摘要：我国北斗卫星导航系统已完成全球组网，开始向全球用户提供导航定位与授时服务。基于早期多系统兼容互操作的原则，目前市场主流的GNSS接收机均支持多系统的卫星信号接收。近年来，出于对自主性和安全性的考虑，一些部门和行业提出了使用单北斗满足高精度导航定位的需求。由于单

本文内容来源于《测绘学报》2024年第1期（审图号 GS京(2025)0114号）

单北斗接收机定位性能分析与评估

1.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191

2.

摘要

我国北斗卫星导航系统已完成全球组网，开始向全球用户提供导航定位与授时服务。基于早期多系统兼容互操作的原则，目前市场主流的GNSS接收机均支持多系统的卫星信号接收。近年来，出于对自主性和安全性的考虑，一些部门和行业提出了使用单北斗满足高精度导航定位的需求。由于单北斗接收机在信号捕获时不能依赖其他系统信号的引导，其硬件及定位性能将可能发生改变，因此亟须对目前国产单北斗接收机的导航定位性能进行评估。本文选用M300 Pro单北斗接收机，开展了一系列测试评估试验，在对接收机的首次定位时间、信号质量和观测噪声等硬件性能进行分析的基础上，使用我国自主研发的北斗高精度数据处理软件平台（GSTAR）对静态站坐标解算、伪距单点定位、精密单点定位（PPP）、静态基线解算及实时动态定位（RTK）等定位性能进行了分析与讨论。试验结果表明，所选单北斗接收机冷启动时间低于40 s，平均观测数据完好比超过95%，伪距和载波相位观测噪声的标准差分别为0.051 7 m和0.003 4周，与国内外多GNSS系统接收机的硬件性能基本一致。利用所选单北斗接收机，可实现水平3.5 mm，高程9.9 mm的静态站坐标单天解精度；单历元伪距单点定位精度水平为2.208 m、高程为2.502 m；静态仿动态PPP固定解水平方向优于3 cm，高程优于5 cm，收敛时间优于27 min；20 km以内短基线天解重复性精度水平方向优于0.7 cm、高程方向优于1.8 cm；短基线RTK定位精度水平方向优于3 cm、高程方向优于5 cm。以上结果表明，所测国产单北斗接收机具备独立提供可靠的高精度定位服务的能力。

关键词

北斗卫星导航系统性能分析信号质量观测噪声精密单点定位基线解算RTK定位

基金项目

作者简介：施闯（1968—），男，博士，教授，博士生导师，主要从事卫星定位导航授时理论与方法研究。 E-mail：

本文引用格式

施闯, 邓辰龙, 范磊, 郑福, 张涛, 田原, 景贵飞, 马杰.

SHI Chuang, DENG Chenlong, FAN Lei, ZHENG Fu, ZHANG Tao, TIAN Yuan, JING Guifei, MA Jie.

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我国的北斗卫星导航系统按照“先试验、后区域、再全球”的三步走战略稳步发展[1]。随着2020年7月31日北斗三号系统的正式运行，北斗系统开始向全球用户提供导航、定位与授时服务。北斗系统在信号体制设计时遵循了兼容互操作的原则[2]，确保了全球多个导航卫星系统信号资源的有效共享与充分利用，同时促进了北斗系统建成后的国际化推广应用。因此，国内绝大多数GNSS信号接收设备均支持包括我国北斗和美国GPS系统在内的多系统卫星导航服务。但是，目前仍有部分多系统接收机需依赖GPS信号的引导才能完成北斗系统的信号捕获，给北斗系统在国内尤其是关键行业的独立自主应用服务埋下了严重的安全隐患。为此，国内许多部门和行业提出了使用单北斗信号实现高精度导航定位的需求[3]，通过定位终端完全独立地接收北斗卫星信号，以进一步提升北斗系统在用户使用过程中的自主性和安全性。目前已有数款单北斗产品陆续投入国内市场，但由于信号捕获方式的改变，单北斗产品的性能可能发生改变，因此亟须对其开展评估工作，主要涵盖信号性能及定位性能两个方面。

早期对北斗系统的信号评估工作主要是对比与其他导航卫星系统的信号精度差异，文献[2]分析指出北斗二号系统的伪距和载波相位测量精度已与GPS系统处于同一水平，而文献[4]发现北斗二号系统B1的信号强度与QZSS类似，且其三频载波相比GPS的Block IIF卫星具有更好的一致性。同时，鉴于北斗系统卫星采用混合星座设计，也有学者对比分析了北斗不同轨道类型卫星信号的测距精度，如文献[5]分析指出北斗地球静止轨道（GEO）卫星的测距信号质量优于倾斜地球轨道（IGSO）卫星。随着后续北斗三号系统建设工作的推进，众多学者转向对该系统建设各阶段的测试评估工作。在北斗三号试验卫星的新体制信号及技术验证阶段，不同学者对信噪比、伪距噪声及伪距多路径误差等信号质量进行了分析评估[6-8]，并指出B1C信号在各项指标上均不及其他频率信号。2017年底北斗三号卫星正式进入组网阶段后，文献[9—12]对该系统的空间信号卫星可见性、载噪比、测距误差、多路径效应等性能进行了大量测试，并与北斗二号系统多频信号的伪距和载波相位测量噪声进行了对比分析[13]。各项测试分析结果均表明北斗三号系统的信号质量与北斗二号系统基本一致，且北斗三号系统中已不存在与高度角相关的伪距码偏差[8]。

由于北斗系统运行初期仅公布了B1I和B2I双频信号的接口控制文件，且缺乏精密轨道和钟差产品，因此早期北斗系统的定位性能评估主要集中在伪距单点定位、伪距差分定位和双频实时动态定位（RTK）上。文献[14]利用北斗二号GEO和IGSO卫星观测数据获得了20 m的单点定位结果，水平2 m、高程3 m的短基线双频伪距差分定位结果和水平2.5 cm、高程4 cm的短基线RTK定位结果，初步展示了北斗系统的高精度定位能力。文献[2]与文献[15]在各自独立的双频短基线试验中再次验证了上述结论。文献[16]利用实际采集的北斗二号三频数据，展示了短基线（

虽然目前在北斗系统信号及定位性能评估方面均取得了丰富的研究成果，但以上文献均采用了支持北斗信号的多系统GNSS接收机，缺乏对单北斗定位终端性能的测试与评估。为了综合评估目前单北斗定位终端的导航定位服务能力，本文将利用现有性能评估方法，选用一款单北斗接收机为代表，从接收机首次定位时间、信号质量、观测噪声等硬件性能，以及伪距单点定位、PPP等绝对定位和基线解算、RTK等相对定位性能方面开展初步分析评估。

本文试验采用上海司南卫星导航技术股份有限公司的M300 Pro接收机，如图1所示。此款接收机目前内置了QuantumIII-BDS单北斗高精度SoC芯片，且该芯片已通过单北斗产品认证。由于此款SoC芯片满足CEPREI-131-GM《单北斗芯片认证实施规则》的要求，因此基于此款芯片的M300 Pro接收机能够胜任本文的性能分析评估工作。

图1 上海司南M300 Pro接收机

Fig. 1 M300Pro receivers manufactured by Shanghai ComNav Technology Ltd.

考虑到接收机接收的卫星信号基本性能会影响后续数据处理的效果，在开展单北斗接收机的导航定位性能评估前，笔者首先对此款接收机的首次定位时间、信号质量及观测噪声等基本性能进行了初步评估与分析。

接收机的首次定位时间是衡量接收机定位反应速度的重要指标，按启动模式可分为冷启动首次定位时间、温启动首次定位时间和热启动首次定位时间3类[21]。冷启动首次定位时间是指用户设备在星历、历书、概略时间和概略位置均未知的状态下，从开机到首次正常定位所需的时间；温启动首次定位时间是指用户设备在星历未知，但历书、概略时间和概略位置已知的状态下，从开机到首次正常定位所需的时间；而热启动首次定位时间则指用户设备在星历、历书、概略时间和概略位置均已知的状态下，从开机到首次正常定位所需的时间[22]。冷启动时接收机需下载卫星的星历数据，因此需较长时间才能进行正常定位，此过程一般在1 min以内；而热启动时接收机内存中已保存下载好的近期星历数据，可根据这些星历数据快速完成信号捕获与定位解算，此过程一般仅需1~2 s。

由于冷启动首次定位时间（以下简称“冷启动时间”）不仅影响定位产品的反应速度，还关乎用户的使用体验，因此，本节将主要分析所选单北斗接收机的冷启动时间。为此，在武汉市区某高层建筑楼顶同时将5台M300 Pro接收机与1台武汉攀达时空科技有限公司生产、集成了上海司南K508板卡的PD318多系统GNSS接收机一起组成零基线，并接入同一电源，同步开展冷启动测试，并对5台M300 Pro接收机分别编号为BDS-R1至BDS-R5。对上述6台接收机各进行了20次冷启动，记录各接收机的冷启动时间并计算得到其平均值，结果如图2所示。

图2 M300Pro接收机与PD318接收机的20次平均冷启动时间对比

Fig. 2 Comparison of average cold start time between five M300Pro receivers and a PD318 receiver in 20 times

由图2可以看出，5台M300 Pro单北斗接收机平均冷启动时间分别为37、37、29、33和39 s。其中BDS-R3与BDS-R5接收机的平均冷启动时间相差10 s，是总体平均冷启动时间的28.6%。此差异有可能是BDS-R3接收机在关机后历书和概略时间、概略位置未完全清除，导致重启动时利用到了上述信息，此时记录的时间应为温启动首次定位时间而不是冷启动时间。在移除BDS-R3的平均启动时间后，剩余4台接收机的总体平均冷启动时间为36.5 s，而基于K508板卡的多系统接收机PD318的平均冷启动时间为39 s，说明单北斗接收机与多系统GNSS接收机的冷启动时间并无显著差异，二者均能够快速完成卫星信号的捕获、跟踪和定位解算。

要评估一台接收机的信号质量，通常首先会统计接收到的完好观测值。其中，完好观测值是指一颗卫星在一个历元的观测值中同时具有指定频率的不为零的伪距及载波相位观测数据[23-24]。考虑到在观测过程中通常会人为设定卫星的截止高度角或信噪比阈值，实际的完好观测值限定为卫星高度角或信噪比大于给定阈值的完整数据。在此基础上，笔者定义观测数据的完好比R如下

(1)

式中，Na为所有跟踪卫星的实际完好观测值总数；Nt为所有跟踪卫星的理论观测值总数。观测数据的完好比又称完整率[25]。

此外，所采集载波相位观测数据发生周跳的频率也能反映观测信号的质量。周跳比可以用来反映周跳发生的平均观测历元数[25]。周跳比是在某时间段内接收机观测数据的实际历元数据量与发生周跳历元数据量的比值。在该定义的基础上，笔者将其中“实际历元数据量”更换为“实际完好观测值总数”，则将“周跳比”转换为一个新的指标“连续完好比”，用以反映完好观测值的连续性情况，表示如下

(2)

式中，Rc为连续完好比；Nc为所有历元发生周跳的观测值总数，简称“周跳数”。由式（2）可以看出，连续完好比与周跳数成反比，周跳发生频率越低，周跳数就越少，连续完好比就越大，观测数据的质量就越好。

根据上述定义，本文拟从观测卫星总数、观测数据完好比、周跳数、连续完好比以及常见的平均信噪比、平均多路径误差等多个指标综合评估单北斗接收机的信号质量。为此，在武汉市布设了4个静态站，分别命名为DSCZ、JXZF、WDKJ及YHYY，各测站的位置分布如图3所示。所有测站均使用了M300 Pro单北斗接收机。同时考虑到目前已有大量文献展示了多GNSS系统接收机北斗及多系统观测数据的定位性能[26-28]，为避免重复工作，本文试验设计阶段暂未考虑单北斗接收机与多系统GNSS接收机的同步性能对比，而仅聚焦于单北斗接收机的相关性能评估。

图3 武汉市4个静态站的站点分布

Fig. 3 Distribution of four static stations located in Wuhan

本文试验于2024年2月1日起开展了连续的北斗观测数据采集工作。接收机的采样率设为1 Hz，卫星截止高度角设为10°。选取上述4个测站在2024年2月10日（UTC时）整天的观测数据，并以B1I信号为测试频率，统计了不同测站中M300 Pro接收机的信号质量见表1。

表1不同测站M300Pro接收机的信号质量统计结果

Tab. 1

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由表1可知，4个测站北斗二号和三号观测卫星的总数分别约为15颗和29颗。DSCZ站北斗二号及三号系统以及JXZF站北斗三号的完好比略差，约90%左右，其他测站的完好比均为99%左右，4个测站北斗系统的平均观测数据完好比超过95%。从连续完好比指标来看，北斗二号的连续完好比是北斗三号的4倍以上，反映出北斗三号卫星发生周跳的频率更高。这是由于北斗二号系统主要以地球同步轨道卫星和倾斜地球轨道卫星为主，星下点轨迹集中在亚太地区，国内用户能对其进行持续跟踪观测；而北斗三号系统主要以中圆轨道卫星为主，星下点轨迹覆盖全球，卫星相对地面的变化较快，国内用户仅能观测较短的时段，且易发生信号中断等现象。另一方面，北斗二号和北斗三号在WDKJ站的连续完好比分别达到8436和218，且北斗二号系统的周跳数仅为114个，侧面说明了此站周围观测条件较好，信号干扰较少。此外，北斗二号系统和北斗三号系统的信噪比分别在42 dB和45 dB左右，均超过了40 dB，表现出良好的信号强度；而除JXZF站的多路径误差较大外，其他测站中北斗二号系统和北斗三号系统的多路径误差无明显差距，均在0.2~0.3 m左右，说明上述4个测站周围观测环境条件良好。

观测噪声是卫星信号在伪距和载波相位测量时产生的随机误差，其统计值是反映观测值精度水平的指标，对于导航定位时构建合理的随机模型具有重要参考价值。为进一步评估单北斗接收机的观测噪声，利用功分器将本文1.2节中YHYY站的天线接收信号分接到2台M300 Pro接收机中，以构建零基线，于2024年2月10日（UTC时）整天以1 Hz采样率进行了北斗系统的数据采集。观测频点包括北斗二号系统的B1I、B2I、B3I和北斗三号系统的B1I、B3I、B1C、B2a。

采用文献[13]使用的数据分析方法，获取各频率上的观测噪声，其中数据处理时的截止高度角设为15°。由于本次零基线数据采用的均为同型号的接收机，因此北斗二号系统与北斗三号系统之间不存在系统间偏差。基于此，在对北斗二号系统和北斗三号系统中共有的B1I和B3I信号进行噪声分析时，本文不对两系统进行区分，共用一颗参考卫星进行双差的残差分析。经过数据处理，得到所有卫星对在5个频点的双差伪距及载波相位观测残差，如图4所示。通过进一步的统计，得到对应双差观测噪声的标准差，再根据误差传播定律，即可得到原始伪距及载波相位观测噪声的标准差，具体数值见表2。

图4 M300Pro单北斗接收机在各频点上的双差观测噪声

Fig. 4 Measurement noise on each frequency with standalone BDS receivers M300Pro

表2M300 Pro单北斗接收机各频点原始伪距和载波相位观测噪声统计值

Tab. 2

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由图4和表2可以看出，对于参与本文试验的M300 Pro单北斗接收机而言，B1C频点的伪距观测噪声标准差最小，优于0.03 m，且明显小于其他频点的伪距观测噪声标准差；B1I、B2I和B1C频点的载波相位观测噪声标准差均较小，仅为0.002 5周左右。与之相反的是，B1I和B2I频点的伪距观测噪声标准差最大，均超过了0.06 m；B2a频点的载波相位观测噪声标准差最大，超过了0.005周。5个频点平均的伪距和载波相位观测噪声标准差分别为0.051 7 m和0.003 4周，与文献[13]中Septentrio接收机及Nov Atel接收机的北斗数据观测噪声基本处于同一量级，说明本文试验采用的M300 Pro国产单北斗接收机目前已具备提供与国外多GNSS系统接收机同等水平高精度导航定位服务的能力。

为进一步测试评估单北斗接收机实际的定位性能，笔者利用M300 Pro单北斗接收机和北京航空航天大学自主研发的GSTAR数据处理软件[29]分别开展了绝对定位试验（包括静态站坐标解算、伪距单点定位、PPP）及相对定位试验（包括静态基线解算、静态数据RTK定位以及动态数据RTK定位）。下文将对每个试验的具体试验过程、数据处理策略及定位结果进行介绍。

选取1.2节中4个测站自2024年2月8日至17日（UTC时，DOY039—048）共10 d的单北斗观测数据进行单天静态站坐标解算。在数据处理过程中，采用北斗二号系统与北斗三号系统B1I和B3I伪距及相位的非差无电离层组合观测值，引入武汉大学提供的北斗卫星精密轨道与钟差产品[30-31]进行坐标解算，并固定双差模糊度。对流层延迟采用Saastamoinen模型进行先验改正，而天顶对流层延迟残余量采用2 h的分段常数进行估计。计算10 d内4个测站单天解坐标与对应测站坐标均值的偏差，其时间序列如图5所示，对应的标准差见表3。

图5 4个测站的静态坐标单天解结果偏差

Fig. 5 Biases of coordinate daily solutions for four stations

表34个测站的坐标单天解结果标准差

Tab. 3

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由图5可以看出，4个测站坐标在北方向和东方向的偏差大部分在5 mm以内变化，高程方向变化不超过2.5 cm，说明单北斗的坐标静态解算结果具有较高的稳定性。由表3可以看出，除YHYY站外，其余测站北方向标准差普遍优于东方向标准差；4个测站水平方向标准差平均值为3.5 mm，高程方向标准差平均值为9.9 mm，表明单北斗静态站坐标各方向的单天解精度已达到mm级水平。因此，本文后续可将本次计算得到的静态单天解坐标均值作为参考值，评估伪距单点定位、PPP等不同定位模式的精度。

选取1.2节4个测站在2024年2月10日（UTC时）的单北斗观测数据进行伪距单点定位数据处理。定位过程仅采用北斗二号系统和北斗三号系统的B1I伪距观测值，且过滤掉高度角低于15°或信噪比低于30 dB的卫星。电离层延迟采用广播星历的Klobuchar模型进行改正，对流层延迟采用Saastamoinen模型进行改正，随机模型采用传统的高度角定权模型，各模型的具体公式可参见相关文献，本文不再赘述。

经过单历元最小二乘数据处理，得到4个测站在每个时刻的卫星数、几何位置精度因子（PDOP）及定位坐标，再将定位坐标与参考值进行对比，以获取测站在北、东、水平及高程方向上的定位误差。根据所得4个测站的卫星数、PDOP值及定位误差，可统计每个测站的平均卫星数、平均PDOP值、PDOP值优于3的占比及定位精度统计结果见表4。

表4不同测站的单点定位结果统计

Tab. 4

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由表4可以看出，在实际数据处理过程中，每个测站平均有至少12颗北斗卫星参与了定位解算，且3个测站中PDOP≤3的历元数占比均超过了90%，仅YHYY站由于参与定位解算的卫星数相对较少，其PDOP≤3的历元数占比为80.2%。同时，4个测站在水平和高程方向上的平均定位精度分别为2.208 m和2.502 m，与文献[32]中亚太地区水平5 m、高程5 m（95%）的定位精度相当，这表明此款单北斗接收机已达到了北斗系统设计的导航定位服务性能指标要求。

选取1.2节4个测站在2024年2月9日（UTC时）的单北斗观测数据进行静态仿动态PPP以及非差模糊度解算（PPP-AR）。在数据处理过程中，北斗观测值的频率及组合类型、所采用的轨道及钟差产品、对流层延迟处理策略均与前文静态站坐标解算保持一致。同时，利用分布在亚洲区域的30个MGEX测站数据估计北斗卫星未校正的相位延迟（UPD），再利用连续解算1 h后获得的UPD产品进行单北斗模糊度解算。由于测站DSCZ和JXZF的北斗数据在滤波解算过程中均出现了重收敛情况，因此不参与下文的定位精度分析。

对测站WDKJ和YHYY的PPP以及PPP-AR天解定位精度进行分析，其北、东及高程方向上的定位误差如图6所示。同时，利用解算1 h之后的定位结果评估PPP/PPP-AR收敛后的定位精度。由图6可以看出，WDKJ、YHYY两个测站表现出较好的PPP收敛过程，收敛后的位置精度稳定。其中东、北方向上各历元定位误差均优于4 cm，高程方向定位误差均优于6.5 cm。

图6 WDKJ及YHYY站动态PPP和PPP-AR定位误差时间序列

Fig. 6 Time series of PPP and PPP-AR errors for stations WDKJ and YHYY

此外，相较于浮点解，两测站固定解在东、北和高程方向的平均定位精度分别提升50.7%、34.0%和8.2%，东和北方向定位误差的均方根（RMS）减小至2 cm左右，而高程方向误差的RMS减小至5 cm以内。

为进一步评估单北斗浮点解与固定解的收敛性能，对4个测站在2024年2月9日—2024年2月10日（UTC时）的单北斗观测数据进行每小时一次的滤波初始化解算，并以水平和高程定位误差分别为10 cm和20 cm，且在10 min保持不变为收敛判定条件。图7展示了4个测站2 d每小时浮点解和固定解在高程和水平方向的平均收敛情况，图中每个历元的定位误差为4个测站在48 h共192个样本中对应时刻解算结果的平均值。由图7可以看出，4个测站浮点小时解在水平和高程方向的收敛速度较为缓慢，其中水平方向的收敛时间超过了1 h，高程方向的收敛时间为24.9 min。作为对比，模糊度固定解对用户端收敛速度提升显著，水平方向的收敛时间缩短到26.5 min，而高程方向收敛时间也缩短至23.1 min。

图7 动态小时解PPP和PPP-AR定位结果统计

Fig. 7 Statistics of PPP and PPP-AR hourly solution differences

选取1.2节4个测站自2024年2月9日—2024年2月16日（UTC时，DOY 040—DOY 047）连续8 d的单北斗观测数据进行静态基线解算。其中，选取YHYY站作为基准站，其余测站与该站构成3条静态基线。基线长度从8.8 km到20 km不等，基本信息见表5。

表53条静态基线的测站信息

Tab. 5

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对所选基线数据分成8个单天并将每天观测数据的采样间隔调整为30 s，在不考虑多路径效应误差的前提下采用滤波解模式进行静态基线解算，其中天顶对流层相对延迟采用随机游走的参数估计方法，得到各基线在所有8 d内北、东和高程方向上的基线向量和基线长度。在此基础上，对静态基线解算的结果进行重复性分析，计算各天解结果与所有8 d结果均值间的偏差，其中3条基线各天的长度重复性偏差如图8所示，再统计各方向上重复性偏差的标准差列于表6。另根据各测站的坐标参考值，计算各基线的天解结果与基线参考值之间的偏差，统计天解偏差的RMS，也列于表6。

图8 不同基线解算后得到的基线长度重复性偏差

Fig. 8 Repeatability bias of baseline length from different baseline solutions

表63条静态基线的基线解算结果精度统计

Tab. 6

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由图8和表6可以看出，采用单北斗接收机采集的静态观测数据可获得重复性偏差优于1 cm的基线长度。由于基线C较长，其基线解算结果的重复性标准差相比其余两条基线而言更大，水平和高程方向分别超过了0.5 cm和1.2 cm。但3条基线解算结果的RMS基本一致，水平方向为0.6 cm左右、高程方向为1.5 cm左右，表明单北斗接收机已可以应用于精度要求较高的形变监测场景中。

选取1.2节4个测站在2月10日0时—2月10日4时（UTC时）的单北斗观测数据，仍将YHYY站作为基准站，另将剩余3个测站视为流动站，采用B1I和B3I观测值进行RTK定位解算。在解算过程中，先完成宽巷模糊度的搜索固定，再利用模糊度恢复后的宽巷观测值辅助原始模糊度的固定，最后利用固定后的原始模糊度实现高精度的RTK定位。当完成RTK定位获取了3个流动站的坐标后，将其与对应测站的参考坐标进行对比，再次计算各测站坐标在北、东、水平和高程方向上的定位偏差，3个方向的偏差序列如图9所示。同时统计3条基线在各方向上定位偏差的RMS值，见表7。

图9 3条静态基线的RTK解算结果偏差

Fig. 9 Biases of RTK solutions for three static baselines

表73条静态基线的RTK定位结果精度统计

Tab. 7

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由图9和表7可以看出，所有3条基线均完成了所有历元的模糊度固定。对于10 km以内的短基线A，其在各方向上解算结果偏差的变化幅度均较小，北方向和东方向的定位RMS均优于1 cm，水平精度优于1.5 cm，高程精度优于2.5 cm，表现出优异的定位性能。随着基线长度的增加，RTK定位解算结果偏差的变化幅度也随之增大，最终的精度也随之下降。对于13 km和20 km左右的中长基线B和C，其水平和高程方向的定位结果RMS误差分别增加到2.5 cm和4.0 cm左右。但是，总体而言，3条基线定位结果的RMS误差在水平方向未超过3 cm，高程方向未超过5 cm，能够满足正常的RTK定位需求。

为获取动态观测数据以进一步评估RTK定位的性能，笔者于2024年1月30日下午在武汉市区某操场开展试验。基准站天线放置于操场中央临时搭建的三脚架上，周围无遮挡。两个流动站天线分别安置于无线遥控电驱小车及双层小推车上，分别编号为T005和T003。基准站与流动站均采用功分器将天线接收的卫星信号分接到M300 Pro单北斗接收机及PD318多系统GNSS接收机中，其中M300 Pro接收机接收单北斗观测数据，PD318接收机接收北斗/GPS双系统观测数据，流动站所采用的试验设备如图10所示。

图10 两个流动站平台的试验设备

Fig. 10 Experiment devices equipped on two rover station platforms

两个流动站均沿操场跑道缓慢环行，速度不超过2.5 m/s。选取北京时间15：20至16：20一个小时观测时段的动态数据进行RTK解算，以T003为例，其轨迹如图11所示，其中绿色表示RTK固定解，蓝色表示RTK浮点解。由图11可以看出，流动站移动的区域四周被茂密的树木遮挡，尤其是在操场的南部区域，还有一栋7层建筑会遮挡卫星信号，这些因素都对后续的RTK定位产生了不利影响，导致南部区域出现较多的浮点解。

图11 流动站平台T003的移动轨迹

Fig. 11 Moving trajectory of rover station platform T003

本文试验所采集动态北斗观测数据亦采用GSTAR软件进行处理，以PD318接收机的北斗/GPS双系统RTK固定解解算结果作为参考值，与M300 Pro单北斗接收机的北斗系统固定解解算结果进行对比，两个流动站在北、东和高程方向上的误差序列如图12所示。再统计这两个流动站的模糊度解算结果及定位误差的精度，列于表8。

图12 流动站T003和T005的RTK定位误差

Fig. 12 RTK positioning errors of rover stations T003 and T005

表8流动站T003和T005的RTK定位结果精度统计

Tab. 8

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由图12及表8可以看出，两个流动站的模糊度固定率均只有88.5%左右，这主要归因于操场周围恶劣的观测环境。然而，流动站T003的模糊度固定成功率接近100%，显著高于T005的85%。这是因为流动站T003的天线置于双层小推车的对中杆上，离地高度近2 m，而T005的天线置于低矮的电驱小车上，离地高度不足1 m，因此流动站T005的卫星信号受遮挡程度更加严重。同时，流动站T005 RTK定位结果的精度相比T003也出现了略微下降，水平和高程精度分别下降了18.75%和16.42%。不过，得益于本次试验中流动站距离基准站较近，所有流动站的定位精度在水平方向均未超过1.5 cm，高程方向未超过2.5 cm。本次试验说明在实际遮挡环境中，单北斗接收机也能实现较为可靠、高精度的RTK定位结果。

为开展国产单北斗接收机（以下简称“接收机”）的导航定位性能分析与评估工作，本文选用内置了单北斗高精度SoC芯片的M300 Pro接收机，实施了多个测试评估试验，分别对接收机的冷启动时间、信号质量、观测噪声等硬件性能，静态站坐标解算、伪距单点定位、PPP等绝对定位性能，以及静态基线解算、静态数据RTK定位、动态数据RTK定位等相对定位性能进行了分析与讨论。通过试验结果，可以得出如下结论：

（1）接收机的冷启动时间不超过40 s，与多GNSS系统接收机的冷启动时间一致，可快速完成卫星信号的捕获、跟踪和定位解算。

（2）接收机观测数据的平均完好比超过95%，北斗三号卫星的载波相位观测值较北斗二号卫星更易发生周跳；不同频点平均的伪距和载波相位观测噪声标准差分别为0.051 7 m和0.003 4周，与国外多GNSS系统接收机处于同一量级。

（3）接收机的静态站坐标单天解精度水平方向达到3.5 mm，高程方向达到9.9 mm，基本满足北斗高精度参考框架建立与维持的需求；单历元伪距单点定位在水平和高程方向上的平均定位精度分别为2.208 m和2.502 m，已达到了北斗系统设计的导航定位服务性能指标要求；静态仿动态PPP固定解在水平方向优于3 cm，高程方向优于5 cm，收敛时间优于27 min。

（4）接收机在20 km以内短基线的天解重复性精度在水平方向优于0.7 cm、高程方向优于1.8 cm，可以应用于精度要求较高的形变监测场景；短基线RTK定位精度在水平方向不超过3 cm，高程方向不超过5 cm，即使在实际遮挡环境中也能够实现较为可靠、高精度的RTK定位结果。

需要指出的是，上述结论均基于本文所采用的接收机在本文所处试验环境中得到。鉴于目前有限的单北斗接收机品牌和型号，同时考虑不同品牌和型号接收机之间的性能差异，本文仅以所测接收机为代表，展示目前国产单北斗接收机可达到的导航定位性能水平。后续可进一步增加其他品牌和型号的国产单北斗接收机，开展此类产品的综合对比评估。同时，本文暂未直接对比单北斗接收机与多GNSS系统接收机的定位性能，后续可进一步开展两者的同步对比试验，以期更直观了解两者的性能差异。

另一方面，单北斗接收机的使用降低了同一时刻可观测导航卫星的数量，导致其在复杂环境下的定位性能相比多GNSS系统将出现一定幅度下降。同时，随着未来北斗二号卫星逐渐退役，可观测的北斗卫星数量将进一步减少，这也给单北斗接收机的应用带来巨大挑战。如何仅利用单北斗甚至单北斗三号多频观测数据保持目前精确可靠的导航定位性能，是未来需要重点研究的方向。

来源：测绘学报