鐘東仁

(泉州市泉港區(qū)自然資源局，福建 泉州 362000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱“北斗”)是我國重要的民生工程，也是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(以下簡稱“GNSS”)家族的一顆新星，北斗的加入將使全球?qū)Ш脚c定位更加多元化[1-2]。根據(jù)我國的基本國情，北斗的發(fā)展按照三步走的發(fā)展戰(zhàn)略進行建設(shè)。2000年完成北斗一號即雙星系統(tǒng)的建設(shè)，2012年完成北斗二號即區(qū)域系統(tǒng)的建設(shè)，2020年完成北斗三號即全球定位系統(tǒng)的建設(shè)[3-4]。北斗與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星星座設(shè)計為混合星座，由地球同步軌道衛(wèi)星(以下簡稱“GEO”)、中圓地球軌道衛(wèi)星(以下簡稱“MEO”)和傾斜地球軌道衛(wèi)星(以下簡稱“IGSO”)3種軌道衛(wèi)星組成，北斗具有播發(fā)短報文的功能，為無信號地區(qū)的通信與求救提供了可能，除此之外北斗還是GNSS中唯一一個向所有工作衛(wèi)星都提供三頻信號服務(wù)的導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗使用碼分多址(以下簡稱“CDMA”)擴頻通信體制，北斗二號即區(qū)域星座衛(wèi)星播發(fā)3個頻率的衛(wèi)星信號，即B1(1 561.098 MHz)、B2(1 207.14 MHz)、B3(1 268.52 MHz)[5]。自北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始建設(shè)，國內(nèi)專家學(xué)者就專注于北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量與定位性能的研究，但大多數(shù)學(xué)者都是將數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與定位精度評定分開研究，或者只研究北斗單頻或者北斗雙頻的定位性能，忽略了北斗三頻數(shù)據(jù)質(zhì)量與定位性能[6-7]。田豐瑞等[8]分析了北斗定位性能，發(fā)現(xiàn)北斗多路徑誤差在0.2～0.6 m，標(biāo)準(zhǔn)單點定位平面精度優(yōu)于2.2 m，高程精度優(yōu)于7 m，精密單點定位水平精度優(yōu)于1 cm，高程精度優(yōu)于2 cm；王澤民等[9]評估了南極地區(qū)北斗的定位性能，發(fā)現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量與可用性與全球定位系統(tǒng)(GPS)基本一致，在偽距單點定位與相對定位，整體上相對于GPS略差，北斗與GPS組合，相比于單系統(tǒng)精度提升了很多。張海峰等[10]分析了北極地區(qū)北斗與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，以下簡稱“GLONASS”)的定位性能，發(fā)現(xiàn)北斗二號在北極地區(qū)還無法提供連續(xù)可靠的定位服務(wù)，GLONASS系統(tǒng)的定位性能較好，北斗與GLONASS組合系統(tǒng)相對單系統(tǒng)性能有很大提高。于文浩等[11]分析了北斗三頻中長基線定位精度，發(fā)現(xiàn)通過B3頻率構(gòu)建的濾波能使中長基線定位精度達到厘米級，并能有效縮短首次收斂時間和提高模糊度固定率，對提高北斗定位精度有著重要的意義。彭利等[12]分析了北斗雙頻/三頻靜態(tài)精密單點定位精度，北斗三頻靜態(tài)精密單點定位相比于北斗雙頻靜態(tài)精密單點定位，無論是在收斂速度還是定位精度上都有很大提升，絕對定位精度在2～3 cm，與GPS雙頻精密單點定位精度相當(dāng)。

為進一步分析北斗三頻數(shù)據(jù)質(zhì)量與定位性能評估問題，本文基于低緯度國際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，以下簡稱“IGS”)連續(xù)跟蹤站實測數(shù)據(jù)，首先分析了北斗三頻數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后分析了北斗雙頻/三頻偽距單點定位精度，最后基于實際工程應(yīng)用分析了北斗三頻數(shù)據(jù)的定位精度。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為了詳細分析低緯度地區(qū)北斗三頻定位性能，選取了2019年2月5日位于低緯度地區(qū)的IGS連續(xù)跟蹤站CUT0站全天24 h的觀測數(shù)據(jù)，該站接收機類型為TRIMBLE NETR9，接收機天線類型為TRM59800.00，數(shù)據(jù)采樣率為30 s。北斗導(dǎo)航與定位的準(zhǔn)確性和可靠性很大程度上取決于北斗觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此在分析北斗定位性能之前評估北斗觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常必要。北斗觀測數(shù)據(jù)評估的常規(guī)指標(biāo)主要有衛(wèi)星可見數(shù)、DOP值、信噪比及多路徑，本文主要從以上幾個方面分析北斗三頻的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.1 衛(wèi)星可見數(shù)與DOP值

衛(wèi)星可見數(shù)是指在觀測過程中可以接收到北斗衛(wèi)星發(fā)射信號的個數(shù)，衛(wèi)星可見數(shù)越多在利用最小二乘進行數(shù)據(jù)處理時得到的解越優(yōu)。DOP值是指衛(wèi)星與接收機空間幾何布局的影響造成的偽距誤差與用戶位置誤差間的比例系數(shù)，DOP值越小證明衛(wèi)星空間分布位置越好，定位精度越高。DOP值包括幾何精度衰減因子(GDOP)、位置精度衰減因子(PDOP)、水平精度衰減因子(HDOP)和垂直精度衰減因子(VDOP)。

如圖1所示，在低緯度地區(qū)北斗衛(wèi)星可見數(shù)為8～13顆，完全滿足衛(wèi)星可見數(shù)要大于4顆才能進行定位的要求。如圖2所示，在觀測時間段內(nèi)，大部分觀測時間4個DOP值都在3以內(nèi)，GDOP平均值為2.7，PDOP值的平均值為2.2，HDOP平均值為1.3，VDOP的平均值為1.8，個別觀測時刻DOP值突然變大，可能是因為在這些時刻，突然出現(xiàn)遮擋或者衛(wèi)星失鎖導(dǎo)致衛(wèi)星空間位置分布結(jié)構(gòu)變差。

圖1 北斗衛(wèi)星可見數(shù)Fig.1 Beidou satellite visible number

圖2 DOP值Fig.2 DOP value

1.2 信噪比

信噪比作為數(shù)據(jù)質(zhì)量評估的主要指標(biāo)之一，是反應(yīng)觀測數(shù)據(jù)信號強度的重要指標(biāo)。它是指載波信號強度與觀測噪聲的比值，可以直接從觀測文件中獲得，信噪比越大，證明信號強度越高。

如圖3所示，北斗3個頻率的信噪比隨著高度角的增加趨于穩(wěn)定，B1頻率的信噪比趨于51 dB-Hz，B2頻率的信噪比趨于51 dB-Hz，B3頻率的信噪比趨于53 dB-Hz，可以看出北斗B3頻率的信噪比比B1頻率和B2頻率大2 dB-Hz，表明B3頻率的觀測信號強度要大于B1頻率和B2頻率，在進行北斗定位時，B3頻率的加入肯定能提供定位精度。

1.3 多路徑

多路徑效應(yīng)是指信號在傳播過程中會受到傳播路上環(huán)境的影響，接收機天線接收到的信號是經(jīng)過地物反射之后的信號與原始信號的疊加，從而引起的干涉延遲稱為多路徑延遲。 多路徑延遲主要與測站觀測環(huán)境、高度角等有關(guān)。 多路徑計算公式見式(1)[13]。

(1)

式中：i和j為載波相位頻率；MPj為偽距多路徑組合；λi和λj為波長；fi和fj為頻率；φi和φj為載波相位觀測值；Pj為偽距觀測值；MPj中包含整周模糊度，整周模糊度中吸收了硬件延遲等誤差，統(tǒng)一由Bij表示。

如圖4所示，北斗B1、B2和B3三個頻率的多路徑效應(yīng)隨著高度角的增加而減小，但是都在3 m以內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)B1頻率的多路徑效應(yīng)明顯大于B2頻率和B3頻率的多路徑效應(yīng)，且B2頻率和B3頻率多路徑在高度角達到30°之后明顯的減小，此外還在B1頻率、B2頻率和B3頻率中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)偏差。

圖3 北斗不同頻率信噪比Fig.3 Beidou different frequency signal to noise ratio

圖4 北斗不同頻率多路徑Fig.4 Beidou different frequency multipath

2 北斗偽距定位精度分析

分析北斗三頻定位性能時主要通過對比分析北斗雙頻/三頻偽距單點定位精度，在進行數(shù)據(jù)處理時，按照4種方案進行：第一種B1/B2組合、第二種B1/B3組合、第三種B2/B3組合、第四種B1/B2/B3組合，通過分析4種組合下偽距單點定位坐標(biāo)偏差以及RMS值分析北斗三頻定位性能。

如圖5所示，北斗B1/B2組合下北斗偽距單點定位X方向和Y方向的坐標(biāo)偏差在4 m以內(nèi)，Z方向的坐標(biāo)偏差在12 m以內(nèi)；B1/B3組合下北斗偽距單點定位X方向和Y方向的坐標(biāo)偏差在5 m以內(nèi)，Z方向的坐標(biāo)偏差在13 m以內(nèi)；B2/B3組合下北斗偽距單點定位X方向和Y方向的坐標(biāo)偏差在15 m以內(nèi)，Z方向的坐標(biāo)偏差在35 m以內(nèi)，不能滿足普通的定位精度；B1/B2/B3組合下北斗偽距單點定位X方向和Y方向的坐標(biāo)偏差在2 m以內(nèi)，Z方向的坐標(biāo)偏差在6 m以內(nèi)，相比于雙頻組合，三頻組合下偽距單點定位坐標(biāo)偏差減小了很多。為進一步分析北斗三頻偽距單點定位精度，統(tǒng)計其RMS值，見表1。

圖5 北斗不同頻率組合偽距單點定位坐標(biāo)偏差Fig.5 Beidou different frequency combination pseudorange single point positioning coordinate deviation

表1 北斗偽距單點定位RMS值Table 1 Beidou pseudorange single point positioningRMS value

由表1可知，B1/B2和B1/B3組合的北斗偽距單點定位X方向和Y方向的RMS值在2 m以內(nèi)，Z方向的RMS值在4 m以內(nèi)；B2/B3組合下北斗偽距單點定位3個方向的RMS值較大；B1/B2/B3組合下的北斗偽距單點定位X方向和Y方向的RMS值在1 m以內(nèi)，Z方向的RMS值在3 m以內(nèi)，相比于單系統(tǒng)提升很大。其中X方向最大提升了49%，Y方向最大提升了41%，Z方向最大提升了15%。

3 工程實例分析

3.1 橋梁變形監(jiān)測

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)手段相比，具有精度高、受天氣影響較小、省時省力、高采樣率，以及能獲取監(jiān)測點高精度三維坐標(biāo)的優(yōu)點，因此未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域。針對我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部工作衛(wèi)星都播發(fā)三頻信號的優(yōu)勢，本文以福建某橋梁的變形監(jiān)測為基礎(chǔ)，分析利用北斗三頻數(shù)據(jù)進行橋梁變形監(jiān)測相比于雙頻具有的優(yōu)勢。該橋梁位于福建省內(nèi)，屬于低緯度地區(qū)，全長150 m左右，為雙向四車道橋梁，在橋梁二分之一和四分之三分別架設(shè)一臺儀器，距離橋梁500 m處架設(shè)基準(zhǔn)站，以便對監(jiān)測站進行單基線解算，獲取單歷元橋梁變形數(shù)據(jù)，高度角設(shè)置為12°，采樣頻率設(shè)置為1 s。在進行數(shù)據(jù)處理分析時，分析雙頻組合及三頻組合情況下橋梁的變形信息，根據(jù)雙頻偽距單點定位精度可知，B1/B2組合定位精度要高于B1/B3組合和B2/B3組合的定位精度，因此在對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理時，只分析B1/B2雙頻組合下的變形信息以及B1/B2/B3三頻組合下的變形信息。

如圖6所示，通過雙頻解算的數(shù)據(jù)與通過三頻解算的數(shù)據(jù)獲取橋梁3個方向的變形趨勢一致，水平方向橋梁的變形位移要小于數(shù)值方向的變形位移，因為橋梁的主要變形方向就是擾度變形，因此通過北斗獲取的橋梁變形情況是合理的，其中E方向變形在2 cm以內(nèi)，最大變形為1.3 cm；N方向變形在3 cm以內(nèi)，最大變形為2.2 cm；豎直方向即U方向變形最大，在5 cm以內(nèi)，最大變形為4.8 cm。進一步統(tǒng)計雙頻/三頻組合下橋梁3個方向的RMS值，見表2。

圖6 橋梁三個方向動態(tài)變形情況Fig.6 Dynamic deformation of the bridge in three directions

表2 三個方向RMS值統(tǒng)計Table 2 RMS value statistics in three directions

由表2可知，雙頻組合下E方向和N方向的RMS值優(yōu)于2 cm，U方向的RMS值為2 cm，三頻組合下3個方向的RMS值相比于雙頻組合都有了很大的提升，E方向提升了17%，N方向提升了9%，U方向提升了8%。

3.2 宗地和房屋測量

由于受測繪技術(shù)條件、作業(yè)成本等因素限制，我國農(nóng)村集體土地登記工作總體滯后，不動產(chǎn)登記制度實施以來，人們對農(nóng)村集體土地確權(quán)越來越重視，加快推進農(nóng)村集體土地登記工作意義重大，對推進土地市場建設(shè)，維護土地權(quán)利人合法權(quán)益，促進經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮了重要作用。對登記的宗地和房屋測量精度要求更高，因此保證宗地和房屋測量精度的可靠性是十分必要，測量精度越高，誤差越小，引起的糾紛越小。本文以全站儀測量坐標(biāo)為基準(zhǔn)，分布利用只能接受雙頻和三頻的北斗數(shù)據(jù)的接收機對某宗農(nóng)村宅基地和房屋選點測量檢驗，結(jié)果見表3。

由表3可知，利用北斗三頻數(shù)據(jù)進行宗地和房屋測量時，定位誤差相比雙頻定位減少較大，其中E方向誤差最大減少0.34 cm；N方向誤差最大減小0.28 cm。

表3 宗地房屋測量精度檢驗Table 3 Parcel house measurement accuracy test

4 結(jié) 論

1) 低緯度地區(qū)的平均北斗衛(wèi)星可見數(shù)為11顆，完全滿足定位需要，DOP值都在3以內(nèi)，表明北斗衛(wèi)星空間分布位置良好。

2) B3頻率的信噪比比B1頻率和B2頻率的信噪比高出2 dB-Hz，表明B3頻率的信號強度最高，B3頻率的多路徑效應(yīng)相比于B1頻率和B2頻率較小。

3) 北斗三頻率組合偽距單點定位精度相比于雙頻組合定位精度提升了很多，其中X方向和Y方向的提升最大，在40%以上；Z方向的提升在10%以上，北斗三頻組合定位為觀測環(huán)境較差地區(qū)的高精度定位提供了可能性。

4) 利用北斗三頻數(shù)據(jù)對宗地和房屋選點測量檢驗相比北斗雙頻數(shù)據(jù)比較具有定位精度高、成本較低、作業(yè)方便靈活等優(yōu)勢。

5) 利用北斗三頻數(shù)據(jù)對實際工程進行變形監(jiān)測分析相比北斗雙頻數(shù)據(jù)定位精度有了很大提升，為我國基本土建測量、國土空間規(guī)劃、自然資源調(diào)查等提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐。