北斗三号PPP-B2b精密单点定位性能评估

王春阳

(重庆市勘测院,重庆 401121)

0 引 言

全球卫星导航系统因其全天候、全天时、高精度的特点而广泛应用于交通运输、减灾救灾、电子商务、移动智能终端等国家安全和国民经济建设领域。2020年7月我国北斗三号系统正式开通,标志着北斗卫星导航系统正式完成“三步走”发展战略,向全球用户提供定位导航授时服务。此外,在提供区域短报文通信服务和星基增强服务的基础上,北斗三号系统还提供了特色服务,如精密单点定位服务,全球短报文服务和国际搜救服务[1-4]。

实时精密单点定位主要依赖于高精度的卫星轨道和钟差产品,BDS-3通过地球静止卫星B2b下行信号向亚太及周边地区播发精密轨道、钟差等改正信息,实现星基精密单点定位服务。目前B2b信号仅播发BDS-3和GPS两个系统的精密改正信息,另外两个系统GLONASS和Galileo的卫星精密改正信息将由后续静止卫星播发。除了精密轨道和钟差改正信息,B2b信号中还包括卫星掩码、码偏差以及用户测距精度指数信息和数据版本信息。其中,卫星掩码主要给出有效期内播发的卫星编号,而用户测距精度指数用来体现改正数的可靠性和精度,如该值超过一定阈值如 0.7 m时,一般不建议用户使用当前精密改正信息。B2b信号播发的精密钟差改正信息的更新间隔正常情况下为6秒,其他信息的更新间隔则为48秒[5-7]。

针对北斗B2b信号的精密单点定位服务,国内学者对精密改正数和精密定位的服务能力进行了初步验证,结果表明北斗三号系统可以提供厘米级的精密定位服务能力[8-10],但是这些研究基于系统早期的测试数据,并非所有北斗三号卫星投入稳定服务,而对系统的服务能力测试是一个长期持续的工作,尤其是随着北斗三号系统逐渐稳定运行,对系统近期提供的精密定位服务能力进行评估有助于用户更新对系统定位服务水平的认识,可为用户在生产实践中选择北斗精密单点定位服务提供参考。

1 PPP-B2b精密单点定位模型

精密单点定位中常用无电离层组合模型消除一阶电离层延迟影响,忽略高阶残余误差,得到双频伪距和相位观测值组合:

(1)

1.1 精密轨道恢复

精密轨道改正信息描述卫星坐标系下径向、切向和法向的卫星位置改正数,用户使用中需要将其转换到空间直角坐标系:

(2)

(3)

Xpre=Xbrd-δX

(4)

式中,Xpre为改正后的卫星精密位置,Xbrd为广播卫星位置。

1.2 精密钟差恢复

与精密轨道类似,钟差改正参数也是相对于广播钟差的改正值,改正方法如下:

(5)

式中,tpre为恢复的精密钟差,tbrd为广播钟差,C0表示PPP-B2b信号播发的钟差改正数,c为光速。此外,北斗三号PPP-B2b信号提供了B1I-B3I,B1C-B3I,B2a-B3I和B2b-B3I等频点的码偏差改正,方便单频或双频用户根据需要改正实际使用的钟差产品。本文将B3I频点钟差改正到了B1I和B3I无电离层组合频点,GPS钟差无须DCB改正。

2 定位结果

本文利用飞纳经纬公司设计的接收机采集2021年12月25日—31日共7天的PPP-B2b的轨道、钟差和码偏差信息,为保证结果的广泛度,收集我国境内及周边6个IGS观测站(CUSV,GAMG,JFNG,ULAB,URUM,WUH2)的观测数据,具体分布情况如图1所示。

图1 测站分布示意图

将精密改正信息恢复成精密产品后,利用开源软件RTKLIB进行仿动态精密单点定位。考虑到目前B2b信号仅播发北斗和GPS精密改正信息,因此定位试验中只考虑单北斗以及北斗和GPS联合定位,具体定位处理策略如表1所示。

表1 PPP数据处理策略

以平面精度收敛到20 cm,高程精度收敛到40 cm(记为目标精度)且保持 5 min为收敛条件,然后统计24小时定位弧段收敛后的精度,具体各个测站的统计结果如表2所示。考虑到收敛之后定位精度趋于稳定,因此BDS-3单系统的定位精度和BDS-3/GPS双系统联合定位的精度差异并不明显,双系统定位精度在平面和高程方向的改善幅度仅为 6 mm,定位精度分别为 5.3 cm和 9.9 cm。

表2 基于PPP-B2b信号的精密定位精度

对PPP-B2b精密产品进行BDS-3单系统和GPS+BDS-3双系统定位,每隔一个小时重新启动定位程序,一天可以得到24个定位序列,每个序列的定位时长为1小时,然后统计所有测站不同时长的定位误差序列的中位数,记为不同时长的定位精度。表3给出不同时长的单/双系统定位精度。

表3 不同定位时长的PPP-B2b精密定位精度

结果表明:不同定位模式收敛速度差异明显,PPP-B2b双系统组合定位需要 20 min才能收敛的目标精度,而单系统则需要 60 min才能收敛到目标精度。收敛速度与卫星数以及轨道、钟差精度密切相关,考虑到单BDS-3定位卫星数最少,收敛较慢。在定位精度方面,PPP-B2b单BDS-3定位收敛后的平面和高程精度分别为 13.8 cm和 14.9 cm,PPP-B2b双系统定位尽管卫星数目相对于单系统有所增加,不过定位开始时段受GPS钟差精度影响,定位效果并不理想,但是收敛速度明显快于单BDS-3系统,且定位收敛后的精度明显优于单BDS-3系统。

3 结 论

本文针对北斗PPP-B2b服务提供的精密星历,精密钟差和码偏差等产品进行了定位实验。从笔者测试的结果来看:虽然北斗三号系统正式运行已有两年,但是在具体B2b信号的精密定位中,由于实际可用的卫星数目不稳定,BDS-3单系统动态定位出现较为频繁的跳变或重收敛情况,因此在定位半小时的精度仍然在 30 cm左右。得益于增多的多系统组合卫星数,双系统组合定位的收敛速度明显快于单系统,一小时定位收敛之后的BDS-3单系统平面和高程精度分别为 13.8 cm和 14.9 cm,双系统定位精度则分别可到 6.1 cm和8.7 cm,建议用户使用双系统精密定位服务。