北斗二代导航系统与GPS精密单点定位精度的比较

陈让琛

广州海格通信集团股份有限公司510663

摘要：采用全球均匀分布MGEX（Multi-GNSSExperiment）站的观测数据，详细分析了北斗卫星导航系统（BDS）的卫星可见性、PDOP值分布，以及伪距单点定位精度，并将其结果与GPS和BDS+GPS组合系统进行了比较分析，讨论了不同定权方法对BDS+GPS组合系统定位精度的影响。试验结果表明，在全球大部分地区，GPS的定位性能优于北斗系统，在亚太中低纬度地区，BDS的定位精度与GPS相当甚至超过GPS；BDS+GPS组合系统的定位精度通常优于单一系统，但随机模型不准确也可能导致组合系统的定位精度不如单系统；Helmert方差分量估计可以在一定程度上提高组合定位精度。

关键词：北斗卫星导航系统（BDS）；卫星可见性；伪距单点定位；Helmert方差分量估计

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位系统，是继美国全球定位系统（ＧＰＳ）和俄罗斯ＧＬＯＮＡＳＳ之后第三个成熟的卫星导航系统。截止到２０１２年底，北斗卫星导航系统在轨工作卫星有５颗地球静止轨道（ＧＥＯ）卫星、４颗中地球轨道（ＭＥＯ）卫星和５颗倾斜地球同步轨道（ＩＧＳＯ）卫星。该系统已具备覆盖亚太地区的导航定位服务能力。随着北斗卫星导航定位系统建设进程的推进，国内外的学者从卫星钟差，对流层，多路径等相关误差开展研究，分析并改正了相关误差后，评估了北斗定位的精度。同时，近年来北斗在轨卫星数量逐渐增多，组合系统较之单系统在定位的准确性、可靠性、可用性等方面有明显的优势，不同系统观测卫星的组合导航将成为研究的一个方向本文主要介绍了北斗／ＧＰＳ系统组合单点定位的原理和模型，比较ＧＰＳ伪距、北斗伪距、北斗／ＧＰＳ组合伪距单点定位的精度。

1.北斗卫星精密定轨及精密单点定位

北斗卫星精密定轨选择BETS（BeiDouexperimentaltrackingstations）跟踪网来观测北斗/GPS双模数据，BETS各跟踪站网可同步观测到北斗/GPS两个不同系统的观测值，因此可以充分利用GPS数据实施地面站的精密定位和时间同步，然后进一步实施北斗卫星的精密定轨。北斗卫星的精密定轨策略如下：第一步，解算地面站的坐标、钟差和天顶对流层延迟ZTD参数；第二步，固定地面接收机钟差和ZTD参数，同时解算6个北斗卫星初始位置，卫星钟差，9个光压参数。此外，BETS跟踪网接收机同时接收了GPS和北斗卫星信号，从而也导致接收机在接收两种不同系统信号时产生的时间偏差。而接收机钟差是由GPS卫星观测量求出，因而在固定各站接收机钟差后计算北斗卫星轨道，还需对各个站估算卫星系统时间偏量。引用2011年的数据以三天为计算弧段进行北斗卫星精密定轨，计算弧段首尾重叠段（24h）形成连续一周的轨道差值（年积日245~251h），该段时间北斗系统工作卫星（C01，C04，C06，C07，C08）重叠差值统计精度如图1和2所示.图1为各重叠弧段工作卫星径向重叠精度，从该图可以看出径向精度可以达到10cm量级。而IGSO卫星（C06，C07，C08）较GEO卫星（C01，C04）高，这主要由GEO卫星静地的几何特性导致。图2为C06卫星各方向重叠精度，从该图可以看出C06各方向重叠精度均可以达到10~20cm的精度。

为分析北斗卫星系统高精度定位功能，并同时测试基于PANDA软件的北斗卫星精密轨道和卫星钟差产品，开展了基于北斗卫星系统的精密单点定位（PrecisionPointPositioning，PPP）应用研究。参考2011年9月1日~2011年9月5日（年积日244~248d）的BETS网实测数据，以单天24h为计算弧段进行BETS网跟踪站静态精密单点定位，估算包括跟踪站坐标（以伪距定位坐标为先验值，约束20m）、接收机钟差、对流层参数等参数。BETS网双模跟踪站高精度坐标可通过其GPS观测数据获取，因此北斗精密单点定位精度可通过直接与其高精度GPS定位的点位坐标比较进行评定。

2.北斗二代导航系统与GPS精密单点定位精度的评定

之前有专门的机构单位架设过测试站来收集数据进行过北斗和GPS精度的对比。如今，我们利用北斗/GPS双模接收机架设在经过标定的基准点上，相对于基准点的标准坐标进行对比。如图3和图4所示，在观察24小时的定位结果与基准点的坐标进行对比，单北斗定位时位置漂移相对比单GPS定位的情况下较为严重，而北斗/GPS组合定位时稳定度较单北斗时好。无论是北斗信号还是GPS信号，从北斗信号和GPS信号的时间序列可以看到，其波动范围大都在1．96倍ＲMS范围内。若该波动服从均值为0、方差为ＲMS的正态分布，在置信水平为95%时的置信区间为［－1．96ＲMS，1．96ＲMS］。以此区间的1．96ＲMS作为解算精度，则有：1）北斗导航系统精密单点定位精度在水平方向精度约为1．6cm，垂直方向约为3．3cm；北斗/GPS组合定位在水平方向精度约为1．5cm，垂直方向约为3．5cm；2）GPS精密单点定位精度在水平方向精度约为0．6～0．8cm，垂直方向约为1．0～1．4cm；从测试的数据和解算的结果来分析可认为北斗导航系统精密单点定位精度在水平向约为1～2cm，垂直向为3～4cm；相应的GPS精密单点定位精度在水平向约为亚cm级，垂直向为1～2cm。两者的精度来说相差不大，单GPS会比单北斗的精度略高。

3.时间基准与坐标基准

的统一

北斗卫星导航系统采用北斗时间系统（ＢＤＴ），起点为２００６年１月１日的ＵＴＣ零点，溯源于协调世界时ＵＴＣ，与ＵＴＣ之间存在跳秒改正差，与ＵＴＣ的偏差保持在１μ以内，ＧＰＳＴ时原点为１９８０年１月１日０时的ＵＴＣ，ＢＤＴ－ＵＴＣ≈（ＴＡＩ－ＵＴＣ）－３２ｓ．北斗卫星导航系统还处于建设阶段，建成的系统也将提供与ＧＰＳ、ＧＡＬＩＬＥＯ等系统的时间偏差，方便兼容用户定位。本文在进行北斗与ＧＰＳ组合定位时，统一时间基准到ＧＰＳＴ．北斗卫星导航系统采用２０００中国大地坐标系（ＣＧＣＳ２０００），ＧＰＳ采用ＷＧＳ－８４坐标系，它们都是依靠ＩＥＲＳ定义的ＩＴＲＳ坐标框架。ＷＧＳ－８４最初的精度约１ｍ，经过两次精化后，精度已达２ｃｍ，与ＩＴＲＦ的精度基本一致。ＣＧＣＳ２０００由国内ＧＰＳ连续运行参考站、空间大地网和天文大地网３个层次的站网坐标（和速度）体现，也是地心坐标系，与ＩＴＲＦ的一致性约５ｃｍ．因此，ＷＧＳ－８４与ＣＧＣＳ２０００坐标系差异在厘米级，对精度要求不高的用户而言（精度低于２ｃｍ），不需要进行坐标转换，但对高精度用户，则必须考虑两者的转换关系。

结论

主要介绍了ＧＰＳ与北斗系统组合单点定位时的原理和模型，并通过数据的处理和分析。得出结论如下：１）北斗伪距单点定位的精度平面方向上达到３ｍ以内，高程方向优于８ｍ，满足普通导航定位的需求。２）北斗／ＧＰＳ组合星座降低了ＤＯＰ值，提升系统的稳定性和可用性；３）北斗／ＧＰＳ组合增加了可见卫星数量，对提高用户定位精度非常有利，北斗单系统伪距单点定位精度最差，ＧＰＳ单系统伪距单点定位精度优于北斗单系统伪距单点定位精度，而北斗／ＧＰＳ组合伪距单点定位精度明显优于单系统。本文的结果还是初步试验结果，随着北斗卫星导航定位系统建设的不断推进，北斗的精度会越来越高，而多卫星导航系统的组合导航定位将成为未来发展的趋势。

参考文献：

[1]中国卫星导航系统管理办公室．北斗卫星导航系统发展报告１．０版［Ｒ］．北京．２０１１．

[2]刘季，张小红．ＧＰＳ／ＢＤ组合导航定位实验和精度分析［Ｊ］．测绘信息与工程，２０１２，３７（４）：１－４．