北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量精度初步評(píng)估

張樹宏，李金龍，馬俊峰，尹豫疆，范玉磊

(1．61243部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830006；2．北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量精度初步評(píng)估

張樹宏1，李金龍2，馬俊峰1，尹豫疆1，范玉磊1

(1．61243部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830006；2．北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2012年12月27日開始正式提供區(qū)域服務(wù)，可為亞太地區(qū)用戶提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通訊等服務(wù)，在精密定位方面有很大潛力。本文通過使用南方測(cè)繪GNSS后處理軟件對(duì)長(zhǎng)度范圍為13～94 km的6條基線的北斗靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其解算結(jié)果與GPS相應(yīng)解算結(jié)果和已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，初步評(píng)估北斗靜態(tài)測(cè)量精度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，基于廣播星歷對(duì)北斗中長(zhǎng)基線(<100 km)靜態(tài)測(cè)量(4 h)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算的基線精度可達(dá)4 cm，因此北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量已具有很大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

北斗衛(wèi)星；GPS；中長(zhǎng)基線；靜態(tài)測(cè)量；精度

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)已于2012年12月27日開始正式提供區(qū)域服務(wù)，亞太地區(qū)用戶已經(jīng)可以使用北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信等服務(wù)。目前北斗區(qū)域星座由5顆地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星，5顆傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)衛(wèi)星和4顆中圓軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星組成，并在B1(1561.098 MHz)、B2(1207.140 MHz)和B3(1268.520 MHz)三個(gè)頻點(diǎn)上播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。作為全球第一個(gè)全星座播發(fā)三頻導(dǎo)航信號(hào)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗在高精度測(cè)量領(lǐng)域也具有很大潛力[1]，有望替代目前已廣泛應(yīng)用的GPS進(jìn)行我國高精度控制網(wǎng)測(cè)量實(shí)踐。

目前，已有許多學(xué)者在北斗對(duì)全球?qū)Ш接脩糌暙I(xiàn)[2]、北斗測(cè)距信號(hào)精度[3]、北斗定軌精度[4]、北斗偽距定位精度[5]以及北斗RTK定位性能[6-10]等方面進(jìn)行大量研究與數(shù)值驗(yàn)證，但在北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量精度方面，相關(guān)研究還較少，特別是針對(duì)作業(yè)實(shí)踐的研究則更少。當(dāng)前，支持北斗或北斗與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的多系統(tǒng)多頻測(cè)量型接收機(jī)已投入市場(chǎng)，并已配備了支持北斗信號(hào)的數(shù)據(jù)后處理隨機(jī)軟件。

在此背景下，本文在烏魯木齊地區(qū)進(jìn)行了北斗與GPS靜態(tài)測(cè)量精度對(duì)比初步試驗(yàn)，著重測(cè)試北斗單系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量精度。試驗(yàn)中，使用廣州市南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司(南方測(cè)繪)生產(chǎn)的S82-2013型三系統(tǒng)多頻測(cè)量系統(tǒng)同步采集4個(gè)測(cè)站的北斗和GPS中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，并使用南方測(cè)繪GNSS數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過將其與GAMIT軟件GPS解算結(jié)果和已知點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和分析，初步評(píng)估北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量精度。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)使用南方測(cè)繪生產(chǎn)4臺(tái)S82-2013型GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)多頻測(cè)量型接收機(jī)，其可以接收GPS-L1/L2/L5、BDS-B1/B2/B3和GLONASS-L1/L2三星座八頻信號(hào)，靜態(tài)測(cè)量技術(shù)指標(biāo)：平面精度±2.5 mm+1 ppm，高程精度±5 mm+1 ppm。

本次靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)于2015年3月9日實(shí)施，在新疆烏魯木齊市周邊地區(qū)進(jìn)行4個(gè)測(cè)站、兩個(gè)時(shí)段的中長(zhǎng)基線同步測(cè)量，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)約4 h，4個(gè)測(cè)站(U060、U079、U099和U113)的平面分布情況見圖1。

圖1 靜態(tài)測(cè)量點(diǎn)位平面分布

從圖1可知，本次靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)同步測(cè)量4個(gè)測(cè)站構(gòu)成的6條基線長(zhǎng)度分別約為13 km(U060-U113)、62 km(U060-U079)、71 km(U099-U113)、74 km(U060-U090)、75 km(U079-U113)、94 km(U079-U099)，基線長(zhǎng)度范圍覆蓋中長(zhǎng)基線。

1.2 數(shù)據(jù)概況

本次試驗(yàn)兩個(gè)測(cè)量時(shí)段的起止時(shí)間分別為UTC時(shí)間4:35～8:45和8:50～13:00，以測(cè)站U060為例測(cè)量時(shí)段內(nèi)GPS和BDS的衛(wèi)星跟蹤情況見圖2，測(cè)區(qū)GPS和BDS的星空?qǐng)D見圖3，測(cè)量時(shí)段內(nèi)GPS和BDS的可見衛(wèi)星數(shù)(NSAT)和PDOP值見圖4。

從圖2可知，BDS GEO衛(wèi)星C01、C02、C03和C05一直可見，C04衛(wèi)星由于高度角較低在測(cè)區(qū)不可見，BDS IGSO衛(wèi)星由于在其覆蓋范圍內(nèi)可見弧段較長(zhǎng)，也有可能在整個(gè)測(cè)段內(nèi)一直可見，如此次測(cè)試中的C07和C10衛(wèi)星。GPS星座全部由MEO衛(wèi)星組成，測(cè)量時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星升降比較頻繁，這也可以從圖4得到驗(yàn)證，而BDS的可見衛(wèi)星數(shù)變化較為穩(wěn)定。從圖3可知，在新疆烏魯木齊地區(qū)，BDS可見衛(wèi)星主要分布在測(cè)站的東南天空，由此可見BDS區(qū)域星座在其覆蓋區(qū)域邊緣地帶的可見衛(wèi)星空間構(gòu)型與GPS相比存在劣勢(shì)。從圖4可知，測(cè)量時(shí)段內(nèi)GPS可見衛(wèi)星數(shù)為6～11顆，BDS可見衛(wèi)星數(shù)為7～9顆，GPS的PDOP值在1.5～3之間，BDS的PDOP值在2～4之間。整個(gè)測(cè)量時(shí)段內(nèi)，GPS的PDOP、HDOP、VDOP平均值分別為1.96、1.07、1.63，而BDS相應(yīng)值分別為3.51、2.24、2.68。這進(jìn)一步說明，在烏魯木齊地區(qū)，BDS空間星座幾何結(jié)構(gòu)與GPS相比還存在一定差距。

圖2 測(cè)量時(shí)段內(nèi)GPS和BDS衛(wèi)星跟蹤情況

圖3 測(cè)區(qū)GPS和BDS衛(wèi)星星空

圖4 GPS和BDS的可見衛(wèi)星數(shù)(NSAT)和PDOP值

2 數(shù)據(jù)解算及結(jié)果分析

本次試驗(yàn)GPS和BDS數(shù)據(jù)處理采用南方測(cè)繪GNSS數(shù)據(jù)后處理軟件(GPS和BDS均使用廣播星歷)進(jìn)行靜態(tài)基線解算，基線解算設(shè)置為高度截止角15°，采樣間隔10 s，采用無電離層組合進(jìn)行基線解算，模糊度固定ratio值設(shè)為2。由于靜態(tài)試驗(yàn)收集的原始數(shù)據(jù)文件均包含有GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)多頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，為保證單系統(tǒng)基線解算結(jié)果的真實(shí)可靠，首先從原始數(shù)據(jù)文件中分別提取GPS和BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)并保存為獨(dú)立的RINEX格式文件，然后再由軟件分別讀取GPS和BDS相應(yīng)的RINEX數(shù)據(jù)文件進(jìn)行基線解算。

由于只有測(cè)站U079和U099為已知坐標(biāo)的高等級(jí)GPS點(diǎn)，可提供參考值用來檢核解算結(jié)果精度，作為比較和進(jìn)一步對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行檢核，GPS數(shù)據(jù)同時(shí)使用GAMIT軟件(使用IGS精密星歷)進(jìn)行處理，相應(yīng)的解算結(jié)果(GPS-GAMIT)作為參考值檢核基線解算精度。使用南方測(cè)繪軟件分別處理GPS和BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)得到的基線結(jié)果(GPS-SOUTH和BDS-SOUTH)分別見表1和表2，兩個(gè)時(shí)段重復(fù)基線較差見表3，作為比較表3中也給出了GAMIT解算基線的重復(fù)基線較差結(jié)果。以GAMIT軟件解算基線作為參考值，由此計(jì)算得到南方測(cè)繪軟件解算基線的基線誤差見表4和表5(表中H表示水平方向)，以已知成果為參考值計(jì)算得到基線U079_U099解算結(jié)果的基線誤差見表6。

表1 南方測(cè)繪GPS(GPS-SOUTH)兩個(gè)時(shí)段解算結(jié)果 m

續(xù)表1 m

表2 南方測(cè)繪BDS(BDS-SOUTH)兩個(gè)時(shí)段解算結(jié)果 m

表3 GAMIT和南方測(cè)繪軟件解算結(jié)果的重復(fù)基線較差 cm

表4 以GAMIT解算結(jié)果為參考值得到的南方測(cè)繪GPS解算基線誤差 cm

表5 以GAMIT解算結(jié)果為參考值得到的南方測(cè)繪BDS解算基線誤差 cm

從表1和表2可知，GPS和BDS分別有兩條基線未固定整周模糊度(Float)，這些基線的長(zhǎng)度均在70 km以上。此外，不論是GPS還是BDS均為最短基線U060_U113(13 km)的ratio值最大。從表3可知，GAMIT軟件解算得到的GPS重復(fù)基線東(E)、北(N)、天或高程(U)和長(zhǎng)度(L)的較差最大值分別為0.09、0.15、-1.22和0.08，而南方測(cè)繪軟件解算得到GPS重復(fù)基線較差相應(yīng)值分別為-0.46、-0.68、1.39和-0.59，可見GAMIT軟件解算基線的重復(fù)性更好。南方測(cè)繪軟件解算BDS重復(fù)基線相應(yīng)值分別為-1.61、-1.97、-7.78和-2.65，比GPS相應(yīng)結(jié)果差一些，尤其是高程方向，不過最大較差仍在cm級(jí)水平。

表6 以已知成果為參考值得到的基線

從表4和表5可知，兩個(gè)時(shí)段GPS單系統(tǒng)解算基線水平方向的RMS分別0.64和0.99 cm，高程方向的RMS分別為0.68和0.62 cm，三維RMS分別為0.93和1.17 cm；BDS單系統(tǒng)解算基線水平方向的RMS分別為1.42和1.92 cm，高程方向的RMS分別為3.69和3.31 cm，三維RMS分別為3.96和3.83 cm?？傮w上，GPS單系統(tǒng)解算基線的三維精度約為1 cm，而BDS約為4 cm。從表6可知，以已知成果為參考值計(jì)算得到基線U079_U099三種方案(GPS-GAMIT、GPS-SOUTH和BDS-SOUTH)解算結(jié)果的三維誤差基本相當(dāng)，均在4 cm以內(nèi)，GPS和BDS解算基線的誤差也在同一水平，這與以GAMIT解算結(jié)果作為參考值的分析結(jié)果不太一致。原因可能是：方案GPS-GAMIT和GPS-SOUTH使用的數(shù)據(jù)相同，相應(yīng)結(jié)果差異僅為數(shù)據(jù)處理軟件不同導(dǎo)致，故這兩種方案解算結(jié)果的一致性會(huì)比較好(見表4)；而表5和表6為BDS與GPS解算結(jié)果的差異以及BDS、GPS解算結(jié)果分別與已知成果的差異，是外符合精度，其符合程度必然會(huì)差一些。但總體而言，以上試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)可以說明，基于廣播星歷進(jìn)行北斗中長(zhǎng)基線(<100 km)靜態(tài)測(cè)量(4 h)解算的基線精度可達(dá)4 cm。

3 結(jié)束語

我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)正式提供區(qū)域服務(wù)，可為亞太地區(qū)用戶提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通訊等服務(wù)，在精密定位方面也具有很大潛力。本文使用南方測(cè)繪生產(chǎn)的S82-2013型測(cè)量型接收機(jī)在新疆烏魯木齊地區(qū)對(duì)北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量精度進(jìn)行了初步實(shí)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，基于廣播星歷進(jìn)行北斗中長(zhǎng)基線(<100 km)靜態(tài)測(cè)量(4 h)解算的基線精度已可達(dá)4 cm，已經(jīng)可以應(yīng)用于高精度控制網(wǎng)測(cè)量實(shí)踐。

此外，本次試驗(yàn)北斗靜態(tài)測(cè)量精度與GPS相比存在一定差距，相應(yīng)的原因是多方面的：首先，烏魯木齊地區(qū)處在北斗區(qū)域星座覆蓋區(qū)域邊緣，衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)本來就弱于GPS；其次，北斗高精度數(shù)據(jù)處理還處在起步階段，北斗數(shù)據(jù)處理軟件解算精度還有提高空間；第三，試驗(yàn)中并沒有考慮北斗與GPS不同頻點(diǎn)的天線相位中心差異，也沒有考慮北斗天線相位中心變化。因此，在北斗覆蓋區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)更好區(qū)域，同時(shí)隨著北斗高精度數(shù)據(jù)處理軟件的進(jìn)步，以及對(duì)北斗天線相位中心變化等誤差源更加精細(xì)的處理，尤其是即將到來的北斗全球星座情形下，北斗高精度靜態(tài)測(cè)量性能肯定還有很大提升空間。

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

[2] 楊元喜，李金龍，徐君毅，等. 中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)全球PNT用戶的貢獻(xiàn)[J]. 科學(xué)通報(bào)，2011，56(21): 1734-1740.

[3] 程鵬飛，李瑋，秘金鐘. 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)距信號(hào)的精度分析[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012，41(5): 690-695.

[4] 施闖，趙齊樂，李敏，等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究[J]. 中國科學(xué)(地球科學(xué))，2012，42(6): 854-861.

[5] 高星偉，過靜珺，程鵬飛，等. 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(5): 743-749.

[6] SHI C, ZHAO Q, HU Z, et al. Precise relative positioning using real tracking data from COMPASS GEO and IGSO satellites[J]. GPS Solutions, 2013, 17(1): 103-119.

[7] 楊元喜，李金龍，王愛兵，等. 北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評(píng)估[J]. 中國科學(xué)(地球科學(xué))，2014，44(1): 72-81.

[8] LI J, YANG Y, XU J, et al. Performance Analysis of Single-Epoch Dual-Frequency RTK by BeiDou Navigation Satellite System[C]// J. Sun et al. (eds.),CSNC-2013 Proceedings, Lecture Notes in Electrical Engineering 245, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, pp 133-143.

[9] HE H, LI J, YANG Y, et al. Performance Assessment of Single-and Dual-frequency BeiDou/GPS Single-epoch Kinematic Positioning[J]. GPS Solutions, 2014, 18(3): 393-403.

[10] TEUNISSEN P J G, ODOLINSKI R, ODIJK D. Instantaneous BeiDou+GPS RTK positioning with high cut-off elevation angles[J]. Journal of Geodesy, 2014, 88(4): 335-350.

[11] 馬志敏.甘肅省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)測(cè)試分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016,39(3)：122-124.

[12] 王珍.網(wǎng)絡(luò)RTK動(dòng)態(tài)中長(zhǎng)基線模糊度解算方法比較研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016,39(2)：71-74.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

Accuracy assessment of BDS static survey over medium-long baselines

ZHANG Shuhong1, LI Jinlong2, MA Junfeng1, YIN Yujiang1, FAN Yulei1

(1. Troops 61243, Urumqi 830006, China; 2. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China)

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been officially in operation since Dec 27, 2012 and is providing positioning, navigation, timing and short message communication services for the user in the Asia-Pacific region, which also has great potential in the field of precise positioning. In this paper, the accuracy of BDS static survey over medium-long baseline is evaluated by six baselines with range of 13～94 km. The GNSS data post-processing software developed by SOUTH SURVEY is used for BDS and GPS data process. The results show that the accuracy of BDS static survey (4 h) over medium-long baseline (<100 km) has achieved 4 cm experimentally. Consequently, BDS precise survey over medium-long baseline is worth of study and has great potential of practical application.

BDS； GPS； medium-long baseline； static survey； accuracy

引用著錄：張樹宏，李金龍，馬俊峰，等.北斗中長(zhǎng)基線靜態(tài)測(cè)量精度初步評(píng)估[J].測(cè)繪工程，2017，26(4)：27-31，42.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.04.006

2016-01-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41474015；41274045)

張樹宏(1980-)，男，工程師.

P228

A

1006-7949(2017)04-0027-05