QZSS对GPS与Galileo定位性能影响分析
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第34卷 第9期2020年9月
北京测绘
BeijingSurveyingandMapping
Vol.34 N
o.9Sep
tember2020引文格式:缪德都.QZSS对GPS与Galileo定位性能影响分析[J].北京测绘,2020,34(9):1248 1253.
犇犗犐:10.19580/j
.cnki.1007 3000.2020.09.018[收稿日期] 2
020 03 07[作者简介] 缪德都(1977—),男,山东宁阳人,大学本科,高级工程师,从事工程测量工作。
犈 犿犪犻犾:miaodeduks@1
63.com犙
犣犛犛对犌犘犛与犌犪犾犻犾犲狅定位性能影响分析缪德都
(山东省鲁南地质工程勘察院,山东济宁272000
)[摘 要] QZSS为与其他导航系统具有较好的兼容性,设计了与GPS、Galileo兼容的信号频率,因此分析QZSS对GPS、Galileo定位性能的影响非常重要。
本文利用4个日本地区的IGS跟踪站实测数据,评估了QZSS的数据质量以及对GPS、Galileo伪距单点定位和精密单点定位的影响,发现QZSS数据质量良好,兼容频率对Galileo伪距单点定位精度的影响大于GPS,对GPS和Galileo精密单点定位精度的影响相当,但相比于GPS和Galileo单系统定位精度有了较大的提升。
[关键词] 准天顶系统(
QZSS);数据质量;伪距单点定位;精密单点定位[中图分类号] P228.4 [文献标识码] A [文章编号] 1
007 3000(2020)09 1248 60 引言
准天顶系统(Quasi ZenithSatelliteSystem,QZSS)是日本针对亚太地区设计的新一代多功能卫星导航系统,旨在为亚太地区用户提供更加
稳定的导航与定位服务[1
]。
QZSS系统在设计了
传统的卫星频率外,还设计了卫星增强信号,该系统由4颗卫星组成,其中3颗倾斜轨道卫星(InclinedGeosynchronousSatelliteOrbit,IGSO)和1颗地球静止轨道卫星(GeostationaryE
arthOrbit,GEO)组成[2 3
]。
QZSS系统于2010年底开始建设,
2017年底完成4颗QZSS系统组网卫星的发射,于2018年初官宣QZSS系统正式启动使用,
向亚太地区用户提供服务[4
]。
QZSS系统设计了5个频
率信号,3个传统信号L1、L2和L5,增强信号L1 SAIF和LEX,其中传统的信号L1、L2与L5与GPS系统对应的信号兼容,L1频率与Galileo系统E1频率兼容,L5频率与E5a频率兼容,兼容频率的设计将会更有效的提高二者组合定位
精度[5 6]。
随着QZSS系统投入使用与不断完善,
国内很多学者展开对QZSS定位性能的研究,文献[7]研究了QZSS/BDS组合精密单点定位研究,发现BDS/QZSS组合系统定位相比与BDS
单系统有效的改善了空间几何构型分布,加快精密单点定位收敛速度与定位精度,提高了卫星可用历元率,
减少了定位误差,一定程度上增强了BDS系统的定位精度、可靠性与稳定性;文献[8]研究GPS/QZSS双系统组合定位性能,发现在各种遮挡环境下QZSS/GPS组合定位相比于GPS单系统定位性能有了较明显改善,尤其是在不同高度角下该改善更为明显;文献[9]分析了GPS/Galileo/BDS/QZSS测距信号数据质量,发现在伪距测量精度方面,GPS中L2C信号要优于L2,Galileo中E5信号最优,而Galileo系统的E1和E5a要优于GPS/QZSS对应的L1和L5信号,GPS与QZSS相当,而BDS三频信号伪距中存在系统偏差,
相同高度角北斗三种轨道卫星伪距测距精度呈递减趋势;文献[10]分析了QZSS系统对GPS定位性能的增强效果,发现QZSS增强信号对GPS定位精度有着明显提高,其中L1 SAIF信号有效提升了GPS单点定位精度,LEX信号使GPS实时定位精度达到分米级。
为对QZSS系统的定位性能进一步研究,本文基于日本地区4个MGEX测站实测数据,评估了QZSS系统L1、L2和L5三个频率的数据质量,分析了QZSS系统L1频率、L5频率对GPS
/
第34卷 第9期缪德都.QZSS对GPS与Galileo定位性能影响分析
Galileo兼容频率L1/E1、L5/E5a伪距单点定位精度以及精密单点定位精度的影响。
1 数据质量评估
QZSS数据质量是决定QZSS定位精度、可行性与可靠性的重要前提,因此对QZSS的数据质量进行分析是必不可少的。
针对QZSS系统的数据质量,本文选取了4个位于日本地区且代表性比较强的测站数据进行取平均值进行分析,这4个测站分别为位于小笠原群岛的CCJ2站、位于关岛的GUAM站、位于水泽的MIZU站和位于驻波的TSK2站,观测时间为2020年1月5日,数据采样率为30s。
所选测站可接收到的QZSS卫星时序图如图1,卫星天空图如图2。
图1 犙犣犛犛系统卫星时序
如图1所示,所选测站可以接收到4颗QZSS卫星,且全天24小时都有QZSS系统观测
数据。
如图2所示,所观测到的4颗QZSS卫星主要在亚太地区上空运行。
图2 犙犣犛犛系统卫星天空图
对于数据质量,本文主要分析QZSS系统L1频率、L2频率和L5频率的信噪比和多路径,对于信噪比每间隔高度角5°
取平均值进行分析。
如图3所示,L1、L2和L5信噪比随着高度角的增加呈增加趋势,并且趋于一个固定值,同时发现L1、L2和L5信噪比呈递增,其中L1频率信噪比从36.8dB Hz开始递增,增加到47.9dB Hz趋于稳定,L2频率信噪比从40.3dB Hz开始递增,增加到51.2dB Hz趋于稳定,L5频率信噪比从44.2dB Hz开始递增,增加到54.3dB Hz趋于稳定。
如图4所示,L1、L2和L5的多路径误差都在2m之内,
并且没有观测到系统偏差,这对于伪距单点定位有着重要的意义。
图3 犙犣犛犛系统信噪比
图4 犙犣犛犛系统多路径
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2 伪距单点定位
伪距单点定位是根据接收到4颗及以上卫星,确定待定点在地固坐标系中的位置,具有独立作业、
实时以及数据解算简单的优点,同时也存在定位精度较低的缺点,
但是目前已经被广泛应用于船舶、
车辆导航等很多领域。
在分析QZSS系统对GPS以及Galileo伪距单点定位影响时,主要分析QZSS系统L1频率和L5频率对GPS和Galileo兼容频率伪距单点定位精度的影响。
在进行数据解算处理时,先进行伪距单点定位模式下只含有GPS系统L1单频、L5单频、Galileo系统E1单频以及E5a单频数据的计算,然后对于GPS系统L1频率和Galileo系统E1频率加入QZSS系统L1频率数据进行解算,对于GPS系统L5频率和Galileo系统E5a频率加入QZSS系统L5频率数据进行解算,计算出不同频率下的伪距单点定位误差序列以及对应的
RMS值。
如图5所示,GPSL1单频伪距单点定位水平方向误差在3m以内,
垂直方向误差在7m以内,当加入QZSSL1频率后,水平方向误差在2m以内,
垂直方向误差在6m以内。
如图6所示,GPSL5单频伪距单点定位水平方向误差在4m以内,
垂直方向误差在8m以内,当加入QZSSL5频率后,水平方向误差在3m以内,垂直方向误差在6m以内。
如图7所示,GalileoE1单频伪距单点定位水平方向误差在3m以内,垂直方向误差在8m以内,当加入QZSSL1频率后,
水平方向误差在2m以内,垂直方向误差在6m以内。
如图8所示,GalileoE5a单频伪距单点定位水平方向误差在3.5m以内,垂直方向误差在9m以内,当加入QZSSL5频率后,水平方向误差在2.5m以内,垂直方向误差在6m以内。
综合上图发现,QZSS系统对GPS和Galileo伪距单点定位误差影响相当。
图5 犙犣犛犛犔1对犌犘犛犔1伪距单点定位误差影响
图6 犙犣犛犛犔5对犌犘犛犔5伪距单点定位误差影响
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期
缪德都
.
Q
Z
S
S
对
G
P
S与Galileo定位性能影响分析
表1 犙犣犛犛对犌
犘
犛
和
犌
犪
犾犻
犾犲
狅
伪距单点定位
犚
犕
犛
值影响
单位
:
m
系统频率
RMS值E
NU系统频率
RMS值
E
NUGPSL1
0.720.891.94GalileoE1
0.790.992.04GPSL1/QZSSL10.610.581.37GalileoE1/QZSSL10.610.511.31GPSL5
0.750.922.72GalileoE5a
0.860.892.96GPSL5
/QZSSL50.61
0.59
1.95
GalileoE5a/QZSSL1
0.68
0.57
1.33
图7 犙犣犛犛犔1对犌犪犾犻犾犲狅犈1伪距单点定位误差影响
图8 犙犣犛犛犔5对犌犪犾犻犾犲狅犈5犪伪距单点定位误差影响
如表1所示,
QZSS系统对GPS和Galileo系统伪距单点定位RMS值的影响较为明显,QZSSL1使GPSL1频率RMS值E方向降低15.3%、N方向降低了34.8%、U方向降低了29.4%;QZSSL5使GPSL5频率RMS值E方向降低18.7%、N方向降低了35.9%、U方向降低了28.3%;QZSSL1使GalileoE1频率RMS值E方向降低22.8%、N方向降低了48.5%、U方向降低了35.8%;QZSSL5使GalileoE5a频率RMS值E方向降低20.9%、N方向降低了36.0%、U方向降低了55.1%。
3 精密单点定位
精密单点定位是利用单台GNSS接收机,采用IGS机构发布的精密的钟差与星历产品,通过各项误差改正实现厘米级快速静态定位技术。
在解算数据时,解算方案与伪距单点定位解算方案相同,首先解算只含有GPS和Galileo的数据,然后再解算加入QZSS对应频率的数据,以便分析QZSS系统对GPS和Galileo精密单点定位误差以及RMS值的影响。
如图9~图1
2所示,QZSS对GPSL1和L5、1521
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表
对和精密单点定位值影响
Ga
l
i
le
oE
5a精密单点定位误差影响不太明显,对GalileoE1精密单点定
位
误
差
影
响较大,不仅增加了E1频率的历元可用率,还加快了E1频率首次收敛速度。
进一步对QZSS对GPS和Galileo精密单点定位RMS值进行分析如表2所示,QZSS系统对GPS和Galileo系统精密单点定位RMS值的影响较为明显,QZSSL1使GPSL1频率RMS值E
方
向降
低
15.8%、N方向降低了16.1%、U方向降低了19.2%;QZSSL5使GPSL5频率RMS值E方向降低1
9.1%、N方向降低了21.9%、U方向降低了14.7%;QZSSL1使GalileoE1频率RMS值E方向降低17.4%、N方
图9 犙犣犛犛犔1对犌
犘犛犔1精密单点定位误差影响
图10 犙犣犛犛犔5对犌
犘犛犔5精密单点定位误差影响
图11 犙犣犛犛犔1对犌犪犾犻犾犲狅犈1精密单点定位误差影响
向降低了17.5%、U方向降低了10.2%;QZSSL5使GalileoE5a频率RMS值E方向降低17.1%、N方向降低了17.0%、U方向降低了8.1%。
图12 犙犣犛犛犔5对犌犪犾犻犾犲狅犈5犪精密单点定位误差影响
4 结束语
针对QZSS系统对亚太地区GPS和Galileo定位性能的影响,本文基于日本地区4个IGS跟踪站实测数据,评估了QZSS三个频率的数据质量,分析了QZSS对GPS以及Galileo兼容频率伪距单点
定位以及精密单点定位精度的影响,
经研究发现:(1)QZSS系统数据质量良好,L1、L2、L5信噪比呈递增,
三个频率的多路径在2m以内,且不存在系统偏差,对伪距单点定位精度的提升有着重要意义。
(2)QZSS对GPS和Galileo伪距单点定位误差的影响相当,QZSS与GPS和Galileo兼容频率组合伪距单点定位水平方向误差优于2m,垂直方向误差优于6m,而对于RMS值的影响不同,对Galieo系统RMS值的影响大于GPS,对N方向的RMS值的影响大于E方向和U方向。
(3)QZSS系统对GPSL1和L5、GalileoE5a精密单点定位的误差影响相当,对E1频率影响较大,增加了E1频率的历元可用率和首次收敛速度,对GPS和Galileo精密单点定位RMS值影
响相当,低于20%。
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犐犿狆犪犮狋狅犳犙犣犛犛狅狀犌犘犛犪狀犱犌犪犾犻犾犲狅犘狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵犘
犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犕犐犃犗犇犲犱狌
(犔狌狀犪狀犌犲狅犾狅犵犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犛狌狉狏犲狔犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犛犺犪狀犱狅狀犵犘狉狅狏犻狀犮犲,犑犻狀犻狀犵犛犺犪狀犱狅狀犵2
72000,犆犺犻狀犪)犃犫狊狋狉犪犮狋:犐狀狅狉犱犲狉狋狅犺犪狏犲犫犲狋狋犲狉犮狅犿狆犪狋犻犫犻犾犻狋狔狑犻狋犺狅狋犺犲狉狀犪狏犻犵犪狋犻狅狀狊狔狊狋犲犿狊,犙犣犛犛犺犪狊犱犲狊犻犵狀犲犱狊犻犵狀犪犾犳狉犲狇狌犲狀犮犻犲狊犮狅犿狆犪狋犻犫犾犲狑犻狋犺犌犘犛犪狀犱犌犪犾犻犾犲狅.犜犺犲狉犲犳狅狉犲,犻狋犻狊狏犲狉狔犻犿狆狅狉狋犪狀狋狋狅犪狀犪犾狔狕犲狋犺犲犻犿狆犪犮狋狅犳犙犣犛犛狅狀犌犘犛犪狀犱犌犪犾犻犾犲狅狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲.犐狀狋犺犻狊狆犪狆犲狉,狋犺犲犿犲犪狊狌狉犲犱犱犪狋犪犳狉狅犿4犐犌犛狋狉犪犮犽犻狀犵狊狋犪狋犻狅狀狊犻狀犑犪狆犪狀狑犲狉犲狌狊犲犱狋狅犲狏犪犾狌犪狋犲狋犺犲狇狌犪犾犻狋狔狅犳犙犣犛犛犱犪狋犪犪狀犱犻狋狊犻犿狆犪犮狋狅狀犌犘犛犪狀犱犌犪犾犻犾犲狅狆狊犲狌犱狅 狉犪狀犵犲狊犻狀犵犾犲 狆狅犻狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵犪狀犱狆狉犲犮犻狊犻狅狀狊犻狀犵犾犲 狆狅犻狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵.犜犺犲犻犿狆犪犮狋狅犳狆狅犻狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵犪犮犮狌狉犪犮狔犻狊犵狉犲犪狋犲狉狋犺犪狀犌犘犛,犪狀犱狋犺犲犻犿狆犪犮狋狅狀犌犘犛犪狀犱犌犪犾犻犾犲狅狆狉犲犮犻狊犲狊犻狀犵犾犲 狆狅犻狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵犪犮犮狌狉犪犮狔犻狊犲狇狌犻狏犪犾犲狀狋,犫狌狋犮狅犿狆犪狉犲犱狋狅犌犘犛犪狀犱犌犪犾犻犾犲狅狊犻狀犵犾犲狊狔狊狋犲犿狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵犪犮犮狌 狉犪犮狔犺犪狊犫犲犲狀犵狉犲犪狋犾狔犻犿狆
狉狅狏犲犱.犓犲狔狑狅狉犱狊:犙狌犪狊犻 犣犲狀犻狋犺犛犪狋犲犾犾犻狋犲犛狔狊狋犲犿(犙犣犛犛);犱犪狋犪狇狌犪犾犻狋狔;狆狊犲狌犱狅 狉犪狀犵犲狊犻狀犵犾犲 狆狅犻狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵;狆狉犲犮犻狊犲狊犻狀犵犾犲 狆狅犻狀狋狆狅狊犻狋犻狅狀犻狀犵
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