广州市南沙区多系统GNSS联合观测数据分析

黄汉银

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510000）

1 引言

自全球卫星导航应用开展以来，GPS 系统在导航和定位中占据了重要位置。近年来，多个GNSS（全球导航卫星系统）星座的出现为卫星定位和导航应用提供了更多卫星资源，增加了多余的观测值，丰富了卫星的几何形状[1]。联合多系统GNSS 观测可以为用户带来很多好处，例如增加可见卫星的数量，提高定位精度和生产效率，增强定位结果的可靠性。其中，北斗卫星导航系统（BDS）是一种全球卫星导航和定位系统，由中国实施、独立开发、独立运行；在俄罗斯是GLONASS，在欧盟是伽利略[2]。随着卫星导航技术的发展和GLONASS 卫星系统的改进，中国的北斗卫星导航系统与世界先进技术的差距已逐渐缩小，同时多系统（GPS、GLONASS、BDS）组合定位技术应用逐步深入。

2 多系统（GPS、GLONASS、BDS）组合定位的优势

用户可同时接收多系统的（GPS、GLONASS、BDS）的观测数据，极大增加了卫星数据观测量，以广州市南沙区所在项目为例，多系统组合定位有如下优势[3]：

（1）多星系统组合定位，能增加天空中可见卫星的个数，选择最优卫星几何图形，并降低DOP 值，有效改善测站周围建筑物的遮挡情况。

（2）多星系统可以增强定位服务的整体性和妥善性。个别情况下若只有单星（GPS），可视卫星数可能不够，导致无法定位或者基线解算不能固定。组合使用多星系统，在观测时弥补了单星系统的卫星数不足问题，避免了因某颗GPS 卫星异常而无法定位的情况出现，因此较容易获得良好定位服务和较高妥善率[4]。 （3）多星系统能有效减弱多路径效应的影响。以实验地广州市南沙区为例，南沙区河流众多，有大面积水域，存在强烈的多路径效应。通过多星系统的观测，卫星数的增多，可提供更多选择以剔除数据不好的卫星，减弱多路径效应的影响。组合定位可将多系统的多频率观测值结合在一起，进而有效削弱电离层误差。

3 实验分析

3.1 不同截止高度角对定位精度的影响

通常，在GNSS 多系统定位测量中，接收机接收的卫星越多，定位精度就越好，但有时并非如此[5]。为了研究卫星数量对定位精度的影响，使用不同截止高度角计算基线数据集。数据接收时间为9:30 至12:30。来自三个系统的静态三小时短基线数据的基线长度为1.5 km，采样间隔为1 s。实验选择了1500 个历元计算基线。图1 至图3 分别使用三个不同切削高度角10°、20°和30°的基线计算结果显示了E、N和U 三个方向上的分量偏差。

图1 10°截止高度角的分量偏差

图2 20°截止高度角的分量偏差

图3 30°截止高度角的分量偏差

从图1 到图3 中不同截止高度角计算出的E、N和U 方向的矢量偏差可以看出，10°和30°截止高度角的定位精度相差很小，但其定位精度却不如20°截止高度角，这表明，卫星接收到的信号数目与信号的角度切割高度以20°为最佳。为了定量分析这三种方法的定位精度，分别计算了平均根误差，结果如表1所示。

表1 三种截止高度角的均方根误差（mm）

从表1 的统计数据可以看出，基线沉降的精度首先随着高度角的增加而增加，然后降低。当高度角约为20°时，精度最高。最佳观察高度角为20°，但是最佳观察高度角也根据观察时间和观察环境的不同而不同。

3.2 组合观测定位精度实验分析

为了分析在GPS、GLONASS、BDS 卫星数均比较多且空间结构较好时，组合系统和各单一系统的定位精度，实验选取广州CORS 某基准站观测数据进行了精度对比，结果如图4 至图8 所示。

图4 CORS站X方向的残差值

图5 CORS站Y方向的残差值

图6 CORS站Z方向的残差值

图7 CORS站各系统空间卫星可见数

图8 CORS站各系统PDOP值

四种方案可见卫星数和PDOP 值统计如表2 所示。 四种方案点位误差分析如表3 所示。

表2 CORS站四种方案可见卫星数和PDOP值统计

表3 CORS站四种方案点位误差对比

由上述图表可知，组合系统的收敛速度较GLONASS和BDS 系统快得多，但和GPS 系统的收敛速度基本一致；组合系统的定位精度较各单一系统均有小幅提高。相对于BDS 和GLONASS，组合系统精度提高较多；相对于GPS，精度有所提高，但不多，主要是因为GPS可见卫星数和空间结构较好。根据点位误差表可知，组合系统在三个方向较GPS 平均提高了0.003 m，较BDS平均提高了0.018 m，较GLONASS 平均提高了0.019 m。

由图8 可以看出，在1:40 到10:20 之间，GLONASS系统的PDOP 值变化较大，因此，定位精度比较差，定位误差达到40cm，组合之后的PDOP 值变得较小且稳定，组合系统定位误差控制在3 cm 之内。

与GPS 相比，北斗系统的PDOP 虽然较大，但相对变化比较稳定，在定位过程中没有出现如GLONASS系统定位误差突然变大的情况，但在最后时刻，BDS系统的PDOP 值持续变大，导致BDS 的定位结果亦慢慢变大，因此，PDOP 值对定位精度的影响较大。

组合系统的PDOP 值最大浮动才0.3，比较稳定，在定位过程中定位结果也比较稳定。

4 结论

本文通过观测实验分析10°、20°和30°三种不同截止高度角对定位精度的影响，以及通过对比组合系统与GPS、GLONASS、BDS 的收敛速度，分析了各系统达到的精度及稳定性，得到结论如下：

（1）定位精度先随高度角的增加而增加，然后再降低。当切削高度角约为20°时，精度最高。但是，根据不同的观察时间和观察环境，最佳观察截止角也不同。

（2）组合系统的收敛速度较GLONASS 和BDS 系统快得多，但和GPS 系统基本一致；组合系统的定位精度较各单一系统均有小幅度提高。相对于BDS 和GLONASS，组合系统精度提高较多，但相对于GPS 精度提高不多，主要因为GPS 可见卫星数和空间结构较好。