GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究

叶作安，缪锦根

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津　300304；2.交通运输部天津海事测绘中心，天津　300222)



GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究

叶作安1，缪锦根2

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津300304；2.交通运输部天津海事测绘中心，天津300222)

为了提高不同GNSS(GPS、BDS及GLONASS)星座(包括单星座及组合星座)的实际定位精度和可靠性，以海星达H32全能型GNSS-RTK为试验仪器，分别采用单星座、双星座和三星座进行了RTK定位精度试验研究。研究结果表明：GPS+GLONASS双星座组合定位的精度最高；GPS+GLONASS+BDS三星座组合定位的可靠性最强；星座组合所获取测点坐标，Y方向的精度最高，高程H方向的精度最低；对GNSS-RTK所采集测点坐标进行内业处理时，通过限制PDOP值的大小就能够在确保足够的定位精度的同时，还能过滤测量粗差，从而提高GNSS-RTK测量定位的可靠性。

GPS/BDS/GLONASS；星座组合定位；RTK定位精度；可靠性

0　引言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)作为一种基于空间卫星的无线定位导航方式，凭借其范围广、全天候、精度高、成本低、功耗小、无误差积累等诸多优点在国家安全和社会经济发展中有着不可替代的重要作用。目前可提供服务的GNSS有美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)和我国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)，欧盟正在发展中的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)等。为了能够有效发挥当前在轨运行的GPS、GLONASS、BDS 等3个GNSS系统的综合优点，已经有许多学者研究了将不同GNSS星座进行的组合定位理论方法，获得了初步结果[3-8]。在仪器制造方面，能够同时接收GPS/GLONASS/BDS导航卫星信号的GNSS接收机也已经面市，这为研究不同星座组合定位的实际精度成为可能。为了探究采用不同星座组合进行RTK的实际测量精度，作者利用海星达H32接收机采集单星座(GPS)、双星座(GPS+GLONASS、GPS+BDS)和三星座(GPS+GLONASS+BDS)等不同组合的定位信息进行RTK定位精度试验，利用采集的定位信息，分析研究了不同星座条件下公共卫星数、空间位置精度因子(position dilution of precision，PDOP)、平面坐标(X，Y)和高程(H)的精度，得出了一些用于指导今后测量工作的有益结论。

1　GPS/BDS/GLONASS星座组合RTK定位精度试验

试验采用能够接收GPS/BDS/GLONASS 信号的8台海星达H32接收机，将这8台接收机同时架设在一个视野开阔的空场地(如图1所示)，其中一台作为基准站，其他7台作为流动站。海星达H32接收机不能关掉GPS信号，故星座组合试验方案每种星座中都不得不包含GPS，即：1)采用单星座(GPS)连续采集30 min(仅接收GPS信号)；2)采用双星座(GPS+GLONASS)连续采集30 min(同时接收GPS和GLONASS信号)；3)采用双星座(GPS +BDS)连续采集30 min(同时接收GPS和BDS信号)；4)采用三星座(GPS+GLONASS+BDS)连续采集30 min(同时接收GPS、GLONASS和BDS信号)。各流动站RTK的数据采样频率均设为1 Hz，下面选择其中一台具有普遍代表性的流动站的数据进行分析。

图1　GNSS-RTK星座组合试验现场

1.1GNSS-RTK星座组合实测参数统计分析

GNSS-RTK星座组合30 min采集定位数据试验时的中误差、PDOP值和卫星数的统计值(从最小值到最大值的变化范围)列于表1中。从表1可以看出，星座组合的卫星数随着星座数的增多明显增多，PDOP值也随之减小，高程中误差mH也有所减小，但坐标中误差(mX和mY)的减小不太明显。

表1　星座组合的实测参数统计值

图2给出了各星座组合的实时卫星数。从图3可以看出：单星座GPS的卫星数最少，双星座GPS+GLONASS组合和GPS+BDS组合的卫星数相差无几，三星座GPS+GLONASS+BDS组合中的灰色线)的卫星数最多。

图2　星座组合的卫星数实时对比图

图3列出了各星座组合的PDOP值。从图3可以看出：单星座GPS的PDOP值最大，双星座GPS+GLONASS组合和GPS+BDS组合的PDOP值基本相当，三星座GPS+GLONASS+BDS组合的PDOP值最小。

图4～图6分别列出了各星座组合的X、Y、H方向中误差。

图3　星座组合的PDOP值实时对比图

图4　星座组合的中误差mX实时对比图

图5　星座组合的中误差mY实时对比图

图6　星座组合的中误差mH时对比图

从图4～图6可以看出：

1)无论是哪一种星座组合，高程中误差mH最大(见图6)，Y坐标中误差mY最小(见图5)。

2)与其他星座组合相比，单星座GPS的中误差既非最小，而且很不稳定(图中可见其变化范围最大)，说明它的精度不是最高，且可靠性也不强。

3)双星座GPS+GLONASS组合的中误差中的黑色线)基本处于图中的最下部，表明精度最高。

4)三星座GPS+GLONASS+BDS组合，因其卫星数最多、PDOP值最小，按理其中误差也应该最小，但图中显示其基本均处于较上部，即这种星座组合的RTK的定位精度并非最高；但图中可见线型其线基本都比较平坦，表明测量结果的可靠性最好。

1.2组合定位的实时坐标误差分析

本次星座组合定位的试验中，基准站和各流动站都是静止、固定不动的，即各流动站上的接收机所测坐标值应为不变的固定值，如果有变化，则变化值即为坐标的随机(偶然)实时误差。图7～图10分别列出了各星座组合定位的实时坐标误差。

图7　单星座(GPS)定位的实时坐标误差

图8　双星座(GPS+GLONASS)组合定位的实时坐标误差

图9　双星座(GPS +BDS)组合定位的实时坐标误差

图10　三星座(GPS+GLONASS+BDS)组合定位的实时坐标误差

从图7～图10可以看出：

1)与实时平面坐标(X，Y)的误差相比，各星座组合的实时高程H误差最不稳定，其波动范围(振幅)也最大；但是三星座(GPS+GLONASS+BDS)组合的实时高程误差比单星座或双星座组合的实时高程误差相对要稳定一些，其波动范围(振幅)也要小一些。

2)对于各星座组合的实时平面坐标(X，Y)的误差，Y坐标的实时误差比X坐标的实时误差要稳定一些，其波动范围(振幅)也要小一些。

3)总体来看，三星座(GPS+GLONASS+BDS)组合的实时坐标误差(图10)比其他星座组合的实时坐标误差(图7～图9)都要稳定一些，小一些。

2　实例分析

天津高银117大厦，地下3层、地上117层，主体结构597 m，目前为在建的中国北方最高的摩天大楼。为掌握天津高银117大厦主体结构在风荷载作用下的振动轨迹、主振方向和变形量，笔者采用海星达H32接收机三星座(GPS+GLONASS+BDS)组合的RTK对其进行实时监测，在大厦核心筒顶层的楼顶模架(钢平台)的4个角上采用强制归心安装GNSS-RTK流动站，采样频率为1 Hz，在基本风速6级，最大风速19.2 m/s的情况下连续采集约14 h，得到大厦主体结构在风荷载作用下实时的变化状态。基于本次监测是在大厦建造期间进行，大厦核心筒顶层的楼顶模架上有塔架，对卫星信号有时会有干扰，因此下面以第2号测点为例，在对其采集的平面坐标(X，Y)数据进行内业处理时，分别剔除PDOP值大于6的数据和PDOP值大于2.2的数据后，得到如图11和图12所示的第2号测点在X、Y方向上的振动曲线。

图11　以PDOP≤6过滤后的振动曲线

图12　以PDOP≤2.2过滤后的振动曲线

从图11可以看出：当限定PDOP值≤6时，得到不同时段第2号测点Y方向的最大振幅分别有0.068、0.100、-0.100、0.080；而在图12中：

当限定PDOP值≤2.2时，对应的Y方向的这些最大振幅被过滤掉了，这说明当PDOP值≤6时，第2号测点Y方向不同时段的最大振幅0.068、0.100、-0.100、0.080可能是粗差或虚假信号，即本文引言中所提到的“飞点”。

3　结束语

1)星座组合的卫星数随着星座数的增多明显增多，PDOP值也随之减小，坐标中误差也有所减小，但并非三星座GPS+GLONASS+BDS组合的坐标中误差最小，而是双星座GPS+GLONASS组合的坐标中误差最小，三星座GPS+GLONASS+BDS组合的可靠性最强。

2)对于各星座组合所采集测点坐标的随机(偶然)实时误差，Y坐标的实时误差比X坐标的实时误差要稳定一些，其波动范围(振幅)也要小一些，各星座组合的实时高程H的误差最不稳定，其波动范围(振幅)也最大。这与各星座组合的坐标中误差的大小和波动规律是基本吻合的。

3)PDOD值的大小既影响GNSS-RTK的精度，也影响GNSS-RTK的可靠性。在受到现场作业条件限制的实际工程应用中，在对GNSS-RTK所采集测点坐标进行内业处理时，可以通过限制PDOP值的大小来过滤测量粗差，从而提高GNSS-RTK测量的可靠性。

4)根据虽然文献[10]，RTK测量卫星的状态PDOP值>6不可用，即PDOP值≤6观测窗口状态为可用。PDOP值越小，定位精度越高，可靠性也越高。以本文试验为例，当2.2≤PDOP值≤6时，仍有一些可能的测量粗差，因此，在某些受到现场作业条件限制的实际工程应用中，为了同时兼顾测量的精度和可靠性，PDOP值的限值应该规定得更小一些。

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Research on accuracy and reliability of GNSS-RTK combinations positioning

YE Zuoan1，MIAO Jingen2

(1.Tianjin Surveying and Hydrography Co.，Ltd.，Tianjin 300304，China；2.Tianjin Hydrographic Center，Ministry of Transport of the People's Republic of China，Tianjin 300222，China )

In view of practical accuracy and reliability of various combinations of GPS， GLONASS and BDS，by using of Haixingda H32 receivers of GNSS-RTK，positioning experiments of 1 system，2 combined systems and 3 combined systems were made respectively，and the experimental data were analyzed comparatively.The results showed that the positioning accuracy of GPS + GLONASS combination would be the highest，and the reliability of GPS+GLONASS+BDS combination would be the best.For measured coordinatesX，YandHof each combination，the error of coordinateYwould be the smallest，and the error of heightHwould be the biggest.By limiting of PDOP value in processing the data measured，not only the better positioning accuracy could be ensured，but also the big errors of positioning could be filtered，and the reliability of GNSS-RTK could be enhanced.

GNSS-RTK；system combinations of GNSS；positioning accuracy；reliability

2016-01-18

叶作安(1978—)，男，湖北阳新县人，本科学历，工程师，注册测绘师，研究方向为工程变形监测。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160316.

P228

A

2095-4999(2016)03-0077-05

引文格式：叶作安，缪锦根.GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究[J].导航定位学报，2016，4(3)：77-81.(YE Zuoan，MIAO Jingen.Research on accuracy and reliability of GNSS-RTK combinations positioning[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：77-81.)