基于BDS的雙系統(tǒng)組合單點(diǎn)定位優(yōu)勢(shì)分析驗(yàn)證

萬芹江?張玉珍?胡永　張夢(mèng)雨

摘要：為了分析驗(yàn)證基于BDS雙系統(tǒng)組合的單點(diǎn)定位的優(yōu)勢(shì)，利用多模接收器進(jìn)行不同組合模式下的靜/動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)穩(wěn)定性、內(nèi)符合精度、可見衛(wèi)星數(shù)、DOP值、信噪比的分析得出基于BDS的雙系統(tǒng)對(duì)定位精度的影響。結(jié)果表明：GPS/BDS組合定位相較于GPS單系統(tǒng)在衛(wèi)星可見數(shù)、DOP值具有明顯的優(yōu)勢(shì)；在建筑密集區(qū)、樹木茂盛地區(qū)等多路徑效應(yīng)強(qiáng)烈地區(qū)，GPS/BDS的組合定位比GPS/GLONASS組合定位在精度上有所改善，證實(shí)了基于BDS雙系統(tǒng)組合的定位優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際工作中定位組合的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：組合定位；BDS；可見衛(wèi)星數(shù)；多路徑效應(yīng)

一、前言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)礦產(chǎn)油氣等資源的需求大幅度提高，同時(shí)面對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查工作在技術(shù)上的限制，供需形式日益嚴(yán)峻[1]。近年來，我國持續(xù)加強(qiáng)科技攻關(guān)，在航空、電子信息、量子通信等方面取得了一系列突破性進(jìn)展。新時(shí)代，采用新方法、利用新技術(shù)提升地質(zhì)調(diào)查工作效率，在新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)中被賦予了重要使命。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是由我國自主研制的具有快速定位、短報(bào)文通信和精密授時(shí)三大主要功能的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的使用提高了數(shù)據(jù)的安全保密性，極大地減少了在關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)饧夹g(shù)的依賴[2]，自提供服務(wù)以來廣泛地被運(yùn)用在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、變形監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等方面。

2022年11月中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《新時(shí)代的中國北斗》白皮書中指出，我國將持續(xù)推進(jìn)北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容與互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的共同發(fā)展[3]。手持定位接收器具有體積小、便攜、獨(dú)立使用、操作簡單等特點(diǎn)，在地質(zhì)調(diào)查定點(diǎn)、校正、更新數(shù)據(jù)等方面被廣泛應(yīng)用。隨著我國技術(shù)的不斷成熟、北斗全球系統(tǒng)的成功組網(wǎng)，研究以BDS為中心的組合定位性能優(yōu)勢(shì)具有重要意義。本文通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分別研究了基于BDS的組合定位和GPS/GLONASS組合定位在不同環(huán)境條件下的定位優(yōu)勢(shì)。

二、靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

（一）穩(wěn)定性分析

傳播路徑、儀器精確程度、天線接收狀態(tài)等因素會(huì)影響儀器的定位精度，為了盡可能減少上述因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，需要對(duì)儀器進(jìn)行穩(wěn)定性分析[4]，本文所討論的穩(wěn)定性分析主要包括觀測(cè)值穩(wěn)定和內(nèi)符合精度。

1.觀測(cè)值穩(wěn)定

在本次實(shí)驗(yàn)中，采用冰河610手持定位器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，選擇GPS/BDS組合和GPS/GLONASS組合定位，在同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，每60s記錄一次觀測(cè)結(jié)果，記錄結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，在傳播路徑、天線接收狀態(tài)相同的情況下，GPS/BDS組合在1個(gè)測(cè)點(diǎn)上持續(xù)觀測(cè)4—5min以上的時(shí)長時(shí)，其觀測(cè)結(jié)果才基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而GPS/GLONASS組合在1個(gè)測(cè)點(diǎn)上持續(xù)觀測(cè)2—3min以上的時(shí)長時(shí)，其觀測(cè)結(jié)果基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中，GPS/BDS組合和GPS/GLONASS組合在開闊地區(qū)儀器測(cè)定的互差最大值大致在2m以內(nèi)。而在樹林茂盛的遮蔽地區(qū)GPS/BDS組合和GPS/GLONASS組合各自測(cè)定的互差最大值大致在4m以內(nèi)。

2.內(nèi)符合精度

本文通過對(duì)同一測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)段的重復(fù)觀測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來研究該儀器的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中，按照計(jì)算公式：

式中，s'為相同環(huán)境下同一測(cè)點(diǎn)、相同觀測(cè)時(shí)長、不同觀測(cè)時(shí)段的較差，n表示較差個(gè)數(shù)。

對(duì)GPS/BDS與GPS/GLONASS兩種組合下，0min、5min、10min三種定位時(shí)長所觀測(cè)的結(jié)果求差。考慮到多路徑效應(yīng)是影響定位精度的重要因素之一，在計(jì)算穩(wěn)定度時(shí)剔除該數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，GPS/BDS組合0min定位穩(wěn)定度比10min定位穩(wěn)定度低，且該差異在茂盛地區(qū)更明顯；茂盛地區(qū)GPS/GLONASS組合0min與10min定位穩(wěn)定度的差值最大，5min定位穩(wěn)定度與10min定位穩(wěn)定度可以看作相同。

（二）衛(wèi)星可見性分析

2022年10月26日，在四川省樂山市某地區(qū)采用單頻多模接收器觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星可見性如圖1所示。

接收器在靜態(tài)定位下，GPS/BDS組合定位所需穩(wěn)定時(shí)間更長，而可見衛(wèi)星數(shù)大都多于GPS/GLONASS組合。

（三）DOP值分析

GPS/BDS、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)與單GPS系統(tǒng)相比，可見衛(wèi)星數(shù)更多、對(duì)應(yīng)DOP值相對(duì)較小。DOP值等級(jí)分布如表3所示。

由圖2、表3所示，不同環(huán)境、不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位下的DOP值各不相同。在開闊地區(qū)，GPS的HDOP平均值為0.9；GPS/BDS組合的HDOP平均值為0.8；GPS/GLONASS組合的HDOP平均值為0.76。在多路徑效應(yīng)強(qiáng)烈地區(qū)，GPS/BDS組合的HDOP平均值為0.78；GPS/GLONASS組合的HDOP平均值為0.77。綜上，單GPS系統(tǒng)相較GPS/BDS、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)在HDOP值方面較差，寬闊地區(qū)GPS/GLONASS相對(duì)而言較穩(wěn)定，而多路徑效應(yīng)強(qiáng)烈地區(qū)GPS/BDS更穩(wěn)定。

三、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析

（一）衛(wèi)星可見性分析

為了驗(yàn)證不同組合系統(tǒng)在實(shí)際工作下的可見衛(wèi)星數(shù)及精度分布，實(shí)驗(yàn)選取了環(huán)境路況復(fù)雜的地區(qū)，在東經(jīng)103°27′40″至103°28′23″、北緯29°34′17″至29°34′30″范圍內(nèi)開展觀測(cè)工作。由圖3可見，在觀測(cè)區(qū)內(nèi)GPS/BDS組合系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)優(yōu)于GPS/GLONASS組合系統(tǒng)，且BDS的可見衛(wèi)星數(shù)不少于6顆，定位能力更強(qiáng)。

（二）DOP值分析

靜態(tài)下組合系統(tǒng)的HDOP波動(dòng)隨多路徑效應(yīng)表現(xiàn)不同，圖4給出了動(dòng)態(tài)下，GPS/BDS、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)的HDOP值的波動(dòng)情況。GPS/BDS的HDOP平均值為0.88，GPS/GLONASS的HDOP平均值為0.77，GPS/BDS組合系統(tǒng)波動(dòng)較大，但又均處于理想狀態(tài)。相較于靜態(tài)的HDOP值，GPS/BDS組合波動(dòng)的最大最小值小于GPS/GLONASS組合波動(dòng)。

（三）信噪比

除了衛(wèi)星數(shù)量和分布位置、地形差異、多路徑效應(yīng)等對(duì)定位誤差有直接的影響，接收器運(yùn)行狀態(tài)、天線增益在信號(hào)傳輸接收過程中的變化也在一定程度上影響了定位精度。信噪比作為可以反映接收器接收衛(wèi)星質(zhì)量好壞的電子信號(hào)，當(dāng)多路徑效應(yīng)強(qiáng)烈或接收儀器狀態(tài)不良時(shí)，比值越小、觀測(cè)誤差變大。

圖5給出了動(dòng)態(tài)定位試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)上的信噪比的變化情況。由圖可見，6號(hào)、8號(hào)測(cè)點(diǎn)即使GPS/BDS組合平均信噪比小于GPS/GLONASS組合，在可見衛(wèi)星數(shù)方面GPS/BDS組合卻多于GPS/GLONASS組合，表現(xiàn)出的定位精度和HDOP值也截然不同。廖陽[5]研究了信噪比與高度角的關(guān)系，結(jié)果表明在進(jìn)行接收器的設(shè)置時(shí)需要考慮高度角。因此，在后續(xù)研究中還需要對(duì)影響定位精度的其他因子進(jìn)行分析和計(jì)算，而后再根據(jù)不同要求設(shè)計(jì)不同觀測(cè)方式、儀器設(shè)置的方案。

四、結(jié)語

本文通過GPS單系統(tǒng)、GPS/BDS和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，研究驗(yàn)證了GPS/BDS組合系統(tǒng)相較于單GPS系統(tǒng)和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)的定位優(yōu)勢(shì)，分析發(fā)現(xiàn)：在我國南方地區(qū)，組合系統(tǒng)定位性能比單GPS系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，GPS/BDS組合系統(tǒng)在穩(wěn)定性、多路徑效應(yīng)等方面優(yōu)于GPS/GLONASS組合系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)偏差、芯片接收信號(hào)有限以及不同高度截止角對(duì)定位精度的影響，本實(shí)驗(yàn)中的GPS/BDS組合與GPS/GLONASS組合并無絕對(duì)的優(yōu)劣。對(duì)基于BDS的雙系統(tǒng)組合定位的研究還需要通過優(yōu)化芯片、儀器性能，提高儀器接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量再進(jìn)行更深一步的設(shè)計(jì)與分析。

參考文獻(xiàn)

[1]李志忠，汪大明，何凱濤，等.北斗系統(tǒng)在野外地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2014（10）：42-45.

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[5]廖陽.GNSS多系統(tǒng)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2022，45（2）：100-102.

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)2022年自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于北斗系統(tǒng)定位芯片在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用”（課題編號(hào)：S202210994018）

作者單位：萬芹江、胡永、張夢(mèng)雨，新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院；張玉珍，新疆工程學(xué)院教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控中心；胡永，新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)