樊 濤

(32017部隊，西藏 拉薩 850013)

隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)需求的不斷加大，全球GNSS系統(tǒng)正處于快速發(fā)展階段，除GPS、GLONASS、Galileo以及BDS四大系統(tǒng)外，日本的區(qū)域系統(tǒng)QZSS于2018年初正式提供服務[1-2]。QZSS系統(tǒng)是日本于2010年開始建設的新一代區(qū)域性導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)的服務范圍是亞太地區(qū)，由4顆衛(wèi)星組成，其中3顆HEO和1顆GEO，特殊的軌道設計極大提升了用戶衛(wèi)星可見時間[3-4]。QZSS系統(tǒng)可以播發(fā)多個頻段信號，其中L1、L2、L5與GPS系統(tǒng)對應的頻率的重疊，極大的增加了QZSS與GPS組合定位的兼容性[5-6]。除此之外，QZSS系統(tǒng)還播發(fā)L1-SAIF和LEX兩種增強信號，其中L1-SAIF用于亞米級增強服務，目的在于提升基于標準單點定位算法的實時導航與定位服務精度；LEX則是用于厘米級增強服務，目的在于提升基于精密單點定位算法的實時導航與定位服務精度[7-8]。自QZSS系統(tǒng)開始提供服務，各專家學者即研究了QZSS與其他系統(tǒng)組合的定位性能，郝茂森等[9]評估了QZSS亞米級增強服務和MSAS增強定位性能，發(fā)現(xiàn)日本境內(nèi)的QZSS系統(tǒng)的SLAS和MSAS增強效果優(yōu)于其他地區(qū)，距離中心區(qū)域越遠增強效果越弱，甚至超出一定距離后，呈現(xiàn)負增長，同時發(fā)現(xiàn)SLAS的增強效果要優(yōu)于MSAS；布金偉等[10]評估了BDS/QZSS及其組合系統(tǒng)在中國和日本及周邊地區(qū)的定位性能，發(fā)現(xiàn)QZSS能有效增加BDS衛(wèi)星可見數(shù)和改善衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型，QZSS衛(wèi)星的多路徑效應變化情況與BDS相當，信噪比要優(yōu)于BDS系統(tǒng)IGSO，在高度角為40°時，能使BDS靜態(tài)精密單點定位精度提升20%以上，使動態(tài)精密單點定位精度提升30%以上，QZSS能有效增強遮擋環(huán)境下的BDS定位性能；何巧等[11]分析了GPS/QZSS雙系統(tǒng)組合定位性能，發(fā)現(xiàn)QZSS能有效改善各種遮擋情況下GPS定位性能，改善效果在高度角情況下最為明顯；張玉英[12]評估了BDS+QZSS雙系統(tǒng)組合PPP性能，發(fā)現(xiàn)QZSS能有效改善BDS單系統(tǒng)衛(wèi)星可見數(shù)與衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型，能有效提升BDS靜態(tài)PPP精度以及加速收斂速度，尤其是在極端高度角情況下效果更明顯。

為詳細分析QZSS對GPS兼容頻率相對定位精度的影響，本文基于一組自測短基線實驗數(shù)據(jù)，分析了QZSS系統(tǒng)對GPS單頻、雙頻以及三頻兼容頻率相對定位精度的影響。

1 相對定位模型

為消除接收機鐘差和衛(wèi)星鐘差，消弱對流層以及電離層誤差，在進行相對定位時，無電離層雙差組合模型是常用的模型，表示如下[13-15]：

(1)

在式(1)的基礎上構(gòu)建GPS/QZSS組合方程，表示如下：

(2)

在式(2)的基礎上進一步得到誤差方程如下：

(3)

其中：

式中，J為QZSS；G為GPS；dX為測站坐標改正數(shù)；A、B分別為改正系數(shù)和整周模糊度的系數(shù)矩陣；(x0,y0,z0)為測站近似坐標；(xn,yn,zn)為衛(wèi)星坐標。

2 實驗分析

2.1 數(shù)據(jù)來源及解算策略

本文采用實驗數(shù)據(jù)為自測實驗數(shù)據(jù)，由2個接收機組成的一條約5 km長的短基線，接收機類型為TRIMBLE NETR9，天線類型為TRM59800.00，采樣間隔為30 s，觀測時間為2020年1月2日8：00：00～1月3日8：00：00。在進行數(shù)據(jù)處理時，主要采用兩種數(shù)據(jù)測量，第一種：解算只含有GPS衛(wèi)星L1、L2、L1/L2、L1/L5、L2/L5、L1/L2/L5兩種不同頻率組合情況下的相對定位數(shù)據(jù)，由于當前GPS播發(fā)L5頻率的衛(wèi)星較少，因此不單獨進行解算L5頻率相對定位數(shù)據(jù)；第二種：在第一種解算測量的基礎上，對GPS不同頻率數(shù)據(jù)進行解算時，加入QZSS系統(tǒng)對應的重疊頻率。

2.2 結(jié)果分析

衛(wèi)星可見數(shù)與位置精度因子(Position Dilution of Precision，PDOP)值作為影響定位精度的重要因素，首先對GPS和GPS/QZSS兩種情況下的衛(wèi)星可見數(shù)與PDOP值進行分析。

通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，QZSS系統(tǒng)的加入使觀測時段內(nèi)的GPS衛(wèi)星可見數(shù)有所增加，GPS平均衛(wèi)星可見數(shù)為7顆，GPS/QZSS組合平均衛(wèi)星可見數(shù)為9顆，QZSS系統(tǒng)使GPS平均衛(wèi)星可見數(shù)增加了2顆。如圖2所示，QZSS系統(tǒng)的加入使觀測時段內(nèi)GPS的PDOP值有所減小，GPS平均PDOP值為1.56，GPS/QZSS組合的平均PDOP值為1.39，QZSS系統(tǒng)使GPS平均PDOP值減少了0.17。

圖1 GPS和GPS/QZSS衛(wèi)星可見數(shù)

圖2 GPS和GPS/QZSS 的PDOP值

根據(jù)兩種不同的數(shù)據(jù)處理策略，采用自編軟件，對GPS和GPS/QZSS不同情況下重疊頻率相對定位數(shù)據(jù)進行解算，得到每個歷元下的坐標值。以聯(lián)合CORS站平差解算得到的坐標為真值，通過單歷元坐標值與真值做差，計算得到不同情況下E、N、U三個方向誤差序列如下。

如圖3～圖8所示，GPS和GPS/QZSS組合L1頻率、L1/L2頻率、L1/L5頻率以及L1/L2/L5頻率短基線相對定位E方向和N方向定位誤差在±2 cm范圍內(nèi)波動，U方向定位誤差在±5 cm范圍內(nèi)波動，而L2頻率和L2/L5頻率相比另外四種頻率相對定位誤差略大，E方向和N方向定位誤差在±3 cm范圍內(nèi)波動，U方向定位誤差在±6 cm范圍內(nèi)波動。同時可以發(fā)現(xiàn)GPS/QZSS重疊頻率相對定位誤差要比GPS小，但是減小量并不明顯。

圖3 GPS與GPS/QZSS組合L1重疊頻率相對定位E、N、U方向誤差

圖4 GPS與GPS/QZSS組合L2重疊頻率相對定位E、N、U方向誤差

圖5 GPS與GPS/QZSS組合L1/L2重疊頻率相對定位E、N、U方向誤差

圖6 GPS與GPS/QZSS組合L1/L5重疊頻率相對定位E、N、U方向誤差

圖7 GPS與GPS/QZSS組合L2/L5重疊頻率相對定位E、N、U方向誤差

圖8 GPS與GPS/QZSS組合L1/L2/L5重疊頻率相對定位E、N、U方向誤差

進一步放大QZSS系統(tǒng)對GPS重疊頻率短基線相對定位精度的影響，統(tǒng)計GPS和GPS/QZSS組合E、N、U以及3D方向定位精度(RMS)以及QZSS對GPS系統(tǒng)3D方向精度的提升。

如表1所示，GPS單系統(tǒng)L1、L2、L1/L2、L1/L5和L2/L5五種頻率短基線相對定位E方向和N方向定位精度優(yōu)于0.55 cm，U方向定位精度優(yōu)于1.20 cm，L1/L2/L5三頻組合短基線相對定位E方向和N方向定位精度優(yōu)于0.45 cm，U方向定位精度優(yōu)于1.00 cm。GPS/QZSS重疊頻率組合短基線相對定位精度相比GPS單系統(tǒng)定位精度有所提升，L1、L2、L1/L2、L1/L5和L2/L5五種頻率短基線相對定位E方向和N方向定位精度優(yōu)于0.50 cm，U方向定位精度優(yōu)于1.20 cm，L1/L2/L5三頻組合短基線相對定位E方向和N方向定位精度優(yōu)于0.40 cm，U方向定位精度優(yōu)于0.95 cm。而QZSS對GPS單系統(tǒng)不同頻率短基線相對定位3D方向定位精度的提升量在10%到15%之間，對不同頻率定位精度提升量關系為：L1>L1/L5>L2>L2/L5>L1/L2>L1/L2/L5。

表1 不同頻率E、N、U、3D方向相對定位RMS

3 結(jié) 論

針對QZSS系統(tǒng)對GPS兼容頻率短基線相對定位精度的影響，本文基于自測試5 km短基線實測數(shù)據(jù)，首次分析了QZSS對GPS單頻、雙頻以及三頻組合重疊頻率相對定位精度的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，QZSS系統(tǒng)能有效改善GPS衛(wèi)星可見數(shù)與衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型，使GPS單系統(tǒng)短基線相對定位誤差有一定減小，且有效提升了GPS單系統(tǒng)短基線相對定位精度，使不同頻率組合3D方向定位精度提升量在10%到15%之間，這對今后短基線相對定位技術在實際工程中的應用具有一定的參考意義。

當前只分析了QZSS對GPS兼容頻率短基線相對定位精度的影響，需進一步分析QZSS對GPS兼容頻率中長基線相對定位精度的影響。