衛星定位系統不同模式下的定位精度分析

周延玲+李振興

摘 要：文章通過對GPS、BDS絕對定位，GNSS組合絕對定位、DGPS差分定位和GDCORS定位模式采集的數據進行分析，得出這五種定位模式下的定位精度情況。實驗數據說明，在實驗區域內五種定位模式的精度均能達到設計要求，GDCORS精度達到1cm，差分定位優于絕對定位達到0.5m，使用多系統組合定位模式優于單系統定位；該區域BDS單點定位精度與GPS單點定位精度在平面方向一致。

關鍵詞：GNSS 極限偏差 內符合精度

1.概述

GPS系統能夠為航空、地面交通及航海提供導航，但是由于其受到來自衛星鐘差、星歷誤差及多路徑誤差等影響，單點定位的精度難以滿足導航和測量等方面的定位需求，因此為了消弱各項誤差在定位中影響精確度得到提升，科學界發展了差分全球定位系統（DGPS）。

連續運行參考站跟蹤網（以下簡稱CORS）的誕生，為多參考站網絡差分數據計算提供了基礎，形成了各種不同的網絡RTK算法，極大的提高了差分解算的服務范圍、精度和可靠性。利用多基站網絡RTK技術建立的CORS系統已成為城市GPS應用的發展熱點之一。

2.測試方法

本測試采用靜態觀測的方法采集各定位模式下的觀測值，其中GPS絕對定位與BDS絕對定位是使用儀器直接接收GPS信號和BDS信號，從而獲得坐標觀測值；GNSS組合系統絕對定位，則是通過接收多源衛星信號（4星，GPS、Glonass、Galileo、BDS）進行絕對定位，直接獲得觀測值。測試中分別使用了 TrimbleSPS356和TrimbleR10兩種接收機。TrimbleSPS356信標接收機，即差分DGPS接收機，主要為海洋工程和OEM應用領域提供亞米級的定位精度。

3.測試實施

測試工作在某大廈樓頂進行，在檢測點“xx大廈”設站，采用連續采集數據的方法，進行24h不間斷數據采集。該測試點所處位置為市中心高樓，周圍視野開闊，衛星狀況良好。

（1）2017.3.21～2017.3.23使用儀器Tr imbleSPS356進行數據采集。其中2017.3.21～2017.3.22使用GPS絕對定位模式采集數據；2017.3.22～2017.3.23使用DGPS差分定位模式采集數據，采樣頻率1HZ，采集數據時長均為24h。

（2）2017.3.29～2017.3.30使用儀器TrimbleR10采集GDCORS數據，采樣頻率1HZ，采集數據時長為24h。

（3）2017.3.30～2017.4.7進行了BDS絕對定位數據和GNSS組合系統的絕對定位數據采集，使用儀器為TrimbleR10。其中2017.3.30～2017.4.1采集的為BDS的絕對定位數據，時長48h；2017.4.1～2017.4.7采集的為GNSS組合模式的絕對定位數據，時長為7d，采樣頻率均為1HZ。

4.實測數據分析

各定位模式的精度測試是指RTK實時定位精度的測試。本測試采用靜態測量的方式獲得該點坐標的觀測值，將解算出的坐標與已知點坐標進行比較，通過坐標差值確定出采用的定位模式的誤差水平，完成該定位模式的精度評定。該方法主要是將采集到的數據進行統計分析，計算出該定位模式下檢測點的內符合中誤差、外符合誤差值以及極限偏差。

4.1內符合精度分析

內符合精度是同一測試點多次測量結果與該點最或然結果之差，它反映的是系統的穩定性和可靠性。具體是計算每一測點剔除粗差后的所有測量值的平均值作為該點的最或然值，再將該平均值與每一測量值求差，統計所有差值的分布情況，同時根據①式分別計算各定位模式在X、Y、平面、高程方向的內符合精度：

n—測量值總數，即剔除粗差觀測后全部實時動態測量值總數；

？—測點測試值與相應測試平均值在各方向的差值；

m—系統各方向內符合精度，反映系統實時定位的穩定性。

通過觀測值的內符合精度統計表，從五種定位模式的縱向對比可以看出，GDCORS在各方向上的定位效果都明顯優于其他幾種定位模式，其他幾種的定位效果由DGPS差分定位、GNSS絕對定位、BDS絕對定位和GPS絕對定位由強到弱依次變化。其中GPS絕對定位和BDS單點定位的點位精度基本相同，但是在X方向上，BDS定位精度優于GPS定位精度，在Y方向上反而GPS定位精度則優于BDS絕對定位精度。在高程方向，除未參與定位的GPS絕對定位和DGPS定位外，BDS與GNSS絕對定位精度相差無幾，GNSS絕對定位略優于BDS絕對定位。

4.2外符合精度分析

依據內符合定位精度的分析結果，把GDCORS定位模式下計算的該點的最或然坐標值作為該測試點的坐標真值，并以此對其他四種定位模式進行外符合精度的分析。

表1中列出各定位模式下觀測值的最或然值與坐標真值的偏差。對四種定位模式下的坐標偏差進行對比可以看出，在X方向上坐標偏差值均小于50cm，其中GPS絕對定位的偏差更是小于5cm，其他三種依次為BDS絕對定位、DGPS定位和GNSS組合定位。在Y方向上的坐標偏差值均小于1m，效果最好的是GNSS組合定位，小于15cm，最差的為DGPS差分定位。GPS與BDS絕對定位在該方向上的精度相似，未超過50cm。而在高程方向，除去GPS絕對定位模式和DGPS差分定位模式，BDS和GNSS兩種絕對定位模式中，GNSS絕對定位模式的誤差僅有5.2cm，遠高于BDS絕對定位的誤差。

4.3極值分析

通過所獲得的觀測值的極大值和極小值與坐標真值的互差，得出各定位模式偏離真坐標的最大值。此方法作為外符合精度分析的補充，用來對各定位模式在偏差極限情況下的精度評定。

通過相關數據可知：各定位模式在X方向上的極限偏差小于5m，Y方向上的極限偏差小于4m，H方向則小于10m。其中，X方向極大偏差由小到大依次為GPS絕對定位、BDS絕對定位、DGPS差分定位和GNSS組合絕對定位，Y方向上依次為BDS絕對定位、GNSS組合絕對定位，GPS絕對定位和DGPS差分定位。

5.結論

綜上所述，5種定位模式的內符合精度在各個方向上均小于1.5m，在外符合方面，各定位模式下的坐標最或然值相對于GDCORS定位坐標最或然值的偏差在各個方向均小于1m。本測試在城市中心進行，衛星信號容易受到干擾，在此種情況下各種定位模式的精度仍然滿足水運工程測量的要求，那么在空曠的海域，衛星信號干擾小的情況下，各定位模式的定位精度將更高。在置信度95%的情況下，這5種定位模式中的DGPS差分定位、CORS定位和GNSS組合絕對定位均小于國際海道測量規范所規定的最高等級定位精度2m，因此，境外海洋工程可使用這三種定位模式進行海上測量導航定位。

參考文獻：

[1]劉基余.GPS衛星導航定位原理與應用[M].北京：科學出版社，2008.

[2]徐文兵.GPS連續運行參考站系統（CORS）定位精度的可靠性研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.