丁　盼，席瑞杰，肖玉鋼

(武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079)

?

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測(cè)性能分析

丁盼，席瑞杰，肖玉鋼

(武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079)

Performance Analysis of High-precision Deformation Monitoring Using Beidou Navigation Satellite System in Northeast China Region

DING Pan，XI Ruijie，XIAO Yugang

摘要：截至2015年1月，我國(guó)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式運(yùn)行滿(mǎn)2年。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座組網(wǎng)尚未完成，只可為亞太地區(qū)特別是低緯度地區(qū)提供較好的服務(wù)，即服務(wù)拓展到南北緯55°，東經(jīng)55°至180°。由于我國(guó)東北地區(qū)所處緯度較高，可能會(huì)受到北斗星座不完善的影響。為了分析我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測(cè)中的監(jiān)測(cè)性能，本文在哈爾濱地區(qū)搭建了北斗變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)并研制了北斗高精度變形監(jiān)測(cè)軟件。通過(guò)對(duì)連續(xù)10 d的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)試評(píng)估了北斗在變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，東北地區(qū)短基線變形監(jiān)測(cè)條件下，北斗變形監(jiān)測(cè)多個(gè)測(cè)段對(duì)應(yīng)基線N、E分量重復(fù)性?xún)?yōu)于7 mm，U分量重復(fù)性?xún)?yōu)于1 cm。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；東北地區(qū)；高精度；變形監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)質(zhì)量

作為當(dāng)今最先進(jìn)的變形監(jiān)測(cè)手段之一，GNSS定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大型建筑物(如大壩、水庫(kù)等)、滑坡體、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等變形監(jiān)測(cè)中[1-5]，并取得了較好的監(jiān)測(cè)效果。如文獻(xiàn)[2]的GPS高精度變形監(jiān)測(cè)軟件GPSMON可實(shí)現(xiàn)單歷元解算水平方向8 mm，高程方向亞厘米的定位精度；文獻(xiàn)[3]的大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4 h時(shí)段解N、E、U方向0.8、0.7、1.5 mm的定位精度，并在山西省西龍池抽水蓄能水電站上水庫(kù)的變形監(jiān)測(cè)工作中穩(wěn)定運(yùn)行?？梢?jiàn)，GPS技術(shù)已趨于成熟，在GNSS高精度變形監(jiān)測(cè)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。

北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Regional Navigation Satellite System，BDS)于2012年12月27日正式開(kāi)始運(yùn)行，已可為亞太地區(qū)提供獨(dú)立定位、導(dǎo)航、授時(shí)(PNT)和短報(bào)文服務(wù)[6-8]。楊元喜院士初步評(píng)估了北斗在目前衛(wèi)星星座狀態(tài)下的基本導(dǎo)航定位性能，得出北斗偽距和載波相位測(cè)量精度已與GPS處在同一水平[6]。在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，文獻(xiàn)[9]驗(yàn)證了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高精度變形監(jiān)測(cè)中的監(jiān)測(cè)性能，即在短基線變形監(jiān)測(cè)條件下，水平方向精度優(yōu)于1 mm，垂直方向優(yōu)于2 mm，可滿(mǎn)足各種工程建筑物及地質(zhì)災(zāi)害的高精度監(jiān)測(cè)需求。由此可見(jiàn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功建立為打破GPS在高精度變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的壟斷地位提供了良好契機(jī)。

但目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座布網(wǎng)尚未完成，其覆蓋范圍有限，特別是較高緯度地區(qū)可能會(huì)受到北斗星座不完善的影響，文獻(xiàn)[9]并未針對(duì)較高緯度的監(jiān)測(cè)性能作深入分析。為此本文在北緯46°、東經(jīng)126°搭建了北斗變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，并利用北斗高精度變形監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，評(píng)估了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量和監(jiān)測(cè)精度，為北斗系統(tǒng)用于較高緯度地區(qū)變形監(jiān)測(cè)提供一定的技術(shù)支撐。

一、GNSS數(shù)據(jù)采集與處理

1. 北斗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

為開(kāi)展北斗變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量及精度評(píng)估，本文在哈爾濱地區(qū)一段高鐵沿線相距290 m的兩端安裝了GNSS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中基準(zhǔn)站為HB01，監(jiān)測(cè)站為HC01、HC02、HC03、HB02。HB01和HC01相距4 m，HC02、HC03、HB02三個(gè)站平均距離為4 m，HB01和HB02相距290 m，如圖1所示。儀器配置均采用Trimble NET R9接收機(jī)及CHOKE RING天線(TRM59900.00)，天線固定在強(qiáng)制對(duì)中基座上(安裝于觀測(cè)墩上)，觀測(cè)墩要求嚴(yán)格水平。數(shù)據(jù)采集自2015年3月12—21日(年積日為071—080，共10 d)，采用全天候24 h不間斷觀測(cè)，采樣間隔為15 s。同時(shí)接收和存儲(chǔ)BDS和GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，后期對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行解算以便進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1　變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

2. 數(shù)據(jù)處理軟件

本文針對(duì)變形監(jiān)測(cè)的短基線特點(diǎn)，顧及高精度的需求，對(duì)GNSS基線解算模型進(jìn)行精化，開(kāi)發(fā)了北斗基線解算軟件。主要模型及基線處理策略見(jiàn)表1。

表1　基線處理策略

二、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

目前北斗星座尚未部署完畢，衛(wèi)星數(shù)及空間幾何結(jié)構(gòu)可能需要進(jìn)一步完善。在進(jìn)行試驗(yàn)之前對(duì)北斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，包括衛(wèi)星可見(jiàn)性、衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)精度因子(PDOP)等觀測(cè)情況，并分析了觀測(cè)過(guò)程中受到的多路徑影響，從而為數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析提供基礎(chǔ)信息。

1. 衛(wèi)星可見(jiàn)性及PDOP值分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是基準(zhǔn)站HB01站在2015年3月18日(DOY=077)一整天的北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)，采樣間隔是15 s，共采集了5760個(gè)歷元的數(shù)據(jù)。分別統(tǒng)計(jì)了一天內(nèi)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及三維位置精度因子PDOP值，如圖 2所示。圖中灰色線條表示的是可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)逐歷元的變化，黑色線條表示的是PDOP值逐歷元的變化。

從圖中可以看出，在HB01測(cè)站，每個(gè)歷元可觀測(cè)北斗衛(wèi)星5～10顆，平均可觀測(cè)到8顆衛(wèi)星。從PDOP值可以看出，三維位置精度因子為1～4之間，一般小于3，且個(gè)別歷元出現(xiàn)跳躍的現(xiàn)象，與衛(wèi)星數(shù)曲線對(duì)比可以看出，PDOP出現(xiàn)跳躍主要與衛(wèi)星個(gè)數(shù)變化即衛(wèi)星的出現(xiàn)和消失有關(guān)，因此從衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及幾何精度因子來(lái)看，北斗衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)基本的導(dǎo)航定位需求，但在若干時(shí)段可能出現(xiàn)精度下降的現(xiàn)象。

圖2　衛(wèi)星數(shù)及PDOP 值

同時(shí)，本文計(jì)算了衛(wèi)星的高度角和方位角，繪出了第77天的衛(wèi)星天空?qǐng)D，如圖 3所示。其中，1—4號(hào)衛(wèi)星為GEO衛(wèi)星， 6—10號(hào)衛(wèi)星為IGSO衛(wèi)星， 11、12和14號(hào)衛(wèi)星為MEO衛(wèi)星。由圖可見(jiàn)，在HB01測(cè)站，一天內(nèi)可觀測(cè)到12顆在軌正常運(yùn)行的北斗衛(wèi)星；由于1—4號(hào)衛(wèi)星為地球靜止同步軌道衛(wèi)星，因此衛(wèi)星相對(duì)于測(cè)站基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，衛(wèi)星軌跡為點(diǎn)狀；6—10號(hào)衛(wèi)星為傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，在天空?qǐng)D里顯示為“8字”形。而5號(hào)衛(wèi)星和13號(hào)衛(wèi)星在所有時(shí)段中均觀測(cè)不到，主要是因?yàn)闇y(cè)站緯度較高造成的。從圖中還可看出，北斗衛(wèi)星在南北方向衛(wèi)星分布很不均勻，這必定給N和U方向的定位精度造成較大影響。

圖3　HB01測(cè)站衛(wèi)星天空?qǐng)D

2. 多路徑分析

衛(wèi)星信號(hào)與經(jīng)附近反射物進(jìn)入接收機(jī)天線的信號(hào)產(chǎn)生干涉引起的時(shí)延，稱(chēng)為多路徑效應(yīng)。多路徑誤差常常與測(cè)站周?chē)沫h(huán)境有關(guān)，在一定程度上表現(xiàn)為偶然誤差，很難進(jìn)行模型化[10]，是GPS測(cè)量的一個(gè)主要誤差源。在試驗(yàn)前對(duì)多路徑效應(yīng)進(jìn)行分析，可有效掌握數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理打下一定的基礎(chǔ)。由于載波相位觀測(cè)值受到的多路徑影響較偽距觀測(cè)值小得多，因此，在進(jìn)行多路徑分析時(shí)，僅利用偽距多路徑信息來(lái)評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文使用2015年第77天一整天的數(shù)據(jù)計(jì)算了HB01站觀測(cè)到的所有北斗衛(wèi)星的MP1、MP2序列及衛(wèi)星高度角，如圖4、圖5所示。限于篇幅，本文僅顯示了2顆GEO衛(wèi)星、2顆IGSO衛(wèi)星和2顆MEO衛(wèi)星的多路徑信息圖。

圖4　偽距多路徑效應(yīng)MP1

由圖可見(jiàn)，1號(hào)衛(wèi)星一天里高度角變化較小，為45°左右，MP1、MP2變化在1 m以?xún)?nèi)，并且較為平緩；2號(hào)衛(wèi)星的MP1、MP2變化較大，可能是由于附近有遮擋導(dǎo)致，但普遍也在1 m以?xún)?nèi)。IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星高度角變化較為明顯，相應(yīng)的多路徑變化也較大，且在高度角較低時(shí)受到的多路徑較為嚴(yán)重。但是，除極少數(shù)時(shí)段外，所有衛(wèi)星的多路徑均在2 m以?xún)?nèi)，高度角較高的情況下均在1 m以?xún)?nèi)，表明數(shù)據(jù)采集的觀測(cè)環(huán)境較好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，為后續(xù)評(píng)估北斗在較高緯度的變形監(jiān)測(cè)性能提供了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、監(jiān)測(cè)精度分析

在數(shù)據(jù)處理之前，本文利用GAMIT軟件對(duì)多天的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得了各測(cè)站達(dá)毫米級(jí)的點(diǎn)位坐標(biāo)，以此作為真值供后續(xù)使用。首先利用自主研制的北斗高精度變形監(jiān)測(cè)軟件對(duì)上述60個(gè)時(shí)段的BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，同時(shí)利用與北斗高精度變形監(jiān)測(cè)軟件相同算法與策略的GPS變形監(jiān)測(cè)軟件對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在各時(shí)段解與真值作差后獲得E、N、U 3個(gè)方向上的殘差序列，繪制了殘差序列圖。限于篇幅，僅顯示HC01和HC03兩個(gè)測(cè)站的結(jié)果，如圖6、圖7所示。其中圓點(diǎn)為BDS數(shù)據(jù)處理結(jié)果，三角形為GPS結(jié)果。

從圖中可以看出，BDS基線解算結(jié)果在E分量上的波動(dòng)在5 mm 以?xún)?nèi)，與GPS 解算結(jié)果精度相當(dāng)；N分量上，BDS 解算結(jié)果波動(dòng)在1 cm以?xún)?nèi)，而 GPS 解算結(jié)果在4 mm 以?xún)?nèi)；U分量上，BDS 解算結(jié)果波動(dòng)在1.5 cm以?xún)?nèi)，GPS 解算結(jié)果在8 mm以?xún)?nèi)。由以上對(duì)比可知，BDS解算結(jié)果與GPS結(jié)果在E分量上吻合較好，而N、U分量BDS數(shù)據(jù)處理結(jié)果均與GPS結(jié)果存在一定差距。

圖5　偽距多路徑效應(yīng)MP2

圖6　HC01監(jiān)測(cè)站殘差序列圖

由圖中還可以看出，單BDS數(shù)據(jù)處理結(jié)果各基線序列均表現(xiàn)為E分量結(jié)果最好，N分量次之，U分量較差，這主要是由于BDS系統(tǒng)的衛(wèi)星在東西方向上分布較為均勻，南北方向分布不均，造成南北方向的衛(wèi)星幾何強(qiáng)度比東西方向差，因此對(duì)南北方向和垂直方向的精度造成一定的影響。

本文對(duì)BDS和GPS 60個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行了基線重復(fù)性統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。從表中可以看出，BDS基線重復(fù)性在水平方向上優(yōu)于7 mm，垂直方向上優(yōu)于1 cm。而GAMIT處理的GPS結(jié)果在水平方向上可達(dá)到3 mm，垂直方向上可達(dá)到5 mm。這種差距主要是由于BDS系統(tǒng)星座組網(wǎng)尚未完成導(dǎo)致的，隨著B(niǎo)DS衛(wèi)星星座的不斷完善，其數(shù)據(jù)處理精度必定會(huì)進(jìn)一步提高。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文在較高緯度的東北地區(qū)搭建了北斗變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，利用北斗高精度變形監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)北斗在較高緯度的變形監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行了分析。得出，在東北地區(qū)采集到的北斗數(shù)據(jù)較好，數(shù)據(jù)解算的多個(gè)測(cè)段對(duì)應(yīng)基線水平方向重復(fù)性?xún)?yōu)于7 mm，垂直方向重復(fù)性?xún)?yōu)于1 cm，相較于GPS結(jié)果還存在一定差距。這主要是因?yàn)楸倍沸l(wèi)星星座組網(wǎng)尚未完成，未能獲得較好的衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)，隨著B(niǎo)DS衛(wèi)星星座的不斷完善，其監(jiān)測(cè)精度必定會(huì)進(jìn)一步提高。然而北斗變形監(jiān)測(cè)在當(dāng)前的星座下依然可為東北地區(qū)多種工程建筑物及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴吾蛟. GPS精密動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理理論與方法研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2007.

[2]陳永奇,LUTES J. 單歷元GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法的研究[J]. 武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998(4)：45-49，84.

[3]姜衛(wèi)平, 劉鴻飛, 劉萬(wàn)科,等. 西龍池上水庫(kù) GPS 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2012,37(8): 949-952.

[4]張小紅, 李征航. 高精度 GPS 形變監(jiān)測(cè)的新方法及模型研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2001, 26(5): 451-454.

[5]席瑞杰, 肖玉鋼, 劉邢巍. GPS 變形監(jiān)測(cè)中提取大變形量的單歷元解算方法研究[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2015, 35(1): 26-29.

[6]楊元喜,李金龍,王愛(ài)兵,等. 北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評(píng)估[J].中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014，44(1):72-81.

[7]楊元喜. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào),2010，39(1):1-6.

[8]施闖,趙齊樂(lè),李敏,等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究[J]. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2012,42(6):854-861.

[9]XI Ruijie,XIAO Yugang,LIU Xingwei, et al. Feasibility Analysis of High-Precision Deformation Monitoring Using Beidou Navigation Satellite System[C]//China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2015 Proceedings: Volume I. Berlin Heidelberg：Springer，2015: 27-34.

[10]HOFFMANN-WELLENHOF B, LICHTENEGGER H, COLLINS J. GPS Theory and Practice[M]. 3rd ed. New York:Springer-Verlag，1994.

中圖分類(lèi)號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)04-0033-05

作者簡(jiǎn)介：丁盼(1990—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)镚NSS變形監(jiān)測(cè)。E-mail：m13163295218@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41374033)

收稿日期：2015-07-13

引文格式： 丁盼，席瑞杰，肖玉鋼. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測(cè)性能分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(4)：33-37.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0116.