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  大地测量与地球动力学  2018, Vol. 38 Issue (3): 276-281  DOI: 10.14075/j.jgg.2018.03.012

引用本文  

王云鹏, 石波, 王胜利, 等. 多遮挡环境下BDS/GPS组合动态差分处理算法及性能分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(3): 276-281.
WANG Yunpeng, SHI Bo, WANG Shengli, et al. Analysis of BDS/GPS Integrated Kinematic Difference Positioning Algorithm in Multi-Occlusion Environment[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(3): 276-281.

项目来源

国家重点研发计划(2016YFB0501700,2016YFB0501705)。

Foundation support

National Key Research and Development Program of China, No. 2016YFB0501700, 2016YFB0501705.

通讯作者

石波, 博士,副教授,主要从事GNSS/INS组合导航和车载移动测量系统中多传感器集成及数据处理研究,E-mail: shibo@sdust.edu.cn

第一作者简介

王云鹏,硕士生,主要从事GNSS/INS组合导航和GNSS数据处理研究,E-mail: skdwangyp@163.com

About the first author

WANG Yunpeng, postgraduate, majors in GNSS/INS integrated navigation and GNSS data processing, E-mail: skdwangyp@163.com.

文章历史

收稿日期:2017-01-08
多遮挡环境下BDS/GPS组合动态差分处理算法及性能分析
王云鹏1     石波1     王胜利2     刘猛奎1     张倩1     高 1     
1. 山东科技大学测绘科学与工程学院,青岛市前湾港路579号,266590;
2. 山东科技大学海洋工程研究院,青岛市前湾港路579号,266590
摘要:研究BDS/GPS组合载波相位动态差分定位算法,讨论加入BDS后对模糊度固定的影响,针对部分区域有较严重信号遮挡的实测动态数据,分别进行单GPS和BDS/GPS组合解算。结果表明,相比单GPS,加入BDS后增加了共视卫星数目,改善了卫星几何结构,模糊度解算成功率和可靠性得到明显提高。多遮挡环境下测试数据显示,BDS/GPS组合的定位精度远高于单GPS,东向和北向精度优于8 mm、天向为16 mm,而单GPS东向仅为3 cm、北向和天向约8 cm。
关键词GPSBDS/GPS组合动态差分定位定位精度可见性

GNSS动态差分相对定位能获得高精度的位置信息,但是需要基准站和流动站有足够的共视卫星[1]。在城市或山区,单GPS因为卫星信号遮挡严重,导致不能定位或者定位精度较差[2-3]。在多遮挡环境下,可视卫星的分布不均匀,导致定位解算时观测方程的强相关性,即存在病态性[4],而多卫星导航系统组合是较为有效的解决方法。文献[5]提出一种新的选择参考卫星的方法,提高了多卫星组合系统在多遮挡环境下的定位可靠性。

BDS于2012年末正式运行,由14颗卫星组网并提供服务[6-7]。在随后的几年内又先后发射了6颗卫星,截至2016-06-12,共计发射23颗卫星,其中在服役中的有19颗。BDS已具备单独定位、导航的能力[7],相比于GPS,其观测信号更强,可提供更稳定的码相位观测值[8]。由于卫星轨道分布不同,能够选择的卫星高度角范围增大,扩展了可定位的区域。文献[6, 9-10]通过实测数据、文献[11]通过仿真BDS卫星星座对卫星的可见性进行分析,表明BDS卫星在亚太地域具有良好的几何覆盖范围。BDS与其他卫星系统具有良好的兼容性和互操作性,为BDS/GPS组合提供了基础[12]。BDS/GPS组合相较于单GPS不仅能够增加卫星数目,还可以改善观测卫星的几何结构,大大降低卫星的DOP值[6, 9-10, 13],改善模糊度解算的固定率和可靠性[6, 14-15]。在短基线情况下,载波相位动态差分定位的精度提高20%以上[6]

本文主要研究BDS/GPS组合动态差分定位算法,特别是模糊度解算部分,并基于多遮挡环境下的实测数据,用自编的动态载波相位差分定位程序验证BDS/GPS组合相对于单GPS在定位解算中的优势。

1 定位解算原理 1.1 函数模型和随机模型

载波相位观测方程为:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {\lambda \varphi _r^s\left( {{t_r}} \right) = \rho _r^s\left( {{t_r},{t_s}} \right) - c\left( {\delta {t_r} - \delta {t_s}} \right) - \lambda N_r^s - }\\ {{\delta _{{\rm{ion}}}} + {\delta _{{\rm{trop}}}} + {\delta _{{\rm{mul}}}} + {\delta _{{\rm{rel}}}} + \varepsilon } \end{array} $ (1)

式中,λ为载波的波长,φrs(tr)为载波相位观测值,ρrs(tr, ts)为卫星和接收机间的几何距离,c为真空中的光速,δtr为接收机钟差,δts为卫星钟钟差,Nrs为整周模糊度,δion为电离层延迟,δtrop为对流层延迟,δmul为多路径效应,δrel为相对论效应,ε为误差。

采用载波双差观测方程进行动态定位解算:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {\lambda \nabla \Delta \varphi _{{r_{1,2}}}^{{s_{1,2}}}\left( {{t_r}} \right) = \nabla \Delta \rho _{{r_{1,2}}}^{{s_{1,2}}}\left( {{t_r},{t_{{s_{1,2}}}}} \right) - \lambda \nabla \Delta N_{{r_{1,2}}}^{{s_{1,2}}} - }\\ {\nabla \Delta {\delta _{{\rm{ion}}}} + \nabla \Delta {\delta _{{\rm{trop}}}} + \nabla \Delta {\delta _{{\rm{mul}}}} + \nabla \Delta {\delta _{{\rm{rel}}}} + \nabla \Delta \varepsilon } \end{array} $ (2)

式中,∇Δ为双差算子,r1, 2分别表示基准站和流动站,s1, 2分别表示r1, 2同步观测的2颗卫星。简化得:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {\lambda \nabla \Delta \varphi = \nabla \Delta \rho - \lambda \nabla \Delta N - \nabla \Delta {\delta _{{\rm{ion}}}} + \nabla \Delta {\delta _{{\rm{trop}}}} + }\\ {\nabla \Delta {\delta _{{\rm{mul}}}} + \nabla \Delta {\delta _{{\rm{rel}}}} + \nabla \Delta \varepsilon } \end{array} $ (3)

假设某一历元同步观测了n颗BDS(GPS)卫星,则误差方程为:

$ \mathit{\boldsymbol{V}} = \mathit{\boldsymbol{BX}} - \mathit{\boldsymbol{CY}} - \mathit{\boldsymbol{L}} $ (4)

式中,V为残差;B为设计矩阵,

$ \mathit{\boldsymbol{B}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\nabla \Delta {l_1}}&{\nabla \Delta {m_1}}&{\nabla \Delta {n_1}}\\ {\nabla \Delta {l_2}}&{\nabla \Delta {m_2}}&{\nabla \Delta {n_2}}\\ \vdots&\vdots&\vdots \\ {\nabla \Delta {l_{n - 1}}}&{\nabla \Delta {m_{n - 1}}}&{\nabla \Delta {n_{n - 1}}} \end{array}} \right), $
$ l = \frac{{\left[ {{X_{{r_2}0}} - X_0^s\left( {{t_s}} \right)} \right]}}{{\rho _{{r_2}0}^s}},m = \frac{{\left[ {{Y_{{r_2}0}} - Y_0^s\left( {{t_s}} \right)} \right]}}{{\rho _{{r_2}0}^s}}, $

$ \mathit{n}\text{= }\frac{\left[{{\mathit{Z}}_{{{\mathit{r}}_{\text{2}}}\text{0}}}\text{-}\mathit{Z}_{0}^{\mathit{s}}\left( {{\mathit{t}}_{\mathit{s}}} \right) \right]}{\mathit{\rho }_{{{\mathit{r}}_{\text{2}}}\text{0}}^{\mathit{s}}}\text{ }\!\!~\!\!\text{ }$Xr20Yr20Zr20为流动站近似坐标,X0s(ts)、Y0s(ts)、Z0s(ts)为卫星坐标;X为流动站坐标改正数,X=$ \left( \begin{align} &\mathit{\delta }{{\mathit{X}}_{{{\mathit{r}}_{\text{2}}}}} \\ &\mathit{\delta }{{\mathit{Y}}_{{{\mathit{r}}_{\text{2}}}}} \\ &\mathit{\delta }{{\mathit{Z}}_{{{\mathit{r}}_{\text{2}}}}} \\ \end{align} \right)$C为设计矩阵,C= $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} \mathit{\lambda }&{}&0\\ {}&\begin{array}{l} \mathit{\lambda }\\ \;\;\;\;\;\;\; \ddots \end{array}&{}\\ 0&\begin{array}{l} \\ \left( {\mathit{n}{\rm{ - 1}}} \right) \times \left( {\mathit{n}{\rm{ + 1}}} \right) \end{array}&\mathit{\lambda } \end{array}} \right)$Y为双差模糊度参数向量,Y=$ \left( \begin{align} &\nabla \Delta \mathit{N}_{{{\mathit{r}}_{1, 2}}}^{{{\mathit{s}}_{\text{re}, 1}}} \\ &\nabla \Delta \mathit{N}_{{{\mathit{r}}_{1, 2}}}^{{{\mathit{s}}_{\text{re}, 2}}} \\ &\ \ \ \ \ \ \ \vdots \\ &\nabla \Delta \mathit{N}_{{{\mathit{r}}_{1, 2}}}^{{{\mathit{s}}_{\text{re}, \mathit{n}\text{-}1}}} \\ \end{align} \right)$sre为参考卫星;L为常数向量,L=$ \left( \begin{align} &\ \ \mathit{\lambda }\nabla \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{\mathit{\varphi }}_{\text{1}}}\text{-}\nabla \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{\mathit{\rho }}_{\mathit{r}\text{0, 1}}} \\ &\ \ \mathit{\lambda }\nabla \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{\mathit{\varphi }}_{\text{2}}}\text{-}\nabla \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{\mathit{\rho }}_{\mathit{r}\text{0, 2}}} \\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \vdots \\ &\mathit{\lambda }\nabla \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{\mathit{\varphi }}_{\mathit{n}\text{-1}}}\text{-}\nabla \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{\mathit{\rho }}_{\mathit{r}\text{0, }\mathit{n}\text{-1}}} \\ \end{align} \right)$

在进行BDS/GPS的组合解算时,参考卫星分别在各自系统中选取,即仅在同一系统内列立方程[13],并采用相同的定权方式和权重。

BDS(GPS)可列立n-1个观测方程,其权阵Pn-1阶的方阵。设协因数阵Q,矩阵FQ′均为n-1阶的方阵,定义为:

$ \mathit{\boldsymbol{F}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {n - 1}&{ - 1}& \cdots &{ - 1}\\ { - 1}&{n - 1}& \cdots &{ - 1}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots \\ { - 1}&{ - 1}& \cdots &{n - 1} \end{array}} \right) $ (5)
$ \mathit{\boldsymbol{Q'}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {1 + \frac{{\sin \left( {{E_{{\rm{ref}}}}} \right)}}{{\sin \left( {{E_1}} \right)}}}& \cdots &1\\ \vdots&\ddots&\vdots \\ 1& \cdots &{1 + \frac{{\sin \left( {{E_{{\rm{ref}}}}} \right)}}{{\sin \left( {{E_{n - 1}}} \right)}}} \end{array}} \right) $ (6)

式中,Eref为参考卫星的高度角,Ei为第i颗卫星的高度角,i=1, 2,…,n,且i≠ref,则:

$ \mathit{\boldsymbol{Q}} = {\mathit{\boldsymbol{F}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{Q'F}} $ (7)
$ \mathit{\boldsymbol{P}} = {\mathit{\boldsymbol{Q}}^{ - 1}} $ (8)

若为BDS/GPS组合,则其权阵P为:

$ \mathit{\boldsymbol{P}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{C}}}}&0\\ 0&{{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{G}}}} \end{array}} \right) $ (9)

式中,PCPG分别为BDS和GPS观测方程的权阵。

1.2 动态差分后处理的关键过程

文件匹配、卫星坐标计算、误差计算、基线数据存储等数据预处理完成后,关键过程如图 1所示。

图 1 动态差分相对定位的关键过程 Fig. 1 Key process of kinematic differential relative positioning σ为标准中误差,FloatNw为宽巷双差模糊度浮点解,IntNw为宽巷双差模糊度整数解,IntNL1载波双差模糊度
1.3 模糊度搜索Ⅰ

利用宽巷的长波长特性,可以提高模糊度解算的成功率和可靠性,缩短初始化时间[16]。忽略式(1)的电离层延迟项,将两个载波上的相位观测值相减,得到宽巷观测方程:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{\lambda _W}{\varphi _W} = \rho - {\lambda _W}{N_W} - c\left( {\delta {t_r} - \delta {t_s}} \right) + {\delta _{{\rm{trop}}}} + }\\ {{\delta _{{\rm{mul}}}} + {\delta _{{\rm{rel}}}} + \varepsilon } \end{array} $ (10)

式中,φW=φ1-φ2NW=N1-N2λW=c/(f1-f2),f1f2是两个载波的频率。经线性化后的误差方程为:

$ {\mathit{\boldsymbol{V}}_W} = \mathit{\boldsymbol{BX}} - {\mathit{\boldsymbol{C}}_W}{\mathit{\boldsymbol{Y}}_W} - {\mathit{\boldsymbol{L}}_W} $ (11)

模糊度搜索Ⅰ采用将双差宽巷模糊度的浮点解直接取整的策略,为保证模糊度固定的成功率和搜索的效率,每个模糊度取最近邻的两个整数值并与其他模糊度取值作排列组合。假设有n个模糊度,则共有2n种组合方式,将每种组合分别代入式(11)进行X的最小二乘求解,取σ最小的一种组合,并计算ratio值,ratio=$ \frac{{{\mathit{\sigma }}_{\text{次小}}}}{{{\mathit{\sigma }}_{\text{最小}}}}$

2 多遮挡环境下BDS/GPS组合在模糊度固定可靠性上的改善

GPS和BDS的误差方程为:

$ {\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{G}}} = {\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}}\mathit{\boldsymbol{X}} - {\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}}{\mathit{\boldsymbol{Y}}_{\rm{G}}} - {\mathit{\boldsymbol{L}}_{\rm{G}}} $ (12)
$ {\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{C}}} = {\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}}\mathit{\boldsymbol{X}} - {\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}}{\mathit{\boldsymbol{Y}}_{\rm{C}}} - {\mathit{\boldsymbol{L}}_{\rm{C}}} $ (13)

式中,G代表GPS,C代表北斗。整理得:

$ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{G}}}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{C}}}} \end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}}}&{ - {\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}}}&0\\ {{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}}}&0&{ - {\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}}} \end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} \mathit{\boldsymbol{X}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{Y}}_{\rm{G}}}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{Y}}_{\rm{C}}}} \end{array}} \right) - \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{L}}_{\rm{G}}}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{L}}_{\rm{C}}}} \end{array}} \right) $ (14)

$\mathit{\boldsymbol{V}}{\rm{ = }}\left( \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{G}}}\\ {\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{C}}} \end{array} \right){\rm{}}{\rm{ }},\mathit{\boldsymbol{B}}{\rm{ = }}\left( \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}}\;\;\;\; - {\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}}\;\;\;\;\;\;{\rm{0}}\\ {\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}}\;\;\;\;\;\;{\rm{0 }}\;\;\;\; - {\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}} \end{array} \right){\rm{}}{\rm{ }},\mathit{\boldsymbol{\hat x}}{\rm{ = }}\left( \begin{array}{l} \mathit{\boldsymbol{X}}\\ {\mathit{\boldsymbol{Y}}_{\rm{G}}}\\ {\mathit{\boldsymbol{Y}}_{\rm{C}}} \end{array} \right){\rm{}}$$ \mathit{\boldsymbol{l}}{\rm{ = }}\left( \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{L}}_{\rm{G}}}\\ {\mathit{\boldsymbol{L}}_{\rm{C}}} \end{array} \right){\rm{}}{\rm{ }},\mathit{\boldsymbol{P}}{\rm{ = }}\left( \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{G}}}\;\;{\rm{0}}\\ {\rm{0}}\;\;{\rm{ }}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{C}}} \end{array} \right)$,简化为:

$ \mathit{\boldsymbol{V}} = \mathit{\boldsymbol{B\hat x}} - \mathit{\boldsymbol{l}} $ (15)

BTPV=0得法方程:

$ {\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{PB\hat x}} - {\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{Pl}} = 0 $ (16)

则BDS/GPS组合系统解算参数XYGYC的法方程系数矩阵N为:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {\mathit{\boldsymbol{N}} = {\mathit{\boldsymbol{B}}^{\rm{T}}}\mathit{\boldsymbol{PB = }}}\\ {\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{G}}}{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}} + \mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{C}}}{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}}}&{ - \mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{G}}}{\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}}}&{ - \mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{C}}}{\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}}}\\ { - \mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{G}}}{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{G}}}}&{\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{G}}}{\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{G}}}}&0\\ { - \mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{C}}}{\mathit{\boldsymbol{B}}_{\rm{C}}}}&0&{\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_{\rm{C}}}{\mathit{\boldsymbol{C}}_{\rm{C}}}} \end{array}} \right)} \end{array} $ (17)

BDS的高轨卫星居多,运行角速度较小,因此当GPS观测信息足够多时,BDS/GPS组合在模糊度解算过程中的病态性不会优于单GPS[17]。而在多遮挡的环境下,观测到的GPS卫星数量有限,设计矩阵BGTPGBG的观测结构差,本身内部病态性严重,再与模糊度系数叠加时,更影响模糊度解算的正确性和可靠性;若加入BDS,补充了必要的观测信息,明显改善观测结构,对BGTPGBG+ BCTPCBC病态性的改善远大于前述的不利影响,可减弱模糊度解算过程中的病态性,增加解的可靠性。

在固定单历元模糊度时可能出现如下3种情况:

1) 单GPS卫星数目不满足解算条件,BDS/GPS组合可以满足,且能够固定模糊度。

2) 单GPS卫星数目满足解算条件,但因卫星结构不好,不能成功固定模糊度,而BDS/GPS组合可以固定。

3) 单GPS在某前后两段历元区间的卫星数目均满足解算条件,且两者仅有1~2颗卫星不同,但模糊度只能在其中一段区间固定;而BDS/GPS组合在两段区间没有差异,模糊度均固定。

情况1)说明,BDS/GPS组合在观测方程数目上存在优势,可保证多数情况下的连续定位解算;情况2)、3)说明,在都满足解算条件的情况下,加入BDS后增加了新的观测信息,可改善观测结构。

3 算例分析

2016-03-07在有较严重信号遮挡的学校某区域进行车载动态实验,接收机类型为NovAtel ProPak6,基准站和流动站天线类型均为Nov703GGG,采样间隔均为0.2 s。

使用IE8.60软件,采用GNSS/INS差分后处理紧组合分别对基准站和流动站GPS和BDS/GPS观测数据进行处理,并将解算的每个点的坐标作为参考值。

3.1 单历元模糊度解算性能

借鉴文献[6]中对模糊度解算性能评估的方法,进行GPS以及BDS/GPS组合两种星座条件下的单历元双差模糊度解算。采用§1.2方法进行模糊度固定,§1.2、§1.3的判别条件进行模糊度验证,统计不同截止高度角条件下的固定率和固定错误率(表 1)。

表 1 单历元双差模糊度固定率和固定错误率随截止高度角变化趋势 Tab. 1 Fixed rates and fixed error rates of single-epoch ambiguities change with the height of the satellite cutoff angle

表 1知:

1) 当卫星截止高度角较低时(<25°),单GPS单历元双差模糊度解算的固定率约80%,固定错误率约3.34%;随着截止高度角的增大,模糊度解算的固定率迅速下降。

2) 当BDS/GPS组合定位时,截止高度角为30°时,模糊度固定率约99%,且固定错误率小于1%;高度角升高,模糊度固定率下降,下降仅约为10%,固定错误率最大为6.45%。

可见,BDS/GPS组合对模糊度固定率和可靠性具有显著贡献。

3.2 共视卫星数及PDOP值

图 2给出了在数据采集过程中可接收到的基准站流动站卫星数量,其中BDS共视卫星约7颗,GPS约5颗。可见,BDS/GPS相较于单GPS增加了1倍多的卫星数目,在GPS卫星数目不满足单独定位的相关要求时,BDS的加入会起到关键性作用。图 2中,有个别历元BDS的共视卫星很少,甚至为0,可能是观测环境有高楼遮挡,高度角较高的GEO卫星不可见,导致共视卫星数量迅速减少。图 3给出了GPS和BDS/GPS的PDOP值,可见单GPS的PDOP值的大小变化较频繁,且变化区间大,而BDS/GPS的PDOP值基本稳定在2.0~3.0区间内,没有较大的浮动,说明BDS/GPS相较于单GPS改善了卫星的几何结构。

图 2 卫星数目 Fig. 2 Number of satellites

图 3 GPS和BDS/GPS的PDOP值 Fig. 3 PDOP values of GPS and BDS/GPS
3.3 载波相位动态差分定位精度

使用自编的GNSS动态差分后处理程序代替IE8.6,仅作GNSS数据处理,并分别与相应的参考值进行比较。GPS以及BDS/GPS动态定位北向(N)、东向(E)、天向(U)的误差序列见图 4图 5,统计结果见表 2

图 4 GPS动态差分相对定位误差 Fig. 4 GPS kinematic differential relative positioning errors

图 5 BDS/GPS动态差分相对定位误差 Fig. 5 BDS/GPS kinematic differential relative positioning errors

表 2 动态差分相对定位的精度统计 Tab. 2 Statistics of the accuracy of kinematic differential relative positioning

图 4看出,在绝大多数历元GPS单独定位具有较高的精度。以N方向为例,任意截取一段历元区间,如91 965.60~93 000.00 s(局部放大图见图 4),定位误差小于5 cm。从图 2图 3看出,这些历元的共视卫星数一般为6,PDOP值一般在2.0~4.0之间,卫星数目足够,几何结构好,故定位精度较好;在93 024.40~93 405.00 s历元区间没有输出定位信息,结合图 2图 3,此段区间的卫星数保持在5,PDOP值约6.0,由于程序设定PDOP值阈值为5.0,故没有输出定位信息。在94 792.60~95 020.00 s历元区间,模糊度未能正确地固定。由图 2图 3可知,此段区间的卫星数为4~5颗,而PDOP值变化剧烈,例如94 792.60~94 793.00 s卫星数为4,PDOP值约为83.0,而94 793.20~94 793.80 s卫星数为5,PDOP值约3.60。进一步查看两段区间卫星之间的关系发现,仅有一颗卫星有变动,可见单一系统的卫星结构较易改变,对固定模糊度的影响较大。图 4在96 185.00~96 343.00 s有一处较大的抖动,此段区间卫星数目在3~5间频繁变化,PDOP值在3.5~7.8间变化,且值为7.8左右的居多。可见,在测区环境较复杂的情况下,单系统可接收到的卫星数目有限,且频繁变化,卫星几何结构也普遍较差。

对比图 5图 4知,BDS/GPS解算结果明显好于GPS单独定位。图 4中没有定位信息的一段历元区间在图 5中可以正常获取信息,且有较高的定位精度,属于§2所述的情况2);图 5在94 792.60~95 020.00 s模糊度可以固定,但天向坐标离散度比其他历元大,属于情况3);图 4在96 185.00~96 343.00 s的较大抖动未在图 5出现,属于情况1)和2)。

表 2看出,无论是平均值、最大值还是标准中误差,BDS/GPS组合均优于GPS单独定位。BDS/GPS水平定位精度优于8 mm,天向为16 mm,而GPS东向仅为3 cm,北向和天向约8 cm;BDS/GPS水平方向平均值为4 mm,天向为0 mm,而GPS在3个方向均约1 cm,故BDS/GPS组合相较GPS定位结果在坐标离散度上有较大改善;GPS的抖动最大,3个方向均约1 m,而BDS/GPS组合均小于0.3 m。

4 结语

在多遮挡环境下,BDS/GPS组合较单GPS有如下优点:

1) 增加了1倍多的共视卫星,改善了卫星的几何结构。

2) 增加了单历元双差模糊度解算的固定率和可靠性。

3) 提高了载波相位动态差分的解算率,即可解算的历元数占总历元数的比例增加。

4) 提高了载波相位动态差分定位的可靠性和精度。

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Analysis of BDS/GPS Integrated Kinematic Difference Positioning Algorithm in Multi-Occlusion Environment
WANG Yunpeng1     SHI Bo1     WANG Shengli2     LIU Mengkui1     ZHANG Qian1     GAO Yan1     
1. College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, 579 Qianwangang Road, Qingdao 266590, China;
2. Institute of Ocean Engineering, Shandong University of Science and Technology, 579 Qianwangang Road, Qingdao 266590, China
Abstract: The integrated BDS/GPS kinematic differential positioning algorithm is studied, and we analyze the benefit of the BDS signals on the ambiguity resolution. Experiments are conducted based on the kinematic measurements collected from the regions with serious signal occlusion. Test results show that BDS/GPS integration increases the number of the visible satellites, strengthens of the geometric structure and improves the success rate and reliability of ambiguity resolution. In addition, the positioning accuracy is 8 mm with the GPS/BDS integration in the horizontal direction, and 16 mm in the vertical direction. For GPS alone, the positioning accuracy is 3 cm and 8 cm, respectively.
Key words: GPS; integrated BDS/GPS; kinematic differential positioning; positional accuracy; visibility