復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析

徐宗秋，韓澎濤，丁新展，徐彥田

復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析

徐宗秋1，韓澎濤1，丁新展1，徐彥田2

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830）

針對復(fù)雜環(huán)境下全球定位系統(tǒng)（GPS）單系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位（PPP）定位性能較差甚至無法定位問題，研究利用GPS及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）組合以及對流層延遲參數(shù)約束提升定位性能。分時(shí)段處理不同復(fù)雜環(huán)境采集的8 h靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合較GPS單系統(tǒng)定位性能明顯提升；利用捷克的大地觀測臺(tái)（GOP）對流層延遲參數(shù)約束可進(jìn)一步提高方向定位性能。

全球定位系統(tǒng)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；復(fù)雜環(huán)境；精密單點(diǎn)定位；定位性能；對流層延遲

0 引言

精密單點(diǎn)定位（precise point positioning, PPP）技術(shù)是一種高精度定位方法，相比于相對定位，PPP的出現(xiàn)是一場革命[1]。僅僅利用精密衛(wèi)星軌道、鐘差和模型改正精細(xì)各項(xiàng)誤差，就可以達(dá)到分米至厘米級(jí)的定位精度。但是在森林、高樓林立的城市等復(fù)雜環(huán)境中，多路徑和遮蔽效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低一些全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS ）衛(wèi)星的測距精度，并且城市密集的高層建筑會(huì)導(dǎo)致可觀測衛(wèi)星數(shù)減少，觀測衛(wèi)星的空間幾何結(jié)構(gòu)較差導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重下降[2-3]。隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)導(dǎo)航定位服務(wù)，全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）和BDS組合導(dǎo)航定位成為發(fā)展的重要趨勢[4]，多導(dǎo)航系統(tǒng)組合有助于提高PPP定位性能。

另外，對流層延遲是PPP的重要誤差源之一，對流層主要影響高程方向定位誤差，且用先驗(yàn)對流層約束會(huì)使高程方向定位精度有所改善[5-7]。文獻(xiàn)[8]利用先驗(yàn)對流層延遲約束進(jìn)行PPP解算，分析其對重新收斂速度的影響，得出附加先驗(yàn)對流層信息約束模型的收斂速度明顯快于傳統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，本文主要研究復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能，及分析利用捷克大地觀測臺(tái)（Geodetic Observatory Pecny, GOP）提供的對流層延遲參數(shù)約束對GPS/BDS組合定位性能的影響。

1 PPP定位原理與方法

1.1 無電離層組合模型

在定位過程中為消除電離層延遲誤差的影響，一般采取2個(gè)頻率上的觀測值形成無電離層組合模型，GPS/BDS組合的函數(shù)模型[9-11]為

1.2 抗差卡爾曼濾波

利用卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，以避免由系統(tǒng)狀態(tài)或參數(shù)發(fā)生突變造成的濾波發(fā)散，提高濾波的精度，保證定位解的嚴(yán)格性、合理性。采用抗差估計(jì)，等價(jià)權(quán)函數(shù)參考中國科學(xué)院測量與地球物理研究所的IGG III方案[12-14]可表示為

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理策略

在不同復(fù)雜環(huán)境下架設(shè)8臺(tái)Leica GNSS接收機(jī)，靜態(tài)觀測8 h。8個(gè)測站分別位于高壓線下（信號(hào)干擾環(huán)境，gyxx）、住宅區(qū)墻角（3個(gè)方向上有遮擋，xqqj）、住宅區(qū)廣場中心（遮擋低高度角衛(wèi)星，gczx）、住宅區(qū)廣場一側(cè)（一個(gè)方向有高樓遮擋，gcyc）、“T”型路口（“T”型窗口信號(hào)，txlk）、玉龍湖邊（水面多路徑，ylhb）、玉龍湖橋邊（水面多路徑，ylqb）和高架橋下（2個(gè)方向加天頂方向有遮擋，gjqx）。數(shù)據(jù)處理采用的精密衛(wèi)星軌道與鐘差、廣播星歷和碼偏差產(chǎn)品等均從國際GNSS服務(wù)（International GNSS Service, IGS）官網(wǎng)下載。利用對流層延遲參數(shù)約束時(shí)，對流層延遲參數(shù)采用由GOP提供的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)處理策略

2.2 結(jié)果與分析

為分析復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能，分別在GPS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合條件下處理按小時(shí)分段的觀測數(shù)據(jù)，并將對應(yīng)歷元定位誤差求標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation, STD）。以txlk測站為例，GPS單系統(tǒng)、GPS/BDS組合定位誤差STD統(tǒng)計(jì)分別如圖1和圖2所示。從圖1和圖2中可以看出，txlk測站GPS/BDS組合較GPS單系統(tǒng)定位誤差STD序列更平滑，定位性能更好，且方向定位性能提高顯著。對txlk測站GPS單系統(tǒng)及GPS/BDS組合測站環(huán)境進(jìn)行分析，GPS單系統(tǒng)下可觀測衛(wèi)星數(shù)平均為5顆，GPS/BDS組合下可觀測衛(wèi)星數(shù)平均為9顆，GPS/BDS組合定位性能優(yōu)于GPS單系統(tǒng)，主要?dú)w因于BDS的

加入增加了可用衛(wèi)星數(shù)目，增強(qiáng)了幾何構(gòu)型。

圖1 GPS單系統(tǒng)定位誤差STD統(tǒng)計(jì)

圖2 GPS/BDS組合定位誤差STD統(tǒng)計(jì)

將靜態(tài)數(shù)據(jù)分段處理以STD 1 h內(nèi)收斂至 15 cm為參考，統(tǒng)計(jì)PPP收斂時(shí)間和收斂后定位精度，并統(tǒng)計(jì)各測站觀測環(huán)境，GPS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)分別如表2和表3所示。根據(jù)各測站觀測環(huán)境進(jìn)行分類，定義gczx、ylhb和ylqb觀測環(huán)境為一般復(fù)雜，gcyc、gyxx和txlk觀測環(huán)境為較為復(fù)雜，gjqx和xqqj觀測環(huán)境為特別復(fù)雜。從表2和表3中可以得出，一般復(fù)雜環(huán)境下以ylqb為例，和方向收斂時(shí)間分別縮短57%、61 %，方向收斂時(shí)間不變；和方向定位精度分別提高50 %、28 %和32 %；較復(fù)雜環(huán)境下以gyxx為例，和方向均從未收斂至收斂；特別復(fù)雜環(huán)境下以gjqx測站為例，1 h內(nèi)無法收斂至參考精度，對GPS/BDS組合下gjqx測站環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)位置精度強(qiáng)弱度（position dilution of precision, PDOP）值為3.9，衛(wèi)星中斷頻繁，測站上空衛(wèi)星分布情況為東北至西南方向僅能觀測到低高度角衛(wèi)星（高架橋遮擋），多路徑效應(yīng)均方根(root mean square, RMS）為0.404 m，不適合GNSS靜態(tài)測量。因此，GPS/BDS組合與GPS單系統(tǒng)相比，一般復(fù)雜環(huán)境下，定位性能明顯提升，較復(fù)雜環(huán)境下定位性能顯著提升。

表2 GPS單系統(tǒng)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 GPS/BDS組合定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

利用GOP提供的對流層延遲參數(shù)約束進(jìn)行GPS/BDS組合PPP，仍以定位誤差STD 1 h內(nèi)收斂至15 cm為參考，PPP收斂時(shí)間和收斂后定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。對比表3和表4可知，利用GOP提供的對流層延遲參數(shù)約束與模型改正加估計(jì)相比較，一般復(fù)雜環(huán)境下以ylhb為例，和方向收斂時(shí)間分別縮短6 %、12 %和65 %；和方向定位精度基本一致，方向定位精度提高41 %；較復(fù)雜環(huán)境下以gcyc為例，和方向收斂時(shí)間分別縮短20 %和8 %，方向收斂時(shí)間由不收斂至收斂時(shí)間為29 min；和方向定位精度基本一致；方向定位精度由不收斂至收斂到0.064 m。因此，GPS/BDS組合情況下，利用GOP提供的對流層延遲參數(shù)約束，和方向收斂時(shí)間均有縮短，其中方向最明顯；和方向定位精度基本一致，方向定位精度明顯提高。

表4 對流層延遲參數(shù)約束GPS/BDS組合定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語

為解決復(fù)雜環(huán)境下GPS單系統(tǒng)PPP定位性能較差的問題，分別利用GPS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合PPP處理不同復(fù)雜環(huán)境采集的8 h靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。另外分析GPS/BDS組合情況下，利用GOP提供的對流層延遲參數(shù)約束對定位性能的影響。研究表明：復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能較GPS單系統(tǒng)更優(yōu)，主要?dú)w因于BDS的加入增加了可用衛(wèi)星數(shù)目，增強(qiáng)了幾何構(gòu)型；利用GOP提供的對流層延遲參數(shù)約束，可進(jìn)一步提高復(fù)雜環(huán)境下PPP的定位性能，其中方向定位性能提升顯著。

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Performance analysis of GPS/BDS combined PPP positioning under complex environment

XU Zongqiu1, HAN Pengtao1, DING Xinzhan1, XU Yantian2

（1. School of Geomatics of Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China;2. Chinese Academy of Surveying and Mapping Science, Beijing 100830, China）

Aiming at the problem that the positioning performance of GPS single system PPP under complex environment is poor and even out-of-work, the paper proposed a method that uses GPS/BDS combination and tropospheric delay parameter constraints to improve the positioning performance. The 8-hour static observation data collected under different complex environments were processed in different time intervals. Result showed that the positioning performance of GPS/BDS combination would be much better than that of GPS single system under complex environment, and the use of GOP tropospheric delay parameter constraints could further improve the positioning performance ofdirection.

global positioning system/BeiDou navigation satellite system (GPS/BDS); complex environment; precise single point positioning; positioning performance; tropospheric delay

P228

A

2095-4999(2019)04-0056-04

徐宗秋，韓澎濤，丁新展，等.復(fù)雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(4): 56-59.（XU Zongqiu， HAN Pengtao， DING Xinzhan， et al.Performance analysis of GPS/BDS combined PPP positioning under complex environment[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 56-59.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190410.

2019-01-26

資金項(xiàng)目：中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所項(xiàng)目（KX162600035）。

徐宗秋（1985—），男，吉林樺甸人，博士，講師，研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。

韓澎濤（1995—），男，遼寧盤錦人，碩士生，研究方向?yàn)榭臻g大地測量數(shù)據(jù)處理。