摘要：北斗卫星导航定位系统是由我国自主研发的全球卫星导航系统。随着北斗卫星系统的发展，目前其已在国防、生活、工程测量中得到了广泛的应用，其中在工程测量中的应用尤为突出。文章结合美国全球定位系统（GPS）的数据精算，分析比较了北斗卫星导航系统与GPS组合的定位精度。通过分析北斗卫星导航系统与美国全球定位系统（GPS）的结合在工程测量中的实际应用，采用多系统的定位，极大地提高了工程定位测量的精度，增强了测量数据的可靠性。
关键词：北斗卫星导航系统；美国全球定位系统；工程测量；应用
1北斗卫星导航系统与美国全球定位系统
1.1美国全球定位系统
美国全球定位系统从20世纪70年代开始研发，其研发的主要目的是为美国军事行动提供24h全方位的实时导航定位服务。GPS定位系统包含星座在内一共24颗轨道卫星以及多颗备用卫星。GPS定位系统的星座具有极强的抗干扰性，覆盖全球，能够提供全球性的单点定位功能。
1.2北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统是我国自主研发的，独立运行的全球定位系统。截至目前已发射54颗北斗导航卫星（含北斗二号和北斗三号），其中包括10颗地球静止轨道卫星（GEO）、12颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、32颗中圆轨道卫星（MEO），如今已经基本实现覆盖全球的导航定位功能。北斗卫星导航系统采用独特的网式分布使得北斗卫星导航系统除了具备其他卫星导航系统的功能之外，还具备其他卫星导航系统所不具备的功能：北斗卫星导航系统采用三联式轨高卫星组合而成，其中高轨卫星数量占1/4，抗遮挡能力进一步提升。因此，北斗卫星导航系统在低纬度地区的优势更加明显。北斗卫星导航系统可以发射多频导航信号，通过组合、叠加等方式来提升单点定位的精准度。北斗卫星导航系统具有特殊的短报文功能，如果发生移动信号无法覆盖的情况时，可以弥补移动通信盲点，实施通信联系和精准定位。
2北斗卫星导航与美国全球定位系统的基本模型以及参数设计
随着全球定位系统的发展，当前已经有很多卫星定位方式来满足各种使用需求，例如单点定位、差分定位、相对定位等。在实际应用中，单点定位是最为简单迅速的定位方法，精度可达到5m，所以单点定位经常应用在工程测量以及车载导航中，而在实际应用中常常结合多系统的导航定位系统获得更为精准的工程测量数据。
2.1建立单点定位基本模型
关于北斗卫星导航系统的特点结合工程测量对定位准确性的要求，可以得出，观测值除了受到地面接收机时间差与北斗卫星自身的时间差之外，受到T和I的影响即对流层延迟和电离层延迟的影响比较大。在实际的工程测量中，通过对模型进行适当调整来加以改正。本文所采用的对流层模型为霍普菲尔德模型，所采用的电力层模型为克罗不歇模型。
2.2建立多系统定位基本模型
随着全球卫星定位导航系统的快速发展，多系统的卫星定位是重点研究方向。由于多系统定位需要每个系统之间进行统一计算，而每个系统具有不同的参考系数，因此，为了将北斗卫星导航定位系统与美国全球卫星定位系统进行组合定位，必须以北斗卫星定位导航系统为参考在两者中间添加一个时间系统偏差来进行调整；还有一种方法就是在建立数学模型时，将北斗卫星导航系统与美国全球定位系统分别进行建模。以此类推，北斗卫星导航系统与其他全球定位系统组合定位时，同样要在两者中间添加一个时间系统偏差或者是添加一个时间差未知数，来调整两个系统之间存在的误差，保证两个系统之间时间基准的统一。
2.3估计参数
本文中，所采取的参数估计有两种，一种是最小二乘估计，另外一种是卡尔曼滤波估计。对于北斗卫星导航系统的单历元定位算法来说，北斗卫星导航系统与美国全球定位系统两者的估计原理与所得出的结果基本上保持一致，根据模型（1）与模型（3）的算法公式，结合最小二乘估计的标准（VTPV=min），可以计算一个未知向量所对应的增量估计和方差矩阵模型。上述模型中，通过x•的坐标再结合已知的进行线性化初始设置X0，便可以计算出最终的单点坐标。Qx所代表的是最终定位值与时间差之间的精度。由此，便可以根据北斗卫星导航系统与美国全球卫星定位系统所记载的数据，结合最小二乘估计法，计算出最后的定位数据。北斗卫星导航系统在工程测量的实际应用过程中，需要借助粗差检测方法来排除观测过程中误差比较高的卫星。
3在工程测量中多系统应用的前景
3.1测量工程概况
某工程项目位于城市的市中心，该工程测量项目所测量的内容包括居民住宅、高层建筑、城市道路等建筑物。由于市中心的城市道路比较密集，高层建筑物众多，加上树木遮挡，卫星观测条件比较恶劣。工程项目的测量人员经过现场勘查发现，在测量周边共有4个C级卫星控制点，分别标记为C1、C2、C3、C4；另外还有7个三等水准点，分别标记为S1~S7。4个控制点和水准点标石保存基本完好且分布区均匀。
3.2不同系统的单点定位测量结果
根据上述定位条件，首先分别选用8~12颗北斗卫星定位导航和GPS定位导航。由于在单系统定位和多系统定位的粗差探测阈值的选取各不相同，所以，两个系统测量并不等于两个单系统测量值之和。然后，选用5~12颗北斗卫星导航卫星，选用7~12颗GPS导航卫星，经过测量之后，得出结果，如图1、2所示。图1和图2分别是北斗单点定位测量结果和GPS单点定位的测量结果，两个测量结果与真实数据之间各自的差距有所不同。从图1可以得出，单北斗卫星定位在纬度方向上与实际数据之间的偏差大约为2m，与图2GPS的测量结果相比较要差一些。但是在经度方向上，GPS定位系统与实际数据之间的偏差大约为2.7m，比图1北斗卫星定位导航系统的1.4m要差很多。对于北斗和GPS而言，两个系统与实际数据之间的偏差基本上都控制在3m以内，而对于高程方面的测量虽然比水平方向的偏差要高一些，但是偏差也都基本上控制在5m以内。从图1和图2的测量结果中可以得出，当北斗卫星与GPS导航卫星数量高达23颗时，所得出的测量结果更加接近实际情况。从图1和图2的测量结果可知，在实际的工程测量中，如果采用北斗卫星或者GPS导航卫星单系统测量模式时，或者北斗卫星、GPS导航的卫星数量未达到23颗时，其测量结果与实际数值之间还是存在较大偏差，因此要把两者组合起来获得更为精确的测量结果。
3.3组合系统定位分析结果
上文讲到组合系统的定位模型（3）时，要重点考虑不同系统之间的时间参考系统、坐标参考系统，所以处理时，要加入北斗卫星导航和GPS定位系统各自的地面接收机的时间差估计，添加的这个时间差就相当于添加了一个未知数。通过实际的北斗卫星导航与美国全球GPS定位系统的组合测量结果，可知组合导航定位系统所得出的测量结果较为稳定平缓，与单系统定位相比较有一定的改善。在纬度方向上组合定位系统的偏差为0.8m，在高程方向上偏差接近于4m。
4结语
综上所述，GPS全球定位系统与北斗卫星导航系统各自具备自身的特点和优势。本文通过对北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统的组合应用，在观测情况比较好的条件下，测量结果与实际结果基本上可以控制在3m左右，在工程测量中具有广泛的应用前景。
参考文献
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作者:余博斌 单位:广州中海达卫星导航技术股份有限公司
