不同环境下BDS/GPS组合动态定位性能分析

于龙昊,丁克良,刘亚杰,赵海涛,周命端

(1.北京建筑大学,测绘与城市空间信息学院,北京 102616 2.国家测绘产品质量检验测试中心,北京 100830)

0　引　言

随着北斗卫星导航系统(BDS)的日益完善,北斗卫星的可见数量和卫星的分布构型都有很大提高,进而使得动态定位的精度提高和可靠性增强。因此,针对定位过程中全球定位系统(GPS)卫星信号易受到遮挡的局限问题,可以通过BDS和GPS卫星系统组合的方式来解决[1]。许多学者都对BDS/GPS组合系统定位精度和性能开展了较为丰富的研究[1-8],而对BDS/GPS组合系统的动态定位性能研究涉及较少。

随着动态定位技术的广泛应用,极大提高了定位的作业效率,减少了测量工作者的劳动强度,动态定位的精度也有了较大提高。由于实时动态测量(RTK)技术在一些地形地貌比较复杂的地区可能会受到基准站与流动站距离大或高波特率传输等因素的影响,作业性能可能不够理想。因此,在不需要实时得到测量结果时,载波相位后处理(PPK)技术可以凭借定位精度高、作业半径大等优点有效地补充RTK的不足[9]。

本文基于载波相位后处理的特点,在不同环境下开展BDS、GPS及BDS/GPS组合系统的动态实验,结合卫星的可见卫星数和空间分布情况,分析了BDS、GPS及BDS/GPS组合系统的动态定位性能。

1　BDS/GPS组合动态定位模型

BDS/GPS伪距和相位的双差观测方程为[3]:

(1)

简化后的BDS/GPS载波相位相对定位的法方程的矩阵式为[3]

(2)

联系人: 于龙昊E-mail:yu415479771@163.com

式(2)中

(3)

(4)

其中: 上标G为GPS卫星; C为北斗卫星;dX表示三维坐标改正; ΔN为双差整周模糊度。式(3)中,(x0,y0,z0)表示初始接收机坐标值; (xk,yk,zk)表示卫星坐标;ρ0为接收机初值到卫星的距离。式(4)中,λ表示波长。该法方程的矩阵是秩亏矩阵,需要加入伪距观测值将法方程的病态消除。

2　PPK 定位基本原理

2.1　PPK定位基本原理

载波相位后处理技术(PPK)是在地面的一个已知基准点上安置一台接收机,在地面待测点上安置另一台接收机,两台接收机在一定范围内共有的系统误差基本相同。因此,可以通过实测坐标和该已知坐标之差得到基准点的共有系统误差,从而得到每个观测时刻由于系统误差造成的影响,进而改正待测点的坐标值,最后获取待测点的精确坐标。

PPK方法与传统的RTK方法不同: ① PPK方法不需要进行数据链通信就可以测量。② PPK方法理想作业范围较RTK方法理想作业范围大得多,而且待测点可以在基准站作业范围内的任意位置进行测量,移动站和基准站之间可以不受地物的影响。③ PPK技术的最大优势就是可以使用精密星历对数据进行后处理,进而很大程度上提高了定位的精度。因此,仅从这三方面来分析,PPK可以有效地补充RTK的不足。

2.2　PPK定位数学模型

PPK模式使用基准站的相位改正数在流动站的相位观测数据上进行改正,从而获取流动站的精确三维坐标,载波相位观测的校正值为[10]

(5)

将上式算出的载波相位观测的校正值Δs带入载波相位观测方程得[11]

[Xi(t)-Xr(t)]2+[Yi(t)-Yr(t)]2+

[Zi(t)-Zr(t)]2+dρ，

(6)

3　方案设计

为了比较不同环境下的BDS、GPS及BDS/GPS组合动态定位性能,设计如下两组对比实验:

实验在北京建筑大学校园内进行,选用三台CHCi60接收机,一台作为基准站,基准站架设在北京建筑大学GPS控制点G5上,观测环境良好,位置空旷,周围无任何遮挡。另两台作为移动站,移动站的高度截止角15°,数据采样间隔为1s,一台移动站BJ01围绕校园的东部移动,途径30m高层建筑及行树,最后回到基准站;另一台移动站BJ02围绕校园的西部移动,途径30m高层建筑、行树及树林,最后回到基准站。

4　数据处理与分析

实验结束后,利用CHCGeomaticsOffice软件,将基准站、移动站数据导入,分别对两组数据进行BDS、GPS及BDS/GPS组合系统基线处理,处理模式采用PPK动态后处理模式,通过分析处理结果,得到了一些结论。

通过PPK对实验一和实验二的数据进行处理后,得到移动站BJ01和BJ02的动态轨迹图,从左至右分别为BDS、GPS及BDS/GPS组合系统的动态轨迹如图1和图2所示。

对比图1和图2中的实验结果进行分析,动态定位轨迹图中可以得到:

1) 仅使用单BDS进行动态定位时,动态定位性能较差,且都受到了不良环境的影响。在途径高层建筑物下和树林下时,大量数据未被采集到;在采集到的数据中,仍含有大量精度不高的浮点Float和单点Spp.

2) 仅使用单GPS进行动态定位时,动态定位性能良好。在观测条件不良的环境下,采集的数据也基本完整,且都是固定点Fix;然而仅使用GPS进行动态定位也受到了高层建筑和树林的影响,产生了一些浮点。

3) 使用BDS/GPS组合系统进行动态定位,动态定位性能较好。动态轨迹图基本都由固定点构成,采集的精度较高。

为了进一步研究BDS/GPS组合系统的定位性能,笔者结合实验一和实验二中的卫星颗数和分布情况进行了分析。实验一和实验二的卫星天空图如图3、图4所示,卫星观测数据图如图5、图6所示。

在实验一和实验二的卫星天空图和卫星观测数据图中,卫星号G代表的是GPS卫星,GPS的可见卫星分布比较均匀,且卫星空间结构较好;卫星号C代表的是BDS卫星,而BDS可见卫星大部分都分布在南部,可见卫星的分布和空间结构都不如GPS。

在实验一中BDS可见卫星10颗,GPS可见卫星8颗,组合之后可见卫星数量达18颗,在接收到的18颗卫星中,5颗GPS可见卫星观测时段基本完整;而BDS仅有1颗卫星观测时段完整,其余9颗卫星均含有部分信号缺失的时段;实验二中BDS可见卫星8颗,GPS可见卫星8颗,组合之后可见卫星数量达16颗,在接收到的16颗卫星中,GPS有6颗卫星观测时段较完整,而BDS也仅有1颗卫星观测时段完整,其余7颗卫星均含有部分信号缺失的时段。在BDS/GPS组合之后,可见卫星数量增多,有效的弥补观测环境不佳时BDS卫星信号的缺失的时段,卫星覆盖范围变大,有效地扩大了接收机采集信号的范围。因此,BDS/GPS组合的方式可以达到定位性能增强的目的。

5　结束语

随着北斗导航技术的飞速发展,我国北斗三号即将建成,即将为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。利用BDS/GPS组合系统与单系统的定位性能对比就显得尤为重要,本文利用PPK技术对BDS、GPS和BDS/GPS组合系统动态定位性能分析可以得到以下结论:

1) 观测条件良好的环境下,BDS/GPS组合系统的定位性能和GPS系统的定位性能基本一致;由于BDS还在建设当中,卫星空间结构还在构建,BDS的定位性能稍逊于GPS.

2) 在高层建筑和树林遮挡等观测条件不理想的环境下,BDS/GPS组合系统增加了可视卫星数量,改善了卫星星座结构,提高了BDS/GPS的定位性能,使得BDS/GPS组合系统的动态定位性能优于单系统动态定位性能。

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