北斗中长基线静态测量精度初步评估

张树宏，李金龙，马俊峰，尹豫疆，范玉磊

(1．61243部队，新疆 乌鲁木齐 830006；2．北京卫星导航中心，北京 100094)

北斗中长基线静态测量精度初步评估

张树宏1，李金龙2，马俊峰1，尹豫疆1，范玉磊1

(1．61243部队，新疆 乌鲁木齐 830006；2．北京卫星导航中心，北京 100094)

北斗卫星导航系统已于2012年12月27日开始正式提供区域服务，可为亚太地区用户提供定位、导航、授时和短报文通讯等服务，在精密定位方面有很大潜力。本文通过使用南方测绘GNSS后处理软件对长度范围为13～94 km的6条基线的北斗静态测量数据进行处理，并将其解算结果与GPS相应解算结果和已知坐标进行比较，初步评估北斗静态测量精度。试验结果显示，基于广播星历对北斗中长基线(<100 km)静态测量(4 h)数据进行解算的基线精度可达4 cm，因此北斗中长基线静态测量已具有很大的研究价值和应用前景。

北斗卫星；GPS；中长基线；静态测量；精度

我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)已于2012年12月27日开始正式提供区域服务，亚太地区用户已经可以使用北斗系统进行定位、导航、授时和短报文通信等服务。目前北斗区域星座由5颗地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星，5颗倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)卫星和4颗中圆轨道(Medium Earth Orbit，MEO)卫星组成，并在B1(1561.098 MHz)、B2(1207.140 MHz)和B3(1268.520 MHz)三个频点上播发卫星导航信号。作为全球第一个全星座播发三频导航信号的卫星导航系统，北斗在高精度测量领域也具有很大潜力[1]，有望替代目前已广泛应用的GPS进行我国高精度控制网测量实践。

目前，已有许多学者在北斗对全球导航用户贡献[2]、北斗测距信号精度[3]、北斗定轨精度[4]、北斗伪距定位精度[5]以及北斗RTK定位性能[6-10]等方面进行大量研究与数值验证，但在北斗中长基线静态测量精度方面，相关研究还较少，特别是针对作业实践的研究则更少。当前，支持北斗或北斗与其他全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的多系统多频测量型接收机已投入市场，并已配备了支持北斗信号的数据后处理随机软件。

在此背景下，本文在乌鲁木齐地区进行了北斗与GPS静态测量精度对比初步试验，着重测试北斗单系统静态测量精度。试验中，使用广州市南方卫星导航仪器有限公司(南方测绘)生产的S82-2013型三系统多频测量系统同步采集4个测站的北斗和GPS中长基线静态测量数据，并使用南方测绘GNSS数据后处理软件对数据进行处理，通过将其与GAMIT软件GPS解算结果和已知点进行对比和分析，初步评估北斗中长基线静态测量精度。

1 试验设计与数据

1.1 试验设计

本次试验使用南方测绘生产4台S82-2013型GPS/BDS/GLONASS三系统多频测量型接收机，其可以接收GPS-L1/L2/L5、BDS-B1/B2/B3和GLONASS-L1/L2三星座八频信号，静态测量技术指标：平面精度±2.5 mm+1 ppm，高程精度±5 mm+1 ppm。

本次静态测量试验于2015年3月9日实施，在新疆乌鲁木齐市周边地区进行4个测站、两个时段的中长基线同步测量，每个时段长约4 h，4个测站(U060、U079、U099和U113)的平面分布情况见图1。

图1 静态测量点位平面分布

从图1可知，本次静态测量试验同步测量4个测站构成的6条基线长度分别约为13 km(U060-U113)、62 km(U060-U079)、71 km(U099-U113)、74 km(U060-U090)、75 km(U079-U113)、94 km(U079-U099)，基线长度范围覆盖中长基线。

1.2 数据概况

本次试验两个测量时段的起止时间分别为UTC时间4:35～8:45和8:50～13:00，以测站U060为例测量时段内GPS和BDS的卫星跟踪情况见图2，测区GPS和BDS的星空图见图3，测量时段内GPS和BDS的可见卫星数(NSAT)和PDOP值见图4。

从图2可知，BDS GEO卫星C01、C02、C03和C05一直可见，C04卫星由于高度角较低在测区不可见，BDS IGSO卫星由于在其覆盖范围内可见弧段较长，也有可能在整个测段内一直可见，如此次测试中的C07和C10卫星。GPS星座全部由MEO卫星组成，测量时段内卫星升降比较频繁，这也可以从图4得到验证，而BDS的可见卫星数变化较为稳定。从图3可知，在新疆乌鲁木齐地区，BDS可见卫星主要分布在测站的东南天空，由此可见BDS区域星座在其覆盖区域边缘地带的可见卫星空间构型与GPS相比存在劣势。从图4可知，测量时段内GPS可见卫星数为6～11颗，BDS可见卫星数为7～9颗，GPS的PDOP值在1.5～3之间，BDS的PDOP值在2～4之间。整个测量时段内，GPS的PDOP、HDOP、VDOP平均值分别为1.96、1.07、1.63，而BDS相应值分别为3.51、2.24、2.68。这进一步说明，在乌鲁木齐地区，BDS空间星座几何结构与GPS相比还存在一定差距。

图2 测量时段内GPS和BDS卫星跟踪情况

图3 测区GPS和BDS卫星星空

图4 GPS和BDS的可见卫星数(NSAT)和PDOP值

2 数据解算及结果分析

本次试验GPS和BDS数据处理采用南方测绘GNSS数据后处理软件(GPS和BDS均使用广播星历)进行静态基线解算，基线解算设置为高度截止角15°，采样间隔10 s，采用无电离层组合进行基线解算，模糊度固定ratio值设为2。由于静态试验收集的原始数据文件均包含有GPS/BDS/GLONASS三系统多频观测数据，为保证单系统基线解算结果的真实可靠，首先从原始数据文件中分别提取GPS和BDS单系统数据并保存为独立的RINEX格式文件，然后再由软件分别读取GPS和BDS相应的RINEX数据文件进行基线解算。

由于只有测站U079和U099为已知坐标的高等级GPS点，可提供参考值用来检核解算结果精度，作为比较和进一步对解算结果进行检核，GPS数据同时使用GAMIT软件(使用IGS精密星历)进行处理，相应的解算结果(GPS-GAMIT)作为参考值检核基线解算精度。使用南方测绘软件分别处理GPS和BDS单系统数据得到的基线结果(GPS-SOUTH和BDS-SOUTH)分别见表1和表2，两个时段重复基线较差见表3，作为比较表3中也给出了GAMIT解算基线的重复基线较差结果。以GAMIT软件解算基线作为参考值，由此计算得到南方测绘软件解算基线的基线误差见表4和表5(表中H表示水平方向)，以已知成果为参考值计算得到基线U079_U099解算结果的基线误差见表6。

表1 南方测绘GPS(GPS-SOUTH)两个时段解算结果 m

续表1 m

表2 南方测绘BDS(BDS-SOUTH)两个时段解算结果 m

表3 GAMIT和南方测绘软件解算结果的重复基线较差 cm

表4 以GAMIT解算结果为参考值得到的南方测绘GPS解算基线误差 cm

表5 以GAMIT解算结果为参考值得到的南方测绘BDS解算基线误差 cm

从表1和表2可知，GPS和BDS分别有两条基线未固定整周模糊度(Float)，这些基线的长度均在70 km以上。此外，不论是GPS还是BDS均为最短基线U060_U113(13 km)的ratio值最大。从表3可知，GAMIT软件解算得到的GPS重复基线东(E)、北(N)、天或高程(U)和长度(L)的较差最大值分别为0.09、0.15、-1.22和0.08，而南方测绘软件解算得到GPS重复基线较差相应值分别为-0.46、-0.68、1.39和-0.59，可见GAMIT软件解算基线的重复性更好。南方测绘软件解算BDS重复基线相应值分别为-1.61、-1.97、-7.78和-2.65，比GPS相应结果差一些，尤其是高程方向，不过最大较差仍在cm级水平。

表6 以已知成果为参考值得到的基线

从表4和表5可知，两个时段GPS单系统解算基线水平方向的RMS分别0.64和0.99 cm，高程方向的RMS分别为0.68和0.62 cm，三维RMS分别为0.93和1.17 cm；BDS单系统解算基线水平方向的RMS分别为1.42和1.92 cm，高程方向的RMS分别为3.69和3.31 cm，三维RMS分别为3.96和3.83 cm。总体上，GPS单系统解算基线的三维精度约为1 cm，而BDS约为4 cm。从表6可知，以已知成果为参考值计算得到基线U079_U099三种方案(GPS-GAMIT、GPS-SOUTH和BDS-SOUTH)解算结果的三维误差基本相当，均在4 cm以内，GPS和BDS解算基线的误差也在同一水平，这与以GAMIT解算结果作为参考值的分析结果不太一致。原因可能是：方案GPS-GAMIT和GPS-SOUTH使用的数据相同，相应结果差异仅为数据处理软件不同导致，故这两种方案解算结果的一致性会比较好(见表4)；而表5和表6为BDS与GPS解算结果的差异以及BDS、GPS解算结果分别与已知成果的差异，是外符合精度，其符合程度必然会差一些。但总体而言，以上试验结果已经可以说明，基于广播星历进行北斗中长基线(<100 km)静态测量(4 h)解算的基线精度可达4 cm。

3 结束语

我国北斗卫星导航系统已经正式提供区域服务，可为亚太地区用户提供定位、导航、授时和短报文通讯等服务，在精密定位方面也具有很大潜力。本文使用南方测绘生产的S82-2013型测量型接收机在新疆乌鲁木齐地区对北斗中长基线静态测量精度进行了初步实测。试验结果显示，基于广播星历进行北斗中长基线(<100 km)静态测量(4 h)解算的基线精度已可达4 cm，已经可以应用于高精度控制网测量实践。

此外，本次试验北斗静态测量精度与GPS相比存在一定差距，相应的原因是多方面的：首先，乌鲁木齐地区处在北斗区域星座覆盖区域边缘，卫星空间几何结构本来就弱于GPS；其次，北斗高精度数据处理还处在起步阶段，北斗数据处理软件解算精度还有提高空间；第三，试验中并没有考虑北斗与GPS不同频点的天线相位中心差异，也没有考虑北斗天线相位中心变化。因此，在北斗覆盖区域内可见卫星空间几何结构更好区域，同时随着北斗高精度数据处理软件的进步，以及对北斗天线相位中心变化等误差源更加精细的处理，尤其是即将到来的北斗全球星座情形下，北斗高精度静态测量性能肯定还有很大提升空间。

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[责任编辑：李铭娜]

Accuracy assessment of BDS static survey over medium-long baselines

ZHANG Shuhong1, LI Jinlong2, MA Junfeng1, YIN Yujiang1, FAN Yulei1

(1. Troops 61243, Urumqi 830006, China; 2. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China)

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been officially in operation since Dec 27, 2012 and is providing positioning, navigation, timing and short message communication services for the user in the Asia-Pacific region, which also has great potential in the field of precise positioning. In this paper, the accuracy of BDS static survey over medium-long baseline is evaluated by six baselines with range of 13～94 km. The GNSS data post-processing software developed by SOUTH SURVEY is used for BDS and GPS data process. The results show that the accuracy of BDS static survey (4 h) over medium-long baseline (<100 km) has achieved 4 cm experimentally. Consequently, BDS precise survey over medium-long baseline is worth of study and has great potential of practical application.

BDS； GPS； medium-long baseline； static survey； accuracy

引用著录：张树宏，李金龙，马俊峰，等.北斗中长基线静态测量精度初步评估[J].测绘工程，2017，26(4)：27-31，42.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.04.006

2016-01-30

国家自然科学基金资助项目(41474015；41274045)

张树宏(1980-)，男，工程师.

P228

A

1006-7949(2017)04-0027-05