萬芹江?張玉珍?胡永　張夢雨

摘要：為了分析驗證基于BDS雙系統(tǒng)組合的單點定位的優(yōu)勢，利用多模接收器進行不同組合模式下的靜/動態(tài)單點定位實驗，通過對穩(wěn)定性、內(nèi)符合精度、可見衛(wèi)星數(shù)、DOP值、信噪比的分析得出基于BDS的雙系統(tǒng)對定位精度的影響。結(jié)果表明：GPS/BDS組合定位相較于GPS單系統(tǒng)在衛(wèi)星可見數(shù)、DOP值具有明顯的優(yōu)勢；在建筑密集區(qū)、樹木茂盛地區(qū)等多路徑效應強烈地區(qū)，GPS/BDS的組合定位比GPS/GLONASS組合定位在精度上有所改善，證實了基于BDS雙系統(tǒng)組合的定位優(yōu)勢，為實際工作中定位組合的選擇提供參考。

關鍵詞：組合定位；BDS；可見衛(wèi)星數(shù)；多路徑效應

一、前言

隨著我國現(xiàn)代化進程的持續(xù)推進，對礦產(chǎn)油氣等資源的需求大幅度提高，同時面對傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查工作在技術上的限制，供需形式日益嚴峻[1]。近年來，我國持續(xù)加強科技攻關，在航空、電子信息、量子通信等方面取得了一系列突破性進展。新時代，采用新方法、利用新技術提升地質(zhì)調(diào)查工作效率，在新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動中被賦予了重要使命。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是由我國自主研制的具有快速定位、短報文通信和精密授時三大主要功能的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它的使用提高了數(shù)據(jù)的安全保密性，極大地減少了在關鍵領域?qū)饧夹g的依賴[2]，自提供服務以來廣泛地被運用在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、變形監(jiān)測、災害預警等方面。

2022年11月中華人民共和國國務院新聞辦公室發(fā)布的《新時代的中國北斗》白皮書中指出，我國將持續(xù)推進北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容與互補，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，促進衛(wèi)星導航系統(tǒng)的共同發(fā)展[3]。手持定位接收器具有體積小、便攜、獨立使用、操作簡單等特點，在地質(zhì)調(diào)查定點、校正、更新數(shù)據(jù)等方面被廣泛應用。隨著我國技術的不斷成熟、北斗全球系統(tǒng)的成功組網(wǎng)，研究以BDS為中心的組合定位性能優(yōu)勢具有重要意義。本文通過靜態(tài)、動態(tài)實驗分別研究了基于BDS的組合定位和GPS/GLONASS組合定位在不同環(huán)境條件下的定位優(yōu)勢。

二、靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

（一）穩(wěn)定性分析

傳播路徑、儀器精確程度、天線接收狀態(tài)等因素會影響儀器的定位精度，為了盡可能減少上述因素對觀測結(jié)果的影響，需要對儀器進行穩(wěn)定性分析[4]，本文所討論的穩(wěn)定性分析主要包括觀測值穩(wěn)定和內(nèi)符合精度。

1.觀測值穩(wěn)定

在本次實驗中，采用冰河610手持定位器進行實地測量，選擇GPS/BDS組合和GPS/GLONASS組合定位，在同一測點進行觀測，每60s記錄一次觀測結(jié)果，記錄結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，在傳播路徑、天線接收狀態(tài)相同的情況下，GPS/BDS組合在1個測點上持續(xù)觀測4—5min以上的時長時，其觀測結(jié)果才基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。而GPS/GLONASS組合在1個測點上持續(xù)觀測2—3min以上的時長時，其觀測結(jié)果基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。其中，GPS/BDS組合和GPS/GLONASS組合在開闊地區(qū)儀器測定的互差最大值大致在2m以內(nèi)。而在樹林茂盛的遮蔽地區(qū)GPS/BDS組合和GPS/GLONASS組合各自測定的互差最大值大致在4m以內(nèi)。

2.內(nèi)符合精度

本文通過對同一測點在不同時段的重復觀測所得數(shù)據(jù)進行分析，來研究該儀器的穩(wěn)定性。實驗中，按照計算公式：

式中，s'為相同環(huán)境下同一測點、相同觀測時長、不同觀測時段的較差，n表示較差個數(shù)。

對GPS/BDS與GPS/GLONASS兩種組合下，0min、5min、10min三種定位時長所觀測的結(jié)果求差。考慮到多路徑效應是影響定位精度的重要因素之一，在計算穩(wěn)定度時剔除該數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

由上述實驗數(shù)據(jù)可以看出，GPS/BDS組合0min定位穩(wěn)定度比10min定位穩(wěn)定度低，且該差異在茂盛地區(qū)更明顯；茂盛地區(qū)GPS/GLONASS組合0min與10min定位穩(wěn)定度的差值最大，5min定位穩(wěn)定度與10min定位穩(wěn)定度可以看作相同。

（二）衛(wèi)星可見性分析

2022年10月26日，在四川省樂山市某地區(qū)采用單頻多模接收器觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計衛(wèi)星可見性如圖1所示。

接收器在靜態(tài)定位下，GPS/BDS組合定位所需穩(wěn)定時間更長，而可見衛(wèi)星數(shù)大都多于GPS/GLONASS組合。

（三）DOP值分析

GPS/BDS、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)與單GPS系統(tǒng)相比，可見衛(wèi)星數(shù)更多、對應DOP值相對較小。DOP值等級分布如表3所示。

由圖2、表3所示，不同環(huán)境、不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位下的DOP值各不相同。在開闊地區(qū)，GPS的HDOP平均值為0.9；GPS/BDS組合的HDOP平均值為0.8；GPS/GLONASS組合的HDOP平均值為0.76。在多路徑效應強烈地區(qū)，GPS/BDS組合的HDOP平均值為0.78；GPS/GLONASS組合的HDOP平均值為0.77。綜上，單GPS系統(tǒng)相較GPS/BDS、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)在HDOP值方面較差，寬闊地區(qū)GPS/GLONASS相對而言較穩(wěn)定，而多路徑效應強烈地區(qū)GPS/BDS更穩(wěn)定。

三、動態(tài)數(shù)據(jù)分析

（一）衛(wèi)星可見性分析

為了驗證不同組合系統(tǒng)在實際工作下的可見衛(wèi)星數(shù)及精度分布，實驗選取了環(huán)境路況復雜的地區(qū)，在東經(jīng)103°27′40″至103°28′23″、北緯29°34′17″至29°34′30″范圍內(nèi)開展觀測工作。由圖3可見，在觀測區(qū)內(nèi)GPS/BDS組合系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)優(yōu)于GPS/GLONASS組合系統(tǒng)，且BDS的可見衛(wèi)星數(shù)不少于6顆，定位能力更強。

（二）DOP值分析

靜態(tài)下組合系統(tǒng)的HDOP波動隨多路徑效應表現(xiàn)不同，圖4給出了動態(tài)下，GPS/BDS、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)的HDOP值的波動情況。GPS/BDS的HDOP平均值為0.88，GPS/GLONASS的HDOP平均值為0.77，GPS/BDS組合系統(tǒng)波動較大，但又均處于理想狀態(tài)。相較于靜態(tài)的HDOP值，GPS/BDS組合波動的最大最小值小于GPS/GLONASS組合波動。

（三）信噪比

除了衛(wèi)星數(shù)量和分布位置、地形差異、多路徑效應等對定位誤差有直接的影響，接收器運行狀態(tài)、天線增益在信號傳輸接收過程中的變化也在一定程度上影響了定位精度。信噪比作為可以反映接收器接收衛(wèi)星質(zhì)量好壞的電子信號，當多路徑效應強烈或接收儀器狀態(tài)不良時，比值越小、觀測誤差變大。

圖5給出了動態(tài)定位試驗測點上的信噪比的變化情況。由圖可見，6號、8號測點即使GPS/BDS組合平均信噪比小于GPS/GLONASS組合，在可見衛(wèi)星數(shù)方面GPS/BDS組合卻多于GPS/GLONASS組合，表現(xiàn)出的定位精度和HDOP值也截然不同。廖陽[5]研究了信噪比與高度角的關系，結(jié)果表明在進行接收器的設置時需要考慮高度角。因此，在后續(xù)研究中還需要對影響定位精度的其他因子進行分析和計算，而后再根據(jù)不同要求設計不同觀測方式、儀器設置的方案。

四、結(jié)語

本文通過GPS單系統(tǒng)、GPS/BDS和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)在靜態(tài)、動態(tài)下的實驗，研究驗證了GPS/BDS組合系統(tǒng)相較于單GPS系統(tǒng)和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)的定位優(yōu)勢，分析發(fā)現(xiàn)：在我國南方地區(qū)，組合系統(tǒng)定位性能比單GPS系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，GPS/BDS組合系統(tǒng)在穩(wěn)定性、多路徑效應等方面優(yōu)于GPS/GLONASS組合系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)偏差、芯片接收信號有限以及不同高度截止角對定位精度的影響，本實驗中的GPS/BDS組合與GPS/GLONASS組合并無絕對的優(yōu)劣。對基于BDS的雙系統(tǒng)組合定位的研究還需要通過優(yōu)化芯片、儀器性能，提高儀器接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量再進行更深一步的設計與分析。

參考文獻

[1]李志忠，汪大明，何凱濤，等.北斗系統(tǒng)在野外地質(zhì)調(diào)查中的應用[J].衛(wèi)星應用，2014（10）：42-45.

[2]孫啟明，李栩，王君鵬.北斗衛(wèi)星民用市場現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].北京郵電大學學報（社會科學版），2018，20（1）：95-104.

[3]中華人民共和國國務院新聞辦公室新時代的中國北斗[N].人民日報，2022-11-05（002）.

[4]張冬冬.地質(zhì)測量中手持GPS定位的誤差分析[J].神華科技，2017，15（8）：43-44+57.

[5]廖陽.GNSS多系統(tǒng)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].測繪與空間地理信息，2022，45（2）：100-102.

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)2022年自治區(qū)級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于北斗系統(tǒng)定位芯片在地質(zhì)災害監(jiān)測中的應用”（課題編號：S202210994018）

作者單位：萬芹江、胡永、張夢雨，新疆工程學院礦業(yè)工程與地質(zhì)學院；張玉珍，新疆工程學院教學質(zhì)量監(jiān)控中心；胡永，新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊