定位精度進行評估分析發現，該地區三種定位模式下平面內符合精度均小于2 cm，高程方向內符合精度優于5 cm。由三種定位模式的縱向對比可以看出，BDS、GPS、GPS+BDS定位效果依次變優。外符合精度方面，三種不同定位模式的平面精度相似，總體精度均在5 cm內，但在高程方向GPS的RMS為0．047 m、BDS為0．087 m、GPS+BDS為0．069 m。雖然三種定位模式定位精度均達到了設計要求（水平≤5cm，垂直≤10cm），但采用單北斗的精度明顯遜色于GPS。隨著北斗系統第三階段建設的開展，在軌衛星數的增多，這種情況可以得到改善，但目前采用單北斗進行網絡RTK定位時，應增加不同地形條件檢測或其他檢核方法。

[1] 唐衛明,樓益棟,劉暉,等．GPS連續運行參考站系統定位精度檢測方法研究[J]．通信學報,2006(8):73-77

[2] 安艷輝,史照良．全球衛星導航定位連續運行參考站網的技術探討——以JSCORS徐州試點工程為例[J]．現代測繪,2006,29(6):3-6

[3] 祁芳． CORS系統中RTK作業的質量控制方法研究[J]．城市勘測,2008,(4),:66-68

[4] 劉喜．大慶CORS系統精度（RTK）測試與分析[J]．測繪與空間地理信息,2011,34(4):98-99

[5] 蔡榮華,蘇立錢,楊一挺,等．浙江省省級CORS系統RTK測試與分析[J]．全球定位系統,2009,34(3):41-45

[6] 張周平,劉忠．城市CORS 的測試內容與方法研究[J]．測繪技術裝備,2010,12(3): 7-9

[7] 王金娜,王軍見,王艷艷．河南省地質 CORS 運行測試與分析[J]．山西建筑,2014,40(17):91-92

P228.4

B

1672-4623（2016）06-0012-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.06.004

李勝，高級工程師，主要從事大地測量與衛星導航方面的工作。

2015-12-29。

項目來源：測繪地理信息行業科研專項資助項目（201512027，201512021）。