不同環境下BDS/GPS組合動態定位性能分析

于龍昊,丁克良,劉亞杰,趙海濤,周命端

(1.北京建筑大學,測繪與城市空間信息學院,北京 102616 2.國家測繪產品質量檢驗測試中心,北京 100830)

0　引　言

隨著北斗衛星導航系統(BDS)的日益完善,北斗衛星的可見數量和衛星的分布構型都有很大提高,進而使得動態定位的精度提高和可靠性增強。因此,針對定位過程中全球定位系統(GPS)衛星信號易受到遮擋的局限問題,可以通過BDS和GPS衛星系統組合的方式來解決[1]。許多學者都對BDS/GPS組合系統定位精度和性能開展了較為豐富的研究[1-8],而對BDS/GPS組合系統的動態定位性能研究涉及較少。

隨著動態定位技術的廣泛應用,極大提高了定位的作業效率,減少了測量工作者的勞動強度,動態定位的精度也有了較大提高。由于實時動態測量(RTK)技術在一些地形地貌比較復雜的地區可能會受到基準站與流動站距離大或高波特率傳輸等因素的影響,作業性能可能不夠理想。因此,在不需要實時得到測量結果時,載波相位后處理(PPK)技術可以憑借定位精度高、作業半徑大等優點有效地補充RTK的不足[9]。

本文基于載波相位后處理的特點,在不同環境下開展BDS、GPS及BDS/GPS組合系統的動態實驗,結合衛星的可見衛星數和空間分布情況,分析了BDS、GPS及BDS/GPS組合系統的動態定位性能。

1　BDS/GPS組合動態定位模型

BDS/GPS偽距和相位的雙差觀測方程為[3]:

(1)

簡化后的BDS/GPS載波相位相對定位的法方程的矩陣式為[3]

(2)

聯系人: 于龍昊E-mail:yu415479771@163.com

式(2)中

(3)

(4)

其中: 上標G為GPS衛星; C為北斗衛星;dX表示三維坐標改正; ΔN為雙差整周模糊度。式(3)中,(x0,y0,z0)表示初始接收機坐標值; (xk,yk,zk)表示衛星坐標;ρ0為接收機初值到衛星的距離。式(4)中,λ表示波長。該法方程的矩陣是秩虧矩陣,需要加入偽距觀測值將法方程的病態消除。

2　PPK 定位基本原理

2.1　PPK定位基本原理

載波相位后處理技術(PPK)是在地面的一個已知基準點上安置一臺接收機,在地面待測點上安置另一臺接收機,兩臺接收機在一定范圍內共有的系統誤差基本相同。因此,可以通過實測坐標和該已知坐標之差得到基準點的共有系統誤差,從而得到每個觀測時刻由于系統誤差造成的影響,進而改正待測點的坐標值,最后獲取待測點的精確坐標。

PPK方法與傳統的RTK方法不同: ① PPK方法不需要進行數據鏈通信就可以測量。② PPK方法理想作業范圍較RTK方法理想作業范圍大得多,而且待測點可以在基準站作業范圍內的任意位置進行測量,移動站和基準站之間可以不受地物的影響。③ PPK技術的最大優勢就是可以使用精密星歷對數據進行后處理,進而很大程度上提高了定位的精度。因此,僅從這三方面來分析,PPK可以有效地補充RTK的不足。

2.2　PPK定位數學模型

PPK模式使用基準站的相位改正數在流動站的相位觀測數據上進行改正,從而獲取流動站的精確三維坐標,載波相位觀測的校正值為[10]

(5)

將上式算出的載波相位觀測的校正值Δs帶入載波相位觀測方程得[11]

[Xi(t)-Xr(t)]2+[Yi(t)-Yr(t)]2+

[Zi(t)-Zr(t)]2+dρ，

(6)

3　方案設計

為了比較不同環境下的BDS、GPS及BDS/GPS組合動態定位性能,設計如下兩組對比實驗:

實驗在北京建筑大學校園內進行,選用三臺CHCi60接收機,一臺作為基準站,基準站架設在北京建筑大學GPS控制點G5上,觀測環境良好,位置空曠,周圍無任何遮擋。另兩臺作為移動站,移動站的高度截止角15°,數據采樣間隔為1s,一臺移動站BJ01圍繞校園的東部移動,途徑30m高層建筑及行樹,最后回到基準站;另一臺移動站BJ02圍繞校園的西部移動,途徑30m高層建筑、行樹及樹林,最后回到基準站。

4　數據處理與分析

實驗結束后,利用CHCGeomaticsOffice軟件,將基準站、移動站數據導入,分別對兩組數據進行BDS、GPS及BDS/GPS組合系統基線處理,處理模式采用PPK動態后處理模式,通過分析處理結果,得到了一些結論。

通過PPK對實驗一和實驗二的數據進行處理后,得到移動站BJ01和BJ02的動態軌跡圖,從左至右分別為BDS、GPS及BDS/GPS組合系統的動態軌跡如圖1和圖2所示。

對比圖1和圖2中的實驗結果進行分析,動態定位軌跡圖中可以得到:

1) 僅使用單BDS進行動態定位時,動態定位性能較差,且都受到了不良環境的影響。在途徑高層建筑物下和樹林下時,大量數據未被采集到;在采集到的數據中,仍含有大量精度不高的浮點Float和單點Spp.

2) 僅使用單GPS進行動態定位時,動態定位性能良好。在觀測條件不良的環境下,采集的數據也基本完整,且都是固定點Fix;然而僅使用GPS進行動態定位也受到了高層建筑和樹林的影響,產生了一些浮點。

3) 使用BDS/GPS組合系統進行動態定位,動態定位性能較好。動態軌跡圖基本都由固定點構成,采集的精度較高。

為了進一步研究BDS/GPS組合系統的定位性能,筆者結合實驗一和實驗二中的衛星顆數和分布情況進行了分析。實驗一和實驗二的衛星天空圖如圖3、圖4所示,衛星觀測數據圖如圖5、圖6所示。

在實驗一和實驗二的衛星天空圖和衛星觀測數據圖中,衛星號G代表的是GPS衛星,GPS的可見衛星分布比較均勻,且衛星空間結構較好;衛星號C代表的是BDS衛星,而BDS可見衛星大部分都分布在南部,可見衛星的分布和空間結構都不如GPS。

在實驗一中BDS可見衛星10顆,GPS可見衛星8顆,組合之后可見衛星數量達18顆,在接收到的18顆衛星中,5顆GPS可見衛星觀測時段基本完整;而BDS僅有1顆衛星觀測時段完整,其余9顆衛星均含有部分信號缺失的時段;實驗二中BDS可見衛星8顆,GPS可見衛星8顆,組合之后可見衛星數量達16顆,在接收到的16顆衛星中,GPS有6顆衛星觀測時段較完整,而BDS也僅有1顆衛星觀測時段完整,其余7顆衛星均含有部分信號缺失的時段。在BDS/GPS組合之后,可見衛星數量增多,有效的彌補觀測環境不佳時BDS衛星信號的缺失的時段,衛星覆蓋范圍變大,有效地擴大了接收機采集信號的范圍。因此,BDS/GPS組合的方式可以達到定位性能增強的目的。

5　結束語

隨著北斗導航技術的飛速發展,我國北斗三號即將建成,即將為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。利用BDS/GPS組合系統與單系統的定位性能對比就顯得尤為重要,本文利用PPK技術對BDS、GPS和BDS/GPS組合系統動態定位性能分析可以得到以下結論:

1) 觀測條件良好的環境下,BDS/GPS組合系統的定位性能和GPS系統的定位性能基本一致;由于BDS還在建設當中,衛星空間結構還在構建,BDS的定位性能稍遜于GPS.

2) 在高層建筑和樹林遮擋等觀測條件不理想的環境下,BDS/GPS組合系統增加了可視衛星數量,改善了衛星星座結構,提高了BDS/GPS的定位性能,使得BDS/GPS組合系統的動態定位性能優于單系統動態定位性能。

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