北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位性能評(píng)估

王 翔，聶志喜，王振杰，徐曉飛，張遠(yuǎn)帆

北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位性能評(píng)估

王 翔，聶志喜，王振杰，徐曉飛，張遠(yuǎn)帆

（中國(guó)石油大學(xué)（華東） 海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580）

針對(duì)海洋油氣勘探、海洋應(yīng)急救援等應(yīng)用依賴海洋實(shí)時(shí)高精度定位，而目前主要采用的商用精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)的設(shè)備與服務(wù)成本較高的問(wèn)題，提出利用我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS-3，文中簡(jiǎn)稱北斗三號(hào)）提供的免費(fèi)實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位（PPP-B2b）服務(wù)在海洋環(huán)境中開展實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的方法：分析北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文信息格式，并給出北斗三號(hào)PPP-B2b精密軌道、鐘差計(jì)算及偽距偏差改正方法；然后建立基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位模型；最后采用海洋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位精度，并與NavCom公司的Starfire星站差分PPP定位精度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，北斗三號(hào)PPP-B2b水平定位精度為7.62 cm，垂直定位精度為13.10 cm，定位精度略低于Starfire星站差分PPP。

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS-3）；實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位（RT-PPP）；海洋定位；精度評(píng)估

0 引言

精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，PPP）技術(shù)是當(dāng)前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)高精度定位的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。它利用單臺(tái)接收機(jī)GNSS觀測(cè)值及精密星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，定位精度可達(dá)到分米級(jí)乃至厘米級(jí)[4-5]。

隨著實(shí)時(shí)高精度定位需求的日益增長(zhǎng)，文獻(xiàn)[6]提出了實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位（real-time precise point positioning，RT-PPP）技術(shù)，即利用實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星鐘差和軌道產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。此外，國(guó)際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Service，IGS）通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)提供實(shí)時(shí)服務(wù)（real-time service，RTS）數(shù)據(jù)，公開播發(fā)實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差、軌道等改正數(shù)。RTS實(shí)時(shí)軌道精度優(yōu)于5 cm，鐘差精度在0.3 ns以內(nèi)[7-9]，水平方向定位精度約為10 cm，垂直方向定位精度在20 cm以內(nèi)[10-11]?；赗TS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位依賴于穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，一旦網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)中斷，用戶將無(wú)法接收RTS改正數(shù)，這制約了基于RTS 服務(wù)的RT-PPP技術(shù)在海洋等網(wǎng)絡(luò)通信困難環(huán)境下的應(yīng)用和發(fā)展。國(guó)際上一些商業(yè)公司開發(fā)了商用PPP服務(wù)，為用戶提供實(shí)時(shí)高精度的單點(diǎn)定位結(jié)果。目前商用PPP服務(wù)主要包括OmniStar系統(tǒng)[12]、NavCom公司的Starfire系統(tǒng)[13]、Trimble公司的RTX系統(tǒng)[14]、Fugro公司的StarFix系統(tǒng)[15]等。商用PPP服務(wù)依賴于衛(wèi)星通信，設(shè)備成本高、服務(wù)價(jià)格昂貴。

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou global navigation satellite system，BDS-3，下文簡(jiǎn)稱“北斗三號(hào)”）于2020年7月正式開通，為我國(guó)及周邊地區(qū)用戶提供公開、免費(fèi)、高精度的精密單點(diǎn)定位（PPP-B2b）服務(wù)[16-19]。目前北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)通過(guò)北斗三號(hào)地球靜止軌道（geostationary orbit，GEO）衛(wèi)星播發(fā)BDS-3和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）精密軌道、鐘差等改正數(shù)，且不受網(wǎng)絡(luò)通信的影響。北斗三號(hào)PPP-B2b精密軌道、鐘差改正數(shù)結(jié)合廣播星歷可實(shí)時(shí)計(jì)算出北斗三號(hào)PPP-B2b精密軌道與鐘差，基于精密軌道與鐘差可進(jìn)行實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位。目前基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的研究大多是基于陸地等常規(guī)環(huán)境[16-22]，海洋環(huán)境中的定位方法研究較少，而海洋對(duì)GNSS實(shí)時(shí)高精度定位的需求卻非常廣泛[23-24]；因此研究基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位具有重要意義。

本文通過(guò)分析北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文信息格式，給出北斗三號(hào)PPP-B2b精密軌道、鐘差計(jì)算及偽距偏差改正方法，建立基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位模型，采用海洋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估并分析海洋環(huán)境中的北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)定位性能，并與商用PPP服務(wù)的定位精度進(jìn)行對(duì)比。

1 北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文內(nèi)容與精密星歷計(jì)算

在使用北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)進(jìn)行精密定位時(shí)，實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道、鐘差的計(jì)算是必不可少的。本節(jié)首先介紹北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，給出北斗三號(hào)PPP-B2b精密衛(wèi)星軌道、鐘差計(jì)算及偽距偏差改正方法。

1.1 北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文內(nèi)容

根據(jù)北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文信息格式，每條電文加載數(shù)據(jù)大小為486 bit，包括6 bit信息類型、456 bit信息數(shù)據(jù)和24 bit循環(huán)冗余校驗(yàn)位。采用數(shù)據(jù)版本號(hào)（issue of data，IOD）來(lái)保證不同信息類型所播發(fā)信息內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，IOD包括狀態(tài)空間描述數(shù)據(jù)的版本號(hào)（issue of data of space state representation，IOD SSR）、衛(wèi)星掩碼的數(shù)據(jù)版本號(hào)（issue of data of pseudo-random noise mask，IODP）、GNSS下行信號(hào)播發(fā)的星鐘與星歷的數(shù)據(jù)版本號(hào)（issue of the navigation data，IODN）、軌道改正數(shù)和鐘差改正數(shù)的版本號(hào)（issue of data of orbit and clock correction，IOD Corr）。如表1所示總結(jié)了北斗三號(hào)PPP-B2b導(dǎo)航電文信息類型與信息內(nèi)容[25]，目前實(shí)際播發(fā)的信息類型為1、2、3、4及63，且僅播發(fā)BDS-3和GPS衛(wèi)星的改正數(shù)信息。

表1 信息類型定義

1.2 北斗三號(hào)PPP-B2b精密星歷計(jì)算

其中

北斗三號(hào)PPP-B2b所播發(fā)的鐘差改正數(shù)是相對(duì)于廣播星歷鐘差的改正參數(shù)，北斗三號(hào)PPP-B2b精密衛(wèi)星鐘差的計(jì)算方法[25]為

1.3 GNSS衛(wèi)星碼間偏差改正

在處理衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)用到多種頻率的信號(hào)，各觀測(cè)值中包含著一個(gè)與衛(wèi)星信號(hào)跟蹤模式有關(guān)的偏差，因此在進(jìn)行各類信號(hào)同步處理時(shí)，需要消除衛(wèi)星碼間偏差。GNSS衛(wèi)星碼間偏差改正公式[25]可以表示為

2 北斗三號(hào)PPP-B2b精密定位模型

GNSS原始偽距和載波相位觀測(cè)值可以表示為[26]：

為消弱電離層延遲的影響，采用雙頻偽距和載波相位的消電離層（ionospheric-free，IF）組合觀測(cè)值。雙頻消電離層組合觀測(cè)值可以表示為[4]：

由于采用了北斗三號(hào)PPP-B2b精密軌道與精密衛(wèi)星鐘差，衛(wèi)星的軌道誤差和鐘誤差可認(rèn)為已被消除，衛(wèi)星偽距硬件偏差采用PPP-B2b服務(wù)播發(fā)的GNSS衛(wèi)星碼間偏差進(jìn)行改正。此外，對(duì)流層延遲可分為干延遲和濕延遲，其中天頂對(duì)流層干延遲一般用薩斯塔莫寧（Saastamonien）模型進(jìn)行修正，而天頂對(duì)流層濕延遲分量則需要進(jìn)行估計(jì)。因此，式（8）、式（9）可線性化為：

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

目前，北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)僅播發(fā)BDS-3和GPS衛(wèi)星改正參數(shù)，NavCom SF-3050接收機(jī)支持GPS、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）和歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation system，Galileo）的衛(wèi)星信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)的北斗三號(hào)PPP-B2b定位與Starfire星站差分定位的可用衛(wèi)星數(shù)如圖1所示，可知可用衛(wèi)星數(shù)均可滿足定位要求。北斗三號(hào)PPP-B2b定位可用衛(wèi)星數(shù)平均為10顆，而Starfire星站差分定位可用衛(wèi)星數(shù)平均為14顆，稍多于前者的可用衛(wèi)星數(shù)。

圖1 北斗三號(hào)PPP-B2b/ Starfire星站差分定位可用衛(wèi)星數(shù)

北斗三號(hào)PPP-B2b定位誤差曲線如圖2所示，可知，經(jīng)過(guò)20 min的收斂后，水平方向定位誤差在8 cm以內(nèi)，垂直方向定位誤差在14 cm以內(nèi)。Starfire星站差分定位誤差曲線如圖3所示，可知，經(jīng)過(guò)20 min的收斂后，水平方向定位誤差約為4 cm，垂直方向定位誤差在9 cm以內(nèi)。偏差（Bias）表示經(jīng)過(guò)20 min的收斂后，定位結(jié)果與真值之差的平均值。如表2所示為北斗三號(hào)PPP-B2b定位收斂后各方向的定位精度，東（East）、北（North）、天（Up）3個(gè)方向的偏差分別為1.43、5.04與10.10 cm，3個(gè)方向的均方根誤差分別為4.94、5.80與13.10 cm。如表3所示為Starfire星站差分收斂后各方向的定位精度，東、北、天3個(gè)方向的偏差分別為1.03、0.64與4.69 cm，3個(gè)方向的均方根誤差分別為2.90、2.58與8.01 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海洋環(huán)境中，北斗三號(hào)PPP-B2b水平定位精度優(yōu)于10 cm，垂直定位精度優(yōu)于15 cm，略低于Starfire星站差分定位精度。

圖2 北斗三號(hào)PPP-B2b定位誤差

表2 北斗三號(hào)PPP-B2b定位精度統(tǒng)計(jì) cm

表3 Starfire星站差分定位精度統(tǒng)計(jì) cm

4 結(jié)束語(yǔ)

北斗三號(hào)為中國(guó)及周邊地區(qū)用戶提供公開、免費(fèi)、高精度的PPP-B2b服務(wù)，可在網(wǎng)絡(luò)通信困難環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位。本文開展了基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位方法研究，用海洋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了基于北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位精度，并與NavCom公司的Starfire星站差分定位精度進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：北斗三號(hào)PPP-B2b水平定位精度為7.62 cm，垂直定位精度為13.10 cm；Starfire星站差分水平定位精度為3.88 cm，垂直定位精度為8.01 cm；北斗三號(hào)PPP-B2b定位精度略低于Starfire星站差分定位。北斗三號(hào)PPP-B2b定位精度在水平方向上優(yōu)于10 cm，在垂直方向上優(yōu)于15 cm，可滿足水平方向厘米級(jí)、高程方向分米級(jí)的海上實(shí)時(shí)高精度定位要求。北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)與其他商用PPP服務(wù)進(jìn)行對(duì)比還須進(jìn)一步深入研究。

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Initial assessment of offshore real-time precise point positioning based on BDS-3 PPP-B2b service

WANG Xiang, NIE Zhixi, WANG Zhenjie, XU Xiaofei, ZHANG Yuanfan

（College of Oceanography and Space Informatics, China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580, China）

Aiming at the problem that the application of marine oil and gas exploration, marine emergency rescue, etc. relies on the offshore real-time high-precision positioning, while currently the commercial precision point positioning (PPP) technology mainly used for the offshore real-time high-precision positioning have high costs of equipment and services, the paper proposed a method that uses Beidou global navigation satellite system (BDS-3) provided freely accessible real-time precise point positioning (PPP-B2b) service to carry out the real-time PPP in the marine environment: the recovery methods of PPP-B2b precise satellite orbit, clock offset and pseudo-range differential code bias correction with PPP-B2b messages were discussed; and the offshore real-time PPP model based on BDS-3 PPP-B2b service was constructed; then the accuracy of real-time PPP based on BDS-3 PPP-B2b service was evaluated by using marine measured data; finally, the accuracy was compared with the differential PPP positioning accuracy of NavCom's Starfire satellite station. Results showed that the horizontal positioning accuracy of BDS-3 PPP-B2b would be 7.62 cm and the vertical positioning accuracy 13.10 cm, which could be slightly lower than the PPP positioning accuracy of Starfire service.

Beidou global navigation satellite system (BDS-3); real-time precise point positioning (RT-PPP); offshore positioning; accuracy assessment

王翔, 聶志喜, 王振杰, 等. 北斗三號(hào)PPP-B2b服務(wù)的海洋實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位性能評(píng)估[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(4): 18-23.（WANG Xiang, NIE Zhixi, WANG Zhenjie, et al. Initial assessment of offshore real-time precise point positioning based on BDS-3 PPP-B2b service[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 18-23.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230403.

P228

A

2095-4999(2023)04-0018-06

2022-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42174020）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（42104011）；山東省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（ZR2021QD069）。

王翔（1997—），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航定位。

聶志喜（1988—），男，湖南漣源人，博士，副教授，研究方向?yàn)镚NSS/INS多傳感器導(dǎo)航定位。