南海海域BD2与GPS定位精度比对

张永超，徐国贵，李 帅

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

南海海域BD2与GPS定位精度比对

张永超，徐国贵，李 帅

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

试验中利用一套定位精度相对较高的GPS设备和一套市场上适用，低功耗、低成本北斗设备，分析GPS和BD2定位差值。所选试验区域包含了南海北部海域和南海东部海域。在这两个区域，当GPS与BD2定位精度较高时，二者定位差值在3m左右。在南海东部海域，BD2出现定位精度不好的情况且时间较长，但定位差值在25m以内。故间接可以说明北斗导航系统能够满足船舶航行以及一些海上仪器设备定位需要。

北斗系统; 南海; 定位精度; GPS

全球导航卫星系统GNSS( Global Navigation Satellite System)又称天基PNT(Position、Navigation、Timing，定位、导航、授时)系统，是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种空间导航定位技术[1]。目前，世界主要军事大国及经济体都竞相发展自己拥有独立知识产权和独立运行能力的卫星导航系统[2]。中国北斗系统在此背景下逐渐发展成熟。2012年底北斗系统ICD正式文件公布，开始向亚太地区正式提供导航、定位与授时服务，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务。北斗系统卫星信号使用码分多址技术，采用2000中国大地坐标系(CGCS2000)。研究GPS和BD2定位差距对北斗定位系统的发展、目前适用性和经济效益有一定的指导意义。

文献[3]通过在观测站上使用北斗接收机跟踪并观测导航卫星，根据接收机的实测数据，计算出观测站的位置坐标。将计算出的观测站坐标和观测站已知坐标相比较，从水平方向、高程方向和三维位置三个方面对定位误差进行分析，来评估北斗系统定位精度。文献[4]在没有观测站的情况下，通过所测数据中卫星数、精度因子评测目前船用接收机的定位精度，得出北斗二代船用接收机的定位精度可以满足区域船舶安全导航的需要的结论。从上述结论可以看出我国北斗定位系统可提供中国区域的服务，但与GPS定位系统相比存在差距。上述文献涉及的区域主要是内陆和沿海。本文测试的地点有两个，一是在南海北部海域，二是在南海东部海域。海上航行定位精度主要考虑水平方向，不考虑高程方向。本文研究了以GPS定位数据为近似基准值，将北斗定位数据与之对比，以此估算BD2与GPS定位精度上的差距。

1 测试设备

1.1 GPS设备

选用了R110差分GPS接收机，该接收机将多种功能集于一体，除了能接收GPS信号以外，它还可以接收和处理信标、WAAS和广域差分等多种差分改正信号，从而实现高精度导航和定位。它具有RTK(载波相位差分)测量的功能，其内置的RTK引擎功能可以使其在经过短时间的初始化后达到20cm以内(95%置信度)的实时定位精度。

1.2 BD2设备

试验采用的北斗接收模块是北京和芯星通科技有限公司制造的UM220双系统高性能GNSS模块。GNSS模块能够同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点。UM220外形尺寸紧凑，采用SMT焊盘，支持标准取放及回流焊接全自动化集成，尤其适用于低成本、低功耗领域，面向测量测绘、车辆导航、监控等领域，有着广阔的市场前景。

2 定位原理

R110差分GPS接收机利用伪距差分原理进行求解。伪距差分是目前用途最广的一种技术，在基准站上接收机要求得他至可见卫星的距离，并将次计算出的距离与含有误差的测量值加以比较，利用一个α-β滤波器将此差值滤波求出其偏差，然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来修改测量伪距，最后用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消除公共误差。但随着用户到基准站的距离的增加又出现系统误差，用户和基准站的距离对精度有决定性影响。

利用改正后的伪距来解出本身位置的方法如下：

导航系统接收机在某点处同时跟踪并接收4颗或4颗以上卫星的信号，根据所接收的导航电文及其他信息，解算出接收机到各观测卫星的伪距。在t时刻，接收机观测到i颗卫星，可得到伪距方程组为(i=1，2，3…)[5]

(1)

(2)

(3)

⋮

(i)

在方程组中，只有接收机的位置和接收机钟差4个参数为未知数，当i=4时，可以得出接收机位置和接收机钟差的唯一解；当i>4时，通过最小二乘法得到接收机的位置和钟差。

3 定位数据及结果分析

图1 南北方向GPS与BD2定位差值

结合南海北部和东部海域航行所测GPS和BD2定位数据，分析我国民用和军用海事作业中北斗卫星导航定位与GPS定位的差距。所提供的GPS设备精度相对较高，并把它所测数据为基准点。BD2的模块适用普遍，成本低，功耗低。军用设备中，大量存在需要附加导航定位设备的武器装备，故而采用国产轻量型、功耗低的北斗定位设备是必要的。本文的两次航行，第一次是南海北部海域在南北方向，航行21h，大约500海里；第二次南海东部海域在东西方向，航行三天。试验中，GPS与BD2接收机位置1m。第一次航行定位差值如图1所示。定位差值是将两个定位点的经纬度所在曲面，看成一个平面计算而成。

由图1可以看出，在忽略跳动幅度大的极少数点的情况下，GPS与BD2定位差值在10m以内，在整个统计时间内定位差值的平均值为3.159m。航行中的GPS和BD2的卫星数如图2所示。

图2 南北方向GPS与BD2可视卫星数

由图2可看出，整个测段中GPS平均可视卫星数为8颗，BD2可视卫星数则为11颗。尽管BD2可视卫星明显多于GPS，但是大部分观测历元BD2的位置精度因子大于GPS，其原因在于基本保持不动的5颗GEO卫星在一定程度上减弱了卫星分布强度[6]。图3是第二次东西方向在南海东部海域航行测得的定位差值。

图3 东西方向GPS与BD2定位差值

由图3可知，在忽略跳动幅度大的极少数点的情况下，GPS与BD2定位差值在航行6h后，出现8h波动幅度较其他时段大的波动，在这时段波动的最大幅度超过10m，但大部分在25m以内。整个测试时间内定位差值的平均值为4.9881m。

本文取12h附近时段，观察GPS和BD2在该时段经度对比如图4所示，纬度对比如图5所示。

图4纵坐标只取经度小数部分。由图4和图5知，在跳动浮动最大的12h位置，BD2的经纬度跳动较GPS幅度大，其定位精度在此时段较差。

图4 GPS与BD2经度对比 图5 GPS与BD2纬度对比

文献[7]利用3颗 GEO 卫星和 4 颗 IGSO 卫星一周观测数据进行分析解算，评估北斗相定位的精度并对残差信息进行分析，结果表明北斗在南北方向精度低于GPS。考虑到本次试验航行特点，即第一次航行在南北方向，第二次航行在东西方向，但由图1和图3知，在东西方向上计算的定位差值比南北方向定位差值的波动大，差值平均值也大。故第二次测量时，在南海东部海域某段时间航行，导航定位设备的定位精度受影响大。

分析图1和图3数据的波动，影响其数据波动的原因主要是GPS与BD2的定位精度，定位点与真实值偏差越大，所造成的GPS与BD2定位差值波动越大。第一次航行所测数据，可以认为GPS与BD2定位精度较高。根据第二次航行所测数据计算的定位差值图，在某一段时间内出现差值波动很大，可以认为这段时间内它们的定位精度较差，忽略此段时间，计算的差值平均值为3.2094m。该值比南海北部海域要高，在南海东部海域航行，因海况等情况，船航行时，晃动幅度较之北部海域要大，故而造成的差值平均值稍大。因此，当GPS与BD2定位精度较高时，在中国南海北部和东部海域，二者定位差值在3m左右。

在利用导航卫星进行定位的过程中，影响定位精度的原因主要有两个方面：(1)伪距测量误差；(2)卫星星座分布。伪距测量的误差源有星历误差、卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差以及接收机钟差[5]。此次试验的GPS接收机采用伪距差分原理接收处理数据，设备的定位精度与到基站的距离有关。BD2由于区域、系统误差、卫星分布及大气环境问题，导致在南海东部海域某时段定位精度不高。相比GPS的定位误差，总体认为BD2定位精度不高处主要地位。

4 结束语

利用GPS与BD2两组设备得到了定位点的经纬度，并计算了二者定位差值。当GPS与BD2定位精度都较高时，二者定位差值在3m左右。在南海东部海域，BD2出现测量精度不好的情况且时间较长，定位差值在25m以内。所采用的GPS接收机性能较优越，定位精度高，而GPS与BD2定位差值相差3m左右，故间接可以说明北斗导航系统能够满足船舶航行以及一些海上仪器设备定位需要。

[1] 曹冲．卫星导航系统及产业现状和发展前景研究[J]．全球定位系统，2009(4):1-6．

[2] 张双成，王利，黄观文．全球导航卫星系统GNSS最新进展及带来的机遇和挑战[J]．工程勘察,2010,8:49-53．

[3] 范龙，柴洪洲．北斗卫星导航系统定位精度分析方法研究[J]．海洋测绘，2009，29(1):25-27．

[4] 应士君，王坤，等．北斗二代船用接收机精度分析[J]．中国航海,2013,36(1):25-27．

[5] 于胜利，李建文，等．北斗区域卫星导航系统定位精度分析[J]．第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S01北斗/GNSS导航运用,2012.

[6] 高晓，戴吾蛟．GPS-BD2组合相对定位精度分析[J]．第四届中国卫星导航学术年会论文集——S3精密定轨与精密定位,2013.

[7] Shi C,Zhao QL,Hu ZG.Precise relative positioning using real tracking data from Compass GEO and IGSO satellites[J].GPS Solut,2012.

Comparison of positioning accuracy of GPS and BD2 in the South China Sea

ZHANG Yong-chao,XU Guo-gui,LI Shuai

(PLA91388,ZhanjiangGuangdong524022,China)

The economic benefits of the BD2 are growing.It analysis the positioning difference of GPS and BD2 by using a higher positioning accuracy of GPS receiver and a set of BD2 equipment which has low power consumption and low cost.The test includes the north and the east of the south China sea.In the test zone,when positioning accuracy of GPS and BD2 is higher,the positioning difference of GPS and BD2 is about 3 meters.In the east of the south China sea,BD2 has been bad in a long time,but the positioning difference of GPS and BD2 is less than 25 meters.So we can get a conclusion that BD2 can meet the needs of the navigation of ships and position of some Marine equipment.

BD2; The South China Sea; Positioning accuracy; GPS

2015-07-10

张永超(1988-)，男，硕士，助理工程师，研究方向是电磁场与微波技术.

1001-9383(2015)03-0021-05

P225

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