北斗三頻與雙頻相對(duì)定位性能分析

楊東森,呂志偉,岳彩亞,王鵬旭,劉柳

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001;3.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590)

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北斗三頻與雙頻相對(duì)定位性能分析

楊東森1,2,呂志偉1,2,岳彩亞3,王鵬旭1,2,劉柳1,2

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001;3.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590)

對(duì)北斗三頻與雙頻相對(duì)定位的性能進(jìn)行分析。鑒于目前對(duì)北斗三頻相對(duì)于雙頻的優(yōu)勢(shì)分析較少,本文利用北斗及GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在定位精度與質(zhì)量上,分析對(duì)比了二者的性能且對(duì)北斗頻率的變化對(duì)定位產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。同時(shí)區(qū)分GEO、IGSO、MEO不同類型衛(wèi)星對(duì)整周模糊度解算的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);三頻;雙頻;定位性能

0　引　言

目前世界上主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)、歐盟的伽利略系統(tǒng)(Galileo)以及我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),還有日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(QZSS)以及印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(IRNSS)。這些系統(tǒng)都將在至少三個(gè)頻點(diǎn)上播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),多系統(tǒng)多頻觀測(cè)值的出現(xiàn),使得長(zhǎng)波長(zhǎng)、電離層誤差小以及觀測(cè)噪聲小的組合方式更加靈活[1]。GNSS技術(shù)應(yīng)用已由原來(lái)單接收機(jī)的GNSS標(biāo)準(zhǔn)定位(SPS),發(fā)展到差分GNSS(DGNSS)、RTK、精密單點(diǎn)定位(PPP)、網(wǎng)絡(luò)RTK、地基增強(qiáng)WAAS系統(tǒng)、空基增強(qiáng)SBAS系統(tǒng)等多種導(dǎo)航定位技術(shù)。GPS 靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)和實(shí)施中,隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的快速建設(shè),GPS/BDS雙星座靜態(tài)相對(duì)定位成為可能。

李浩軍利用三頻信號(hào)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位時(shí)指出三頻觀測(cè)值對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)結(jié)果精度的改善不明顯,但對(duì)于短時(shí)間觀測(cè)結(jié)果的精度與參數(shù)收斂時(shí)間都有一定的改善[2]。劉威在偽距單點(diǎn)定位精度及可用性方面分析了北斗單頻與多頻的特點(diǎn),指出在觀測(cè)條件較差時(shí),多頻比單頻偽距單點(diǎn)定位更加穩(wěn)定、可靠,但是其僅僅分析了單點(diǎn)定位的性能[3]。趙磊分析了北斗系統(tǒng)單頻點(diǎn)的信噪比、多徑誤差以及單點(diǎn)定位精度,對(duì)北斗系統(tǒng)三頻單點(diǎn)定位做出了整體評(píng)估,但是沒有關(guān)于相對(duì)定位的介紹[4]。朱永興研究了北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的精度,并與GPS定位結(jié)果進(jìn)行比較,指出北斗精密單點(diǎn)定位可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)厘米級(jí)、動(dòng)態(tài)分米級(jí)的定位精度,達(dá)到目前GPS精密單點(diǎn)定位水平[5]。張小紅在分析北斗多頻模糊度解算方法時(shí)提到三頻相對(duì)于雙頻的優(yōu)勢(shì),但是其在定位性能方面未作詳細(xì)探討[6-7]。為充分利用多頻使模糊度更容易被固定、更好地進(jìn)行周跳探測(cè)與修復(fù)以達(dá)到高精度定位、導(dǎo)航的要求,現(xiàn)已有大量學(xué)者在原有模糊度解算方法TCAR基礎(chǔ)上進(jìn)行研究與創(chuàng)新。

鑒于目前關(guān)于北斗三頻相對(duì)于雙頻的優(yōu)勢(shì)分析較少,本文采用實(shí)測(cè)北斗三頻數(shù)據(jù)分析了二者在相對(duì)定位方面的性能優(yōu)劣,并因北斗星座異構(gòu)對(duì)模糊度解算所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究分析。

1　BDS/GPS衛(wèi)星星座

GPS星座采用碼分多址(CDMA)擴(kuò)頻通信體制,現(xiàn)代化后的GPS衛(wèi)星將在L1、L2和L5上調(diào)制衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。我國(guó)BDS同樣由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成,根據(jù)計(jì)劃空間星座部分主要由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)和27顆中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航(區(qū)域)系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由 14 顆組網(wǎng)衛(wèi)星組成,其中包括5顆地球靜止同步軌道衛(wèi)星,5顆傾斜軌道衛(wèi)星以及4顆中軌衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同樣采用碼分多址擴(kuò)頻通信體制,在 B1,B2 和 B3 三個(gè)頻段上調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)[8]。北斗系統(tǒng)多頻技術(shù)在多頻觀測(cè)量組合理論、周跳探測(cè)與修復(fù)以及整周模糊度解算等方面已經(jīng)獲得巨大的應(yīng)用。目前北斗精密單點(diǎn)定位可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)厘米級(jí)、動(dòng)態(tài)分米級(jí)的定位精度,與GPS精密單點(diǎn)定位水平相差不多[9]。2012 年底北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)初步具備亞太地區(qū)服務(wù)的能力,北斗系統(tǒng)區(qū)別于GPS,在軌衛(wèi)星均能發(fā)射三頻衛(wèi)星信號(hào),極大地方便了學(xué)者們的研究,其載波頻率如表1所示。

表1　GPS/BDS系統(tǒng)頻率　　　單位:MHz

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析北斗系統(tǒng)三頻定位與雙頻定位的性能,本文使用在鄭州市采集的數(shù)據(jù),以區(qū)別于CORS網(wǎng)站及IGS參考站,驗(yàn)證系統(tǒng)在一般地區(qū)的定位性能。利用上海司南測(cè)量型接收機(jī)(M300Pro)于2015年12月22日、12月28日分別采集基線長(zhǎng)度大約為6 m、22 km的基線,采樣間隔均設(shè)置為1 s,高度截止角設(shè)定為15°,接收機(jī)均置于樓頂且具備較好的觀測(cè)條件。

通過(guò)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以分析利用北斗三頻數(shù)據(jù)與雙頻數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)定位的性能。利用Rtklib開源軟件及自編程序分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在使用三頻定位與使用雙頻定位的差異,并且對(duì)北斗GEO、IGSO、MEO三種不同類型衛(wèi)星在參與模糊度解算時(shí)所表現(xiàn)出的差異給予分析。

3　實(shí)驗(yàn)分析

因?yàn)镚PS在同一歷元時(shí)刻觀測(cè)到發(fā)射三頻信號(hào)衛(wèi)星的數(shù)量不足4顆,所以只利用BDS進(jìn)行三頻與雙頻定位的分析。實(shí)驗(yàn)采用基線長(zhǎng)度約為6 m的實(shí)測(cè)北斗數(shù)據(jù),首先對(duì)比北斗單頻、雙頻與三頻靜態(tài)相對(duì)定位在緯度、經(jīng)度以及高程分量的絕對(duì)誤差可知,三頻相對(duì)于雙頻(B1+B2)在相對(duì)定位精度方面沒有太大的改善。對(duì)于6 m左右短基線的相對(duì)定位,基線真值選用GPS衛(wèi)星并輔以精密星歷及鐘差文件計(jì)算獲得,定位的絕對(duì)誤差如表2所示。

表2　不同頻率組合定位絕對(duì)坐標(biāo)誤差

圖1(a)示出了6 m基線相對(duì)定位時(shí)雙頻定位的標(biāo)準(zhǔn)差,圖1(b)示出了三頻情形下相關(guān)結(jié)果。由圖1可以看出,北斗三頻相對(duì)定位在短基線情形下相比于雙頻定位結(jié)果較穩(wěn)定,但是對(duì)于定位的精度沒有顯著的提高。

圖2(a)和圖2(b)分別為22 km基線相對(duì)定位時(shí)雙頻與三頻定位的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖2可以看出,對(duì)于該長(zhǎng)度左右的基線的相對(duì)定位,一般情況下三頻相對(duì)于雙頻在定位精度上并沒有太大的提升。

為研究動(dòng)態(tài)定位情況下北斗三頻與雙頻定位性能,通過(guò)在鄭州市采集約一個(gè)多小時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)采樣間隔設(shè)置為1 s,基線長(zhǎng)度大約為13 km.

圖3(a)為雙頻情形下動(dòng)態(tài)定位在E、N、U方向的標(biāo)準(zhǔn)差,圖3(b)為三頻情形下相關(guān)結(jié)果。這表明,在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位時(shí),北斗三頻相對(duì)于雙頻定位性能提升亦不明顯,動(dòng)態(tài)定位的結(jié)果仍然不夠理想,二者相差的并不多。

由以上分析可知,北斗三頻相對(duì)定位精度相比于雙頻情形下沒有明顯地提高[6],這也是目前對(duì)于北斗三頻在定位精度上研究較少而在多頻組合觀測(cè)理論、周跳探測(cè)與修復(fù)以及整周模糊度解算等方面研究較多的一個(gè)原因。

圖3　動(dòng)態(tài)定位時(shí)雙頻與三頻相對(duì)定位標(biāo)準(zhǔn)差 (a)雙頻；(b)三頻

由圖4可以看出,在利用TCAR方法解算北斗短基線模糊度時(shí),單純GEO衛(wèi)星在解算單頻點(diǎn)(B1)模糊度時(shí)有較大的誤差,大部分都在0.3周左右,當(dāng)選用IGSO-GEO、MEO-GEO衛(wèi)星組合時(shí),可見解算誤差相應(yīng)的減小;當(dāng)選用IGSO-IGSO衛(wèi)星組合時(shí),基礎(chǔ)模糊度解算誤差可以限制在0.2周左右;同樣,IGSO-MEO、MEO-MEO衛(wèi)星組合也可以達(dá)到相應(yīng)的精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座中,ISGO、GEO為運(yùn)動(dòng)角速度較慢的高軌衛(wèi)星,尤其是GEO 衛(wèi)星的角速度更慢,這會(huì)對(duì)定位結(jié)構(gòu)模型精度產(chǎn)生影響。由于GEO衛(wèi)星的多路徑誤差和空間幾何構(gòu)型變化緩慢,所以其參與模糊度解算后會(huì)降低模糊度固定的可靠性。

圖5左邊為20°高度截止角解算北斗短基線B1頻點(diǎn)模糊度誤差,右邊為30°高度截止角解算結(jié)果。分析圖4與圖5中GEO衛(wèi)星解算單頻點(diǎn)模糊度誤差可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)設(shè)置較大的高度截止角可以有效減小GEO衛(wèi)星解算模糊度誤差。

圖4　不同類型衛(wèi)星模糊度估值解算誤差

圖5　不同高度截止角解算誤差(a) 20°;(b) 30°

4　結(jié)束語(yǔ)

北斗高精度導(dǎo)航與定位是目前研究的重難點(diǎn),也是鞏固北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的地位之要求。多頻技術(shù)的出現(xiàn)被稱為無(wú)線電技術(shù)的又一場(chǎng)革命。目前主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均向多頻信號(hào)發(fā)展,多頻相對(duì)于雙頻和單頻有不可替代的作用。

本文分析了不同長(zhǎng)度基線在靜態(tài)相對(duì)定位以及動(dòng)態(tài)相對(duì)定位中的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:北斗三頻相對(duì)定位的精度相比于雙頻定位結(jié)果沒有太大的提高,但是其利用多頻線性組合在模糊度快速收斂方面有較大的優(yōu)勢(shì)。北斗GEO衛(wèi)星由于其系統(tǒng)性的偏差以及衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型變化緩慢,所以其參與模糊度解算時(shí)會(huì)降低固定的可靠性,相比較而言,IGSO、MEO衛(wèi)星則有較好的精度。

[1]李金龍.北斗/GPS多頻實(shí)時(shí)精密定位理論與方法[D]. 鄭州:信息工程大學(xué),2014.

[2]李浩軍,朱衛(wèi)東,張勇. 采用三頻信號(hào)的精密單點(diǎn)定位[J]. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊,2013,34:93-101.

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[8]楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2010,39(1):1-6.

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Performance Analysis of Relative Positioning with BeiDou Triple-frequency and Dual-frequency Observations

YANG Dongsen1,2,Lü Zhiwei1,2,YUE Caiya3,WANG Pengxu1,2,LIU Liu1,2

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China；2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China；3.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

To analyze the performance of relative positioning with BeiDou triple-frequency and dual-frequency data. Given the current BeiDou triple-frequencywith respect to the dual-frequency advantages of less analysis,analyzed the performance of the two and the impact of the positioning with BeiDou frequency changed with real BeiDou and GPS observations.At the same time, the comparison of variousinfluenceon ambiguity resolution between the different types of satellitesGeostationary Orbit (GEO), Inclined Geosynchronous Orbit (IGSO), and Medium Earth Orbit (MEO) was also conduct.

BDS; triple frequency; dual-frequency; positioning performance

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.011

2016-05-10

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0048-05

楊東森(1991-),男,河南南陽(yáng)人,碩士生,主要從事GNSS多頻數(shù)據(jù)處理的研究。

呂志偉(1974-),男,江西贛州人,副教授,主要從事衛(wèi)星精密定位的研究。

岳彩亞(1990-),男,河南濮陽(yáng)人,碩士生,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與分析。

聯(lián)系人： 楊東森 E-mail :yangdongsen2015@sina.com