北斗卫星导航系统用于东北地区高精度变形监测性能分析

丁　盼，席瑞杰，肖玉钢

(武汉大学测绘学院， 湖北 武汉 430079)



北斗卫星导航系统用于东北地区高精度变形监测性能分析

丁盼，席瑞杰，肖玉钢

(武汉大学测绘学院， 湖北 武汉 430079)

Performance Analysis of High-precision Deformation Monitoring Using Beidou Navigation Satellite System in Northeast China Region

DING Pan，XI Ruijie，XIAO Yugang

摘要：截至2015年1月，我国北斗区域卫星导航系统已正式运行满2年。目前北斗卫星导航系统的星座组网尚未完成，只可为亚太地区特别是低纬度地区提供较好的服务，即服务拓展到南北纬55°，东经55°至180°。由于我国东北地区所处纬度较高，可能会受到北斗星座不完善的影响。为了分析我国北斗卫星导航系统在东北地区高精度变形监测中的监测性能，本文在哈尔滨地区搭建了北斗变形监测数据采集平台并研制了北斗高精度变形监测软件。通过对连续10 d的实测数据进行处理，测试评估了北斗在变形监测中的数据质量与精度。试验结果表明，东北地区短基线变形监测条件下，北斗变形监测多个测段对应基线N、E分量重复性优于7 mm，U分量重复性优于1 cm。

关键词：北斗卫星导航系统；东北地区；高精度；变形监测；数据质量

作为当今最先进的变形监测手段之一，GNSS定位技术已广泛应用于大型建筑物(如大坝、水库等)、滑坡体、构造运动等变形监测中[1-5]，并取得了较好的监测效果。如文献[2]的GPS高精度变形监测软件GPSMON可实现单历元解算水平方向8 mm，高程方向亚厘米的定位精度；文献[3]的大坝变形监测系统可实现4 h时段解N、E、U方向0.8、0.7、1.5 mm的定位精度，并在山西省西龙池抽水蓄能水电站上水库的变形监测工作中稳定运行。可见，GPS技术已趋于成熟，在GNSS高精度变形监测中占据着主导地位。

北斗区域卫星导航系统(BeiDou Regional Navigation Satellite System，BDS)于2012年12月27日正式开始运行，已可为亚太地区提供独立定位、导航、授时(PNT)和短报文服务[6-8]。杨元喜院士初步评估了北斗在目前卫星星座状态下的基本导航定位性能，得出北斗伪距和载波相位测量精度已与GPS处在同一水平[6]。在变形监测领域，文献[9]验证了北斗卫星导航系统在高精度变形监测中的监测性能，即在短基线变形监测条件下，水平方向精度优于1 mm，垂直方向优于2 mm，可满足各种工程建筑物及地质灾害的高精度监测需求。由此可见，北斗卫星导航系统的成功建立为打破GPS在高精度变形监测领域中的垄断地位提供了良好契机。

但目前北斗卫星导航系统星座布网尚未完成，其覆盖范围有限，特别是较高纬度地区可能会受到北斗星座不完善的影响，文献[9]并未针对较高纬度的监测性能作深入分析。为此本文在北纬46°、东经126°搭建了北斗变形监测数据采集平台，并利用北斗高精度变形监测软件进行数据处理，评估了北斗卫星导航系统在东北地区高精度变形监测中的数据质量和监测精度，为北斗系统用于较高纬度地区变形监测提供一定的技术支撑。

一、GNSS数据采集与处理

1. 北斗数据采集平台

为开展北斗变形监测的数据质量及精度评估，本文在哈尔滨地区一段高铁沿线相距290 m的两端安装了GNSS自动化变形监测系统，其中基准站为HB01，监测站为HC01、HC02、HC03、HB02。HB01和HC01相距4 m，HC02、HC03、HB02三个站平均距离为4 m，HB01和HB02相距290 m，如图1所示。仪器配置均采用Trimble NET R9接收机及CHOKE RING天线(TRM59900.00)，天线固定在强制对中基座上(安装于观测墩上)，观测墩要求严格水平。数据采集自2015年3月12—21日(年积日为071—080，共10 d)，采用全天候24 h不间断观测，采样间隔为15 s。同时接收和存储BDS和GPS观测数据，后期对两个系统观测数据分别进行解算以便进行对比分析。

图1　变形监测网

2. 数据处理软件

本文针对变形监测的短基线特点，顾及高精度的需求，对GNSS基线解算模型进行精化，开发了北斗基线解算软件。主要模型及基线处理策略见表1。

表1　基线处理策略

二、数据质量分析

目前北斗星座尚未部署完毕，卫星数及空间几何结构可能需要进一步完善。在进行试验之前对北斗试验数据进行质量分析，包括卫星可见性、卫星的几何结构精度因子(PDOP)等观测情况，并分析了观测过程中受到的多路径影响，从而为数据处理及结果分析提供基础信息。

1. 卫星可见性及PDOP值分析

试验数据采用的是基准站HB01站在2015年3月18日(DOY=077)一整天的北斗观测数据，采样间隔是15 s，共采集了5760个历元的数据。分别统计了一天内的可见卫星数及三维位置精度因子PDOP值，如图 2所示。图中灰色线条表示的是可见卫星数逐历元的变化，黑色线条表示的是PDOP值逐历元的变化。

从图中可以看出，在HB01测站，每个历元可观测北斗卫星5～10颗，平均可观测到8颗卫星。从PDOP值可以看出，三维位置精度因子为1～4之间，一般小于3，且个别历元出现跳跃的现象，与卫星数曲线对比可以看出，PDOP出现跳跃主要与卫星个数变化即卫星的出现和消失有关，因此从卫星可见数及几何精度因子来看，北斗卫星可实现基本的导航定位需求，但在若干时段可能出现精度下降的现象。

图2　卫星数及PDOP 值

同时，本文计算了卫星的高度角和方位角，绘出了第77天的卫星天空图，如图 3所示。其中，1—4号卫星为GEO卫星， 6—10号卫星为IGSO卫星， 11、12和14号卫星为MEO卫星。由图可见，在HB01测站，一天内可观测到12颗在轨正常运行的北斗卫星；由于1—4号卫星为地球静止同步轨道卫星，因此卫星相对于测站基本处于静止状态，卫星轨迹为点状；6—10号卫星为倾斜地球同步轨道卫星，在天空图里显示为“8字”形。而5号卫星和13号卫星在所有时段中均观测不到，主要是因为测站纬度较高造成的。从图中还可看出，北斗卫星在南北方向卫星分布很不均匀，这必定给N和U方向的定位精度造成较大影响。

图3　HB01测站卫星天空图

2. 多路径分析

卫星信号与经附近反射物进入接收机天线的信号产生干涉引起的时延，称为多路径效应。多路径误差常常与测站周围的环境有关，在一定程度上表现为偶然误差，很难进行模型化[10]，是GPS测量的一个主要误差源。在试验前对多路径效应进行分析，可有效掌握数据质量，为后续数据处理打下一定的基础。由于载波相位观测值受到的多路径影响较伪距观测值小得多，因此，在进行多路径分析时，仅利用伪距多路径信息来评估数据质量。本文使用2015年第77天一整天的数据计算了HB01站观测到的所有北斗卫星的MP1、MP2序列及卫星高度角，如图4、图5所示。限于篇幅，本文仅显示了2颗GEO卫星、2颗IGSO卫星和2颗MEO卫星的多路径信息图。

图4　伪距多路径效应MP1

由图可见，1号卫星一天里高度角变化较小，为45°左右，MP1、MP2变化在1 m以内，并且较为平缓；2号卫星的MP1、MP2变化较大，可能是由于附近有遮挡导致，但普遍也在1 m以内。IGSO卫星和MEO卫星高度角变化较为明显，相应的多路径变化也较大，且在高度角较低时受到的多路径较为严重。但是，除极少数时段外，所有卫星的多路径均在2 m以内，高度角较高的情况下均在1 m以内，表明数据采集的观测环境较好，数据质量较好，为后续评估北斗在较高纬度的变形监测性能提供了较好的数据基础。

三、监测精度分析

在数据处理之前，本文利用GAMIT软件对多天的GPS数据进行处理，求得了各测站达毫米级的点位坐标，以此作为真值供后续使用。首先利用自主研制的北斗高精度变形监测软件对上述60个时段的BDS数据进行了数据处理，同时利用与北斗高精度变形监测软件相同算法与策略的GPS变形监测软件对GPS数据进行处理，然后在各时段解与真值作差后获得E、N、U 3个方向上的残差序列，绘制了残差序列图。限于篇幅，仅显示HC01和HC03两个测站的结果，如图6、图7所示。其中圆点为BDS数据处理结果，三角形为GPS结果。

从图中可以看出，BDS基线解算结果在E分量上的波动在5 mm 以内，与GPS 解算结果精度相当；N分量上，BDS 解算结果波动在1 cm以内，而 GPS 解算结果在4 mm 以内；U分量上，BDS 解算结果波动在1.5 cm以内，GPS 解算结果在8 mm以内。由以上对比可知，BDS解算结果与GPS结果在E分量上吻合较好，而N、U分量BDS数据处理结果均与GPS结果存在一定差距。

图5　伪距多路径效应MP2

图6　HC01监测站残差序列图

由图中还可以看出，单BDS数据处理结果各基线序列均表现为E分量结果最好，N分量次之，U分量较差，这主要是由于BDS系统的卫星在东西方向上分布较为均匀，南北方向分布不均，造成南北方向的卫星几何强度比东西方向差，因此对南北方向和垂直方向的精度造成一定的影响。

本文对BDS和GPS 60个时段的数据处理结果进行了基线重复性统计(见表2)。从表中可以看出，BDS基线重复性在水平方向上优于7 mm，垂直方向上优于1 cm。而GAMIT处理的GPS结果在水平方向上可达到3 mm，垂直方向上可达到5 mm。这种差距主要是由于BDS系统星座组网尚未完成导致的，随着BDS卫星星座的不断完善，其数据处理精度必定会进一步提高。

四、结束语

本文在较高纬度的东北地区搭建了北斗变形监测数据采集平台，利用北斗高精度变形监测软件，对北斗在较高纬度的变形监测性能进行了分析。得出，在东北地区采集到的北斗数据较好，数据解算的多个测段对应基线水平方向重复性优于7 mm，垂直方向重复性优于1 cm，相较于GPS结果还存在一定差距。这主要是因为北斗卫星星座组网尚未完成，未能获得较好的卫星几何结构，随着BDS卫星星座的不断完善，其监测精度必定会进一步提高。然而北斗变形监测在当前的星座下依然可为东北地区多种工程建筑物及地质灾害监测提供技术支撑。

参考文献：

[1]戴吾蛟. GPS精密动态变形监测的数据处理理论与方法研究[D].长沙：中南大学,2007.

[2]陈永奇,LUTES J. 单历元GPS变形监测数据处理方法的研究[J]. 武汉测绘科技大学学报,1998(4)：45-49，84.

[3]姜卫平, 刘鸿飞, 刘万科,等. 西龙池上水库 GPS 变形监测系统研究及实现[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2012,37(8): 949-952.

[4]张小红, 李征航. 高精度 GPS 形变监测的新方法及模型研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2001, 26(5): 451-454.

[5]席瑞杰, 肖玉钢, 刘邢巍. GPS 变形监测中提取大变形量的单历元解算方法研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(1): 26-29.

[6]杨元喜,李金龙,王爱兵,等. 北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学:地球科学,2014，44(1):72-81.

[7]杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报,2010，39(1):1-6.

[8]施闯,赵齐乐,李敏,等. 北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J]. 中国科学:地球科学,2012,42(6):854-861.

[9]XI Ruijie,XIAO Yugang,LIU Xingwei, et al. Feasibility Analysis of High-Precision Deformation Monitoring Using Beidou Navigation Satellite System[C]//China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2015 Proceedings: Volume I. Berlin Heidelberg：Springer，2015: 27-34.

[10]HOFFMANN-WELLENHOF B, LICHTENEGGER H, COLLINS J. GPS Theory and Practice[M]. 3rd ed. New York:Springer-Verlag，1994.

中图分类号：P258

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)04-0033-05

作者简介：丁盼(1990—)，男，硕士生，主要研究方向为GNSS变形监测。E-mail：m13163295218@163.com

基金项目：国家自然科学基金(41374033)

收稿日期：2015-07-13

引文格式： 丁盼，席瑞杰，肖玉钢. 北斗卫星导航系统用于东北地区高精度变形监测性能分析[J].测绘通报，2016(4)：33-37.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0116.