李 胜

（1.新疆维吾尔自治区测绘科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

北斗/GPS导航系统在西北地区的定位精度分析

李 胜1

（1.新疆维吾尔自治区测绘科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

分析了我国西北地区北斗/GPS地基增强系统的定位精度情况。实测数据说明，该地区GPS、BDS、GPS+BDS三种定位模式的平面内符合精度均优于2 cm，高程方向优于5 cm。在外符合精度方面，虽然三种模式定位精度均能达到设计要求（水平≤5 cm，垂直≤10 cm），但北斗卫星由于其卫星分布构型不均匀（多位于东南方向），导致该地区北斗RTK定位精度在高程方向稍差，明显逊色于GPS的定位精度。

北斗地基增强系统；网络RTK；精度测试

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）自诞生以来一直是世界各国抢占未来发展制高点的战略选择。最初由美国主导的全球卫星定位系统（GPS）因其开放性得到了广泛的应用，然而在国防、金融、电力等事关国家安全的领域埋下了严重的隐患。2012年12月，我国自主研发、独立运行的北斗卫星导航系统正式进入试运行阶段，且日臻完善。作为北斗高精度定位、导航辅助系统的北斗地基增强系统建设也在积极展开。该系统是在一定区域内建立一个或多个基准站，对所在地区构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准，计算和播发误差改正信息，对该区域内的卫星定位用户进行实时改正[1]。

北斗系统的建设工作目前正处于第二阶段，即区域无源，在我国西北地区北斗卫星几何构型较差，卫星多处于东南方向。基于上述考虑，本文采用新疆北斗地基增强试验系统实测数据，分析北斗/GPS网络RTK在西北地区的定位精度。

1 测试方法

系统精度测试是指RTK实时定位精度测试。本文采用静态已知点检测方法,分内符合精度测试和外符合精度测试2项。系统内符合、外符合精度测试反映的是用户在实时动态作业条件下，通过系统播发的网络RTK改正信息，得到的实时定位服务精度[2]。影响RTK实时定位测量精度的因素有流动站测站点环境情况、时段卫星分布情况（可用卫星数和卫星天空视图）、通信质量状况（是否收到网络RTK改正信息）、系统定位算法的优劣等[3]。统计测试点的内符合精度和外符合精度，即可对系统精度作出正确的评定[4]。

1.1 内符合精度

内符合精度是指同一测试点多次测量结果之差，反映的是系统定位的可靠性和稳定性[5]。其具体做法是[6]：确定坐标系统框架以及投影的中央子午线度数，平面坐标的精度评定以当地中央子午线高斯投影的平面坐标进行，高程方向以大地高为比较值。计算每一测点剔除粗差后的所有测量值的平均值，再将该平均值与每一测量值求差，统计所有差值的分布情况，并对差值在不同区间的概率进行统计，同时根据式（1）分别计算系统N（北）、E（东）、H（平面）、U（高程）方向的内符合精度：

式中，n为测量值总数，即剔除粗差观测后全部实时动态测量值总数；ΔX为测点测试值与相应测试平均值在x方向的差值；MXx为系统x方向内符合精度，反映系统实时定位的稳定性[7]。

1.2 外符合精度

外符合精度是指测量值与已知值（即控制点）之差，反映系统的正确性、可靠性及兼容性等[5]。在进行外符合精度测试时，将实时解算结果和当地控制点参考坐标均投影至当地中央子午线高斯平面，然后比较二者在N、E、H、U方向的差值并根据式（2）统计外符合精度：

式中，θ为测试坐标、参考坐标进行平面投影后各方向值差值；N为测试历元数；τ为系统外符合精度，可反映系统定位的准确性。

2 实测数据分析

2.1 测区概况

新疆北斗地基增强试验系统的基准站分布如图1所示。图2为基准站XJHS的星空图，反映该地区卫星分布情况，GPS可观测卫星数较多，分布较为均匀；北斗卫星在该地区星座分布偏东南方向，分布结构明显不如GPS。本次测试在测区内外共选择了11个测点，每个测点上有100～150个测量数据。

图1 基准站分布图

图2 GPS、BDS卫星星空图

2.2 内符合精度分析

内符合精度按照本文第一部分的测试方法进行统计。平面坐标的精度评定以87°中央子午线高斯投影的平面坐标进行，以WGS84坐标的大地高为高程方向的比较值，分别采用单GPS、单北斗以及GPS+BDS联合定位3种定位模式，其内符合精度统计结果如表1、图3、图4所示。由图表数据可见，GPS、BDS、GPS+BDS 3种模式在11个点的测试中内符合误差RMS值均较小。对实测数据进行内符合误差分布百分比统计，平面方向内符合误差RMS在2 cm以内的历元达到90%以上，且大部分达到100%，平面RMS在5 cm以内的历元达到100%；高程方向RMS在5 cm内的历元达到97%以上。因此，该系统定位内符合情况较好，系统具有优良的稳定性。同时从三种定位模式的纵向对比可以看出，BDS、GPS、GPS+BDS定位效果依次变优。

表1 内符合精度统计表/m

图3 GPS、BDS、GPS+BDS在H（平面）方向内符合精度分布

图4 GPS、BDS、GPS+BDS在U（高程）方向内符合精度分布

2.3 外符合精度分析

在进行外符合精度测试时，将网络RTK实时解算结果和控制点参考坐标均投影到87°高斯平面，然后比较二者坐标在平面方向的差值，高程方向仍采用大地高进行比较，其结果如表2所示。图5、图6给出了11个测试点分别采用GPS、BDS、GPS+BDS三种定位模式在水平和高程方向的外符合精度分布百分比图。外符合误差在N、E、H方向都为cm级，对11个测试点共33组（三种定位模式）记录在N、E、H方向的偏差求RMS值，分别为0．042 m、0．024 m、0．048 m，U方向的误差除个别点超过0．1 m外，其他点误差都在0．1 m以下。由图表数据可知，单独使用北斗的定位模式在平面方向其精度与GPS相似，但在高程方向其精度明显逊色。

表2 外符合精度统计表/m

图5 GPS、BDS、GPS+BDS在H（平面）方向外符合精度分布百分比图

图6 GPS、BDS、GPS+BDS在U（高程）方向外符合精度分布百分比图

3 结 语

随着北斗系统的日臻完善，各地区北斗地基增强系统的建设也随之展开。由于目前北斗系统在轨卫星数目以及星座设计的限制，导致了我国西北地区可观测的北斗卫星空间几何构型较差。通过对新疆地区北斗地基增强系统的实测网络RTK数据的分析，对西北地区北斗/GPS网络RTK的定位精度进行评估分析发现，该地区三种定位模式下平面内符合精度均小于2 cm，高程方向内符合精度优于5 cm。由三种定位模式的纵向对比可以看出，BDS、GPS、GPS+BDS定位效果依次变优。外符合精度方面，三种不同定位模式的平面精度相似，总体精度均在5 cm内，但在高程方向GPS的RMS为0．047 m、BDS为0．087 m、GPS+BDS为0．069 m。虽然三种定位模式定位精度均达到了设计要求（水平≤5cm，垂直≤10cm），但采用单北斗的精度明显逊色于GPS。随着北斗系统第三阶段建设的开展，在轨卫星数的增多，这种情况可以得到改善，但目前采用单北斗进行网络RTK定位时，应增加不同地形条件检测或其他检核方法。

[1] 唐卫明,楼益栋,刘晖,等．GPS连续运行参考站系统定位精度检测方法研究[J]．通信学报,2006(8):73-77

[2] 安艳辉,史照良．全球卫星导航定位连续运行参考站网的技术探讨——以JSCORS徐州试点工程为例[J]．现代测绘,2006,29(6):3-6

[3] 祁芳． CORS系统中RTK作业的质量控制方法研究[J]．城市勘测,2008,(4),:66-68

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B

1672-4623（2016）06-0012-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.06.004

李胜，高级工程师，主要从事大地测量与卫星导航方面的工作。

2015-12-29。

项目来源：测绘地理信息行业科研专项资助项目（201512027，201512021）。