BDS-3_GNSS多频定位性能分析.pdf

/多频定位性能分析张西杰 刘 超 樊 亚基金项目:安徽省自然科学基金面上项目(编号 )、安徽省高校自然科学研究重点项目(编号)的成果之一收稿日期:第一作者简介:张西杰()安徽阜阳人 硕士 研究方向:高精度卫星导航定位:(安徽理工大学空间信息与测绘工程学院 安徽理工大学矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室 安徽理工大学矿区环境与灾害协同监测煤炭行业工程研究中心 安徽淮南 中国建筑材料工业地质勘查中心贵州总队 贵州贵阳)摘要:针对单个系统单频点定位精度不佳问题 文章在短基线和非差非组合理论模型上提出以 的/、的/、的/两个频点进行组合的方法进行、/、/定位解算并系统分析了其在、三个方向的精度 通过实验表明在短基线模式下通过多系统组合的模式相对于单 系统定位精度提高比较明显 在/组合情况下平面和高程精度最高达到 级 在非差非组合精密单点定位模式下通过多个系统组合相对于 单系统在、方向精度改善最大分别为 、并且明显加快收敛时间 关键词:非差非组合 双频组合 定位精度 多系统组合 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/随着 的快速发展 全球四大卫星导航系统被广泛运用在实际应用中 其中 最早运用在各个领域 年 月 日北斗三号卫星导航系统全面开通 北斗的运用越来越受到重视开始向全球用户提供高质量的定位、导航和授时()服务在国民经济中发挥着重要作用 国内外的许多研究团队对 组合的定位研究越来越热 精密单点定位()只需要一台接收机便可以获得全球高精度定位 所以被广泛的应用与研究 它利用国际 服务()提供的轨道钟差产品进行伪距以及载波相位测量通过一系列的误差改正可得到测站的三维坐标 不同于相对定位 精密单点定位不受测站之间基线距离的限制从而可获得精确的坐标近年来有大量学者对 钟差估计和对 的信号评估做了大量工作 还有一些学者对 的卫星可用性 以及/频点进行了定位精度评估 等的研究表明与 ()相比利用/频点在静态和动态下收敛时间更快 等对 的研究表明对于单天 定位精度水平方向和垂直方向上分别能达到 和 然而以上研究主要针对单 系统做出的研究 而对基于 的/频点与其它 的系统组合研究较少 为了研究 与其它 定位效果 文章将以 的/、的/、的/两个频点进行组合的方法进行精密单点(总第 期)(.)年第 期 九江学院学报(自然科学版)()定位和基线定位解算以期对基于 的多系统组合定位性能研究提供参考/多频函数模型 短基线函数模型多系统组合基线解算方式采用伪距以及载波相位观测值双差组合实现相对定位 双差载波相位和伪距观测方程表达式可用式()表示:()式()中 、分别为参考站与流动站 、分别为参考星与非参考星 为双差算子 为信号的载波波长 表示载波相位观测中的未知整周模糊度 为载波双差相位观测值 为卫星至接收机的双差几何距离 为双差整周模糊度 具有整数特性 为双差电离层延迟为双差对流层延迟、分别为载波与伪距双差观测值噪声 非差非组合 函数模型数学模型会影响精密单点定位精度 因此在精密单点定位中构建合理的数学模型是提高精密单点定位的前提 非差非组合模型基于原始观测方程出发 可表示为:()()式()中 和 表示频率为 时的伪距以及载波相位原始观测值 为光速 和 表示接收机和卫星钟差 和 表示对流层和电离层延迟和 表示频率为 时的伪距硬件延迟 和表示频率为 时的相位硬件延迟 为频率 的波长 为模糊度参数 为观测噪声误差 随机模型在实验数据处理过程中采用高度角随机模型进行数据处理 利用正弦函数估计不同高度角卫星方差 其表达式如下:()式()中 代表卫星高度角 代表单位权方差 实验分析及处理策略 实验数据及处理策略为评估/定位性能与可靠性 文章选 取 了 中 心 个 测 站 分 别 为、并使用实测数据进行数据解算 精密单点定位数据处理策略见表 数据采集日期为 至 共 天的数据产品 数据采样间隔为 其中测站 和 组成短基线 和 组成短基线短基线实验中基线处理策略采用事后处理方式获得的坐标作为参考值 用扩展卡尔曼滤波算法进行参数估计并逐历元计算模糊度浮点解 然后采用 法尝试模糊度固定 并用 阈值进行检验 阈值设为 分别对截止高度角、时数据处理模式的模糊度固定率及误差分布进行统计与分析表 解算处理策略参数策略观测值原始伪距及载波相位观测值截止高度角/()数据采样间隔/卫星轨道与钟差武汉大学轨道钟差产品(更新率分别为 )相位中心偏差 模型权比高度角定权相位缠绕模型改正潮汐改正模型改正相对论效应模型改正模糊度估计电离层延迟白噪声估计对流层延迟先验模型改正和随机游走估计湿延迟参数参数估计方法扩展 滤波 卫星可见性及 分析卫星可见性影响卫星定位精度 在进行多个系统组合情况下有一定数量的观测卫星进行参与定位解算 位置精度因子()也是影响卫星定位精度的重要因素 一般当 值小于 认为卫星分布结构较好 图 中是四个测站的卫星观测数及 值 从图中可以看出四个测站可见卫星数在 颗以上 最大可见卫星数在 颗左右 并且平均 值小于 卫星几何结构较好第 期 张西杰 等:/多频定位性能分析()测站卫星数及 值()测站卫星数及 值()测站卫星数及 值()测站卫星数及 值图 测站卫星可见性及 值分析 模糊度解算结果分析将两组短基线分别设置为、卫星截止高度角并分别解算单、双、三系统组合情况下的基线 具体数据解算结果如表 所示表 单系统及不同组合系统模糊度固定情况统计高度角项目频数基线/基线/固定率()单频 双频 固定率()单频 双频 固定率()单频 双频 固定率()单频 双频 注:表中:代表 :代表 :代表 下同由表 可以看出 对于基线 当卫星处于 截止高度角时单频情况下 的模糊度固定率仅仅为 不如/以及/组合系统的模糊度固定率 对于 单系统情况下/以及/组合系统的模糊度固定率分别提高了 和 当卫星处于 截止高度角时 单频情况下 的模糊度固定率低于/以及/组合情况下的模糊度固定率双频情况下/以及/组合模糊度固定较 单系统情况下都有所提高 分别提高了约 当卫星处于 截止高九江学院学报(自然科学版)年第 期度角时 单频情况下/以及/组合情况下的模糊度固定率较 单系统模糊度固定率提高了分别约为 和 双频情况下较 单系统模糊度固定率依然有一定程度的提高 提高了分别约为 和 当卫星处于 截止高度角下 单系统模糊度固定效果不好 这也意味着 定位精度较差 此时在双系统以及三系统组合情况下模糊度固定率依然可以达到 以上这也意味着多系统组合情况下定位效果较好 对于基线 卫星处于 截止高度角时无论是单频还是双频情况下、/、/的模糊度固定率都达到 以上、/和/的模糊度固定率基本相当 当卫星处于 截止高度角时候单频情况下/和/的模糊度固定率较单 系统提高了分别约为 和 双频情况下/组合模糊度固定率提高的不明显 而对于/组合情况下模糊度固定提高了约为 当卫星截止高度角提高到 时 的模糊度固定率在双频情况下较单频情况下的模糊度固定率提高比较明显提高了约为 而在/和/组合情况下模糊度固定率基本相当 在 高遮挡情况下 的模糊度固定效果不理想 但是利用/和/组合情况下模糊度固定效果较为理想这也反映了多系统组合情况下的优势 短基线向量定位结果分析 利用多系统的观测结果固定为坐标真值进而得到基线 和基线 的三维偏差以及精度统计 图 和图 反映出了卫星截止高度角时 基线以及 基线在/三系统组合情况下的、方向的偏差 表 反映出两条基线在不同卫星截止高度角下的定位精度统计 对于基线 在 卫星截止高度角下可以看出单 以及在/组合情况下、定位精度在 级而在/三系统组合情况下的平面定位精度在 级 高程方向达到 级别 随着卫星截止高度角的增加 单系统定位效果越来越不理想 尤其是高程方向更为明显 当截止高度角为 以上时 定位效果很不理想 但是在/组合以及/三系统组合情况下平面精度仍然能达到 级 对于基线 当处于 卫星截止高度角时 的平面定位精度达到 级 高程方向定位精度达到 级 而在/双系统组合以及/三系统组合情况下平面和高程方向定位精度都达到 级 当卫星截止高度角大于 时 随着卫星截止高度角的增加 单系统定位精度越来越不理想 在 卫星截止高度角下 单系统定位效果较差 但在/组合以及/组合系统下平面定位精度仍然可以达到 级 在多系统组合情况下定位精度优于单系统定位精度图 截止高度角时基线/系统在、方向的偏差图 截止高度角时基线/系统在、方向的偏差表 单系统及不同系统组合定位 统计()高度角方向基线/基线/第 期 张西杰 等:/多频定位性能分析 /组合精密单点定位收敛分析选取了 年年积日 的 个测站连续 天的观测数据产品进行 单系统、/、/组合系统进行精密单点定位研究 具体定位精度统计结果见表 图、图 和图 显示了、四个测站在 单系统、/和/组合系统下的收敛图 由表 可以看出在单 系统下 方向的精度为 、方向的精度为 、方向的精度为 平均定位精度分别为 、/双系统组合情况下 方向的精度为 、方向的精度为 、方向的精度为 平均定位精度分别为 、/组合情况下 方向的精度为 、方向的精度为 、方向的精度为 平均定位精度分别为、精度提升方面/双系统组合情况下相对于单 系统在、方向分别提升了 、/组合情况下相对于单 系统在、方向分别提升了 、从图、图 和图 可以看出在单 系统下、方向定位误差有波动现象不如/、/组合情况下误差分布较稳定 在/、/组合情况下明显加速了收敛时间 由此可以得出在/双系统组合以及/组合情况下在、方面的精度要优于单 定位精度 并且加速了收敛时间 优势比较明显表 单、双、三系统定位模式下的精度统计(单位:)测站/平均 ()测站定位误差()测站定位误差九江学院学报(自然科学版)年第 期()测站定位误差()测站定位误差图 单系统情况下精密单点定位收敛分析()测站定位误差()测站定位误差()测站定位误差()测站定位误差图 /组合情况下精密单点定位收敛分析第 期 张西杰 等:/多频定位性能分析()测站定位误差()测站定位误差()测站定位误差()测站定位误差图 /组合情况下精密单点定位收敛分析 结论文章从 中心选取了部分观测站观测数据并结合武汉大学轨道钟差产品从模糊度固定率以及定位精度和收敛时间方面系统分析了单 系统、/、/组合系统定位性能 结果表明:()在短基线处理策略下当卫星截止高度角处于 和 时无论是单频还是在双频情况下 的模糊度固定效果较好 此时平面和高程方向定位精度都处于 级 而在/、/组合情况下平面定位精度甚至达到 级 高程方向定位精度进一步提升 当卫星截止高度角处于 时 单系统模糊度固定虽然较高但是有错误固定情况出现 此时平面定位精度仍在 级别 但高程定位精度在分米级 而在/、/组合情况下平面定位精度甚至在 级高程定位精度在 级 当处于 卫星截止高度角下单 的定位效果不理想 而在/组合情况下定位精度仍处于 级()在精密单点定位处理策略下采用 单系统模式在、方向误差波动比较明显 在/组合模式下误差随时间趋于稳定 并且加快了收敛时间 相对于 单系统 精度在、方 面 改 善 了 、/三系统组合情况下增加了可视卫星数 增强了几何空间结构进一步加快了收敛时间 在、方 面 精 度 改 善 了 、由此可以得知 在多系统组合情况下增加了可视卫星数 增强了几何空间结构九江学院学报(自然科学版)年第 期相对于单系统多系统组合情况下能提供更高的定位精度 所以对一些精度要求较高的领域 多系统组合模式下更为适用参考文献:.():.().李博峰 葛海波 沈云中.无电离层组合、和非组合精密单点定位观测模型比较.测绘学报 ():.张小红 胡家欢 任晓东./新进展与北斗/定位性能比较.测绘学报 ():.张小红 李星星 李盼.精密单点定位技术及应用进展.测绘学报 ():./:.():.():.:.():.():.:.():.:.():.():.():./.():.():.():.:.():./(.第 期 张西杰 等:/多频定位性能分析 ().)/./.(责任编辑 王一诺)(上接第 页)张光伟.固体废弃物填埋场衬里的水力缺陷及愈合机制.兰州:兰州大学.张光伟 张虎元 杨博.复合土工膜渗透性能试验研究.水文地质工程地质 ():.张虎元 赵天宇 吴军荣 等.膨润土改性黄土衬里防渗性能室内测试与预测.岩土力学 ():.(.).(责任编辑 罗江龙)九江学院学报(自然科学版)年第 期