北斗觀測數據高精度定位分析

劉艷春

（1.福建省測繪院,福建 福州 350003）

北斗衛星導航系統（BDS）是具有自主知識產權,我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統,能為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務,現已成功發射54顆衛星,其中北斗三號衛星29顆,已從服務于亞太區域逐步向服務全球轉變,服務能力和水平不斷提升。BDS在定位領域應用廣泛,目前與定位相關的研究非常多,主要集中在單點定位領域[1-3],精度可達cm級。然而,在高精度位置服務領域（如區域測繪基準框架建立與維持）,cm級的定位精度還不夠,因此探索其mm級定位精度勢在必行。

相對定位是區別于單點定位的另一種定位模式,其中以雙差模式最為常用。雙差模式可消除衛星鐘差和接收機鐘差的影響,還可明顯減弱軌道誤差、大氣折射誤差等系統性誤差的影響,是進行高精度GNSS定位的理想選擇。由美國麻省理工學院和斯克里普斯海洋研究所聯合研發的GAMIT/GLOBK（Version 10.70）[4-5]軟件采用雙差模式定位,不僅數據處理精度高,而且開放源代碼,使用者可根據需要進行源程序的修改。新版本的GAMIT軟件可獨立解算GPS、GLONASS、BDS三種衛星觀測數據中的一種,但不能進行組合解算（組合解算只能通過GLOBK平差實現）,解算命令中必須聲明“C”、“G”、“R”等關鍵字,分別表示解算BDS、GPS、GLONASS數據,關鍵字缺省則自動解算GPS數據。解算BDS或GLONASS數據時,除注意聲明關鍵字外,還要采用包含BDS或GLONASS衛星信息的精密星歷、導航文件、衛星偏航信息表和差分碼偏差表,其他所需的全球共用表文件與GPS相同。需要說明的是,目前BDS精密星歷的生產機構包括歐洲定軌中心（CODE）、德國地學研究中心和武漢大學,但均未產出北斗三號衛星精密星歷產品；福建省衛星導航定位服務參考站（FJCORS）目前還不能接收北斗三號衛星信號,這也是限制BDS定位精度提升的重要因素之一。

本文通過獨立解算BDS觀測數據,旨在探索BDS高精度解算方法,進而分析BDS高精度定位性能,為今后采用BDS觀測數據進行高精度定位等應用提供參考。

1 數據來源與解算方法

本文采用的數據來源于FJCORS,選取全省較均勻分布的22個BDS觀測基準站,其中包括7個2000國家大地坐標系（CGCS2000）坐標已知的國家基準站,觀測時段為2018年2月1日—2月15日,共計15 d。首先利用GAMIT解算基準站坐標和衛星軌道的單日松弛解,解算命令中聲明“C”關鍵字,主要解算策略如表1所示；然后利用GLOBK進行Kalman濾波,并通過七參數相似變換,將基準站坐標轉換為CGCS2000坐標,從而獲得CGCS2000坐標系成果。

表1 BDS解算主要策略

2 精度分析

2.1 內符合精度

本文采用上述解算策略,得到基準站BDS定位成果,包括單時段（單天）時序解和綜合多時段（多天）的平均解；以坐標中誤差作為檢驗成果內符合精度的指標,分別對單時段時序解和多時段平均解的中誤差進行分析。本文以LYYD基準站和QZHA基準站為例（圖1）,說明時序解和內符合精度的變化,橫向表示2018年年積日,即從2018年第1天開始累計的天數,縱向表示GAMIT/GLOBK中定義的NEU坐標系（即南北、東西、垂直三分量）,這種表示方法便于比較水平和垂直方向的坐標及其內符合精度變化；其中藍色圓圈表示坐標分量值,已通過保密處理,這里僅顯示坐標變化趨勢,紅色短豎線表示單時段解的中誤差。由圖1可知,對于單個基準站,其坐標時序及其內符合精度存在起伏變化；而從基準站之間的對比來看,坐標時序及其內符合精度的變化也有所差異,這主要是由基準站每天的觀測環境變化以及不同站的觀測環境差異所導致的。統計所有基準站的時序解發現,坐標水平方向（N、E分量）的變化量主要在10.0 mm以內,垂直方向（U分量）的變化量主要在20.0 mm以內；水平方向的單時段內符合精度均優于7.0 mm,垂直方向的單時段內符合精度均優于20.0 mm。

圖1 BDS單時段解算的坐標和中誤差序列

構建和維持測繪基準框架往往需要解算多個時段的觀測數據,以保證框架的精度。因此,本文對15個時段的觀測數據進行綜合處理,獲取了多時段的平均解算成果,以常用的地心空間直角坐標系表示。多時段平均解算成果的內符合精度如表2所示,不含已知的7個國家基準站坐標,可以看出,通過多時段觀測資料的綜合處理,BDS定位的內符合精度均優于3.8 mm,平均內符合精度優于2.7 mm,表明BDS定位能達到較高的內符合精度。

表2 BDS多時段平均解的內符合精度/mm

2.2 外符合精度

為檢驗BDS定位成果的準確度（即外符合精度）,本文將其與現有GPS定位成果進行對比分析, GPS定位成果主要來源于自然資源部大地測量數據處理中心解算成果。BDS定位成果與GPS定位成果的較差統計如表3所示,以地心空間直角坐標系表示,其中GPS定位成果為整月（30個時段）的平均值,BDS定位成果為15個時段的平均值,可以看出,若將GPS定位成果視為真值,則BDS定位成果的定位精度均優于±15.5 mm,誤差均值優于±5.1 mm,表明BDS定位成果具有較高的準確度。

表3 BDS定位成果與GPS定位成果的較差統計表/mm

3 結 語

本文采用GAMIT/GLOBK軟件處理BDS觀測數據,獲得了CGCS2000坐標系成果。檢驗結果表明,BDS定位的內符合精度能達到mm級；同時,以現有GPS成果作為參考,BDS定位的外符合精度也能達到mm級。因此,采用單純的BDS觀測數據可獲得準確可靠的高精度定位成果。盡管上述結論是在處理福建省域BDS觀測數據的基礎上得到的,但對于全國甚至亞太區域應用仍具有參考意義。因此,筆者建議推廣BDS高精度解算方法,利用純BDS數據獲取高精度定位成果,或融合處理BDS、GPS、GLONASS等多種衛星觀測資料,從而提供更加優質的高精度位置服務。