BDS-3觀測評估及其PPP隨機模型構建

馮 暢，肖晶鑫，李浩軍

BDS-3觀測評估及其PPP隨機模型構建

馮 暢，肖晶鑫，李浩軍

（同濟大學 測繪與地理信息學院，上海 200092）

針對北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS-3）精密單點定位（PPP）數據處理中傳統(tǒng)隨機模型存在局限性的問題，在評估BDS-3觀測值精度的基礎上，提出一種構建BDS-3 PPP隨機模型的方法：采用單站BDS-3觀測進行其相位、偽距觀測精度評估；然后根據評估結果設定BDS-3 PPP中觀測的權重比，并考慮BDS-3觀測時空差異以及BDS-3不同類衛(wèi)星觀測精度差異；最后利用100個國際全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）服務組織（IGS）測站的觀測數據進行了實驗驗證。結果表明，應用該方法的精密單點定位收斂時間平均可縮短8～10 min，1 h平均三維定位精度可提升4.6 cm，2 h平均三維定位精度可提升3.4 cm，能夠有效提高BDS-3靜態(tài)精密單點定位的性能。

北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS-3）；精密單點定位（PPP）；隨機模型；觀測精度評估；偽距相位比

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）經過多年發(fā)展，在交通、漁業(yè)、水文、氣象、通信等行業(yè)得到了廣泛應用[1]。GNSS導航定位是通過利用導航衛(wèi)星相位、偽距觀測值進行位置參數解算來實現。GNSS有2種定位模式，即基于雙差觀測模型的基線解算和采用非差觀測的精密單點定位（precise point positioning，PPP）[2-3]，其中PPP以其獨特的優(yōu)勢具有廣泛的應用前景[4]。GNSS PPP數據處理中，通常采用最小二乘方法進行參數的求解。最小二乘最優(yōu)解的前提是使用精確的函數模型與恰當的隨機模型[5]；合理的隨機模型是獲取GNSS高精度定位結果的先決條件之一。隨機模型由觀測值方差因子及其方差構成，其描述了觀測值本身的精度水平和隨機特性[6]。

GNSS PPP隨機模型中方差刻畫了GNSS相位與偽距觀測值的精度，目前大多以經驗方法獲得。文獻[7]指出盡管偽距觀測值噪聲較大、精度比相位觀測值低2～3個數量級，但偽距觀測值對PPP解算參數精度有重要的貢獻。目前，GNSS PPP數據處理中常用的有高度角隨機模型和載噪比隨機模型，如在文獻[8]中將觀測噪聲表達成衛(wèi)星高度角或接收機信噪比（signal to noise ratio，SNR）的函數。除采用先驗方差進行的隨機模型構建，驗后方差分量估計的方法也有較多研究。文獻[9]提出的赫爾默特（Helmert）方差分量估計（HVCE）、文獻[10]提出的最優(yōu)二次無偏估計（BIQUE）、文獻[11]提出的最小二乘方差分量估計（LS-VCE）等方法通常使用殘差估計觀測值方差，主要用于后處理分析，但其普遍受函數模型影響。文獻[12]采用零基線、短基線等雙差觀測模型進行觀測評估與分析，但其不適應于采用單站觀測的PPP定位數據處理[11]。傳統(tǒng)PPP中相位、偽距觀測值權重通常設置為常數，根據經驗來設定無電離層組合相位和偽距的標準偏差比值，如1∶100[13]。顯然，以經驗方法確定的相位偽距權重比忽略了各類觀測條件下不同接收機GNSS觀測精度的差異[14]。

隨著北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou-3 global navigation satellite system，BDS-3）于2020年7月31日正式開通全球服務，其觀測精度評估與定位性能提升一直是國內外學者研究的熱點。由于BDS-3獨特的星座設計，其由3顆地球同步軌道（geosynchronous orbit，GEO）衛(wèi)星、3顆地球傾斜同步軌道（inclined geosynchronous orbit，IGSO）衛(wèi)星和24顆中圓地球軌道（medium Earth orbit，MEO）衛(wèi)星構成。文獻[15]研究表明，3類軌道衛(wèi)星觀測精度互不相同，與全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）觀測精度也有一定差別[16]，目前BDS-3 PPP數據處理大多沿用GPS PPP隨機模型的構建方法，合理性不強。因此，本文基于BDS-3觀測值精度評估，利用評估結果建立相應的PPP隨機模型，以提升BDS-3 PPP定位性能，為BDS隨機模型的完善提供參考。

1 數學方法

通常PPP數據處理中采用雙頻無電離層組合（ionosphere-free，IF）作為函數模型。因此，本文采用單站BDS-3相位和偽距無電離層差值組合的殘差，進行BDS-3 GEO、IGSO和MEO不同類衛(wèi)星觀測值精度評估，并以此確定不同類型衛(wèi)星的PPP數據處理中的偽距、相位對應權重，實現BDS-3 PPP隨機模型構建。

1.1 PPP模型

PPP采用單站無電離層延遲組合進行解算，無電離層延遲相位、偽距組合為

PPP數據處理采用了國際GNSS服務組織（International GNSS Service，IGS）衛(wèi)星軌道和鐘差產品，抵消了其相應誤差影響。同時，對各種誤差如固體潮汐、相位纏繞等進行了改正。相應的線性化方程為

隨機模型通常表示為對角矩陣，BDS載波相位觀測值隨機模型的對角元素定義為

1.2 BDS-3觀測值精度評估

BDS無電離層相位、偽距組合相減可以得到

則無電離層相位、偽距差值的延遲標準差為

則無電離層延遲相位、偽距組合差值對應的殘差表示為

對于GNSS接收機，跟蹤顆BDS衛(wèi)星，即可使用平均RMS評估觀測值的精度為

對于BDS測站，可以分別求得GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星的平均RMS進行觀測值精度分類評估，即

1.3 PPP隨機模型構建

在PPP隨機模型構建中，根據式（12）計算得到相位與偽距無電離層組合差值的平均RMS之后，在已知相位觀測精度的情況下，即可確定無電離層延遲相位、偽距觀測組合對應的精度比為

由于BDS-33類星座衛(wèi)星觀測精度存在一定差異，依據該方法可進一步對GEO、IGSO、MEO衛(wèi)星分別進行相位偽距觀測值定權為

式中r表示BDS-3某一類衛(wèi)星對應相位偽距觀測值權重。

2 實驗與結果分析

2.1 數據準備與處理策略

為了驗證本文提出的BDS-3 PPP隨機模型構建方法，利用2022-08-15和2022-08-16100個IGS測站觀測數據，采用3種方法進行數據處理。由于相位觀測值精度高，目前國際主流GNSS數據處理軟件將相位噪聲均設置在毫米級。在本文方法1中相位、偽距觀測標準差采用常數比1∶100；方法2中，在相位觀測精度為0.001 m情況下，采用式（15）進行相位、偽距觀測標準差比值計算；方法3中，在相位觀測精度為0.001 m情況下，采用式（16）分別進行BDS的GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星相位、偽距觀測標準差比值計算。100個IGS觀測站分布如圖1所示。數據處理中軌道和鐘差均采用德國地學中心（German Research Centre for Geosciences，GFZ）的數據分析產品。以IGS提供的周解測站坐標進行PPP解算結果對比。PPP數據處理策略如表1所示。為了驗證各種方法對應PPP的定位性能，分別從定位精度和收斂性2個方面來分析。其中參數收斂時間定義為定位結果在東（E）、北（N）和垂直（U）3個方向的偏差均小于10 cm時的所用時間。

圖1 BDS-3選取測站的分布情況

表1 PPP處理策略

2.2 觀測精度分析

如圖2、圖3所示為2022-08-15和2022-08-16代表性站點的BDS-3各衛(wèi)星無電離層相位偽距差值組合的殘差RMS統(tǒng)計結果。由圖可知，對于同一站點而言，1 d內不同衛(wèi)星觀測值的精度差異較為明顯，這主要受偽距觀測噪聲差異影響。而各個站點因為觀測條件的復雜性不同，對于同一顆衛(wèi)星的觀測精度也有不同程度的差別。

圖2 2022-08-15代表站點BDS-3各衛(wèi)星觀測值精度評估

圖3 2022-08-16代表站點BDS-3各衛(wèi)星觀測值精度評估

如圖4所示為10個代表站點2 d的BDS-3 3類衛(wèi)星無電離層相位偽距差值組合殘差RMS平均值統(tǒng)計結果。結合如表2所示的所選26個站點2 d觀測評估平均RMS統(tǒng)計結果來看，對于大部分測站來說，BDS-3 GEO衛(wèi)星觀測精度最優(yōu)，IGSO衛(wèi)星次之，MEO衛(wèi)星觀測精度相對最低。這可能是因為地球靜止軌道衛(wèi)星與地面測站位置可認為相對不變，觀測條件較為穩(wěn)定，而中圓軌道衛(wèi)星相對測站運行周期短，導致相應觀測組合殘差RMS較大[15]。因此，在PPP解算過程中，結合BDS各類衛(wèi)星觀測精度評估結果進行分類定權顯得較為必要。

圖4 代表站點BDS-3衛(wèi)星分類觀測值精度評估

表2 BDS-3各類衛(wèi)星無電離層相位偽距差值組合殘差平均RMS m

2.3 隨機模型在PPP中的應用

為直觀體現隨機模型對定位收斂的影響，如圖5和圖6所示，分別給出5個代表站點2022-08-15在東、北和垂直方向的1和2 h靜態(tài)PPP定位精度比較。從圖中可以看出，方法2、方法3相較于方法1在北、東和垂直方向上均具有較好的精度提升效果。

圖5 3種方法BDS-3靜態(tài)PPP 1 h定位精度比較

圖6 3種方法BDS-3靜態(tài)PPP 2 h定位精度比較

如表3所示為100個實驗測站方法2相對于方法1進行1和2 h靜態(tài)PPP平均定位偏差RMS 2 d的定量統(tǒng)計結果。由表可知，相較固定比方法1而言，垂直方向平均精度提升較為明顯，約為 5 cm左右，北方向精度也有一定程度的改善效果，而對東方向的定位精度影響并不穩(wěn)定。

表3 方法2相對方法1 BDS-3靜態(tài)PPP 1 h和2 h平均定位偏差RMS提升量

如表4所示為26個實驗測站運用方法2和方法3比方法1 PPP平均定位偏差E、N、U方向RMS提升量的統(tǒng)計結果。2種隨機模型方法1和2 h的三維定位精度相比于方法1均有一定提升效果，且方法2和方法3精度相當。

表4 方法2和方法3相對方法1 BDS-3靜態(tài)PPP 1 h和2 h平均定位偏差RMS提升量

總體看來，觀測精度評估定權方法的運用由于考慮到了接收機觀測值的具體精度情況，所確定的偽距相位比更符合實際觀測值誤差的真實分布，從而能夠有效提高靜態(tài)PPP定位精度。

為了直觀分析3種方法運用于靜態(tài)PPP的收斂特性，如圖7所示，代表性地給出部分站點BDS-3固定比、觀測精度評估定權和衛(wèi)星分類觀測精度評估定權方法1 d內前240個歷元的定位誤差時序。可以看出，使用觀測值精度評估定權方法構建的隨機模型能夠明顯加快精密單點定位的收斂速度，且收斂穩(wěn)定性不會受到太大影響，可以在一定程度上改善PPP收斂時間較長的問題。

圖7 2022-08-16代表站點BDS-3靜態(tài)PPP定位誤差時序

如圖8所示為10個代表測站運用3種隨機模型構建方法2 d的PPP平均收斂時間統(tǒng)計。結果表明，方法2與方法3對PPP收斂性的影響基本一致，因為其構建原理相同，且BDS-3中GEO和IGSO衛(wèi)星數較少，衛(wèi)星分類評估定權對PPP收斂性能的影響有限；但相較于傳統(tǒng)的方法1，2種方法都能不同程度地減少PPP收斂所需時間。

如表5所示為運用2種精度評估定權方法后BDS-3 PPP收斂時間的縮短量。從2 d的統(tǒng)計數據中可以看出，約52%的PPP實驗結果收斂縮短時間在10～70 min不等，約15%的實驗結果收斂時間可縮短30 min以上。運用2種精度評估定權方法后，靜態(tài)PPP可迅速收斂至厘米級。

圖8 代表測站3種方法平均收斂時間

表5 BDS-3 2種精度評估定權方法相對方法1 PPP收斂時間縮短量 min

實驗結果充分驗證了其對傳統(tǒng)PPP隨機模型的改進方法是有效的。對于1/3和1/3的標準偏差比率的統(tǒng)一設置不利于快速PPP處理，應該在評估觀測值精度的基礎上確定合理的偽距相位比，使其在PPP定位過程中發(fā)揮充分的作用；同時，對于BDS的3類衛(wèi)星進行分類評估構建隨機模型則更為合理。

3 結束語

隨著北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的偽距相位固定比隨機模型不能充分發(fā)揮偽距觀測值的作用，也忽略了BDS-3 GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星觀測精度差異。本文利用相位偽距無電離層差值組合，提出了觀測精度評估定權和衛(wèi)星分類觀測精度評估定權隨機模型構建方法，并應用于BDS-3靜態(tài)精密單點定位中。實驗結果表明，2種方法構建的隨機模型能夠有效提高BDS-3靜態(tài)PPP的定位精度和收斂時間，1 h平均定位精度在北和垂直2個方向上分別可提升0.8和6.8 cm，三維定位精度平均可提升4.6 cm；2 h平均定位精度在北和垂直2個方向上分別可提升0.7和5.0 cm，三維定位精度平均可提升3.4 cm；收斂時間平均可縮短8～10 min。但需要指出的是，2 d收斂時間的縮短量表明所提出的隨機模型性能并不穩(wěn)定，這可能是受到了所使用的產品性能的影響?；趩握镜挠^測精度評估隨機模型能顧及BDS不同類型衛(wèi)星的精度特性，且考慮了BDS-3觀測精度的時空差異，對BDS隨機模型的完善具有積極意義。

[1] 寧津生, 姚宜斌, 張小紅. 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 導航定位學報, 2013, 1(1): 3-8.

[2] MALYS S, JENSEN P A. Geodetic point positioning with GPS carrier beat phase data from the CASA UNO experiment[J]. Geophysical Research Letters, 1990, 17(5): 651-654.

[3] ZUMBERGE J F, HEFLIN M B, JEFFERSON D C, et al. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(B3): 5005-5017.

[4] 張小紅, 李星星, 李盼. GNSS精密單點定位技術及應用進展[J]. 測繪學報, 2017, 46(10): 1399-1407.

[5] Dovis F, Muhammad B, Cianca E, et al. A run-time method based on observable data for the quality assessment of GNSS positioning solutions[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2015, 33(11): 2357-2365.

[6] WANG J L, STEWART M P, TSAKIRI M. Stochastic modeling for static GPS baseline data processing[J]. Journal of Surveying Engineering-asce, 1998, 124: 171-181.

[7] LI H J, XU T H, LI B F, et al. A new differential code bias (C1–P1) estimation method and its performance evaluation[J]. GPS Solutions, 2016, 20(3): 321-329.

[8] 柴大帥, 王勝利, 盧秀山. 基于信噪比的GNSS隨機模型分析[J].全球定位系統(tǒng), 2016, 41(5): 42-46, 65.

[9] GAO Z Z, SHEN W, ZHANG H P, et al. Application of Helmert variance component based adaptive Kalman filter in multi-GNSS PPP/INS tightly coupled integration[J]. Remote Sensing, 2016, 8(7): 553.

[10] ZHANG Q Q, ZHAO L, ZHOU J H. A novel weighting approach for variance component estimation in GPS/BDS PPP[J]. IEEE Sensors Journal, 2019, 19: 3763-3771.

[11] ZHANG B C, HOU P Y, LIU T, et al. A single-receiver geometry-free approach to stochastic modeling of multi-frequency GNSS observables[J]. Journal of Geodesy, 2020, 94(4).

[12] HU H, XIE X F, GAO J X, et al. GPS-BDS-Galileo double-differenced stochastic model refinement based on least-squares variance component estimation[J]. Journal of Navigation, 2021, 74(6): 1381-1396.

[13] ZHANG Q Q, ZHAO L, ZHOU J H. A resilient adjustment method to weigh pseudorange observation in precise point positioning[J]. Satellite Navigation, 2022, 3(1): 1-15.

[14] LI H J, XIAO J X, LI B F. Evaluation and application of the GPS code observable in precise point positioning[J]. Journal of Navigation, 2019, 72(6): 1633-1648.

[15] 嚴麗, 李萌, 梅熙, 等. 實時估計不同類型北斗衛(wèi)星觀測值的隨機模型[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2017, 42(2): 263-9.

[16] 李樹文, 王潛心, 武威. BDS-3單雙頻信號全球定位精度分析[J]. 測繪科學, 2021, 46(12): 67-74.

Stochastic model construction for BDS-3 precise point positioning with observation evaluation

FENG Chang, XIAO Jingxin, LI Haojun

（College of Surveying and Geo-Informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China）

Aiming at the limitation of traditional stochastic model in precise point positioning (PPP) data processing of BDS-3 global navigation satellite system (BDS-3), on the basis of evaluating the accuracy of the BDS-3 observations, the paper proposed a method for constructing the BDS-3 PPP stochastic model: the observation of BDS-3 single-station was used to evaluate its phase and pseudorange observation accuracy; then according to the evaluation results, the weight ratio of the observation in BDS-3 PPP was set, and the time and space differences of BDS-3 observation and the observation accuracy differences of various BDS-3 satellites were considered; finally, the experimental verification was carried out by using the observation data of 100 International GNSS (global navigation satellite system) Service (IGS) stations. Results showed that the convergence time of PPP using the proposed method would be shortened by 8-10 min on average, the average three-dimensional positioning accuracy in one hour would be improved by 4.6 cm, and the average three-dimensional positioning accuracy in two hours would be improved by 3.4 cm, which indicates that the proposed method could effectively enhance the performance of BDS-3 static precise point positioning.

BeiDou-3 navigation satellite system (BDS-3)；precise point positioning (PPP); stochastic model; observation accuracy evaluation; pseudorange-phase ratio

馮暢, 肖晶鑫, 李浩軍. BDS-3觀測評估及其PPP隨機模型構建[J]. 導航定位學報, 2023, 11(4): 70-77.（FENG Chang, XIAO Jingxin, LI Haojun. Stochastic model construction for BDS-3 precise point positioning with observation evaluation[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 70-77.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230410.

P228

A

2095-4999(2023)04-0070-08

2022-12-15

國家自然科學基金項目(41974025，42174019)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目。

馮暢（1997—），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為BDS精密單點定位隨機模型構建。

李浩軍（1981—），男，甘肅平涼人，博士，教授，研究方向為GNSS衛(wèi)星大地測量。