GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究

葉作安，繆錦根

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津　300304；2.交通運(yùn)輸部天津海事測(cè)繪中心，天津　300222)

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GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究

葉作安1，繆錦根2

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津300304；2.交通運(yùn)輸部天津海事測(cè)繪中心，天津300222)

為了提高不同GNSS(GPS、BDS及GLONASS)星座(包括單星座及組合星座)的實(shí)際定位精度和可靠性，以海星達(dá)H32全能型GNSS-RTK為試驗(yàn)儀器，分別采用單星座、雙星座和三星座進(jìn)行了RTK定位精度試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：GPS+GLONASS雙星座組合定位的精度最高；GPS+GLONASS+BDS三星座組合定位的可靠性最強(qiáng)；星座組合所獲取測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，Y方向的精度最高，高程H方向的精度最低；對(duì)GNSS-RTK所采集測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理時(shí)，通過(guò)限制PDOP值的大小就能夠在確保足夠的定位精度的同時(shí)，還能過(guò)濾測(cè)量粗差，從而提高GNSS-RTK測(cè)量定位的可靠性。

GPS/BDS/GLONASS；星座組合定位；RTK定位精度；可靠性

0　引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)作為一種基于空間衛(wèi)星的無(wú)線(xiàn)定位導(dǎo)航方式，憑借其范圍廣、全天候、精度高、成本低、功耗小、無(wú)誤差積累等諸多優(yōu)點(diǎn)在國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著不可替代的重要作用。目前可提供服務(wù)的GNSS有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)和我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)，歐盟正在發(fā)展中的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)等。為了能夠有效發(fā)揮當(dāng)前在軌運(yùn)行的GPS、GLONASS、BDS 等3個(gè)GNSS系統(tǒng)的綜合優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)有許多學(xué)者研究了將不同GNSS星座進(jìn)行的組合定位理論方法，獲得了初步結(jié)果[3-8]。在儀器制造方面，能夠同時(shí)接收GPS/GLONASS/BDS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的GNSS接收機(jī)也已經(jīng)面市，這為研究不同星座組合定位的實(shí)際精度成為可能。為了探究采用不同星座組合進(jìn)行RTK的實(shí)際測(cè)量精度，作者利用海星達(dá)H32接收機(jī)采集單星座(GPS)、雙星座(GPS+GLONASS、GPS+BDS)和三星座(GPS+GLONASS+BDS)等不同組合的定位信息進(jìn)行RTK定位精度試驗(yàn)，利用采集的定位信息，分析研究了不同星座條件下公共衛(wèi)星數(shù)、空間位置精度因子(position dilution of precision，PDOP)、平面坐標(biāo)(X，Y)和高程(H)的精度，得出了一些用于指導(dǎo)今后測(cè)量工作的有益結(jié)論。

1　GPS/BDS/GLONASS星座組合RTK定位精度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用能夠接收GPS/BDS/GLONASS 信號(hào)的8臺(tái)海星達(dá)H32接收機(jī)，將這8臺(tái)接收機(jī)同時(shí)架設(shè)在一個(gè)視野開(kāi)闊的空?qǐng)龅?如圖1所示)，其中一臺(tái)作為基準(zhǔn)站，其他7臺(tái)作為流動(dòng)站。海星達(dá)H32接收機(jī)不能關(guān)掉GPS信號(hào)，故星座組合試驗(yàn)方案每種星座中都不得不包含GPS，即：1)采用單星座(GPS)連續(xù)采集30 min(僅接收GPS信號(hào))；2)采用雙星座(GPS+GLONASS)連續(xù)采集30 min(同時(shí)接收GPS和GLONASS信號(hào))；3)采用雙星座(GPS +BDS)連續(xù)采集30 min(同時(shí)接收GPS和BDS信號(hào))；4)采用三星座(GPS+GLONASS+BDS)連續(xù)采集30 min(同時(shí)接收GPS、GLONASS和BDS信號(hào))。各流動(dòng)站RTK的數(shù)據(jù)采樣頻率均設(shè)為1 Hz，下面選擇其中一臺(tái)具有普遍代表性的流動(dòng)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1　GNSS-RTK星座組合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1.1GNSS-RTK星座組合實(shí)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

GNSS-RTK星座組合30 min采集定位數(shù)據(jù)試驗(yàn)時(shí)的中誤差、PDOP值和衛(wèi)星數(shù)的統(tǒng)計(jì)值(從最小值到最大值的變化范圍)列于表1中。從表1可以看出，星座組合的衛(wèi)星數(shù)隨著星座數(shù)的增多明顯增多，PDOP值也隨之減小，高程中誤差mH也有所減小，但坐標(biāo)中誤差(mX和mY)的減小不太明顯。

表1　星座組合的實(shí)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值

圖2給出了各星座組合的實(shí)時(shí)衛(wèi)星數(shù)。從圖3可以看出：?jiǎn)涡亲鵊PS的衛(wèi)星數(shù)最少，雙星座GPS+GLONASS組合和GPS+BDS組合的衛(wèi)星數(shù)相差無(wú)幾，三星座GPS+GLONASS+BDS組合中的灰色線(xiàn))的衛(wèi)星數(shù)最多。

圖2　星座組合的衛(wèi)星數(shù)實(shí)時(shí)對(duì)比圖

圖3列出了各星座組合的PDOP值。從圖3可以看出：?jiǎn)涡亲鵊PS的PDOP值最大，雙星座GPS+GLONASS組合和GPS+BDS組合的PDOP值基本相當(dāng)，三星座GPS+GLONASS+BDS組合的PDOP值最小。

圖4～圖6分別列出了各星座組合的X、Y、H方向中誤差。

圖3　星座組合的PDOP值實(shí)時(shí)對(duì)比圖

圖4　星座組合的中誤差mX實(shí)時(shí)對(duì)比圖

圖5　星座組合的中誤差mY實(shí)時(shí)對(duì)比圖

圖6　星座組合的中誤差mH時(shí)對(duì)比圖

從圖4～圖6可以看出：

1)無(wú)論是哪一種星座組合，高程中誤差mH最大(見(jiàn)圖6)，Y坐標(biāo)中誤差mY最小(見(jiàn)圖5)。

2)與其他星座組合相比，單星座GPS的中誤差既非最小，而且很不穩(wěn)定(圖中可見(jiàn)其變化范圍最大)，說(shuō)明它的精度不是最高，且可靠性也不強(qiáng)。

3)雙星座GPS+GLONASS組合的中誤差中的黑色線(xiàn))基本處于圖中的最下部，表明精度最高。

4)三星座GPS+GLONASS+BDS組合，因其衛(wèi)星數(shù)最多、PDOP值最小，按理其中誤差也應(yīng)該最小，但圖中顯示其基本均處于較上部，即這種星座組合的RTK的定位精度并非最高；但圖中可見(jiàn)線(xiàn)型其線(xiàn)基本都比較平坦，表明測(cè)量結(jié)果的可靠性最好。

1.2組合定位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差分析

本次星座組合定位的試驗(yàn)中，基準(zhǔn)站和各流動(dòng)站都是靜止、固定不動(dòng)的，即各流動(dòng)站上的接收機(jī)所測(cè)坐標(biāo)值應(yīng)為不變的固定值，如果有變化，則變化值即為坐標(biāo)的隨機(jī)(偶然)實(shí)時(shí)誤差。圖7～圖10分別列出了各星座組合定位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差。

圖7　單星座(GPS)定位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差

圖8　雙星座(GPS+GLONASS)組合定位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差

圖9　雙星座(GPS +BDS)組合定位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差

圖10　三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合定位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差

從圖7～圖10可以看出：

1)與實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)(X，Y)的誤差相比，各星座組合的實(shí)時(shí)高程H誤差最不穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍(振幅)也最大；但是三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合的實(shí)時(shí)高程誤差比單星座或雙星座組合的實(shí)時(shí)高程誤差相對(duì)要穩(wěn)定一些，其波動(dòng)范圍(振幅)也要小一些。

2)對(duì)于各星座組合的實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)(X，Y)的誤差，Y坐標(biāo)的實(shí)時(shí)誤差比X坐標(biāo)的實(shí)時(shí)誤差要穩(wěn)定一些，其波動(dòng)范圍(振幅)也要小一些。

3)總體來(lái)看，三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差(圖10)比其他星座組合的實(shí)時(shí)坐標(biāo)誤差(圖7～圖9)都要穩(wěn)定一些，小一些。

2　實(shí)例分析

天津高銀117大廈，地下3層、地上117層，主體結(jié)構(gòu)597 m，目前為在建的中國(guó)北方最高的摩天大樓。為掌握天津高銀117大廈主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)軌跡、主振方向和變形量，筆者采用海星達(dá)H32接收機(jī)三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合的RTK對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在大廈核心筒頂層的樓頂模架(鋼平臺(tái))的4個(gè)角上采用強(qiáng)制歸心安裝GNSS-RTK流動(dòng)站，采樣頻率為1 Hz，在基本風(fēng)速6級(jí)，最大風(fēng)速19.2 m/s的情況下連續(xù)采集約14 h，得到大廈主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下實(shí)時(shí)的變化狀態(tài)。基于本次監(jiān)測(cè)是在大廈建造期間進(jìn)行，大廈核心筒頂層的樓頂模架上有塔架，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)有時(shí)會(huì)有干擾，因此下面以第2號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，在對(duì)其采集的平面坐標(biāo)(X，Y)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理時(shí)，分別剔除PDOP值大于6的數(shù)據(jù)和PDOP值大于2.2的數(shù)據(jù)后，得到如圖11和圖12所示的第2號(hào)測(cè)點(diǎn)在X、Y方向上的振動(dòng)曲線(xiàn)。

圖11　以PDOP≤6過(guò)濾后的振動(dòng)曲線(xiàn)

圖12　以PDOP≤2.2過(guò)濾后的振動(dòng)曲線(xiàn)

從圖11可以看出：當(dāng)限定PDOP值≤6時(shí)，得到不同時(shí)段第2號(hào)測(cè)點(diǎn)Y方向的最大振幅分別有0.068、0.100、-0.100、0.080；而在圖12中：

當(dāng)限定PDOP值≤2.2時(shí)，對(duì)應(yīng)的Y方向的這些最大振幅被過(guò)濾掉了，這說(shuō)明當(dāng)PDOP值≤6時(shí)，第2號(hào)測(cè)點(diǎn)Y方向不同時(shí)段的最大振幅0.068、0.100、-0.100、0.080可能是粗差或虛假信號(hào)，即本文引言中所提到的“飛點(diǎn)”。

3　結(jié)束語(yǔ)

1)星座組合的衛(wèi)星數(shù)隨著星座數(shù)的增多明顯增多，PDOP值也隨之減小，坐標(biāo)中誤差也有所減小，但并非三星座GPS+GLONASS+BDS組合的坐標(biāo)中誤差最小，而是雙星座GPS+GLONASS組合的坐標(biāo)中誤差最小，三星座GPS+GLONASS+BDS組合的可靠性最強(qiáng)。

2)對(duì)于各星座組合所采集測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的隨機(jī)(偶然)實(shí)時(shí)誤差，Y坐標(biāo)的實(shí)時(shí)誤差比X坐標(biāo)的實(shí)時(shí)誤差要穩(wěn)定一些，其波動(dòng)范圍(振幅)也要小一些，各星座組合的實(shí)時(shí)高程H的誤差最不穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍(振幅)也最大。這與各星座組合的坐標(biāo)中誤差的大小和波動(dòng)規(guī)律是基本吻合的。

3)PDOD值的大小既影響GNSS-RTK的精度，也影響GNSS-RTK的可靠性。在受到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件限制的實(shí)際工程應(yīng)用中，在對(duì)GNSS-RTK所采集測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理時(shí)，可以通過(guò)限制PDOP值的大小來(lái)過(guò)濾測(cè)量粗差，從而提高GNSS-RTK測(cè)量的可靠性。

4)根據(jù)雖然文獻(xiàn)[10]，RTK測(cè)量衛(wèi)星的狀態(tài)PDOP值>6不可用，即PDOP值≤6觀(guān)測(cè)窗口狀態(tài)為可用。PDOP值越小，定位精度越高，可靠性也越高。以本文試驗(yàn)為例，當(dāng)2.2≤PDOP值≤6時(shí)，仍有一些可能的測(cè)量粗差，因此，在某些受到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件限制的實(shí)際工程應(yīng)用中，為了同時(shí)兼顧測(cè)量的精度和可靠性，PDOP值的限值應(yīng)該規(guī)定得更小一些。

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Research on accuracy and reliability of GNSS-RTK combinations positioning

YE Zuoan1，MIAO Jingen2

(1.Tianjin Surveying and Hydrography Co.，Ltd.，Tianjin 300304，China；2.Tianjin Hydrographic Center，Ministry of Transport of the People's Republic of China，Tianjin 300222，China )

In view of practical accuracy and reliability of various combinations of GPS， GLONASS and BDS，by using of Haixingda H32 receivers of GNSS-RTK，positioning experiments of 1 system，2 combined systems and 3 combined systems were made respectively，and the experimental data were analyzed comparatively.The results showed that the positioning accuracy of GPS + GLONASS combination would be the highest，and the reliability of GPS+GLONASS+BDS combination would be the best.For measured coordinatesX，YandHof each combination，the error of coordinateYwould be the smallest，and the error of heightHwould be the biggest.By limiting of PDOP value in processing the data measured，not only the better positioning accuracy could be ensured，but also the big errors of positioning could be filtered，and the reliability of GNSS-RTK could be enhanced.

GNSS-RTK；system combinations of GNSS；positioning accuracy；reliability

2016-01-18

葉作安(1978—)，男，湖北陽(yáng)新縣人，本科學(xué)歷，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，研究方向?yàn)楣こ套冃伪O(jiān)測(cè)。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160316.

P228

A

2095-4999(2016)03-0077-05

引文格式：葉作安，繆錦根.GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(3)：77-81.(YE Zuoan，MIAO Jingen.Research on accuracy and reliability of GNSS-RTK combinations positioning[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：77-81.)