實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)及精度分析

李娟娟，楊開偉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081）

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實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)及精度分析

李娟娟1，2，3，楊開偉1，2，3

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081）

摘要：本文介紹了實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的組成與原理，基于開發(fā)的實(shí)時(shí)廣域差分定位處理軟件和高精度接收機(jī)，組成實(shí)時(shí)廣域差分系統(tǒng)。通過接收國際全球定位系統(tǒng)服務(wù)機(jī)構(gòu)提供的服務(wù)產(chǎn)品，進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)精度進(jìn)行分析評(píng)估。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)廣域差分；高精度定位；衛(wèi)星軌道；衛(wèi)星鐘差；精度分析

1 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展以及導(dǎo)航定位用戶需求的發(fā)展，高精度、實(shí)時(shí)性、低成本成為衛(wèi)星導(dǎo)航用戶需求的發(fā)展趨勢(shì)。利用廣播星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位，雖然能夠滿足實(shí)時(shí)性、低成本的需求，但是無法實(shí)現(xiàn)高精度定位。而通過地面增強(qiáng)（單站增強(qiáng)或組網(wǎng)增強(qiáng)）的手段為用戶提供高精度服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了高精度、實(shí)時(shí)性，但是由于需要組建增強(qiáng)系統(tǒng)而不具備低成本的優(yōu)勢(shì)。本文利用IGS（國際GPS服務(wù)）實(shí)時(shí)產(chǎn)品，通過自研GPS接收機(jī)以及廣域差分定位軟件實(shí)現(xiàn)，建立實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2 系統(tǒng)組成與原理

實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)主要由天線、GPS接收機(jī)、處理計(jì)算機(jī)（含廣域差分定位軟件）等設(shè)備組成組成，并通過網(wǎng)絡(luò)接入IGS產(chǎn)品。設(shè)備組成與連接關(guān)系如圖1所示，處理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行自己開發(fā)的實(shí)時(shí)廣域差分定位軟件，軟件運(yùn)行界面如圖2所示。

圖1　實(shí)時(shí)廣域差分系統(tǒng)組成圖

圖2　實(shí)時(shí)廣域差分定位軟件界面

實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的基本原理為：GNSS接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)觀測(cè)，生成偽距觀測(cè)值并解析導(dǎo)航電文，并將觀測(cè)值和導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)傳輸給處理計(jì)算機(jī)；處理計(jì)算機(jī)運(yùn)行的廣域差分定位軟件接收來自接收機(jī)上報(bào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取得到IGS衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)；廣域差分定位軟件讀取事先下載的電離層格網(wǎng)改正文件，獲取電離層改正信息；利用觀測(cè)值、軌道鐘差改正信息和電離層改正信息進(jìn)行廣域差分定位解算，得到點(diǎn)位坐標(biāo)。

圖3　實(shí)時(shí)廣域差分處理流程圖

3 實(shí)時(shí)改正數(shù)據(jù)產(chǎn)品

實(shí)時(shí)廣域差分用到的IGS實(shí)時(shí)產(chǎn)品主要為軌道改正和鐘差改正，其播發(fā)格式為RTCM-SSR，其中，軌道和鐘差改正數(shù)的電文類型為1060，分為數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)記錄兩部分［2］。

3.1 軌道改正

實(shí)時(shí)產(chǎn)品中軌道信息是對(duì)廣播星歷算出來的衛(wèi)星軌道星固系下徑向、切向和法向的修正值，因此，要將該項(xiàng)改正加入到廣播星歷中去，再和IGS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，就需要將IGS星歷數(shù)據(jù)和廣播星歷計(jì)算出的衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)化到星固系下的徑向、切向和法向上去［3］［4］［5］。由衛(wèi)星位置和速度計(jì)算出衛(wèi)星軌道在徑向、切向和法向的單位向量。

則可以實(shí)現(xiàn)由地固系轉(zhuǎn)到星固系

3.2 鐘差改正

實(shí)時(shí)鐘差也是對(duì)廣播星歷算出的鐘差的修正值。具體見下式［3］［4］

4 系統(tǒng)精度分析

為了對(duì)實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估，分別進(jìn)行了多組動(dòng)態(tài)定位與靜態(tài)定位試驗(yàn)。試驗(yàn)采用GPS L1偽距觀測(cè)值，衛(wèi)星軌道與鐘差改正信息從IGS發(fā)布機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)獲取，電離層格網(wǎng)事先從IGS網(wǎng)站下載。試驗(yàn)情況分別如下。

4.1 靜態(tài)定位精度分析

實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度分析試驗(yàn)是將接收機(jī)天線安裝在已知點(diǎn)位上，設(shè)置接收機(jī)采樣率為1Hz，處理軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)定位處理，并將實(shí)時(shí)廣域差分定位結(jié)果與已知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析，評(píng)估系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度水平。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果如圖4到圖6所示。

圖4　實(shí)時(shí)廣域差分北方向定位誤差

圖5　實(shí)時(shí)廣域差分東方向定位誤差

圖6　實(shí)時(shí)廣域差分高程定位誤差

將廣域差分定位結(jié)果與真實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，并換算得到北東高三個(gè)方向的誤差值序列，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到實(shí)時(shí)廣域差分系統(tǒng)靜態(tài)定位精度為：平面1.159m （RMS），高程2.862m（RMS）。

4.2 動(dòng)態(tài)定位精度分析

實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定位精度分析試驗(yàn)中，分別搭建廣域差分定位系統(tǒng)和RTK平臺(tái)，其中，RTK平臺(tái)的基準(zhǔn)站安裝在已知基準(zhǔn)點(diǎn)上，RTK流動(dòng)站和廣域差分定位系統(tǒng)的接收機(jī)均安裝在測(cè)試車上且采用同一天線進(jìn)行功分，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離為2km～3km。接收機(jī)采樣率均為1Hz，由于RTK定位精度為厘米級(jí)，可以作為廣域差分定位結(jié)果的參考值，將實(shí)時(shí)廣域差分定位結(jié)果與RTK定位進(jìn)行比對(duì)分析，評(píng)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定位精度水平。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果如圖7所示。

圖7　實(shí)時(shí)廣域差分動(dòng)態(tài)定位結(jié)果

將廣域差分定位結(jié)果與RTK定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以RTK定位結(jié)果為真值，并換算得到北東高三個(gè)方向的誤差值序列，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到實(shí)時(shí)廣域差分系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位精度為：平面1.665m（RMS），高程3.427m（RMS）。

5 結(jié)束語

通過對(duì)實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的研制，并分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到水平優(yōu)于2m，垂直優(yōu)于3m，動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)垂直精度比靜態(tài)測(cè)試稍差一點(diǎn)，優(yōu)于3.5m。此外，相對(duì)于其他導(dǎo)航型以及高精度測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)廣域差分定位系統(tǒng)具有高精度、實(shí)時(shí)性、低成本、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，隨著我國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，也將有更廣泛的應(yīng)用前景?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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［4］ 尹倩倩，樓益棟，易文婷.IGS實(shí)時(shí)產(chǎn)品比較與分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2009, 34（5）

［5］ 高成發(fā)，胡伍生.衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2011［4］Bruckmannn&KreyeuborgGranuliertechnikGmbH. BKGNtrip Client（BNC） Version 2.8 Manual［EB/OL］.［2013-05-21］

Real Time Wide Area Differential Positioning System and Precision Analysis

Li Juanjuan1,2,3，Yang Kaiwei1,2,3
（1. The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081； 2. Satellite Navigation Technology and Equipment Engineering Technology Research Center of Hebei province, Shijiazhuang, 050081； 3. State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology, Shijiazhuang, 050081）

Abstract:This paper introduces the composition and principle of the real time wide area differential positioning system, based on the development of the real time wide area differential positioning processing software and the high precision receiver, which is composed of the real time wide area difference system. Static testing and dynamic testing are carried out by receiving the service products which are provided by the global positioning system.

Keywords:real time wide area difference； high precision positioning； satellite orbit； satellite clock error；accuracy analysis

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.06.002

中圖分類號(hào)：TN96

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編碼：1672-7274（2016）06-0004-03