卫星定位系统不同模式下的定位精度分析

周延玲+李振兴

摘 要：文章通过对GPS、BDS绝对定位，GNSS组合绝对定位、DGPS差分定位和GDCORS定位模式采集的数据进行分析，得出这五种定位模式下的定位精度情况。实验数据说明，在实验区域内五种定位模式的精度均能达到设计要求，GDCORS精度达到1cm，差分定位优于绝对定位达到0.5m，使用多系统组合定位模式优于单系统定位；该区域BDS单点定位精度与GPS单点定位精度在平面方向一致。

关键词：GNSS 极限偏差 内符合精度

1.概述

GPS系统能够为航空、地面交通及航海提供导航，但是由于其受到来自卫星钟差、星历误差及多路径误差等影响，单点定位的精度难以满足导航和测量等方面的定位需求，因此为了消弱各项误差在定位中影响精确度得到提升，科学界发展了差分全球定位系统（DGPS）。

连续运行参考站跟踪网（以下简称CORS）的诞生，为多参考站网络差分数据计算提供了基础，形成了各种不同的网络RTK算法，极大的提高了差分解算的服务范围、精度和可靠性。利用多基站网络RTK技术建立的CORS系统已成为城市GPS应用的发展热点之一。

2.测试方法

本测试采用静态观测的方法采集各定位模式下的观测值，其中GPS绝对定位与BDS绝对定位是使用仪器直接接收GPS信号和BDS信号，从而获得坐标观测值；GNSS组合系统绝对定位，则是通过接收多源卫星信号（4星，GPS、Glonass、Galileo、BDS）进行绝对定位，直接获得观測值。测试中分别使用了 TrimbleSPS356和TrimbleR10两种接收机。TrimbleSPS356信标接收机，即差分DGPS接收机，主要为海洋工程和OEM应用领域提供亚米级的定位精度。

3.测试实施

测试工作在某大厦楼顶进行，在检测点“xx大厦”设站，采用连续采集数据的方法，进行24h不间断数据采集。该测试点所处位置为市中心高楼，周围视野开阔，卫星状况良好。

（1）2017.3.21～2017.3.23使用仪器Tr imbleSPS356进行数据采集。其中2017.3.21～2017.3.22使用GPS绝对定位模式采集数据；2017.3.22～2017.3.23使用DGPS差分定位模式采集数据，采样频率1HZ，采集数据时长均为24h。

（2）2017.3.29～2017.3.30使用仪器TrimbleR10采集GDCORS数据，采样频率1HZ，采集数据时长为24h。

（3）2017.3.30～2017.4.7进行了BDS绝对定位数据和GNSS组合系统的绝对定位数据采集，使用仪器为TrimbleR10。其中2017.3.30～2017.4.1采集的为BDS的绝对定位数据，时长48h；2017.4.1～2017.4.7采集的为GNSS组合模式的绝对定位数据，时长为7d，采样频率均为1HZ。

4.实测数据分析

各定位模式的精度测试是指RTK实时定位精度的测试。本测试采用静态测量的方式获得该点坐标的观测值，将解算出的坐标与已知点坐标进行比较，通过坐标差值确定出采用的定位模式的误差水平，完成该定位模式的精度评定。该方法主要是将采集到的数据进行统计分析，计算出该定位模式下检测点的内符合中误差、外符合误差值以及极限偏差。

4.1内符合精度分析

内符合精度是同一测试点多次测量结果与该点最或然结果之差，它反映的是系统的稳定性和可靠性。具体是计算每一测点剔除粗差后的所有测量值的平均值作为该点的最或然值，再将该平均值与每一测量值求差，统计所有差值的分布情况，同时根据①式分别计算各定位模式在X、Y、平面、高程方向的内符合精度：

n—测量值总数，即剔除粗差观测后全部实时动态测量值总数；

？—测点测试值与相应测试平均值在各方向的差值；

m—系统各方向内符合精度，反映系统实时定位的稳定性。

通过观测值的内符合精度统计表，从五种定位模式的纵向对比可以看出，GDCORS在各方向上的定位效果都明显优于其他几种定位模式，其他几种的定位效果由DGPS差分定位、GNSS绝对定位、BDS绝对定位和GPS绝对定位由强到弱依次变化。其中GPS绝对定位和BDS单点定位的点位精度基本相同，但是在X方向上，BDS定位精度优于GPS定位精度，在Y方向上反而GPS定位精度则优于BDS绝对定位精度。在高程方向，除未参与定位的GPS绝对定位和DGPS定位外，BDS与GNSS绝对定位精度相差无几，GNSS绝对定位略优于BDS绝对定位。

4.2外符合精度分析

依据内符合定位精度的分析结果，把GDCORS定位模式下计算的该点的最或然坐标值作为该测试点的坐标真值，并以此对其他四种定位模式进行外符合精度的分析。

表1中列出各定位模式下观测值的最或然值与坐标真值的偏差。对四种定位模式下的坐标偏差进行对比可以看出，在X方向上坐标偏差值均小于50cm，其中GPS绝对定位的偏差更是小于5cm，其他三种依次为BDS绝对定位、DGPS定位和GNSS组合定位。在Y方向上的坐标偏差值均小于1m，效果最好的是GNSS组合定位，小于15cm，最差的为DGPS差分定位。GPS与BDS绝对定位在该方向上的精度相似，未超过50cm。而在高程方向，除去GPS绝对定位模式和DGPS差分定位模式，BDS和GNSS两种绝对定位模式中，GNSS绝对定位模式的误差仅有5.2cm，远高于BDS绝对定位的误差。

4.3极值分析

通过所获得的观测值的极大值和极小值与坐标真值的互差，得出各定位模式偏离真坐标的最大值。此方法作为外符合精度分析的补充，用来对各定位模式在偏差极限情况下的精度评定。

通过相关数据可知：各定位模式在X方向上的极限偏差小于5m，Y方向上的极限偏差小于4m，H方向则小于10m。其中，X方向极大偏差由小到大依次为GPS绝对定位、BDS绝对定位、DGPS差分定位和GNSS组合绝对定位，Y方向上依次为BDS绝对定位、GNSS组合绝对定位，GPS绝对定位和DGPS差分定位。

5.结论

综上所述，5种定位模式的内符合精度在各个方向上均小于1.5m，在外符合方面，各定位模式下的坐标最或然值相对于GDCORS定位坐标最或然值的偏差在各个方向均小于1m。本测试在城市中心进行，卫星信号容易受到干扰，在此种情况下各种定位模式的精度仍然满足水运工程测量的要求，那么在空旷的海域，卫星信号干扰小的情况下，各定位模式的定位精度将更高。在置信度95%的情况下，这5种定位模式中的DGPS差分定位、CORS定位和GNSS组合绝对定位均小于国际海道测量规范所规定的最高等级定位精度2m，因此，境外海洋工程可使用这三种定位模式进行海上测量导航定位。

参考文献：

[1]刘基余.GPS卫星导航定位原理与应用[M].北京：科学出版社，2008.

[2]徐文兵.GPS连续运行参考站系统（CORS）定位精度的可靠性研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.