北斗系统单点定位精度分析

北斗系统单点定位精度分析

刘继州

【摘 要】基于北斗系统和GPS实测数据， 分析了BDS单系统与BDS/GPS 组合系统在亚太地区的定位精度. 结果表明， BDS单系统水平方向的定位精度可达2m， 高程方向定位精度可达6m， 可满足导航用户定位需求. 同时， BDS/GPS组合系统定位精度优于BDS单系统， 能提高导航用户定位的可靠性与可用性.

【期刊名称】洛阳师范学院学报 【年(卷),期】2015(000)011 【总页数】4

【关键词】北斗； GPS； 单点定位； 精度分析

北斗系统是我国自行研制的全球卫星导航系统， 是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个投入运行的全球卫星导航系统. 北斗系统目前有20颗正常在轨运行卫星， 该系统已于2012年底正式向亚太地区提供服务[1].

随着北斗系统的运行， 国内外许多学者从卫星钟差、电离层、硬件延迟、多路径等误差改正角度， 以评估北斗定位的精度[2-4]. 本文首先介绍了BDS/GPS组合单点定位原理与模型算法， 进而利用中国、日本及澳大利亚的监测站BDS和GPS实测数据， 分析了北斗系统在亚太地区的应用精度.

1 BDS/GPS伪距单点定位

因为BDS和GPS系统采用的时间和坐标基准不一致， 所以使用这两个系统进行组合单点定位时， 需要统一时间和坐标基准. BDS时间系统为北斗时(BDT)， 与GPS时间系统(GPST)一样采用原子时时间基准， 但BDT的起始历元为

2006年1月1日UTC零点， 而GPST的起始历元为1980年1月6日UTC零点. 本文利用BDS/GPS进行组合定位时， 将时间统一到GPST. BDS系统采用2000中国大地坐标系， GSP系统采用WGS84坐标系. CGCS2000与WGS84坐标系的差异在厘米级， 在BDS/GPS伪距单点定位中不需进行坐标系转换， 但在高精度定位应用中， 必须考虑这两种坐标系之间的差异[5-6]. BDS/GPS单点定位相当于测量中的后方交会， 其观测方程为 (1)

式中， ρ为伪距观测量， PLOS为卫星与接收机几何距离， Δtr为接收机钟差， Δts为根据广播或精密星历计算得到的卫星钟差， τ为卫星硬件时延， Ion和Trop分别为电离层和对流层时延误差， ε为观测噪声.

与GPS或BDS单点定位不同， BDS/GPS组合单点定位需要同时估计GPS和BDS接收机钟差. 这样， BDS/GPS单点定位每个历元的待估参数有5个， 即3个位置参数及2个接收机参数. 若某个历元能同时观测到5颗或以上有效卫星， 即采用最小二乘进行单点定位. 将接收机坐标(Xr,Yr,Zr)写作近似坐标(X0,Y0,Z0)及其改正数(δx,δy,δz)之和的形式， 忽略观测噪声的影响， 在近似坐标(X0,Y0,Z0)处对公式(1)进行线性化展开： c·Δtr-L=0 (2) 式中

L=ρ-ρ0+c·(Δts-τ)-Ion-Trop .

假设某历元接收机能同时观测到m颗GPS卫星和n颗BDS卫星， 有公式(2)可建立误差方程：

(3) 其中，

l=(LG1,LGm,...,LC1,LCn)T

GPS与BDS系统间按等权处理， 系统内按卫星高度角定权， 利用最小二乘可得到

x=(ATPA)-1ATPl (4)

为降低观测数据粗差对待估参数的影响， 采用稳健估计的方式来进行数据处理. 稳健估计是在最小二乘基础上发展起来的一种抗差估计， 这种算法不关心粗差的大小， 而是通过不断选权迭代降低残差较大的观测值的权(增大观测值的方差)来避免观测数据粗差对所有待估参数的影响.

2 BDS/GPS伪距单点实验分析

2.1 实验数据与处理策略

利用亚太地区四个跟踪站(CHDU、JFNG、GMSD及CUT0)连续7天的GPS和BDS观测数据(2014年年积日200～209天)进行BDS/GPS组合伪距单点定位实验. 表 1给出了四个跟踪站的分布情况， 其中， CHDU和JFNG位于中国， GMSD位于日本， CUT0位于澳大利亚. 采用最小二乘稳健估计逐历元估计接收机坐标与钟差参数， 各类误差处理策略如表 2所示. BDS系统MEO及IGSO卫星位置的计算与GPS卫星相同， 由广播星历计算GEO卫星位置参见文献[1]；GPS及BDS系统TGD参数的使用可参考文献[7]. 2.2 实验结果分析

实验首先分析了BDS及GPS系统在亚太地区的卫星可见性及PDOP值， 然后