申麗麗，郭際明，王 磊

（1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

多GNSS系統(tǒng)組合在城市峽谷中的定位性能分析

申麗麗1，郭際明1，王 磊1

（1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

隨著多GNSS系統(tǒng)的部署，利用多GNSS組合定位有可能解決GNSS在城市中定位效果不理想的問題。討論了聯(lián)合多GNSS系統(tǒng)組合定位的關鍵問題， 包括時空基準的統(tǒng)一和系統(tǒng)間偏差的處理；通過分析比較，確定了合理的多系統(tǒng)組合定位函數(shù)模型，并通過多系統(tǒng)組合定位實驗證明，利用多系統(tǒng)組合的方法可提高GNSS系統(tǒng)在城市峽谷中定位的可用性和可靠性。

多GNSS系統(tǒng)組合；城市峽谷； 可用性；可靠性

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）已廣泛應用于各導航定位領域，特別是在智能交通領域，發(fā)揮了巨大作用，具有廣闊的市場前景。GNSS 技術可連續(xù)實時地獲得可靠的用戶位置，但需要保持對4顆以上衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤。在開闊區(qū)域，通?？刹东@5～11顆GPS衛(wèi)星信號，完全滿足定位需求。然而在人類活動密集的城市區(qū)域，由于建筑物、樹木等遮擋，很難保證連續(xù)跟蹤4顆以上的衛(wèi)星信號。由于建筑物在道路兩側造成的對衛(wèi)星信號的遮擋，通常稱為城市峽谷問題。該問題可通過偽衛(wèi)星技術、多傳感器集成技術（如GPS/INS 組合）、三維地圖匹配技術[1]以及多GNSS系統(tǒng)組合定位等方式解決。同時，在美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)的基礎上，中國BeiDou系統(tǒng)、歐盟Galileo系統(tǒng)以及日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）系統(tǒng)也在加快部署，預計到2020年，可用的導航衛(wèi)星數(shù)將達到100顆以上。多GNSS系統(tǒng)可保證在較高截止高度角的情況下也有足夠的可見衛(wèi)星數(shù)，因而對城市峽谷定位很有幫助。本文嘗試利用目前可用的多GNSS系統(tǒng)（包括GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、BeiDou系統(tǒng)以及QZSS系統(tǒng)）組合定位來提高GNSS在城市峽谷中定位的可用性和可靠性。

1 多系統(tǒng)組合定位的關鍵問題

多系統(tǒng)組合定位的數(shù)學模型與單一系統(tǒng)定位相比更加復雜。多系統(tǒng)融合面臨兩個關鍵問題：多系統(tǒng)時空基準的統(tǒng)一和系統(tǒng)間偏差的處理。

1.1 多系統(tǒng)組合時空基準的統(tǒng)一

由于導航定位系統(tǒng)的時間基準和空間基準由各導航系統(tǒng)的控制中心維持。各控制中心的基準維持技術、方法、定義等多方面的差異將導致不同導航系統(tǒng)的時空基準存在差異。

在時間基準上，5大系統(tǒng)均采用原子秒長作為導航系統(tǒng)時間的秒長，因此時間尺度上是統(tǒng)一的；但各時間系統(tǒng)的原點不同，導致不同時間系統(tǒng)不統(tǒng)一。國際原子時是以原子秒長為單位的連續(xù)時間系統(tǒng)。UTC在1972年1月1日0時與國際原子時（TAI）對齊，并保證與世界時之間的差異小于0．9 s。由于地球自轉變慢，UTC與國際原子時之間的差異逐漸變大，大于1 s的部分使用跳秒來補償。UTC有明確的物理意義，但不是連續(xù)的時間系統(tǒng)。由于UTC的不連續(xù)，導致了不同導航系統(tǒng)之間的時間差異。例如，GPS時與UTC在1980年1月6日0時對齊，當時的跳秒數(shù)為19 s，所以GPS時比TAI少了19 s；類似的BeiDou時原點為UTC 2006年1月1日0時，而當時跳秒數(shù)為33 s，因此BeiDou時與GPS時之間存在14 s的差異，時間轉換公式為GPST=BDT-14 s[2]。其他導航系統(tǒng)時間與BeiDou類似，具體時間見表1 。值得注意的是QZSS時原點與GPS時一致，而GLONASS時總與UTC對齊，因而GLONASS時間系統(tǒng)也不是連續(xù)的。

表1 各GNSS系統(tǒng)的時間系統(tǒng)對比

在空間基準上，GPS使用精化的WGS84（G1150）系統(tǒng)與國際地球參考框架（ITRF97）差異在幾個cm至1 dm[3]。GLONASS采用的PZ90．02系統(tǒng)，與ITRF的差異優(yōu)于40 cm。Galileo采用的Galileo TerrestrialReference Frame（GTRF）與最新的ITRF差別約為3 cm，BeiDou系統(tǒng)采用的China Geodetic Coordinate System （CGCS2000）的ITRF97，參考歷元為2000 年[4]。QZSS采用Japan Satellite Navigation Geodetic System Geodetic（JGS），其定義與WGS84一致[5]。綜上所述，各系統(tǒng)使用不同的坐標系統(tǒng)定義，但大都與ITRF的差異在cm至dm級。在亞m級和m級單點定位中坐標系統(tǒng)差異可忽略，但是對于精密定位的用戶，這些差異仍可能對定位結果造成一定影響。

1.2 系統(tǒng)間偏差的處理

各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間系統(tǒng)并不是嚴格對齊的，接收機捕獲信號過程中各衛(wèi)星系統(tǒng)的硬件延遲也有所不同，這將導致不同的系統(tǒng)間存在系統(tǒng)間偏差。系統(tǒng)間偏差問題在GPS和GLONASS組合定位中存在，但在BeiDou和QZSS中是否也存在仍需研究。

假設偽距觀測值中電離層、對流層、衛(wèi)星鐘差的影響都已用模型改正，GPS與GLONASS組合偽距單點定位的函數(shù)模型為[6]：

式中，PGPS和PGLO為GPS和GLONASS的偽距觀測值；B1、B2、B3分別為站星距離對坐標參數(shù)X、Y、Z的偏導數(shù)；CGPS為GPS系統(tǒng)的接收機鐘差；IGLO-GPS為GLONASS系統(tǒng)相對于GPS系統(tǒng)的系統(tǒng)間偏差；εGPS、εGLO為GPS和GLONASS偽距觀測值的噪聲。

對于多系統(tǒng)組合而言，并不是每個系統(tǒng)都需要增加一個系統(tǒng)間偏差。是否需要增加取決于該系統(tǒng)觀測值殘差相對于其他系統(tǒng)觀測值殘差是否存在系統(tǒng)性的偏差。通過數(shù)據(jù)驗證，認為合理的GPS/GLONASS/ BeiDou/QZSS組合定位的函數(shù)模型為[7]：

式中，PBDS和PQZS為BeiDou和QZSS系統(tǒng)的偽距觀測值；IBDS-GPS為BeiDou系統(tǒng)相對于GPS系統(tǒng)的系統(tǒng)間偏差。由于QZSS系統(tǒng)觀測值殘差與GPS觀測值殘差吻合較好，而無需估計系統(tǒng)間偏差。該模型的合理性可通過分析驗后殘差驗證。圖1顯示了某一MGEX站24 h組合單點定位的驗后殘差，各系統(tǒng)的殘差在零附近，沒有出現(xiàn)顯著的系統(tǒng)性偏差，因而該模型是合理的。另外需要注意的是由于系統(tǒng)間偏差的引入，多系統(tǒng)組合定位的必要可見衛(wèi)星數(shù)也不再是4， 而是由函數(shù)模型中包含的參數(shù)個數(shù)決定。式（1）中的雙系統(tǒng)組合定位必要可見衛(wèi)星數(shù)為5，而式（2）給出的四系統(tǒng)組合定位模型至少需要6顆可見衛(wèi)星才能定位。

圖1 多系統(tǒng)組合定位驗后殘差分布

2 多系統(tǒng)組合定位實驗分析

為檢驗多系統(tǒng)組合定位在城市峽谷中定位性能，在某城市中心城區(qū)進行了多系統(tǒng)組合定位實驗。將一臺Trimble R10 接收機安裝在汽車車頂，汽車沿城區(qū)主干道行駛一圈；對采集的數(shù)據(jù)進行事后處理分析，數(shù)據(jù)采樣率為10 Hz，數(shù)據(jù)處理中衛(wèi)星截止高度角設置為10°。

城市峽谷對衛(wèi)星導航定位的影響可概括為4個方面：①可見衛(wèi)星數(shù)減少。由于道路兩側高層建筑物的遮擋，使得城市峽谷中可見衛(wèi)星數(shù)目較少。由圖2可知，各單一導航系統(tǒng)都有相當一部分時間可見衛(wèi)星數(shù)少于4顆，因而依靠單個GNSS系統(tǒng)無法獲得連續(xù)可靠的定位結果。②道路兩側建筑物的遮擋導致信號頻繁的失鎖和重捕，信號的連續(xù)性也較差，將對精密定位的模糊度解算帶來不利影響。③衛(wèi)星幾何構型較差，導致定位精度偏低。圖3給出了本次實驗采用的各系統(tǒng)組合定位的位置精度衰減因子（PDOP），該因子越大表示衛(wèi)星幾何構型越差。由圖3可知，本次實驗大部分路段的PDOP值都偏大，但多系統(tǒng)組合能夠改善PDOP值。④道路兩側的建筑對未被遮擋的信號也產(chǎn)生了嚴重的多路徑效應，使得未被遮擋的衛(wèi)星信號信噪比（SNR）偏低，觀測噪聲偏大。觀測噪聲水平可以用SNR衡量，SNR越大表示信號質量越好，觀測噪聲也越小。正常情況下SNR與衛(wèi)星高度角之間存在強相關性，短時間內變化較小。圖4給出了本次實驗捕獲信號的SNR，其中紅色為GPS信號的SNR、綠色為GLONASS信號的SNR、藍色為BeiDou信號的SNR。各衛(wèi)星SNR短時間內的劇烈變化主要是由多路徑效應造成的。

圖2 衛(wèi)星天空圖與各系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)

圖3 在城市峽谷環(huán)境下多系統(tǒng)組合定位的PDOP值

圖4 在城市峽谷環(huán)境下多系統(tǒng)組合定位的SNR

本次實驗數(shù)據(jù)采用不同的衛(wèi)星系統(tǒng)分別進行定位計算，組合定位的結果見表2。實驗共采集有效觀測歷元11 370個，由于信號遮擋嚴重，部分歷元即使在四系統(tǒng)組合的情況下仍沒有足夠的衛(wèi)星用于定位。實驗主要評估在城市峽谷環(huán)境中多系統(tǒng)組合定位的可用性和可靠性，分別用可用率和正確率來衡量。可用率是指可見衛(wèi)星數(shù)達到定位要求的歷元數(shù)占總歷元數(shù)的比例，正確率是指定位結果大致在正確的行駛線路上的歷元數(shù)占總歷元數(shù)的比例。表2的結果顯示，采用GPS+GLO+BDS三系統(tǒng)組合定位的可用性和可靠性均優(yōu)于單一系統(tǒng)的定位效果。定位可用性從單一GPS系統(tǒng)的82．26%提高到了三系統(tǒng)組合的99．65%，而可靠性則從單一GPS系統(tǒng)的73．80%提高到三系統(tǒng)組合的91．48%。此外GPS+BDS組合定位的可用性和可靠性均優(yōu)于GPS+GLO組合定位。采用GPS、GPS+GLO、GPS+BDS和GPS+GLO+BDS四種組合定位方案的定位軌跡見圖5。由圖5可知，多系統(tǒng)組合定位在城市峽谷中的可用性提高顯著。GPS+BDS組合定位在南北向道路的可靠性優(yōu)于GPS+GLO組合定位，這與BDS的衛(wèi)星星座以及可見衛(wèi)星數(shù)有關。三系統(tǒng)組合定位可獲得最佳的可用性和可靠性。

表2 不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位在城市峽谷中的可用性比較

圖5 多系統(tǒng)組合在城市峽谷中的定位性能分析

3 結 語

本文首先討論了多系統(tǒng)組合定位的關鍵問題：時空基準的統(tǒng)一和系統(tǒng)間偏差的處理，并分析指出在引入BeiDou觀測值時需要估計BeiDou與GPS系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差，而引入QZSS系統(tǒng)時則不需要；然后從4個方面分析了城市峽谷對GNSS定位造成的不利影響；再通過實際車載GPS動態(tài)定位實驗從定位的可用性和可靠性兩方面分析了多系統(tǒng)組合定位在城市峽谷環(huán)境下的性能。實驗結果表明，多系統(tǒng)組合定位在城市峽谷等惡劣環(huán)境下能夠獲得比單一GNSS定位更高的定位可靠性和可用性。GPS+BDS組合定位在城市峽谷環(huán)境下的定位效果要優(yōu)于GPS+GLO組合定位。

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P228.4

B

1672-4623（2017）01-0050-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.015

申麗麗，實驗師，主要從事大地測量方面研究。

2015-10-13。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41474004）。