GPS/BD组合导航定位试验和精度分析

liyf · 发表于 2014-10-1 06:13:45

第３７卷第４期
２０１２年８月
测绘信息与工程
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０１２
基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０８７４０１７）；创新研究群体科学基金资助项目（４０７２１００１）。
文章编号：１００７－３８１７（２０１２）０４－０００１－０３文献标志码：Ａ
ＧＰＳ／ＢＤ组合导航定位试验和精度分析
刘　季　张小红
（武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路１２９号，４３００７９）
摘　要：讨论了ＧＰＳ／ＢＤ组合定位需要考虑的主要问题，自编了ＧＰＳ／ＢＤ组合定位程序，利用实测ＧＰＳ／ＢＤ观测
数据分析了当前北斗导航定位系统可用性及ＧＰＳ／ＢＤ组合前后的定位精度。试验结果表明，北斗已经能够提供区
域的实时导航定位服务。ＧＰＳ／ＢＤ组合定位在ＧＰＳ观测卫星数较多时对ＧＰＳ定位精度改善不明显，在ＧＰＳ观测
卫星数较少时可以显著提高定位精度和稳定性。
关键词：全球定位系统；北斗卫星导航系统；组合定位
中图法分类号：Ｐ２２８．４
　　中国正在建设和试运行的北斗（ＢＤ）系统是全
球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）的重要组成部分。２０１２年
左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和
授时以及短报文通信服务能力；２０２０年左右，建成
覆盖全球的北斗卫星导航系统［１］。截至目前，我国
已发射９颗北斗二代导航卫星，７颗卫星可进行正
常观测，北斗二代导航系统已完全具备区域独立导
航定位的能力。随着北斗导航定位系统建设进程的
推进，越来越多的人开始关注北斗导航定位的性能，
目前北斗导航定位的精度如何是我们普遍关注的问
题。为此，将利用我国自主研制的ＧＰＳ／ＢＤ双系统
接收机的实际观测数据，分析评估北斗导航定位的
精度。此外，采用ＧＰＳ／ＢＤ组合卫星导航系统，可
视卫星数显著增加，有助于改善卫星的几何分布结
构，提高系统的可用性和可靠性［２－３］，因此也将分析
讨论ＧＰＳ／ＢＤ组合定位的性能。
１　数据处理
北斗卫星采用码分多址技术识别和处理不同卫
星的信号，与ＧＰＳ系统具有互操作性。在利用北斗
卫星进行定位时，基本原理、方法与ＧＰＳ大致相同。
但涉及到两种系统组合定位及北斗的多质星座构型
（ＧＥＯ＋ＩＧＳＯ＋ＭＥＯ），需要考虑以下问题。
１）时空基准的统一。北斗卫星导航系统，采用
ＣＧＣＳ２０００坐标系，而ＧＰＳ采用ＷＧＳ８４坐标系。
两个坐标系关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变
的定义都是相同的，使用的参考椭球也非常相近，具
体地说，在４个椭球常数ａ、ｆ、ＧＭ、ω 中，唯有扁率
ｆ有微小差异。因此，对于精度要求低于５ｃｍ的用
户而言，可以认为ＷＧＳ８４和ＣＧＣＳ２０００同属一个
坐标系，不需要进行变换［４］。
北斗时间基准采用北斗时间系统（ＢＤＴ），ＧＰＳ
使用ＧＰＳＴ，ＢＤＴ和ＧＰＳＴ一样无闰秒，ＢＤＴ的时
间起点定义为２００６年１月１日子夜０时（ＵＴＣ），
ＢＤＴ－ＵＴＣ≈（ＴＡＩ－ＵＴＣ）－３２ｓ。在建立北斗时
间系统时，已经考虑到ＢＤＴ与ＧＰＳ时（ＧＰＳＴ）、
Ｇａｌｉｌｅｏ时（ＧＳＴ）和ＧＬＯＮＡＳＳＴ的互操作问题，同
时需要监测和发播ＢＤＴ与ＧＰＳＴ、ＧＳＴ、ＧＬＯＮＡＳＳＴ
及ＧＳＴ的时差［５］。在进行ＧＰＳ／ＢＤ组合
定位时，鉴于观测值基于ＧＰＳＴ，统一时间基准到
ＧＰＳＴ。
２）北斗ＧＥＯ卫星轨道计算。当前北斗二代导
航卫星星座中有３颗地球静止轨道卫星。尽管
ＧＰＳ的广播星历形式应用于ＭＥＯ卫星，已经得到
充分的理论和实践应用验证，但并不意味着这一星
历表示形式适合地球静止轨道卫星。考虑到ＧＥＯ
轨道倾角小，直接采用广播星历参数形式拟合可能
因矩阵奇异而不收敛，相关文献给出了坐标旋转法
加以解决［６－８］。
３）观测值定权。ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ等全球定位
系统都是由ＭＥＯ卫星设计而成的同质星座，在同
质星座中通常假设所有卫星的伪距误差是独立的，
具有零均值和相同的均方根值。而北斗系统是由
ＭＥＯ、ＩＧＳＯ和ＧＥＯ组成的混合星座导航系统，由
测绘信息与工程第３７卷
于各种卫星定轨精度和外推精度不同，使得不同卫
星的测距误差差异甚为明显，我们就有必要对不同
的卫星观测值进行合理定权。观测值加权可以考虑
以广播星历精度不同引起的测距误差、不同卫星的
星历龄期、反映信号质量的观测仰角和信噪比等作
为加权因素，还可以利用验后估计法对ＧＰＳ／ＢＤ组
合观测值进行定权［９］。根据不同类型卫星的测距误
差进行定权。
２　单频组合定位精度分析
为评价北斗定位性能及ＧＰＳ／ＢＤ组合单点定
位精度，利用和芯星通自主生产的ＵＢ２４０－Ｒ　ＧＰＳ／
ＢＤ双频双系统接收机在武汉大学校园采集了三天
的观测数据。用精密单点定位软件ＴｒｉＰ处理ＧＰＳ
观测值，获得测站坐标参考真值。
选取２０１１年１０月１１日的观测数据采用自编
的ＧＰＳ／ＢＤ组合单点定位软件分别对ＧＰＳ观测值、
ＢＤ观测值以及组合观测值进行了定位解算，定位
结果与ＴｒｉＰ解算结果作差并转换到Ｎ、Ｅ、Ｕ方向，
将北斗及ＧＰＳ／ＢＤ组合单点定位结果与ＧＰＳ单点
定位结果进行比较分析。
１）北斗单点定位精度分析。对２０１１年１０月
１１日的单频北斗观测数据进行了定位数据解算。
测站能观测到的北斗可用卫星数及ＧＤＯＰ值见
图１。单点定位解算结果与参考真值Ｎ、Ｅ、Ｕ方向偏
差如图２。
由图１可以看出，武汉观测站能稳定的观测到
５～６颗北斗卫星，几何精度因子基本上小于８，满足
导航定位要求，北斗已完全具备了独立自主的区域
导航定位能力。图２可以看出，北斗系统单点定位
精度平面上１５ｍ以内，高程方向优于２０ｍ。随着
时间的变化，各方向上的偏差呈现周期性变化，可见
北斗系统定位稳定性有待提高。还计算了ＧＰＳ观
测数据单点定位结果与北斗单点定位结果在Ｎ、Ｅ、
Ｕ方向上ＲＭＳ比较见图３。与ＧＰＳ定位结果相
比，北斗二代区域导航定位的精度明显要差一些。
　
图１　北斗系统各历元可用
卫星数及ＧＤＯＰ
　　　　　　　　
图２　ＢＤ单系统定位
结果偏差　　　　　　
图３　ＧＰＳ和ＢＤ单点定位结
果Ｎ、Ｅ、Ｕ方向偏差ＲＭＳ
　　２）观测条件良好时ＧＰＳ／ＢＤ组合定位精度分
析。下面就ＧＰＳ／ＢＤ组合定位精度进行分析，处理
了良好观测条件下２０１１年１０月１１日的单频组合
观测数据。组合定位结果与ＧＰＳ单点定位结果比
较见图４。其中图４（ａ）～（ｃ）分别为观测条件良好
时，ＧＰＳ／ＢＤ组合定位结果与ＧＰＳ单点定位结果在
图４　ＧＰＳ／ＢＤ组合定位与ＧＰＳ定位结果Ｎ、Ｅ、Ｕ方向偏差
Ｎ、Ｅ、Ｕ方向上的偏差。
　　由图４可以看出，ＧＰＳ／ＢＤ组合定位较ＧＰＳ定
位结果北方向精度改善不明显，东方向上部分历元
有所改善，定位稳定性明显提升，平面上定位精度达
到１０ｍ以内。高程方向上定位稳定性也有改善，
定位精度没有提高，在部分时段还有所降低。分析
可能由以下原因造成：在ＧＰＳ观测卫星数足够时，
加入北斗卫星对定位几何图形强度改善并不明显；
北斗广播星历精度较ＧＰＳ低，有可能降低组合定位
精度；ＧＰＳ／ＢＤ由多质星座组成，加权算法不当也会
导致精度损失，这有待今后开展更多的试验，作进一
步分析。
３）观测条件较差时ＧＰＳ／ＢＤ组合定位精度分
析。实际上，很多观测条件恶劣的情况下用户并不
２
　第４期刘　季等：ＧＰＳ／ＢＤ组合导航定位试验和精度分析
能连续跟踪观测多颗ＧＰＳ卫星，此时加入北斗观测
值可以弥补ＧＰＳ观测卫星数不足的缺陷。为验证
在观测条件较差即ＧＰＳ观测卫星数较少时引入北
斗观测值对定位结果的改善情况，人为模拟这类观
测环境，将２０１１年１０月１１日的组合观测数据删除
部分ＧＰＳ卫星观测值之后生成新的观测文件（单历
元ＧＰＳ可用卫星数４～６颗）进行了定位解算，解算
结果与ＧＰＳ定位结果进行比较见图５。其中图５（ａ）
～（ｃ）分别为组合定位结果与ＧＰＳ单点定位结果在
Ｎ、Ｅ、Ｕ方向上的偏差。
　　由图５可以看出，在ＧＰＳ观测卫星数较少（４～
６颗）时ＧＰＳ单点定位结果相当不稳定，在很多历
元各方向上都有很大跳动，原因是ＧＰＳ观测卫星数
较少，定位几何图形强度较差。加入北斗观测值后
各方向上定位稳定性有明显提升，北方向和东方向
定位精度都达到ｍ级，定位精度大有改善，高程方
向上定位精度在１０ｍ左右，相比ＧＰＳ单点定位也
有明显提高，因此，当ＧＰＳ观测卫星数较少时，引入
部分北斗卫星观测值能够显著增强定位星座的几何
图形强度，改善定位稳定性，提高定位精度。
图５　观测条件较差时ＧＰＳ／ＢＤ组合定位与ＧＰＳ定位结果Ｎ、Ｅ、Ｕ方向偏差
３　结束语
　　现有的文献大都通过模拟观测数据讨论北斗导
航系统的可用性，鲜有论文介绍现有北斗导航定位
实际定位结果。通过对实测北斗单频观测数据进行
定位数据处理，分析了目前北斗系统的可用性及
ＧＰＳ／ＢＤ组合定位的性能和精度［１０］。
结果表明：武汉地区能保持跟踪观测到５～６颗
北斗卫星，已经可以独立进行导航定位，平面定位精
度优于１５ｍ，高程定位精度优于２０ｍ，能满足普通
导航用户的定位需求。北斗卫星星历精度还不及
ＧＰＳ星历的精度，在ＧＰＳ观测卫星数足够时，引入
北斗观测值并不能明显提高定位精度。在ＧＰＳ观
测卫星数较少（４～６颗）时，引入北斗观测值可以大
大增强定位几何图形，提高定位稳定性，改善定位精
度。当然，论文的结果还是初步试验结果，关于北斗
卫星导航定位的综合性能，包括可用性，可靠性，还
有待开展更多的试验。
参考文献
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３４（２）：３－４
　收稿日期：２０１１－１１－２８。
第一作者简介：刘季，硕士生，研究北斗及ＧＮＳＳ组合定位。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
（下转第３６页）
３
测绘信息与工程第３７卷
　　相对误差均小于５％，在规范允许范围内。仪
器测量结果可靠，且工作量较少，这是传统地面检测
技术无法做到的。
５　结束语
目前仪器可以实现高精度快速测量，而且数据
后台可以对多个监测站点进行综合管理，并得到测
量数据结果，完全可实现数据获取自动化、图表和结
果输出的可视化，数据传输和管理网络化，且已经应
用到实际工程中。但离数据处理模型化、分析预
报［５］的智能化的设计目标还有一定距离，还需要进
一步研究。随着仪器和数据后台的进一步开发和完
善，可建立将变形测量，变形分析与预报于一体的远
程监测系统，为结构的变形进行精确测量并作出合
理的物理解释和科学预报，使其在结构健康监测领
域中应用将更加广泛。
参考文献
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　收稿日期：２０１２－０２－２２。
第一作者简介：范绪奇，硕士生，主要研究超高层建筑的变形监测。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｑｉ１９８８６７＠１２６．ｃｏｍ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｈｅａｌｔｈ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｅｄ
Ｍｉｃｒｏ－Ｍｏｖｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｅｒ
ＦＡＮ　Ｘｕｑｉ１　ＸＵ　Ｃｈｏｎｇ２
（１Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｅｓｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；
２Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｒｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２４８Ｍｉｄｄｌｅ，Ｇｕａｎｇｙｕａｎ　Ｒｏａｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０４０５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｅｄ　ｍｉｃｒｏ－ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ
　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｅｄ　ｍｉｃｒｏ－ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｗａｙｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｅｄ　ｍｉｃｒｏ－ｍｏｖｅｍｅｎｔ
　ｍｅｔｅｒ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ．Ａｔ　ｌａｓｔ　ｗｅ　ｏｕｔｌｉｎｅ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｅｄ　ｍｉｃｒｏ－ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｅｒ；ｄｇｉｔａｌ　ｃｌｏｓｅ　ｒａｎｇｅ　ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
　ｓｕｒｖｅ
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
ｙ
（上接第３页）
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ＧＰＳ／ＢＤ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
ＬＩＵ　Ｊｉ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏｈｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｄｅｓｙ　ａｎｄ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１２９Ｌｕｏｙｕ　Ｒｏａｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｓｏｍｅ　ｍａｉｎ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ＧＰＳ／ＢＤ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｏｉｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ａ　ｐｒｏｇｒａｍ
　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ＧＰＳ／ＢＤ　ｄａｔａ．Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ
ｏｆ　ＢＤ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ＧＰＳ／ＢＤ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＢＤ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｇｉｏｎａｌ
　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ａｒｏｕｎｄ　１５ｍｅｔｅｒｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ＧＰＳ　ａｎｄ
ＢＤ　ｃａｎｎｏｔ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｅｎｏｕｇｈ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ＧＰＳ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ　ａｒｅ
ａｖａｉｌａｂｌｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｂａｄ　ＧＰＳ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｗｉｔｈ　ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ＧＰＳ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ
　ＧＰＳ／ＢＤ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ＢＤ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
３６】

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