北斗系統定位性能分析

肖琴琴，姜 迪, ，寧黎虎，祝 青

(1. 湖南城市學院 a. 市政與測繪工程學院；b. 信息與電子工程學院，湖南 益陽 413000；2. 長沙市中智信息技術開發有限公司，長沙 410215；3. 湖南省有色地質勘查研究院，長沙 410000)

北斗系統是我國基于國家安全和經濟社會發展的需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，能為全球用戶提供全天候、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施[1]﹒隨著北斗系統建設和服務能力的發展，相關產品已廣泛應用于各個領域，逐步滲透到人類社會生產和人們生活的方方面面，為全球經濟和社會發展注入了新的活力﹒為使BDS 的應用和發展能更好更快地推進，不斷提高和增強我國定位服務和導航產業自主創新能力，嚴格按照我國的相關技術規范要求，我國制定了導航與位置服務科技發展“十二五”專項規劃，并得到穩步實行[2-9]﹒規劃中，促進北斗導航系統應用與產業化，完善自主的導航與位置服務產業鏈，形成自主可控的導航與位置服務能力，全面提升我國導航與位置服務產業核心競爭力等的提出大大激勵了我國北斗系統的 發展和完善[10-15]﹒如今，在中國及周邊國家地區，BDS 的服務性能和GPS 基本上差不多，但由于BDS 系統組網時間較短，其定位性能和導航性能仍然留有部分空白，其定位精度還有待進一步驗證，對于BDS 的“GEO+IGSO+MEO”星座定位性能也有待進一步探究[16-20]﹒目前，北斗系統處于第三代階段，已建設成世界一流的衛星導航系統，正向北斗全球系統邁進﹒GPS 作為歷史悠久的衛星系統，可以作為北斗發展的一個參考﹒

在BDS 測量尤其是在動態數據采集過程中，經常會發生數據缺失的情況﹒數據的不完全會影響數據處理的效果，降低定位的精度﹒因此，對BDS 不完全數據的定位情況作分析有一定的實際意義﹒

1 靜態定位研究

本文通過采用編號為M5-962812 的測地型華測GNSS 接收機，在湖南省益陽市滄水鋪鎮鳳家塘采集了2019-04-22，14∶55―16∶59 之間的靜態觀測數據，采樣間隔為10 s﹒現以該數據為例進行精度分析﹒

1.1 靜態定位研究地點

本文研究選取位于益陽市東南部滄水鋪鎮鳳家塘的GPS 國家C 級點(見圖1)進行靜態單點定位觀測﹒

圖1 靜態單點定位選點

1.2 靜態成果處理

實驗分為4 種情況進行分析：1)北斗系統中的3 種衛星都用于定位；2)缺失GEO 衛星情況下的定位；3)缺失IGSO 衛星情況下的定位；4)缺失MEO 衛星情況下的定位﹒首先，將外業觀測獲取的數據在RTKLIB 軟件中進行處理[6]，對完整數據分別進行GEO，IGSO 和MEO 衛星數據的剔除處理[5]；然后，將處理后的數據進行pos 文件輸出，獲得相應的測量坐標文件；而后將4 種情況下的測量坐標與已知點值進行對比，求得其在XYZ 坐標系各方向上偏差的均方根(RMS)，如表1所示﹒由表1 可知：在缺失GEO 衛星的情況下，三維點位精度下降了1.36%；在缺失IGSO 衛星的情況下，三維點位精度下降了6.00%；在缺失MEO 衛星情況下，三維點位精度下降了6.42%﹒

表1 XYZ 方向上的偏移對比分析 m

1.3 靜態成果分析和總結

通過實驗對BDS 在缺失不同類型衛星情況下的單點定位精度進行統計分析，得出：缺失MEO 衛星和缺失IGSO 衛星比缺失GEO 衛星的情況下點位精度下降明顯﹒由此可看出MEO 衛星和IGSO 衛星在BDS 系統定位中占主導作用，且其比GEO 衛星對定位精度的影響程度大，主要是由于前兩者的信號強度優于后者的信號﹒

2 動態定位研究

在進行靜態實驗之后，又對BDS 進行了動態實 驗， 時 間 分 別 為 2019-04-18( 晴 天) ，2019-05-20(陰雨天)和2019-05-22(夜間)，使用的接收機仍為華測編號為M5-962812 的測地型GNSS 接收機，使用手扶式測量桿，見圖2﹒接收機同時接收GPS 和BDS 雙系統[3]的數據，采樣間隔為5 s﹒測量路線為從湖南城市學院新校區第17 棟學生公寓樓出發沿著書城南路，經過湖南城市學院新校區南門后向西沿迎賓東路觀測，到達迎賓東路和團圓南路路口后，穿越斑馬線向東沿著碧桂園小區觀測﹒觀測路線中存在GNSS 信號被遮擋的路段，例如枝葉繁茂的書城南路，高樓林立的碧桂園小區，也存在GNSS 信號遮擋較少較為空曠的路段，比如人行道和城市學院新校區南門口停車場﹒下文將對以上路段進行分析﹒

圖2 動態單點定位路線設計

2.1 動態成果處理

本文分別選擇在陰雨天、晴天及夜間3 種情況下進行動態觀測，而后將BDS 和GPS 定位坐標結果整張圖用谷歌地球顯示，如圖3 所示﹒圖3 中圓點路線表示BDS 點位；三角形路線表示GPS 點位﹒

圖3 動態實驗3 種定位方式點位比較

在開闊地帶，GPS 定位結果與BDS 結果相差不大﹒如在湖南城市學院銀城路和南門人行道附近，因附近鮮有樹木遮擋，且無高大建筑物，衛星的接收情況較好，見圖4﹒GPS 和BDS 的定位精度不相上下，基本符合路線的實際位置﹒為了更清晰地突顯區別，本文選取部分路段進行放大顯示，見圖5，其中，圓點路線表示BDS 點位；三角形路線表示GPS 點位﹒

圖4 開闊地帶的跟蹤衛星圖

圖5 開闊地帶點位比較

在信號遮擋比較嚴重地帶，GPS 定位結果優于BDS 結果﹒如在湖南城市學院書城南路附近，樹木茂密信號被遮擋；在碧桂園別墅區，因四周有高層建筑遮擋，BDS 信號缺失均較為嚴重，衛星[4]數量較少，見圖6 和圖7﹒BDS 定位精度不如GPS，點位出現明顯偏移，見圖8 和圖9，圓點路線表示BDS 點位；三角形路線表示GPS 點位﹒

圖6 有茂密樹木遮擋地帶的跟蹤衛星圖

圖7 有高層建筑遮擋地帶的跟蹤衛星圖

圖8 有茂密樹木遮擋地帶

為了突顯不同觀測環境下BDS 定位的區別，本文選取了一段空曠地區的晴天、陰雨天、夜間 BDS 點位觀測圖，如圖10 所示﹒該圖通過GOOGLE 軟件成圖得到，由圖可較為直觀地發現，在陰雨天BDS 定位精度不如晴天和夜間﹒

圖9 有高層建筑遮擋地帶點位比較

圖10 不同天氣點位比較

2.2 動態成果分析和總結

根據實驗情況及結果，分析得出：1)在開闊地帶，GPS 與BDS 定位結果相差不大；在信號遮擋比較嚴重地帶，BDS 定位結果差于GPS﹒原因是BDS 發展時間較短，還有部分衛星尚未發射，衛星星座不完整，數據處理能力、抗干擾能力[9]等有待進一步提升，加上BDS 衛星星座與GPS有差異，使BDS 衛星的接收數量較少﹒而GPS經過數十年發展，不僅衛星星座完整，而且對于數據缺失情況的處理也比BDS更加完善﹒2)天氣對于BDS 定位性能存在一定影響﹒在陰雨天BDS 明顯存在數據的缺失，觀測信號不如晴天和夜間﹒主要是由于陰雨天時云層較厚，會削弱和干擾BDS 信號的傳輸﹒

3 結論

1)BDS 系統中的MEO 衛星和IGSO 衛星的定位精度較GEO 衛星更高﹒

2)在視野開闊地帶，BDS 與GPS 的定位結果相差不大；在信號遮擋比較嚴重地帶，BDS 定位結果差于GPS﹒

3)觀測環境對于BDS定位性能存在一定的影響﹒在陰雨天，BDS 觀測信號不如晴天和夜間，從而導致定位精度差于晴天和夜間﹒