基于BDS的双系统组合单点定位优势分析验证

万芹江?张玉珍?胡永　张梦雨

摘要：为了分析验证基于BDS双系统组合的单点定位的优势，利用多模接收器进行不同组合模式下的静/动态单点定位实验，通过对稳定性、内符合精度、可见卫星数、DOP值、信噪比的分析得出基于BDS的双系统对定位精度的影响。结果表明：GPS/BDS组合定位相较于GPS单系统在卫星可见数、DOP值具有明显的优势；在建筑密集区、树木茂盛地区等多路径效应强烈地区，GPS/BDS的组合定位比GPS/GLONASS组合定位在精度上有所改善，证实了基于BDS双系统组合的定位优势，为实际工作中定位组合的选择提供参考。

关键词：组合定位；BDS；可见卫星数；多路径效应

一、前言

随着我国现代化进程的持续推进，对矿产油气等资源的需求大幅度提高，同时面对传统地质调查工作在技术上的限制，供需形式日益严峻[1]。近年来，我国持续加强科技攻关，在航空、电子信息、量子通信等方面取得了一系列突破性进展。新时代，采用新方法、利用新技术提升地质调查工作效率，在新一轮找矿突破战略行动中被赋予了重要使命。北斗卫星导航系统（BDS）是由我国自主研制的具有快速定位、短报文通信和精密授时三大主要功能的卫星导航系统，它的使用提高了数据的安全保密性，极大地减少了在关键领域对国外技术的依赖[2]，自提供服务以来广泛地被运用在区域地质调查、矿产勘查、变形监测、灾害预警等方面。

2022年11月中华人民共和国国务院新闻办公室发布的《新时代的中国北斗》白皮书中指出，我国将持续推进北斗系统与其他系统的兼容与互补，实现优势互补，促进卫星导航系统的共同发展[3]。手持定位接收器具有体积小、便携、独立使用、操作简单等特点，在地质调查定点、校正、更新数据等方面被广泛应用。随着我国技术的不断成熟、北斗全球系统的成功组网，研究以BDS为中心的组合定位性能优势具有重要意义。本文通过静态、动态实验分别研究了基于BDS的组合定位和GPS/GLONASS组合定位在不同环境条件下的定位优势。

二、静态数据分析

（一）稳定性分析

传播路径、仪器精确程度、天线接收状态等因素会影响仪器的定位精度，为了尽可能减少上述因素对观测结果的影响，需要对仪器进行稳定性分析[4]，本文所讨论的稳定性分析主要包括观测值稳定和内符合精度。

1.观测值稳定

在本次实验中，采用冰河610手持定位器进行实地测量，选择GPS/BDS组合和GPS/GLONASS组合定位，在同一测点进行观测，每60s记录一次观测结果，记录结果见表1。

从表1中可以看出，在传播路径、天线接收状态相同的情况下，GPS/BDS组合在1个测点上持续观测4—5min以上的时长时，其观测结果才基本达到稳定状态。而GPS/GLONASS组合在1个测点上持续观测2—3min以上的时长时，其观测结果基本达到稳定状态。其中，GPS/BDS组合和GPS/GLONASS组合在开阔地区仪器测定的互差最大值大致在2m以内。而在树林茂盛的遮蔽地区GPS/BDS组合和GPS/GLONASS组合各自测定的互差最大值大致在4m以内。

2.内符合精度

本文通过对同一测点在不同时段的重复观测所得数据进行分析，来研究该仪器的稳定性。实验中，按照计算公式：

式中，s'为相同环境下同一测点、相同观测时长、不同观测时段的较差，n表示较差个数。

对GPS/BDS与GPS/GLONASS两种组合下，0min、5min、10min三种定位时长所观测的结果求差。考虑到多路径效应是影响定位精度的重要因素之一，在计算稳定度时剔除该数据，结果见表2。

由上述实验数据可以看出，GPS/BDS组合0min定位稳定度比10min定位稳定度低，且该差异在茂盛地区更明显；茂盛地区GPS/GLONASS组合0min与10min定位稳定度的差值最大，5min定位稳定度与10min定位稳定度可以看作相同。

（二）卫星可见性分析

2022年10月26日，在四川省乐山市某地区采用单频多模接收器观测数据，统计卫星可见性如图1所示。

接收器在静态定位下，GPS/BDS组合定位所需稳定时间更长，而可见卫星数大都多于GPS/GLONASS组合。

（三）DOP值分析

GPS/BDS、GPS/GLONASS组合系统与单GPS系统相比，可见卫星数更多、对应DOP值相对较小。DOP值等级分布如表3所示。

由图2、表3所示，不同环境、不同卫星系统定位下的DOP值各不相同。在开阔地区，GPS的HDOP平均值为0.9；GPS/BDS组合的HDOP平均值为0.8；GPS/GLONASS组合的HDOP平均值为0.76。在多路径效应强烈地区，GPS/BDS组合的HDOP平均值为0.78；GPS/GLONASS组合的HDOP平均值为0.77。综上，单GPS系统相较GPS/BDS、GPS/GLONASS组合系统在HDOP值方面较差，宽阔地区GPS/GLONASS相对而言较稳定，而多路径效应强烈地区GPS/BDS更稳定。

三、动态数据分析

（一）卫星可见性分析

为了验证不同组合系统在实际工作下的可见卫星数及精度分布，实验选取了环境路况复杂的地区，在东经103°27′40″至103°28′23″、北纬29°34′17″至29°34′30″范围内开展观测工作。由图3可见，在观测区内GPS/BDS组合系统可见卫星数优于GPS/GLONASS组合系统，且BDS的可见卫星数不少于6颗，定位能力更强。

（二）DOP值分析

静态下组合系统的HDOP波动随多路径效应表现不同，图4给出了动态下，GPS/BDS、GPS/GLONASS组合系统的HDOP值的波动情况。GPS/BDS的HDOP平均值为0.88，GPS/GLONASS的HDOP平均值为0.77，GPS/BDS组合系统波动较大，但又均处于理想状态。相较于静态的HDOP值，GPS/BDS组合波动的最大最小值小于GPS/GLONASS组合波动。

（三）信噪比

除了卫星数量和分布位置、地形差异、多路径效应等对定位误差有直接的影响，接收器运行状态、天线增益在信号传输接收过程中的变化也在一定程度上影响了定位精度。信噪比作为可以反映接收器接收卫星质量好坏的电子信号，当多路径效应强烈或接收仪器状态不良时，比值越小、观测误差变大。

图5给出了动态定位试验测点上的信噪比的变化情况。由图可见，6号、8号测点即使GPS/BDS组合平均信噪比小于GPS/GLONASS组合，在可见卫星数方面GPS/BDS组合却多于GPS/GLONASS组合，表现出的定位精度和HDOP值也截然不同。廖阳[5]研究了信噪比与高度角的关系，结果表明在进行接收器的设置时需要考虑高度角。因此，在后续研究中还需要对影响定位精度的其他因子进行分析和计算，而后再根据不同要求设计不同观测方式、仪器设置的方案。

四、结语

本文通过GPS单系统、GPS/BDS和GPS/GLONASS组合系统在静态、动态下的实验，研究验证了GPS/BDS组合系统相较于单GPS系统和GPS/GLONASS组合系统的定位优势，分析发现：在我国南方地区，组合系统定位性能比单GPS系统具有明显的优势，GPS/BDS组合系统在稳定性、多路径效应等方面优于GPS/GLONASS组合系统，但由于系统偏差、芯片接收信号有限以及不同高度截止角对定位精度的影响，本实验中的GPS/BDS组合与GPS/GLONASS组合并无绝对的优劣。对基于BDS的双系统组合定位的研究还需要通过优化芯片、仪器性能，提高仪器接收的数据质量再进行更深一步的设计与分析。

参考文献

[1]李志忠，汪大明，何凯涛，等.北斗系统在野外地质调查中的应用[J].卫星应用，2014（10）：42-45.

[2]孙启明，李栩，王君鹏.北斗卫星民用市场现状与发展前景[J].北京邮电大学学报（社会科学版），2018，20（1）：95-104.

[3]中华人民共和国国务院新闻办公室新时代的中国北斗[N].人民日报，2022-11-05（002）.

[4]张冬冬.地质测量中手持GPS定位的误差分析[J].神华科技，2017，15（8）：43-44+57.

[5]廖阳.GNSS多系统卫星定位数据质量分析[J].测绘与空间地理信息，2022，45（2）：100-102.

基金项目：新疆维吾尔自治区2022年自治区级大学生创新创业训练计划项目“基于北斗系统定位芯片在地质灾害监测中的应用”（课题编号：S202210994018）

作者单位：万芹江、胡永、张梦雨，新疆工程学院矿业工程与地质学院；张玉珍，新疆工程学院教学质量监控中心；胡永，新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队