BDS/GPS超短基線相對定位分析

晏 南

(山西省地質測繪院，山西 運城 044000)

0 引 言

隨著我國北斗衛星導航系統的不斷發展，多系統組合定位將是今后發展的趨勢，北斗的加入不僅提升了導航與定位的精度，也使組合定位更加多元化[1-2]。通常利用單系統進行定位會因為觀測環境較差，衛星遮擋以及其他原因而降低觀測精度，多系統組合定位正好彌補了這些缺點，為觀測環境較差地區的高精度定位成為可能[3-4]。北斗作為我國重要的基礎設施，已經建設完成的北斗二號已經可以提供高精度導航與定位服務，而短基線相對定位技術已在我國很多領域發揮著重要作用[5-7]。針對北斗相對定位精度分析，國內外部分學者進行了研究，李建全[8]研究了北斗三頻基線定位算法，發現三頻定位相比雙頻定位精度更高，模糊度固定率更高，在中長基線定位中效果更明顯；張成才等[9]分析了BDS/GPS相對定位精度，發現雙系統組合相比單系統增加了衛星可見數、改善了PDOP值，中長基線組合定位精度與GPS一致，長基線雙系統組合定位精度優于單系統；苗岳旺等[10]分析了BDS相對定位精度，發現10 km長的基線情況下，BDS平面精度優于2.5 cm，垂向精度優于5 cm，三維精度略低于GPS。

為進一步分析BDS/GPS相對定位精度，本文基于IGS連續跟蹤站組成的超短基線，分析了BDS/GPS組合的相對精度，并與單系統精度作對比。

1 BDS/GPS組合相對定位模型

1.1 時空統一

BDS采用的時間系統是北斗時(BDT)，GPS則采用的是GPST，二者相差1 356 周和一個14 s的系統差，具體的關系如下。

BD周=GPS周-1 356

(1)

BD秒=GPS秒-14

(2)

BDS采用的坐標系是CGCS2000坐標系，GPS采用的是WGS84坐標系，經一些專家學者研究[11]，2個坐標系基本相同，在非高精度定位中不予區別，只是在橢球參數的扁率f上存在小的差別df：

df=fCGCS2000-fWGS84=1.643 484×10-11

(3)

扁率對大地經度L、大地緯度B和大地高H的影響：

(4)

通過公式(3)可知，對大地緯度產生的最大變化為0.105 mm，對大地高產生的最大變化為0.105 mm。

1.2 數學模型

衛星的基本觀測值主要有偽距觀測值與載波相位觀測值，在進行相對定位時，主要利用載波相位觀測值進行定位，其基本觀測方程如下。

(5)

式中，Li為載波相位觀測值；λi為波長；δti為接收機鐘差；δtj為衛星鐘差；Δion為電離層延遲；Δtrop為對流層延遲；MPi為偽距多路徑誤差；ε為觀測噪聲。

雙差載波相位觀測模型是相對定位中常用的定位模型，該模型可以消除短基線相對定位中對流層和電離層延遲誤差，公式如下:

(6)

式中，Δ?φ為雙差載波相位觀測值；Δ?ρ為雙差站星間幾何距離；Δ?N為雙差整周模糊度。

在公式(6)的基礎上進行BDS/GPS組合，具體如下。

(7)

其中：

(8)

(9)

式中，G為GPS；C為北斗；dX為測站坐標改正數；(x0,y0,z0)為測站近似坐標；(xn,yn,zn)為衛星坐標；λ為波長。

利用LMABDA算法根據公式(10)和(11)解算出固定解：

(10)

(11)

2 數據處理分析

在進行超短基線相對定位精度分析之前先進行數據收集，本文選了IGS中心MGEX機構發布的YARR站和YAR3站兩個連續跟蹤站組成的111 m超短基線，YAR3站的接收機類型為SEPT POLARX5，天線類型為LEIAR25，YARR站的接收機類型為SEPT POLARX5，天線類型為LEIAT504，采樣頻率為30 s。在進行數據處理時先分析BDS和GPS單系統雙頻和三頻超短基線相對定位精度，然后分析BDS/GPS組合超短基線相對定位精度。

如圖1和圖2所示，BDS衛星空中分布密集程度相比于GPS較稀疏，這是因為目前北斗二號衛星數少于GPS，但當前接收機能接收到的GPS衛星數與BDS基本一致，在8～15顆之間，而BDS/GPS組合定位時，衛星可見數相比單系統明顯增多，在17～28顆之間。如圖3所示，BDS的PDOP值在2.41～2.53之間，GPS的PDOP值在1.31～2.51之間，BDS/GPS的PDOP值在0.79～1.32之間，發現BDS的衛星空間分布結構相比GPS較差，而BDS/GPS組合有效地改善了單獨使用BDS衛星的空間分布結構，這對于提高定位精度有很大的幫助。

圖1 衛星星座天空分布圖

圖2 衛星可見數

圖3 PDOP值

如圖4和圖5所示，雙頻和三頻BDS超短基線E方向和N方向的相對定位誤差優于1 cm，U方向的相對定位誤差優于2 cm。同時可以發現，三頻相對定位誤差在E和N方向上優于雙頻定位誤差，U方向基本一致。其中BDS單系統雙頻超短基線相對定位E方向誤差優于4 mm，N方向優于9 mm，三頻超短基線相對定位E方向誤差優于3 mm，N方向優于8 mm。

圖4 BDS雙頻分量誤差

圖5 BDS三頻分量誤差

如圖6和圖7所示，雙頻和三頻GPS超短基線E方向和N方向的相對定位誤差優于1 cm，U方向的相對定位誤差優于2 cm。GPS三頻相對定位誤差在E和N方向上優于雙頻對應方向的定位誤差，U方向定位誤差基本一致。其中GPS單系統雙頻超短基線相對定位E方向誤差優于4 mm，N方向優于8 mm，三頻超短基線相對定位E方向誤差優于3 mm，N方向優于7 mm。

圖6 GPS雙頻分量誤差

圖7 GPS三頻分量誤差

如圖8所示，BDS/GPS組合超短基線相對定位誤差相比于BDS和GPS單系統有明顯減小，其中E方向的誤差在2 mm以內，N方向誤差在4 mm以內，U方向誤差在1 cm以內。

圖8 BDS/GPS組合分量誤差

進一步統計不同情況下超短基線相對定位RMS值。

如表1所示，五種組合下超短基線E方向和N方向RMS值優于1 cm，U方向RMS優于2 cm，BDS/GPS組合的RMS值相比于單系統有明顯的提升，其中E方向最大提升43%，N方向最大提升36%，U方向最大提升48%。

表1 RMS值統計

3 結 語

本文以IGS連續跟蹤站組成的超短基線為基礎，分析了BDS和GPS單系統雙頻、三頻相對定位精度和BDS/GPS組合相對定位精度，結果表明：

(1)BDS/GPS組合相比于單系統，增加了衛星可見數，有效地改善了衛星空間分布結構。

(2)BDS與GPS超短基線相對定位精度基本一致，其中三頻相對定位精度優于雙頻，水平定位精度優于1 cm，豎直向精度優于2 cm。

(3)BDS/GPS組合超短基線相對定位精度相比單系統提升很大，E方向最大提升43%，N方向最大提升36%，U方向最大提升48%。

目前只分析了超短基線情況BDS/GPS組合的相對定位精度，下一步繼續分析中長基線以及長基線情況下的BDS/GPS相對定位精度。