北斗接收機動態定位精度測試與分析

王 博，焦海松，谷 慶，黃靜華

（中國洛陽電子裝備試驗中心，洛陽 471003）

1 引言

我國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）是類似于美國全球定位系統（global positioning system，GPS）的無源定位系統。目前共有16顆北斗衛星在軌，14顆衛星正常工作，形成了5個地球靜止軌道（geostationary earth orbits，GEO）衛星、5個傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛星及4個中圓地球軌道（medium earth orbits；MEO）衛星的組網模式，正在提供亞太大部分地區全天候24h的定位、導航和授時服務［1］。國內目前已有北斗接收機研制成功。本文研究主要目的：一是測試北斗接收機動態定位精度，二是驗證差分GPS作為真值對其他同類定位設備鑒定的可行性，三是分析動態精度誤差，為下一步提高動態定位精度提供參考。主要方法是以差分GPS定位數據為真值，運用 “跑車”測試法獲取北斗接收機動態定位數據，通過與真值數據進行對比，獲取北斗接收機動態定位誤差數據，解算出動態定位精度。

2 北斗接收機動態定位誤差分析

定位誤差主要分為三類：1）衛星誤差：星歷誤差、衛星時鐘誤差；2）傳播誤差：電離層延遲改正誤差、對流層延遲改正誤差、多路徑效應、相對論效應誤差；3）接收機誤差：觀測噪聲誤差、天線相位中心誤差［2］、接收機鐘差。

在實際工作中，可采用以下措施修正誤差，提高定位精度：1）通過差分技術或二項式模擬衛星鐘誤差消弱衛星鐘差［3］；2）通過導航電文中的電離層改正模型減小電離層延遲誤差［4］、采用對流層改正模型減小對流層延遲誤差、在天線下設置抑制板阻擋反射波、利用天線方向圖的空間特性來降低多徑效應誤差［5］；3）避免不必要的人為操作誤差。

3 北斗接收機定位精度測試

3.1 測試設備

定位精度測試設備包括硬件設備和軟件設備。

硬件設備包括：北斗接收機一套（接收機、天線、電纜）、錄取數據用筆記本電腦一臺、通用串口RS232轉USB數據線一根；GPS接收機兩套（接收機、天線、饋線、存儲卡）作為對比標定設備。

軟件設備包括：GrafNav數據處理軟件、Convert32數據轉換軟件和 “坐標轉換”軟件。設備連接如圖1所示。

圖1 動態測試設備連接圖

3.2 測試地點及路線

基準站設在某指揮所GPS機房，GPS天線架于指揮所樓頂，動態定位精度測試的場所位于野外測試車內，北斗接收機和GPS接收機天線架設于野外測試車頂，兩臺GPS接收機天線精確水平距離為169cm，北斗接收機天線中心距離其中一套GPS接收機天線10cm。動態定位精度測試起止數據的起止時間為2013－10－11T15：08：00—16：13：00，采樣率為1s。測量路線為某市環城公路。

3.3 差分GPS測量結果作為真值鑒定北斗接收機的可行性

由于在動態定位中很難找到一個絕對的 “真值”，因此，采用內部檢驗與外部比較相結合的辦法來對實驗結果進行檢驗。一是采用相對動態定位模式分別求解兩臺GPS接收機在整個運動過程中的位置，二是結合基準站數據對兩臺GPS接收機動態定位進行差分修正，三是解算出它們每個歷元的幾何距離，與地面量測的精確距離進行比對，以檢驗其動態精度，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，解算得到的幾何距離與真實距離169cm在4cm范圍內波動，絕大多數數據在誤差在2cm以內，曲線波動比較平穩，解算結果表明差分后的GPS數據精度很高，完全可以用其鑒定北斗接收機。

圖2 雙GPS天線斜距離誤差圖

3.4 北斗時與GPS時空系統比較

3.4.1 CGCS2000與WGS－84坐標系

我國北斗系統CGCS2000與GPS系統WGS－84同屬于協議地球參考系。其坐標系坐標定義基本一致，但由于存在測軌監測站站址坐標誤差和測量誤差，因而定義的坐標系和實際使用的坐標系存在一定的差異。WGS84精度最初精度為1m，經過兩次精化后，目前已達到5cm，CGCS2000坐標系精度也在這個水平，因而對于精度低于5cm，可以認為這兩個坐標系同屬于一個坐標系，不需要進行坐標轉換，只需要把數據轉換到同一格式即可。

3.4.2 北斗時與GPS時

北斗系統的時間基準采用北斗時（BeiDou navigation satellite system time，BDT），BDT是一個連續的時間系統，取國際單位制（SI）秒為基本單位，以周和周內秒為單位連續計數，不閏秒，并通過北斗導航電文播發。BDT起算歷元時問為2006－01－01T00：00：00的協調世界時（coordinated universal time，UTC），BDT與UTC的時間偏差保持在100ns內，BDT與UTC之間的閏秒信息會在導航電文中播報［6］。

GPS系統的時間基準采用GPS時（GPS time，GPST），和BDT不同的是它的起算歷元時問為1980－01－06T00：00：00的協調世界時，GPST 與UTC的時間偏差保持在100ns內，GPST與UTC之間的閏秒信息會在導航電文中播報［7］。

本文在數據比對時統一轉換到UTC時，進行比較。

3.5 北斗接收機動態定位測試結果

對北斗接收機與GPS接收機真值坐標進行格式轉換和時間系統轉換，北斗數據與GPS真值部分數據比對如表1所示（左邊數據為北斗數據）。

表1 BDS動態測量數據與GPS真值數據比對/m

ECEF－X方向數據與真值對比結果：誤差數據主要在6m范圍內起伏，個別誤差數據達到7m。ECEF－Y方向數據與真值對比結果：誤差數據主要在3m范圍內起伏，個別誤差數據達到4m。ECEF－Z方向數據與真值對比結果：誤差數據主要在3m范圍內起伏，個別誤差數據達到4m。斜距離數據與真值對比結果：誤差在8m。比對結果如圖3～圖6所示：

圖3 北斗接收機與GPS接收機真值在ECEF－X方向誤差圖

圖4 北斗接收機與GPS接收機真值在ECEF－Y方向誤差圖

圖5 北斗接收機與GPS接收機真值在ECEF－Z方向誤差圖

圖6 北斗接收機與GPS接收機真值斜距離誤差圖

3.6 北斗接收機與GPS接收機精度比較

GPS接收機動態數據與真值部分數據比對如表2所示（左邊數據為GPS動態數據）。

表2 GPS動態數據與真值部分數據比對

GPS接收機ECEF－X方向數據與真值對比結果：誤差數據主要在4m范圍內起伏，個別誤差數據達到5m。ECEF－Y方向數據與真值對比結果：誤差數據主要在7m范圍內起伏，個別誤差數據達到8m。ECEF－Z方向數據與真值對比結果：誤差數據主要在2.5m范圍內起伏，個別誤差數據達到3m。斜距離數據與真值對比結果：誤差在8m。比對結果如圖7～圖10所示，從數據來看在ECEF－X方向北斗接收機誤差大，在ECEF－Y方向GPS接收機誤差大，在ECEF－Z方向誤差二者精度相當，在斜距離方面二者精度相當。

圖7 GPS與真值在ECEF－X方向誤差圖

圖8 GPS與真值在ECEF－Y方向誤差圖

圖9 GPS與真值在ECEF－Z方向誤差圖

圖10 GPS與真值斜距離誤差圖

4 結束語

本文首先對影響北斗衛星導航系統定位誤差的原理進行了描述，然后運用GPS接收機與北斗接收機進行了動態精度測試，最后通過測試數據與真值比對得到北斗接收機的動態定位誤差數據，對定位誤差數據進行定量分析并與GPS接收機精度進行了比較。在本文研究過程中，由于天氣、測試時間、路線等原因，動態誤差測試數據不一定具有代表性，數據量也不足，因此得出的結論可能并不適用于所有的情況。另外由于測試所使用的北斗接收機的接收級別較低，定位的精度有限，使得測試得到的數據與真值存在著不小的偏差，以至于獲得的動態定位誤差結果偏大。今后，隨著BDS空間混合星座布局的不斷完善，北斗接收機的精度還會逐步提高，再加上充分發揮短報文特色服務，屆時，BDS將成為全球重要的衛星導航定位系統，甚至國際導航定位系統的領跑者。

［1］陳巖，陳暉，丁前軍.“北斗二號”衛星導航系統覆蓋仿真分析［J］.通信技術，2009，42（6）：171－173.

［2］楊元喜，李金龍，徐君毅，等.中國北斗衛星導航系統對全球PNT 用戶的貢獻［J］.科學通報，2011，56（21）：1734－1740.

［3］范龍，柴洪洲.北斗二代衛星導航系統定位精度分析方法研究［J］.海洋測繪，2009，29（1）：25－27.

［4］中國衛星導航定位協會.衛星導航定位與北斗系統應用［M］.北京：測繪出版社，2010.

［5］賴禮楚.北斗無源定位技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2009.

［6］尚秀星.淺談北斗衛星導航定位系統及其應用［J］.湖北成人教育學院學報，2011（3）：142－143.

［7］謝劭峰，劉立龍，劉斌.GPS動態定位模型的研究［J］.測繪科學，2008，33（4）：29－31.

［8］李鶴峰，黨亞民，秘金鐘，等.北斗衛星導航系統發展、優勢與建議［J］.導航定位學報，2013，1（2）：49－54.