基于JFNG站的北斗PPP-B2b服务实时精密单点定位精度评估.pdf
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1、总第 46 卷 第 2 期 时间频率学报 Vol.46 No.2 2023 年 4 月 Journal of Time and Frequency Apr.,2023 引用格式:矫殿成,何在民,马红皎,等.基于JFNG站的北斗PPP-B2b服务实时精密单点定位精度评估J.时间频率学报,2023,46(2):130-140.基于 JFNG 站的北斗 PPP-B2b 服务 实时精密单点定位精度评估 矫殿成1,2,何在民3,马红皎1,武建锋1(1.中国科学院 国家授时中心,西安 710600;2.中国科学院大学,北京 100049;3.西安邮电大学 通信与信息工程学院/人工智能学院,西安 71012
2、1)摘要:北斗三号 PPP-B2b 服务能够给中国以及周边区域提供免费的高精度服务。通过司南 K803系列接收机接收 PPP-B2b 信号,利用 JFNG 站 2021 年 11 月 5 日至 11 月 13 日共 9 天的观测数据,评估了基于 PPP-B2b 产品的 BDS 和 GPS 的精密单点定位(PPP)的精度,包括静态和动态定位的精度以及对流层天顶延迟(ZTD)精度。结果表明:BDS 静态 PPP 的定位偏差均方根误差(root mean square,RMS)在 N、E 方向为 1.5 cm 左右,在 U 方向上为 3 cm 左右;GPS静态 PPP 在 N 方向上的 RMS 在
3、1 cm 以内,E 方向 RMS 在 5 cm 左右,U 方向 RMS 在 2 cm 左右;BDS 动态 PPP 在 N 方向 RMS 在 3 cm 左右,E 方向 RMS 在 4 cm 左右,U 方向上的 RMS 在 8 cm左右,GPS 动态 PPP 在 N 方向上为 4 cm 左右,在 E 方向上为 6 cm 左右,在 U 方向为 10 cm左右。BDS 的 ZTD 静态平均误差 RMS 小于 1 cm,动态在 1.3 cm 以内;GPS 的 ZTD 误差稍大一些,静态平均误差在 1.5 cm 左右,动态平均误差在 2 cm 以内。最终可以得出:基于 JFNG 站的北斗 PPP-B2b
4、服务实时精密单点定位 BDS 的定位精度和 ZTD 精度优于 GPS。关键词:精密单点定位;动态实时定位;静态实时定位;PPP-B2b;天顶对流层延迟 DOI:10.13875/j.issn.1674-0637.2023-02-0130-11 Performance evaluation of real-time precise point positioning based on BDS PPP-B2b service:a case study of JFNG JIAO Dian-cheng1,2,HE Zai-min3,MA Hong-jiao1,WU Jian-feng1(1.Natio
5、nal Time Service Center,Chinese Academy of Sciences,Xian 710600,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.School of Communications and Information Engineering&School of Artificial Intelligence,Xian University of Posts&Telecommunications,Xian 710121,China)Abstract:The B
6、DS-3 PPP-B2b service can provide free high-precision services to China and surrounding areas.This article used Sinan K803 series receivers to receive PPP-B2b and evaluate its service accuracy,the 收稿日期:2022-03-21;接受日期:2022-04-23 基金项目:装备技术基础科研资助项目(E054J1K1601)第 2 期 矫殿成等:基于 JFNG 站的北斗 PPP-B2b 服务实时精密单点定位
7、精度评估 131 evaluation period was 9 days,from November 5 to November 13,2021.The impact of precise point positioning(PPP)of JFNG station based on BDS and GPS of PPP-B2b products was analyzed,including the precision of static and dynamic positioning,and precision of zenith tropospheric delay(ZTD).The re
8、sults showed that:the root mean square error(RMS)of positioning deviation for BDS static PPP was about 1.5 cm in the N and E components,and about 3 cm in the U component;the RMS of GPS static PPP in the N component was within 1 cm,in the E component was about 5 cm,in the U component was about 2 cm;t
9、he RMS of the BDS dynamic PPP was about 3 cm in the N component,in the E component was about 4 cm,in the U component was about 8 cm,and the RMS of the GPS dynamic PPP was about 4 cm in the N component.It was about 6 cm and 10 cm in the E and U component,respectively.The static average error RMS of t
10、he ZTD for BDS was less than 1 cm,and the dynamic average error was within 1.3 cm;the ZTD error of GPS was slightly larger,the static average error was about 1.5 cm,and the dynamic average error was within 2 cm.Key words:precise point positioning;dynamic real-time positioning;static real-time positi
11、oning;PPP-B2b;zenith tropospheric delay 0 引言 北斗卫星导航系统(BDS)是中国自主建设运行的全球卫星导航定位系统。北斗三号全球卫星导航系统于 2020 年 7 月 31 日正式开通,其星座由 3 颗地球静止轨道(geostationary Earth orbit,GEO)卫星、3 颗倾斜地球同步轨道(inclined geo-synchronous orbit,IGSO)卫星和 24 颗中圆地球轨道(medium Earth orbit,MEO)卫星组成。能够提供定位导航授时(radio navigation satellite service,RN
12、SS)、国际搜救(search and rescue,SAR)等服务,服务范围覆盖全球;在中国及周边地区可以提供精密单点定位(precise point positioning,PPP)、星基增强(satellite-based augmentation system,SBAS)等服务1。在 MEO 和 IGSO 轨道卫星上播发的 B2b 信号提供 RNSS 服务,而 PPP-B2b 信号则由 GEO 卫星播发,提供 PPP 服务2。目前可以为 59 颗卫星提供改正电文信息,其中为北斗卫星导航系统中 C19 到 C46(C31 除外)共 27 颗提供改正信息,为 GPS 中 G01 到 G32
13、 共 32 颗卫星提供改正信息。精密单点定位最早由 JPL(Jet Propulsion Laboratory)的 J.F.Zumberge 等人3率先提出,开始多为事后定位为主,随着 IGS(International GNSS Service)实时试点项目(IGS Real-Time Pilot Project,IGS-RTPP)的启动,实时 PPP 实现成为可能4。各机构基于 NTRIP 协议通过互联网,以状态空间表示(state space representation,SSR)的形式向全球用户播发实时改正数,用户实时接收广播星历、精密轨道、钟差改正数即可恢复实时轨道和钟差。PPP-B
14、2b 信号是通过星基播发精密产品改正数,为掌握 PPP-B2b 信号的服务性能,需要对其进行评估5。自北斗三号导航系统正式运行以来,多个高校和科研机构也对北斗三号有了一些相关研究。何旭蕾等2对北斗三号卫星 B2b 信号进行了解析,通过自主研发的接收机对天空中的卫星 B2b 信号进行捕获跟踪,解析了 B2b 信号播发消息并且进行了定位结果分析,最后尝试对 B2b 信号的 Q 支路进行了解析。Wang Liang 等6将 RTS 产品 CLK93 用于 BDS 实时精密单点定位,发现 N、E、U 的平均定位精度在静态模式为 1.7、2.2、2.6 cm,在动态模式下为 10.3、15.6、29.2
15、 cm。唐斌等7利用北斗三号系统在中国华北、西北、东北以及东南地区设立的个测站的验证终端接收处理 PPP-B2b 信号,各测站北斗单系统 PPP水平精度(95%)优于 0.3 m,高程优于 0.6 m,收敛时间均值小于 30 min。黄伦文等8利用北斗三号 PPP-B2b信号,分析了北斗单系统 PPP 定位精度,静态定位 N、E、U 方向定位精度 RMS(root mean square)分别可达 0.8、1.5 和 1.6 cm,动态定位精度 RMS 分别达到 3.6、6.0 和 12.2 cm,实现了静态厘米级、动态132 时间频率学报 总 46 卷 分米级的定位服务。史增凯等9采用了非组
16、合 PPP 模型对 BDS 精密授时精度开展了相关研究,发现静态条件下亚太地区尤其是中国境内 BDS 定位精度高于 GPS,BDS 的精密授时精度更优。聂志希等10对PPP-B2b 服务进行了初步评估,收集了 3 天的 PPP-B2b 信息,采用了 4 小时一中断的处理方式,发现静态 PPP 平均 17.7 min 达到水平定位精度优于 0.3 m,垂直定位精度优于 0.6 m 的要求,E、N、U 方向平均定位精度分别为 2.4、1.6、2.3 cm。对于动态 PPP,全收敛后 E、N、U 方向定位误差的 RMS 值分别为 8.1、3.6、8.0 cm。在以上研究中,有一部分是从信号角度研究
17、PPP-B2b,另一部分则是研究了 PPP-B2b 的定位精度,不过相对而言存在一些局限,有的只研究了北斗单系统的定位精度,有的只研究了轨道精度,有的是用非组合 PPP 模型进行相关验证。与之前的研究不同的是,本文采用了无电离层组合模型,分别对北斗卫星导航系统和 GPS 基于 BDS PPP-B2b 服务的实时精密单点定位进行研究,并对处理方式和一些参数模型进行了修改。通过司南 K803 系列接收机接收到的 PPP-B2b 产品流进行解算,结合观测文件,对实时PPP 的定位精度、收敛时间以及天顶对流层延迟进行评估与分析。1 PPP-B2b 改正算法 1.1 精密单点定位模型 精密单点定位是采用
18、单台 GNSS 接收机的载波相位和测距码伪距观测值等,采用高精度的卫星轨道和钟差,使用精确模型改正固体潮、天线相位中心偏差等系统误差,独立解算高精度接收机坐标、接收机钟差等参数的绝对定位技术。精密单点定位采用双频伪距和载波相位无电离层组合时,可以消除电离层一阶项的影响,伪距和载波相位的无电离层组合观测方程11可以表示为:,IFr,STropIF,IFr,STropIF()()S iiS iS iiiS iiPc tc tPc tc tN=+=+。(1)式(1)中:S为卫星系统,i为卫星编号,,IFS iP、,IFS i分别为无电离层组合伪距和载波相位观测值,为测站与卫星之间的几何距离,c为光速
19、,it为卫星钟差,r,St为接收机钟差,Trop为对流层延迟,i为无电离层组合波长,iN为载波相位模糊度,,IF()S iP是伪距多路径效应误差、观测噪声,,IF()S i是相位多路径效应误差以及观测噪声,卫星轨道误差、相对论效应、固体潮、天线相位中心等误差通过模型进行改正。1.2 基于北斗 PPP-B2b 卫星轨道改正 轨道改正信息为轨道改正向量O在径向、切向和法向上的分量,用户利用广播星历计算出卫星位置向量brocX,然后将轨道改正与广播星历匹配恢复得到精确的轨道,具体修正算法12如下:orbbrocXXX=。(2)式(2)中:orbX为由轨道改正电文改正后的精密卫星位置,brocX是由广
20、播星历计算出的卫星位置,X表示卫星轨道改正,X改正计算公式12如下:radrer=,(3)crorrerr=。(4)第 2 期 矫殿成等:基于 JFNG 站的北斗 PPP-B2b 服务实时精密单点定位精度评估 133 alocroradeee=。(5)radalocroXeeeO=。(6)式(3)至(6)中,brocrX=为广播星历卫星位置矢量,brocrX=为广播星历卫星速度矢量,rade、aloe、croe分别对应径向、切向和法向的单位矢量,O为轨道径向、切向和法向改正矢量。1.3 基于北斗 PPP-B2b 卫星钟差改正 钟差改正电文是相对于广播星历钟差的改正参数,用户需在轨道和广播星历匹
21、配之后,将钟差改正产品中的改正信息的 IOD Corr 与轨道改正产品的改正信息的 IOD Corr 匹配。钟差改正参数使用方法12具体如下:0satbrocCttc=。(7)式(7)中:broct为由广播星历计算的卫星钟差,satt为经钟差改正参数恢复后的精密卫星钟差,c为光速,0C是从钟差改正电文中获得的钟差改正参数。1.4 基于北斗 PPP-B2b 卫星码间偏差 由于卫星跟踪模式不同,各观测值都包含一个与信号跟踪模式相关的偏差,同步处理各频率各个信号时,需要首先消除该偏差,实现各类信号同步处理。用户可以对照 DCB 改正类型来对卫星码间偏差进行改正,其修正公式12为 DCsigsigsi
22、gllB=。(8)式(8)中:sigl对应 sig 信号修正后的观测值,sigl为 sig 信号接收机直接捕获的观测值,DCsigB对应该信号 的码间偏差。在北斗双频无电离层组合观测值中12:DCDCB1CpB2apB1CpB2apB1CpB2apIF111llllBBl=。(9)式(9)中:B1Cpl和B2apl分别为 B1Cp 和 B2ap 信号修正后的观测值,B1Cpl和B2apl分别为 B1Cp 和 B2ap 信 号接收机直接捕获的观测值,DCB1CpB和DCB2apB分别为对应该信号的码间偏差。2B1Cp2B2apff=,B1Cpf为 B1Cp 载 波中心频率,B2apf为 B2ap
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