廣州市南沙區多系統GNSS聯合觀測數據分析

黃漢銀

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510000）

1 引言

自全球衛星導航應用開展以來，GPS 系統在導航和定位中占據了重要位置。近年來，多個GNSS（全球導航衛星系統）星座的出現為衛星定位和導航應用提供了更多衛星資源，增加了多余的觀測值，豐富了衛星的幾何形狀[1]。聯合多系統GNSS 觀測可以為用戶帶來很多好處，例如增加可見衛星的數量，提高定位精度和生產效率，增強定位結果的可靠性。其中，北斗衛星導航系統（BDS）是一種全球衛星導航和定位系統，由中國實施、獨立開發、獨立運行；在俄羅斯是GLONASS，在歐盟是伽利略[2]。隨著衛星導航技術的發展和GLONASS 衛星系統的改進，中國的北斗衛星導航系統與世界先進技術的差距已逐漸縮小，同時多系統（GPS、GLONASS、BDS）組合定位技術應用逐步深入。

2 多系統（GPS、GLONASS、BDS）組合定位的優勢

用戶可同時接收多系統的（GPS、GLONASS、BDS）的觀測數據，極大增加了衛星數據觀測量，以廣州市南沙區所在項目為例，多系統組合定位有如下優勢[3]：

（1）多星系統組合定位，能增加天空中可見衛星的個數，選擇最優衛星幾何圖形，并降低DOP 值，有效改善測站周圍建筑物的遮擋情況。

（2）多星系統可以增強定位服務的整體性和妥善性。個別情況下若只有單星（GPS），可視衛星數可能不夠，導致無法定位或者基線解算不能固定。組合使用多星系統，在觀測時彌補了單星系統的衛星數不足問題，避免了因某顆GPS 衛星異常而無法定位的情況出現，因此較容易獲得良好定位服務和較高妥善率[4]。 （3）多星系統能有效減弱多路徑效應的影響。以實驗地廣州市南沙區為例，南沙區河流眾多，有大面積水域，存在強烈的多路徑效應。通過多星系統的觀測，衛星數的增多，可提供更多選擇以剔除數據不好的衛星，減弱多路徑效應的影響。組合定位可將多系統的多頻率觀測值結合在一起，進而有效削弱電離層誤差。

3 實驗分析

3.1 不同截止高度角對定位精度的影響

通常，在GNSS 多系統定位測量中，接收機接收的衛星越多，定位精度就越好，但有時并非如此[5]。為了研究衛星數量對定位精度的影響，使用不同截止高度角計算基線數據集。數據接收時間為9:30 至12:30。來自三個系統的靜態三小時短基線數據的基線長度為1.5 km，采樣間隔為1 s。實驗選擇了1500 個歷元計算基線。圖1 至圖3 分別使用三個不同切削高度角10°、20°和30°的基線計算結果顯示了E、N和U 三個方向上的分量偏差。

圖1 10°截止高度角的分量偏差

圖2 20°截止高度角的分量偏差

圖3 30°截止高度角的分量偏差

從圖1 到圖3 中不同截止高度角計算出的E、N和U 方向的矢量偏差可以看出，10°和30°截止高度角的定位精度相差很小，但其定位精度卻不如20°截止高度角，這表明，衛星接收到的信號數目與信號的角度切割高度以20°為最佳。為了定量分析這三種方法的定位精度，分別計算了平均根誤差，結果如表1所示。

表1 三種截止高度角的均方根誤差（mm）

從表1 的統計數據可以看出，基線沉降的精度首先隨著高度角的增加而增加，然后降低。當高度角約為20°時，精度最高。最佳觀察高度角為20°，但是最佳觀察高度角也根據觀察時間和觀察環境的不同而不同。

3.2 組合觀測定位精度實驗分析

為了分析在GPS、GLONASS、BDS 衛星數均比較多且空間結構較好時，組合系統和各單一系統的定位精度，實驗選取廣州CORS 某基準站觀測數據進行了精度對比，結果如圖4 至圖8 所示。

圖4 CORS站X方向的殘差值

圖5 CORS站Y方向的殘差值

圖6 CORS站Z方向的殘差值

圖7 CORS站各系統空間衛星可見數

圖8 CORS站各系統PDOP值

四種方案可見衛星數和PDOP 值統計如表2 所示。 四種方案點位誤差分析如表3 所示。

表2 CORS站四種方案可見衛星數和PDOP值統計

表3 CORS站四種方案點位誤差對比

由上述圖表可知，組合系統的收斂速度較GLONASS和BDS 系統快得多，但和GPS 系統的收斂速度基本一致；組合系統的定位精度較各單一系統均有小幅提高。相對于BDS 和GLONASS，組合系統精度提高較多；相對于GPS，精度有所提高，但不多，主要是因為GPS可見衛星數和空間結構較好。根據點位誤差表可知，組合系統在三個方向較GPS 平均提高了0.003 m，較BDS平均提高了0.018 m，較GLONASS 平均提高了0.019 m。

由圖8 可以看出，在1:40 到10:20 之間，GLONASS系統的PDOP 值變化較大，因此，定位精度比較差，定位誤差達到40cm，組合之后的PDOP 值變得較小且穩定，組合系統定位誤差控制在3 cm 之內。

與GPS 相比，北斗系統的PDOP 雖然較大，但相對變化比較穩定，在定位過程中沒有出現如GLONASS系統定位誤差突然變大的情況，但在最后時刻，BDS系統的PDOP 值持續變大，導致BDS 的定位結果亦慢慢變大，因此，PDOP 值對定位精度的影響較大。

組合系統的PDOP 值最大浮動才0.3，比較穩定，在定位過程中定位結果也比較穩定。

4 結論

本文通過觀測實驗分析10°、20°和30°三種不同截止高度角對定位精度的影響，以及通過對比組合系統與GPS、GLONASS、BDS 的收斂速度，分析了各系統達到的精度及穩定性，得到結論如下：

（1）定位精度先隨高度角的增加而增加，然后再降低。當切削高度角約為20°時，精度最高。但是，根據不同的觀察時間和觀察環境，最佳觀察截止角也不同。

（2）組合系統的收斂速度較GLONASS 和BDS 系統快得多，但和GPS 系統基本一致；組合系統的定位精度較各單一系統均有小幅度提高。相對于BDS 和GLONASS，組合系統精度提高較多，但相對于GPS 精度提高不多，主要因為GPS 可見衛星數和空間結構較好。