复杂环境下GPS/BDS组合PPP定位性能分析

徐宗秋，韩澎涛，丁新展，徐彦田

复杂环境下GPS/BDS组合PPP定位性能分析

徐宗秋1，韩澎涛1，丁新展1，徐彦田2

（1. 辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2. 中国测绘科学研究院，北京 100830）

针对复杂环境下全球定位系统（GPS）单系统精密单点定位（PPP）定位性能较差甚至无法定位问题，研究利用GPS及北斗卫星导航系统（BDS）组合以及对流层延迟参数约束提升定位性能。分时段处理不同复杂环境采集的8 h静态观测数据，结果表明：复杂环境下GPS/BDS组合较GPS单系统定位性能明显提升；利用捷克的大地观测台（GOP）对流层延迟参数约束可进一步提高方向定位性能。

全球定位系统；北斗卫星导航系统；复杂环境；精密单点定位；定位性能；对流层延迟

0 引言

精密单点定位（precise point positioning, PPP）技术是一种高精度定位方法，相比于相对定位，PPP的出现是一场革命[1]。仅仅利用精密卫星轨道、钟差和模型改正精细各项误差，就可以达到分米至厘米级的定位精度。但是在森林、高楼林立的城市等复杂环境中，多路径和遮蔽效应会严重降低一些全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS ）卫星的测距精度，并且城市密集的高层建筑会导致可观测卫星数减少，观测卫星的空间几何结构较差导致定位精度严重下降[2-3]。随着中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）实现亚太地区导航定位服务，全球定位系统（global positioning system, GPS）和BDS组合导航定位成为发展的重要趋势[4]，多导航系统组合有助于提高PPP定位性能。

另外，对流层延迟是PPP的重要误差源之一，对流层主要影响高程方向定位误差，且用先验对流层约束会使高程方向定位精度有所改善[5-7]。文献[8]利用先验对流层延迟约束进行PPP解算，分析其对重新收敛速度的影响，得出附加先验对流层信息约束模型的收敛速度明显快于传统模型。在此基础上，本文主要研究复杂环境下GPS/BDS组合PPP定位性能，及分析利用捷克大地观测台（Geodetic Observatory Pecný, GOP）提供的对流层延迟参数约束对GPS/BDS组合定位性能的影响。

1 PPP定位原理与方法

1.1 无电离层组合模型

在定位过程中为消除电离层延迟误差的影响，一般采取2个频率上的观测值形成无电离层组合模型，GPS/BDS组合的函数模型[9-11]为

1.2 抗差卡尔曼滤波

利用卡尔曼滤波进行参数估计，以避免由系统状态或参数发生突变造成的滤波发散，提高滤波的精度，保证定位解的严格性、合理性。采用抗差估计，等价权函数参考中国科学院测量与地球物理研究所的IGG III方案[12-14]可表示为

2 实验与结果分析

2.1 数据源与数据处理策略

在不同复杂环境下架设8台Leica GNSS接收机，静态观测8 h。8个测站分别位于高压线下（信号干扰环境，gyxx）、住宅区墙角（3个方向上有遮挡，xqqj）、住宅区广场中心（遮挡低高度角卫星，gczx）、住宅区广场一侧（一个方向有高楼遮挡，gcyc）、“T”型路口（“T”型窗口信号，txlk）、玉龙湖边（水面多路径，ylhb）、玉龙湖桥边（水面多路径，ylqb）和高架桥下（2个方向加天顶方向有遮挡，gjqx）。数据处理采用的精密卫星轨道与钟差、广播星历和码偏差产品等均从国际GNSS服务（International GNSS Service, IGS）官网下载。利用对流层延迟参数约束时，对流层延迟参数采用由GOP提供的产品。数据处理策略如表1所示。

表1 数据处理策略

2.2 结果与分析

为分析复杂环境下GPS/BDS组合PPP定位性能，分别在GPS单系统和GPS/BDS组合条件下处理按小时分段的观测数据，并将对应历元定位误差求标准差（standard deviation, STD）。以txlk测站为例，GPS单系统、GPS/BDS组合定位误差STD统计分别如图1和图2所示。从图1和图2中可以看出，txlk测站GPS/BDS组合较GPS单系统定位误差STD序列更平滑，定位性能更好，且方向定位性能提高显著。对txlk测站GPS单系统及GPS/BDS组合测站环境进行分析，GPS单系统下可观测卫星数平均为5颗，GPS/BDS组合下可观测卫星数平均为9颗，GPS/BDS组合定位性能优于GPS单系统，主要归因于BDS的

加入增加了可用卫星数目，增强了几何构型。

图1 GPS单系统定位误差STD统计

图2 GPS/BDS组合定位误差STD统计

将静态数据分段处理以STD 1 h内收敛至 15 cm为参考，统计PPP收敛时间和收敛后定位精度，并统计各测站观测环境，GPS单系统和GPS/BDS组合定位结果统计分别如表2和表3所示。根据各测站观测环境进行分类，定义gczx、ylhb和ylqb观测环境为一般复杂，gcyc、gyxx和txlk观测环境为较为复杂，gjqx和xqqj观测环境为特别复杂。从表2和表3中可以得出，一般复杂环境下以ylqb为例，和方向收敛时间分别缩短57%、61 %，方向收敛时间不变；和方向定位精度分别提高50 %、28 %和32 %；较复杂环境下以gyxx为例，和方向均从未收敛至收敛；特别复杂环境下以gjqx测站为例，1 h内无法收敛至参考精度，对GPS/BDS组合下gjqx测站环境进行分析，发现位置精度强弱度（position dilution of precision, PDOP）值为3.9，卫星中断频繁，测站上空卫星分布情况为东北至西南方向仅能观测到低高度角卫星（高架桥遮挡），多路径效应均方根(root mean square, RMS）为0.404 m，不适合GNSS静态测量。因此，GPS/BDS组合与GPS单系统相比，一般复杂环境下，定位性能明显提升，较复杂环境下定位性能显著提升。

表2 GPS单系统定位结果统计

表3 GPS/BDS组合定位结果统计

利用GOP提供的对流层延迟参数约束进行GPS/BDS组合PPP，仍以定位误差STD 1 h内收敛至15 cm为参考，PPP收敛时间和收敛后定位精度统计结果如表4所示。对比表3和表4可知，利用GOP提供的对流层延迟参数约束与模型改正加估计相比较，一般复杂环境下以ylhb为例，和方向收敛时间分别缩短6 %、12 %和65 %；和方向定位精度基本一致，方向定位精度提高41 %；较复杂环境下以gcyc为例，和方向收敛时间分别缩短20 %和8 %，方向收敛时间由不收敛至收敛时间为29 min；和方向定位精度基本一致；方向定位精度由不收敛至收敛到0.064 m。因此，GPS/BDS组合情况下，利用GOP提供的对流层延迟参数约束，和方向收敛时间均有缩短，其中方向最明显；和方向定位精度基本一致，方向定位精度明显提高。

表4 对流层延迟参数约束GPS/BDS组合定位结果统计

3 结束语

为解决复杂环境下GPS单系统PPP定位性能较差的问题，分别利用GPS单系统和GPS/BDS组合PPP处理不同复杂环境采集的8 h静态观测数据。另外分析GPS/BDS组合情况下，利用GOP提供的对流层延迟参数约束对定位性能的影响。研究表明：复杂环境下GPS/BDS组合PPP定位性能较GPS单系统更优，主要归因于BDS的加入增加了可用卫星数目，增强了几何构型；利用GOP提供的对流层延迟参数约束，可进一步提高复杂环境下PPP的定位性能，其中方向定位性能提升显著。

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Performance analysis of GPS/BDS combined PPP positioning under complex environment

XU Zongqiu1, HAN Pengtao1, DING Xinzhan1, XU Yantian2

（1. School of Geomatics of Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China;2. Chinese Academy of Surveying and Mapping Science, Beijing 100830, China）

Aiming at the problem that the positioning performance of GPS single system PPP under complex environment is poor and even out-of-work, the paper proposed a method that uses GPS/BDS combination and tropospheric delay parameter constraints to improve the positioning performance. The 8-hour static observation data collected under different complex environments were processed in different time intervals. Result showed that the positioning performance of GPS/BDS combination would be much better than that of GPS single system under complex environment, and the use of GOP tropospheric delay parameter constraints could further improve the positioning performance ofdirection.

global positioning system/BeiDou navigation satellite system (GPS/BDS); complex environment; precise single point positioning; positioning performance; tropospheric delay

P228

A

2095-4999(2019)04-0056-04

徐宗秋，韩澎涛，丁新展，等.复杂环境下GPS/BDS组合PPP定位性能分析[J].导航定位学报,2019,7(4): 56-59.（XU Zongqiu， HAN Pengtao， DING Xinzhan， et al.Performance analysis of GPS/BDS combined PPP positioning under complex environment[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 56-59.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190410.

2019-01-26

资金项目：中国电子科技集团公司第五十四研究所项目（KX162600035）。

徐宗秋（1985—），男，吉林桦甸人，博士，讲师，研究方向为GNSS数据处理与应用。

韩澎涛（1995—），男，辽宁盘锦人，硕士生，研究方向为空间大地测量数据处理。