gps北斗雙系統(tǒng)組合定位算法研究

gps北斗雙系統(tǒng)組合定位算法研究

全球定位系統(tǒng)（gps）是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航定位系統(tǒng)?；趃ps實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差異分析原理（rtk），可以為用戶提供實(shí)時(shí)cm級(jí)的定位精度。然而，當(dāng)觀測(cè)條件差、觀測(cè)角較大時(shí)，衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)量和定位精度會(huì)減少。多系統(tǒng)衛(wèi)星觀測(cè)值的使用可以有效地提高視野中的觀測(cè)數(shù)量，解決城市密集地區(qū)有效覆蓋衛(wèi)星的問題。隨著導(dǎo)航信息資源的增加，高精度和多系統(tǒng)往往是衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在精確的點(diǎn)定位和rtk操作的情況下，兩系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：與單個(gè)系統(tǒng)相比，更多地定位系統(tǒng)。在文獻(xiàn)中，我們從理論和模擬兩個(gè)方面分析了gps-北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星可見性和精度因素（dop）。本文以韓國(guó)北北口信號(hào)質(zhì)量初步調(diào)查為背景，分析和驗(yàn)證了靜態(tài)rtk實(shí)驗(yàn)和點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)，并解決了gps-北系統(tǒng)的有效定位優(yōu)勢(shì)。1偽距誤差的估計(jì)在偽距測(cè)量中,直接量測(cè)值是信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻tR(由接收機(jī)鐘測(cè)量)與信號(hào)離開衛(wèi)星的時(shí)刻tS(由衛(wèi)星鐘測(cè)量)之差tR(-tS),該差值與真空中的光速c的乘積即為偽距觀測(cè)值,其表達(dá)式為若GPS衛(wèi)星信號(hào)離開衛(wèi)星時(shí),衛(wèi)星鐘相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)的鐘差為δTS_GPS,信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)接收機(jī)鐘相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)的鐘差為δTR_GPS,那么鐘差對(duì)GPS衛(wèi)星測(cè)距所產(chǎn)生的誤差為同理,鐘差對(duì)北斗衛(wèi)星的測(cè)距為其中:δTS_BD為衛(wèi)星鐘相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的北斗時(shí)的鐘差;δTR_BD為信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)接收機(jī)鐘相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的北斗時(shí)的鐘差.由于信號(hào)在穿過電離層和對(duì)流層時(shí)并不是以光速c傳播,故必須加上電離層延遲改正Vion以及對(duì)流層延遲改正Vtrop后才能得到幾何距離偽距觀測(cè)值為式中,δTR和δTS均為觀測(cè)值相較于系統(tǒng)時(shí)的偏移量,在單系統(tǒng)定位中,兩者為同一個(gè)變量的函數(shù).假設(shè)星歷求得的第i顆衛(wèi)星觀測(cè)瞬間在空間的位置為[XiYiZi]T,接收機(jī)的觀測(cè)瞬間位置為[XYZ]T,通過淡化星歷誤差、多路徑效應(yīng)誤差和測(cè)量噪聲等,在進(jìn)行計(jì)算時(shí),偽距測(cè)量的觀測(cè)方程為式中:Vion和Vtrop可通過算法補(bǔ)償求得;X、Y、Z及(δTR-δTS)為4個(gè)未知量,需要4組觀測(cè)方程才能求解.由于在雙系統(tǒng)中要多出了北斗時(shí)間系統(tǒng)的偏差未知量,這就使接收機(jī)至少需要多測(cè)一個(gè)偽距觀測(cè)值,故相應(yīng)地得到偽距方程的個(gè)數(shù)將增加.因此,北斗和GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航定位接收機(jī)需要至少5顆可見衛(wèi)星方能定位.盡管所需可見衛(wèi)星數(shù)增加,但是GPS/北斗雙系統(tǒng)定位的優(yōu)勢(shì)仍然顯著.下面將通過靜/動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證與分析.2gps-北斗系統(tǒng)的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與gps2.1geo衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)2012年10月26日,在韓國(guó)大田某地區(qū)采用司南公司M300GNSS雙頻雙系統(tǒng)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星可見性如圖1所示.目前,北斗系統(tǒng)已發(fā)射了PRN碼編號(hào)為1、3、4的GEO衛(wèi)星,其分布在58.75°E~160°E的地球同步靜止軌道上,在觀測(cè)條件良好的亞太地區(qū),GEO衛(wèi)星全天可見.此外,3顆IGSO衛(wèi)星在對(duì)中國(guó)大陸區(qū)域增強(qiáng)的同時(shí)也可解決高緯度地區(qū)高度角較低的問題.因此,相較于GPS衛(wèi)星,每顆北斗衛(wèi)星在實(shí)測(cè)區(qū)域的可見時(shí)間更長(zhǎng),即使北斗衛(wèi)星總數(shù)大大少于GPS衛(wèi)星總數(shù),其每小時(shí)可見衛(wèi)星個(gè)數(shù)也不少于每小時(shí)GPS衛(wèi)星可見個(gè)數(shù).2.2度量精度因子定位方式確定后,一般選用相應(yīng)的DOP值對(duì)定位精度(m)進(jìn)行評(píng)定.定位精度主要取決于測(cè)量精度(σ0)和星座組合在空間的幾何分布.其定義為因此,星座組合在空間的幾何分布情況越好,定位精度越高,不同情況下,可選擇不同類型的DOP值.對(duì)定位精度進(jìn)行分析,具體可分為6種方式:(1)度量三維坐標(biāo)與時(shí)間精度的幾何精度因子(GDOP);(2)度量水平坐標(biāo)精度的水平精度因子(HDOP);(3)度量水平坐標(biāo)與時(shí)間精度的水平與時(shí)間精度因子(HTDOP);(4)度量位置精度的位置精度因子(PDOP);(5)度量時(shí)間精度的時(shí)間精度因子(TDOP);(6)度量垂直坐標(biāo)精度的垂直精度因子(VDOP).本文實(shí)驗(yàn)選取觀測(cè)狀態(tài)良好的屋頂,接收了GPS和北斗衛(wèi)星8h的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)C/A碼偽距觀測(cè)值進(jìn)行3種模式(GPS單系統(tǒng)、北斗單系統(tǒng)和GPS/北斗雙系統(tǒng))下的PDOP、HDOP和VDOP分析,結(jié)果如表1所示.由表可見,GPS/北斗雙系統(tǒng)對(duì)北斗定位DOP值改善效果要比GPS大得多,這是北斗系統(tǒng)起步晚、系統(tǒng)并不完善的先天缺陷.但雙系統(tǒng)的數(shù)值要小于任何一個(gè)單系統(tǒng)的DOP值,這表明了GPS與北斗系統(tǒng)組合對(duì)單一GPS系統(tǒng)的DOP值的改善作用.3gps-北系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)與分析3.1動(dòng)態(tài)rtk實(shí)驗(yàn)在建筑物密集的市區(qū)實(shí)現(xiàn)cm級(jí)的GPS定位一直備受人們關(guān)注.由于建筑物的遮擋,可視衛(wèi)星的數(shù)量變得十分有限,使用多系統(tǒng)衛(wèi)星觀測(cè)值可以有效地提高可視衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)量.為了驗(yàn)證GPS/北斗雙系統(tǒng)能在市區(qū)范圍內(nèi)有效解決衛(wèi)星遮擋問題,實(shí)驗(yàn)選取了路況及周邊環(huán)境比較復(fù)雜的環(huán)形路徑,在GPS單系統(tǒng)、北斗單系統(tǒng)和GPS/北斗雙系統(tǒng)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)RTK實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)采用RTK(1+1)的工作原理,即使用2臺(tái)GPS/北斗雙頻雙模接收機(jī),分別作為基準(zhǔn)站與流動(dòng)站,流動(dòng)站接收機(jī)載體是汽車;實(shí)驗(yàn)時(shí)間是當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨(GPS時(shí),20點(diǎn)左右)車流與人流較小的時(shí)間段.圖2所示為流動(dòng)站接收機(jī)在以1s為時(shí)間間隔的位置坐標(biāo).由圖2可見,在樹木茂盛、房屋密集地區(qū),北斗系統(tǒng)對(duì)定位的增強(qiáng)作用是顯著的,其能彌補(bǔ)可見星過少而導(dǎo)致無(wú)法定位的缺陷.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在RTK的應(yīng)用中,可視衛(wèi)星數(shù)量的增加不僅對(duì)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)基線的解算提供了更多的觀測(cè)數(shù)據(jù),而且還能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)RTK的應(yīng)用擴(kuò)展到衛(wèi)星遮擋較為嚴(yán)重的市區(qū)范圍,并能實(shí)現(xiàn)CORS網(wǎng)內(nèi)cm級(jí)精度的定位.分析GPS/北斗動(dòng)態(tài)RTK實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),可得實(shí)驗(yàn)過程中可見衛(wèi)星數(shù)如圖3所示.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,GPS單系統(tǒng)定位時(shí),全路段有35.78%的路段可見衛(wèi)星數(shù)小于4顆,北斗單系統(tǒng)有12.32%的路段可見衛(wèi)星數(shù)小于4顆,小于4顆可見衛(wèi)星的情況使得系統(tǒng)失去定位能力;而在GPS單系統(tǒng)中以北斗作為另外一個(gè)系統(tǒng)輔助增強(qiáng)后,全路段僅有0.42%的路段可見衛(wèi)星數(shù)小于5顆,定位能力提高到99.58%.另一方面,北斗系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)量變化起伏沒有GPS系統(tǒng)的大,這是因?yàn)橄啾扔贕PS等其他導(dǎo)航定位系統(tǒng),北斗導(dǎo)航衛(wèi)星種類增加了GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星,它們與MEO運(yùn)行軌跡不同,因而對(duì)北斗衛(wèi)星可見性影響也不同.GEO衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡為固定經(jīng)度范圍內(nèi)的橢圓,固定截止方位角,24h范圍內(nèi)GEO衛(wèi)星可見數(shù)不發(fā)生變化,說明高度角大于某一值的GEO衛(wèi)星24h都處于可視范圍內(nèi),這便是GEO衛(wèi)星對(duì)中國(guó)大陸及周邊區(qū)域的增強(qiáng)覆蓋.3.3進(jìn)入路徑pdop值GPS/北斗雙系統(tǒng)對(duì)單一系統(tǒng)的DOP值改善作用在觀測(cè)條件惡劣、可見星數(shù)較少的情況下,更能體現(xiàn)出來.圖4給出了以行進(jìn)路徑的百分比為橫軸、以精度因子PDOP值為縱軸,動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)行進(jìn)路徑上的PDOP值的變化情況.由圖可見,GPS/北斗的雙系統(tǒng)定位PDOP值要小于任何一單系統(tǒng)下的PDOP值,并且GPS單系統(tǒng)的PDOP值曲線是不連續(xù)的.因?yàn)樵诤芏嗲闆r下,GPS系統(tǒng)已不能實(shí)現(xiàn)定位,而加上北斗系統(tǒng)做增強(qiáng)后,GPS/北斗雙系統(tǒng)的PDOP值曲線基本上是連續(xù)的.4