北斗中長基線靜態測量精度初步評估

張樹宏，李金龍，馬俊峰，尹豫疆，范玉磊

(1．61243部隊，新疆 烏魯木齊 830006；2．北京衛星導航中心，北京 100094)

北斗中長基線靜態測量精度初步評估

張樹宏1，李金龍2，馬俊峰1，尹豫疆1，范玉磊1

(1．61243部隊，新疆 烏魯木齊 830006；2．北京衛星導航中心，北京 100094)

北斗衛星導航系統已于2012年12月27日開始正式提供區域服務，可為亞太地區用戶提供定位、導航、授時和短報文通訊等服務，在精密定位方面有很大潛力。本文通過使用南方測繪GNSS后處理軟件對長度范圍為13～94 km的6條基線的北斗靜態測量數據進行處理，并將其解算結果與GPS相應解算結果和已知坐標進行比較，初步評估北斗靜態測量精度。試驗結果顯示，基于廣播星歷對北斗中長基線(<100 km)靜態測量(4 h)數據進行解算的基線精度可達4 cm，因此北斗中長基線靜態測量已具有很大的研究價值和應用前景。

北斗衛星；GPS；中長基線；靜態測量；精度

我國的北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)已于2012年12月27日開始正式提供區域服務，亞太地區用戶已經可以使用北斗系統進行定位、導航、授時和短報文通信等服務。目前北斗區域星座由5顆地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛星，5顆傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)衛星和4顆中圓軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛星組成，并在B1(1561.098 MHz)、B2(1207.140 MHz)和B3(1268.520 MHz)三個頻點上播發衛星導航信號。作為全球第一個全星座播發三頻導航信號的衛星導航系統，北斗在高精度測量領域也具有很大潛力[1]，有望替代目前已廣泛應用的GPS進行我國高精度控制網測量實踐。

目前，已有許多學者在北斗對全球導航用戶貢獻[2]、北斗測距信號精度[3]、北斗定軌精度[4]、北斗偽距定位精度[5]以及北斗RTK定位性能[6-10]等方面進行大量研究與數值驗證，但在北斗中長基線靜態測量精度方面，相關研究還較少，特別是針對作業實踐的研究則更少。當前，支持北斗或北斗與其他全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)的多系統多頻測量型接收機已投入市場，并已配備了支持北斗信號的數據后處理隨機軟件。

在此背景下，本文在烏魯木齊地區進行了北斗與GPS靜態測量精度對比初步試驗，著重測試北斗單系統靜態測量精度。試驗中，使用廣州市南方衛星導航儀器有限公司(南方測繪)生產的S82-2013型三系統多頻測量系統同步采集4個測站的北斗和GPS中長基線靜態測量數據，并使用南方測繪GNSS數據后處理軟件對數據進行處理，通過將其與GAMIT軟件GPS解算結果和已知點進行對比和分析，初步評估北斗中長基線靜態測量精度。

1 試驗設計與數據

1.1 試驗設計

本次試驗使用南方測繪生產4臺S82-2013型GPS/BDS/GLONASS三系統多頻測量型接收機，其可以接收GPS-L1/L2/L5、BDS-B1/B2/B3和GLONASS-L1/L2三星座八頻信號，靜態測量技術指標：平面精度±2.5 mm+1 ppm，高程精度±5 mm+1 ppm。

本次靜態測量試驗于2015年3月9日實施，在新疆烏魯木齊市周邊地區進行4個測站、兩個時段的中長基線同步測量，每個時段長約4 h，4個測站(U060、U079、U099和U113)的平面分布情況見圖1。

圖1 靜態測量點位平面分布

從圖1可知，本次靜態測量試驗同步測量4個測站構成的6條基線長度分別約為13 km(U060-U113)、62 km(U060-U079)、71 km(U099-U113)、74 km(U060-U090)、75 km(U079-U113)、94 km(U079-U099)，基線長度范圍覆蓋中長基線。

1.2 數據概況

本次試驗兩個測量時段的起止時間分別為UTC時間4:35～8:45和8:50～13:00，以測站U060為例測量時段內GPS和BDS的衛星跟蹤情況見圖2，測區GPS和BDS的星空圖見圖3，測量時段內GPS和BDS的可見衛星數(NSAT)和PDOP值見圖4。

從圖2可知，BDS GEO衛星C01、C02、C03和C05一直可見，C04衛星由于高度角較低在測區不可見，BDS IGSO衛星由于在其覆蓋范圍內可見弧段較長，也有可能在整個測段內一直可見，如此次測試中的C07和C10衛星。GPS星座全部由MEO衛星組成，測量時段內衛星升降比較頻繁，這也可以從圖4得到驗證，而BDS的可見衛星數變化較為穩定。從圖3可知，在新疆烏魯木齊地區，BDS可見衛星主要分布在測站的東南天空，由此可見BDS區域星座在其覆蓋區域邊緣地帶的可見衛星空間構型與GPS相比存在劣勢。從圖4可知，測量時段內GPS可見衛星數為6～11顆，BDS可見衛星數為7～9顆，GPS的PDOP值在1.5～3之間，BDS的PDOP值在2～4之間。整個測量時段內，GPS的PDOP、HDOP、VDOP平均值分別為1.96、1.07、1.63，而BDS相應值分別為3.51、2.24、2.68。這進一步說明，在烏魯木齊地區，BDS空間星座幾何結構與GPS相比還存在一定差距。

圖2 測量時段內GPS和BDS衛星跟蹤情況

圖3 測區GPS和BDS衛星星空

圖4 GPS和BDS的可見衛星數(NSAT)和PDOP值

2 數據解算及結果分析

本次試驗GPS和BDS數據處理采用南方測繪GNSS數據后處理軟件(GPS和BDS均使用廣播星歷)進行靜態基線解算，基線解算設置為高度截止角15°，采樣間隔10 s，采用無電離層組合進行基線解算，模糊度固定ratio值設為2。由于靜態試驗收集的原始數據文件均包含有GPS/BDS/GLONASS三系統多頻觀測數據，為保證單系統基線解算結果的真實可靠，首先從原始數據文件中分別提取GPS和BDS單系統數據并保存為獨立的RINEX格式文件，然后再由軟件分別讀取GPS和BDS相應的RINEX數據文件進行基線解算。

由于只有測站U079和U099為已知坐標的高等級GPS點，可提供參考值用來檢核解算結果精度，作為比較和進一步對解算結果進行檢核，GPS數據同時使用GAMIT軟件(使用IGS精密星歷)進行處理，相應的解算結果(GPS-GAMIT)作為參考值檢核基線解算精度。使用南方測繪軟件分別處理GPS和BDS單系統數據得到的基線結果(GPS-SOUTH和BDS-SOUTH)分別見表1和表2，兩個時段重復基線較差見表3，作為比較表3中也給出了GAMIT解算基線的重復基線較差結果。以GAMIT軟件解算基線作為參考值，由此計算得到南方測繪軟件解算基線的基線誤差見表4和表5(表中H表示水平方向)，以已知成果為參考值計算得到基線U079_U099解算結果的基線誤差見表6。

表1 南方測繪GPS(GPS-SOUTH)兩個時段解算結果 m

續表1 m

表2 南方測繪BDS(BDS-SOUTH)兩個時段解算結果 m

表3 GAMIT和南方測繪軟件解算結果的重復基線較差 cm

表4 以GAMIT解算結果為參考值得到的南方測繪GPS解算基線誤差 cm

表5 以GAMIT解算結果為參考值得到的南方測繪BDS解算基線誤差 cm

從表1和表2可知，GPS和BDS分別有兩條基線未固定整周模糊度(Float)，這些基線的長度均在70 km以上。此外，不論是GPS還是BDS均為最短基線U060_U113(13 km)的ratio值最大。從表3可知，GAMIT軟件解算得到的GPS重復基線東(E)、北(N)、天或高程(U)和長度(L)的較差最大值分別為0.09、0.15、-1.22和0.08，而南方測繪軟件解算得到GPS重復基線較差相應值分別為-0.46、-0.68、1.39和-0.59，可見GAMIT軟件解算基線的重復性更好。南方測繪軟件解算BDS重復基線相應值分別為-1.61、-1.97、-7.78和-2.65，比GPS相應結果差一些，尤其是高程方向，不過最大較差仍在cm級水平。

表6 以已知成果為參考值得到的基線

從表4和表5可知，兩個時段GPS單系統解算基線水平方向的RMS分別0.64和0.99 cm，高程方向的RMS分別為0.68和0.62 cm，三維RMS分別為0.93和1.17 cm；BDS單系統解算基線水平方向的RMS分別為1.42和1.92 cm，高程方向的RMS分別為3.69和3.31 cm，三維RMS分別為3.96和3.83 cm。總體上，GPS單系統解算基線的三維精度約為1 cm，而BDS約為4 cm。從表6可知，以已知成果為參考值計算得到基線U079_U099三種方案(GPS-GAMIT、GPS-SOUTH和BDS-SOUTH)解算結果的三維誤差基本相當，均在4 cm以內，GPS和BDS解算基線的誤差也在同一水平，這與以GAMIT解算結果作為參考值的分析結果不太一致。原因可能是：方案GPS-GAMIT和GPS-SOUTH使用的數據相同，相應結果差異僅為數據處理軟件不同導致，故這兩種方案解算結果的一致性會比較好(見表4)；而表5和表6為BDS與GPS解算結果的差異以及BDS、GPS解算結果分別與已知成果的差異，是外符合精度，其符合程度必然會差一些。但總體而言，以上試驗結果已經可以說明，基于廣播星歷進行北斗中長基線(<100 km)靜態測量(4 h)解算的基線精度可達4 cm。

3 結束語

我國北斗衛星導航系統已經正式提供區域服務，可為亞太地區用戶提供定位、導航、授時和短報文通訊等服務，在精密定位方面也具有很大潛力。本文使用南方測繪生產的S82-2013型測量型接收機在新疆烏魯木齊地區對北斗中長基線靜態測量精度進行了初步實測。試驗結果顯示，基于廣播星歷進行北斗中長基線(<100 km)靜態測量(4 h)解算的基線精度已可達4 cm，已經可以應用于高精度控制網測量實踐。

此外，本次試驗北斗靜態測量精度與GPS相比存在一定差距，相應的原因是多方面的：首先，烏魯木齊地區處在北斗區域星座覆蓋區域邊緣，衛星空間幾何結構本來就弱于GPS；其次，北斗高精度數據處理還處在起步階段，北斗數據處理軟件解算精度還有提高空間；第三，試驗中并沒有考慮北斗與GPS不同頻點的天線相位中心差異，也沒有考慮北斗天線相位中心變化。因此，在北斗覆蓋區域內可見衛星空間幾何結構更好區域，同時隨著北斗高精度數據處理軟件的進步，以及對北斗天線相位中心變化等誤差源更加精細的處理，尤其是即將到來的北斗全球星座情形下，北斗高精度靜態測量性能肯定還有很大提升空間。

[1] 李金龍. 北斗/GPS多頻實時精密定位理論與算法[D]. 鄭州：信息工程大學，2014.

[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] 程鵬飛，李瑋，秘金鐘. 北斗導航衛星系統測距信號的精度分析[J]. 測繪學報，2012，41(5): 690-695.

[4] 施闖，趙齊樂，李敏，等. 北斗衛星導航系統的精密定軌與定位研究[J]. 中國科學(地球科學)，2012，42(6): 854-861.

[5] 高星偉，過靜珺，程鵬飛，等. 基于時空系統統一的北斗與GPS融合定位[J]. 測繪學報，2012，41(5): 743-749.

[6] SHI C, ZHAO Q, HU Z, et al. Precise relative positioning using real tracking data from COMPASS GEO and IGSO satellites[J]. GPS Solutions, 2013, 17(1): 103-119.

[7] 楊元喜，李金龍，王愛兵，等. 北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J]. 中國科學(地球科學)，2014，44(1): 72-81.

[8] LI J, YANG Y, XU J, et al. Performance Analysis of Single-Epoch Dual-Frequency RTK by BeiDou Navigation Satellite System[C]// J. Sun et al. (eds.),CSNC-2013 Proceedings, Lecture Notes in Electrical Engineering 245, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, pp 133-143.

[9] HE H, LI J, YANG Y, et al. Performance Assessment of Single-and Dual-frequency BeiDou/GPS Single-epoch Kinematic Positioning[J]. GPS Solutions, 2014, 18(3): 393-403.

[10] TEUNISSEN P J G, ODOLINSKI R, ODIJK D. Instantaneous BeiDou+GPS RTK positioning with high cut-off elevation angles[J]. Journal of Geodesy, 2014, 88(4): 335-350.

[11] 馬志敏.甘肅省衛星定位連續運行基準站系統測試分析[J].測繪與空間地理信息，2016,39(3)：122-124.

[12] 王珍.網絡RTK動態中長基線模糊度解算方法比較研究[J].測繪與空間地理信息，2016,39(2)：71-74.

[責任編輯：李銘娜]

Accuracy assessment of BDS static survey over medium-long baselines

ZHANG Shuhong1, LI Jinlong2, MA Junfeng1, YIN Yujiang1, FAN Yulei1

(1. Troops 61243, Urumqi 830006, China; 2. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China)

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been officially in operation since Dec 27, 2012 and is providing positioning, navigation, timing and short message communication services for the user in the Asia-Pacific region, which also has great potential in the field of precise positioning. In this paper, the accuracy of BDS static survey over medium-long baseline is evaluated by six baselines with range of 13～94 km. The GNSS data post-processing software developed by SOUTH SURVEY is used for BDS and GPS data process. The results show that the accuracy of BDS static survey (4 h) over medium-long baseline (<100 km) has achieved 4 cm experimentally. Consequently, BDS precise survey over medium-long baseline is worth of study and has great potential of practical application.

BDS； GPS； medium-long baseline； static survey； accuracy

引用著錄：張樹宏，李金龍，馬俊峰，等.北斗中長基線靜態測量精度初步評估[J].測繪工程，2017，26(4)：27-31，42.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.04.006

2016-01-30

國家自然科學基金資助項目(41474015；41274045)

張樹宏(1980-)，男，工程師.

P228

A

1006-7949(2017)04-0027-05