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北斗三號精密單點定位精度分析研究

2021-05-24 04:50
全球定位系統(tǒng) 2021年2期
關(guān)鍵詞:電離層頻點定位精度

(中山大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院,廣州 510006)

0 引言

北斗三號(BDS-3)工程于2009 年正式啟動,與北斗二號(BDS-2)提供區(qū)域性服務(wù)不同,BDS-3 包含了3 顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、24 顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星以及3 顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星,可以提供全球服務(wù)[1].李星星等[2]在2018 年,基于MGEX(Multi-GNSS Experiment)站點與iGMAS 站點,對BDS-3 進(jìn)行了定軌試驗.張小紅等[3]對BDS-3 產(chǎn)生的新信號(B1C、B2a、B2b)進(jìn)行了信噪比、多路徑、三頻消電離層、無幾何組合、組合殘差的統(tǒng)計等相關(guān)研究.葉飛等[4]利用B1C 和B2a 頻點信號確定了BDS-3 的軌道.Yan 等[5]給出了BDS-3 的精密鐘差和軌道.

方欣頎等[6]進(jìn)行了BDS-2/BDS-3 的偽距單點定位精度分析,發(fā)現(xiàn)BDS-3 相對于BDS-2 精度有明顯提升,且BDS-2/BDS-3 組合明顯削弱了BDS-2 定位精度與地理經(jīng)度的邊緣效應(yīng).謝明德[7]對BDS-3 的三頻精密單點定位(PPP)精度進(jìn)行了分析.陳永貴等[8]對北極地區(qū)BDS-3 進(jìn)行了偽距單點定位精度分析.田先才等[9]對BDS-3 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位服務(wù)性能進(jìn)行了分析.周培平等[10]對BDS-3 監(jiān)控站智能化運(yùn)維方法進(jìn)行了研究.

文章基于B1I、B2I、B3I、B1C、B2a 共5 個頻點的信號進(jìn)行實驗,分別組合為B1I-B2a、B1I-B2I、B1I-B3I、B1C-B2a、B1C-B3I、B2a-B3I、B2I-B3I,形成7 種消電離層組合,進(jìn)行定位結(jié)果統(tǒng)計研究,并得到相關(guān)結(jié)論.

1 算法介紹

PPP 利用偽距和載波相位觀測值,解算出接收機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、電離層延遲、載波相位模糊度和天頂對流層延遲這五類參數(shù),其觀測方程如下:

需要說明的是,通過對應(yīng)的干延遲模型進(jìn)行改正,殘余的天頂對流層濕延遲分量作為未知參數(shù)進(jìn)行估計.由于?tj通過歐洲定軌中心(CODE)提供的精密鐘差產(chǎn)品進(jìn)行改正,而CODE 提供的精密鐘差產(chǎn)品是根據(jù)雙頻消電離層(對于BDS,為B1I 與B2I)觀測值得到的,包括了消電離層組合的差分碼偏差項,如式(2)所示

在本研究中,使用了中國科學(xué)院測量與地球物理研究所提供的DCB 校正,包括GPS、GLONASS、Galileo、BDS 和QZSS 的多個系統(tǒng),其精度為0.2~0.6ns.

文章基于B1I、B2I、B3I、B1C、B2a5 個頻點進(jìn)行實驗,分別組合為B1I-B2a、B1I-B2I、B1I-B3I、B1C-B2a、B1C-B3I、B2a-B3I、B2I-B3I 形成7 種消電離層組合,選取了四個站點進(jìn)行定位結(jié)果統(tǒng)計研究,并得到相關(guān)結(jié)論.

其中BDS-2 衛(wèi)星發(fā)射信號有:B1I、B2I、B3I;BDS-3 衛(wèi)星發(fā)射信號有:B1I、B1C、B2a、B3I,其各個頻點信號的詳細(xì)信息如表1 所示.

表1 BDS-3 公開服務(wù)信號體制

2 數(shù)據(jù)選取與策略

2.1 數(shù)據(jù)選取

MGEX 部分跟蹤站具備BDS-3 新信號的跟蹤能力,文章選取4 個MGEX 站點(如圖1 所示)進(jìn)行坐標(biāo)解算.4 個站點分別為POTS、URUM、SGOC、GUAM.

圖1 實驗選取4 個站點分布圖

數(shù)據(jù)選取的時間為2020 年7 月1 日.采樣率均為30s,均可接收到BDS-3 以及BDS-2 系統(tǒng)的公開服務(wù)數(shù)據(jù)(B1I、B2I、B3I、B1C、B2a).

2.2 策略設(shè)計與濾波具體算法

PPP 詳細(xì)策略如表2 所示.使用消電離層組合,對流層干延遲使用UNB3m 模型,濕對流層使用參數(shù)估計的方式.衛(wèi)星PCV 與PCO 改正使用IGS_Atx_14,截至高度角設(shè)為5°,固體潮、海洋潮、極潮使用IERS2010 模型,接收機(jī)鐘差使用白噪聲的估計方法,坐標(biāo)參考使用SNX 周解.

詳細(xì)的處理流程圖如圖2 所示,首先從分析中心、數(shù)據(jù)中心獲取精密軌道鐘差產(chǎn)品,然后與接收機(jī)收到的廣播星歷與觀測數(shù)據(jù)一起進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理階段,對單個歷元進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的匹配.

表2 具體的PPP 策略

將單個歷元的數(shù)據(jù)先進(jìn)行PPP 處理,剔除誤差大的衛(wèi)星,以及進(jìn)行周跳探測等質(zhì)量控制,進(jìn)行濾波估計,對于殘差較大的衛(wèi)星,再次調(diào)整權(quán)重值,進(jìn)行新一輪的濾波估計.進(jìn)一步估計得到相關(guān)參數(shù),包含坐標(biāo)、鐘差、對流層濕延遲、模糊度、頻間偏差及碼間偏差等參數(shù).文章只關(guān)注于使用坐標(biāo)參數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 衛(wèi)星可視數(shù)情況

圖3 為2020 年4 月9 日GUAM、POTS、SGOC、URUM4 個站點可視衛(wèi)星數(shù)量圖,GUAM 可視衛(wèi)星數(shù)量在15~20 顆,POTS 位于歐洲,全天可觀測數(shù)量在10~15 顆,SGOC 可以觀察到16~20 顆衛(wèi)星,URUM 可以觀察到12~15 顆衛(wèi)星.

圖2 詳細(xì)處理流程圖

圖3 2020 年4 月9 日四個站點衛(wèi)星可視數(shù)量圖

由圖3 所示,BDS-3 運(yùn)行后,全球可以觀測到的BDS 衛(wèi)星數(shù)量大大增加,有利于定位結(jié)果的穩(wěn)定性、魯棒性以及冗余性.

3.2 衛(wèi)星可見圖

BDS-3 在全球各個區(qū)域的站點,其衛(wèi)星可視數(shù)以及位置精度因子(PDOP)值,相較于BDS-2,有了顯著的提升.在中國、日本、澳大利亞等地區(qū),由于BDS 系統(tǒng)特有的GEO 以及IGSO 衛(wèi)星的存在,其衛(wèi)星可視數(shù)以及PDOP 值將優(yōu)于GPS 系統(tǒng).在60°S~60°N 和50°E~170°E 區(qū)域內(nèi),BDS-3 的衛(wèi)星可視數(shù)為11~14 顆,分別比GPS 與Galileo 多1~3 顆,比GLONASS 系統(tǒng)多3~7 顆.

圖4 為2020 年4 月9 日GUAM、POTS、SGOC、URUM4 個站點衛(wèi)星可見情況圖,最高編號可接收到BDS-3C46.除了位于歐洲的POTS,其他站點均可以全天觀測到4 顆以上的GEO 衛(wèi)星.

3.3 定位結(jié)果的比較

3.3.1 定位表現(xiàn)

圖5 為2020 年4 月9 日URUM 站點在北、東、天(N、E、U)方向的7 個組合定位結(jié)果圖,可以看到,除了最后兩個組合B2a-B3I 和B2I-B3I 由于差分碼偏差沒有進(jìn)行正確修正,產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差,其他組合均表現(xiàn)平穩(wěn).收斂時間均在2h 以內(nèi),定位精度收斂后均在5cm 以內(nèi).

圖4 2020 年4 月9 日衛(wèi)星可見圖

3.3.2 定位結(jié)果統(tǒng)計

圖6 為4 個站點GUAM、POTS、SGOC、URUM的七組合三維方向統(tǒng)計圖.統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),除了4 個站點的B2a-B3I 與B2I-B3I 組合,所有站點的其他組合,定位結(jié)果均保持在厘米級別的精度.定位精度較差的原因是衛(wèi)星數(shù)較少(只能觀測到一部分BDS-2,并且數(shù)據(jù)質(zhì)量較差).其中組合B1I-B2a、B1I-B2I、B1I-B3I、B1C-B3I 表現(xiàn)較好,原因是可觀測的衛(wèi)星數(shù)較多.

圖5 2020 年4 月9 日URUM 站點定位結(jié)果圖

圖6 定位結(jié)果圖

4 結(jié)束語

文章基于BDS-3 衛(wèi)星的四種開放服務(wù)信號(B1I、B1C、B2a、B3I)與當(dāng)前BDS-2 播發(fā)的B2I 信號,形成7 種消電離層組合(B1I-B2a、B1I-B2I、B1IB3I、B1C-B2a、B1C-B3I、B2a-B3I、B2I-B3I),基于當(dāng)前可以觀測到的所有BDS 衛(wèi)星,進(jìn)行了定位試驗.

結(jié)果表明:

1)4 個試驗站點,不同頻點的組合PPP 結(jié)果均在厘米級;

2)組合B1I-B2a、B1I-B2I、B1I-B3I、B1C-B3I 表現(xiàn)較好,均可觀測到衛(wèi)星數(shù)目較多.

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