BDS+QZSS雙系統(tǒng)組合PPP性能評(píng)估

張玉英，譚榮建，布金偉，李國(guó)柱，張東升

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南海鉅地理信息技術(shù)有限公司，云南 昆明 650000)

1 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beiou Satellite Navigation System，簡(jiǎn)稱“BDS”)是我國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、 獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將在2020年左右具備覆蓋全球的導(dǎo)航定位能力，屆時(shí)將與GPS、 GLONASS和Galileo系統(tǒng)一同為全球用戶提供高精度、可靠的導(dǎo)航定位服務(wù)[1]。因而多系統(tǒng)組合導(dǎo)航定位也將是未來(lái)高精度定位的重要發(fā)展方向[2～5]。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，簡(jiǎn)稱 “QZSS”)是由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aero-space Exploration Agency，簡(jiǎn)稱 “JAXA”)研發(fā)和實(shí)施的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航及增強(qiáng)系統(tǒng)[6～8]。

在截止高度角較大情況下，以及城市、建筑物密集區(qū)、山區(qū)、樹(shù)林較多等區(qū)域，僅依靠單系統(tǒng)進(jìn)行定位無(wú)法滿足導(dǎo)航定位精度需求。在這些情況之下，單系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)較少，定位精度和定位性能較差，為了克服此類問(wèn)題，日本已經(jīng)投入建設(shè)QZSS衛(wèi)星系統(tǒng)，以增強(qiáng)其他系統(tǒng)衛(wèi)星的定位服務(wù)能力。近年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)QZSS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)衛(wèi)星組合定位方面開(kāi)展了很多研究工作并且取得了很多不錯(cuò)的研究成果[9～13]，但是QZSS系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)增強(qiáng)服務(wù)的評(píng)估主要集中在GPS系統(tǒng)，對(duì)其他系統(tǒng)的增強(qiáng)服務(wù)開(kāi)展得還較少且不夠具體。雖然目前QZSS/BDS組合定位的研究較少，但今后QZSS與其他系統(tǒng)的組合定位也將會(huì)成為一種必然趨勢(shì)，因此評(píng)估QZSS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)BDS在我國(guó)定位性能的增強(qiáng)作用具有重要意義。鑒于此，本文利用MGEX跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別從可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、DOP值、靜態(tài)PPP(Static PPP)和動(dòng)態(tài)PPP(Kinematic PPP)幾個(gè)方面對(duì)BDS+QZSS雙系統(tǒng)組合PPP性能進(jìn)行評(píng)估。

2 BDS+QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座結(jié)構(gòu)

BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星構(gòu)成，截至2012年底區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)正式開(kāi)通運(yùn)行，共計(jì)發(fā)射衛(wèi)星16顆，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，包括5顆靜止軌道GEO衛(wèi)星、5顆傾斜同步軌道IGSO衛(wèi)星和4顆中地球軌道MEO衛(wèi)星，是第一個(gè)三軌混合的導(dǎo)航星座。預(yù)計(jì)到2020年，服務(wù)范圍將覆蓋全球，為全球用戶提供更高精度的服務(wù)。目前，BDS在軌衛(wèi)星數(shù)已經(jīng)達(dá)到23顆，其中有21顆具有提供導(dǎo)航定位服務(wù)的能力。在時(shí)間系統(tǒng)方面，BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用BDST，在坐標(biāo)系統(tǒng)方面，采用CGCS2000坐標(biāo)系[14]。BDS衛(wèi)星系統(tǒng)向用戶播發(fā)4種信號(hào)，即：B1(1 575.420 MHz)、B2(1 191.795 MHz)、B3(1 268.520 MHz)、Bs(2 492.028 MHz)，其中，Bs頻點(diǎn)信號(hào)僅在I2-S和M1-S衛(wèi)星上播發(fā)。

日本(Japan)的QZSS星座基本遵循了和BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)類似的設(shè)計(jì)思路，QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由分布在3個(gè)高傾斜橢圓軌道HEO上的3顆衛(wèi)星組成[6]。目前，可觀測(cè)到2顆準(zhǔn)天頂衛(wèi)星(QZS)，QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡呈大橢圓非對(duì)稱“8”字形，在靠近日本附近的橢圓較大，在靠近澳大利亞附近的橢圓較小，在任何時(shí)間下，日本境內(nèi)至少能接收1顆QZS衛(wèi)星，QZS衛(wèi)星能最大限度地減弱由于建筑物高大密集、樹(shù)林、峽谷、山地等對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的遮擋。

QZSS衛(wèi)星向用戶播發(fā)6種導(dǎo)航信號(hào)，即：L1C、L1-C/A、L1-SAIF、L2C、L5和LEX。L1C、L1-C/A、L1-SAIF(中心頻率和頻率寬帶分別都為 1 574.42 MHz和24±12 MHz)，L2C(中心頻率和頻率寬帶分別為 1 227.60 MHz和24±12 MHz)，L5(中心頻率和頻率寬帶分別為 1 176.45 MHz和24.9±12.45 MHz)，LEX(中心頻率和頻率寬帶分別為 1 278.75 MHz和39.0±19.5 MHz)。L1C、L1-C/A、L1-SAIF、L2C、L5信號(hào)在播發(fā)頻點(diǎn)、擴(kuò)頻速率、調(diào)制和信號(hào)格式與GPS完全兼容，L1C、L5與Galileo系統(tǒng)播發(fā)的E1、E5a兼容。QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星改善了日本區(qū)域以及其他亞太地區(qū)定位的可用性和可靠性[10，15，16]。QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星共有2個(gè)發(fā)射信號(hào)的天線，LS-ANT天線在L1-SAIF頻段播發(fā)dm級(jí)的廣域差分增強(qiáng)信號(hào)，類似于目前SBAS的服務(wù)。L-ANT天線在Galileo E6頻段上播發(fā)LEX信號(hào)用于提供高精度導(dǎo)航服務(wù)[12]。

在時(shí)間系統(tǒng)方面，QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)采用QZSST，時(shí)間系統(tǒng)與GPS一致，受控于GPST。坐標(biāo)系統(tǒng)方面，QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)采用JGS，JGS坐標(biāo)系統(tǒng)與GPS衛(wèi)星系統(tǒng)采用的WGS-84之間的差異小于 2 cm，差異較小，對(duì)于一般的導(dǎo)航定位而言，這種差異可忽略不計(jì)。

3 定位性能評(píng)估

3.1 BDS+QZSS衛(wèi)星可見(jiàn)性和DOP值分析

為了對(duì)BDS+QZSS衛(wèi)星的可見(jiàn)性和DOP值進(jìn)行評(píng)估和分析，試驗(yàn)采用2017年9月1日的3個(gè)測(cè)站(CUT0、JFNG和NNOR測(cè)站)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣播星歷數(shù)據(jù)，分別分析了3個(gè)測(cè)站在全天內(nèi)BDS、BDS+QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星的Skyplot圖(如圖1所示)和衛(wèi)星可見(jiàn)性情況(如圖2所示)。圖1(a-c)分別為測(cè)站CUT0、JFNG和NNOR在全天內(nèi)BDS的Skyplot圖，圖1(d-f)分別為測(cè)站CUT0、JFNG和NNOR在全天內(nèi)BDS+QZSS的Skyplot圖。測(cè)站CUT0位于南半球上，其BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為14顆，QZSS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為2顆，呈不對(duì)稱 “8”字形狀。測(cè)站JFNG位于北半球上，BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為14顆，QZSS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為2顆。測(cè)站NNOR位于南半球上，BDS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為16顆(C01-C14，C31-C32)，QZSS可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)為2顆。3個(gè)測(cè)站均能觀測(cè)到BDS衛(wèi)星和QZSS衛(wèi)星，在BDS+QZSS衛(wèi)星均可見(jiàn)情況下便能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)覆蓋，組合定位性能也將比單一系統(tǒng)衛(wèi)星得到提升。

圖1各個(gè)測(cè)站觀測(cè)時(shí)段內(nèi)BDS+QZSS衛(wèi)星的Skyplot圖

圖2 各個(gè)測(cè)站觀測(cè)時(shí)間內(nèi)可見(jiàn)衛(wèi)星情況

從圖2(a)分析可知，在CUT0測(cè)站，1d內(nèi)對(duì)于BDS衛(wèi)星，C02、C03、C04、C05衛(wèi)星全天均可見(jiàn)，C01、C06、C07、C08、C09、C11、C12、C13、C14衛(wèi)星1d內(nèi)部分時(shí)間可見(jiàn)。對(duì)于QZSS衛(wèi)星，J01衛(wèi)星全天可見(jiàn)，J02衛(wèi)星1d內(nèi)大約3h不可見(jiàn)；在JFNG測(cè)站，1d內(nèi)對(duì)于BDS衛(wèi)星，C02、C03、C04、C05衛(wèi)星全天均可見(jiàn)，C01、C06、C07、C08、C09、C11、C12、C13、C14衛(wèi)星1d內(nèi)部分時(shí)間可見(jiàn)。對(duì)于QZSS衛(wèi)星，J01衛(wèi)星1d內(nèi)大約4h不可見(jiàn)，J02衛(wèi)星1d內(nèi)大約5h不可見(jiàn)；在NNOR測(cè)站，1d內(nèi)對(duì)于BDS衛(wèi)星，C02、C03、C04、C05衛(wèi)星全天均可見(jiàn)，C01、C06、C07、C08、C09、C11、C12、C13、C14、C31、C32衛(wèi)星1d內(nèi)部分時(shí)間可見(jiàn)。對(duì)于QZSS衛(wèi)星，J01衛(wèi)星和J02衛(wèi)星全天均可見(jiàn)。

圖3所示為CUT0測(cè)站的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)和DOP值時(shí)間序列，圖中紫色、紅色、藍(lán)色、綠色和黑色分別表示可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、GDOP、PDOP、HDOP和VDOP的時(shí)間序列(截止高度角為30°)。從圖3分析可知，隨著高度角的增加，DOP值逐漸增大，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)逐漸較少，BDS+QZSS組合系統(tǒng)無(wú)論在何種截止高度角情形下，DOP值都比BDS單系統(tǒng)小且較穩(wěn)定，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)則比BDS單系統(tǒng)多。在截止高度角為30°情況下，CUT0測(cè)站BDS+QZSS組合系統(tǒng)的DOP值波動(dòng)比BDS單系統(tǒng)波動(dòng)小，DOP均能保持在10以上，而BDS單系統(tǒng)達(dá)到12。

圖3CUT0測(cè)站的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、DOP值時(shí)間序列(截止高度角為30°)

3.2 PPP定位精度分析

(1)靜態(tài)PPP分析

為了對(duì)BDS+QZSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的定位性能進(jìn)行評(píng)估和分析，選取了MGEX跟蹤站的數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)精密單點(diǎn)定位(Static PPP)和動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位(Kinematic PPP)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采樣率為30s。圖4為JFNG測(cè)站的靜態(tài)PPP時(shí)間序列(高度角為15°)，表1為NNOR測(cè)站不同截止高度角下dE、dN和dU的RMS值及改善率。

從圖4可以看出，E方向上，BDS+QZSS組合系統(tǒng)定位收斂速度快于BDS單系統(tǒng)，收斂以后，BDS+QZSS與BDS單系統(tǒng)定位誤差差異不大，N方向上，BDS+QZSS組合系統(tǒng)較BDS單系統(tǒng)改善不明顯，U方向上，BDS+QZSS定位收斂速度明顯比BDS單系統(tǒng)快，定位穩(wěn)定性也優(yōu)于BDS單系統(tǒng)，U方向上改善效果比E和N方向顯著。

圖4 JFNG測(cè)站靜態(tài)PPP時(shí)間序列 NNOR測(cè)站不同截止高度角下dE、dN和dU的RMS值及改善率(Static PPP) 表1

從表1可以看出，E方向上，BDS+QZSS組合系統(tǒng)靜態(tài)PPP結(jié)果較BDS單系統(tǒng)有一定改善，高度角小于30°情況下，改善率達(dá)到5%，當(dāng)高度角為40°時(shí)，改善效果較為明顯，改善率為11%；N方向上，當(dāng)高度角小于30°時(shí)，改善率達(dá)到19%，當(dāng)高度角為40°時(shí)，改善效果比E方向明顯，改善率為23%；U方向上，當(dāng)高度角為7°和15°時(shí)，BDS+QZSS組合系統(tǒng)靜態(tài)PPP結(jié)果改善情況較BDS單系統(tǒng)差，高度角為30°時(shí)，較BDS單系統(tǒng)改善好，改善率為9%，高度角為40°時(shí)，改善率達(dá)到17%。綜上分析，BDS+QZSS組合系統(tǒng)靜態(tài)PPP結(jié)果N方向改善效果最好，U方向次之。然而在高度角較大時(shí)(40°)，U方向上，BDS+QZSS組合系統(tǒng)比BDS單系統(tǒng)在低高度角情形下改善較為明顯。

圖5NNOR測(cè)站不同時(shí)段長(zhǎng)度解的靜態(tài)PPP定位精度及收斂速度

圖5給出了NNOR測(cè)站不同時(shí)段長(zhǎng)度解的靜態(tài)PPP定位精度及收斂速度，從圖中可知，BDS+QZSS組合系統(tǒng)靜態(tài)PPP的定位精度高于BDS單系統(tǒng)且收斂速度快于BDS單系統(tǒng)。E方向上，RMS值若要獲得 1 m的結(jié)果，BDS+QZSS組合系統(tǒng)需要 50 min，而BDS單系統(tǒng)需要 60 min。N方向上，觀測(cè) 120 min時(shí)段，BDS+QZSS組合系統(tǒng)和BDS單系統(tǒng)的RMS值分別為 0.17 m和 0.18 m。U方向上，RMS值若要得到 0.4 m的結(jié)果，BDS+QZSS組合系統(tǒng)需要 60 min，而BDS單系統(tǒng)則需要 120 min。

(2)動(dòng)態(tài)PPP分析

為了分析BDS+QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的性能，圖6給出了NNOR測(cè)站動(dòng)態(tài)PPP、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)和PDOP值時(shí)間序列(截止高度角分別為15°和40°)，表2給出了NNOR測(cè)站不同截止高度角下(分別為7°、15°、30°和40°)BDS+QZSS組合系統(tǒng)與BDS單系統(tǒng)定位結(jié)果的改善率統(tǒng)計(jì)。從圖6中可以看出，從定位誤差方面看，當(dāng)截止高度角為15°時(shí)，NNOR測(cè)站E、N和U三個(gè)方向的BDS+QZSS組合動(dòng)態(tài)PPP定位誤差與BDS單系統(tǒng)差異不大，當(dāng)截止高度角為40°時(shí)，E、N和U三個(gè)方向BDS單系統(tǒng)全天內(nèi)的可用歷元下降，一天僅有50%左右可用歷元，而BDS+QZSS組合可用歷元較多，此時(shí)兩種模式的定位誤差都較大，各個(gè)方向的離散程度都較差，BDS+QZSS組合對(duì)定位精度的改善有限，但BDS+QZSS組合與BDS單系統(tǒng)相比仍能有一定的改善效果。從可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)和PDOP方面看，當(dāng)截止高度角為15°時(shí)，BDS+QZSS組合與BDS單系統(tǒng)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)全天均能保持在6顆以上，PDOP值均小于6且波動(dòng)穩(wěn)定。當(dāng)截止高度角為40°時(shí)，BDS+QZSS組合全天可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)在5顆左右，BDS單系統(tǒng)在4顆左右，此時(shí)BDS單系統(tǒng)的PDOP值比BDS+QZSS組合較大，波動(dòng)比BDS+QZSS組合大。這說(shuō)明BDS+QZSS組合能有效改善衛(wèi)星分布的空間幾何構(gòu)型。

圖6 NNOR測(cè)站動(dòng)態(tài)PPP、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)和PDOP值時(shí)間序列(截止高度角分別為15°和40°) NNOR測(cè)站不同截止高度角下dE、dN和dU的RMS值及改善率(Kinematic PPP) 表2

從表2分析得出，在高度角為40°時(shí)，E、N和U方向上，BDS+QZSS組合系統(tǒng)改善效果較BDS單系統(tǒng)明顯。當(dāng)高度角為7°時(shí)，E、N和U方向改善率分別為0.5%、3%和9%。當(dāng)高度角為15°時(shí)，E、N和U方向改善率分別為-7%、11%和11%，BDS+QZSS組合系統(tǒng)E方向上改善比BDS單系統(tǒng)差。當(dāng)高度角為30°時(shí)，E、N和U方向改善率分別為19%、9%和5%。

圖7給出了不同測(cè)站BDS和BDS+QZSS模式動(dòng)態(tài)PPP解算的dE、dN和dU的RMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中分析可知，JFNG、NNOR和CUT0 3個(gè)測(cè)站的E、N和U方向，無(wú)論何種高度角情況下，BDS+QZSS組合系統(tǒng)的RMS值均小于BDS單系統(tǒng)。綜合對(duì)比來(lái)看，3個(gè)測(cè)站截止高度角為40°情況下，BDS+QZSS組合系統(tǒng)的定位精度較BDS單系統(tǒng)改善顯著。由此可見(jiàn)，QZSS衛(wèi)星的加入，能夠增強(qiáng)BDS衛(wèi)星的定位精度、可靠性和穩(wěn)定性。

圖7不同測(cè)站BDS和BDS+QZSS模式dE、dN和dU的RMS對(duì)比圖(KinematicPPP)

4 結(jié) 論

本文利用MGEX跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別從可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、DOP值、靜態(tài)PPP和動(dòng)態(tài)PPP幾個(gè)方面對(duì)BDS+QZSS雙系統(tǒng)組合PPP性能進(jìn)行評(píng)估，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)BDS+QZSS組合系統(tǒng)定位比BDS單系統(tǒng)定位具有較優(yōu)的空間幾何構(gòu)型分布，無(wú)論在何種高度角情況下，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)都多于BDS單系統(tǒng)，DOP值小于BDS單系統(tǒng)。

(2)靜態(tài)PPP方面，E、N和U方向上，BDS+QZSS定位收斂速度比BDS單系統(tǒng)快，定位穩(wěn)定性也優(yōu)于BDS單系統(tǒng)，U方向上改善效果比E和N方向顯著。在高度角較大時(shí)(40°)，U方向上改善率達(dá)到17%以上，BDS+QZSS組合系統(tǒng)比BDS單系統(tǒng)在低高度角情形下改善較為明顯。對(duì)于NNOR測(cè)站而言，E方向上，RMS值若要獲得 1 m的結(jié)果，BDS+QZSS組合系統(tǒng)需要 50 min，而BDS單系統(tǒng)需要 60 min。N方向上，觀測(cè) 120 min時(shí)段，BDS+QZSS組合系統(tǒng)和BDS單系統(tǒng)的RMS值分別為 0.17 m和 0.18 m。U方向上，RMS值若要得到 0.4 m的結(jié)果，BDS+QZSS組合系統(tǒng)需要 60 min，而BDS單系統(tǒng)則需要 120 min。

(3)動(dòng)態(tài)PPP方面，當(dāng)截止高度角為40°時(shí)，E、N和U三個(gè)方向BDS單系統(tǒng)全天內(nèi)的可用歷元下降，一天僅有50%左右可用歷元，而BDS+QZSS組合可用歷元較多，此時(shí)兩種模式的定位誤差都較大，各個(gè)方向的離散程度都較差，BDS+QZSS組合對(duì)定位精度的改善有限，但BDS+QZSS組合與BDS單系統(tǒng)相比仍能有一定的改善效果。可見(jiàn)，QZSS衛(wèi)星的加入，能夠增強(qiáng)BDS衛(wèi)星的定位精度、可靠性和穩(wěn)定性。