張永超，徐國貴，李 帥

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

南海海域BD2與GPS定位精度比對

張永超，徐國貴，李 帥

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

試驗中利用一套定位精度相對較高的GPS設(shè)備和一套市場上適用，低功耗、低成本北斗設(shè)備，分析GPS和BD2定位差值。所選試驗區(qū)域包含了南海北部海域和南海東部海域。在這兩個區(qū)域，當(dāng)GPS與BD2定位精度較高時，二者定位差值在3m左右。在南海東部海域，BD2出現(xiàn)定位精度不好的情況且時間較長，但定位差值在25m以內(nèi)。故間接可以說明北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足船舶航行以及一些海上儀器設(shè)備定位需要。

北斗系統(tǒng); 南海; 定位精度; GPS

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS( Global Navigation Satellite System)又稱天基PNT(Position、Navigation、Timing，定位、導(dǎo)航、授時)系統(tǒng)，是指利用在太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋和空間用戶進行導(dǎo)航定位的一種空間導(dǎo)航定位技術(shù)[1]。目前，世界主要軍事大國及經(jīng)濟體都競相發(fā)展自己擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)和獨立運行能力的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。中國北斗系統(tǒng)在此背景下逐漸發(fā)展成熟。2012年底北斗系統(tǒng)ICD正式文件公布，開始向亞太地區(qū)正式提供導(dǎo)航、定位與授時服務(wù)，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)。北斗系統(tǒng)衛(wèi)星信號使用碼分多址技術(shù)，采用2000中國大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。研究GPS和BD2定位差距對北斗定位系統(tǒng)的發(fā)展、目前適用性和經(jīng)濟效益有一定的指導(dǎo)意義。

文獻[3]通過在觀測站上使用北斗接收機跟蹤并觀測導(dǎo)航衛(wèi)星，根據(jù)接收機的實測數(shù)據(jù)，計算出觀測站的位置坐標(biāo)。將計算出的觀測站坐標(biāo)和觀測站已知坐標(biāo)相比較，從水平方向、高程方向和三維位置三個方面對定位誤差進行分析，來評估北斗系統(tǒng)定位精度。文獻[4]在沒有觀測站的情況下，通過所測數(shù)據(jù)中衛(wèi)星數(shù)、精度因子評測目前船用接收機的定位精度，得出北斗二代船用接收機的定位精度可以滿足區(qū)域船舶安全導(dǎo)航的需要的結(jié)論。從上述結(jié)論可以看出我國北斗定位系統(tǒng)可提供中國區(qū)域的服務(wù)，但與GPS定位系統(tǒng)相比存在差距。上述文獻涉及的區(qū)域主要是內(nèi)陸和沿海。本文測試的地點有兩個，一是在南海北部海域，二是在南海東部海域。海上航行定位精度主要考慮水平方向，不考慮高程方向。本文研究了以GPS定位數(shù)據(jù)為近似基準(zhǔn)值，將北斗定位數(shù)據(jù)與之對比，以此估算BD2與GPS定位精度上的差距。

1 測試設(shè)備

1.1 GPS設(shè)備

選用了R110差分GPS接收機，該接收機將多種功能集于一體，除了能接收GPS信號以外，它還可以接收和處理信標(biāo)、WAAS和廣域差分等多種差分改正信號，從而實現(xiàn)高精度導(dǎo)航和定位。它具有RTK(載波相位差分)測量的功能，其內(nèi)置的RTK引擎功能可以使其在經(jīng)過短時間的初始化后達到20cm以內(nèi)(95%置信度)的實時定位精度。

1.2 BD2設(shè)備

試驗采用的北斗接收模塊是北京和芯星通科技有限公司制造的UM220雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊。GNSS模塊能夠同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點。UM220外形尺寸緊湊，采用SMT焊盤，支持標(biāo)準(zhǔn)取放及回流焊接全自動化集成，尤其適用于低成本、低功耗領(lǐng)域，面向測量測繪、車輛導(dǎo)航、監(jiān)控等領(lǐng)域，有著廣闊的市場前景。

2 定位原理

R110差分GPS接收機利用偽距差分原理進行求解。偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)，在基準(zhǔn)站上接收機要求得他至可見衛(wèi)星的距離，并將次計算出的距離與含有誤差的測量值加以比較，利用一個α-β濾波器將此差值濾波求出其偏差，然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來修改測量偽距，最后用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，就可消除公共誤差。但隨著用戶到基準(zhǔn)站的距離的增加又出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，用戶和基準(zhǔn)站的距離對精度有決定性影響。

利用改正后的偽距來解出本身位置的方法如下：

導(dǎo)航系統(tǒng)接收機在某點處同時跟蹤并接收4顆或4顆以上衛(wèi)星的信號，根據(jù)所接收的導(dǎo)航電文及其他信息，解算出接收機到各觀測衛(wèi)星的偽距。在t時刻，接收機觀測到i顆衛(wèi)星，可得到偽距方程組為(i=1，2，3…)[5]

(1)

(2)

(3)

?

(i)

在方程組中，只有接收機的位置和接收機鐘差4個參數(shù)為未知數(shù)，當(dāng)i=4時，可以得出接收機位置和接收機鐘差的唯一解；當(dāng)i>4時，通過最小二乘法得到接收機的位置和鐘差。

3 定位數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

圖1 南北方向GPS與BD2定位差值

結(jié)合南海北部和東部海域航行所測GPS和BD2定位數(shù)據(jù)，分析我國民用和軍用海事作業(yè)中北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位與GPS定位的差距。所提供的GPS設(shè)備精度相對較高，并把它所測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點。BD2的模塊適用普遍，成本低，功耗低。軍用設(shè)備中，大量存在需要附加導(dǎo)航定位設(shè)備的武器裝備，故而采用國產(chǎn)輕量型、功耗低的北斗定位設(shè)備是必要的。本文的兩次航行，第一次是南海北部海域在南北方向，航行21h，大約500海里；第二次南海東部海域在東西方向，航行三天。試驗中，GPS與BD2接收機位置1m。第一次航行定位差值如圖1所示。定位差值是將兩個定位點的經(jīng)緯度所在曲面，看成一個平面計算而成。

由圖1可以看出，在忽略跳動幅度大的極少數(shù)點的情況下，GPS與BD2定位差值在10m以內(nèi)，在整個統(tǒng)計時間內(nèi)定位差值的平均值為3.159m。航行中的GPS和BD2的衛(wèi)星數(shù)如圖2所示。

圖2 南北方向GPS與BD2可視衛(wèi)星數(shù)

由圖2可看出，整個測段中GPS平均可視衛(wèi)星數(shù)為8顆，BD2可視衛(wèi)星數(shù)則為11顆。盡管BD2可視衛(wèi)星明顯多于GPS，但是大部分觀測歷元BD2的位置精度因子大于GPS，其原因在于基本保持不動的5顆GEO衛(wèi)星在一定程度上減弱了衛(wèi)星分布強度[6]。圖3是第二次東西方向在南海東部海域航行測得的定位差值。

圖3 東西方向GPS與BD2定位差值

由圖3可知，在忽略跳動幅度大的極少數(shù)點的情況下，GPS與BD2定位差值在航行6h后，出現(xiàn)8h波動幅度較其他時段大的波動，在這時段波動的最大幅度超過10m，但大部分在25m以內(nèi)。整個測試時間內(nèi)定位差值的平均值為4.9881m。

本文取12h附近時段，觀察GPS和BD2在該時段經(jīng)度對比如圖4所示，緯度對比如圖5所示。

圖4縱坐標(biāo)只取經(jīng)度小數(shù)部分。由圖4和圖5知，在跳動浮動最大的12h位置，BD2的經(jīng)緯度跳動較GPS幅度大，其定位精度在此時段較差。

圖4 GPS與BD2經(jīng)度對比 圖5 GPS與BD2緯度對比

文獻[7]利用3顆 GEO 衛(wèi)星和 4 顆 IGSO 衛(wèi)星一周觀測數(shù)據(jù)進行分析解算，評估北斗相定位的精度并對殘差信息進行分析，結(jié)果表明北斗在南北方向精度低于GPS?？紤]到本次試驗航行特點，即第一次航行在南北方向，第二次航行在東西方向，但由圖1和圖3知，在東西方向上計算的定位差值比南北方向定位差值的波動大，差值平均值也大。故第二次測量時，在南海東部海域某段時間航行，導(dǎo)航定位設(shè)備的定位精度受影響大。

分析圖1和圖3數(shù)據(jù)的波動，影響其數(shù)據(jù)波動的原因主要是GPS與BD2的定位精度，定位點與真實值偏差越大，所造成的GPS與BD2定位差值波動越大。第一次航行所測數(shù)據(jù)，可以認為GPS與BD2定位精度較高。根據(jù)第二次航行所測數(shù)據(jù)計算的定位差值圖，在某一段時間內(nèi)出現(xiàn)差值波動很大，可以認為這段時間內(nèi)它們的定位精度較差，忽略此段時間，計算的差值平均值為3.2094m。該值比南海北部海域要高，在南海東部海域航行，因海況等情況，船航行時，晃動幅度較之北部海域要大，故而造成的差值平均值稍大。因此，當(dāng)GPS與BD2定位精度較高時，在中國南海北部和東部海域，二者定位差值在3m左右。

在利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行定位的過程中，影響定位精度的原因主要有兩個方面：(1)偽距測量誤差；(2)衛(wèi)星星座分布。偽距測量的誤差源有星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差以及接收機鐘差[5]。此次試驗的GPS接收機采用偽距差分原理接收處理數(shù)據(jù)，設(shè)備的定位精度與到基站的距離有關(guān)。BD2由于區(qū)域、系統(tǒng)誤差、衛(wèi)星分布及大氣環(huán)境問題，導(dǎo)致在南海東部海域某時段定位精度不高。相比GPS的定位誤差，總體認為BD2定位精度不高處主要地位。

4 結(jié)束語

利用GPS與BD2兩組設(shè)備得到了定位點的經(jīng)緯度，并計算了二者定位差值。當(dāng)GPS與BD2定位精度都較高時，二者定位差值在3m左右。在南海東部海域，BD2出現(xiàn)測量精度不好的情況且時間較長，定位差值在25m以內(nèi)。所采用的GPS接收機性能較優(yōu)越，定位精度高，而GPS與BD2定位差值相差3m左右，故間接可以說明北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足船舶航行以及一些海上儀器設(shè)備定位需要。

[1] 曹沖．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景研究[J]．全球定位系統(tǒng)，2009(4):1-6．

[2] 張雙成，王利，黃觀文．全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS最新進展及帶來的機遇和挑戰(zhàn)[J]．工程勘察,2010,8:49-53．

[3] 范龍，柴洪洲．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度分析方法研究[J]．海洋測繪，2009，29(1):25-27．

[4] 應(yīng)士君，王坤，等．北斗二代船用接收機精度分析[J]．中國航海,2013,36(1):25-27．

[5] 于勝利，李建文，等．北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度分析[J]．第三屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集——S01北斗/GNSS導(dǎo)航運用,2012.

[6] 高曉，戴吾蛟．GPS-BD2組合相對定位精度分析[J]．第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集——S3精密定軌與精密定位,2013.

[7] Shi C,Zhao QL,Hu ZG.Precise relative positioning using real tracking data from Compass GEO and IGSO satellites[J].GPS Solut,2012.

Comparison of positioning accuracy of GPS and BD2 in the South China Sea

ZHANG Yong-chao,XU Guo-gui,LI Shuai

(PLA91388,ZhanjiangGuangdong524022,China)

The economic benefits of the BD2 are growing.It analysis the positioning difference of GPS and BD2 by using a higher positioning accuracy of GPS receiver and a set of BD2 equipment which has low power consumption and low cost.The test includes the north and the east of the south China sea.In the test zone,when positioning accuracy of GPS and BD2 is higher,the positioning difference of GPS and BD2 is about 3 meters.In the east of the south China sea,BD2 has been bad in a long time,but the positioning difference of GPS and BD2 is less than 25 meters.So we can get a conclusion that BD2 can meet the needs of the navigation of ships and position of some Marine equipment.

BD2; The South China Sea; Positioning accuracy; GPS

2015-07-10

張永超(1988-)，男，碩士，助理工程師，研究方向是電磁場與微波技術(shù).

1001-9383(2015)03-0021-05

P225

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