GPS/BDS/GLONASS多星座网络RTK定位精度影响因素分析--中国期刊网

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GPS/BDS/GLONASS多星座网络RTK定位精度影响因素分析

发表时间：2020/11/17 来源：《基层建设》2020年第21期作者：董兴干

[导读] 摘要：卫星定位技术发展迅猛，GPS/BDS/GLONASS多星座卫星导航定位技术在日常生活、交通运输、实时通信、抢险救灾等多个领域，获得了广泛应用。

        广东省精宇设计工程有限公司广东广州 510800
        摘要：卫星定位技术发展迅猛，GPS/BDS/GLONASS多星座卫星导航定位技术在日常生活、交通运输、实时通信、抢险救灾等多个领域，获得了广泛应用。网络RTK技术与传统单基站RTK技术相比，观测范围更广泛，具备更高的定位精度与可靠性。随着我国北斗卫星导航定位系统的逐步完善，为多星座组合提供了更多的可能性。开展GPS/BDS/GLONASS多星座网络RTK定位技术的研究、定位精度的影响因素分析，具有重要的实践应用价值。
        关键词：多星座；网络RTK；定位精度
        1.GPS/BDS/GLONASS的发展概述
        全球导航卫星系统（Globe Navigation Satellite System，GNSS）利用人造卫星实现实时定位、授时、导航等各种工作，是覆盖全球、全天候、全方位的高精导航系统。目前，GNSS包含全球定位系统（Globe Positioning System，GPS）、格洛纳斯系统（Globe Navigation Satellite System，GLONASS），北斗导航卫星系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、伽利略系统（Galileo Satellite Navigation System，GALILEO）四个导航卫星系统。
        全球定位系统（GPS）是上世纪七十年代，美国开发的第二代空间定位系统，系统卫星发射工作的完成时间是1994年。支持全天候作业、定位精度高、应用广泛。由21+3颗卫星组成（3颗为备用卫星），均匀分布在6个轨道面上，每个轨道平面上有4颗卫星，轨道高度20200km 。采用的坐标系统为WGS84，运行周期为11时58分，民用定位精度可达10m左右。
        北斗导航定位系统（BDS）是我国自主研发的全球卫星导航系统，在2020年6月份完成最后一颗组网卫星的发射。包含5颗静止轨道卫星+30颗非静止轨道卫星组成0，采用的坐标系是中国2000大地坐标系（CGCS2000），提供开放服务和授权服务两种方式。定位精度可达10m，测速精度可达0.2m/s，授时精度可达20ns。北斗导航定位系统的高轨卫星数高，并提供多频信号，在较差观测环境下，仍可保障定位精度。
        俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）是在上世纪80年代初，俄罗斯建设的卫星导航系统，目前，在轨卫星总数已达28颗，分布于三个轨道平面，轨道高度19100km。采用的坐标系统为前苏联地形坐标系PZ-90，运行行周期为11时15分，定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒。
        2.网络RTK技术发展概述
        随着对定位需求的不断发展，网络RTK定位技术应运而生。传统RTK技术基于单个基准站的观测数据，通过移动通信数据链路传播数据，进行差分改正信息的解算。受制于电离层、对流层等误差，传统RTK技术要求基准站、流动站的距离不得超过10-20km。网络RTK定位技术的基线长度一般在80km左右，突破了传统RTK技术对作业范围的限制。当基站之间的距离在35km左右时，可提供实时厘米级的定位精度。
        网络RTK技术在连续运行参考站网的支持下，极大地提升定位结果的可靠性。传统单基站RTK技术中，若单一参考站出现故障或定位精度较差，用户端（流动站）的定位精度将受到显著影响。使用网络RTK技术，用户端（流动站）可通过最近的参考站获得定位改正数，不影响定位精度、不会延长初始化时间。
        3.网络RTK定位系统的基本原理
        网络RTK定位系统通常包含连续运行参考站网、数据通信链路、数据控制与处理中心与用户端四大部分。

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        连续运行参考站网为网络RTK定位技术提供了统一的坐标参考基准，用户端无需开展后续坐标转换。连续运行参考站进行组网一般至少包含三个基准站，同时需考虑组网分布。基于无线电通信技术，连续运行参考站通过数据通信链路完成基准站、数据控制与处理中心、用户端的数据交换与指令传输。目前在开展连续运行参考站网络建设时，通常采用专线通信、ADSL线路、CDMA/GPRS、无线VPN技术四种主要技术。
        数据控制与处理中心的主要工作包含（1）管理与存储所有数据（2）对观测数据开展实时处理与分析，将经过解算得到的差分改正数传输给用户端（3）实时远程监控参考站、流动站的运行是否正常。
        用户端是指流动站，流动站包含接收机、观测天线、计算手簿等。流动站通过天线接收卫星信号，通过接收机管理、存储、处理卫星数据，通过计算手簿开展GNSS观测的工程作业设置、观测参数设置等。使用的关键定位技术有区域改正数技术（FKP）、主辅站技术（MAC）、虚拟参考站技术（VRS）。
        4.多星座GNSS观测的主要误差源
        GNSS观测需要通过地面接收机接收卫星信号，因此在GNSS观测过程中，对定位精度造成影响因素很多，主要误差源包含与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的误差三部分。与卫星有关的误差主要包含（1）卫星星历误差（2）卫星钟差（3）相对论效应；与信号传播有关的误差主要包含（1）电离层延迟（2）对流层延迟（3）多路径误差。与接收机有关的误差主要包含（1）接收机钟差（2）天线相位中心偏差（3）观测噪声。
        在开展多星座GNSS观测质量分析时，可通过数据完整性、多路径效应、周跳比、信噪比等内容讨论与分析不同误差源对定位精度的影响。
        5.网络RTK定位技术的主要误差源
        影响多星座网络RTK技术的定位精度的主要误差源包含与基准站相关的误差、与内差模型相关的误差、与数据通信有关的误差。与基准站有关的误差主要包含（1）基准站间的高差（2）参考站间基线长度（3）参考站的分布情况（4）参考站周围环境。与内差模型相关的误差主要考虑线性组合法、线性内插法、低阶曲面模型。与数据通信有关的误差主要包含（1）传输延迟（2）丢包率（3）误码率。
        在开展多星座网络RTK 的定位性能评价时，多星座的组合方式重点选择基于GPS、GPS\GLONASS、GPS\BDS、GPS\BDS\GLONASS四个不同系统的分析。评价内容主要包含定位结果的内符合精度、初始化时间开展分析。定位结果的内符合精度的分析内容主要包含（1）不同时段内符合精度分析（2）相同环境下多测站内符合精度分析（3）对不同环境观测点进行内符合精度分析。初始化时间分析的分析内容主要包含（1）不同时段初始化时间分析（2）不同观测环境下接收机初始化时间分析（3）全天候初始化时间分析。
        结束语
        本文系统性阐述了GPS/BDS/GLONASS导航定位系统的发展现状，阐述了各自特点及差异性；阐述了网络RTK技术与传统RTK技术的差异性；汇总阐述了网络RTK系统组成及定位原理；汇总分析了多星座GNSS精密定位精度的主要误差源、网络RTK定位技术的主要误差源。本文进一步的研究内容可有：（1）针对单独导航定位系统的网络RTK定位精度做出分析（2）考虑四个不同导航定位系统组合的同步观测结果分析（3）通过数学模型，提升电离层延迟模型的精度（4）初始化时间的比对分析方式（5）开阔环境、有遮挡的环境，对定位精度的影响。
        参考文献：
        [1]高成发，胡伍生.卫星导航定位原理与应用[M].北京：人民交通出版社，2011：3-8.
        [2]杨荣华，牛瑞芳，吴文英，舒海翅.网络RTK定位技术及其现状分析[J].甘肃科技，2008，24（10）：33-35.