单频北斗手持终端PPP定位与精度分析

蔡舒翔

（1.茂名市国土资源勘探测绘院，广东 茂名 525000）

北斗卫星导航系统（BDS）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继GPS和GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。BDS按照北斗一代、北斗二代区域系统以及北斗二代全球系统的“三步走”发展战略进行建设。北斗二代全球卫星导航系统设计包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。截至2012年底，BDS已实现14颗卫星的在轨运行，包括5颗地球静止轨道卫星（GEO）、5颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和4颗中轨道卫星（MEO）[1-2]。2012年12月27日BDS正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务，标志着BDS区域系统正式建设完成。2015年3月30日BDS新一代北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射，标志着BDS由区域运行向全球拓展的启动实施，计划将于2020年前后，完成30余颗BDS导航卫星的发射和组网，形成全球覆盖能力。

1997年JPL学者Zumberge J F[3]提出精密单点定位技术（PPP）以来，PPP经历了较长时间的发展，在地震学、时频转换、变形监测、实时GNSS气象学等领域得到了广泛应用。随着BDS的建设，Steigenberger P[4]等基于IGS M-GEX和CONGO跟踪站数据，采用GPS L1、L2和BDS B1、B2观测值估计了BDS的GEO和IGSO卫星轨道，得到了GEO优于m级，IGSO优于0.2 m的定轨精度，单BDS PPP定位精度可达cm级；LI W[5]等基于Steigenberger P[4]等估计的事后BDS精密轨道和钟差产品，利用GPS和BDS双频观测值分析比较了单BDS、单GPS以及GPS+BDS PPP的定位精度，结果表明，单BDS PPP可实现cm级定位精度，GPS+BDS PPP可加快PPP的收敛速度，但当GPS卫星几何构形较好时，增加BDS卫星对定位精度的贡献有限；SHI C[6]等对BDS的精密定轨进行了研究，其径向定轨精度优于10 cm，利用该精密轨钟产品，采用单BDS的PPP，静态单天解平面优于1 cm，高程优于3 cm，动态定位可达平面1～2 cm、高程4～7 cm的精度。

目前对BDS PPP的研究大多停留在事后阶段，因此本文对实时BDS PPP进行了相关研究。传统的PPP采用无电离层组合消除电离层一阶项的影响，但一方面无电离层组合放大了观测值的噪声，与提高观测值精度相悖；另一方面无电离层组合损失了电离层这一重要信息，且在多频观测值的发展趋势下，除无法充分利用多频观测值外，选择不同观测值进行组合也为算法带来了诸多不便。相对于传统无电离层组合PPP的局限性，基于原始观测值的非差非组合PPP可保持原有观测值的噪声水平，同时不损失观测信息。基于BDS，本文完成了单频BDS PPP模型，并利用定制BDS手机进行了测试实验，以验证模型的正确性。

1 单频BDS PPP函数模型和随机模型

BDS伪距和载波相位观测值可表示为[7-8]：

传统的无电离层组合PPP和基于原始观测值的非差非组合PPP各有优劣。虽然无电离层组合PPP中的电离层延迟通过观测值组合消除，但组合放大了观测值的噪声（相对原始观测值放大3倍左右），且其函数模型只适应于双频观测值，无法充分利用多频观测值的信息。单频PPP可充分利用各观测值的信息，但需估计电离层延迟，且模糊度参数同倍增加。单频BDS PPP各项误差处理如表1所示[9]。

表1 单频BDS PPP各项误差处理方法

2 单频BDS实时PPP性能分析

本文对单频BDS实时PPP性能进行了实验分析。实验手机支持单频原始观测数据的输出，使得手机终端单频BDS实时PPP成为可能。

实验采用3部手机，编号为1#、2#、3#，手机并排放置于实验楼顶，测试环境良好，高度角为7°以上，基本没有障碍物遮挡，如图1所示。数据采样间隔为1 s，截止高度角为7°，进行单频BDS PPP，并将定位结果与观测点已知坐标进行比较，已知坐标通过短基线事后解算获得。

图1 测试现场图

定位误差时间序列如图2所示，可以看出，3部手机虽然所处环境相同，但其锁星存在差异，由于BDS的GEO卫星静止不动，因此单频BDS PPP的收敛速度较慢，收敛时间为40～180 min；3#手机初始阶段的卫星数明显多于1#手机和2#手机，其收敛速度也明显快于其他两部手机，因此卫星数将影响单频BDS PPP的收敛速度，卫星数越多，收敛速度越快。对3部手机收敛后的定位结果进行统计，得到其均方根（RMS）如表2所示，可以看出，在开阔环境下，通过本文方法，手机单频BDS实时PPP的平面定位精度为1～3 m，高程定位精度为1.5～3.5 m。

图2 3部手机PPP定位误差时间序列图

表2 手机单频BDS PPP的RMS/m

3 结 语

由于BDS实时PPP还处于研究阶段，其定位性能和定位精度有待进一步提高，本文针对该问题，对单频BDS实时PPP进行了研究，并利用定制手机对单频BDS实时PPP性能进行了实验分析。结果表明，采用本文提出的单频非差非组合方法，手机单频BDS实时PPP的平面定位精度可达1～3 m，高程定位精度可达1.5～3.5 m。