肖琴琴，姜 迪, ，寧黎虎，祝 青

(1. 湖南城市學(xué)院 a. 市政與測(cè)繪工程學(xué)院；b. 信息與電子工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 長(zhǎng)沙市中智信息技術(shù)開發(fā)有限公司，長(zhǎng)沙 410215；3. 湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，長(zhǎng)沙 410000)

北斗系統(tǒng)是我國(guó)基于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]﹒隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入了新的活力﹒為使BDS 的應(yīng)用和發(fā)展能更好更快地推進(jìn)，不斷提高和增強(qiáng)我國(guó)定位服務(wù)和導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力，嚴(yán)格按照我國(guó)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，我國(guó)制定了導(dǎo)航與位置服務(wù)科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃，并得到穩(wěn)步實(shí)行[2-9]﹒規(guī)劃中，促進(jìn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化，完善自主的導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈，形成自主可控的導(dǎo)航與位置服務(wù)能力，全面提升我國(guó)導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力等的提出大大激勵(lì)了我國(guó)北斗系統(tǒng)的 發(fā)展和完善[10-15]﹒如今，在中國(guó)及周邊國(guó)家地區(qū)，BDS 的服務(wù)性能和GPS 基本上差不多，但由于BDS 系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)間較短，其定位性能和導(dǎo)航性能仍然留有部分空白，其定位精度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)于BDS 的“GEO+IGSO+MEO”星座定位性能也有待進(jìn)一步探究[16-20]﹒目前，北斗系統(tǒng)處于第三代階段，已建設(shè)成世界一流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，正向北斗全球系統(tǒng)邁進(jìn)﹒GPS 作為歷史悠久的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以作為北斗發(fā)展的一個(gè)參考﹒

在BDS 測(cè)量尤其是在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)缺失的情況﹒數(shù)據(jù)的不完全會(huì)影響數(shù)據(jù)處理的效果，降低定位的精度﹒因此，對(duì)BDS 不完全數(shù)據(jù)的定位情況作分析有一定的實(shí)際意義﹒

1 靜態(tài)定位研究

本文通過采用編號(hào)為M5-962812 的測(cè)地型華測(cè)GNSS 接收機(jī)，在湖南省益陽(yáng)市滄水鋪鎮(zhèn)鳳家塘采集了2019-04-22，14∶55―16∶59 之間的靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采樣間隔為10 s﹒現(xiàn)以該數(shù)據(jù)為例進(jìn)行精度分析﹒

1.1 靜態(tài)定位研究地點(diǎn)

本文研究選取位于益陽(yáng)市東南部滄水鋪鎮(zhèn)鳳家塘的GPS 國(guó)家C 級(jí)點(diǎn)(見圖1)進(jìn)行靜態(tài)單點(diǎn)定位觀測(cè)﹒

圖1 靜態(tài)單點(diǎn)定位選點(diǎn)

1.2 靜態(tài)成果處理

實(shí)驗(yàn)分為4 種情況進(jìn)行分析：1)北斗系統(tǒng)中的3 種衛(wèi)星都用于定位；2)缺失GEO 衛(wèi)星情況下的定位；3)缺失IGSO 衛(wèi)星情況下的定位；4)缺失MEO 衛(wèi)星情況下的定位﹒首先，將外業(yè)觀測(cè)獲取的數(shù)據(jù)在RTKLIB 軟件中進(jìn)行處理[6]，對(duì)完整數(shù)據(jù)分別進(jìn)行GEO，IGSO 和MEO 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的剔除處理[5]；然后，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行pos 文件輸出，獲得相應(yīng)的測(cè)量坐標(biāo)文件；而后將4 種情況下的測(cè)量坐標(biāo)與已知點(diǎn)值進(jìn)行對(duì)比，求得其在XYZ 坐標(biāo)系各方向上偏差的均方根(RMS)，如表1所示﹒由表1 可知：在缺失GEO 衛(wèi)星的情況下，三維點(diǎn)位精度下降了1.36%；在缺失IGSO 衛(wèi)星的情況下，三維點(diǎn)位精度下降了6.00%；在缺失MEO 衛(wèi)星情況下，三維點(diǎn)位精度下降了6.42%﹒

表1 XYZ 方向上的偏移對(duì)比分析 m

1.3 靜態(tài)成果分析和總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)BDS 在缺失不同類型衛(wèi)星情況下的單點(diǎn)定位精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出：缺失MEO 衛(wèi)星和缺失IGSO 衛(wèi)星比缺失GEO 衛(wèi)星的情況下點(diǎn)位精度下降明顯﹒由此可看出MEO 衛(wèi)星和IGSO 衛(wèi)星在BDS 系統(tǒng)定位中占主導(dǎo)作用，且其比GEO 衛(wèi)星對(duì)定位精度的影響程度大，主要是由于前兩者的信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于后者的信號(hào)﹒

2 動(dòng)態(tài)定位研究

在進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)之后，又對(duì)BDS 進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí) 驗(yàn)， 時(shí) 間 分 別 為 2019-04-18( 晴 天) ，2019-05-20(陰雨天)和2019-05-22(夜間)，使用的接收機(jī)仍為華測(cè)編號(hào)為M5-962812 的測(cè)地型GNSS 接收機(jī)，使用手扶式測(cè)量桿，見圖2﹒接收機(jī)同時(shí)接收GPS 和BDS 雙系統(tǒng)[3]的數(shù)據(jù)，采樣間隔為5 s﹒測(cè)量路線為從湖南城市學(xué)院新校區(qū)第17 棟學(xué)生公寓樓出發(fā)沿著書城南路，經(jīng)過湖南城市學(xué)院新校區(qū)南門后向西沿迎賓東路觀測(cè)，到達(dá)迎賓東路和團(tuán)圓南路路口后，穿越斑馬線向東沿著碧桂園小區(qū)觀測(cè)﹒觀測(cè)路線中存在GNSS 信號(hào)被遮擋的路段，例如枝葉繁茂的書城南路，高樓林立的碧桂園小區(qū)，也存在GNSS 信號(hào)遮擋較少較為空曠的路段，比如人行道和城市學(xué)院新校區(qū)南門口停車場(chǎng)﹒下文將對(duì)以上路段進(jìn)行分析﹒

圖2 動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位路線設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)態(tài)成果處理

本文分別選擇在陰雨天、晴天及夜間3 種情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，而后將BDS 和GPS 定位坐標(biāo)結(jié)果整張圖用谷歌地球顯示，如圖3 所示﹒圖3 中圓點(diǎn)路線表示BDS 點(diǎn)位；三角形路線表示GPS 點(diǎn)位﹒

圖3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)3 種定位方式點(diǎn)位比較

在開闊地帶，GPS 定位結(jié)果與BDS 結(jié)果相差不大﹒如在湖南城市學(xué)院銀城路和南門人行道附近，因附近鮮有樹木遮擋，且無(wú)高大建筑物，衛(wèi)星的接收情況較好，見圖4﹒GPS 和BDS 的定位精度不相上下，基本符合路線的實(shí)際位置﹒為了更清晰地突顯區(qū)別，本文選取部分路段進(jìn)行放大顯示，見圖5，其中，圓點(diǎn)路線表示BDS 點(diǎn)位；三角形路線表示GPS 點(diǎn)位﹒

圖4 開闊地帶的跟蹤衛(wèi)星圖

圖5 開闊地帶點(diǎn)位比較

在信號(hào)遮擋比較嚴(yán)重地帶，GPS 定位結(jié)果優(yōu)于BDS 結(jié)果﹒如在湖南城市學(xué)院書城南路附近，樹木茂密信號(hào)被遮擋；在碧桂園別墅區(qū)，因四周有高層建筑遮擋，BDS 信號(hào)缺失均較為嚴(yán)重，衛(wèi)星[4]數(shù)量較少，見圖6 和圖7﹒BDS 定位精度不如GPS，點(diǎn)位出現(xiàn)明顯偏移，見圖8 和圖9，圓點(diǎn)路線表示BDS 點(diǎn)位；三角形路線表示GPS 點(diǎn)位﹒

圖6 有茂密樹木遮擋地帶的跟蹤衛(wèi)星圖

圖7 有高層建筑遮擋地帶的跟蹤衛(wèi)星圖

圖8 有茂密樹木遮擋地帶

為了突顯不同觀測(cè)環(huán)境下BDS 定位的區(qū)別，本文選取了一段空曠地區(qū)的晴天、陰雨天、夜間 BDS 點(diǎn)位觀測(cè)圖，如圖10 所示﹒該圖通過GOOGLE 軟件成圖得到，由圖可較為直觀地發(fā)現(xiàn)，在陰雨天BDS 定位精度不如晴天和夜間﹒

圖9 有高層建筑遮擋地帶點(diǎn)位比較

圖10 不同天氣點(diǎn)位比較

2.2 動(dòng)態(tài)成果分析和總結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果，分析得出：1)在開闊地帶，GPS 與BDS 定位結(jié)果相差不大；在信號(hào)遮擋比較嚴(yán)重地帶，BDS 定位結(jié)果差于GPS﹒原因是BDS 發(fā)展時(shí)間較短，還有部分衛(wèi)星尚未發(fā)射，衛(wèi)星星座不完整，數(shù)據(jù)處理能力、抗干擾能力[9]等有待進(jìn)一步提升，加上BDS 衛(wèi)星星座與GPS有差異，使BDS 衛(wèi)星的接收數(shù)量較少﹒而GPS經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，不僅衛(wèi)星星座完整，而且對(duì)于數(shù)據(jù)缺失情況的處理也比BDS更加完善﹒2)天氣對(duì)于BDS 定位性能存在一定影響﹒在陰雨天BDS 明顯存在數(shù)據(jù)的缺失，觀測(cè)信號(hào)不如晴天和夜間﹒主要是由于陰雨天時(shí)云層較厚，會(huì)削弱和干擾BDS 信號(hào)的傳輸﹒

3 結(jié)論

1)BDS 系統(tǒng)中的MEO 衛(wèi)星和IGSO 衛(wèi)星的定位精度較GEO 衛(wèi)星更高﹒

2)在視野開闊地帶，BDS 與GPS 的定位結(jié)果相差不大；在信號(hào)遮擋比較嚴(yán)重地帶，BDS 定位結(jié)果差于GPS﹒

3)觀測(cè)環(huán)境對(duì)于BDS定位性能存在一定的影響﹒在陰雨天，BDS 觀測(cè)信號(hào)不如晴天和夜間，從而導(dǎo)致定位精度差于晴天和夜間﹒