基于OSB产品的BDS-3新信号精密单点定位

刘 赞，荆世怡

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国为全球用户提供定位、导航和授时服务的重要空间基础设施[1]。北斗全球卫星导航系统(BDS-3)于2020年7月31日正式开通。

BDS-3的信号体制设计在原有BDS-2的基础上进行了较大更新，在保留原有B1I/B3I信号作为过渡信号的基础上新增B1C/B2a/B2b三个民用信号，新信号均采用全新的信号调制方式，其中，B1C采用QMBOC调制，与GPS L1C、Galileo E1同为互操作信号，B2a、B2b联合信号B2a+b采用ACE-BOC调制，其中B2a与GPS L5、Galileo E5a为互操作信号[2]。互操作信号将极大降低接收机设计的复杂度，有利于成本控制，同时方便组合系统的数据处理，因此，各GNSS系统均在积极推进互操作信号的设计。BDS-3全新的信号设计带来了更高的测距精度与更强的抗多径性能。之后，随着BDS-2卫星的逐渐退役，B1C和B2a将取代原有的B1I和B3I，成为未来北斗系统最主要的公开服务信号，因此，其定位性能有待进一步研究。

1 BDS-3新信号PPP基本原理

1.1 PPP原理

精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)是GNSS高精度定位领域中的重要技术路线，它仅需单台接收机，使用高精度的卫星轨道和钟差产品，通过模型改正或参数估计的方法，确定接收机的绝对精确坐标。PPP技术具有机动灵活、服务范围广、作业效率高、成本低、数据处理简单等特点，除了获得高精度的点位坐标，还可同时解算得到电离层延迟、对流层延迟等产品，已成为卫星导航定位技术领域的研究热点之一[3]。

无电离层组合模型是PPP使用最为广泛的模型，它使用双频无电离层组合观测值，消除了一阶电离层延迟，减少了待估参数，在PPP中应用广泛，其观测方程可表示为：

pIF=α12p1+β12p2

(1)

lIF=α12l1+β12l2

(2)

(3)

(4)

1.2 BDS-3新信号卫星端频间偏差改正

目前，BDS-3精密轨道和钟差产品一般通过B1I/B3I无电离层组合观测值估计得到。因此，要使用B1C/B2a新信号组合进行定位，需要改正新旧两组合信号观测码之间的时延，即频间偏差(Inter-Frequency Code Bias，IFCB)，这一偏差包含卫星端IFCB和接收机端IFCB两部分。其中，接收机IFCB可直接吸收至接收机钟差参数中。对于卫星端IFCB可以使用差分码偏差产品(Differential Code Bias，DCB)或绝对偏差(Observable-specific Signal Bias，OSB)产品进行改正。

DCB产品提供卫星端两观测码之间的硬件延迟，已经过长期使用验证，整体性能稳定。使用DCB产品将B1C和B2a信号改正至基准钟差B1I/B3I组合下的公式为：

(5)

OSB产品是为了方便用户端使用由IGS全新推出的产品。IGS于2016年制定了SINEX_BIAS规范文件[4]，用于统一GNSS原始观测值偏差改正文件格式，用户可直接在原始观测值上进行改正。对于伪距观测码，通过选定某一信号的观测码作为基准(例如BDS的B1IB3I无电离层组合)，其余观测码时延可以通过DCB组合的形式进行计算，得到相对于基准观测码的绝对时延，即OSB产品。除了直接采用DCB产品计算得到外，在产品服务端往往通过将基准码作为约束加入产品估计，从而估计得到最终的OSB产品。使用OSB产品将B1C和B2a信号改正至基准钟差B1I/B3I组合下的公式为：

(6)

对比2种改正方案可以发现，OSB产品表达形式上更为简便，易于理解，在程序实现中同样易于实现，这也是IGS推荐使用OSB产品进行PPP数据处理的重要原因。因此本文选用OSB产品进行后续改正。

2 OSB产品长期时间序列稳定性分析

本文选取了中科院CAS提供的多系统OSB产品进行卫星端IFCB改正，CAS OSB产品中直接提供了C1P、C1X、C5P和C5X 4种改正信息。由于OSB产品的稳定性对于PPP性能有一定影响，首先对上述信号的OSB长期时间序列稳定性做了分析，选用的OSB产品数据时间为2022年年积日060-090 d共30 d。

图1给出了与上述4种信号的OSB改正值在2022年年积日060-090 d的时间序列变化。从中可以看出，同频点的OSB整体偏差数值保持一致，例如C1P和C1X分别对应B1C信号，C5P和C5X分别对应B2a信号。4种信号偏差值主要分布在-100～150 ns之间，换算至距离延迟为-30～45 m，延迟量较大，在PPP解算中不能忽略，需要进行单独改正。对于单颗卫星，整体的长期变化均保持平稳，基本在0.5 ns范围内。

图1 CAS BDS-3卫星端OSB产品2022年3月时间序列

3 PPP实验分析

3.1 实验数据与处理策略

为了评估BDS-3新信号PPP性能，本文选取了2022年3月1日共7个MGEX站点的GNSS观测数据进行仿动态PPP测试，选取的站点包括：ABPO、JFNG、MAYG、MIZU、NNOR、SEYG、USUD。对各站点PPP收敛时间及收敛后的定位精度进行了分析。收敛时间定义为当前历元及后20个历元均小于0.1 m[5]。具体的数据处理策略如表1所示。

表1 数据处理策略

3.2 伪距残差分析

对OSB改正效果进行验证，定位解算后的伪距残差可反映出伪距相关的误差情况，因此可用伪距残差的水平验证IFCB的改正效果。此处以HOB2站为例，对其BDS-3老信号和新信号PPP结果进行分析，统计加入OSB产品进行频间偏差改正前后的伪距残差变化，结果如图2所示。可以看出，IFCB改正前，伪距残差分布在-10～10 m之间，各颗卫星的残差分布不具备零均值特性，而在改正后，伪距残差分布在-2～2 m之间，总体RMS由10.42 m降低至0.79 m，残差分布接近零均值特性，其残差水平已优于B1IB3I组合，这说明使用OSB产品后，新信号卫星端伪距频间偏差得到较好地改正。

图2 BDS-3新旧信号PPP伪距残差对比

3.3 PPP性能验证

图3给出了BDS-3新旧2种信号组合PPP仿动态定位时间序列对比，选取了ABPO站作为示例，由上至下分别为东-北-天三方向上的定位误差。从中可以看到，2种方案在收敛初期有一定差异，收敛后整体精度保持一致。

图3 ABPO站定位序列对比

表2和表3分别给出了各站点新旧信号PPP的收敛时间和定位误差对比。从中可以看出，新信号在东-北-天三方向上的收敛时间分别为39.57 min、18.36 min和36.79 min，东方向优于旧信号。新信号在东-北-天三方向上的定位误差分别为0.036 m、0.021 m和0.055 m，与旧信号处于同一水平。

表2 各站点PPP收敛时间/min

表3 各站点PPP定位误差/m

4 结 语

本文对BDS-3新信号B1C/B2a无电离层组合PPP模型及其定位性能进行了研究。针对新信号的频间偏差问题，分别给出了采用DCB和OSB产品进行改正的方案，并选取了更为简便的OSB产品进行改正。通过长时序分析验证了OSB产品的稳定性，同时说明了改正的必要性。最后，对比了改正后的新信号PPP和旧信号PPP的定位性能，实验表明，两者处于同一水平。