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不同截止高度角下BDSGPSGLONASSGalileo多模组合SPP性能分析.docx
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不同截止高度角下BDSGPSGLONASSGalileo多模组合SPP性能分析.docx
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摘要
针对单系统在遮挡环境下可见卫星数较少、历元利用率低、定位稳定性、定位可靠性和定位精度较
差的问题,首先,利用间接平差法对 BDS/GPS/GLONASS/Galileo 组合观测方程进行求解;然后,
运用最小二乘法原理求解待估参数,最终解算出测站点坐标。采用 MGEX 站部分测站的数据对不
同 截 止 高 度 角 下 (7° 、 15° 、 20° 、 30° 、 40° 、 45°) 不 同 模 式 GPS 、 GPS+Galileo 、
GPS+GLONASS 、 BDS+GLONASS+ Galileo 、 GPS+BDS 、 GPS+GLONASS+BDS 、
GPS+GLONASS +BDS+Galileo 的单点定位(single point positioning,SPP)进行解算和数据
处理。结果表明,在截止高度角为 45°时,点位离散程度变差,但相比其他模式特别是 GPS 单系
统, GPS+GLONASS+BDS+Galileo 组合稳 定性和可靠 性都较 好;GPS 单系统历元利用 率较低,
全天不足 1/3,然而 GPS+BDS、 GPS+GLONASS+BDS、GPS+GLONASS+BDS+Galileo 组
合 历 元 仍 然 全 天 可 用 , GPS 部 分 历 元 精 度 优 于 GPS+GLONASS+BDS 和
GPS+GLONASS+BDS+Galileo 组合,但整体定位性能较差。GRCE 组合在全天历元可用和实现
单点定位前提下,整体定位性能优于其他模式。
Abstract
In order to solve the problems of less visible satellites, low availability, low
positioning stability, low reliability and poor positioning accuracy, the indirect
adjustment method is used to solve the combined observation equation of
BDS/GPS/GLONASS/Galileo. Then the least square method is used to calculate the
parameters to be estimated, and finally the coordinates of the station are
calculated.The data of some stations in MGEX station are used to calculate and
process the data of single point positioning of different modes(GPS, GPS+Galileo,
GPS+GLONASS, BDS+GLONASS+Galileo, GPS+BDS, GPS+GLONASS+BDS,
GPS+GLONASS+BDS+Galileo) at different cut-off height angles(7°, 15°, 20°, 30°,
40°, 45°).The results show that when the cut-off height angle is 45 °, the point
dispersion becomes worse, but the stability and reliability of
GPS+GLONASS+BDS+Galileo combination are better than other models, especially
GPS single system. The single epoch utilization rate of GPS system is low, less than
one third of the whole day. However, the GPS+BDS, GPS+GLONASS+BDS,
GPS+GLONASS+BDS+Galileo combination epoch is still available all day, and the
precision of GPS part epoch is better than that of GPS+GLONASS+BDS and
GPS+GLONASS+BDS+Galileo combination. However, the overall positioning
performance is poor, and the overall positioning performance of
GPS+GLONASS+BDS+Galileo combination is superior to that of other modes under
the premise that the whole day epoch is available and the single point positioning
can be realized.
译
关键词
间接平差法; 最小二乘法; 截止高度角; 多模组合单点定位; 稳定性和定位精度
Keywords
indirect adjustment; least square method; cut-off height angle; multimode
combined single point positioning; stability and positioning accuracy
译
目 前 , 美 国 的 GPS(global positioning system) 系 统 、 欧 盟 的 Galileo(Galileo navigation
satellite system)系统和俄罗斯的 GLONASS(global navigation satellite system)系统现代化
建设不断加快,中国的 BDS(BeiDou navigation satellite system)系统也在不断增强服务能力,
目前空中可用卫星数可达 70~80 颗,预计到 2020 年,卫星数可达 120 颗(其中包括 35 颗 BDS
系统卫星,32 颗 GPS 系统卫星,24 颗 GLONASS 系统卫星和 30 颗 Galileo 系统卫星)
[1]
。多系
统组合定位已经成为 GNSS(global navigation satellite system)导航定位的主要发展方向和研
究热点。
在进行单点定位时,定位精度、稳定性和可靠性容易受到观测卫星数的影响,在建筑物密集区、山
区、树林等区域,单系统的可见卫星数会大大减少,从而导致定位精度较差,甚至无法进行定位服
务。然而,多系统组合定位即使在恶劣环境下也能使可见卫星数增加,改善空间卫星几何分布构型,
提高定位稳定性、可靠性和精度
[2-4]
。近年来,许多学者对单点定位进行了很多研究工作:安向东
[5]
为分析 BDS 系统在亚太地区提供区域服务的伪距单点定位精度,利用实测数据对 GPS 与北斗伪距
单点定位性能进行了对比分析,实验结果表明, 两大系统伪距单点定位性能相差不大,GPS 系统卫
星定位精度在 15 m 以内,BDS 系统系统定位精度优于 20 m;文献[6-7]对多系统组合的可见卫
星数 、位置精 度衰减 因子(position dilution of precision, PDOP)、定位精度 、定位可 用性等 方
面进行对比分析,结果表明,相比单系统伪距单点定位,多系统组合定位增加了卫星数,减小了
PDOP 值,在 较差的观测 环境下有效 改善 了定位精度 和显著提高 了系统定位 可用性;贾 雪等
[8]
对
GPS/BDS/Galileo 多系统融合伪距单点定位性能进行分析,结果表明,GPS/BDS/Galileo 组合
定位精度优于单系统,在截止高度角较大情况下,单系统历元可用率降低,而 GPS/BDS/Galileo
组合仍能满足定位的要求。以上所述,主要是针对双系统和 3 系统的组合单点定位研究,而对于 4
系统的组合 单 点 定 位 , 也 有学者做了相关的 研 究 工 作 , 徐 龙 威等
[9]
采用实测数 据 对 比 了 GPS 与
GPS/GLONASS/BDS/Galileo 4 系统组合在截止高度角分别为 15°、30°、45°的单点定位性能,
得出 4 系统组合较 GPS 单系统增加了可见卫星数,改善了 PDOP,增强了空间卫星几何分布强度
和提高了定位精度。然而,文献中针对 GPS/GLONASS/BDS/Galileo 4 系统组合与 GPS 单系统
进行比较只考虑了 3 种情况下的截止高度角,对 GPS/GLONASS/BDS/Galileo 4 系统组合与单系
统、双系统和 3 系统的定位结果情况并未进行分析,研究仍有一些不足。
鉴于此,本文重点对 BDS/GPS/GLONASS/Galileo 4 系统组合与 GPS 单系统、GPS+Galileo 组
合 、 GPS+BDS 组 合 、 GPS+GLONASS 组 合 、 BDS+GLONASS+Galileo 组 合 、
GPS+GLONASS+BDS 组合在不同截止高度角(7°、15°、20°、30°、40°、45°)下的单点定位
性能进行比较分析。
1 BDS/GPS/GLONASS/Galileo 时空统一
在 进 行 多 系 统 组 合 单 点 定 位 之 前 需 要 考 虑 时 间 系 统 和 坐 标 系 统 的 统 一 。 文 献 [7-8] 指 出 ,
BDS/GPS/GLONASS/Galileo 4 系统之间时间系统存在差异,BDS 采用 BDT,GPS 采用 GPST,
GLONASS 采用 GLONASST,Galileo 采用 GST。4 种时间系统都与国际原子时(AIT)和世界协调
时(UTC)存在密切联系,故可以将其他 3 系统卫星的时间系统统一到 GPS 的时间系统下,即可实
现时间系统的转换和统一
[9]
。
文献[10-11]详细介绍了 BDS 所采用的坐标系统为 CGCS2000 坐标系,GPS 采用 WGS-84 坐标
系, GLONASS 采用 PZ-90 坐标系 ,Galileo 采用 GTRF。CGCS2000、 WGS-84、GTRF 差异
较小,对于单点定位 m 级精度而言,可忽略不计,故本文不需要考虑三者坐标系之间的统一。而 PZ-
90 与 WGS-84 差异较大,两者之间坐标差异能够到达 20 m,鉴于 WGS-84 坐标系目前已经较
为成熟且被广泛使用,所以考虑将 GLONASS 系统坐标统一至 WGS-84 坐标系下
[12]
。
BDS/GPS/GLONASS/Galileo 的观测方程参考文献[13],表达式分别为:
ρiGPS=(XiG−XA)2+(YiG−YA)2+(ZiG−ZA)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√−cVGPStr+cVi
ts−Viion−Vitrop,i=1,2,3,…,mρGPSi=(XGi−XA)2+(YGi−YA)2+(ZGi−ZA)2−cVtrGPS+cVtsi−Vioni−Vtropi,
i=1,2,3,…,m
1
ρjBDS=(XjC−XA)2+(YjC−YA)2+(ZjC−ZA)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√−cVBDS
tr+cVjts−Vjion−Vjtrop,j=1,2,3,…,nρBDSj=(XCj−XA)2+(YCj−YA)2+(ZCj−ZA)2−cVtrBDS+cVtsj−Vionj−Vt
ropj,j=1,2,3,…,n
2
ρkGLO=(XkR−XA)2+(YkR−YA)2+(ZkR−ZA)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√−cVGLOt
r+cVkts−Vkion−Vktrop,k=1,2,3,…,pρGLOk=(XRk−XA)2+(YRk−YA)2+(ZRk−ZA)2−cVtrGLO+cVtsk−Vionk−V
tropk,k=1,2,3,…,p
3
ρlGAL=(XlE−XA)2+(YlE−YA)2+(ZlE−ZA)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√−cVGALtr+
cVlts−Vlion−Vltrop,l=1,2,3,…,qρGALl=(XEl−XA)2+(YEl−YA)2+(ZEl−ZA)2−cVtrGAL+cVtsl−Vionl−Vtrop
l,l=1,2,3,…,q
4
式 中 , G 、 C、 R、 E 分 别 表 示 GPS、 BDS、 GLONASS、 Galileo 卫 星 ; i、 j、 k、 l 分 别 表 示
GPS、BDS、GLONASS、Galileo 卫星序号;m、n、p、q 分别表示 GPS、BDS、GLONASS、Galileo
卫星数量;测站坐标为(X
A
, Y
A
, Z
A
);(X
G
i
, Y
G
i
, Z
G
i
)、(X
C
j
, Y
C
j
, Z
C
j
)、(X
R
k
, Y
R
k
, Z
R
k
)、(X
E
l
, Y
E
l
, Z
E
l
)
分别表示为 GPS、BDS、GLONASS、Galileo 卫星坐标;ρ 为接收机和卫星间的伪距;c 为真空
中的光速;V
tr
为接收机钟差改正;V
ts
为卫星钟差改正;V
ion
为电离层延迟改正;V
trop
为对流层延迟
改正。
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