首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
自然科学综合论文 >
测绘学论文 >
探讨BDS与GPS两大系统单系统数据解算精度的差异
摘要：以国家GNSS基准站的多系统数据为研究对象,以单系统单日解算数据为研究视角,通过高精度基线和精密单点定位两种解算方法,对BDS与GPS两大系统进行单系统数据解算,并对结果进行对比分析。实验结果表明,通过双差高精度基线解算,GPS水平方向的精度可以达到mm级,高程方向的精度可以达到cm级,BDS在水平方向和高程方向都能达到cm级的精度;通过非差精密单点定位解算,GPS在水平方向和高程方向都能达到cm级的精度,BDS在水平方向和高程方向也能达到cm级的精度,但相对于GPS的定位精度表现略差。当前BDS不管采用哪种解算方式,相对于GPS的精度都略有差距,在具体改善BDS精度的问题上,还有许多问题值得探讨。
加入收藏
随着全球导航定位系统技术的快速发展,我国自主研发的北斗全球导航定位系统已经具备了基本的导航、定位、授时等能力[1]。目前,北斗全球导航定位系统一部分卫星的定位数据已经对外公开,并且应用到各个领域中。
GPS与BDS两系统卫星的定位精度和稳定性近年来备受国内外学者的关注。刘邢巍等[2]分析了单日解的坐标时间序列WRMS值,并得出了由于BDS缺少天线相位中心模型因此在高程方向相比BDS精度较差的结论;刘彦军等[3]利用最新版本的GAMIT软件解算BDS和GPS基线,分析出BDS在基线重复性上比GPS大;王阅兵等[4]利用武汉大学自主开发的PANDA软件对两系统的精密单点定位进行对比,分析出BDS虽然精度略低,但是也可以应用到低精度要求的领域中;张小红等[5]中利用MGEX提供的观测数据,结合武汉大学和ESA分析中心提供的精密星历和钟差产品,比较两个系统在精密单点定位中的收敛时间和精度,分析出目前BDS在动态PPP与静态PPP的收敛时间上比GPS的收敛时间长,但水平精度两者相差不大。这些论文没有系统的将两种解算方法进行对比。本文采用国家GNSS基准站的多系统观测数据进行BDS、GPS单系统的高精度基线解算和精密单点定位解算,根据两种定位结果进行对比分析。
1、数据处理模型
高精度基线解算定位主要原理是基于载波相位双差观测组合定位模式,并采用卡尔曼滤波模型进行高精度的相对定位解算。其优点在于解算过程中可以消除接收机钟差和卫星钟差,并且对电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星星历误差和部分解算参数等误差有削弱作用,还能大大缩短基线解算时间[6,7]。其双差载波相位观测误差方程为
Vji=ρji-λΝji-λφji-cδti-cδtj-Ιji-Τji. (1)
VAB12=VAB2-VAB1=VB2-VA2-(VB1-VA1)=(ρB2-ρA2-ρB1+ρA1)-λΝAB12-λφAB12.(2)
式中:V为载波相位观测误差;i为卫星;j为接收机;ρ为站星之间的几何距离;λ为波长;N为整周未知数;φ为载波相位;c为光速;δti为卫星钟差;δtj为接收机钟差;Iji为电离层延迟误差;Tji为对流层延迟误差[8]。1,2指的是卫星;A,B指的是接收机。
高精度单点定位解算主要原理是通过利用高精度的起算数据,采用非差模型进行精密单点定位的方法[9,10]。其载波相位观测值误差方程为
νφj(i)=ρj(i)+c⋅δt(i)+δρtropj(i)+λ⋅Νj(i)-λ⋅Φj(i)+εφ. (3)
式中:i为相应的观测历元;εφ为多路径和观测噪声等未模型化的误差影响;Φj(i)为相应卫星i历元时消除了电离层影响的组合观测值;νφj(i)为观测误差;λ为波长;Nj(i)为消除了电离层影响的组合观测值的整周未知数[11]。
2、算例分析
2.1高精度基线解算分析
对于高精度基线解算分析,本次采用GAMIT10.70软件进行解算。GAMIT/GLOBK(GPSAnalysisatMIT)软件于上个世纪70年代开始由美国MIT和SIO联合开发的高精度GNSS数据处理软件[12]。通过这几十年内不断改进,GAMIT/GLOBK软件提高了自动化程度,目前相对解算精度达到1×10-8～1×10-9。本次利用国家GNSS基准站的多系统多频观测数据进行解算,解算时间为年积日181～195d共15d,选择32个全国分布的GNSS测站,具体站点分布见图1。采用单BDS和单GPS两个解算方案进行对比分析。
图1所选取测站分布图
作为衡量GAMIT基线解算质量的一项重要指标,标准化均方根误差表示解算时所获得的单时段基线向量与该基线加权平均值(WeightMean)的偏离程度[13]。NRMS的计算式:
ΝRΜS=1Ν∑i=1n(Yi-Y)2δ02. (4)
式中:N为测站个数;δ0为单位权中误差;Yi指基线解算值;Y值其加权平均值。
一般的把NRMS值的大小作为评判基线解算好坏的标准,正常情况下,NRMS值应小于0.3或大于0.5说明在解算的过程中存在问题,比如存在大的周跳等原因;NRMS值在0.25附近说明解算精度比较高,NRMS值越小,基线解算的精度越高[14]。以年积日作为横轴,单日解的NRMS值作为Y轴,本次两种方案的基线解算后NRMS值结果如图2所示。
图2两种方案单日解基线的NRMS值
从图2可以看出,BDS与GPS在GAMIT单日基线解算的NRMS值均小于0.5,但是整体上看,解算GPS系统数据的NRMS值较稳定,基本都在0.16～0.17,而解算BDS系统数据的NRMS值从整体上看很不稳定,有些数值超出0.3,在多系统接收机在接收BDS数据的质量要比接收GPS数据的质量差一些,而且在GAMIT/GLOBK10.70版本里对于BDS数据解算参数及相应的改正模型相对于GPS数据解算参数及相应的改正模型改正效果也略差一些。
由于GAMIT/GLOBK利用的是双差载波相位观测量,因此在组网解算时会受到距离的影响,采用基线长度均方差值(RootMeanSquare,RMS)进行基线解算精度对比,做出系统间对比图见图3。
图3不同方案解算的基线长度精度
从图3可以看出,两个方案的基线长度RMS都随着距离的增加而增加,单从两个系统之间进行比较,BDS的基线解算长度精度明显低于GPS的基线解算长度精度,并且,随着基线长度的增加,BDS的精度与GPS的精度之间的差距也随之增加。但总整体上看,两者的相对定位精度都达到了1×10-9,满足高精度解算的使用,可以用在实际的生产中。
GAMIT/GLOBK在解算过程中也详细地计算出各个测站在E,N,U三个方向的方向较差,因此,以年积日为横轴,以方向较差为纵轴,两系统解算结果见图4。
图4高精度基线解算各测站各方向精度统计
从图4可以看出,所解算的32个测站BDS数据质量明显低于解算GPS数据质量。从整体上看,GPS数据解算结果很稳定,精度都维持在一定范围内,而BDS解算结果相对于GPS来说很不稳定,在个别年积日中测站有波动。解算BDS的数据在E方向和N方向较差随着时间的变化波动很大,正常情况下较差均在10mm以内,个别年积日较差能达到40mm左右。在U方向上,正常情况下精度能到达40mm以内。相对于BDS解算精度,GPS在E方向和N方向的精度均提升了40%,较差基本维持在6mm以内,在U方向精度提升了1倍,精度在20mm以内。结果可以表明,单从方向上看,二者的U方向相对于E方向和N方向精度略低,单从系统上看,BDS数据解算精度明显低于GPS数据解算精度。这一结果的原因可能是因为目前可以获得的BDS卫星数据数量较少、数据质量相对于GPS数据还不都稳定、软件改正模型参数精度还不够高等[15]。
2.2精密单点定位解算分析
采用基于LINUX开发的高精度精密单点定位数据处理软件,并且使用相同的解算数据进行高精度精密单点定位解算。在解算的过程中能计算出各个测站在每个年积日下X,Y,Z三个方向的方向较差。以年积日为横轴,各个方向的方向较差作为纵轴,两系统数据的解算结果见图5。
图5精密单点定位解算各测站各方向精度统计
从图4、图5可以看出,两系统在解算方式上,精密单点定位解算精度略低于高精度基线解算精度。利用精密单点定位解算两系统之间精度差别不大,在X方向和Y方向上,BDS与GPS都达到了4cm以内的精度,并且精度随时间的变化情况也基本相似,在某些年积日里精度略低。在Z方向上,二者表现相对较好,其中GPS能达到2cm的高程定位精度,而BDS能达到2.5cm的高程定位精度。
3、结论
本文通过使用两种不同方式的解算方法,分别解算BDS和GPS在同一年积日下的数据,对BDS与GPS在两种解算方式下的精度和稳定性得出以下结论:
1)利用高精度基线解算BDS数据和GPS数据在测站位置三个方向上的精度都比利用精密单点定位解算的精度略高。其原因是,与高精度基线解算相比,精密单点定位由于没有将测站之间先构成基线网,因此对起算数据质量要求比较高。若使用质量更高的起算数据时,精密单点定位的定位精度将会有所改善。
2)在进行高精度基线解算时,GPS和BDS的相对精度均达到了1×10～9,两者都满足实际生产和科研的需要。但是GPS的基线解算精度要比BDS的更加稳定,随基线长度变化的影响更小,在E和N方向上能达到2～6mm的精度,在U方向上能达到5～20mm的精度;BDS的基线解算精度随基线长度的增加影响较大,并且在E和N方向上达到5～10mm的精度,在U方向上能达到20～40mm的精度。可能的原因是目前可利用的BDS卫星数量较少,并且在软件的解算过程中部分改正参数没有达到最佳改正效果。
3)在进行精密单点定位解算时,GPS在水平方向上能达到4cm以内的精度,在高程方向上能达到2cm以内的精度。BDS在水平方向上也能达到4cm的精度,在高程方向上,能达到2.5cm的精度。总体上看BDS在精密单点定位的解算方面能达到不错的效果。
4)由于目前公开的BDS数据的卫星数量较少,改正模型参数和最终的卫星产品质量还不如GPS,造成了解算结果在水平方向和高程方向的差异。如何能够获得精度更高的北斗卫星轨道产品、钟差产品、电离层产品等,并且仅利用单BDS数据解算出更高的精度,更好的利用在科研和生产当中是未来值得探讨的课题。
参考文献:
[1]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展､贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.
[2]刘邢巍,蒲德祥,高翔,等.基于GAMIT10.61的高精度GPS/BDS数据处理及精度对比分析[J].全球定位系统,2018,43(5):77-83.
[3]刘彦军,李建章,刘江涛,等.新版GAMIT10.70解算GPS/BDS基线精度对比分析[J].导航定位学报,2019,7(2):138-142.
[4]王阅兵,游新兆,金红林,等.北斗导航系统与GPS精密单点定位精度的对比分析[J].大地测量与地球动力学,2014,34(4):110-116.
[5]张小红,左翔,李盼,等.BDS/GPS精密单点定位收敛时间与定位精度的比较[J].测绘学报,2015,44(3):250-256.
[6]杨登科,安向东,汤勰.GAMIT数据处理中基线解算模式的对比分析[J].测绘地理信息,2016,41(2):18-21.
[7]赵建三,杨创,闻德保.利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析[J].测绘通报,2011(8):5-8,35.
[8]刘艳国,秘金钟,王霞迎,等.不同区域的多系统基线处理结果分析[J].导航定位学报,2015,3(1):57-60.
[9]党亚民,秘金钟,成英燕.全球导航卫星系统原理与应用[M].北京:测绘出版社,2007.
[10]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.
[11]李本玉.GPS/GLONASS精密单点定位技术模型与算法的研究[D].济南:山东农业大学,2010.
[12]范玉磊,张杰,卢群,等.基于便携式Ubuntu的GAMIT安装与使用[J].地理空间信息,2017,15(6):28-30,4.
[13]刘洋洋,党亚民,许长辉,等.海潮负荷对不同地区GNSS基准站的定位影响分析[J].测绘科学,2019,44(2):1-5.
[14]张双成,王倩怡,刘奇,等.BDS精密相对定位精度的GAMIT分析[J].测绘科学,2018,43(12):92-97.
[15]周命端,郭际明,郑勇波,等.卫星天线相位中心偏移对GPS精密单点定位精度的影响研究[J].测绘通报,2008(10):8-9,13.
慕仁海,党亚民,许长辉.国家GNSS基准站解算BDS/GPS精度对比分析[J].测绘工程,2020,29(05):55-59.
基金:中国测绘科学研究院基本科研业务费(AR1930);国家重点研发计划(2016YFB0501405);全球连续监测评估系统项目(CFZX0301040308-06);国家自然科学基金资助项目(41874042).
分享：
泛在测绘被定义为用户在任何地点、任何时间，认知环境与人产生关系时使用和构建地图的活动和能力[1]。泛在测绘服务于近乎实时定位的大众行业，时空位置信息是这类应用的数据基础，除了专业的测绘数据，一些非专业的包含空间位置的众包数据也逐步成为测绘行业应用的重要数据来源。
2023-10-30
近年来，随着无人机、大数据、人工智能等技术的发展，快速、高精度的空间大数据处理模式已被广泛应用。摄影测量作为空间大数据的重要采集方式自然存在大量社会需求，同时这对摄影测量人才的数量和技术也提出了更高的要求。基于此，高校对于摄影测量人才的培养也必须顺应社会需求发展，即在摄影测量学课程设计方面需要进行改革和创新。
2023-09-05
房产测量主要是利用测绘技术和方法，采集和表达房屋物权的有关信息，为房屋产权、产籍和物业管理、房地产开发利用、交易、征收税费及城镇规划建设提供数据和资料。随着我国经济不断发展，城镇居民住宅逐渐增多，对房产测量的精度与效率提出了更高的要求。本文针对目前房产测量的局限性，提出了利用三维激光扫描技术实现大面积房产测量平面图绘制的方法。
2023-08-30
为促进无人机航测技术在电网工程建设中的应用，分析了无人机摄影测量系统的组成、特点、应用范围与作业流程，介绍了其在电网工程建设中的应用，包括在线路规划与地形图测量、电网应急救灾、电力巡线、电力线上异物处理中的应用。但受技术因素的影响，无人机在空中运行过程中仍然存在姿态不稳定、飞行时间偏短、航拍面积较小等问题。
2022-04-08
现阶段民用基础地理信息数字成果可以通过转换、融合的方式，生产出满足军方使用的成果数据，但这种方法耗时长，成本高。从推进双方成果深度融合的角度出发，应从标准化的视角，建立标准化融合工作机制，构建军民通用的测绘地理信息标准体系，推动基础类标准的融合，尝试成果类标准的研制。推进军民基础地理信息数字成果及标准融合有利于统筹军民测绘力量。
2022-01-21
在智慧城市这一概念提出之后，三维GIS技术的应用越来越充分，也达到了更好的实践效果。三维GIS是当下和未来GIS技能发展趋势的主要方向，它使空间信息不再局限于二维平面内。文章从三维空间数据库模型、物联网、三维可视化、互联网＋GIS等方面对三维GIS技术及其在智慧城市中应用进行综合分析，为城市管理提供了新思路。
2021-12-25
作为国民经济和社会发展支柱型产业之一，矿业起到基础性的支撑作用。作为矿山开采的基础条件，测绘质量提升属于行业重点探究的一个课题。无人机属于现阶段一种新颖的数据采集载体，与传统人工方式相比，存在着工作质量高、效率高、操作简单、机动性高等相关特点[1]。同时，无人机测绘技术将地面的地物、地貌空间具体状况体现出来，能够满足大比例尺成图要求。
2021-12-16
促使智慧城市智能服务的领域不断延伸。智慧城市建设具有系统性和复杂性，其涵盖电力工程、交通工程、经济建设等多个方面[1]。因此，通过在智慧城市测绘中应用地理信息系统，构建信息联通平台，能够在很大程度上突破地理条件和环境因素的影响，为城市建设服务提供有效的数据支撑，使智能化服务更加符合社会发展的需求。
2021-12-15
土地资源调查管理是政府的主要工作内容之一，高效的土地调查与管理，有利于实现土地资源的合理分配和高效利用，缓解我国土地资源短缺的压力。遥感技术以宏观、综合、动态、快速、准确的优势为国土资源管理与调查提供了先进的探测与研究手段，通过遥感技术可以获取高质量可靠的土地信息，为相关部门后续的土地规划利用奠定基础，实现国家土地资源的信息化、智能化管理。
2021-12-15
随着信息化进程与城市规划设计速度的不断加快，我国的城市建设已经向着＂智慧城市＂的方向进行发展。＂智慧城市＂已经成为当前我国城市建设的目标之一，为了更好地实现这一目标，必须要合理利用当下相关信息化技术与设备，不断推进我国城市化发展进程。在对国土空间进行规划的过程中，利用先进的信息测绘技术以及定位系统，可不断提高国土空间规划的科学性与准确性。
2021-12-15
人气：4546
人气：1738
人气：1439
人气：1264
人气：1222
我要评论
期刊名称：测绘科学技术学报
期刊人气：806
主管单位：信息工程大学
主办单位：信息工程大学科研部
出版地方：河南
专业分类：科学
国际刊号：1673-6338
国内刊号：41-1385/P
邮发代号：36-391
创刊时间：1984年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：1年以上
影响因子：0.713
影响因子：0.000
影响因子：0.000
影响因子：1.236
影响因子：0.000
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-09-09
524
上传者：管理员
