BDS-3不同模式下PPP對流層延遲性能評估

顧貫永

（1.河南省有色金屬地質勘查總院，河南 鄭州 450052）

我國BDS-3已正式投入使用，將在我國國防、民生建設和經濟建設中發揮重要作用，因此對其全球定位性能進行評估是今后研究的熱點問題[1-4]。電離層延遲和天頂對流層延遲（ZTD）是影響BDS-3定位性能的主要誤差源，電離層延遲可用通過雙頻組合改正進行消除，ZTD只能通過參數或模型進行改正[5-6]。在高精度精密單點中，ZTD建模誤差將對定位性能產生很大影響，因此高精度的ZTD反演對氣象學研究具有重要意義[7-8]。利用GNSS估計ZTD的方法主要包括精密單點定位法（PPP）和雙差網解法。PPP方法因其操作簡單，只需單臺接收機即可獲得ZTD絕對量，成為常用的ZTD估計法[9-11]。

BDS靜態PPP性能與GPS相當，其ZTD估計精度優于1 cm，與GPS估計RMS值相差在1 mm以內[12]。GPS系統靜態、動態、固定坐標3種模式下估計的ZTD結果相當，靜態的相關性更好，靜態與動態時段解算精度與收斂速度相當，且優于固定坐標模式[13]。數據融合估計ZTD方法較Saastamoinen模型和GPT2w+Saastamoinen模型都有明顯提升，提升值約為8 mm[14]。在華南沿海地區短基線GNSS-C級網解算中，ZTD不估計的解算策略U分量定位精度優于ZTD估計策略，采用ZTD估計策略解算整網的基線重復性優于ZTD不估計的解算策略[15]。四系統組合PPP實時ZTD估值的收斂時間、估計精度和可用性較單系統和雙系統均有所改善，尤其是在遮擋觀測環境下，改善效果更加明顯[16]。采用Galileo、GPS和GPS/Galileo實時PPP估計ZTD的精度較優，Galileo和GPS解的符合性良好，Galileo實時估計的ZTD精度滿足要求，GPS/Galileo組合精度較任一單系統都有較大提升[17]。本文均勻選取全球范圍內8個MGEX跟蹤站數據，采用兩種雙頻PPP模型解算BDS-3靜態與動態雙頻PPP數據，并根據不同解算方式評估ZTD。

1 數據選取與解算策略

本文選取全球范圍內均勻分布的8個MGEX跟蹤站數據，數據采集時間為2021-01-04—2021-01-08，觀測總時長24 h，采樣間隔為30 s。所選測站均能接收BDS-3大部分衛星信號，且能接收BDS-3多頻信號，以滿足不同雙頻組合定位要求。測站分布如圖1所示。

圖1 MGEX站點分布

本文采用的PPP解算軟件和ZTD評估軟件均為上海天文臺GNSS分析中心的Net_Diff軟件，精密星歷與鐘差采用德國波茨坦地學中心發布的精密產品，各測站精密坐標由IGS中心發布的SNX文件獲取。首先進行BDS-3雙頻靜態PPP解算，定位模型采用雙頻無電離層組合模型和非差非組合模型，解算頻率為B1C/B2a和B1I/B3I雙頻組合；再根據解算得到的定位結果，評估不同解算策略BDS-3收斂后靜態PPP精度和ZTD精度，并與IGS發布的ZTD結果進行比較，IGS發布的ZTD產品歷元為300 s；然后進行BDS-3雙頻動態PPP解算，采用的定位模型和解算頻率與靜態一致，同樣對BDS-3收斂后動態PPP精度和ZTD精度進行評估。具體解算策略與參數設置如表1所示。

表1 解算策略以及參數設置

2 實驗結果與分析

為詳細分析BDS-3雙頻全球定位性能以及評估ZTD性能，根據IGS中心提供的精確坐標，本文首先計算得到不同測站E、N、U方向的靜態與動態PPP精度，然后對比不同情況不同測站ZTD與IGS產品隨歷元的變化，最后得到不同情況不同測站ZTD與IGS產品的RMS值。

2.1 靜態PPP

連續5天BDS-3各測站收斂后靜態PPP精度的平均值如圖2所示，可以看出，BDS-3系統B1C/B2a和B1I/B3I頻率組合各測站E方向的靜態PPP精度優于3 cm，N方向除個別測站非差非組合B1C/B2a組合外，靜態PPP精度優于2 cm，U方向除個別測站外，靜態PPP精度優于5 cm。

圖2 BDS-3靜態PPP精度平均值

2021-01-04各測站靜態PPP的ZTD評估結果如圖3所示，可以看出，除WUH2測站外，4種BDS-3靜態PPP評估的ZTD與IGS結果一致性較好，而WUH2測站評估結果略高于IGS結果，主要與WUH2測站高程方向定位結果發散有關[12]。無論是B1C/B2a雙頻無電離層組合還是非差非組合，靜態PPP評估的ZTD結果開始波動較大，而B1I/B3I組合靜態PPP評估的ZTD結果收斂性較好，收斂后4種靜態PPP評估ZTD的一致性較好。

圖3 BDS-3靜態PPP估計ZTD結果

不同BDS-3靜態PPP評估得到的各測站連續5天RMS平均值與IGS結果RMS值如表2所示，可以看出，除WUH2測站外，各測站4種BDS-3靜態PPP評估的ZTD與IGS結果RMS值相差1 cm以內，而WUH2測站評估結果與IGS結果RMS值相差大于1 cm，主要與該測站高程方向定位結果發散有關，與ZTD隨歷元變化結果一致。

表2 BDS-3靜態PPP評估各測站ZTD的RMS平均值/m

2.2 動態PPP

連續5天BDS-3各測站收斂后動態PPP精度平均值如圖4所示，可以看出，除個別測站外，BDS-3系統B1C/B2a和B1I/B3I頻率組合E方向的動態PPP精度優于6 cm；除個別測站以及非差非組合B1C/B2a組合外，N方向動態PPP精度優于5 cm；除個別測站外，U方向動態PPP精度優于11 cm。

圖4 BDS-3動態PPP精度平均值

2021-01-04各測站動態PPP的ZTD評估結果如圖5所示，可以看出，除WUH2測站外，BDS-3系統B1I/B3I組合動態PPP評估的ZTD結果與IGS結果具有較好的一致性，而WUH2測站ZTD結果略高于IGS結果；除SUTM、NYA2、GODS測站外，其余測站B1C/B2a評估ZTD結果與IGS結果具有較好一致性，其原因可能與3個測站所處地理位置與觀測環境有關；B1C/B2a、B1I/B3I動態PPP評估ZTD結果的收斂性與靜態PPP評估結果一致。

圖5 BDS-3動態PPP估計ZTD結果

不同BDS-3動態PPP評估得到的各測站連續5天RMS平均值與IGS產品RMS平均值如表3所示，可以看出，BDS-3動態PPP評估各測站ZTD的RMS平均值與IGS結果存在較大偏差，差值大于等于1 cm，說明動態PPP評估ZTD的結果沒有靜態PPP評估ZTD的結果穩定。

表3 BDS-3動態PPP評估各測站ZTD的RMS平均值/m

3 結語

為評估BDS-3雙頻PPP性能以及其評估ZTD的能力，本文基于8個MGEX跟蹤站數據，首先采用無電離層和非差非組合模型解算得到B1C/B2a和B1I/B3I靜態與動態PPP結果，然后提取ZTD結果，最后與IGS給出的ZTD結果進行對比。本文得到的主要結論為：①B1C/B2a與B1I/B3I的靜態PPP水平和高程定位精度均在厘米級，動態PPP水平定位精度在厘米級，高程定位精度在分米級；②采用靜態PPP評估ZTD，除WUH2測站外，評估精度在毫米級，采用動態PPP評估ZTD的B1C/B2a組合結果不穩定，評估B1I/B3I組合結果相對穩定，評估精度均在厘米級，無論是靜態還是動態PPP評估ZTD，B1I/B3I組合評估結果的穩定性優于B1C/B2a組合。