北斗数据缺失下组合系统定位性能分析

2020-09-03苟长龙陈好宏安德龙

矿山测量 2020年4期

苟长龙，陈好宏，安德龙

(甘肃交通职业技术学院，甘肃兰州 730000)

随着我国北斗系统的不断完善，北斗与其他系统进行组合定位将是今后发展的趋势，但在数据观测时，经常会由于数据缺失而降低定位精度[1-3]。根据我国北斗系统的发展战略，建设完成的北斗一号只能在我国范围内提供导航与定位服务，马上建设完成的北斗三号还不能完全向全球提供导航与定位服务，而2012年底建设完成的北斗二号已经可以稳定的向亚太地区提供导航与定位服务，并且经过专家研究验证，北斗二号定位精度与GPS基本一致[4-6]。此外北斗系统星座设计与其他导航系统不同，GPS只有中圆轨道卫星(MEO)，而北斗则是由三种类型轨道卫星组成，分别为地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜同步轨道卫星(IGSO)与中圆轨道卫星(MEO)，这三类轨道卫星特性各异，对定位所产生的影响也不同，因此对缺失不同类型北斗卫星对定位性能所产生的影响进行分析是十分必要的[7-8]。对于不同类型北斗星座对北斗定位精度的影响，国内部分专家学者进行了研究分析，文献[9]分析了GEO/IGSO/MEO三种轨道卫星对北斗伪距差分定位精度的作用，发现当只有GEO卫星参与定位时，定位精度较差，当加入其它两种轨道卫星时，北斗卫星空间几何分布结构得到了明显的改善，并且定位精度也有了较大的提升；文献[10]分析了北斗GEO/IGSO/MEO三种轨道卫星的观测值精度，并且将随机模型精化，发现北斗三种星座MEO、IGSO、GEO定位精度依次降低，相对定位精度是伪距定位精度的百倍以上，北斗伪距定位精度略低于GPS，相位观测值精度与GPS相当，精细化后的模型使单历元动态定位精度有了较大提升；文献[11]分析了数据缺失情况下的北斗定位性能，发现在进行静态实验伪距测量精度分析时，缺失GEO卫星时三维点位精度下降了85%，在缺失IGSO时定位精度下降了43.8%，缺失MEO卫星时定位精度下降了6%，三种轨道卫星的缺失对载波相位定位精度的影响小于伪距定位，而在进行动态定位时，无遮挡情况下北斗与GPS定位精度一致，有遮挡情况下，北斗数据缺失情况比GPS严重，甚至无法进行定位。

针对目前对北斗不同轨道卫星对定位精度影响研究状况，本文进一步分析了缺失北斗不同轨道卫星对BDS/GPS、BDS/GLONASS以及BDS/Galileo三种双系统组合定位下卫星可见数、PDOP值、伪距单点定位精度以及精密单点定位精度的影响。

1 卫星数与PDOP值

定位的可靠性与准确性很多程度上与卫星可见数有关，而卫星可见数是指在数据采集过程中可以接收到的卫星数，卫星可见数越多，在利用最小二乘进行数据处理时得到的解越优，即定位精度越高。DOP值则是指卫星与接收机空间几何布局的影响造成的伪距误差与用户位置误差间的比例系数，DOP值越小证明卫星空间分布位置越好，定位精度越高，而位置精度衰减因子(PDOP)是DOP值的一种，也是最常用于分析卫星空间位置分布状况的指标。

图1 北斗数据缺失下卫星可见数

如图1所示，当不同类型北斗轨道卫星缺失时，对卫星可见数所造成的影响不同。GPS/BDS组合下，平均卫星可见数为18颗，缺少北斗GEO卫星时，平均卫星可见数为13颗，平均卫星可见数减少5颗；缺少IGSO卫星时，平均卫星可见数为13颗，平均卫星可见数减少5颗；缺少MEO时，平均卫星可见数为17颗，平均卫星可见数减少1颗。GLONASS/BDS组合下，平均卫星可见数为16颗，缺少北斗GEO卫星时，平均卫星可见数为11颗，平均卫星可见数减少5颗；缺少IGSO卫星时，平均卫星可见数为11颗，平均卫星可见数减少5颗；缺少MEO时，平均卫星可见数为15颗，平均卫星可见数减少1颗。Galileo/BDS组合下，平均卫星可见数为17颗，缺少北斗GEO卫星时，平均卫星可见数为12颗，平均卫星可见数减少5颗；缺少IGSO卫星时，平均卫星可见数为12颗，平均卫星可见数减少5颗；缺少MEO时，平均卫星可见数为16颗，平均卫星可见数减少1颗。综上发现，缺少不同类型的北斗轨道卫星对GPS/BDS、GLONASS/BDS与Galileo/BDS三种组合情况下的卫星可见数影响一致。

如图2所示，当不同类型北斗轨道卫星缺失时，对PDOP值所造成的影响不同。GPS/BDS组合下，平均PDOP值为1.48，缺少北斗GEO卫星时，平均PDOP值为1.81，平均PDOP值增加0.33；缺少IGSO卫星时，平均PDOP值为1.76，平均PDOP值增加0.28；缺少MEO卫星时，平均PDOP值为1.52，平均PDOP值增加0.04。GLONASS/BDS组合下，平均PDOP值为1.61，缺少北斗GEO卫星时，平均PDOP值为2.10，平均PDOP值增加0.49；缺少IGSO卫星时，平均PDOP值为1.91，平均PDOP值增加0.30；缺少MEO卫星时，平均PDOP值为1.66，平均PDOP值增加0.05。Galileo/BDS组合下，平均PDOP值为1.63，缺少北斗GEO卫星时，平均PDOP值为2.16，平均PDOP值增加0.53；缺少IGSO卫星时，平均PDOP值为1.95，平均PDOP值增加0.32；缺少MEO卫星时，平均PDOP值为1.69，平均PDOP值增加0.06。综上发现，GEO卫星、IGSO卫星与MEO卫星对GPS/BDS、GLONASS/BDS与Galileo/BDS三种组合情况下的平均PDOP值影响逐渐递减，GPS/BDS、GLONASS/BDS与Galileo/BDS平均PDOP值受GEO卫星的影响逐渐递增，GPS/BDS、GLONASS/BDS与Galileo/BDS平均PDOP值受IGSO卫星的影响逐渐递增，GPS/BDS、GLONASS/BDS与Galileo/BDS平均PDOP值受MEO卫星的影响逐渐递增。

图2 北斗数据缺失下PDOP值

2 伪距单点定位

本文选取了2019年2月1日WUH2站数据作为基础数据，用以分析北斗不同类型卫星数据缺失下对北斗与其他导航系统组合伪距单点定位精度的影响，该站数据采集时间为24 h，采样频率为30 s。在进行数据处理时，首先处理GPS/BDS、GLONASS/BDS与Galileo/BDS三种组合，北斗数据不缺失情况下的伪距单点定位，然后分别处理北斗GEO卫星、IGSO卫星与MEO卫星缺失下的伪距单点定位，通过对比分析不缺失情况下伪距单点定位精度与不同北斗类型卫星缺失情况下的伪距单点定位精度，确定缺失不同类型北斗卫星对伪距单点定位精度的影响。

首先分析不同类型北斗卫星缺失下对伪距单点定位误差的影响。

如图3所示，当缺失北斗GEO卫星于IGSO卫星时，对GPS/BDS组合伪距单点定位误差最大影响值为1 m，而缺失北斗MEO卫星时，对GPS/BDS组合伪距单点定位误差最大影响较小。

图3 北斗数据缺失下GPS/BDS伪距单点定位误差

如图4所示，当缺失北斗GEO卫星与IGSO卫星时，对GLONASS/BDS组合伪距单点定位误差最大影响值为4 m，而缺失北斗MEO卫星时，对GLONASS/BDS组合伪距单点定位误差影响较小。

如图5所示，当缺失北斗GEO卫星与IGSO卫星时，对Galileo/BDS组合伪距单点定位误差最大影响值为10 m，而缺失北斗MEO卫星时，对Galileo/BDS组合伪距单点定位误差影响较小。

图4 北斗数据缺失下GLONASS/BDS伪距单点定位误差

图5 北斗数据缺失下Galileo/BDS伪距单点定位误差

为进一步确定不同类型北斗卫星缺失对伪距单点定位精度的影响，统计不同方案下E、N、U三个方向的RMS值如下：

如表1所示，GPS/BDS组合定位下，缺失GEO卫星时，E方向RMS值降低41.5%，N方向RMS值降低21.3%，U方向RMS值降低18.8%；缺失IGSO卫星时，E方向RMS值降低34.1%，N方向RMS值降低48.8%，U方向RMS值降低9.3%；缺失MEO卫星时，E方向RMS值降低4.9%，N方向RMS值降低4.9%，U方向RMS值降低1%；GLONASS/BDS组合定位下，缺失GEO卫星时，E方向RMS值降低34.4%，N方向RMS值降低22.5%，U方向RMS值降低35.9%；缺失IGSO卫星时，E方向RMS值降低80%，N方向RMS值降低50.8%，U方向RMS值降低40.2%；缺失MEO卫星时，E方向RMS值降低3.3%，N方向RMS值降低3.8%，U方向RMS值降低2.4%。Galileo/BDS组合定位下，缺失GEO卫星时，E方向RMS值降低56.9%，N方向RMS值降低24.1%，U方向RMS值降低37%；缺失IGSO卫星时，E方向RMS值降低37.9%，N方向RMS值降低56.9%，U方向RMS值降低29.9%；缺失MEO卫星时，E方向RMS值降低1.7%，N方向RMS值降低5.2%，U方向RMS值降低3.1%。

3 精密单点定位

同样选取2019年2月1日WUH2站数据作为基础数据，用以分析北斗不同类型卫星数据缺失下对北斗与其他导航系统组合精密单点定位精度的影响，数据处理方案与伪距单点定位数据处理方案一致。

图6 北斗数据缺失下GPS/BDS精密单点定位误差

如图6所示，当缺失北斗GEO卫星与IGSO卫星时，对GPS/BDS组合精密单点定位误差的影响要大于缺失MEO卫星时，但三类北斗卫星的缺失对GPS/BDS组合精密单点定位误差的影响较小。

如图7所示，当缺失北斗GEO卫星与IGSO卫星时，对GLONASS/BDS组合精密单点定位误差的影响达到了5 cm，而缺失北斗MEO卫星时，对GLONASS/BDS组合精密单点定位误差影响较小。

图8 北斗数据缺失下Galileo/BDS精密单点定位误差

如图8所示，当缺失北斗GEO卫星与IGSO卫星时，对GLONASS/BDS组合精密单点定位误差的影响达到了9 cm，甚至观测时间到12 h时，定位收敛出现了波动，波动范围5 cm以内，而缺失北斗MEO卫星时，对GLONASS/BDS组合精密单点定位误差影响较小。

为进一步确定不同类型北斗卫星缺失对精密单点定位精度的影响，统计不同方案下E、N、U三个方向的RMS值如下：

如表2所示，GPS/BDS组合定位下，缺失GEO卫星时，E方向RMS值降低13.8%，N方向RMS值降低9.1%，U方向RMS值降低13.2%；缺失IGSO卫星时，E方向RMS值降低27.6%，N方向RMS值降低18.2%，U方向RMS值降低19.1%；缺失MEO卫星时，E方向RMS值降低6.9%，N方向RMS值降低6.1%，U方向RMS值降低2.9%；GLONASS/BDS组合定位下，缺失GEO卫星时，E方向RMS值降低28.6%，N方向RMS值降低31.3%，U方向RMS值降低12.5%；缺失IGSO卫星时，E方向RMS值降低31.4%，N方向RMS值降低50%，U方向RMS值降低27.7%；缺失MEO卫星时，E方向RMS值降低2.9%，N方向RMS值降低6.3%，U方向RMS值降低2.7%。Galileo/BDS组合定位下，缺失GEO卫星时，E方向RMS值降低34.4%，N方向RMS值降低36.4%，U方向RMS值降低12.3%；缺失IGSO卫星时，E方向RMS值降低40.6%，N方向RMS值降低30.3%，U方向RMS值降低10.4%；缺失MEO卫星时，E方向RMS值降低6.3%，N方向RMS值降低3%，U方向RMS值降低2.8%。