馬 瑞，施 闖

（1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079）

1 引言

精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）是20世紀(jì)70年代美國(guó)子午衛(wèi)星時(shí)代針對(duì)Doppler精密單點(diǎn)定位提出的概念［1］。PPP一般是采用單臺(tái)GNSS接收機(jī)，利用國(guó)際GNSS服務(wù)（International GNSS Service，IGS）提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，基于載波相位觀測(cè)值進(jìn)行的高精度定位［1－2］。目前，PPP技術(shù)已在高精度測(cè)量、低軌衛(wèi)星定軌、航空測(cè)量、海洋測(cè)繪、地表形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用［1－2］。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的重要一員，是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其建成后將為BDS用戶提供定位、授時(shí)與報(bào)文通信一體式服務(wù)［3－5］。BDS與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作性能夠極大改善觀測(cè)冗余度，從而提高導(dǎo)航定位精度［3，5］。截至2012年12月28日，BDS已有14顆在軌運(yùn)行衛(wèi)星，包括5顆GEO，5顆IGSO，4顆MEO，已經(jīng)向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)［6］。因此，研究基于現(xiàn)階段的BDS PPP對(duì)BDS的應(yīng)用和推廣具有非常重要的意義。

為評(píng)價(jià)目前BDS的精密單點(diǎn)定位精度，本文在武漢大學(xué)自主研制的精密定位定軌軟件PAN－DAPositioning And Navigation Data Analysis[7]的基礎(chǔ)上，利用武漢大學(xué)發(fā)布的BDS精密衛(wèi)星軌道和30s采樣率精密鐘差產(chǎn)品［5］，進(jìn)行了基于BDS的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位測(cè)試。武漢站和北京站試驗(yàn)結(jié)果表明：基于BDS的靜態(tài)PPP單天解在平面方向的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到1cm，在高程方向的標(biāo)準(zhǔn)差為1cm－2cm；動(dòng)態(tài)PPP解算結(jié)果表明，收斂后的平面定位精度約為4cm，高程精度為4cm－6cm。

2 基于BDS的精密單點(diǎn)定位原理

2.1 觀測(cè)方程

和GPS精密單點(diǎn)定位原理類似，基于BDS的精密單點(diǎn)定位的基本觀測(cè)方程采用雙頻無電離層組合觀測(cè)值［1，5］。在本文研究中，由于只采集到BDS B1、B2頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)，故而采用B1、B2頻率的相位和偽距觀測(cè)值進(jìn)行無電離層組合，其具體的觀測(cè)方程如下［1－2］

式中，Lc、Bc分別為載波相位和偽距無電離層組合觀測(cè)值，R為衛(wèi)地幾何距離，dtr、dTS分別為接收機(jī)和衛(wèi)星鐘差，M為對(duì)流層投影函數(shù)，zpd為待估的天頂方向?qū)α鲗友舆t，N為L(zhǎng)C無電離層組合模糊度，εL、εP分別為相應(yīng)觀測(cè)值的多路徑誤差和觀測(cè)噪聲。

2.2 精密單點(diǎn)定位策略

精密單點(diǎn)定位的前提是需要高精度的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，本文試驗(yàn)采用了武漢大學(xué)發(fā)布的BDS精密星歷和30s采樣率精密鐘差產(chǎn)品，并考慮各種誤差項(xiàng)的影響。具體的解算策略如表1所示。

表1 精密單點(diǎn)定位解算策略

3 BDS PPP實(shí)驗(yàn)

本文的研究數(shù)據(jù)來源于武漢大學(xué)在亞太地區(qū)布設(shè)的BDS觀測(cè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)（Beidou Experimental Tracking Stations，BETS）［5］，數(shù)據(jù)分析處理軟件采用武漢大學(xué)自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)綜合處理軟件PANDA。為了評(píng)價(jià)BDS靜／動(dòng)態(tài)PPP定位精度，本文選取了BETS網(wǎng)中北京（BJF1）和武漢（CENT）兩個(gè)測(cè)站一周（2012年年積日248－254）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用單天靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式解算測(cè)站坐標(biāo)。BETS跟蹤站均為BDS／GPS雙模跟蹤站，因而可利用其一周GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取各測(cè)站準(zhǔn)確參考坐標(biāo)，將BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的坐標(biāo)與參考坐標(biāo)進(jìn)行比較，從而對(duì)利用BDS進(jìn)行PPP定位精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 靜態(tài)解算實(shí)驗(yàn)

依據(jù)表1的解算策略，通過解算單天的BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取測(cè)站坐標(biāo)的單天解。將其與測(cè)站的參考坐標(biāo)進(jìn)行作差比較并分解至東（E，East）、北（N，North）、高（U，Up）三方向，從而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文同時(shí)還利用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行了精密單點(diǎn)定位試驗(yàn)作為參考，BDS和GPS單天靜態(tài)PPP與GPS周解的比較結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 BJF1站北斗和GPS精密單點(diǎn)定位精度

圖2 CENT測(cè)站BDS和GPS精密單點(diǎn)定位精度

圖1與圖2中，圖1為BJF1測(cè)站BDS和GPS單天解的坐標(biāo)比對(duì)序列，圖2為CENT測(cè)站BDS和GPS單天解的坐標(biāo)比對(duì)序列?？梢娎肂DS進(jìn)行PPP的精度在1cm－2cm量級(jí)水平，而總體上較GPS系統(tǒng)PPP精度要差，這主要是由衛(wèi)星軌道和鐘差誤差造成的。目前BDS的精密軌道精度在徑向?yàn)?0cm水平［5］，而由IGS發(fā)布的GPS精密星歷精度在三維方向上優(yōu)于5cm，鐘差精度優(yōu)于0.1ns。統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)差值的標(biāo)準(zhǔn)差可得表2。

表2 BJF1與CENT測(cè)站靜態(tài)精密單點(diǎn)定位標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)

由表2可知，綜合一周的解算結(jié)果，利用BDS進(jìn)行單天PPP在高程方向的標(biāo)準(zhǔn)差在1cm－2cm，在平面方向標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到1cm量級(jí)，而GPS定位精度3個(gè)方向均優(yōu)于1cm。

3.2 動(dòng)態(tài)PPP實(shí)驗(yàn)

基于BDS的動(dòng)態(tài)PPP實(shí)驗(yàn)仍然選擇BJF1和CENT兩個(gè)測(cè)站，具體解算了2012年年積日248天的BDS數(shù)據(jù)。圖3為BJF1和CENT測(cè)站該天觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)。

圖3 BJF1和CENT測(cè)站可用衛(wèi)星數(shù)

由圖3可見，BJF1和CENT測(cè)站一般能夠觀測(cè)到6－9顆衛(wèi)星，造成衛(wèi)星數(shù)頻繁變化的原因是該歷元觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差從而被剔除。一般條件下最少可用衛(wèi)星數(shù)達(dá)到5顆時(shí)就可用于動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位試驗(yàn)。利用BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精密定位的坐標(biāo)分解到ENU三方向后如圖3、圖4所示：

圖4 BJF1與CENT測(cè)站動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位精度

由圖4可知，利用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)PPP解算，其高程方向收斂需要較長(zhǎng)時(shí)間。由于BJF1站在開始階段觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)較少，導(dǎo)致其高程方向收斂時(shí)間較CENT站長(zhǎng)。而CENT站在第2 500個(gè)歷元處發(fā)生跳變，則是因?yàn)樵谠摃r(shí)刻CENT測(cè)站丟失數(shù)據(jù)，導(dǎo)致需要重新收斂。統(tǒng)計(jì)表明：收斂后平面的精度約為4cm，高程方向?yàn)?cm－6cm，見表4。

表4 動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

BDS是我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其建成后將與GPS，GLONASS等系統(tǒng)一起為全球GNSS用戶提供更好的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。BDS目前已經(jīng)成功發(fā)射16顆導(dǎo)航衛(wèi)星，并于2012年12月28日開始正式提供區(qū)域服務(wù)。本文在武漢大學(xué)PANDA軟件的基礎(chǔ)上，利用武漢大學(xué)BETS全球跟蹤網(wǎng)的北京站和武漢站觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了基于目前BDS的PPP精密單點(diǎn)定位試驗(yàn)。為了減少衛(wèi)星軌道和鐘差對(duì)解算結(jié)果的影響，本文在研究中采用了武漢大學(xué)布的BDS精密星歷。

北京站和武漢站一周的靜態(tài)數(shù)據(jù)解算結(jié)果表明，基于BDS的靜態(tài)PPP單天解在平面方向的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到1cm，在高程方向的標(biāo)準(zhǔn)差為1cm－2cm；動(dòng)態(tài)PPP解算結(jié)果表明，基于BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)PPP在高程方向需要較長(zhǎng)的收斂時(shí)間，收斂后平面精度約為4cm，高程方向精度為4cm－6cm。

［1］ 李征航，張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

［2］ 李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［3］ 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，39（1）：1－6.

［4］ 楊元喜，李金龍，徐君毅，等.中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)全球PNT用戶的貢獻(xiàn).2011，56（21）：1734－1740.

［5］ 施 闖，趙齊樂，李 敏，等，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究［J］.中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（6）：854－861.

［6］ 冉承其.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)新聞發(fā)布會(huì)［EB／OL］.（2012－12－27）［2013－01－15］.http：／／interact.beidou.gov.cn／interact／show.html.

［7］ SHI Chuang，ZHAO Qi－le，GENG Jiang－h(huán)ui，etal.Recent Development of PANDA Software in GNSS Data Processing［EB／OL］.［2013－01－12］.http：／／144.206.159.178／ft／CONF／16424238／16424302.pdf.