GPS/GLONASS組合定位精度分析

王 濤，程鵬飛，成英燕

(1.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000；2.中國測繪科學研究院，北京 100830)

GPS/GLONASS組合定位精度分析

王 濤1，2，程鵬飛2，成英燕2

(1.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000；2.中國測繪科學研究院，北京 100830)

為了進一步提高全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度，采用歐洲范圍內(nèi)部分可以同時接收GPS和GLONASS觀測數(shù)據(jù)的IGS跟蹤站，及中國范圍內(nèi)部分可以同時接收GPS和GLONASS觀測數(shù)據(jù)的CORS站和中國及中國周邊的IGS跟蹤站，分析Bernese 5.2軟件下單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)定位結(jié)果的差異情況，提出分別采用GPS和GPS/GLONASS組合定位的方法進行比較。實驗結(jié)果表明：采用GPS/GLONASS組合定位比GPS單系統(tǒng)的內(nèi)符合精度要好；GPS/GLONASS組合定位比GPS單系統(tǒng)的外符合精度在X、Y方向上要好，在Z方向上精度相當；同時由于單系統(tǒng)比雙系統(tǒng)的模糊程度低，所以單系統(tǒng)比雙系統(tǒng)的計算效率更高。

GPS；GPS/GLONASS；內(nèi)符合精度；外符合精度

0 引言

目前很多國家都建立了自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS),這些跟蹤站大都配備了多模接收機可以同時接收全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)以及伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)的觀測數(shù)據(jù)。文獻[1-2]對GPS和GLONASS數(shù)據(jù)組合處理進行了研究，結(jié)果表明GLONASS數(shù)據(jù)的引入不會降低定位的精度[3-5]。自2007年以來，俄羅斯每年分2次采用一箭三星技術補發(fā)衛(wèi)星，目前GLONASS系統(tǒng)的空間星座分布和覆蓋范圍有了顯著改善。同時，GLONASS系統(tǒng)在地面監(jiān)測站和產(chǎn)品服務等方面都有了很大的改善。精密星歷精密鐘差產(chǎn)品精度提高，延遲時間縮短。

本文對GLONASS數(shù)據(jù)加入到跟蹤站網(wǎng)的日常處理結(jié)果進行研究，對于數(shù)據(jù)資源的有效利用和多系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)處理，及將來北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)與GPS系統(tǒng)相融合等數(shù)據(jù)處理均可提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料及參數(shù)設置

為進一步比較GPS/GLONASS組合定位與GPS定位的結(jié)果，采用實測數(shù)據(jù)進行驗證?？紤]到國際GNSS服務(international GNSS service，IGS)分析中心提供IGS跟蹤站的周解坐標可以作為外符合的標準，所以選取IGS跟蹤站歐洲站中10個均勻分布并能接收GPS和 GLONASS雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)的跟蹤站本[6]，處理時段為2010年第205天到第208天共4 d數(shù)據(jù)。為了進一步驗證，還選取了中國國內(nèi)18個連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)站數(shù)據(jù)并以中國及中國周邊共7個IGS站作為控制站，處理時段為2015年第1天到第4天共4 d數(shù)據(jù)。目前國際上主要有6個機構提供15 min間隔的GLONASS衛(wèi)星的精密星歷[7]，其中歐洲定軌中心(Center for Orbit Determination in Europe，CODE)提供完全一致的GPS和GLONASS軌道(GPS和GLONASS數(shù)據(jù)同時處理獲得)。CODE分析中心的定軌結(jié)果與IGS GLONASS軌道符合得最好。在解算數(shù)據(jù)時需要對軟件進行參數(shù)設置，軟件中主要參數(shù)設置如表1所示。

表1 軟件參數(shù)設置

2 實驗與結(jié)果分析

Bernese5.2軟件是由瑞士伯爾尼大學天文研究所(Astronomy Institute of Bernese University)研究開發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)數(shù)據(jù)處理軟件[1]，該軟件界面友好模塊條理清晰，并且內(nèi)嵌有圖形軟件，它用雙差相位觀測進行高精度的測地應用，可以實現(xiàn)精密定軌，是目前較為適合長基線全球GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的軟件。

本文采用Bernese5.2軟件進行數(shù)據(jù)處理，其既能進行精密單點定位又能進行雙差基線解算。數(shù)據(jù)處理過程中精密衛(wèi)星鐘差只供精密單點定位獲取測站cm級的近似坐標。坐標解算采用雙差處理模式，衛(wèi)星鐘差參數(shù)通過雙差消除；所以即使沒有GLONASS的精密衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)，也不會影響最終的定位精度。CODE分析中心軌道是GPS和GLONASS觀測值同時處理獲得的完全一致的軌道產(chǎn)品[8]。本文共設計4種解算策略來分析用GPS觀測數(shù)據(jù)與用GPS/GLONASS數(shù)據(jù)的定位結(jié)果的差異[9]：歐洲IGS站GPS數(shù)據(jù)解算[10]、歐洲IGS站GPS/GLONASS數(shù)據(jù)解算、中國CORS站加IGS混合的GPS數(shù)據(jù)解算、中國CORS站加IGS混合的GPS/GLONASS數(shù)據(jù)解算[11]。具體的數(shù)據(jù)處理策略與流程如圖1所示。GPS與GPS/GLONASS數(shù)據(jù)處理除軟件中選擇的衛(wèi)星系統(tǒng)不同外[12]，其他所有策略相同。這就保證了定位結(jié)果基本不受解算策略的影響，只與參與計算的觀測值相關。

圖1 數(shù)據(jù)處理策略與流程

2.1 解算歐洲站的精度比較

本文選擇10個均勻分布歐洲站中并能接收GPS和GLONASS雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)的跟蹤站，處理時段為2010年第205天到第208天共4 d數(shù)據(jù)，將分別得到單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)的4 d結(jié)果文件中的內(nèi)符合精度取平均值作為內(nèi)符合精度進行比較，如圖2所示，內(nèi)符合精度以均方根(root mean square，RMS)表示。為了便于結(jié)果對比，將單系統(tǒng)的內(nèi)符合精度值和雙系統(tǒng)的內(nèi)符合精度值求差，如圖3所示。結(jié)果表明：在2種系統(tǒng)條件下都能獲得高精度定位結(jié)果，采用GPS/GLONASS組合定位結(jié)果比GPS系統(tǒng)在X、Y和Z方向上的內(nèi)符合精度要好0～0.2 mm，其中在X和Z方向上GPS/GLONASS組合定位結(jié)果比GPS定位結(jié)果要好得更加明顯[13]；但是在計算效率上，GPS系統(tǒng)要比GPS/GLONASS系統(tǒng)節(jié)約了大約1/4的時間。

圖2 歐洲IGS站內(nèi)符合精度

圖3 單系統(tǒng)與雙系統(tǒng)內(nèi)符合精度差值

在對比外符合精度時，采用從美國斯克里普斯定軌與固定臺陣中心(Scripps Orbit and Permanent Array Center，SOPAC)的服務器上面獲取測站在觀測日期2010年第205天到第208天的4 d測站的3維空間直角坐標，分別與應用Bernese5.2算得的10個歐洲站數(shù)據(jù)的3維空間直角坐標做差并取平均值作為外符合精度進行比較，如圖4所示。為了便于結(jié)果對比，將單系統(tǒng)與網(wǎng)上坐標差值的絕對值和雙系統(tǒng)與網(wǎng)上坐標差值的絕對值求差，如圖5所示。結(jié)果表明：從統(tǒng)計角度分析外符合精度GPS/GLONASS組合定位的結(jié)果比GPS結(jié)果在X方向上要好0～4 mm、在Y方向上要好0～1 mm；但是在Z方向上精度相當。由于雙系統(tǒng)條件下衛(wèi)星個數(shù)增加使得結(jié)算基線結(jié)果更加精確，所以外符合精度較高。

圖4 歐洲IGS站外符合精度

圖5 單雙系統(tǒng)網(wǎng)上坐標差值絕對值求差

2.2 解算CORS站的精度比較

本文在解算CORS站時為增加結(jié)算精度，在18個全國CORS站中加入了中國及中國周邊7個

IGS站作為控制站，處理時段為2015年第1天到第4天共4 d數(shù)據(jù)，將分別得到的單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)共4 d結(jié)果文件中的內(nèi)符合精度(RMS值)取平均值作為內(nèi)符合精度進行比較，如圖6所示。為了便于結(jié)果對比，將單系統(tǒng)的內(nèi)符合精度值和雙系統(tǒng)的內(nèi)符合精度值求差，如圖7所示。結(jié)果表明：從統(tǒng)計角度分析，采用GPS/GLONASS組合定位結(jié)果比GPS系統(tǒng)在X、Y和Z方向上內(nèi)符合精度要好0～0.3 mm，其中Y和Z方向表現(xiàn)得更為明顯，這與解算歐洲站所得到的結(jié)果大體一致。

由于無法獲取全國CORS站的準確坐標，所以在比較外符合精度時對添加的7個IGS站進行外符合精度分析。在SOPAC服務器上獲取觀測日期為2015年第1天到第4天的中國及中國周邊的7個IGS站4 d測站的3維空間直角坐標，分別與應用Bernese5.2軟件解算得到的7個IGS站數(shù)據(jù)的3維空間直角坐標做差并取平均值作為外符合精度進行比較，如圖8所示。

圖6 CORS站內(nèi)符合精度

圖7 單雙系統(tǒng)內(nèi)符合精度的差值

圖8 IGS站外符合精度

為了便于結(jié)果對比，將單系統(tǒng)與網(wǎng)上坐標差值的絕對值和雙系統(tǒng)與網(wǎng)上坐標差值的絕對值求差，如圖9所示。結(jié)果表明：從統(tǒng)計角度分析外符合精度GPS/GLONASS組合定位的結(jié)果比GPS結(jié)果在X方向上要好0～2 mm、在Y方向上要好0～1 mm；但是在Z方向上精度相當，大體上與解算歐洲IGS站所得到的外符合精度結(jié)果一致[14]。

圖9 單雙系統(tǒng)與網(wǎng)上坐標差值的絕對值求差

3 結(jié)束語

隨著GNSS組合導航的快速發(fā)展，GLONASS星座的加入使得空間星座構形有了提高，同時也增加了基線解算的模糊度數(shù)量；所以雙系統(tǒng)的定位結(jié)果比GPS系統(tǒng)結(jié)果稍有改善。在目前GLONASS系統(tǒng)星座結(jié)構和軌道精度的情況下，采用GPS/GLONASS組合定位結(jié)果比GPS系統(tǒng)在X、Y和Z方向上內(nèi)符合精度要好0.1～0.2 mm，外符合精度GPS/GLONASS組合定位的結(jié)果比GPS結(jié)果在X方向上要好0～4 mm、在Y方向上要好0～1 mm，但是在Z方向上精度相當。采用Bernese5.2軟件可以較容易地將GLONASS觀測數(shù)據(jù)加入到跟蹤站的日常處理中來。隨著GLONASS系統(tǒng)星座的不斷完善和精密軌道鐘差產(chǎn)品精度的進一步提高，組合定位結(jié)果比單一的GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢將更加明顯。另外，將GLONASS數(shù)據(jù)加入到跟蹤站日常的處理中，這對于觀測值的合理利用以及中國的北斗導航系統(tǒng)和其他導航數(shù)據(jù)的融合處理具有一定的參考價值。

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AccuracyanalysisonGPS/GLONASScombinedpositioning

WANGTao1，2，CHENGPengfei2，CHENGYingyan2

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

In order to further improve the positioning accuracy of global navigation satellite system，the paper used some IGS tracking stations of European range which can receive GPS and GLONASS observation data simultaneously，some CORS stations of China range which can receive GPS and GLONASS observation data simultaneously，and some IGS tracking stations of China and surrounding China，to analyze the difference of positioning between the single system and the double system under Bernese5.2 software，and proposed the comparative study on GPS and GPS/GLONASS combined positioning.Experimental result showed that the internal accuracy of GPS/GLONASS would be better than that of GPS，the external accuracy of GPS/GLONASS would be better than that of GPS inXandYdirections，and be similar with that of GPS inZdirection.Meanwhile，due to the lower ambiguity degree，the single system would have higher calculation efficiency than the double system.

GPS；GPS/GLONASS；internal accuracy；external accuracy

2016-12-27

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0501405)；國家自然科學基金項目(41374014)；國家基礎測繪科技項目(2016KJ0205)；國家公益性行業(yè)專項(B1503)。

王濤(1992—)，男(滿族)，遼寧阜新人，碩士研究生，研究方向為GNSS數(shù)據(jù)處理與周跳探測。

王濤，程鵬飛，成英燕.GPS/GLONASS組合定位精度分析[J].導航定位學報，2017，5(4)：113-118.(WANG Tao，CHENG Pengfei，CHENG Yingyan.Accuracy analysis on GPS/GLONASS combined positioning[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(4)：113-118.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170421.

P228

A

2095-4999(2017)04-0113-06