復雜環境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析

徐宗秋，韓澎濤，丁新展，徐彥田

復雜環境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析

徐宗秋1，韓澎濤1，丁新展1，徐彥田2

（1. 遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000；2. 中國測繪科學研究院，北京 100830）

針對復雜環境下全球定位系統（GPS）單系統精密單點定位（PPP）定位性能較差甚至無法定位問題，研究利用GPS及北斗衛星導航系統（BDS）組合以及對流層延遲參數約束提升定位性能。分時段處理不同復雜環境采集的8 h靜態觀測數據，結果表明：復雜環境下GPS/BDS組合較GPS單系統定位性能明顯提升；利用捷克的大地觀測臺（GOP）對流層延遲參數約束可進一步提高方向定位性能。

全球定位系統；北斗衛星導航系統；復雜環境；精密單點定位；定位性能；對流層延遲

0 引言

精密單點定位（precise point positioning, PPP）技術是一種高精度定位方法，相比于相對定位，PPP的出現是一場革命[1]。僅僅利用精密衛星軌道、鐘差和模型改正精細各項誤差，就可以達到分米至厘米級的定位精度。但是在森林、高樓林立的城市等復雜環境中，多路徑和遮蔽效應會嚴重降低一些全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS ）衛星的測距精度，并且城市密集的高層建筑會導致可觀測衛星數減少，觀測衛星的空間幾何結構較差導致定位精度嚴重下降[2-3]。隨著中國北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）實現亞太地區導航定位服務，全球定位系統（global positioning system, GPS）和BDS組合導航定位成為發展的重要趨勢[4]，多導航系統組合有助于提高PPP定位性能。

另外，對流層延遲是PPP的重要誤差源之一，對流層主要影響高程方向定位誤差，且用先驗對流層約束會使高程方向定位精度有所改善[5-7]。文獻[8]利用先驗對流層延遲約束進行PPP解算，分析其對重新收斂速度的影響，得出附加先驗對流層信息約束模型的收斂速度明顯快于傳統模型。在此基礎上，本文主要研究復雜環境下GPS/BDS組合PPP定位性能，及分析利用捷克大地觀測臺（Geodetic Observatory Pecny, GOP）提供的對流層延遲參數約束對GPS/BDS組合定位性能的影響。

1 PPP定位原理與方法

1.1 無電離層組合模型

在定位過程中為消除電離層延遲誤差的影響，一般采取2個頻率上的觀測值形成無電離層組合模型，GPS/BDS組合的函數模型[9-11]為

1.2 抗差卡爾曼濾波

利用卡爾曼濾波進行參數估計，以避免由系統狀態或參數發生突變造成的濾波發散，提高濾波的精度，保證定位解的嚴格性、合理性。采用抗差估計，等價權函數參考中國科學院測量與地球物理研究所的IGG III方案[12-14]可表示為

2 實驗與結果分析

2.1 數據源與數據處理策略

在不同復雜環境下架設8臺Leica GNSS接收機，靜態觀測8 h。8個測站分別位于高壓線下（信號干擾環境，gyxx）、住宅區墻角（3個方向上有遮擋，xqqj）、住宅區廣場中心（遮擋低高度角衛星，gczx）、住宅區廣場一側（一個方向有高樓遮擋，gcyc）、“T”型路口（“T”型窗口信號，txlk）、玉龍湖邊（水面多路徑，ylhb）、玉龍湖橋邊（水面多路徑，ylqb）和高架橋下（2個方向加天頂方向有遮擋，gjqx）。數據處理采用的精密衛星軌道與鐘差、廣播星歷和碼偏差產品等均從國際GNSS服務（International GNSS Service, IGS）官網下載。利用對流層延遲參數約束時，對流層延遲參數采用由GOP提供的產品。數據處理策略如表1所示。

表1 數據處理策略

2.2 結果與分析

為分析復雜環境下GPS/BDS組合PPP定位性能，分別在GPS單系統和GPS/BDS組合條件下處理按小時分段的觀測數據，并將對應歷元定位誤差求標準差（standard deviation, STD）。以txlk測站為例，GPS單系統、GPS/BDS組合定位誤差STD統計分別如圖1和圖2所示。從圖1和圖2中可以看出，txlk測站GPS/BDS組合較GPS單系統定位誤差STD序列更平滑，定位性能更好，且方向定位性能提高顯著。對txlk測站GPS單系統及GPS/BDS組合測站環境進行分析，GPS單系統下可觀測衛星數平均為5顆，GPS/BDS組合下可觀測衛星數平均為9顆，GPS/BDS組合定位性能優于GPS單系統，主要歸因于BDS的

加入增加了可用衛星數目，增強了幾何構型。

圖1 GPS單系統定位誤差STD統計

圖2 GPS/BDS組合定位誤差STD統計

將靜態數據分段處理以STD 1 h內收斂至 15 cm為參考，統計PPP收斂時間和收斂后定位精度，并統計各測站觀測環境，GPS單系統和GPS/BDS組合定位結果統計分別如表2和表3所示。根據各測站觀測環境進行分類，定義gczx、ylhb和ylqb觀測環境為一般復雜，gcyc、gyxx和txlk觀測環境為較為復雜，gjqx和xqqj觀測環境為特別復雜。從表2和表3中可以得出，一般復雜環境下以ylqb為例，和方向收斂時間分別縮短57%、61 %，方向收斂時間不變；和方向定位精度分別提高50 %、28 %和32 %；較復雜環境下以gyxx為例，和方向均從未收斂至收斂；特別復雜環境下以gjqx測站為例，1 h內無法收斂至參考精度，對GPS/BDS組合下gjqx測站環境進行分析，發現位置精度強弱度（position dilution of precision, PDOP）值為3.9，衛星中斷頻繁，測站上空衛星分布情況為東北至西南方向僅能觀測到低高度角衛星（高架橋遮擋），多路徑效應均方根(root mean square, RMS）為0.404 m，不適合GNSS靜態測量。因此，GPS/BDS組合與GPS單系統相比，一般復雜環境下，定位性能明顯提升，較復雜環境下定位性能顯著提升。

表2 GPS單系統定位結果統計

表3 GPS/BDS組合定位結果統計

利用GOP提供的對流層延遲參數約束進行GPS/BDS組合PPP，仍以定位誤差STD 1 h內收斂至15 cm為參考，PPP收斂時間和收斂后定位精度統計結果如表4所示。對比表3和表4可知，利用GOP提供的對流層延遲參數約束與模型改正加估計相比較，一般復雜環境下以ylhb為例，和方向收斂時間分別縮短6 %、12 %和65 %；和方向定位精度基本一致，方向定位精度提高41 %；較復雜環境下以gcyc為例，和方向收斂時間分別縮短20 %和8 %，方向收斂時間由不收斂至收斂時間為29 min；和方向定位精度基本一致；方向定位精度由不收斂至收斂到0.064 m。因此，GPS/BDS組合情況下，利用GOP提供的對流層延遲參數約束，和方向收斂時間均有縮短，其中方向最明顯；和方向定位精度基本一致，方向定位精度明顯提高。

表4 對流層延遲參數約束GPS/BDS組合定位結果統計

3 結束語

為解決復雜環境下GPS單系統PPP定位性能較差的問題，分別利用GPS單系統和GPS/BDS組合PPP處理不同復雜環境采集的8 h靜態觀測數據。另外分析GPS/BDS組合情況下，利用GOP提供的對流層延遲參數約束對定位性能的影響。研究表明：復雜環境下GPS/BDS組合PPP定位性能較GPS單系統更優，主要歸因于BDS的加入增加了可用衛星數目，增強了幾何構型；利用GOP提供的對流層延遲參數約束，可進一步提高復雜環境下PPP的定位性能，其中方向定位性能提升顯著。

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Performance analysis of GPS/BDS combined PPP positioning under complex environment

XU Zongqiu1, HAN Pengtao1, DING Xinzhan1, XU Yantian2

（1. School of Geomatics of Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China;2. Chinese Academy of Surveying and Mapping Science, Beijing 100830, China）

Aiming at the problem that the positioning performance of GPS single system PPP under complex environment is poor and even out-of-work, the paper proposed a method that uses GPS/BDS combination and tropospheric delay parameter constraints to improve the positioning performance. The 8-hour static observation data collected under different complex environments were processed in different time intervals. Result showed that the positioning performance of GPS/BDS combination would be much better than that of GPS single system under complex environment, and the use of GOP tropospheric delay parameter constraints could further improve the positioning performance ofdirection.

global positioning system/BeiDou navigation satellite system (GPS/BDS); complex environment; precise single point positioning; positioning performance; tropospheric delay

P228

A

2095-4999(2019)04-0056-04

徐宗秋，韓澎濤，丁新展，等.復雜環境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析[J].導航定位學報,2019,7(4): 56-59.（XU Zongqiu， HAN Pengtao， DING Xinzhan， et al.Performance analysis of GPS/BDS combined PPP positioning under complex environment[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 56-59.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190410.

2019-01-26

資金項目：中國電子科技集團公司第五十四研究所項目（KX162600035）。

徐宗秋（1985—），男，吉林樺甸人，博士，講師，研究方向為GNSS數據處理與應用。

韓澎濤（1995—），男，遼寧盤錦人，碩士生，研究方向為空間大地測量數據處理。