丁　盼，席瑞杰，肖玉鋼

(武漢大學測繪學院， 湖北 武漢 430079)

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

丁盼，席瑞杰，肖玉鋼

(武漢大學測繪學院， 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，我國北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式運行滿2年。目前北斗衛(wèi)星導航系統(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°。由于我國東北地區(qū)所處緯度較高，可能會受到北斗星座不完善的影響。為了分析我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測中的監(jiān)測性能，本文在哈爾濱地區(qū)搭建了北斗變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺并研制了北斗高精度變形監(jiān)測軟件。通過對連續(xù)10 d的實測數(shù)據(jù)進行處理，測試評估了北斗在變形監(jiān)測中的數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度。試驗結(jié)果表明，東北地區(qū)短基線變形監(jiān)測條件下，北斗變形監(jiān)測多個測段對應(yīng)基線N、E分量重復(fù)性優(yōu)于7 mm，U分量重復(fù)性優(yōu)于1 cm。

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

作為當今最先進的變形監(jiān)測手段之一，GNSS定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大型建筑物(如大壩、水庫等)、滑坡體、構(gòu)造運動等變形監(jiān)測中[1-5]，并取得了較好的監(jiān)測效果。如文獻[2]的GPS高精度變形監(jiān)測軟件GPSMON可實現(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[3]的大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)4 h時段解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的變形監(jiān)測工作中穩(wěn)定運行。可見，GPS技術(shù)已趨于成熟，在GNSS高精度變形監(jiān)測中占據(jù)著主導地位。

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

但目前北斗衛(wèi)星導航系統(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)可能會受到北斗星座不完善的影響，文獻[9]并未針對較高緯度的監(jiān)測性能作深入分析。為此本文在北緯46°、東經(jīng)126°搭建了北斗變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺，并利用北斗高精度變形監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)處理，評估了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在東北地區(qū)高精度變形監(jiān)測中的數(shù)據(jù)質(zhì)量和監(jiān)測精度，為北斗系統(tǒng)用于較高緯度地區(qū)變形監(jiān)測提供一定的技術(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

為開展北斗變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量及精度評估，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自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，其中基準站為HB01，監(jiān)測站為HC01、HC02、HC03、HB02。HB01和HC01相距4 m，HC02、HC03、HB02三個站平均距離為4 m，HB01和HB02相距290 m，如圖1所示。儀器配置均采用Trimble NET R9接收機及CHOKE RING天線(TRM59900.00)，天線固定在強制對中基座上(安裝于觀測墩上)，觀測墩要求嚴格水平。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，采樣間隔為15 s。同時接收和存儲BDS和GPS觀測數(shù)據(jù)，后期對兩個系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)分別進行解算以便進行對比分析。

圖1　變形監(jiān)測網(wǎng)

2. 數(shù)據(jù)處理軟件

本文針對變形監(jiān)測的短基線特點，顧及高精度的需求，對GNSS基線解算模型進行精化，開發(fā)了北斗基線解算軟件。主要模型及基線處理策略見表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)可能需要進一步完善。在進行試驗之前對北斗試驗數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，包括衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)精度因子(PDOP)等觀測情況，并分析了觀測過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)星可見性及PDOP值分析

試驗數(shù)據(jù)采用的是基準站HB01站在2015年3月18日(DOY=077)一整天的北斗觀測數(shù)據(jù)，采樣間隔是15 s，共采集了5760個歷元的數(shù)據(jù)。分別統(tǒng)計了一天內(nèi)的可見衛(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測站，每個歷元可觀測北斗衛(wèi)星5～10顆，平均可觀測到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，且個別歷元出現(xiàn)跳躍的現(xiàn)象，與衛(wèi)星數(shù)曲線對比可以看出，PDOP出現(xiàn)跳躍主要與衛(wèi)星個數(shù)變化即衛(wèi)星的出現(xiàn)和消失有關(guān)，因此從衛(wèi)星可見數(shù)及幾何精度因子來看，北斗衛(wèi)星可實現(xiàn)基本的導航定位需求，但在若干時段可能出現(xiàn)精度下降的現(xiàn)象。

圖2　衛(wèi)星數(shù)及PDOP 值

同時，本文計算了衛(wèi)星的高度角和方位角，繪出了第77天的衛(wèi)星天空圖，如圖 3所示。其中，1—4號衛(wèi)星為GEO衛(wèi)星， 6—10號衛(wèi)星為IGSO衛(wèi)星， 11、12和14號衛(wèi)星為MEO衛(wèi)星。由圖可見，在HB01測站，一天內(nèi)可觀測到12顆在軌正常運行的北斗衛(wèi)星；由于1—4號衛(wèi)星為地球靜止同步軌道衛(wèi)星，因此衛(wèi)星相對于測站基本處于靜止狀態(tài)，衛(wèi)星軌跡為點狀；6—10號衛(wèi)星為傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，在天空圖里顯示為“8字”形。而5號衛(wèi)星和13號衛(wèi)星在所有時段中均觀測不到，主要是因為測站緯度較高造成的。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測站衛(wèi)星天空圖

2. 多路徑分析

衛(wèi)星信號與經(jīng)附近反射物進入接收機天線的信號產(chǎn)生干涉引起的時延，稱為多路徑效應(yīng)。多路徑誤差常常與測站周圍的環(huán)境有關(guān)，在一定程度上表現(xiàn)為偶然誤差，很難進行模型化[10]，是GPS測量的一個主要誤差源。在試驗前對多路徑效應(yīng)進行分析，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)。由于載波相位觀測值受到的多路徑影響較偽距觀測值小得多，因此，在進行多路徑分析時，僅利用偽距多路徑信息來評估數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文使用2015年第77天一整天的數(shù)據(jù)計算了HB01站觀測到的所有北斗衛(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，1號衛(wèi)星一天里高度角變化較小，為45°左右，MP1、MP2變化在1 m以內(nèi)，并且較為平緩；2號衛(wèi)星的MP1、MP2變化較大，可能是由于附近有遮擋導致，但普遍也在1 m以內(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，且在高度角較低時受到的多路徑較為嚴重。但是，除極少數(shù)時段外，所有衛(wèi)星的多路徑均在2 m以內(nèi)，高度角較高的情況下均在1 m以內(nèi)，表明數(shù)據(jù)采集的觀測環(huán)境較好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，為后續(xù)評估北斗在較高緯度的變形監(jiān)測性能提供了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、監(jiān)測精度分析

在數(shù)據(jù)處理之前，本文利用GAMIT軟件對多天的GPS數(shù)據(jù)進行處理，求得了各測站達毫米級的點位坐標，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)測軟件對上述60個時段的BDS數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)處理，同時利用與北斗高精度變形監(jiān)測軟件相同算法與策略的GPS變形監(jiān)測軟件對GPS數(shù)據(jù)進行處理，然后在各時段解與真值作差后獲得E、N、U 3個方向上的殘差序列，繪制了殘差序列圖。限于篇幅，僅顯示HC01和HC03兩個測站的結(jié)果，如圖6、圖7所示。其中圓點為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分量上的波動在5 mm 以內(nèi)，與GPS 解算結(jié)果精度相當；N分量上，BDS 解算結(jié)果波動在1 cm以內(nèi)，而 GPS 解算結(jié)果在4 mm 以內(nèi)；U分量上，BDS 解算結(jié)果波動在1.5 cm以內(nèi)，GPS 解算結(jié)果在8 mm以內(nèi)。由以上對比可知，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)星幾何強度比東西方向差，因此對南北方向和垂直方向的精度造成一定的影響。

本文對BDS和GPS 60個時段的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行了基線重復(fù)性統(tǒng)計(見表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到3 mm，垂直方向上可達到5 mm。這種差距主要是由于BDS系統(tǒng)星座組網(wǎng)尚未完成導致的，隨著BDS衛(wèi)星星座的不斷完善，其數(shù)據(jù)處理精度必定會進一步提高。

四、結(jié)束語

本文在較高緯度的東北地區(qū)搭建了北斗變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺，利用北斗高精度變形監(jiān)測軟件，對北斗在較高緯度的變形監(jiān)測性能進行了分析。得出，在東北地區(qū)采集到的北斗數(shù)據(jù)較好，數(shù)據(jù)解算的多個測段對應(yīng)基線水平方向重復(fù)性優(yōu)于7 mm，垂直方向重復(fù)性優(yōu)于1 cm，相較于GPS結(jié)果還存在一定差距。這主要是因為北斗衛(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BDS衛(wèi)星星座的不斷完善，其監(jiān)測精度必定會進一步提高。然而北斗變形監(jiān)測在當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)測提供技術(shù)支撐。

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中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0033-05

作者簡介：丁盼(1990—)，男，碩士生，主要研究方向為GNSS變形監(jiān)測。E-mail：m13163295218@163.com

基金項目：國家自然科學基金(41374033)

收稿日期：2015-07-13

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