北斗三號PPP-B2b精密單點定位性能評估

王春陽

(重慶市勘測院,重慶 401121)

0 引 言

全球衛星導航系統因其全天候、全天時、高精度的特點而廣泛應用于交通運輸、減災救災、電子商務、移動智能終端等國家安全和國民經濟建設領域。2020年7月我國北斗三號系統正式開通,標志著北斗衛星導航系統正式完成“三步走”發展戰略,向全球用戶提供定位導航授時服務。此外,在提供區域短報文通信服務和星基增強服務的基礎上,北斗三號系統還提供了特色服務,如精密單點定位服務,全球短報文服務和國際搜救服務[1-4]。

實時精密單點定位主要依賴于高精度的衛星軌道和鐘差產品,BDS-3通過地球靜止衛星B2b下行信號向亞太及周邊地區播發精密軌道、鐘差等改正信息,實現星基精密單點定位服務。目前B2b信號僅播發BDS-3和GPS兩個系統的精密改正信息,另外兩個系統GLONASS和Galileo的衛星精密改正信息將由后續靜止衛星播發。除了精密軌道和鐘差改正信息,B2b信號中還包括衛星掩碼、碼偏差以及用戶測距精度指數信息和數據版本信息。其中,衛星掩碼主要給出有效期內播發的衛星編號,而用戶測距精度指數用來體現改正數的可靠性和精度,如該值超過一定閾值如 0.7 m時,一般不建議用戶使用當前精密改正信息。B2b信號播發的精密鐘差改正信息的更新間隔正常情況下為6秒,其他信息的更新間隔則為48秒[5-7]。

針對北斗B2b信號的精密單點定位服務,國內學者對精密改正數和精密定位的服務能力進行了初步驗證,結果表明北斗三號系統可以提供厘米級的精密定位服務能力[8-10],但是這些研究基于系統早期的測試數據,并非所有北斗三號衛星投入穩定服務,而對系統的服務能力測試是一個長期持續的工作,尤其是隨著北斗三號系統逐漸穩定運行,對系統近期提供的精密定位服務能力進行評估有助于用戶更新對系統定位服務水平的認識,可為用戶在生產實踐中選擇北斗精密單點定位服務提供參考。

1 PPP-B2b精密單點定位模型

精密單點定位中常用無電離層組合模型消除一階電離層延遲影響,忽略高階殘余誤差,得到雙頻偽距和相位觀測值組合:

(1)

1.1 精密軌道恢復

精密軌道改正信息描述衛星坐標系下徑向、切向和法向的衛星位置改正數,用戶使用中需要將其轉換到空間直角坐標系:

(2)

(3)

Xpre=Xbrd-δX

(4)

式中,Xpre為改正后的衛星精密位置,Xbrd為廣播衛星位置。

1.2 精密鐘差恢復

與精密軌道類似,鐘差改正參數也是相對于廣播鐘差的改正值,改正方法如下:

(5)

式中,tpre為恢復的精密鐘差,tbrd為廣播鐘差,C0表示PPP-B2b信號播發的鐘差改正數,c為光速。此外,北斗三號PPP-B2b信號提供了B1I-B3I,B1C-B3I,B2a-B3I和B2b-B3I等頻點的碼偏差改正,方便單頻或雙頻用戶根據需要改正實際使用的鐘差產品。本文將B3I頻點鐘差改正到了B1I和B3I無電離層組合頻點,GPS鐘差無須DCB改正。

2 定位結果

本文利用飛納經緯公司設計的接收機采集2021年12月25日—31日共7天的PPP-B2b的軌道、鐘差和碼偏差信息,為保證結果的廣泛度,收集我國境內及周邊6個IGS觀測站(CUSV,GAMG,JFNG,ULAB,URUM,WUH2)的觀測數據,具體分布情況如圖1所示。

圖1 測站分布示意圖

將精密改正信息恢復成精密產品后,利用開源軟件RTKLIB進行仿動態精密單點定位。考慮到目前B2b信號僅播發北斗和GPS精密改正信息,因此定位試驗中只考慮單北斗以及北斗和GPS聯合定位,具體定位處理策略如表1所示。

表1 PPP數據處理策略

以平面精度收斂到20 cm,高程精度收斂到40 cm(記為目標精度)且保持 5 min為收斂條件,然后統計24小時定位弧段收斂后的精度,具體各個測站的統計結果如表2所示?？紤]到收斂之后定位精度趨于穩定,因此BDS-3單系統的定位精度和BDS-3/GPS雙系統聯合定位的精度差異并不明顯,雙系統定位精度在平面和高程方向的改善幅度僅為 6 mm,定位精度分別為 5.3 cm和 9.9 cm。

表2 基于PPP-B2b信號的精密定位精度

對PPP-B2b精密產品進行BDS-3單系統和GPS+BDS-3雙系統定位,每隔一個小時重新啟動定位程序,一天可以得到24個定位序列,每個序列的定位時長為1小時,然后統計所有測站不同時長的定位誤差序列的中位數,記為不同時長的定位精度。表3給出不同時長的單/雙系統定位精度。

表3 不同定位時長的PPP-B2b精密定位精度

結果表明:不同定位模式收斂速度差異明顯,PPP-B2b雙系統組合定位需要 20 min才能收斂的目標精度,而單系統則需要 60 min才能收斂到目標精度。收斂速度與衛星數以及軌道、鐘差精度密切相關,考慮到單BDS-3定位衛星數最少,收斂較慢。在定位精度方面,PPP-B2b單BDS-3定位收斂后的平面和高程精度分別為 13.8 cm和 14.9 cm,PPP-B2b雙系統定位盡管衛星數目相對于單系統有所增加,不過定位開始時段受GPS鐘差精度影響,定位效果并不理想,但是收斂速度明顯快于單BDS-3系統,且定位收斂后的精度明顯優于單BDS-3系統。

3 結 論

本文針對北斗PPP-B2b服務提供的精密星歷,精密鐘差和碼偏差等產品進行了定位實驗。從筆者測試的結果來看:雖然北斗三號系統正式運行已有兩年,但是在具體B2b信號的精密定位中,由于實際可用的衛星數目不穩定,BDS-3單系統動態定位出現較為頻繁的跳變或重收斂情況,因此在定位半小時的精度仍然在 30 cm左右。得益于增多的多系統組合衛星數,雙系統組合定位的收斂速度明顯快于單系統,一小時定位收斂之后的BDS-3單系統平面和高程精度分別為 13.8 cm和 14.9 cm,雙系統定位精度則分別可到 6.1 cm和8.7 cm,建議用戶使用雙系統精密定位服務。