北斗觀測數(shù)據(jù)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(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是具有自主知識產(chǎn)權(quán),我國自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng),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(xiàn)已成功發(fā)射54顆衛(wèi)星,其中北斗三號衛(wèi)星29顆,已從服務于亞太區(qū)域逐步向服務全球轉(zhuǎn)變,服務能力和水平不斷提升。BDS在定位領(lǐng)域應用廣泛,目前與定位相關(guān)的研究非常多,主要集中在單點定位領(lǐng)域[1-3],精度可達cm級。然而,在高精度位置服務領(lǐng)域（如區(qū)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(qū)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(wèi)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(tǒng)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(lián)合研發(fā)的GAMIT/GLOBK（Version 10.70）[4-5]軟件采用雙差模式定位,不僅數(shù)據(jù)處理精度高,而且開放源代碼,使用者可根據(jù)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(wèi)星觀測數(shù)據(jù)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(xiàn)）,解算命令中必須聲明“C”、“G”、“R”等關(guān)鍵字,分別表示解算BDS、GPS、GLONASS數(shù)據(jù),關(guān)鍵字缺省則自動解算GPS數(shù)據(jù)。解算BDS或GLONASS數(shù)據(jù)時,除注意聲明關(guān)鍵字外,還要采用包含BDS或GLONASS衛(wèi)星信息的精密星歷、導航文件、衛(wèi)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(chǎn)機構(gòu)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(chǎn)出北斗三號衛(wèi)星精密星歷產(chǎn)品；福建省衛(wèi)星導航定位服務參考站（FJCORS）目前還不能接收北斗三號衛(wèi)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(shù)據(jù),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(shù)據(jù)進行高精度定位等應用提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與解算方法

本文采用的數(shù)據(jù)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(wèi)星軌道的單日松弛解,解算命令中聲明“C”關(guān)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(shù)相似變換,將基準站坐標轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù),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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(huán)境變化以及不同站的觀測環(huán)境差異所導致的。統(tǒng)計所有基準站的時序解發(fā)現(xiàn),坐標水平方向（N、E分量）的變化量主要在10.0 mm以內(nèi),垂直方向（U分量）的變化量主要在20.0 mm以內(nèi)；水平方向的單時段內(nèi)符合精度均優(yōu)于7.0 mm,垂直方向的單時段內(nèi)符合精度均優(yōu)于20.0 mm。

圖1 BDS單時段解算的坐標和中誤差序列

構(gòu)建和維持測繪基準框架往往需要解算多個時段的觀測數(shù)據(jù),以保證框架的精度。因此,本文對15個時段的觀測數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)符合精度均優(yōu)于3.8 mm,平均內(nèi)符合精度優(yōu)于2.7 mm,表明BDS定位能達到較高的內(nèi)符合精度。

表2 BDS多時段平均解的內(nèi)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理中心解算成果。BDS定位成果與GPS定位成果的較差統(tǒng)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(yōu)于±15.5 mm,誤差均值優(yōu)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(tǒng)計表/mm

3 結(jié) 語

本文采用GAMIT/GLOBK軟件處理BDS觀測數(shù)據(jù),獲得了CGCS2000坐標系成果。檢驗結(jié)果表明,BDS定位的內(nèi)符合精度能達到mm級；同時,以現(xiàn)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(shù)據(jù)可獲得準確可靠的高精度定位成果。盡管上述結(jié)論是在處理福建省域BDS觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到的,但對于全國甚至亞太區(qū)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(shù)據(jù)獲取高精度定位成果,或融合處理BDS、GPS、GLONASS等多種衛(wèi)星觀測資料,從而提供更加優(yōu)質(zhì)的高精度位置服務。