GPS与GLONASS的几点比较分析

付先国

(合肥市测绘设计研究院，安徽合肥 230061)

GPS与GLONASS的几点比较分析

付先国∗

(合肥市测绘设计研究院，安徽合肥 230061)

本文就GPS与GLONASS在卫星系统、坐标框架、时间基准、卫星坐标计算和模糊度的求解等方面的差异进行了比较分析，并得出了一些有益的结论。

GPS；GLONASS；WGS－84；PZ－90；卫星星历；模糊度

1 引 言

GLONASS是前苏联紧跟美国GPS空间计划平行发展的全球卫星导航系统。利用GPS/GLONASS双星系统联合定位，可以提供比单独的GPS或GLONASS卫星系统更好的精度和可靠性。然而，GPS/GLONASS在联合定位中面临着诸多问题，如坐标框架的不同，时间基准的不同等。本文就GPS与GLONASS系统的几点差异进行比较分析。

2 系统差异比较

GLONASS系统与GPS系统的主要差异如表1所示。

GPS与GLONASS系统差异比较 表1

从表1可以看到，由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度地区的可见性更好；同时由于GLONASS采用频分多址(FDMA)，在GLONASS的数据处理中要涉及频率的处理，因此比GPS的数据处理更为复杂；另外信号频率的变化受外界条件的影响，致使GLONASS的单点定位精度稍逊于GPS(无SA)。

3 坐标框架差异比较

GLONASS采用的是PZ－90坐标系统，目前GLONASS广播星历和历书电文数据都采用这一坐标系。它的原点在地球的质心，Z轴指向1900－1905年间的平均北极，X轴位于1900－1905年间的赤道平面上，XOZ面平行于格林尼治子午圈的均值，Y轴与XOZ构成右手坐标系。而GPS采用的是WGS－84坐标系统，它是以地球质心为原点的地固坐标系，其坐标系的定向与BIH1984.0所定义的方向一致，Z轴指向协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0子午面与CTP赤道的交点。表2给出了两坐标系统的差异。

GPS与GLONASS坐标系统差异比较 表2

利用GPS/GLONASS联合定位，可成倍提高卫星的可见数，从而提高观测精度，减少卫星不足带来的影响，特别是在山区或城市建筑物密集地区。然而GLONASS是以PZ－90为坐标框架的；而GPS是以WGS－84为坐标框架的。尽管这两种坐标框架定义相似，但是它们仍有细微的差别。为了同时处理GPS和GLONASS的观测数据，必须将它们统一到同一坐标系统下。PZ－90和WGS－84均属地心坐标系，因此可用Bursa模型来实现。

上述7参数的值，不同研究者采用不同数据和不同时间来求解，有不同的结果。目前国际上比较通用的坐标转换参数如下:[2]

PZ－90和WGS－84之间的坐标转换参数 表3

4 时间基准差异比较

GPS系统采用的是GPS时间(GPST)，GLONASS系统采用的是GLONASS时间(GLONASST)。GPST是基于美国海军天文台华盛顿的协调世界时UTC(USNO)，时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时，启动后不跳秒，保持时间的连续。GLONASS采用的是GLONASS时间(GLONASST)。GLONASS时间是相对于前苏联的国家时间和频率标准UTC的，与UTC相差3小时和一个小数部分，而且有跳秒改正，因此其时间系统是不连续的。

目前，两种时间系统的转换关系由BIPM监测并公布。当忽略卫星钟差和相对论效应影响时，有如下转换公式:

式(2)中，TGLONASS是GLONASS广播星历中的参考时间，TGPS为相应的GPS时间，TAI为国际原子时，与UTC相差为整数秒，(TAI－GLONASS)和(TAI－GPS)则为GLONASS时间和GPS时间与TAI的差值。

5 卫星坐标计算的差异比较

GLONASS与GPS相比，在系统的可靠性和精度方面还有一定的差距，但二者的定位原理和数学模型基本上是一致的，具体算法上的不同主要表现在卫星坐标的计算和相位观测值的模糊度参数的处理方法。前者是由于两个系统中卫星广播星历的内容不同引起的；后者是由于GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式识别卫星，导致每个卫星的载波频率不同而造成的。

在星历文件方面，GLONASS广播星历每隔半小时更新一次，星历中包含着与GPS广播星历相似的信息，但数据格式及星历内容并不相同。GPS广播星历给出的是1个参考时刻、6个开普勒轨道根数和9个反映摄动力影响的参数，任何时刻的卫星位置都需要根据这些参数直接计算。而GLONASS卫星星历中给出的是参考时刻、卫星钟差、卫星位置、卫星速度、太阳和月亮摄动加速度之和等信息。GLONASS卫星坐标要根据卫星运动方程，用数值积分法求出该时刻周围一些时刻卫星的坐标，然后再用插值法插出任意时刻的卫星坐标。[3]

利用GPS广播星历计算卫星坐标，很多相关文献都有介绍，这里不再赘述。

利用GLONASS卫星星历计算卫星坐标时，首先需要建立地固坐标系中的卫星运动方程。其方程具体形式如下:

其中，ae为地球赤道半径，G为万有引力常量，M为地球质量，r为地心至卫星质心的距离，(x，y，z)为卫星位置向量为日月摄动加速度之和，而C20为地球重力场常数项，ω为地球自转角速度。

将方程(3)转换为相应的一阶常微分方程组，以卫星星历中给出的卫星位置和速度为初值，用Runge—Kutta方法积分可得出卫星轨道。一般情况下，积分结果的误差随着积分时间的增长而增大。对于高精度相对定位而言，最好将积分时间控制在60 min以内。在实时动态定位中，当接收到新的卫星星历，采用上述积分方法得出其后 60 min的卫星轨道，来代替原来积分得出的卫星轨道用于定位计算；而在后处理定位中，以每个星历为初值向前向后分别积分30 min，然后用多项式拟合的方法得出整个观测时间段内统一的卫星轨道，用于定位计算。

6 模糊度参数求解的差异比较

关于GPS模糊度参数的求解，一般都比较熟悉，这里不再重复介绍。对于GLONASS，它的原始观测方程与单差观测方程不涉及卫星频率的变化问题，与GPS完全相同。但在卫星间求二次差时，由于GLONASS卫星采用的是频分多址(FDMA)，这样会带来两个方面的问题。第一个问题是使得在GLONASS双差观测方程中无法消除接收机钟差的影响；另一问题是使得GLONASS双差观测方程的模糊度不再具有整周特性。

简化的载波相位单差观测方程为:

也可写为:

两边同时乘以λp，可得:

对式(6)求双差观测方程，可得:

这样，通过相关的变换，消除了接收机钟差的影响。在上式(7)中，GLONASS的模糊度与GPS模糊度明显不同的是它不但复杂，而且还不再具有整周特性。对GLONASS双差模糊度项做如下变换:

这样，将原来的由两个单差模糊度项组成的不具有整周特性的双差模糊度变成了一个具有整周特性的双差模糊度和一个与参考卫星的单差模糊度有关的两部分。这样变换使双差模糊度具有整数特性，有利于进一步固定双差模糊度，得到固定解。的处理与GPS的双差整周模糊度的处理是一样的；对于的处理，它与单差模糊度的大小及两颗卫星的波长之差有关，可先用P码数据或浮点解的结果作为一个初始值，再利用迭代的方法，求出卫星间单差模糊度的真值，进而便可以将其消除。[4]

7 结 语

利用GPS/GLONASS双星系统联合定位，可以提供比单独的GPS或GLONASS更大的优势。主要是增加了可观测卫星的数量，增强了观测卫星的几何图形强度和多余观测量，提高了整个卫星定位系统的可靠性和可用性，同时也提高了卫星定位系统的定位精度。

但是在利用GPS/GLONASS进行联合定位前，必须清楚它们之间的主要差异:

(1)系统特征差异:GPS采用码分多址(CDMA)来识别卫星，而GLONASS采用频分多址(FDMA)的方式来区分卫星；

(2)坐标框架:GPS采用的是WGS－84坐标系统，而GLONASS采用的是PZ－90；

(3)时间基准:GPST是基于协调世界时UTC(USNO)，启动后不跳秒，保持时间的连续。而GLONASST是基于UTC(RUS)，有跳秒改正，是不连续的；

(4)卫星坐标计算:GPS任何时刻的卫星位置根据广播星历给出的参数直接计算。GLONASS要根据卫星运动方程，用数值积分法积出该时刻周围一些时刻卫星的坐标，然后再用插值法插出任意时刻的卫星坐标；

(5)模糊度参数求解:由于GPS采用码分多址(CDMA)，通过建立双差观测方程直接求解。而GLONASS由于载波频率不同，使得通过建立双差观测方程得到的模糊度项不具备整数特性，同时无法消除接收机钟差的影响，因此应通过一些特殊方法变换后来求解。

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社，2005

[2]陈俊勇.GPS和GLONASS定位成果的坐标转换[J].测绘通报，2002(7)

[3]葛茂荣，过静珺，葛胜杰.GLONASS卫星坐标计算方法[J].测绘通报，1999(2)

[4]张永军，徐绍铨，王泽民等.GPS/GLONASS组合定位中模糊度的处理[J].武汉大学学报·信息科学版，2001(1)

[5]李建文，郝金明，李军正等.GPS/GLONASS载波相位测量模糊度解算方法[J].测绘学院学报，2004(3)

Analysis and Comparison of GPS and GLONASS

Fu XianGuo
(Hefei Surveying and Mapping Institute，Hefei 230061，China)

The paper analyses the differences between GPS and GLOANSS in satellite system，coordinate frame，time datum，calculation of satellite coordinate and ambiguity.And some useful conclusions are get hold of.

GPS；GLONASS；WGS－84；PZ－90；satellite ephemeris；ambiguity

1672－8262(2010)02－81－03

P228

B

2009—08—14

付先国(1981—)，男，工程师，现主要从事城市基础测绘及VRS的工作。