北斗接收机动态定位精度测试与分析

王 博，焦海松，谷 庆，黄静华

（中国洛阳电子装备试验中心，洛阳 471003）

1 引言

我国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）是类似于美国全球定位系统（global positioning system，GPS）的无源定位系统。目前共有16颗北斗卫星在轨，14颗卫星正常工作，形成了5个地球静止轨道（geostationary earth orbits，GEO）卫星、5个倾斜地球同步轨道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）卫星及4个中圆地球轨道（medium earth orbits；MEO）卫星的组网模式，正在提供亚太大部分地区全天候24h的定位、导航和授时服务［1］。国内目前已有北斗接收机研制成功。本文研究主要目的：一是测试北斗接收机动态定位精度，二是验证差分GPS作为真值对其他同类定位设备鉴定的可行性，三是分析动态精度误差，为下一步提高动态定位精度提供参考。主要方法是以差分GPS定位数据为真值，运用 “跑车”测试法获取北斗接收机动态定位数据，通过与真值数据进行对比，获取北斗接收机动态定位误差数据，解算出动态定位精度。

2 北斗接收机动态定位误差分析

定位误差主要分为三类：1）卫星误差：星历误差、卫星时钟误差；2）传播误差：电离层延迟改正误差、对流层延迟改正误差、多路径效应、相对论效应误差；3）接收机误差：观测噪声误差、天线相位中心误差［2］、接收机钟差。

在实际工作中，可采用以下措施修正误差，提高定位精度：1）通过差分技术或二项式模拟卫星钟误差消弱卫星钟差［3］；2）通过导航电文中的电离层改正模型减小电离层延迟误差［4］、采用对流层改正模型减小对流层延迟误差、在天线下设置抑制板阻挡反射波、利用天线方向图的空间特性来降低多径效应误差［5］；3）避免不必要的人为操作误差。

3 北斗接收机定位精度测试

3.1 测试设备

定位精度测试设备包括硬件设备和软件设备。

硬件设备包括：北斗接收机一套（接收机、天线、电缆）、录取数据用笔记本电脑一台、通用串口RS232转USB数据线一根；GPS接收机两套（接收机、天线、馈线、存储卡）作为对比标定设备。

软件设备包括：GrafNav数据处理软件、Convert32数据转换软件和 “坐标转换”软件。设备连接如图1所示。

图1 动态测试设备连接图

3.2 测试地点及路线

基准站设在某指挥所GPS机房，GPS天线架于指挥所楼顶，动态定位精度测试的场所位于野外测试车内，北斗接收机和GPS接收机天线架设于野外测试车顶，两台GPS接收机天线精确水平距离为169cm，北斗接收机天线中心距离其中一套GPS接收机天线10cm。动态定位精度测试起止数据的起止时间为2013－10－11T15：08：00—16：13：00，采样率为1s。测量路线为某市环城公路。

3.3 差分GPS测量结果作为真值鉴定北斗接收机的可行性

由于在动态定位中很难找到一个绝对的 “真值”，因此，采用内部检验与外部比较相结合的办法来对实验结果进行检验。一是采用相对动态定位模式分别求解两台GPS接收机在整个运动过程中的位置，二是结合基准站数据对两台GPS接收机动态定位进行差分修正，三是解算出它们每个历元的几何距离，与地面量测的精确距离进行比对，以检验其动态精度，测试结果如图2所示。

由图2可知，解算得到的几何距离与真实距离169cm在4cm范围内波动，绝大多数数据在误差在2cm以内，曲线波动比较平稳，解算结果表明差分后的GPS数据精度很高，完全可以用其鉴定北斗接收机。

图2 双GPS天线斜距离误差图

3.4 北斗时与GPS时空系统比较

3.4.1 CGCS2000与WGS－84坐标系

我国北斗系统CGCS2000与GPS系统WGS－84同属于协议地球参考系。其坐标系坐标定义基本一致，但由于存在测轨监测站站址坐标误差和测量误差，因而定义的坐标系和实际使用的坐标系存在一定的差异。WGS84精度最初精度为1m，经过两次精化后，目前已达到5cm，CGCS2000坐标系精度也在这个水平，因而对于精度低于5cm，可以认为这两个坐标系同属于一个坐标系，不需要进行坐标转换，只需要把数据转换到同一格式即可。

3.4.2 北斗时与GPS时

北斗系统的时间基准采用北斗时（BeiDou navigation satellite system time，BDT），BDT是一个连续的时间系统，取国际单位制（SI）秒为基本单位，以周和周内秒为单位连续计数，不闰秒，并通过北斗导航电文播发。BDT起算历元时问为2006－01－01T00：00：00的协调世界时（coordinated universal time，UTC），BDT与UTC的时间偏差保持在100ns内，BDT与UTC之间的闰秒信息会在导航电文中播报［6］。

GPS系统的时间基准采用GPS时（GPS time，GPST），和BDT不同的是它的起算历元时问为1980－01－06T00：00：00的协调世界时，GPST 与UTC的时间偏差保持在100ns内，GPST与UTC之间的闰秒信息会在导航电文中播报［7］。

本文在数据比对时统一转换到UTC时，进行比较。

3.5 北斗接收机动态定位测试结果

对北斗接收机与GPS接收机真值坐标进行格式转换和时间系统转换，北斗数据与GPS真值部分数据比对如表1所示（左边数据为北斗数据）。

表1 BDS动态测量数据与GPS真值数据比对/m

ECEF－X方向数据与真值对比结果：误差数据主要在6m范围内起伏，个别误差数据达到7m。ECEF－Y方向数据与真值对比结果：误差数据主要在3m范围内起伏，个别误差数据达到4m。ECEF－Z方向数据与真值对比结果：误差数据主要在3m范围内起伏，个别误差数据达到4m。斜距离数据与真值对比结果：误差在8m。比对结果如图3～图6所示：

图3 北斗接收机与GPS接收机真值在ECEF－X方向误差图

图4 北斗接收机与GPS接收机真值在ECEF－Y方向误差图

图5 北斗接收机与GPS接收机真值在ECEF－Z方向误差图

图6 北斗接收机与GPS接收机真值斜距离误差图

3.6 北斗接收机与GPS接收机精度比较

GPS接收机动态数据与真值部分数据比对如表2所示（左边数据为GPS动态数据）。

表2 GPS动态数据与真值部分数据比对

GPS接收机ECEF－X方向数据与真值对比结果：误差数据主要在4m范围内起伏，个别误差数据达到5m。ECEF－Y方向数据与真值对比结果：误差数据主要在7m范围内起伏，个别误差数据达到8m。ECEF－Z方向数据与真值对比结果：误差数据主要在2.5m范围内起伏，个别误差数据达到3m。斜距离数据与真值对比结果：误差在8m。比对结果如图7～图10所示，从数据来看在ECEF－X方向北斗接收机误差大，在ECEF－Y方向GPS接收机误差大，在ECEF－Z方向误差二者精度相当，在斜距离方面二者精度相当。

图7 GPS与真值在ECEF－X方向误差图

图8 GPS与真值在ECEF－Y方向误差图

图9 GPS与真值在ECEF－Z方向误差图

图10 GPS与真值斜距离误差图

4 结束语

本文首先对影响北斗卫星导航系统定位误差的原理进行了描述，然后运用GPS接收机与北斗接收机进行了动态精度测试，最后通过测试数据与真值比对得到北斗接收机的动态定位误差数据，对定位误差数据进行定量分析并与GPS接收机精度进行了比较。在本文研究过程中，由于天气、测试时间、路线等原因，动态误差测试数据不一定具有代表性，数据量也不足，因此得出的结论可能并不适用于所有的情况。另外由于测试所使用的北斗接收机的接收级别较低，定位的精度有限，使得测试得到的数据与真值存在着不小的偏差，以至于获得的动态定位误差结果偏大。今后，随着BDS空间混合星座布局的不断完善，北斗接收机的精度还会逐步提高，再加上充分发挥短报文特色服务，届时，BDS将成为全球重要的卫星导航定位系统，甚至国际导航定位系统的领跑者。

［1］陈岩，陈晖，丁前军.“北斗二号”卫星导航系统覆盖仿真分析［J］.通信技术，2009，42（6）：171－173.

［2］杨元喜，李金龙，徐君毅，等.中国北斗卫星导航系统对全球PNT 用户的贡献［J］.科学通报，2011，56（21）：1734－1740.

［3］范龙，柴洪洲.北斗二代卫星导航系统定位精度分析方法研究［J］.海洋测绘，2009，29（1）：25－27.

［4］中国卫星导航定位协会.卫星导航定位与北斗系统应用［M］.北京：测绘出版社，2010.

［5］赖礼楚.北斗无源定位技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2009.

［6］尚秀星.浅谈北斗卫星导航定位系统及其应用［J］.湖北成人教育学院学报，2011（3）：142－143.

［7］谢劭峰，刘立龙，刘斌.GPS动态定位模型的研究［J］.测绘科学，2008，33（4）：29－31.

［8］李鹤峰，党亚民，秘金钟，等.北斗卫星导航系统发展、优势与建议［J］.导航定位学报，2013，1（2）：49－54.