北斗观测数据高精度定位分析

刘艳春

（1.福建省测绘院,福建 福州 350003）

北斗卫星导航系统（BDS）是具有自主知识产权,我国自主建设、独立运行的卫星导航系统,能为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务,现已成功发射54颗卫星,其中北斗三号卫星29颗,已从服务于亚太区域逐步向服务全球转变,服务能力和水平不断提升。BDS在定位领域应用广泛,目前与定位相关的研究非常多,主要集中在单点定位领域[1-3],精度可达cm级。然而,在高精度位置服务领域（如区域测绘基准框架建立与维持）,cm级的定位精度还不够,因此探索其mm级定位精度势在必行。

相对定位是区别于单点定位的另一种定位模式,其中以双差模式最为常用。双差模式可消除卫星钟差和接收机钟差的影响,还可明显减弱轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响,是进行高精度GNSS定位的理想选择。由美国麻省理工学院和斯克里普斯海洋研究所联合研发的GAMIT/GLOBK（Version 10.70）[4-5]软件采用双差模式定位,不仅数据处理精度高,而且开放源代码,使用者可根据需要进行源程序的修改。新版本的GAMIT软件可独立解算GPS、GLONASS、BDS三种卫星观测数据中的一种,但不能进行组合解算（组合解算只能通过GLOBK平差实现）,解算命令中必须声明“C”、“G”、“R”等关键字,分别表示解算BDS、GPS、GLONASS数据,关键字缺省则自动解算GPS数据。解算BDS或GLONASS数据时,除注意声明关键字外,还要采用包含BDS或GLONASS卫星信息的精密星历、导航文件、卫星偏航信息表和差分码偏差表,其他所需的全球共用表文件与GPS相同。需要说明的是,目前BDS精密星历的生产机构包括欧洲定轨中心（CODE）、德国地学研究中心和武汉大学,但均未产出北斗三号卫星精密星历产品；福建省卫星导航定位服务参考站（FJCORS）目前还不能接收北斗三号卫星信号,这也是限制BDS定位精度提升的重要因素之一。

本文通过独立解算BDS观测数据,旨在探索BDS高精度解算方法,进而分析BDS高精度定位性能,为今后采用BDS观测数据进行高精度定位等应用提供参考。

1 数据来源与解算方法

本文采用的数据来源于FJCORS,选取全省较均匀分布的22个BDS观测基准站,其中包括7个2000国家大地坐标系（CGCS2000）坐标已知的国家基准站,观测时段为2018年2月1日—2月15日,共计15 d。首先利用GAMIT解算基准站坐标和卫星轨道的单日松弛解,解算命令中声明“C”关键字,主要解算策略如表1所示；然后利用GLOBK进行Kalman滤波,并通过七参数相似变换,将基准站坐标转换为CGCS2000坐标,从而获得CGCS2000坐标系成果。

表1 BDS解算主要策略

2 精度分析

2.1 内符合精度

本文采用上述解算策略,得到基准站BDS定位成果,包括单时段（单天）时序解和综合多时段（多天）的平均解；以坐标中误差作为检验成果内符合精度的指标,分别对单时段时序解和多时段平均解的中误差进行分析。本文以LYYD基准站和QZHA基准站为例（图1）,说明时序解和内符合精度的变化,横向表示2018年年积日,即从2018年第1天开始累计的天数,纵向表示GAMIT/GLOBK中定义的NEU坐标系（即南北、东西、垂直三分量）,这种表示方法便于比较水平和垂直方向的坐标及其内符合精度变化；其中蓝色圆圈表示坐标分量值,已通过保密处理,这里仅显示坐标变化趋势,红色短竖线表示单时段解的中误差。由图1可知,对于单个基准站,其坐标时序及其内符合精度存在起伏变化；而从基准站之间的对比来看,坐标时序及其内符合精度的变化也有所差异,这主要是由基准站每天的观测环境变化以及不同站的观测环境差异所导致的。统计所有基准站的时序解发现,坐标水平方向（N、E分量）的变化量主要在10.0 mm以内,垂直方向（U分量）的变化量主要在20.0 mm以内；水平方向的单时段内符合精度均优于7.0 mm,垂直方向的单时段内符合精度均优于20.0 mm。

图1 BDS单时段解算的坐标和中误差序列

构建和维持测绘基准框架往往需要解算多个时段的观测数据,以保证框架的精度。因此,本文对15个时段的观测数据进行综合处理,获取了多时段的平均解算成果,以常用的地心空间直角坐标系表示。多时段平均解算成果的内符合精度如表2所示,不含已知的7个国家基准站坐标,可以看出,通过多时段观测资料的综合处理,BDS定位的内符合精度均优于3.8 mm,平均内符合精度优于2.7 mm,表明BDS定位能达到较高的内符合精度。

表2 BDS多时段平均解的内符合精度/mm

2.2 外符合精度

为检验BDS定位成果的准确度（即外符合精度）,本文将其与现有GPS定位成果进行对比分析, GPS定位成果主要来源于自然资源部大地测量数据处理中心解算成果。BDS定位成果与GPS定位成果的较差统计如表3所示,以地心空间直角坐标系表示,其中GPS定位成果为整月（30个时段）的平均值,BDS定位成果为15个时段的平均值,可以看出,若将GPS定位成果视为真值,则BDS定位成果的定位精度均优于±15.5 mm,误差均值优于±5.1 mm,表明BDS定位成果具有较高的准确度。

表3 BDS定位成果与GPS定位成果的较差统计表/mm

3 结 语

本文采用GAMIT/GLOBK软件处理BDS观测数据,获得了CGCS2000坐标系成果。检验结果表明,BDS定位的内符合精度能达到mm级；同时,以现有GPS成果作为参考,BDS定位的外符合精度也能达到mm级。因此,采用单纯的BDS观测数据可获得准确可靠的高精度定位成果。尽管上述结论是在处理福建省域BDS观测数据的基础上得到的,但对于全国甚至亚太区域应用仍具有参考意义。因此,笔者建议推广BDS高精度解算方法,利用纯BDS数据获取高精度定位成果,或融合处理BDS、GPS、GLONASS等多种卫星观测资料,从而提供更加优质的高精度位置服务。