田江博

(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 71000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellitesystem，BDS)是我國自主設(shè)計(jì)運(yùn)營的導(dǎo)航系統(tǒng)，建設(shè)完成的北斗二號(hào)可以向亞太地區(qū)提供高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航與定位服務(wù)[1-2]。北斗二號(hào)于2012年底建設(shè)完成，共有14顆在軌衛(wèi)星組成，其中，5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、4顆中地球軌道(MEO)衛(wèi)星和5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星，北斗二號(hào)的總體性能與GPS相當(dāng)[3]。北斗二號(hào)與GPS不同的是每顆衛(wèi)星都可以播發(fā)三個(gè)頻率的信號(hào)，B1頻率1 561.098 MHz，B2頻率1 207.14 MHz，B3頻率1 268.52 MHz，目前標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位算法比較成熟，但是北斗多頻組合標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位將為用戶提供更多的選擇[4]。在導(dǎo)航與定位中，載波相位定位高于偽距單點(diǎn)定位精度，但是涉及整周模糊度以及定位算法模型等問題，成本高，耗時(shí)耗力。對(duì)于交通運(yùn)輸和地圖導(dǎo)航等領(lǐng)域來說，不需要載波高精度定位，而更關(guān)注偽距單點(diǎn)定位的精度，雙頻無電離層組合標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位有助于提高標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度，削弱一些誤差的影響[5-7]。國內(nèi)很多專家學(xué)者對(duì)北斗標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度進(jìn)行了研究分析，陸亞峰等[8]分析了北斗單點(diǎn)定位與差分定位的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)差分定位精度相比于偽距單點(diǎn)定位精度有了很大的提升；安向東[9]對(duì)比分析了北斗與GPS標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位性能，發(fā)現(xiàn)北斗定位精度優(yōu)于20 m，GPS定位精度優(yōu)于15 m；孫不群等[10]研究了北斗標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位算法，發(fā)現(xiàn)北斗與GPS標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位的三維定位精度基本一致。

根據(jù)目前北斗標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位的研究現(xiàn)狀，本文圍繞北斗標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位算法，利用無電離層組合模型現(xiàn)實(shí)北斗雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析雙頻北斗標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位的精度。

1 標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位及模型

標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位是根據(jù)星歷數(shù)據(jù)計(jì)算得到衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)計(jì)算得到接收機(jī)天線相位中心相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)。其定位原理是空間后方交會(huì)，需要同步觀測到4顆或4顆以上的衛(wèi)星。對(duì)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，由于其星座設(shè)計(jì)是混合星座，GEO衛(wèi)星位置在計(jì)算過程中與GPS不同，其他過程基本一致。

正常情況下標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位的只利用單頻數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，其公式如下[11]：

P=ρ+c(δtr-δts)+Δtrop+Δion+ε

(1)

式中，P為偽距觀測值；ρ為站星間幾何距離；δtr為接收機(jī)鐘差；δts為衛(wèi)星鐘差；Δtrop為對(duì)流層延遲；Δion為電離層延遲；ε為偽距噪聲。

無電離層組合標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位觀測值表示為[4]：

Pmn=amnPm+bmnPn

(2)

(3)

(4)

式(2)、式(3)、式(4)中，Pmn為組合偽距觀測值；(Pm,Pn)為頻率(m，n)的偽距觀測值；(fm,fn)為頻點(diǎn)(m，n)的頻率；(amn,bmn)為無電離層組合系數(shù)。

2 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)分析采用GNSS全球評(píng)估結(jié)構(gòu)MGEX機(jī)構(gòu)發(fā)布的跟蹤站STR1和YARR，觀測時(shí)間為2018年9月20日00∶00～24∶00，采樣頻率為30 s，能接收到B1、B2、B3三個(gè)頻率的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)采用三種方案：B1/B2組合、B1/B3組合和B2/B3組合。通過分析經(jīng)過不同解算方案得到的衛(wèi)星數(shù)、坐標(biāo)偏差以及定位精度對(duì)比不同組合頻率的定位精度。先對(duì)不同組合頻率的可見衛(wèi)星數(shù)進(jìn)行分析。

圖1 STR1站可見衛(wèi)星數(shù)

圖2 YARR站可見衛(wèi)星數(shù)

如圖1所示，STR1站北斗不同頻率組合可見衛(wèi)星數(shù)隨觀測時(shí)間的變化呈現(xiàn)不同，B1/B2組合略多于B1/B3組合和B2/B3組合，B1/B3組合和B2/B3組合可見衛(wèi)星數(shù)變化趨勢一致，B1/B2組合可見衛(wèi)星數(shù)在8～11顆之間，平均衛(wèi)星可見數(shù)為9顆，B1/B3組合和B2/B3組合可見衛(wèi)星數(shù)在7～11顆之間，平均衛(wèi)星可見數(shù)為8顆。如圖2所示，YARR站北斗不同頻率組合可見衛(wèi)星數(shù)隨觀測時(shí)間的變化呈現(xiàn)不同，B1/B2組合略多于B1/B3組合略多于B2/B3組合， B1/B2組合可見衛(wèi)星數(shù)在8～11顆之間，平均衛(wèi)星可見數(shù)為9顆，B1/B3組合可見衛(wèi)星數(shù)在7～10顆之間，平均衛(wèi)星可見數(shù)為8顆，B2/B3組合可見衛(wèi)星數(shù)在7～10顆之間，平均衛(wèi)星可見數(shù)為8顆。

如圖3所示，STR1站三種組合頻率的三個(gè)方向坐標(biāo)偏差呈現(xiàn)明顯的不同，B1/B2組合X方向偏差在4 m以內(nèi)，Y方向偏差在6 m以內(nèi)，Z方向偏差在10 m以內(nèi)；B1/B3組合X方向偏差在3 m以內(nèi)，Y方向偏差在4 m以內(nèi)，Z方向偏差在10 m以內(nèi)；B2/B3組合X方向偏差在5 m以內(nèi)，Y方向偏差8 m以內(nèi)，Z方向偏差在15 m以內(nèi)。

圖3 STR1站北斗雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位坐標(biāo)偏差

圖4 YARR站北斗雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位坐標(biāo)偏差

如圖4所示，YARR站三種組合頻率的三個(gè)方向坐標(biāo)偏差呈現(xiàn)明顯的不同，B1/B2組合X方向偏差在4 m以內(nèi)，Y方向偏差在4 m以內(nèi)，Z方向偏差在10 m以內(nèi)；B1/B3組合X方向偏差在3 m以內(nèi)，Y方向偏差在4 m以內(nèi)，Z方向偏差在9 m以內(nèi)；B2/B3組合X方向偏差在5 m以內(nèi)，Y方向偏差8m以內(nèi)，Z方向偏差在20 m以內(nèi)。為了進(jìn)一步分析北斗雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度，統(tǒng)計(jì)STR1站和YARR站的內(nèi)外符合精度。

表1 STR1站內(nèi)外符合精度統(tǒng)計(jì)

表2 YARR站內(nèi)外符合精度統(tǒng)計(jì)

如表1和表2所示，STR1站和YARR站的標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度基本一致，B1/B2組合X方向定位精度在0.9 m左右，Y方向定位精度在1.7 m左右，Z方向定位精度在4 m左右；B1/B3組合定位X方向精度在0.7 m左右，Y方向定位精度在1.5 m左右，Z方向定位精度在3.5 m左右；B2/B3組合X方向定位精度在2 m左右，Y方向定位精度在3 m左右，Z方向定位精度在6 m左右。

3 結(jié) 論

本文利用無電離層組合模型實(shí)現(xiàn)北斗雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位，并根據(jù)MGEX機(jī)構(gòu)發(fā)布的STR1和YARR站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，發(fā)現(xiàn)B1/B3組合定位精度最高，B2/B3組合定位精度較差，可能含有大量噪聲，北斗雙頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位X方向定位精度優(yōu)于2 m，Y分析定位精度優(yōu)于3 m，Z方向定位精度優(yōu)于6 m。