北斗导航系统与GPS精密单点定位精度的对比分析.docx

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1、Aug ，20142 0 1 4 年 8 月JOUNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS文章编号: 1671-5942( 2014) 04-0110-07*北斗导航系统与 GPS精密单点定位精度的对比分析 王阅兵1)游新兆1)金红林2)涛1)连尉平1)陈( 2) 中国地震局地震预测研究所，北京 100036 )1) 地壳运动监测工程研究中心，北京100036摘 要基于架设在山东荣成、云南下关、宁夏盐池、河北唐山和河南郑州的 UNICOECOMM U370 型北斗接收机接收到的北斗和 GPS 信号，利用武汉大学自主研发的 PANDA 软件，对比分析了北斗导航系统与 GPS

2、精密单点定位精度。结果显示，北斗导航精密单点定位精度在水平方向为 1 2 cm，垂直方向为 3 4 cm; GPS 精密单点定位 精度在水平为亚 cm 级，垂直方向约为 1 2 cm。虽然北斗导航系统的精密单点定位精度要低于 GPS 50% ，但已经 能应用在定位精度要求几个 cm 或更低精度的领域。关键词 北斗导航系统; GPS; 精密单点定位; PANDA; 地壳形变中图分类号: P228. 41文献标识码: AACCUACY COMPAIISON OF PECISE POINT POSITIONING OFBEIDOU NAVIGATION SYSTEM WITH GPSWang Yue

3、bing1) ，You Xinzhao1) ，Jin Honglin2) ，Chen Tao1) and Lian Weiping1)(2) Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing100036)1) National Earthquake Infrastructure Service，Beijing100036AbstractPrecise point positioning ( PPP) accuracy of compass and GPS was compared using the data fromongcheng，Xiaguan，Ya

4、nchi，Tangshan and Zhenzhou，with PANDA software The results show that: Beidou naviga-tion PPP accuracy in horizontal direction is 1-2 cm，in vertical direction is 3-4 cm; GPS PPP accuracy in horizontal is less than 1 cm，and in vertical direction is about 1-2 cm Although the PPP accuracy of the Beidou

5、navigation sys- tem is 50% lower than the PPP accuracy of GPS，it is suitable for use in the fields in which requirement of accuracy is not highKey words: Beidou navigation system; GPS; precise point positioning; PANDA; crustal deformation北斗导航卫星系统是中国正在实施的自主发展和运行的全球卫星导航系统1 2。尽管星座还未部 署完成，但已可在亚太区域提供导航服务

6、。为了讨 论其在高精度地壳形变领域的应用，地壳运动监测 工程研 究 中 心 于 2013 年 1 月 底 开 始，在 山 东 荣 成 ( BDC) 、云南下关( BDXG) 、宁夏盐池( BDYC) 、河北唐山( BDTS) 和河南郑州( BDZZ) 架设了我国自主知识产权的 UNICOECOMM U370 型接收机，并开 展连续观测。为了去除天线影响，使用天宝扼流圈 天线 TM59800 00。该接收机可以接收 GPS、GLO- NASS 和北斗 3 种信号。基于上述 5 个台站的观测 数据，利用武汉大学自主研发的精密数据处理软件* 收稿日期: 2013-09-05基金项目: 中国地震局监测

7、预报项目; 地震科技星火计划项目( XH14063) 。作者简介: 王阅兵，男，1985 年生，研究实习员，主要从事 GNSS 数据处理与形变数据反演研究。E mail: ybwang neis gov cn。通讯作者: 连尉平，男，副研究员，主要从事地壳运动与地球动力学研究。E mail: tab seis ac cn。第 4 期王阅兵等: 北斗导航系统与 GPS 精密单点定位精度的对比分析111PANDA，采用静态精密单点定位模式来分析 GPS 及北斗导航系统的定位精度，并讨论两者的差异。化，将两种信号的处理结果转化到本地坐标框架中，这种转换只需进行平移和旋转处理6。2 1时间序列分析方法

8、对于 解 算 出 来 的 GPS 和北斗信号位移时间 序1数学模型精密单点定位使用的是载波相位观测值，其线列，考虑到观测时段不长，可认为地壳形变运动是线性的。采用线 性回归来拟合这 5 个台站的时间序 列，并计算拟合后的波动残差均方根值:性化观测方程可写为3:i = li Vx mi Vy ni Vz cVt Ni +0cVts + i ( Vion ) i ( Vtrop ) i + iY = aX+ b，i = 1，2，Ni式中，i 为卫星 i 的载波相位观测值; 为载波的波长; Ni 为与 i 相应的整周模糊度; i 为必须顾及 的各种改正数，如天线相位中心偏差改正、地球固体潮改正、海潮

9、 负 荷 改 正、引力延迟改正等; li 、mi 、niii2MS = 槡( Y X ) / ( N 1)( 1)ii式中，Xi 表 示 台 站 在 第 i 个历元相对于某一坐标 的南北向( S-N) 、东西向( E-W) 或垂直向( U-D) 的变化，Y 表示拟合后的坐标变化，a 和 b 分别为拟合i为从测站近似位置至卫星 i 的方向 余 弦; 0 为 从 测线性系数; MS 表示观测值和拟合值的残差均方 根，其大小可 以 直接反映解的波动范围，即 重 复 精 度。处理步骤为:1) 利用 线性回归方法拟合观测得到 的 时 间 序 列;2 利用式( 1 ) 计算拟合后的残差 MS，并 去 掉

10、残差值大于 3 倍 MS 值的观测点 ( 其原因是，在观测时段内，若出现观测不稳定或观测环境较差的现 象，会引起较大的误差，导致估计精度降低) ;3) 再次进行线性回归拟合并计算 MS 值，以此MS 来评估导航系统的精度。分析中发现，5 个 台 站的北斗信号定位结果在 年积日 100 106 d 内都发生了突跳，而 GPS 定位结果正常。这是由于北斗精密轨道在这一时段内不稳定所造成的，在后处理过程中去掉了这 7 d 北 斗 信 号的定位结果。i站近似位置到第 i 颗卫星间的距离; Vt 为观测时刻接收机的钟差改正 数; Vts 为 第 i 颗卫星的卫星钟在 i观测时刻的钟差改正; ( Vion

11、 ) i 和( Vtrop ) i 分别为电离层和对流层改正数，可由相应模型求得; Vx 、Vy 、Vz 是 所求站点位置相对于近似位置的变化。2数据处理本文研究的数据来源于地壳运动监测工程研究中心架设的 5 台 能 同 时 接 收 GPS 信号和北斗导航 系统信号的接收机的观测记录，采 样 间 隔 为 30 s。这 5 个观测站的位置和观测时间见表 1。表 1 观测台站的经纬度和观测时间Tab 1 The coodinate of observation stations and observa-tion time经度/ ( )纬度/ ( )台站名高度 / km观测时间跨度BDC 37 17

12、0 122 421BDTS 39 607 118 19766 700 2013-02-05 2013-06-0818 300 2013-02-05 2013-06-082 2北斗时间序列分析结果图 1 给出了山东荣成、云南下关、宁夏盐池、河BDXG 25 608 100 255 1 973 200 2013-02-05 2013-06-08BDYC 37 778 107 437 1 302 400 2013-02-05 2013-06-08 BDZZ 34 521 113 105 443 800 2013-02-05 2013 -06-08 北唐山和河南郑州 5 个台站由北斗信号计算的时间序列

13、，蓝线为 线 性 拟 合 直 线，红线为偏离拟合直线 ( 蓝线) 1 96 倍 MS 的残差线。图 1 还给出了各台 站在 3 个方向上波动的参考坐标、线性拟合的台站速率和拟合残差 MS 值。从图 1 可以看出，时间序列是沿着拟合直线( 蓝线) 波动的，波动范围在 1 96倍 MS 内。表 2 给出了每个台站北斗信号时间序列在 3 分 量上相对于各自拟合直线的最大和最小偏移距离。 可以看出，BDC、BDTS、BDZZ、BDYC 4 个台站的水 平偏移在 2 7 cm 以 内，垂 直 偏 移 在 6 6 cm 以 内; BDXG 站 的 水 平 偏 移 在 5 cm 以 内，垂 直 偏 移 在1

14、1 cm以内。从 MS 值来看，BDXG 站的 MS 值约 为其他 4 个台站的 2 倍。利用 PANDA 软 件，采用静态精密单点定位 模式，并以 24 h 为一弧段，分别处理 GPS 信号和北斗 信号，估计参数包括站点坐标、接收机钟差、对流层参数等。北斗卫星的精密轨道和钟差文件由武汉大 学北斗卫星观测实验网得到4 5，GPS 精密轨道和钟差 文 件 由 美 国 UCSD 提 供 ( ftp: / / garner ucsdedu / products) 。在处理北斗信号和 GPS 信号时，采用了相同的 约束和改正模型，解算数据截止高度角为 7。北斗轨道所在框架是由武汉大学北斗实验网对 IG

15、S08 框架的一个实现，两个框架之间有一定的差别，文中讨 论了框架不同所带来的影响。为了分析台站坐标在 南北向( S-N) 、东 西 向 ( E-W) 和 垂 直 向 ( U-D) 的 变大地测量与地球动力学34 卷112线性变化，如不考虑该时间段内时间序列的周期性变化特征，利用线性回归的方法来拟合时间序列式是可 取的。对比图 1 发现，GPS 的波动幅度比北斗要小， 说明 GPS 精密单点定位精度要高于北斗。2 3GPS 时间序列分析结果图 2 为 GPS 时间序列的处理结果，蓝线为拟合直线，红线为偏离蓝线 1 96 倍 MS 的残差线。可以看到，5 个台站的位移在观测时段内都发生了明显的图

16、 1 不同台站北斗信号 3 分量时间序列Fig 1 Three components of time series computed with Beidou signal in different stations表 2 北斗信号时间序列在 3 分量上的波动最大值、最小值和 MS 值Tab 2 Maximum，minimum and MS values of three components of time series of Beidou signalE-W 最小值/ mE-W 最大值/ mS-N 最小值/ mS-N 最大值/ mU-D 最小值/ mU-D 最大值/ mE-WMS / mS-

17、NMS / mU-DMS / m站点BDCBDTS BDZZ BDYC BDXG 0 022 7 0 018 8 0 017 7 0 015 6 0 041 10 026 70 020 10 014 10 023 20 042 7 0 013 1 0 011 1 0 015 7 0 012 4 0 032 20 016 60 012 00 013 30 016 90 024 7 0 065 6 0 050 8 0 036 0 0 052 5 0 110 20 036 60 062 70 045 10 047 90 108 40 006 70 006 00 005 50 006 90 012 2

18、0 004 90 004 70 004 90 005 00 011 00 016 90 018 00 014 40 016 70 044 3第 4 期王阅兵等: 北斗导航系统与 GPS 精密单点定位精度的对比分析113从表 3 可知，BDC、BDTS、BDYC 3 个台站在观测时段内水平方向的偏移在 1 4 cm 以 内，其 MS在水平方向约为 6 mm，垂直方向 约 为 1 cm; BDXG台站的水平方向偏移在 5 6 cm，其 MS 值在水平 方向约为 1 4 cm，垂直方向约为 2 cm。值在水平 方 向 约 为 3 mm，垂 直 方 向 为 5 7mm;BDZZ 台站的水平 方 向 偏

19、 移 在 1 2 cm，其 MS 值图 2 不同台站 GPS 信号 3 分量时间序列Fig 2 Three components of time series computed by the GPS signal in different stations表 3 GPS 信号时间序列在 3 分量上的波动最大值、最小值和 MS 值Tab 3 Maximum，minimum and MS values of three components of time series of GPS signalE-W 最小值/ mE-W 最大值/ mS-N 最小值/ mS-N 最大值/ mU-D 最小值/ mU

20、-D 最大值/ mE-WMS / mS-NMS / mU-DMS / m站点BDCBDTS BDZZ BDYC BDXG 0 008 9 0 007 5 0 015 1 0 009 0 0 046 20 012 00 013 40 019 60 010 80 038 9 0 007 0 0 013 6 0 010 1 0 007 7 0 015 50 008 00 011 00 008 10 008 50 010 9 0 020 4 0 018 0 0 030 9 0 014 8 0 058 80 018 10 013 40 027 60 016 10 049 70 002 80 002 60

21、 004 80 002 20 013 30 002 20 002 80 003 20 002 40 005 50 006 80 006 30 009 70 005 10 019 4大地测量与地球动力学34 卷114轨道所在框架与 IGS 基于分布全球的测站所定义的IGS08 框架之间的差别所引起的。本文分析的时间 序列较短，拟合出来的时间序列的斜率也并不能真 正代表台站的运动速率，但这并不影响我们用坐标 重复率来评估北斗导航系统和 GPS 定位的精度。对比表 2、3 发现，无论是北斗信号还是 GPS 信 号，BDXG 站的波动幅度都要明显高于其他 4 个 台 站，说明 BDXG 的观测精度比其

22、他 4 个 台 站 要 低。 该台站周围有较多树木，造成多路径效应增大，从而导致观测精度大大降低。因此，在评定北斗导航系统和 GPS 精密单点定 位精度时，不能利用 BDXG 站。从其他 4 个站北斗信号和 GPS 信号的时间序列可以看到，其波动范围大都在 1 96 倍 MS 范围内。若该波动服从均值为0、方差 为 MS 的 正 态 分 布，在 置 信 水 平 为 95% 时 的置信区 间 为 1 96 MS，1 96 MS。以 此 区间的 1 96 MS 作为解算精度，则有:1) 北斗导航系统精密单点定位精度。BDC 在 水平方向精度约为 1 6 cm，垂直方向约为 3 3 cm;BDTS

23、在水平方向精度约为 1 5 cm，垂 直 方 向 约 为3 5 cm; BDZZ 在水平方向精度约为 1 5 cm，垂直方2 4坐标框架带来的影响对比图 1、2 可 知，5 个台站的北斗信号时间序 列和 GPS 信号 时 间 序 列 在 N-S 方向的走势有明显 的差别。选取 5 个台站中北斗信号和 GPS 信 号 的 MS 值较小的 3 个台站( BDTS、BDYC 和 BDC) 之 间的基线向量，来说明这种变化的原因。因为基线长度与参考框架无关，所以可通过比 较上述 3 个台站之间的 3 条基线在北斗信号和 GPS 信号之间的差别，来说明北斗信号和 GPS 信号的定 位差别。这 3 条基线

24、的长度变化如图 3 所示。可以 看出，北斗信号的波动范围比 GPS 要 大，但 是 这 3 条基线变化的趋势一致，而相应基线在两个框架下 的 X 和 Y 分量差不一致( 图 4) 。由此可以认为，北 斗信号时间序 列 和 GPS 信号时间序列在 N-S 方 向 的走势发生的变化是由框架不一致引起的，而框架 本身并不影响精度的评定。2 5北斗导航系统与 GPS 精密单点定位精度的评定通过上述分析可知，图 1、2 时间序列在 N-S 向上走势不一致是由武汉大学北斗实验网定出的北斗图 3 BDC、BDYC 和 BDTS 台站间 3 条基线长度的变化Fig 3 Variation of baselin

25、e length in BDC，BDYC and BDTS第 4 期王阅兵等: 北斗导航系统与 GPS 精密单点定位精度的对比分析115图 4 北斗和 GPS 信号基线向量在 X 轴和 Y 轴分量之差Fig 4 Difference between baseline vector in the X-axis and Y-axis component of Compass and GPS signal向 约 为 2 8 cm; BDYC 在水平方向精度约 为 1 7cm，垂直方向 约 为 3 3 cm; BDXG 在水平方向精度 约为 3 2 cm，垂直方向约为 8 7 cm。算过程中使用的由武

26、汉大学提供的 BD 导航卫星精密轨道和钟差文件的精 度4 5 要 低 于 IGS 提 供 的GPS 精密轨道和钟差文件7 9。对比 5 个台站的 BD 和 GPS 时 间 序 列，北 斗 时 间序列的跳跃比较大，说明 BD 定位的稳定性 不 如 GPS。造成这个结果的原因有: 1 ) 北 斗 导 航 系 统 可利用的定位卫星个数少于 GPS，这将随着北斗 导 航系统的建成有所改观; 2) 个别北斗卫星的轨道精度 有所下降，这是由于武汉大学建立的北斗卫星观测 实验网并不是全球均匀分布的，且台站个数也比较 有限，这种情况将随着北斗卫星在全球范围内的使用而得到改善。本文 只 利 用 4 个月的观测数

27、据来分析北斗 和 GPS 信号的精密单点定位精度，由于观测时间 较 短 而无法完全体现出两种系统的精密单点定位精度差 别。实际上，在长时间尺度观测条件下，GPS 精密单 点精度可以高达 mm 级，北斗精密单点定 位 精 度 也 将有所提高。通过本文分析可知，虽然北斗导航定 位系统目前无法应用在要求 mm 级的精密地壳运动 监测中，但在其他领域的应用已非常广泛2，10 14。随着北斗导航系统的建设、应用与发展，相信北 斗的精密单点定位精度将进一步提高 到 mm 级，从2) GPS精密单点定位精 度。 BDC、BDTS、BDYC 在水平方向精度约为 0 6 0 8 cm，垂直方向约为 1 0 1

28、4 cm; BDZZ 在水平方向精度约为 1 1 cm，垂直方向 约 为 1 9 cm; BDXG 在水平方向精度 约为 2 8 cm，垂直方向约为 3 8 cm。排除 BDXG 站，从其他 4 个站的数据来看，可认为北斗导航系统精密单点定位精度在水平向约为 1 2 cm，垂直向为 3 4 cm; 相应的 GPS 精密单点定 位精度在水平向约为亚 cm 级，垂直向为 1 2 cm。3讨论总体来说，北斗( BD) 导航系统精密单点定位精度在水平方向为 1 2 cm，垂直方向为 3 4 cm; GPS 精密单点定位精度在水平方向小于 1 cm，垂直方向 为 1 2 cm。这 个 结 果 显 示，G

29、PS 精密单点定位精 度要比 BD 导航系统高 50% ，主要原因有两个方面:1) BD 导航卫星星座尚未完全建成，相 比 GPS 导 航 定位可用的卫星数 32 颗，BD 导航定位可用的卫星数约 12 颗，在观测数据量上要小于 GPS; 2 ) 数据解大地测量与地球动力学34 卷116而能够满足地壳运动精密监测的要求。source / pubs / UsingIGSProductsVer21 Pdf，2009Subirana J S，Zornoza J M，Pajares M H Precise GNSS satel- lite coordinates computationEB / OL

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