基于時(shí)空系統(tǒng)統(tǒng)一的北斗與GPS融合定位

華輝

摘要：目前，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)射了9顆北斗衛(wèi)星，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)目標(biāo)。為了提高GPS定位準(zhǔn)確性，我們將要對(duì)星地進(jìn)行聯(lián)調(diào)、測(cè)試評(píng)估工作，進(jìn)一步把握系統(tǒng)定位導(dǎo)航能力。文章從定位基準(zhǔn)入手，結(jié)合定位算法對(duì)時(shí)空系統(tǒng)統(tǒng)一的北斗與GPS融合定位精度進(jìn)行分析和研究。

關(guān)鍵詞：時(shí)空系統(tǒng)；北斗；GPS；融合定位

前言：

北斗一號(hào)是我國(guó)自主研發(fā)、掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GPS，繼美國(guó)、俄羅斯后在國(guó)際上可以定位的導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠全面覆蓋整個(gè)中國(guó)，為人們生活和工作提供了極大的便利。隨著導(dǎo)航定位系統(tǒng)不斷發(fā)展，人們對(duì)于其定位精度提出了更高要求，但我國(guó)北斗系統(tǒng)尚處于發(fā)展階段，還存在很多不足，如何提高其定位精度成為研究的重點(diǎn)。

1、定位基準(zhǔn)

通常情況下，不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)與時(shí)間基準(zhǔn)有所差別?，F(xiàn)階段，我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用的是CSCS2000大地坐標(biāo)與BeiDouT時(shí)間系統(tǒng)。而GPS所采用的是WGS-84和GPST。當(dāng)北斗與GPS聯(lián)合解算過程中，要將二者的坐標(biāo)與時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一處理。

當(dāng)坐標(biāo)系在原點(diǎn)、尺度等方面保持一致時(shí)，參考橢球較為接近，所有常數(shù)中f存在細(xì)小差別，即：

根據(jù)公式計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)，df不會(huì)對(duì)大地經(jīng)度產(chǎn)生影響，其變化范圍介于0～0.105mm。故從理論層面來看，當(dāng)前坐標(biāo)測(cè)量精度背景下，由兩個(gè)坐標(biāo)系參考橢球偏率差會(huì)使得坐標(biāo)系產(chǎn)生變化，但如果是短距離，可以忽略不計(jì)。

對(duì)于時(shí)間坐標(biāo)來說，二者都利用原子時(shí)，秒長(zhǎng)定義保持一致，不會(huì)出現(xiàn)閏秒問題。二者最大的差別在于時(shí)間系統(tǒng)起算點(diǎn)有所差別，但世界協(xié)調(diào)時(shí)之間的閏秒差已經(jīng)達(dá)到了14″，因此BeiDouT與GPST除了相差1356周，還要保持14″的系統(tǒng)差。

2、定位算法

2.1廣播星歷與衛(wèi)星位置計(jì)算

GPS廣播星歷數(shù)據(jù)格式多采用RINEX格式。隨著北斗系統(tǒng)不斷完善，對(duì)于格式的選擇已經(jīng)更新到最新版本，即RINEX3.1。在實(shí)踐中，針對(duì)衛(wèi)星的區(qū)別，主要以大寫字母“G”、“C”進(jìn)行區(qū)別。同時(shí)，針對(duì)衛(wèi)星的參考時(shí)刻來說，要采用CGCS2000坐標(biāo)基準(zhǔn)表示出衛(wèi)星的軌道信息。

目前，北斗衛(wèi)星星座共有三類，其中IGSO與MEO瞬時(shí)位置計(jì)算與GPS具有較強(qiáng)的相似之處，而GEO衛(wèi)星則稍有差別，究其根本是軌道傾角對(duì)同步軌道產(chǎn)生的負(fù)面影響。

2.2構(gòu)建定位結(jié)算模型

對(duì)于北斗與GPS單獨(dú)定位來看，高精度衛(wèi)星定位，都是建立在載波相位觀測(cè)值以上，具體觀測(cè)方程如下：

一般來說，由于公式當(dāng)中含有很多未知數(shù)及誤差信息，導(dǎo)致定位結(jié)算效率及精度較差。因此為了提高定位精度，在實(shí)踐中，還需要采用雙差方式對(duì)觀測(cè)方程進(jìn)行處理，以此來消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差產(chǎn)生的負(fù)面影響，保持載波模糊度，獲取更加精確的結(jié)果。

針對(duì)北斗與GPS聯(lián)合定位來看，當(dāng)二者結(jié)合時(shí)，我們首要解決的問題就是2個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)問題，務(wù)必要采用統(tǒng)一的時(shí)間和坐標(biāo)基準(zhǔn)。上文我們已經(jīng)明確最新的WGS-84和CGCS2000系統(tǒng)存在差異，理論上是0～0.105㎜范圍內(nèi)，可以忽略短距離定位誤差。另外，針對(duì)時(shí)間誤差來說，針對(duì)細(xì)小的同步誤差，為了避免對(duì)定位產(chǎn)生不良影響，我們將雙差組合限定在同一系統(tǒng)內(nèi)[1]。針對(duì)雙差觀測(cè)方程而言，由于徹底消除了衛(wèi)星和接收鐘差的影響，故能夠在很大程度上提高定位準(zhǔn)確性。需要說明的是天線相位中心偏差會(huì)受到產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的影響，為此我們可以結(jié)合天線定位安置方式予以修正和消除處理。

3、實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.1采集數(shù)據(jù)

在實(shí)踐中，本文選擇高精度接收機(jī)，進(jìn)行兩個(gè)短基線相對(duì)的定位試驗(yàn)。為了便于結(jié)果的比較和分析，選擇GPS具有代表性的觀測(cè)數(shù)，時(shí)間范圍在兩個(gè)小時(shí)以內(nèi)。與GPS系統(tǒng)有所差別，北斗系統(tǒng)衛(wèi)星是由多種類型的衛(wèi)星構(gòu)成，故針對(duì)獲取的數(shù)據(jù)要進(jìn)行相應(yīng)的處理，為后續(xù)比較和分析做好鋪墊和準(zhǔn)備。

3.2處理數(shù)據(jù)

目前，為了確定北斗系統(tǒng)定位是否精確，需要對(duì)其中的GPS數(shù)據(jù)及周圍的IGS數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)基線處理，以此來獲取兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)及基線分量值，從而對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。就坐標(biāo)初值來看，GPS的坐標(biāo)初值可以利用單點(diǎn)定位方式予以確定[2]。而對(duì)于被否坐標(biāo)初值的確定，可以由GPS獲取，也可以從北斗系統(tǒng)中單獨(dú)獲取。

整周模糊度是提高定位精度的前提和基礎(chǔ)，由于北斗系統(tǒng)與GPS存在相似之處，故GPS模糊度的搜索方式適用于北斗系統(tǒng)，可以采用LAMBDA等多種方法。確定整周模糊度后，還需要對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘結(jié)算，以此來獲取更為精準(zhǔn)的定位結(jié)果。觀察定位圖，我們能夠發(fā)現(xiàn)由于北斗衛(wèi)星數(shù)量較少，且分布不夠均衡，主要傾向于東西方向上，正因如此，導(dǎo)致北斗衛(wèi)星的PDOP值整體較大，尤其在東西上表現(xiàn)更為明顯。另外，采用同樣的方式進(jìn)行聯(lián)合定位結(jié)算，能夠獲取GPS和北斗定位結(jié)果，但需要說明的是，北斗與GPS在聯(lián)合結(jié)算時(shí)，應(yīng)將權(quán)比控制在合理范圍內(nèi)。經(jīng)過實(shí)證分析，與單一系統(tǒng)定位比較，我們能夠發(fā)現(xiàn)聯(lián)合方式精度更高。

結(jié)論：

根據(jù)上文所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)針對(duì)北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)還會(huì)進(jìn)一步深化，投入更多時(shí)間和精力，均衡其分布點(diǎn)，以提高導(dǎo)航和定位精度。本文對(duì)統(tǒng)一時(shí)空范圍內(nèi)北斗與GPS相融合定位進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合方式方式定位較單一定位更加精準(zhǔn)。但面對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)量較少、且?guī)缀畏植疾畹葐栴}，我們還需要適當(dāng)增加衛(wèi)星資源，優(yōu)化衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)，以此來提高衛(wèi)星定位精度，從而為我國(guó)各行業(yè)發(fā)展提供更多支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鶴峰，黨亞民，秘金鐘，等.BDS與GPS、GLONASS多模融合導(dǎo)航定位時(shí)空統(tǒng)一[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2013，33（04）：73-78.

[2]高星偉，過靜珺，程鵬飛.基于時(shí)空系統(tǒng)統(tǒng)一的北斗與GPS融合定位[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012，41（05）：743-748+755.endprint