北斗三频与双频相对定位性能分析

杨东森,吕志伟,岳彩亚,王鹏旭,刘柳

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001;2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心,郑州 450001;3.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590)



北斗三频与双频相对定位性能分析

杨东森1,2,吕志伟1,2,岳彩亚3,王鹏旭1,2,刘柳1,2

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001;2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心,郑州 450001;3.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590)

对北斗三频与双频相对定位的性能进行分析。鉴于目前对北斗三频相对于双频的优势分析较少,本文利用北斗及GPS实测数据在定位精度与质量上,分析对比了二者的性能且对北斗频率的变化对定位产生的影响进行了分析。同时区分GEO、IGSO、MEO不同类型卫星对整周模糊度解算的影响进行了实验分析。

北斗卫星导航系统;三频;双频;定位性能

0　引　言

目前世界上主要的卫星导航系统包括美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧盟的伽利略系统(Galileo)以及我国的北斗卫星导航系统(BDS),还有日本的准天顶卫星导航系统(QZSS)以及印度的区域卫星导航系统(IRNSS)。这些系统都将在至少三个频点上播发卫星导航信号,多系统多频观测值的出现,使得长波长、电离层误差小以及观测噪声小的组合方式更加灵活[1]。GNSS技术应用已由原来单接收机的GNSS标准定位(SPS),发展到差分GNSS(DGNSS)、RTK、精密单点定位(PPP)、网络RTK、地基增强WAAS系统、空基增强SBAS系统等多种导航定位技术。GPS 静态相对定位技术目前已经广泛应用在各级控制网布设和实施中,随着我国北斗系统的快速建设,GPS/BDS双星座静态相对定位成为可能。

李浩军利用三频信号进行精密单点定位时指出三频观测值对于长时间观测结果精度的改善不明显,但对于短时间观测结果的精度与参数收敛时间都有一定的改善[2]。刘威在伪距单点定位精度及可用性方面分析了北斗单频与多频的特点,指出在观测条件较差时,多频比单频伪距单点定位更加稳定、可靠,但是其仅仅分析了单点定位的性能[3]。赵磊分析了北斗系统单频点的信噪比、多径误差以及单点定位精度,对北斗系统三频单点定位做出了整体评估,但是没有关于相对定位的介绍[4]。朱永兴研究了北斗区域导航系统静态、动态精密单点定位的精度,并与GPS定位结果进行比较,指出北斗精密单点定位可以实现静态厘米级、动态分米级的定位精度,达到目前GPS精密单点定位水平[5]。张小红在分析北斗多频模糊度解算方法时提到三频相对于双频的优势,但是其在定位性能方面未作详细探讨[6-7]。为充分利用多频使模糊度更容易被固定、更好地进行周跳探测与修复以达到高精度定位、导航的要求,现已有大量学者在原有模糊度解算方法TCAR基础上进行研究与创新。

鉴于目前关于北斗三频相对于双频的优势分析较少,本文采用实测北斗三频数据分析了二者在相对定位方面的性能优劣,并因北斗星座异构对模糊度解算所产生的影响进行了研究分析。

1　BDS/GPS卫星星座

GPS星座采用码分多址(CDMA)扩频通信体制,现代化后的GPS卫星将在L1、L2和L5上调制卫星导航信号。我国BDS同样由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成,根据计划空间星座部分主要由5颗地球静止轨道卫星(GEO)和27颗中圆地球轨道卫星(MEO)和3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)组成。北斗卫星导航(区域)系统的卫星星座由 14 颗组网卫星组成,其中包括5颗地球静止同步轨道卫星,5颗倾斜轨道卫星以及4颗中轨卫星。北斗卫星导航系统同样采用码分多址扩频通信体制,在 B1,B2 和 B3 三个频段上调制导航信号[8]。北斗系统多频技术在多频观测量组合理论、周跳探测与修复以及整周模糊度解算等方面已经获得巨大的应用。目前北斗精密单点定位可以实现静态厘米级、动态分米级的定位精度,与GPS精密单点定位水平相差不多[9]。2012 年底北斗卫星导航系统初步具备亚太地区服务的能力,北斗系统区别于GPS,在轨卫星均能发射三频卫星信号,极大地方便了学者们的研究,其载波频率如表1所示。

表1　GPS/BDS系统频率　　　单位:MHz

2　实验设计

为分析北斗系统三频定位与双频定位的性能,本文使用在郑州市采集的数据,以区别于CORS网站及IGS参考站,验证系统在一般地区的定位性能。利用上海司南测量型接收机(M300Pro)于2015年12月22日、12月28日分别采集基线长度大约为6 m、22 km的基线,采样间隔均设置为1 s,高度截止角设定为15°,接收机均置于楼顶且具备较好的观测条件。

通过处理实验数据以分析利用北斗三频数据与双频数据进行相对定位的性能。利用Rtklib开源软件及自编程序分析北斗卫星导航系统在使用三频定位与使用双频定位的差异,并且对北斗GEO、IGSO、MEO三种不同类型卫星在参与模糊度解算时所表现出的差异给予分析。

3　实验分析

因为GPS在同一历元时刻观测到发射三频信号卫星的数量不足4颗,所以只利用BDS进行三频与双频定位的分析。实验采用基线长度约为6 m的实测北斗数据,首先对比北斗单频、双频与三频静态相对定位在纬度、经度以及高程分量的绝对误差可知,三频相对于双频(B1+B2)在相对定位精度方面没有太大的改善。对于6 m左右短基线的相对定位,基线真值选用GPS卫星并辅以精密星历及钟差文件计算获得,定位的绝对误差如表2所示。

表2　不同频率组合定位绝对坐标误差

图1(a)示出了6 m基线相对定位时双频定位的标准差,图1(b)示出了三频情形下相关结果。由图1可以看出,北斗三频相对定位在短基线情形下相比于双频定位结果较稳定,但是对于定位的精度没有显著的提高。

图2(a)和图2(b)分别为22 km基线相对定位时双频与三频定位的标准差。由图2可以看出,对于该长度左右的基线的相对定位,一般情况下三频相对于双频在定位精度上并没有太大的提升。

为研究动态定位情况下北斗三频与双频定位性能,通过在郑州市采集约一个多小时的动态数据进行动态相对定位的实验分析。实验采样间隔设置为1 s,基线长度大约为13 km.

图3(a)为双频情形下动态定位在E、N、U方向的标准差,图3(b)为三频情形下相关结果。这表明,在进行动态定位时,北斗三频相对于双频定位性能提升亦不明显,动态定位的结果仍然不够理想,二者相差的并不多。

由以上分析可知,北斗三频相对定位精度相比于双频情形下没有明显地提高[6],这也是目前对于北斗三频在定位精度上研究较少而在多频组合观测理论、周跳探测与修复以及整周模糊度解算等方面研究较多的一个原因。

图3　动态定位时双频与三频相对定位标准差 (a)双频；(b)三频

由图4可以看出,在利用TCAR方法解算北斗短基线模糊度时,单纯GEO卫星在解算单频点(B1)模糊度时有较大的误差,大部分都在0.3周左右,当选用IGSO-GEO、MEO-GEO卫星组合时,可见解算误差相应的减小;当选用IGSO-IGSO卫星组合时,基础模糊度解算误差可以限制在0.2周左右;同样,IGSO-MEO、MEO-MEO卫星组合也可以达到相应的精度。北斗卫星导航系统星座中,ISGO、GEO为运动角速度较慢的高轨卫星,尤其是GEO 卫星的角速度更慢,这会对定位结构模型精度产生影响。由于GEO卫星的多路径误差和空间几何构型变化缓慢,所以其参与模糊度解算后会降低模糊度固定的可靠性。

图5左边为20°高度截止角解算北斗短基线B1频点模糊度误差,右边为30°高度截止角解算结果。分析图4与图5中GEO卫星解算单频点模糊度误差可以发现,通过设置较大的高度截止角可以有效减小GEO卫星解算模糊度误差。

图4　不同类型卫星模糊度估值解算误差

图5　不同高度截止角解算误差(a) 20°;(b) 30°

4　结束语

北斗高精度导航与定位是目前研究的重难点,也是巩固北斗卫星导航系统在全球卫星导航系统中的地位之要求。多频技术的出现被称为无线电技术的又一场革命。目前主要的卫星导航系统均向多频信号发展,多频相对于双频和单频有不可替代的作用。

本文分析了不同长度基线在静态相对定位以及动态相对定位中的性能。实验结果表明:北斗三频相对定位的精度相比于双频定位结果没有太大的提高,但是其利用多频线性组合在模糊度快速收敛方面有较大的优势。北斗GEO卫星由于其系统性的偏差以及卫星空间几何构型变化缓慢,所以其参与模糊度解算时会降低固定的可靠性,相比较而言,IGSO、MEO卫星则有较好的精度。

[1]李金龙.北斗/GPS多频实时精密定位理论与方法[D]. 郑州:信息工程大学,2014.

[2]李浩军,朱卫东,张勇. 采用三频信号的精密单点定位[J]. 中国科学院上海天文台年刊,2013,34:93-101.

[3]刘威,陈向东,朱军,等.北斗单频与多频伪距单点定位精度与可用性分析[C]//第五届中国卫星导航学术年会电子文集,2014.

[4]赵磊,张云,韩彦岭,等.北斗系统三频单点定位性能研究[J].测绘科学,2015,40(7):8-14.

[5]朱永兴,冯来平,贾小林,等.北斗区域导航系统的PPP精度分析[J]. 测绘学报,2015,44(4):377-383.

[6]ZHANG X H, HE X Y. Performance analysis of triple-frequency ambiguity resolution with BeiDou observations[J].GPS Solutions,2016(20):269-281.

[7]张小红,何锡扬. 北斗三频相位观测值线性组合模型及特性研究[J]. 中国科学:地球科学,2015,45(5):601-610.

[8]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.

[9]张小红,左翔,李盼,等.BDS/GPS精密单点定位收敛时间与定位精度的比较[J]. 测绘学报,2015,44(3):250-256.

Performance Analysis of Relative Positioning with BeiDou Triple-frequency and Dual-frequency Observations

YANG Dongsen1,2,LÜ Zhiwei1,2,YUE Caiya3,WANG Pengxu1,2,LIU Liu1,2

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China；2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China；3.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

To analyze the performance of relative positioning with BeiDou triple-frequency and dual-frequency data. Given the current BeiDou triple-frequencywith respect to the dual-frequency advantages of less analysis,analyzed the performance of the two and the impact of the positioning with BeiDou frequency changed with real BeiDou and GPS observations.At the same time, the comparison of variousinfluenceon ambiguity resolution between the different types of satellitesGeostationary Orbit (GEO), Inclined Geosynchronous Orbit (IGSO), and Medium Earth Orbit (MEO) was also conduct.

BDS; triple frequency; dual-frequency; positioning performance

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.011

2016-05-10

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0048-05

杨东森(1991-),男,河南南阳人,硕士生,主要从事GNSS多频数据处理的研究。

吕志伟(1974-),男,江西赣州人,副教授,主要从事卫星精密定位的研究。

岳彩亚(1990-),男,河南濮阳人,硕士生,主要从事GNSS数据处理与分析。

联系人： 杨东森 E-mail :yangdongsen2015@sina.com