基于時空系統統一的北斗與GPS融合定位

華輝

摘要：目前，我國北斗衛星導航定位系統，已經發射了9顆北斗衛星，基本實現了系統預期建設目標。為了提高GPS定位準確性，我們將要對星地進行聯調、測試評估工作，進一步把握系統定位導航能力。文章從定位基準入手，結合定位算法對時空系統統一的北斗與GPS融合定位精度進行分析和研究。

關鍵詞：時空系統；北斗；GPS；融合定位

前言：

北斗一號是我國自主研發、掌握自主知識產權的GPS，繼美國、俄羅斯后在國際上可以定位的導航系統，能夠全面覆蓋整個中國，為人們生活和工作提供了極大的便利。隨著導航定位系統不斷發展，人們對于其定位精度提出了更高要求，但我國北斗系統尚處于發展階段，還存在很多不足，如何提高其定位精度成為研究的重點。

1、定位基準

通常情況下，不同的衛星定位系統對應的坐標與時間基準有所差別。現階段，我國的北斗衛星導航系統主要采用的是CSCS2000大地坐標與BeiDouT時間系統。而GPS所采用的是WGS-84和GPST。當北斗與GPS聯合解算過程中，要將二者的坐標與時間基準進行轉換和統一處理。

當坐標系在原點、尺度等方面保持一致時，參考橢球較為接近，所有常數中f存在細小差別，即：

根據公式計算能夠發現，df不會對大地經度產生影響，其變化范圍介于0～0.105mm。故從理論層面來看，當前坐標測量精度背景下，由兩個坐標系參考橢球偏率差會使得坐標系產生變化，但如果是短距離，可以忽略不計。

對于時間坐標來說，二者都利用原子時，秒長定義保持一致，不會出現閏秒問題。二者最大的差別在于時間系統起算點有所差別，但世界協調時之間的閏秒差已經達到了14″，因此BeiDouT與GPST除了相差1356周，還要保持14″的系統差。

2、定位算法

2.1廣播星歷與衛星位置計算

GPS廣播星歷數據格式多采用RINEX格式。隨著北斗系統不斷完善，對于格式的選擇已經更新到最新版本，即RINEX3.1。在實踐中，針對衛星的區別，主要以大寫字母“G”、“C”進行區別。同時，針對衛星的參考時刻來說，要采用CGCS2000坐標基準表示出衛星的軌道信息。

目前，北斗衛星星座共有三類，其中IGSO與MEO瞬時位置計算與GPS具有較強的相似之處，而GEO衛星則稍有差別，究其根本是軌道傾角對同步軌道產生的負面影響。

2.2構建定位結算模型

對于北斗與GPS單獨定位來看，高精度衛星定位，都是建立在載波相位觀測值以上，具體觀測方程如下：

一般來說，由于公式當中含有很多未知數及誤差信息，導致定位結算效率及精度較差。因此為了提高定位精度，在實踐中，還需要采用雙差方式對觀測方程進行處理，以此來消除接收機鐘差、衛星鐘差產生的負面影響，保持載波模糊度，獲取更加精確的結果。

針對北斗與GPS聯合定位來看，當二者結合時，我們首要解決的問題就是2個系統的基準問題，務必要采用統一的時間和坐標基準。上文我們已經明確最新的WGS-84和CGCS2000系統存在差異，理論上是0～0.105㎜范圍內，可以忽略短距離定位誤差。另外，針對時間誤差來說，針對細小的同步誤差，為了避免對定位產生不良影響，我們將雙差組合限定在同一系統內[1]。針對雙差觀測方程而言，由于徹底消除了衛星和接收鐘差的影響，故能夠在很大程度上提高定位準確性。需要說明的是天線相位中心偏差會受到產品生產標準的影響，為此我們可以結合天線定位安置方式予以修正和消除處理。

3、實測結果與分析

3.1采集數據

在實踐中，本文選擇高精度接收機，進行兩個短基線相對的定位試驗。為了便于結果的比較和分析，選擇GPS具有代表性的觀測數，時間范圍在兩個小時以內。與GPS系統有所差別，北斗系統衛星是由多種類型的衛星構成，故針對獲取的數據要進行相應的處理，為后續比較和分析做好鋪墊和準備。

3.2處理數據

目前，為了確定北斗系統定位是否精確，需要對其中的GPS數據及周圍的IGS數據進行靜態基線處理，以此來獲取兩點之間的坐標及基線分量值，從而對定位結果進行比對。就坐標初值來看，GPS的坐標初值可以利用單點定位方式予以確定[2]。而對于被否坐標初值的確定，可以由GPS獲取，也可以從北斗系統中單獨獲取。

整周模糊度是提高定位精度的前提和基礎，由于北斗系統與GPS存在相似之處，故GPS模糊度的搜索方式適用于北斗系統，可以采用LAMBDA等多種方法。確定整周模糊度后，還需要對GPS數據進行最小二乘結算，以此來獲取更為精準的定位結果。觀察定位圖，我們能夠發現由于北斗衛星數量較少，且分布不夠均衡，主要傾向于東西方向上，正因如此，導致北斗衛星的PDOP值整體較大，尤其在東西上表現更為明顯。另外，采用同樣的方式進行聯合定位結算，能夠獲取GPS和北斗定位結果，但需要說明的是，北斗與GPS在聯合結算時，應將權比控制在合理范圍內。經過實證分析，與單一系統定位比較，我們能夠發現聯合方式精度更高。

結論：

根據上文所述，隨著社會經濟不斷發展，我國針對北斗衛星定位導航系統的建設還會進一步深化，投入更多時間和精力，均衡其分布點，以提高導航和定位精度。本文對統一時空范圍內北斗與GPS相融合定位進行分析發現，聯合方式方式定位較單一定位更加精準。但面對當前衛星數量較少、且幾何分布差等問題，我們還需要適當增加衛星資源，優化衛星幾何結構，以此來提高衛星定位精度，從而為我國各行業發展提供更多支持。

參考文獻：

[1]李鶴峰，黨亞民，秘金鐘，等.BDS與GPS、GLONASS多模融合導航定位時空統一[J].大地測量與地球動力學，2013，33（04）：73-78.

[2]高星偉，過靜珺，程鵬飛.基于時空系統統一的北斗與GPS融合定位[J].測繪學報，2012，41（05）：743-748+755.endprint