葉作安，繆錦根

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津　300304；2.交通運輸部天津海事測繪中心，天津　300222)

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GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究

葉作安1，繆錦根2

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津300304；2.交通運輸部天津海事測繪中心，天津300222)

為了提高不同GNSS(GPS、BDS及GLONASS)星座(包括單星座及組合星座)的實際定位精度和可靠性，以海星達H32全能型GNSS-RTK為試驗儀器，分別采用單星座、雙星座和三星座進行了RTK定位精度試驗研究。研究結(jié)果表明：GPS+GLONASS雙星座組合定位的精度最高；GPS+GLONASS+BDS三星座組合定位的可靠性最強；星座組合所獲取測點坐標，Y方向的精度最高，高程H方向的精度最低；對GNSS-RTK所采集測點坐標進行內(nèi)業(yè)處理時，通過限制PDOP值的大小就能夠在確保足夠的定位精度的同時，還能過濾測量粗差，從而提高GNSS-RTK測量定位的可靠性。

GPS/BDS/GLONASS；星座組合定位；RTK定位精度；可靠性

0　引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)作為一種基于空間衛(wèi)星的無線定位導航方式，憑借其范圍廣、全天候、精度高、成本低、功耗小、無誤差積累等諸多優(yōu)點在國家安全和社會經(jīng)濟發(fā)展中有著不可替代的重要作用。目前可提供服務的GNSS有美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)和我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)，歐盟正在發(fā)展中的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)等。為了能夠有效發(fā)揮當前在軌運行的GPS、GLONASS、BDS 等3個GNSS系統(tǒng)的綜合優(yōu)點，已經(jīng)有許多學者研究了將不同GNSS星座進行的組合定位理論方法，獲得了初步結(jié)果[3-8]。在儀器制造方面，能夠同時接收GPS/GLONASS/BDS導航衛(wèi)星信號的GNSS接收機也已經(jīng)面市，這為研究不同星座組合定位的實際精度成為可能。為了探究采用不同星座組合進行RTK的實際測量精度，作者利用海星達H32接收機采集單星座(GPS)、雙星座(GPS+GLONASS、GPS+BDS)和三星座(GPS+GLONASS+BDS)等不同組合的定位信息進行RTK定位精度試驗，利用采集的定位信息，分析研究了不同星座條件下公共衛(wèi)星數(shù)、空間位置精度因子(position dilution of precision，PDOP)、平面坐標(X，Y)和高程(H)的精度，得出了一些用于指導今后測量工作的有益結(jié)論。

1　GPS/BDS/GLONASS星座組合RTK定位精度試驗

試驗采用能夠接收GPS/BDS/GLONASS 信號的8臺海星達H32接收機，將這8臺接收機同時架設在一個視野開闊的空場地(如圖1所示)，其中一臺作為基準站，其他7臺作為流動站。海星達H32接收機不能關(guān)掉GPS信號，故星座組合試驗方案每種星座中都不得不包含GPS，即：1)采用單星座(GPS)連續(xù)采集30 min(僅接收GPS信號)；2)采用雙星座(GPS+GLONASS)連續(xù)采集30 min(同時接收GPS和GLONASS信號)；3)采用雙星座(GPS +BDS)連續(xù)采集30 min(同時接收GPS和BDS信號)；4)采用三星座(GPS+GLONASS+BDS)連續(xù)采集30 min(同時接收GPS、GLONASS和BDS信號)。各流動站RTK的數(shù)據(jù)采樣頻率均設為1 Hz，下面選擇其中一臺具有普遍代表性的流動站的數(shù)據(jù)進行分析。

圖1　GNSS-RTK星座組合試驗現(xiàn)場

1.1GNSS-RTK星座組合實測參數(shù)統(tǒng)計分析

GNSS-RTK星座組合30 min采集定位數(shù)據(jù)試驗時的中誤差、PDOP值和衛(wèi)星數(shù)的統(tǒng)計值(從最小值到最大值的變化范圍)列于表1中。從表1可以看出，星座組合的衛(wèi)星數(shù)隨著星座數(shù)的增多明顯增多，PDOP值也隨之減小，高程中誤差mH也有所減小，但坐標中誤差(mX和mY)的減小不太明顯。

表1　星座組合的實測參數(shù)統(tǒng)計值

圖2給出了各星座組合的實時衛(wèi)星數(shù)。從圖3可以看出：單星座GPS的衛(wèi)星數(shù)最少，雙星座GPS+GLONASS組合和GPS+BDS組合的衛(wèi)星數(shù)相差無幾，三星座GPS+GLONASS+BDS組合中的灰色線)的衛(wèi)星數(shù)最多。

圖2　星座組合的衛(wèi)星數(shù)實時對比圖

圖3列出了各星座組合的PDOP值。從圖3可以看出：單星座GPS的PDOP值最大，雙星座GPS+GLONASS組合和GPS+BDS組合的PDOP值基本相當，三星座GPS+GLONASS+BDS組合的PDOP值最小。

圖4～圖6分別列出了各星座組合的X、Y、H方向中誤差。

圖3　星座組合的PDOP值實時對比圖

圖4　星座組合的中誤差mX實時對比圖

圖5　星座組合的中誤差mY實時對比圖

圖6　星座組合的中誤差mH時對比圖

從圖4～圖6可以看出：

1)無論是哪一種星座組合，高程中誤差mH最大(見圖6)，Y坐標中誤差mY最小(見圖5)。

2)與其他星座組合相比，單星座GPS的中誤差既非最小，而且很不穩(wěn)定(圖中可見其變化范圍最大)，說明它的精度不是最高，且可靠性也不強。

3)雙星座GPS+GLONASS組合的中誤差中的黑色線)基本處于圖中的最下部，表明精度最高。

4)三星座GPS+GLONASS+BDS組合，因其衛(wèi)星數(shù)最多、PDOP值最小，按理其中誤差也應該最小，但圖中顯示其基本均處于較上部，即這種星座組合的RTK的定位精度并非最高；但圖中可見線型其線基本都比較平坦，表明測量結(jié)果的可靠性最好。

1.2組合定位的實時坐標誤差分析

本次星座組合定位的試驗中，基準站和各流動站都是靜止、固定不動的，即各流動站上的接收機所測坐標值應為不變的固定值，如果有變化，則變化值即為坐標的隨機(偶然)實時誤差。圖7～圖10分別列出了各星座組合定位的實時坐標誤差。

圖7　單星座(GPS)定位的實時坐標誤差

圖8　雙星座(GPS+GLONASS)組合定位的實時坐標誤差

圖9　雙星座(GPS +BDS)組合定位的實時坐標誤差

圖10　三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合定位的實時坐標誤差

從圖7～圖10可以看出：

1)與實時平面坐標(X，Y)的誤差相比，各星座組合的實時高程H誤差最不穩(wěn)定，其波動范圍(振幅)也最大；但是三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合的實時高程誤差比單星座或雙星座組合的實時高程誤差相對要穩(wěn)定一些，其波動范圍(振幅)也要小一些。

2)對于各星座組合的實時平面坐標(X，Y)的誤差，Y坐標的實時誤差比X坐標的實時誤差要穩(wěn)定一些，其波動范圍(振幅)也要小一些。

3)總體來看，三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合的實時坐標誤差(圖10)比其他星座組合的實時坐標誤差(圖7～圖9)都要穩(wěn)定一些，小一些。

2　實例分析

天津高銀117大廈，地下3層、地上117層，主體結(jié)構(gòu)597 m，目前為在建的中國北方最高的摩天大樓。為掌握天津高銀117大廈主體結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的振動軌跡、主振方向和變形量，筆者采用海星達H32接收機三星座(GPS+GLONASS+BDS)組合的RTK對其進行實時監(jiān)測，在大廈核心筒頂層的樓頂模架(鋼平臺)的4個角上采用強制歸心安裝GNSS-RTK流動站，采樣頻率為1 Hz，在基本風速6級，最大風速19.2 m/s的情況下連續(xù)采集約14 h，得到大廈主體結(jié)構(gòu)在風荷載作用下實時的變化狀態(tài)?；诒敬伪O(jiān)測是在大廈建造期間進行，大廈核心筒頂層的樓頂模架上有塔架，對衛(wèi)星信號有時會有干擾，因此下面以第2號測點為例，在對其采集的平面坐標(X，Y)數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)處理時，分別剔除PDOP值大于6的數(shù)據(jù)和PDOP值大于2.2的數(shù)據(jù)后，得到如圖11和圖12所示的第2號測點在X、Y方向上的振動曲線。

圖11　以PDOP≤6過濾后的振動曲線

圖12　以PDOP≤2.2過濾后的振動曲線

從圖11可以看出：當限定PDOP值≤6時，得到不同時段第2號測點Y方向的最大振幅分別有0.068、0.100、-0.100、0.080；而在圖12中：

當限定PDOP值≤2.2時，對應的Y方向的這些最大振幅被過濾掉了，這說明當PDOP值≤6時，第2號測點Y方向不同時段的最大振幅0.068、0.100、-0.100、0.080可能是粗差或虛假信號，即本文引言中所提到的“飛點”。

3　結(jié)束語

1)星座組合的衛(wèi)星數(shù)隨著星座數(shù)的增多明顯增多，PDOP值也隨之減小，坐標中誤差也有所減小，但并非三星座GPS+GLONASS+BDS組合的坐標中誤差最小，而是雙星座GPS+GLONASS組合的坐標中誤差最小，三星座GPS+GLONASS+BDS組合的可靠性最強。

2)對于各星座組合所采集測點坐標的隨機(偶然)實時誤差，Y坐標的實時誤差比X坐標的實時誤差要穩(wěn)定一些，其波動范圍(振幅)也要小一些，各星座組合的實時高程H的誤差最不穩(wěn)定，其波動范圍(振幅)也最大。這與各星座組合的坐標中誤差的大小和波動規(guī)律是基本吻合的。

3)PDOD值的大小既影響GNSS-RTK的精度，也影響GNSS-RTK的可靠性。在受到現(xiàn)場作業(yè)條件限制的實際工程應用中，在對GNSS-RTK所采集測點坐標進行內(nèi)業(yè)處理時，可以通過限制PDOP值的大小來過濾測量粗差，從而提高GNSS-RTK測量的可靠性。

4)根據(jù)雖然文獻[10]，RTK測量衛(wèi)星的狀態(tài)PDOP值>6不可用，即PDOP值≤6觀測窗口狀態(tài)為可用。PDOP值越小，定位精度越高，可靠性也越高。以本文試驗為例，當2.2≤PDOP值≤6時，仍有一些可能的測量粗差，因此，在某些受到現(xiàn)場作業(yè)條件限制的實際工程應用中，為了同時兼顧測量的精度和可靠性，PDOP值的限值應該規(guī)定得更小一些。

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Research on accuracy and reliability of GNSS-RTK combinations positioning

YE Zuoan1，MIAO Jingen2

(1.Tianjin Surveying and Hydrography Co.，Ltd.，Tianjin 300304，China；2.Tianjin Hydrographic Center，Ministry of Transport of the People's Republic of China，Tianjin 300222，China )

In view of practical accuracy and reliability of various combinations of GPS， GLONASS and BDS，by using of Haixingda H32 receivers of GNSS-RTK，positioning experiments of 1 system，2 combined systems and 3 combined systems were made respectively，and the experimental data were analyzed comparatively.The results showed that the positioning accuracy of GPS + GLONASS combination would be the highest，and the reliability of GPS+GLONASS+BDS combination would be the best.For measured coordinatesX，YandHof each combination，the error of coordinateYwould be the smallest，and the error of heightHwould be the biggest.By limiting of PDOP value in processing the data measured，not only the better positioning accuracy could be ensured，but also the big errors of positioning could be filtered，and the reliability of GNSS-RTK could be enhanced.

GNSS-RTK；system combinations of GNSS；positioning accuracy；reliability

2016-01-18

葉作安(1978—)，男，湖北陽新縣人，本科學歷，工程師，注冊測繪師，研究方向為工程變形監(jiān)測。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160316.

P228

A

2095-4999(2016)03-0077-05

引文格式：葉作安，繆錦根.GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究[J].導航定位學報，2016，4(3)：77-81.(YE Zuoan，MIAO Jingen.Research on accuracy and reliability of GNSS-RTK combinations positioning[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：77-81.)