GPS/QZSS在亞太地區(qū)實(shí)時(shí)相對(duì)定位性能分析

宗 堯 賀凱飛 李 明 富 裕

1 中國石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院,青島市長江西路66號(hào),266580

GNSS具有全天候、全天時(shí)、高精度等優(yōu)勢(shì),然而在城市、峽谷等復(fù)雜環(huán)境下,衛(wèi)星信號(hào)極易受高建筑物的遮擋,導(dǎo)致單系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度大幅下降。日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)QZSS具有3顆高傾角軌道衛(wèi)星,且至少有1顆衛(wèi)星能位于日本的天頂附近(衛(wèi)星高度角大于60°),因此將QZSS與其他GNSS系統(tǒng)進(jìn)行組合可以在一定程度上解決亞太地區(qū)定位精度不理想的問題。QZSS與其他GNSS系統(tǒng)的組合定位研究較多[1-4],但這些研究主要集中在精密單點(diǎn)定位和事后處理方面,針對(duì)實(shí)時(shí)相對(duì)定位的研究較少。本文從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量、實(shí)時(shí)相對(duì)定位性能等方面對(duì)GPS和QZSS組合系統(tǒng)在亞太地區(qū)的定位精度進(jìn)行評(píng)估。

1 QZSS簡(jiǎn)介

QZSS衛(wèi)星系統(tǒng)目前由3顆 IGSO衛(wèi)星和1顆GEO衛(wèi)星構(gòu)成,IGSO衛(wèi)星的軌道傾角較大,具有相同的不對(duì)稱“8”字型星下點(diǎn)軌跡,其覆蓋范圍包括日本及東亞地區(qū)和大洋洲地區(qū)[1-4]。QZSS衛(wèi)星在北半球運(yùn)行時(shí)間比南半球長,可以確保日本境內(nèi)在任何時(shí)間至少能接收到1顆QZSS衛(wèi)星信號(hào);同時(shí),QZSS衛(wèi)星以高衛(wèi)星高度角過境日本,極大地削弱了高障礙物對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的遮擋[5]。QZSS與GPS有較高的兼容性與互操作性,且有相同的時(shí)間系統(tǒng),QZSS系統(tǒng)采用的JGS(Japan satellite navigation geodetic system)坐標(biāo)系與GPS系統(tǒng)的WGS-84坐標(biāo)系之間差異很小,在普通的導(dǎo)航定位中可忽略不計(jì)[1-4]。

2 GPS/QZSS組合相對(duì)定位原理

TrackRT采用逐歷元解算的相對(duì)定位模式,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。相對(duì)定位解算的主要觀測(cè)量是載波相位雙差觀測(cè)量,其在解算過程中消除了大部分的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差和電離層延遲等誤差。GPS和QZSS衛(wèi)星L1、L2、L5具有相同的頻率,設(shè)G和J分別代表GPS和QZSS衛(wèi)星,GPS和QZSS組合相對(duì)定位的雙差觀測(cè)方程為:

表1 TrackRT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理策略

(1)

(2)

3 定位性能評(píng)估

3.1 數(shù)據(jù)來源

為滿足定位的實(shí)時(shí)性要求,德國聯(lián)邦制圖和大地測(cè)量局(BKG)開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的RTCM網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(networked transport of RTCM via internet protocol, NTRIP),并編制相應(yīng)軟件BNC,用于解決GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和解碼問題,可實(shí)時(shí)接收到GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS等觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文使用QZSS官網(wǎng)提供的包含GPS和QZSS的超快速精密星歷,其預(yù)報(bào)軌道精度約為5 cm,基本滿足高精度解算的要求。

為充分評(píng)估QZSS在亞太地區(qū)的定位性能,選取8個(gè)具有代表性的測(cè)站組成4組不同長度的基線,其中,WUH2和JFNG站位于中國,基線長度約為12.9 km,為中長基線,用于評(píng)估除日本以外的東亞地區(qū)的定位性能;ISHI和TSK2站位于日本,基線長度約為16.5 km,為中長基線,用于評(píng)估日本境內(nèi)的定位性能;PERT和CUT0站位于澳大利亞西部,基線長度約為22.4 km,為中長基線;STR1和TID1站位于澳大利亞東部,基線長度約為9.6km,為短基線,用于評(píng)估亞太地區(qū)南部的定位性能。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

首先從可見衛(wèi)星數(shù)、PDOP、多路徑誤差、信噪比等方面對(duì)GPS/QZSS數(shù)據(jù)質(zhì)量展開分析[6]。

3.2.1 GPS/QZSS衛(wèi)星可見性和PDOP分析

由表2可知,平均可觀測(cè)到的GPS衛(wèi)星數(shù)在10顆左右,QZSS系統(tǒng)的4顆衛(wèi)星基本均可觀測(cè)到。8個(gè)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好,QZSS數(shù)據(jù)基本全部利用。

表2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

在衛(wèi)星數(shù)一定時(shí),衛(wèi)星的空間幾何分布直接關(guān)系到定位的精度和可靠性,一般采用PDOP來衡量衛(wèi)星空間幾何分布的優(yōu)劣[7]。圖1～2給出觀測(cè)時(shí)段部分測(cè)站單GPS和GPS/QZSS組合的可見衛(wèi)星數(shù)及PDOP值變化趨勢(shì)。可以看出,在各測(cè)站4顆QZSS衛(wèi)星基本全天可見,且可見衛(wèi)星時(shí)長明顯大于GPS衛(wèi)星;雙系統(tǒng)組合后,4個(gè)測(cè)站的PDOP最大值分別為1.75、4.86、3.83和2.25。綜合分析可以得出,GPS+QZSS組合后的可見衛(wèi)星數(shù)和PDOP值較GPS單系統(tǒng)分別提升24.3%和11.0%以上,有利于提高定位的可靠性和精度。

圖1 各測(cè)站可見衛(wèi)星數(shù)時(shí)間序列

圖2 各測(cè)站PDOP值時(shí)間序列

3.2.2 多路徑效應(yīng)分析

從表2可見,多路徑誤差最大值出現(xiàn)在CUT0站,為46.8 cm,其余測(cè)站均低于25 cm?？傮w來說,QZSS的3個(gè)頻段的多路徑誤差均比GPS小。為進(jìn)一步分析GPS和QZSS衛(wèi)星的多路徑效應(yīng),在4條基線中各選1個(gè)測(cè)站進(jìn)行分析,圖3給出了STR1、CUT0、WUH2和TSK2站觀測(cè)時(shí)段GPS/QZSS衛(wèi)星3個(gè)頻點(diǎn)多路徑效應(yīng)與高度角的關(guān)系。可以看出,3個(gè)頻點(diǎn)的多路徑效應(yīng)均隨高度角的增大而減小;在相同高度角的情況下,4個(gè)測(cè)站GPS衛(wèi)星對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的多路徑效應(yīng)均比QZSS衛(wèi)星的大。

圖3 GPS/QZSS衛(wèi)星多路徑效應(yīng)與高度角的關(guān)系

3.2.3 信噪比分析

圖4給出STR1、CUT0、WUH2和TSK2站觀測(cè)時(shí)段GPS/QZSS衛(wèi)星3個(gè)頻點(diǎn)信噪比與高度角的關(guān)系?？梢钥闯?4個(gè)測(cè)站GPS和QZSS衛(wèi)星3個(gè)頻點(diǎn)的信噪比基本都隨高度角增大而增大,但在STR1站QZSS衛(wèi)星卻呈現(xiàn)相反趨勢(shì);在STR1站,QZSS衛(wèi)星3個(gè)頻點(diǎn)的信噪比均高于GPS衛(wèi)星;除STR1站GPS衛(wèi)星L2和L5頻點(diǎn)外,GPS和QZSS衛(wèi)星的3個(gè)頻點(diǎn)信噪比均大于38 dB。

圖4 GPS/QZSS衛(wèi)星信噪比與高度角的關(guān)系

3.3 實(shí)時(shí)相對(duì)定位精度分析

分別在GPS、GPS+QZSS兩種定位模式下分析前述4條基線的實(shí)時(shí)相對(duì)定位精度,由于單QZSS系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)較少,不參與單獨(dú)解算。采用IGS公布的精確坐標(biāo)作為參考值計(jì)算定位誤差,結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)相對(duì)定位時(shí)間序列

從圖5看出,STR1-TID1短基線單GPS系統(tǒng)在N、E方向上的定位誤差在0.02 m以內(nèi),U方向誤差在0.05 m以內(nèi),但存在周期性波動(dòng),其原因一方面與PDOP值的變化有關(guān),另一方面與使用的超快速精密星歷精度有關(guān)。GPS+QZSS組合后在N、E、U方向上的誤差較單GPS系統(tǒng)有所提升。PERT-CUT0中長基線收斂后,單GPS系統(tǒng)的N、E方向誤差在0.05 m以內(nèi),U方向誤差在0.10 m以內(nèi)。GPS+QZSS組合后的各方向定位誤差小于單GPS系統(tǒng),且收斂時(shí)間更短。WUH2-JFNG中長基線收斂后,單GPS系統(tǒng)的N、E方向誤差在0.06 m以內(nèi),U方向誤差在0.10 m以內(nèi),在4條基線中定位精度最差,這與測(cè)站的位置和觀測(cè)時(shí)段有關(guān)。GPS+QZSS組合后,各方向定位誤差均比單GPS系統(tǒng)有較大改善,且收斂時(shí)間明顯變短。ISHI-TSK2中長基線收斂后,單GPS系統(tǒng)的N、E方向誤差在0.08 m以內(nèi),U方向誤差在0.09 m以內(nèi)。GPS+QZSS組合后的N、E方向誤差在0.02 m以內(nèi),U方向誤差在0.04 m以內(nèi),定位誤差明顯小于單GPS系統(tǒng),且收斂時(shí)間明顯快于單GPS系統(tǒng)。由此可見,QZSS衛(wèi)星對(duì)日本及周邊地區(qū)的定位性能要好于其他地區(qū)。

表3是各基線定位誤差RMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表3可知,STR1-TID1短基線GPS+QZSS組合較單GPS系統(tǒng)在N、E、U方向的RMS差異不大,分別提升6.9%、16.4%和12.1%;PERT-CUT0中長基線GPS+QZSS組合較單GPS系統(tǒng)在N、E、U方向定位偏差分別提升15.0%、69.5%和18.0%;WUH2-JFNG中長基線GPS+QZSS組合較單GPS系統(tǒng)在N、E、U方向定位偏差分別提升54.6%、29.3%和42.5%;ISHI-TSK2中長基線GPS+QZSS組合較單GPS系統(tǒng)在N、E、U方向定位偏差分別提升78.2%、75.3%和58.3%。綜上,QZSS衛(wèi)星對(duì)日本及周邊地區(qū)的定位精度提升明顯。

表3 不同基線定位誤差RMS

4 結(jié) 語

本文在亞太地區(qū)選擇一些具有代表性的測(cè)站,分別從衛(wèi)星可見性、PDOP值、多路徑誤差、信噪比和實(shí)時(shí)相對(duì)定位精度等方面評(píng)估和分析GPS/QZSS系統(tǒng)在亞太地區(qū)的定位性能。結(jié)果表明,目前在亞太地區(qū),尤其在日本及周邊地區(qū),相比單系統(tǒng)定位,QZSS與GPS系統(tǒng)組合后,可見衛(wèi)星數(shù)增加,衛(wèi)星幾何構(gòu)型更好,在N、E、U方向上定位精度均有提升。