不同環(huán)境下BDS/GPS組合動(dòng)態(tài)定位性能分析

于龍昊,丁克良,劉亞杰,趙海濤,周命端

(1.北京建筑大學(xué),測繪與城市空間信息學(xué)院,北京 102616 2.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心,北京 100830)

0　引　言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的日益完善,北斗衛(wèi)星的可見數(shù)量和衛(wèi)星的分布構(gòu)型都有很大提高,進(jìn)而使得動(dòng)態(tài)定位的精度提高和可靠性增強(qiáng)。因此,針對(duì)定位過程中全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星信號(hào)易受到遮擋的局限問題,可以通過BDS和GPS衛(wèi)星系統(tǒng)組合的方式來解決[1]。許多學(xué)者都對(duì)BDS/GPS組合系統(tǒng)定位精度和性能開展了較為豐富的研究[1-8],而對(duì)BDS/GPS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定位性能研究涉及較少。

隨著動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用,極大提高了定位的作業(yè)效率,減少了測量工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度,動(dòng)態(tài)定位的精度也有了較大提高。由于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(RTK)技術(shù)在一些地形地貌比較復(fù)雜的地區(qū)可能會(huì)受到基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離大或高波特率傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?作業(yè)性能可能不夠理想。因此,在不需要實(shí)時(shí)得到測量結(jié)果時(shí),載波相位后處理(PPK)技術(shù)可以憑借定位精度高、作業(yè)半徑大等優(yōu)點(diǎn)有效地補(bǔ)充RTK的不足[9]。

本文基于載波相位后處理的特點(diǎn),在不同環(huán)境下開展BDS、GPS及BDS/GPS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),結(jié)合衛(wèi)星的可見衛(wèi)星數(shù)和空間分布情況,分析了BDS、GPS及BDS/GPS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定位性能。

1　BDS/GPS組合動(dòng)態(tài)定位模型

BDS/GPS偽距和相位的雙差觀測方程為[3]:

(1)

簡化后的BDS/GPS載波相位相對(duì)定位的法方程的矩陣式為[3]

(2)

聯(lián)系人: 于龍昊E-mail:yu415479771@163.com

式(2)中

(3)

(4)

其中: 上標(biāo)G為GPS衛(wèi)星; C為北斗衛(wèi)星;dX表示三維坐標(biāo)改正; ΔN為雙差整周模糊度。式(3)中,(x0,y0,z0)表示初始接收機(jī)坐標(biāo)值; (xk,yk,zk)表示衛(wèi)星坐標(biāo);ρ0為接收機(jī)初值到衛(wèi)星的距離。式(4)中,λ表示波長。該法方程的矩陣是秩虧矩陣,需要加入偽距觀測值將法方程的病態(tài)消除。

2　PPK 定位基本原理

2.1　PPK定位基本原理

載波相位后處理技術(shù)(PPK)是在地面的一個(gè)已知基準(zhǔn)點(diǎn)上安置一臺(tái)接收機(jī),在地面待測點(diǎn)上安置另一臺(tái)接收機(jī),兩臺(tái)接收機(jī)在一定范圍內(nèi)共有的系統(tǒng)誤差基本相同。因此,可以通過實(shí)測坐標(biāo)和該已知坐標(biāo)之差得到基準(zhǔn)點(diǎn)的共有系統(tǒng)誤差,從而得到每個(gè)觀測時(shí)刻由于系統(tǒng)誤差造成的影響,進(jìn)而改正待測點(diǎn)的坐標(biāo)值,最后獲取待測點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

PPK方法與傳統(tǒng)的RTK方法不同: ① PPK方法不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈通信就可以測量。② PPK方法理想作業(yè)范圍較RTK方法理想作業(yè)范圍大得多,而且待測點(diǎn)可以在基準(zhǔn)站作業(yè)范圍內(nèi)的任意位置進(jìn)行測量,移動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間可以不受地物的影響。③ PPK技術(shù)的最大優(yōu)勢就是可以使用精密星歷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,進(jìn)而很大程度上提高了定位的精度。因此,僅從這三方面來分析,PPK可以有效地補(bǔ)充RTK的不足。

2.2　PPK定位數(shù)學(xué)模型

PPK模式使用基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)在流動(dòng)站的相位觀測數(shù)據(jù)上進(jìn)行改正,從而獲取流動(dòng)站的精確三維坐標(biāo),載波相位觀測的校正值為[10]

(5)

將上式算出的載波相位觀測的校正值Δs帶入載波相位觀測方程得[11]

[Xi(t)-Xr(t)]2+[Yi(t)-Yr(t)]2+

[Zi(t)-Zr(t)]2+dρ，

(6)

3　方案設(shè)計(jì)

為了比較不同環(huán)境下的BDS、GPS及BDS/GPS組合動(dòng)態(tài)定位性能,設(shè)計(jì)如下兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn):

實(shí)驗(yàn)在北京建筑大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行,選用三臺(tái)CHCi60接收機(jī),一臺(tái)作為基準(zhǔn)站,基準(zhǔn)站架設(shè)在北京建筑大學(xué)GPS控制點(diǎn)G5上,觀測環(huán)境良好,位置空曠,周圍無任何遮擋。另兩臺(tái)作為移動(dòng)站,移動(dòng)站的高度截止角15°,數(shù)據(jù)采樣間隔為1s,一臺(tái)移動(dòng)站BJ01圍繞校園的東部移動(dòng),途徑30m高層建筑及行樹,最后回到基準(zhǔn)站;另一臺(tái)移動(dòng)站BJ02圍繞校園的西部移動(dòng),途徑30m高層建筑、行樹及樹林,最后回到基準(zhǔn)站。

4　數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,利用CHCGeomaticsOffice軟件,將基準(zhǔn)站、移動(dòng)站數(shù)據(jù)導(dǎo)入,分別對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行BDS、GPS及BDS/GPS組合系統(tǒng)基線處理,處理模式采用PPK動(dòng)態(tài)后處理模式,通過分析處理結(jié)果,得到了一些結(jié)論。

通過PPK對(duì)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,得到移動(dòng)站BJ01和BJ02的動(dòng)態(tài)軌跡圖,從左至右分別為BDS、GPS及BDS/GPS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軌跡如圖1和圖2所示。

對(duì)比圖1和圖2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,動(dòng)態(tài)定位軌跡圖中可以得到:

1) 僅使用單BDS進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位時(shí),動(dòng)態(tài)定位性能較差,且都受到了不良環(huán)境的影響。在途徑高層建筑物下和樹林下時(shí),大量數(shù)據(jù)未被采集到;在采集到的數(shù)據(jù)中,仍含有大量精度不高的浮點(diǎn)Float和單點(diǎn)Spp.

2) 僅使用單GPS進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位時(shí),動(dòng)態(tài)定位性能良好。在觀測條件不良的環(huán)境下,采集的數(shù)據(jù)也基本完整,且都是固定點(diǎn)Fix;然而僅使用GPS進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位也受到了高層建筑和樹林的影響,產(chǎn)生了一些浮點(diǎn)。

3) 使用BDS/GPS組合系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位,動(dòng)態(tài)定位性能較好。動(dòng)態(tài)軌跡圖基本都由固定點(diǎn)構(gòu)成,采集的精度較高。

為了進(jìn)一步研究BDS/GPS組合系統(tǒng)的定位性能,筆者結(jié)合實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二中的衛(wèi)星顆數(shù)和分布情況進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的衛(wèi)星天空?qǐng)D如圖3、圖4所示,衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)圖如圖5、圖6所示。

在實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的衛(wèi)星天空?qǐng)D和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)圖中,衛(wèi)星號(hào)G代表的是GPS衛(wèi)星,GPS的可見衛(wèi)星分布比較均勻,且衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)較好;衛(wèi)星號(hào)C代表的是BDS衛(wèi)星,而BDS可見衛(wèi)星大部分都分布在南部,可見衛(wèi)星的分布和空間結(jié)構(gòu)都不如GPS。

在實(shí)驗(yàn)一中BDS可見衛(wèi)星10顆,GPS可見衛(wèi)星8顆,組合之后可見衛(wèi)星數(shù)量達(dá)18顆,在接收到的18顆衛(wèi)星中,5顆GPS可見衛(wèi)星觀測時(shí)段基本完整;而BDS僅有1顆衛(wèi)星觀測時(shí)段完整,其余9顆衛(wèi)星均含有部分信號(hào)缺失的時(shí)段;實(shí)驗(yàn)二中BDS可見衛(wèi)星8顆,GPS可見衛(wèi)星8顆,組合之后可見衛(wèi)星數(shù)量達(dá)16顆,在接收到的16顆衛(wèi)星中,GPS有6顆衛(wèi)星觀測時(shí)段較完整,而BDS也僅有1顆衛(wèi)星觀測時(shí)段完整,其余7顆衛(wèi)星均含有部分信號(hào)缺失的時(shí)段。在BDS/GPS組合之后,可見衛(wèi)星數(shù)量增多,有效的彌補(bǔ)觀測環(huán)境不佳時(shí)BDS衛(wèi)星信號(hào)的缺失的時(shí)段,衛(wèi)星覆蓋范圍變大,有效地?cái)U(kuò)大了接收機(jī)采集信號(hào)的范圍。因此,BDS/GPS組合的方式可以達(dá)到定位性能增強(qiáng)的目的。

5　結(jié)束語

隨著北斗導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展,我國北斗三號(hào)即將建成,即將為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。利用BDS/GPS組合系統(tǒng)與單系統(tǒng)的定位性能對(duì)比就顯得尤為重要,本文利用PPK技術(shù)對(duì)BDS、GPS和BDS/GPS組合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位性能分析可以得到以下結(jié)論:

1) 觀測條件良好的環(huán)境下,BDS/GPS組合系統(tǒng)的定位性能和GPS系統(tǒng)的定位性能基本一致;由于BDS還在建設(shè)當(dāng)中,衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)還在構(gòu)建,BDS的定位性能稍遜于GPS.

2) 在高層建筑和樹林遮擋等觀測條件不理想的環(huán)境下,BDS/GPS組合系統(tǒng)增加了可視衛(wèi)星數(shù)量,改善了衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu),提高了BDS/GPS的定位性能,使得BDS/GPS組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定位性能優(yōu)于單系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位性能。

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