BDS对GPS定位精度的改进.pdf

第 3期 2 0 1 5年 6月 矿 山 测 量 MI NE SURVEYI NG NO 3 J u n 2 0 1 5 d o i： 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 013 5 8 X 2 0 1 5 0 3 2 6 B D S对 G P S定位精 度的改进 术 杜 新 远 ( 辽宁省海域和海岛使用动态监视监测中心， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 1 ) 摘 要 ： 2 0 1 2年底 ， 中国的 北斗卫 星导航 系统 ( B D S ) 正式服 务 于亚 太地 区 ， 这是 继 G P S和 G L O N A S S之 后 第三个 成熟 的卫 星导 航 系统 。文 中为 探 索 B D S系统 对 G P S系统 定 位 精 度 改 进 展 开研 究 ， 在 对 B D S和 G P S系统 时空基 准 统 一 的 基 础 上 ， 构 建 了 B D S G P S 系统 联 合 单 点 定 位 的数 学 模 型 ， 以 某 C O R S站 的 G N S S实测数 据 为例 ， 分 析 了 B D S对 G P S的增强作 用 ， 得 出有 益 的结论 。 关键词 ：B D S ；G P S ；伪距单点定位；联合定位 中图分 类号 ： P 2 2 8 4 文献标 识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 5 ) 0 30 0 7 90 3 B D S是 中 国 自行研 制 的全 球卫 星定 位 系 统 ， 是 继 美 国 、 俄 国之后 第三个 成熟 的卫 星导 航 系 统 ， 系统 由空 间端 、 地 面端 和用 户 端 组 成 。为 全 球 范 围 内 的 各 类用 户提 供 全 天候 、 全 天 时 、 高 精 度 、 高 可 靠 的定 位、 导航与授时服务 ， 并具短报文通信能力。2 0 1 2年 1 2月 2 7 日以来 ， B D S已经 覆 盖 亚太 地 区 ， 具 备 区域导航、 定位和授时能力 ， 定位精度 1 0 m， 测速精 度 0 2 m s ， 授时 精度 1 0 n s 。2 0 1 3年 1 2月 2 7 E l， 正 式发布了 北斗系统公开服务性能规范( 1 0版) 和 北斗系统空间信号接 口控制文件( 2 0版) 两个系 统 文件 。预计 2 0 2 0年达 到全球 覆盖 ， 由 5颗 G E O、 3 颗 I G S O和 2 7颗 ME O卫 星构成 的混 合星 座 ， 精度 会 大 为提 高 。 B D S的投入使 用必 将极 大促 进 我 国及 周 边地 区 卫 星导航 事业 的发 展 ， 并 在科 学 、 国 防、 救 灾 、 生活 管 理、 农业 、 以及工程等领域做 出更大的贡献 ， 同时北 斗 的 G E O卫 星伪距 观 测量 受 多 路径 、 硬 件 延 迟及 随 机 噪声 的影 响优 于 G P S系统 。因此 ， 研 究 北 斗 系统 对 G P S定位精 度 的改进 ， 可 以提供 快速 、 实用 的定 位 服务， 既满足定位需求 ， 也能为中国提供经济发展 中 新 的增 长点 ， 是 目前 我 国 卫 星 导航 定 位 研 究 的热 点 之 一 。 1 B D S与 G P S系统现 状 目前 ， B D S系 统 在 轨 正 常 运行 的卫 星 1 3颗 ， 其 中 5颗 G E O、 5颗 I G S O和 3颗 M E O， 均调 制 有 B 1 、 基金资助 ： 国家海洋局海域 管理技 术重点 实验室基 金资 助 ( 项 目 名称 ： 北斗二代 P P P技术在 海域地面 核查与 测量 中的应用 研究 。 项 目编 号 ： 2 0 1 4 0 8 ) B 2和 B 3信号 ， I G S O卫星的星下点轨迹是对称的 “ 8 ” 字 形 。 G P S系统 中在 轨 正 常 运 行 的卫 星 3 O颗 粒 ， 其 3 颗 B lo ck I I A、 1 2颗 B lo ck I I R、 8颗 B lo ck I IF 和 7颗 B lo ck I I RM， 其 中 B l o ck I I A和 B l o ck I I R是传统卫星， B lo ck I I F和 B lo ck I I RM是现代 化卫 星 。B lo ck I I RM 卫 星 增加 新 的军 用 码 M 码 ， 并在第二频段调制第二民用码 ， 而 B lo ck I I F卫 星除 具有 B lo ck I I RM 卫 星 的 特性 之 外 ， 调 制 了第 三 频 段 的 L 5信号 ， 并且 改用 先进 的原子 钟 ， 在定 位 精 度 、 信号 强度 和质量 均有 所改 进 。 2数 据处 理方 法 2 1 CGCS 2 0 0 0 与 W GS 8 4统 一 B D S采 用 了 中国新一 代地 心 坐标 系 ， 即 2 0 0 0中 国大地坐标系( C G C S 2 0 0 0 ) ， 其以 I T R F 9 7参 考框架 为基 准 ， 参 考框 架历 元为 2 0 0 0 0 。原 点 O被 定 义为 地球 的质量 中心 ； 其 轴 的方 向被 定 义 为 国 际地 球 自转服务局( I E R S ) 参考子午平面与通过原点且同 z 轴正交的赤道平 面的交线 ； 其 l， 轴 的方 向被定为与 、Z轴构成 了右 手直 角坐 标 系。 G P S系统 采用 WG S一8 4世 界 大地 坐标 系 ， 其 原 点位 于地球 质 心 ， Z 轴 指 向 B I H1 9 8 4 0定 义 的协 议 地球极( C T P) 方 向， 轴指 向 B I H1 9 8 4 0的零子午 面和 C T P赤道的交点 ， y轴与 z轴、 轴构成右手坐 标系。对应于 WG S 8 4大地坐标系有 WG S 8 4椭球。 C G C S 2 0 0 0与 WG S 8 4使用的参考椭球也非常相 近 ， 即参考椭 球 4个 基本 常数 ( a 、 f 、 G M、 和 O ,I ) 中的 f 有 微 小差异 ， 即 d f =1 6 4 3 4 8 41 0 ， 由于 参 考椭 球 7 9 第 3期 矿 山 测 量 2 0 1 5年 6月 的扁率 差异 d f 并不 引 起 大地 经 度 变 化 ， 而 大地 纬 度 和大地 高 的变化 范 围是 0 0 1 0 5 m m。 因此 ， C G C S 2 0 0 0和 WG S 8 4 ( G1 1 5 0 ) 在 坐 标 系 的实现精度范围内， 两者的坐标是一致的。 2 2 BD T与 G P S T的 统 一 G P S与 B D S都采 用 原 子 时 作 为 时 间基 准 ， 但 时 间起算原点不 同。G P S采用 G P S T， 其时间起算原点 为 1 9 8 0年 1 月 6 13 U T C 0时； 北斗采用 B D T， 其时间 起算 原点 为 2 0 0 6年 1 月 1日 U T C 0时 。 G P S T与 B D T均属 于连续 的时间系统 ， 由于 U T C 存 在跳 秒 ， 因此 G P S T和 B D T与 U T C分别 相 差 整 数 跳 秒 ， 而 G P S T与 B D T 时 间 起 点 不 同 ， 故 G P S T与 B D T也相 差一个 整数 闰秒 ， 即 B D T=G P S T一1 4 S 。 2 3观 测数 据格 式 数 据采集 时间 2 0 1 4年 1 1月 1 5 日， 该 C O R S站 数 据利 用 T r im b le N e t R 9 ( T R M 5 9 9 0 0 0 0 )观 测 2 4 h ， 数据 标 准 格 式 R I N E X 3 0 2 ， 包 括 G P S 、 G L O N A S S 、 G A L I L E O、 B E I D O U一2 、 Q Z S S和 S B A S六套 系统 ， 其 中 G P S系统是三频数据 ， S B A S系统是单频数据 ， 其 他系统为双频观测值。多频多系统率混合观测文件 的示 例如 表 1 所 示 。 表 1 多频 多 系 统 混 合观 测值 表 R1 4 2 2 5 3 2 7 2 3 4 9 2 6 1 2 01 1 21 0 3 5 0 4 6 3 9 6 1 ) 0 0 2 2 5 3 2 7 2 2 4 4 5 6 1 2 Ol1 2 0 8 1 5 5 2 6 3 7 7 0 0 2 2 5 3 2 7 3 0 0 6 3 6 9 3 4 2 0 5 3 0 48 5 6 3 7 3 0 0 c01 21 4 9 3 3 0 4 8 5 9 8 1 1 2 9 4 81 0 0 62 6 8 4 9 3o 0 21 4 9 3 31 4 4 9 6 6 8 8 0 1 1 5 2 6 8 0 2 6 4 0 5 0 0 2 1 49 3 3 1 3 8 0 1 5 8 8 01 1 5 4 1 8 0 7 8 4 9 5 0 021 4 9 3 31 1 51 2 8 8 4 3 4 4 3 5 9 6 0 4 8 5 3 9 O O 案 J 0 1 3 8 0 2 0 2 5 1 0 0 0 7 1 9 9 7 9 7 7 4 6 8 2 2 7 4 7 1 0 0 3 8 0 2 0 2 5 5 5 2 0 7 1 5 5 6 8 6 5 6 1 2 63 7 4 7 5 0 0 3 8 02 02 5 9 0 8 2 8 1 49 1 9 9 6 3 4 5 8 5 8 5 2 0 0 0 $ 2 8 3 7 4 7 6 0 9 3 7 81 7 l9 6 9 38 21 7 96 5 7 45 1 0 0 例 C Ol 3 8 0 7 6 2 3 7 1 2 5 6 1 9 8 2 7 2 9 4 7 67 0 6 3 8 1 0 0 3 8 0 7 6 2 2 9 7 9 3 7 1 5 3 31 71 8 9 7 73 7 4 4 9 O0 3 8 0 7 6 2 2 4 2 4 2 7 1 6 1 1 1 2 9 5 5 3 1 8 7 4 3 5 0 0 E1 9 2 8 2 5 4 2 8 6 88 3 5 1 48 4 7 72 7 2 8 7 0 l5 3 0 9 0 0 2 8 2 5 4 3 31 91 4 5 1 1 0 8 7 6 o 61 7 4 9 5 3 4 3 0 0 2 8 2 5 43 2 6 4 3 0 5 1 1 3 7 6 8 4 5 4 3 6 7 1 5 3 3 7 0 0 3 B D S与 G P S联合 定位数 学模 型 北斗 与 G P S联 合 定位 采 用 上 述 标 准定 位 原 理 ， 联 合定位 时 ， 北 斗与 G P S时间 系统存在 差异 ， 故 同一 接 收机在 两 个 不 同时 间系 统 下 的 时 钟偏 差 也 不 同 ， 因此 ， 除对上 述 导航 系统 的信 号 频 率 、 时 间基 准 、 坐 标 基准分 别进 行 设 置 外 ， 还 需 设 置 接 收 机 时钟 偏 差 参 数 。 B D S与 G P S系统 组 合 导 航 定 位 系 统 与 B D S定 位方式相似 ， 可根据 B D S定位方法得出组合系统伪 距 定位 的数学模 型 ： ： = ：。 i Dc 。 ： 】 c 假 定 B D S和 G P S系统 当前 可视卫 星数 分别 为 7 , 和 m 颗 。A 。 是 B D S可视卫 星与其 用户 之 间的几 何 观测矩 阵 A 。 的前 3列 ， 其 中 1 。 、 0 和 B B D 可 视 为 7 , 维列 向量 ， Y B D 是 ( n 1 ) 维 的 测量 向量 ； B B D 是 n维 伪 距的列 向量 。G P S系统各符号含义相似。 = Y A l 。 A l。 是用户状态向量 ， 其 中 、 Y 和 z 是用 户在 、 Y和 z 轴方 向的投影 位 置 ， z 。 与 z 。 分别 表 示 B D S和 G P S系 统 与 他 们 自身 接收机 钟差 所 引起 的等效距 离误差 。 。 ， t 8 B D 1 = 、 I l= 。 ， L o GP S J 则 B D S G P S组合 导航定 位 的数 学模 型为 ： Y o = H。 X +8 ( 2 ) 实际定 位测 量 中 ， 最小 二 乘 法 要 求 的是 误 差 向 量 的各分 量具 有 相 同 的方 差 ， 且 在 不相 关 的条 件 下 解应 具有 最小 估 计 方 差 的条 件是 很 难 的满 足 ， 可 考 虑选 择加 权最小 二乘 法进行 数据 处理 。 4数据处 理和 精度 改进 分析 对该 C O R S站 多 系统 1 5 s G N S S观 测 数 据 处 理 策略如下 ： 采用单点定位模型 ， 电离层改正 、 卫 星星 历 和 卫 星 钟 差 均 采 用 广 播 星 历 、 对 流 层 改 整 采 用 S a a s t a m o in e n模 型 。 4 1 DOP值 改进 假 定 每 颗 对 定 位 结 果 的 影 响 均 为 m， 共 使 用 n 第 3期 杜新远 ： B D S对 G P S定位精度的改进 。 2 0 1 5年 6月 颗卫 星进 行 测 量 ， 则 其 对 定 位 结 果 的影 响 为 ： m = _= = m ，可见 ， 随着卫星颗数的增加 ， 精度在提高 - 9 。 n 对单 G P S系统与 G P S+B D S系统的实测数据进 行分析 ， 其 中 G P S系统可见卫星数 71 3颗， G P S+ B D S系统可见卫星数 1 52 3颗 ， 其平均 D O P值改进 见表 2 。 表 2 D O P值 改进 4 2定位精 度 改进 该 C O R S站 的标 准差 和均 方根误 差 统计信 息见 表 3定位精度 改进 表 3所 示 ： 有 表 3可 知 ， 方 向 和 E方 向分 别 改 进 1 6 6 和 2 1 3 ， 而 在 U P方 向反 而增 大 4 5 ， 可 能是联合定位时 ， 未对组合卫星进行筛选而造成。 4 3 高卫 星 高度 截 止 角定位连 续性 改进 B D S系统 中 I G S O卫 星 的优点 是 在树 木茂 盛 、 房 屋 密集 的城 镇 环 境 能 增 强 卫 星 导 航 系 统 的 可 见 性 ， 即克服 了 卫 星 系 统 在 高 纬 度 区始 终 是 低 仰 角 的 问 题 ， 为此， 保持原 有解算策 略不变 的前 提下， 改变卫 星 高度截 止角 至 3 O 。 以模 拟上 述环 境来 进 行分 析 ， 如 图 3所 示 。 ! - i i 一 ； ： l 1 五 _ 一 | n二 ： _ 。_ ： 一 r ； 一 _ ； ； l i r ： i ： ! 蠹 l ： ： i ； ； 鬣 ； i 鞋-3 ： i 一- 1I 1 日 I c - - 置 j - t 一【 a t , m t f i 一 警 一 帅- ： ； j l l ； 蕺 l 一 I - k j 宣 - I j 一 。 ， r 1 ； _ i 警 。 图 3 高卫星高度截止角定位 结果 注 ： 深色曲线代表单 G P S系统 ， 浅色 曲线代表 G P S+B D S 由图 3可知 ， 观测值 5 7 6 0历元 ， 当卫星高度截 止角增至 3 0 。 时 ， 单 G P S系统解 算 的观测 值 5 2 1 5 历元 ， 解算成功率 占 9 0 5 4 ( 不能解算 的历元 在 图 3中用 虚线 框 标 出 ) ， 而 G P S+B D S系统 1 0 0 解 算 ， 为 此 ， 在 树 木 茂 盛 、 房 屋 密 集 的 城 镇 环 境 下 ， B D S系 统对 G P S系 统 的改 进 达 到 9 4 6 ， 确 保 导 航系统 1 0 0 的连续性 ， 同时对精度 和可靠性也有 一 定 的 提升 。 5 结 论 通过对该 C O R S站 的 G P S和 B D S数据联合解 算 ， 并对结果进行分析 ， 得出如下结论 ： ( 1 ) 时 间 和 空 间 基 准 的 转 换 与 统 一 是 G P S与 B D S系统数据的联合解算前提 。 ( 2 ) G P S伪距单点定位的精度可达 2 m， 但 在有 些环境下不能达到 1 0 0 的连续性 ， 若用 B D S增强 ， 即可达到 1 0 0 导航定位 的连续性 ， 即使在信号 盲 区 ， 还能利用其独门绝技“ 短报文” 来补充 ， 从而提高 了系统 的可用性和可靠性 。 ( 3 ) G P S与 B D S系统联合定位 ， 平面精度可 以 提高 1 6 6 2 1 3 ， 对于树木茂盛、 房屋密集 的城镇 环境能也能改进 9 4 6 ， 但为确保 u P方 向的精度 ， 必须对组合卫星进行筛选 。 参考文献 ： 1 中国卫星导航 系统 办公 室 “ 北斗” ( 下转第 8 4页) 81 第 3期 矿 山 测 量 2 0 1 5年 6月 ( 3 ) 改进的 D C T与枝切线相结合的算法解缠效 果 最好 ， 但时 间相 比以上两 种算 法也最 长 。 4 结 语 从 定量 分析可 以看 出 ， 本 文 提 出的改 进 D C T与 枝切线法相结合的方法虽时间较长 ， 但解缠效果最 好。尤其在噪声较大 ， 奇异点较多的区域 ， 有效地避 免了由穿过奇异点而造成 的误差传递 ， 证 明了此方 法 的有 效 性 。 2 3 参 考 文 献 ： 邓晓龙I n S A R相位解缠算法的研 究 D 哈 尔滨工业 大学 ， 2 0 1 3 张妍 ， 冯 大政 ， 曲 小 宁 枝 切 法 与 曲 面 拟 合 结 合 的 I n S A R相位展 开算法 J 西安 电子 科技报 ， 2 0 1 2 ， 0 5 ： 4 7 5 3 乔 书波 I n S A R技 术及其在 大地 测量 与空 间地球 动 力 ( 上接第 7 8页) 6 何长虹 ， 黄 全 义遥 感影像提 取森 林 火灾可 燃物 类型 的研 究 J 浙江林业科技 ， 2 0 1 4 ， 3 4 ( 4 ) ： 5 5 6 1 7 梁青 基 于图像处理的森林 火灾监测的技 术研 究 D 上 海： 华 东交通大学， 2 0 1 1 8 沈焕锋 ， 钟 燕飞，王毅 ，等E N V I 遥 感影像 处理方 法 4 5 6 7 学 中的应 用 研 究 D 郑 州 解放 军 信 息 工 程 大 学， 2 00 3 ch o w S N，Ma l l e t P a r e t J ， Yo k e J F i n d i n g z e r o s o f ma p s ：h o mo t o py me t h o ds t ha t a r e Co n s t r u ct iv e wit h p r o b a bilit y o n e J Ma t h C o m p ， 1 9 7 8 ， ( 3 2 ) ： 8 8 7 8 9 曲小宁 合 成孔径 雷达干 涉测量及 若干 关键技 术研 究 D 西安 电子科技 大学 ， 2 0 1 3 张妍 ， 冯 大政 ， 曲 小 宁 枝 切 法 与 曲 面 拟 合 结 合 的 I n S A R相位展 开算法 J 西安 电子科 技报 ， 2 0 1 2 ， 0 5 ： 4 7 5 3 钟 何平 ， 唐劲松 一种 改进的最 小不连 续相位解缠 算法 J 武汉理 工大 学学报 ( 交通科 学与 工程 版 ) ， 2 0 1 2 ， 06： l3 011 3 05 作者简介： 蔡洋( 1 9 8 9一) ， 女 ， 汉族， 华北理工大学 ， 在读硕士 研究生 ， 主要从事 。 3 s