BDS/GPS精密單點(diǎn)定位性能分析

盛傳貞，賈　丹，肖根如，張京奎

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 344000)

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BDS/GPS精密單點(diǎn)定位性能分析

盛傳貞1,2，賈丹3，肖根如3，張京奎1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 344000)

摘要北斗特殊的衛(wèi)星星座布局導(dǎo)致不同地域用戶的衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)構(gòu)存在差異，基于XMIS、POHN和MAYG站的數(shù)據(jù)討論了北斗星座結(jié)構(gòu)對(duì)精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)定位性能的影響，分析了BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)BDS/GPS聯(lián)合PPP定位的改善。分析表明，北斗衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星頻繁升降是導(dǎo)致北斗動(dòng)態(tài)PPP定位精度差的重要原因，因此，對(duì)于北斗系統(tǒng)地面觀測(cè)條件較差的用戶站而言，無(wú)法基于單北斗動(dòng)態(tài)PPP實(shí)現(xiàn)高精度定位，但是可將北斗系統(tǒng)作為有效補(bǔ)充，采用BDS/GPS聯(lián)合PPP動(dòng)態(tài)定位方式進(jìn)行高精度定位，雖然該方式對(duì)定位精度改善不明顯，但是可有效改善收斂速度(約為20%～45%)。

關(guān)鍵詞北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；精密單點(diǎn)定位；組合導(dǎo)航；定位精度；收斂時(shí)間

0引言

精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)技術(shù)采用單站GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用精確已知的衛(wèi)星星歷和鐘差，基于載波相位觀測(cè)值可以實(shí)現(xiàn)毫米至分米級(jí)高精度定位[1]，目前，隨著GPS在高精度測(cè)量、低軌衛(wèi)星精密定軌、航空測(cè)量和地表形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2]，針對(duì)GPS PPP的定位技術(shù)基本理論得到了巨大的發(fā)展，在工程應(yīng)用中占據(jù)了重要地位[3]。

隨著BDS系統(tǒng)全球化實(shí)施和系統(tǒng)服務(wù)能力的逐漸提升，基于BDS的PPP技術(shù)及其工程應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注[4-5]。目前，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)對(duì)BDS的PPP精度進(jìn)行了初步驗(yàn)證[6-7]，分析表明BDS精密單點(diǎn)定位單天靜態(tài)解可達(dá)1～2 cm[8-9]，動(dòng)態(tài)單天解可達(dá)4～6 cm[10]，略差于GPS PPP定位結(jié)果，推測(cè)導(dǎo)致定位精度差的原因在于BDS的軌道和鐘差精度較低[7-8]。另外，有些學(xué)者對(duì)BDS/GPS雙頻非組合PPP的定位性能也進(jìn)行了初步的評(píng)估[11]。

在GNSS精密單點(diǎn)定位工程應(yīng)用實(shí)踐中，除了定位結(jié)果的精度之外，實(shí)時(shí)性也是阻礙PPP技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素之一[2,7]，PPP的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面體現(xiàn)在軌道和鐘差產(chǎn)品的時(shí)效性；另一方面體現(xiàn)在PPP定位技術(shù)本身的收斂速度。針對(duì)軌道和鐘差產(chǎn)品的時(shí)效性，IGS成立實(shí)時(shí)產(chǎn)品組并開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)時(shí)產(chǎn)品試驗(yàn)；針對(duì)PPP定位技術(shù)本身的收斂速度[10]，提出了基于寬巷Fractional Cycle Biases(FCBs)方法，用以提升GPS PPP的收斂速度，但是這種方法除了需要產(chǎn)品分析中心提供軌道和鐘差產(chǎn)品外，還要求必須提供寬巷FCBs[8-9]，同樣不適于實(shí)時(shí)的工程應(yīng)用實(shí)踐。

與GPS系統(tǒng)以Medium Earth Orbit(MEO)組網(wǎng)不同，當(dāng)前BDS采用了特殊的衛(wèi)星星座布局(5顆GEO、5顆IGSO和4顆MEO)，導(dǎo)致不同地域用戶觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)目和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)存在差異，這些對(duì)BDS PPP精度和收斂速度產(chǎn)生的不利影響，需要進(jìn)行定量分析。此外，BDS作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于GNSS精密單點(diǎn)定位的性能提升，同樣需要重點(diǎn)分析，這些對(duì)于開(kāi)展BDS PPP及GPS/BDS聯(lián)合PPP工程應(yīng)用實(shí)踐具有重要的作用。

1PPP測(cè)量模型

2精密單點(diǎn)定位測(cè)量模型

在動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波PPP技術(shù)中，由于采用非差載波和偽距雙頻消電離層組合觀測(cè)量，電離層一階延遲被消除(高階電離層延遲量值小，可以忽略)，然而，對(duì)流層延遲無(wú)法通過(guò)消電離層組合進(jìn)行消除，主要基于高斯馬爾科夫過(guò)程進(jìn)行估計(jì)，即在卡爾曼濾波方程中，除了需要估計(jì)用戶站位置和模糊度相位偏差參數(shù)外，還需要同步估計(jì)對(duì)流層天頂延遲和梯度參數(shù)，下面將對(duì)PPP的濾波方程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

以GNSS非差載波和偽距消電離層組合觀測(cè)量為例，在濾波方程中，需要估計(jì)的狀態(tài)矢量主要為：

偽距和載波雙頻消電離層組合觀測(cè)向量y為：

偽距和載波相位消電離層組合測(cè)量誤差的協(xié)方差陣如下所示：

綜上所述，要想不斷提升航空服務(wù)人員親和力，就需要對(duì)其親和力重要性有更深層次的了解，并不斷對(duì)自我進(jìn)行完善，提升基本功。此外，在航空服務(wù)工作中，工作人員的微笑服務(wù)可以提升我國(guó)航空服務(wù)人員的親和力，進(jìn)而提高我國(guó)航空服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)航空業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展。

(1)

τr=tk+1-tk代表接收機(jī)采樣間隔；QT和QLC代表對(duì)流層和消電離層相位偏差系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣。通過(guò)求解EKF濾波方程，可以獲得用戶站坐標(biāo)位置和消電離層載波相位偏差。

值得說(shuō)明的是，在本文對(duì)流層延遲估計(jì)中，采用的對(duì)流層干延遲和濕延遲投影函數(shù)雖然均基于NMF，但其投影函數(shù)實(shí)現(xiàn)有所差異。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文基于IGS Multi-GNSS Experiment(MGEX)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，選擇3個(gè)站(站的基本信息如表1所示)，時(shí)間段為2015年5月10日～2015年5月16日共7天的數(shù)據(jù)(年積日為130～136)，值得說(shuō)明的是：為了分析和比較北斗星座結(jié)構(gòu)對(duì)北斗精密單點(diǎn)定位性能影響，特別選擇了北斗星座結(jié)構(gòu)分布較差的POHN和MAYG站，2站在該時(shí)間段的BDS Geometric Dilution of Precision(GDOP)均值約為5.3和8.7。

表1　站的基本信息統(tǒng)計(jì)表

為了分析BDS衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)對(duì)BDS PPP定位精度的影響，首先基于XMIS、POHN和MAYG三個(gè)站的數(shù)據(jù)，采用BDS動(dòng)態(tài)PPP計(jì)算其位置坐標(biāo)(BDS PPP處理策略如表2所示)，并與已知精確坐標(biāo)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)其NEUP(北/東/高程/位置)分量的差異(如表3所示)，同時(shí)給出了3個(gè)站單日BDS動(dòng)態(tài)PPP定位結(jié)果時(shí)間序列圖，如圖1、圖2和圖3所示。

表2　北斗動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位處理策略表

表3　北斗精密單點(diǎn)定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表　(單位：m)

基于表3可以得到，XMIS、POHN和MAYG三個(gè)站雖然基于同一組精密星歷，采用了相同的處理策略，但是定位結(jié)果卻存在巨大的差異，3個(gè)站BDS動(dòng)態(tài)PPP三維定位精度分別為0.20 m、1.26 m和2.65 m。圖1、圖2和圖3直觀地反映出3個(gè)站在定位精度、收斂時(shí)間和定位結(jié)果的穩(wěn)定性方面存在著巨大的差異(圖3的MAYG站在GPS時(shí)間16～24時(shí))無(wú)定位結(jié)果，主要由于有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目小于3，無(wú)法實(shí)現(xiàn)PPP)。

XMIS、POHN和MAYG三個(gè)站定位結(jié)果存在巨大差異的原因主要在于衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)構(gòu)存在巨大的差異(表1的GDOP存在差異)，為了進(jìn)一步分析這種影響，圖4和圖5分別給出了3個(gè)站的單天衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)目和GDOP時(shí)間變化。

圖4和圖5反映出XMIS、POHN和MAYG三個(gè)站GDOP存在明顯差異，導(dǎo)致GDOP存在差異的主要原因?yàn)樾l(wèi)星數(shù)量變化，這是導(dǎo)致3個(gè)站定位結(jié)果存在明顯差異的主要原因。理論分析如下：目前BDS事后精密軌道位置精度略差(GEO約為1～2 m，IGSO/MEO精度較高，優(yōu)于10 cm)，根據(jù)誤差傳播定律：當(dāng)GDOP為3時(shí)，收斂條件下，假定BDS軌道整體精度為3～10 cm，則定位精度約為6～30 cm；當(dāng)GDOP為20時(shí)，如果不依賴歷史數(shù)據(jù)平滑，在BDS GEO精密星歷1～2 m的條件下，采用單歷元數(shù)據(jù)進(jìn)行北斗動(dòng)態(tài)定位時(shí)，定位精度會(huì)惡化到5～8 m，如MAYG站的初始時(shí)刻。因此，衛(wèi)星數(shù)量變化引起GDOP變化是引起精密BDS PPP定位差異的直接原因，同時(shí)BDS精密星歷的精度(尤其是GEO衛(wèi)星)也是引起B(yǎng)DS PPP定位結(jié)果差的重要因素。

圖1　XMIS BDS動(dòng)態(tài)PPP定位結(jié)果時(shí)間序列

圖2　POHN BDS動(dòng)態(tài)PPP定位結(jié)果時(shí)間序列

圖3　MAYG BDS動(dòng)態(tài)PPP定位結(jié)果時(shí)間序列

圖4　3個(gè)站衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)目變化序列

圖5　3個(gè)站衛(wèi)星GDOP變化曲線

此外，圖1結(jié)合圖4和圖5反映出，XMIS在20時(shí)后，雖然GDOP并無(wú)明顯變化，但是衛(wèi)星數(shù)目呈現(xiàn)增加，同時(shí)后續(xù)的定位結(jié)果呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。原因分析為：新增衛(wèi)星的模糊度參數(shù)方差進(jìn)行了重新初始化，需要較長(zhǎng)觀測(cè)累計(jì)才能趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)定位結(jié)果的穩(wěn)定性較差，同樣的情況還反映在圖2和圖4的POHN站的1時(shí)(GPST)，在增加衛(wèi)星后，GDOP值減小，但是定位結(jié)果卻呈現(xiàn)出增大的波動(dòng)性。

上述分析表明，對(duì)于類似POHN和MAYG的站，其衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)構(gòu)較差，在工程實(shí)踐中，是無(wú)法單獨(dú)基于BDS PPP來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)定位，考慮到目前GPS PPP已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，能否將BDS數(shù)據(jù)作為有效的補(bǔ)充，開(kāi)展BDS/GPS聯(lián)合PPP，提升PPP的定位性能呢？下述設(shè)計(jì)了2種處理策略進(jìn)行論證分析：策略1基于單GPS系統(tǒng)進(jìn)行PPP定位；策略2基于BDS/GPS聯(lián)合PPP，分別計(jì)算XMIS、POHN和MAYG三個(gè)站的位置坐標(biāo)，并與已知值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)NEUP分量差異及收斂速度，如圖6和圖7所示。

圖6表明，當(dāng)納入BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)后，BDS/GPS聯(lián)合PPP定位性能略微改善(位置精度提高1～2 cm)，但是這種精度改善并不明顯，推測(cè)主要是BDS精密星歷、Difference CODE Bias(DCB)和BDS衛(wèi)星天線相位中心模型的精度和GPS存在一定差異，通過(guò)等權(quán)聯(lián)合處理，其改善極其有限。圖7反映出納入BDS系統(tǒng)后，可以顯著地提高PPP的收斂時(shí)間，提高約20%～45%左右，尤其是針對(duì)MAYG站，雖然單獨(dú)的BDS觀測(cè)數(shù)目和觀測(cè)結(jié)構(gòu)并不理想，但是對(duì)于BDS/GPS聯(lián)合PPP的收斂速度有了顯著提高，提高近20 min。

圖6　3個(gè)站BDS與BDS/GPS定位精度統(tǒng)計(jì)

圖7　3個(gè)站BDS與BDS/GPS收斂時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4結(jié)束語(yǔ)

BDS采用了特殊的衛(wèi)星星座布局，導(dǎo)致不同地域用戶觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)目和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)存在差異，本文基于XMIS、POHN和MAYG站的數(shù)據(jù)討論了BDS星座結(jié)構(gòu)對(duì)BDS PPP定位性能影響，同時(shí)分析了BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)BDS/GPS聯(lián)合定位性能的影響。

本文分析表明，衛(wèi)星數(shù)量變化引起的星座結(jié)構(gòu)變化是導(dǎo)致BDS動(dòng)態(tài)PPP定位精度差的主要因素，同時(shí)BDS精密星歷精度和衛(wèi)星頻繁升降變化同樣制約BDS動(dòng)態(tài)PPP定位性能。目前，對(duì)于BDS星座結(jié)構(gòu)較差的用戶站而言，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度BDS動(dòng)態(tài)PPP定位，但是聯(lián)合GPS進(jìn)行聯(lián)合PPP動(dòng)態(tài)定位會(huì)極大提高PPP的收斂速度，同時(shí)對(duì)定位精度略有改善，本文的結(jié)論可為BDS動(dòng)態(tài)PPP的動(dòng)態(tài)實(shí)踐應(yīng)用提供良好的理論支撐。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.08

收稿日期：2016-04-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2013DFA10540)；地理信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(SKLGIE2014-M-2-4)。

中圖分類號(hào)TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0029-05

作者簡(jiǎn)介

盛傳貞男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：GNSS數(shù)據(jù)處理(衛(wèi)星精密定軌和高精度定位)。

賈丹女，(1987—)，碩士研究生。主要研究方向：GIS/RS數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。

Analysis of Performance of BDS/GPS Combined Precise Point Positioning

SHENG Chuan-zhen1,2,JIA Dan3,XIAO Gen-ru3,ZHANG Jing-kui1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.FacultyofGeomatics,EastChinaUniversityofTechnology,NanchangJiangxi344000,China)

AbstractThe special constellation geometry of Beidou Navigation Satellite System(BDS)causes different observed Geometric Dilution of Precise(GDOP)for users in various regions.The article,based on the data from XMIS,POHN and MAYG stations,mainly discusses the influence of different BDS satellite constellation structures on the positioning results.From the analysis,conclusions can be made as follows:the GDOP and frequent rise and set of BDS satellite is the important reason for the low precision in BDS kinematic PPP,therefore,for users with poor observation conditions for BDS satellite,it′s difficult to achieve high precision kinematic PPP with only BDS data,but these users can use the BDS data as an effective supplementary,and can obtain high precision using kinematic BDS/GPS PPP based on GPS data combined with BDS data.Though the improvement of position accuracy is not obvious,it′s an efficient way for improvement of the convergence rate(about 20～45% ).

Key wordsBeidou satellite navigation system;Precise Point Positioning(PPP);integrated navigation;position accuracy;convergence time

引用格式：盛傳貞,賈丹,肖根如,等.BDS/GPS精密單點(diǎn)定位性能分析[J].無(wú)線電工程,2016,46(7):29-33.