北斗系统定位性能分析

肖琴琴，姜 迪, ，宁黎虎，祝 青

(1. 湖南城市学院 a. 市政与测绘工程学院；b. 信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000；2. 长沙市中智信息技术开发有限公司，长沙 410215；3. 湖南省有色地质勘查研究院，长沙 410000)

北斗系统是我国基于国家安全和经济社会发展的需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，能为全球用户提供全天候、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]﹒随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于各个领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入了新的活力﹒为使BDS 的应用和发展能更好更快地推进，不断提高和增强我国定位服务和导航产业自主创新能力，严格按照我国的相关技术规范要求，我国制定了导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划，并得到稳步实行[2-9]﹒规划中，促进北斗导航系统应用与产业化，完善自主的导航与位置服务产业链，形成自主可控的导航与位置服务能力，全面提升我国导航与位置服务产业核心竞争力等的提出大大激励了我国北斗系统的 发展和完善[10-15]﹒如今，在中国及周边国家地区，BDS 的服务性能和GPS 基本上差不多，但由于BDS 系统组网时间较短，其定位性能和导航性能仍然留有部分空白，其定位精度还有待进一步验证，对于BDS 的“GEO+IGSO+MEO”星座定位性能也有待进一步探究[16-20]﹒目前，北斗系统处于第三代阶段，已建设成世界一流的卫星导航系统，正向北斗全球系统迈进﹒GPS 作为历史悠久的卫星系统，可以作为北斗发展的一个参考﹒

在BDS 测量尤其是在动态数据采集过程中，经常会发生数据缺失的情况﹒数据的不完全会影响数据处理的效果，降低定位的精度﹒因此，对BDS 不完全数据的定位情况作分析有一定的实际意义﹒

1 静态定位研究

本文通过采用编号为M5-962812 的测地型华测GNSS 接收机，在湖南省益阳市沧水铺镇凤家塘采集了2019-04-22，14∶55―16∶59 之间的静态观测数据，采样间隔为10 s﹒现以该数据为例进行精度分析﹒

1.1 静态定位研究地点

本文研究选取位于益阳市东南部沧水铺镇凤家塘的GPS 国家C 级点(见图1)进行静态单点定位观测﹒

图1 静态单点定位选点

1.2 静态成果处理

实验分为4 种情况进行分析：1)北斗系统中的3 种卫星都用于定位；2)缺失GEO 卫星情况下的定位；3)缺失IGSO 卫星情况下的定位；4)缺失MEO 卫星情况下的定位﹒首先，将外业观测获取的数据在RTKLIB 软件中进行处理[6]，对完整数据分别进行GEO，IGSO 和MEO 卫星数据的剔除处理[5]；然后，将处理后的数据进行pos 文件输出，获得相应的测量坐标文件；而后将4 种情况下的测量坐标与已知点值进行对比，求得其在XYZ 坐标系各方向上偏差的均方根(RMS)，如表1所示﹒由表1 可知：在缺失GEO 卫星的情况下，三维点位精度下降了1.36%；在缺失IGSO 卫星的情况下，三维点位精度下降了6.00%；在缺失MEO 卫星情况下，三维点位精度下降了6.42%﹒

表1 XYZ 方向上的偏移对比分析 m

1.3 静态成果分析和总结

通过实验对BDS 在缺失不同类型卫星情况下的单点定位精度进行统计分析，得出：缺失MEO 卫星和缺失IGSO 卫星比缺失GEO 卫星的情况下点位精度下降明显﹒由此可看出MEO 卫星和IGSO 卫星在BDS 系统定位中占主导作用，且其比GEO 卫星对定位精度的影响程度大，主要是由于前两者的信号强度优于后者的信号﹒

2 动态定位研究

在进行静态实验之后，又对BDS 进行了动态实 验， 时 间 分 别 为 2019-04-18( 晴 天) ，2019-05-20(阴雨天)和2019-05-22(夜间)，使用的接收机仍为华测编号为M5-962812 的测地型GNSS 接收机，使用手扶式测量杆，见图2﹒接收机同时接收GPS 和BDS 双系统[3]的数据，采样间隔为5 s﹒测量路线为从湖南城市学院新校区第17 栋学生公寓楼出发沿着书城南路，经过湖南城市学院新校区南门后向西沿迎宾东路观测，到达迎宾东路和团圆南路路口后，穿越斑马线向东沿着碧桂园小区观测﹒观测路线中存在GNSS 信号被遮挡的路段，例如枝叶繁茂的书城南路，高楼林立的碧桂园小区，也存在GNSS 信号遮挡较少较为空旷的路段，比如人行道和城市学院新校区南门口停车场﹒下文将对以上路段进行分析﹒

图2 动态单点定位路线设计

2.1 动态成果处理

本文分别选择在阴雨天、晴天及夜间3 种情况下进行动态观测，而后将BDS 和GPS 定位坐标结果整张图用谷歌地球显示，如图3 所示﹒图3 中圆点路线表示BDS 点位；三角形路线表示GPS 点位﹒

图3 动态实验3 种定位方式点位比较

在开阔地带，GPS 定位结果与BDS 结果相差不大﹒如在湖南城市学院银城路和南门人行道附近，因附近鲜有树木遮挡，且无高大建筑物，卫星的接收情况较好，见图4﹒GPS 和BDS 的定位精度不相上下，基本符合路线的实际位置﹒为了更清晰地突显区别，本文选取部分路段进行放大显示，见图5，其中，圆点路线表示BDS 点位；三角形路线表示GPS 点位﹒

图4 开阔地带的跟踪卫星图

图5 开阔地带点位比较

在信号遮挡比较严重地带，GPS 定位结果优于BDS 结果﹒如在湖南城市学院书城南路附近，树木茂密信号被遮挡；在碧桂园别墅区，因四周有高层建筑遮挡，BDS 信号缺失均较为严重，卫星[4]数量较少，见图6 和图7﹒BDS 定位精度不如GPS，点位出现明显偏移，见图8 和图9，圆点路线表示BDS 点位；三角形路线表示GPS 点位﹒

图6 有茂密树木遮挡地带的跟踪卫星图

图7 有高层建筑遮挡地带的跟踪卫星图

图8 有茂密树木遮挡地带

为了突显不同观测环境下BDS 定位的区别，本文选取了一段空旷地区的晴天、阴雨天、夜间 BDS 点位观测图，如图10 所示﹒该图通过GOOGLE 软件成图得到，由图可较为直观地发现，在阴雨天BDS 定位精度不如晴天和夜间﹒

图9 有高层建筑遮挡地带点位比较

图10 不同天气点位比较

2.2 动态成果分析和总结

根据实验情况及结果，分析得出：1)在开阔地带，GPS 与BDS 定位结果相差不大；在信号遮挡比较严重地带，BDS 定位结果差于GPS﹒原因是BDS 发展时间较短，还有部分卫星尚未发射，卫星星座不完整，数据处理能力、抗干扰能力[9]等有待进一步提升，加上BDS 卫星星座与GPS有差异，使BDS 卫星的接收数量较少﹒而GPS经过数十年发展，不仅卫星星座完整，而且对于数据缺失情况的处理也比BDS更加完善﹒2)天气对于BDS 定位性能存在一定影响﹒在阴雨天BDS 明显存在数据的缺失，观测信号不如晴天和夜间﹒主要是由于阴雨天时云层较厚，会削弱和干扰BDS 信号的传输﹒

3 结论

1)BDS 系统中的MEO 卫星和IGSO 卫星的定位精度较GEO 卫星更高﹒

2)在视野开阔地带，BDS 与GPS 的定位结果相差不大；在信号遮挡比较严重地带，BDS 定位结果差于GPS﹒

3)观测环境对于BDS定位性能存在一定的影响﹒在阴雨天，BDS 观测信号不如晴天和夜间，从而导致定位精度差于晴天和夜间﹒