GPS/QZSS在亞太地區實時相對定位性能分析

宗 堯 賀凱飛 李 明 富 裕

1 中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院,青島市長江西路66號,266580

GNSS具有全天候、全天時、高精度等優勢,然而在城市、峽谷等復雜環境下,衛星信號極易受高建筑物的遮擋,導致單系統導航定位精度大幅下降。日本準天頂衛星系統QZSS具有3顆高傾角軌道衛星,且至少有1顆衛星能位于日本的天頂附近(衛星高度角大于60°),因此將QZSS與其他GNSS系統進行組合可以在一定程度上解決亞太地區定位精度不理想的問題。QZSS與其他GNSS系統的組合定位研究較多[1-4],但這些研究主要集中在精密單點定位和事后處理方面,針對實時相對定位的研究較少。本文從實時數據質量、實時相對定位性能等方面對GPS和QZSS組合系統在亞太地區的定位精度進行評估。

1 QZSS簡介

QZSS衛星系統目前由3顆 IGSO衛星和1顆GEO衛星構成,IGSO衛星的軌道傾角較大,具有相同的不對稱“8”字型星下點軌跡,其覆蓋范圍包括日本及東亞地區和大洋洲地區[1-4]。QZSS衛星在北半球運行時間比南半球長,可以確保日本境內在任何時間至少能接收到1顆QZSS衛星信號;同時,QZSS衛星以高衛星高度角過境日本,極大地削弱了高障礙物對導航信號的遮擋[5]。QZSS與GPS有較高的兼容性與互操作性,且有相同的時間系統,QZSS系統采用的JGS(Japan satellite navigation geodetic system)坐標系與GPS系統的WGS-84坐標系之間差異很小,在普通的導航定位中可忽略不計[1-4]。

2 GPS/QZSS組合相對定位原理

TrackRT采用逐歷元解算的相對定位模式,實時數據處理策略如表1所示。相對定位解算的主要觀測量是載波相位雙差觀測量,其在解算過程中消除了大部分的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差和電離層延遲等誤差。GPS和QZSS衛星L1、L2、L5具有相同的頻率,設G和J分別代表GPS和QZSS衛星,GPS和QZSS組合相對定位的雙差觀測方程為:

表1 TrackRT實時數據處理策略

(1)

(2)

3 定位性能評估

3.1 數據來源

為滿足定位的實時性要求,德國聯邦制圖和大地測量局(BKG)開發了基于互聯網的RTCM網絡傳輸協議(networked transport of RTCM via internet protocol, NTRIP),并編制相應軟件BNC,用于解決GNSS觀測數據的實時傳輸和解碼問題,可實時接收到GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS等觀測數據。本文使用QZSS官網提供的包含GPS和QZSS的超快速精密星歷,其預報軌道精度約為5 cm,基本滿足高精度解算的要求。

為充分評估QZSS在亞太地區的定位性能,選取8個具有代表性的測站組成4組不同長度的基線,其中,WUH2和JFNG站位于中國,基線長度約為12.9 km,為中長基線,用于評估除日本以外的東亞地區的定位性能;ISHI和TSK2站位于日本,基線長度約為16.5 km,為中長基線,用于評估日本境內的定位性能;PERT和CUT0站位于澳大利亞西部,基線長度約為22.4 km,為中長基線;STR1和TID1站位于澳大利亞東部,基線長度約為9.6km,為短基線,用于評估亞太地區南部的定位性能。

3.2 實時數據質量分析

首先從可見衛星數、PDOP、多路徑誤差、信噪比等方面對GPS/QZSS數據質量展開分析[6]。

3.2.1 GPS/QZSS衛星可見性和PDOP分析

由表2可知,平均可觀測到的GPS衛星數在10顆左右,QZSS系統的4顆衛星基本均可觀測到。8個測站的觀測數據質量均較好,QZSS數據基本全部利用。

表2 數據質量分析結果

在衛星數一定時,衛星的空間幾何分布直接關系到定位的精度和可靠性,一般采用PDOP來衡量衛星空間幾何分布的優劣[7]。圖1～2給出觀測時段部分測站單GPS和GPS/QZSS組合的可見衛星數及PDOP值變化趨勢。可以看出,在各測站4顆QZSS衛星基本全天可見,且可見衛星時長明顯大于GPS衛星;雙系統組合后,4個測站的PDOP最大值分別為1.75、4.86、3.83和2.25。綜合分析可以得出,GPS+QZSS組合后的可見衛星數和PDOP值較GPS單系統分別提升24.3%和11.0%以上,有利于提高定位的可靠性和精度。

圖1 各測站可見衛星數時間序列

圖2 各測站PDOP值時間序列

3.2.2 多路徑效應分析

從表2可見,多路徑誤差最大值出現在CUT0站,為46.8 cm,其余測站均低于25 cm。總體來說,QZSS的3個頻段的多路徑誤差均比GPS小。為進一步分析GPS和QZSS衛星的多路徑效應,在4條基線中各選1個測站進行分析,圖3給出了STR1、CUT0、WUH2和TSK2站觀測時段GPS/QZSS衛星3個頻點多路徑效應與高度角的關系。可以看出,3個頻點的多路徑效應均隨高度角的增大而減小;在相同高度角的情況下,4個測站GPS衛星對應頻點的多路徑效應均比QZSS衛星的大。

圖3 GPS/QZSS衛星多路徑效應與高度角的關系

3.2.3 信噪比分析

圖4給出STR1、CUT0、WUH2和TSK2站觀測時段GPS/QZSS衛星3個頻點信噪比與高度角的關系。可以看出,4個測站GPS和QZSS衛星3個頻點的信噪比基本都隨高度角增大而增大,但在STR1站QZSS衛星卻呈現相反趨勢;在STR1站,QZSS衛星3個頻點的信噪比均高于GPS衛星;除STR1站GPS衛星L2和L5頻點外,GPS和QZSS衛星的3個頻點信噪比均大于38 dB。

圖4 GPS/QZSS衛星信噪比與高度角的關系

3.3 實時相對定位精度分析

分別在GPS、GPS+QZSS兩種定位模式下分析前述4條基線的實時相對定位精度,由于單QZSS系統的衛星數較少,不參與單獨解算。采用IGS公布的精確坐標作為參考值計算定位誤差,結果如圖5所示。

圖5 實時相對定位時間序列

從圖5看出,STR1-TID1短基線單GPS系統在N、E方向上的定位誤差在0.02 m以內,U方向誤差在0.05 m以內,但存在周期性波動,其原因一方面與PDOP值的變化有關,另一方面與使用的超快速精密星歷精度有關。GPS+QZSS組合后在N、E、U方向上的誤差較單GPS系統有所提升。PERT-CUT0中長基線收斂后,單GPS系統的N、E方向誤差在0.05 m以內,U方向誤差在0.10 m以內。GPS+QZSS組合后的各方向定位誤差小于單GPS系統,且收斂時間更短。WUH2-JFNG中長基線收斂后,單GPS系統的N、E方向誤差在0.06 m以內,U方向誤差在0.10 m以內,在4條基線中定位精度最差,這與測站的位置和觀測時段有關。GPS+QZSS組合后,各方向定位誤差均比單GPS系統有較大改善,且收斂時間明顯變短。ISHI-TSK2中長基線收斂后,單GPS系統的N、E方向誤差在0.08 m以內,U方向誤差在0.09 m以內。GPS+QZSS組合后的N、E方向誤差在0.02 m以內,U方向誤差在0.04 m以內,定位誤差明顯小于單GPS系統,且收斂時間明顯快于單GPS系統。由此可見,QZSS衛星對日本及周邊地區的定位性能要好于其他地區。

表3是各基線定位誤差RMS值統計結果。從表3可知,STR1-TID1短基線GPS+QZSS組合較單GPS系統在N、E、U方向的RMS差異不大,分別提升6.9%、16.4%和12.1%;PERT-CUT0中長基線GPS+QZSS組合較單GPS系統在N、E、U方向定位偏差分別提升15.0%、69.5%和18.0%;WUH2-JFNG中長基線GPS+QZSS組合較單GPS系統在N、E、U方向定位偏差分別提升54.6%、29.3%和42.5%;ISHI-TSK2中長基線GPS+QZSS組合較單GPS系統在N、E、U方向定位偏差分別提升78.2%、75.3%和58.3%。綜上,QZSS衛星對日本及周邊地區的定位精度提升明顯。

表3 不同基線定位誤差RMS

4 結 語

本文在亞太地區選擇一些具有代表性的測站,分別從衛星可見性、PDOP值、多路徑誤差、信噪比和實時相對定位精度等方面評估和分析GPS/QZSS系統在亞太地區的定位性能。結果表明,目前在亞太地區,尤其在日本及周邊地區,相比單系統定位,QZSS與GPS系統組合后,可見衛星數增加,衛星幾何構型更好,在N、E、U方向上定位精度均有提升。