車戰(zhàn)武,常志巧,范媚君,王強(qiáng)

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

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北斗導(dǎo)航定位服務(wù)性能時空特性分析

車戰(zhàn)武,常志巧,范媚君,王強(qiáng)

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

為了對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)開通服務(wù)以來的定位服務(wù)性能進(jìn)行全面評估,首先給出了B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強(qiáng)定位和B1/B3雙頻增強(qiáng)定位4種定位觀測模型,設(shè)計了顧及星歷和鐘差齡期IODE/IODC的定位策略,利用中國區(qū)域內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)對4種定位模式的時間特性和空間特性進(jìn)行了比較分析與評估。得出北京地區(qū)連續(xù)3年的測試結(jié)果和海南及新疆三地的測試結(jié)果。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);基本定位;增強(qiáng)定位;定位精度

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已于2012年12月底正式提供服務(wù),可為中國及亞太地區(qū)用戶提供全天時、全天候的公開服務(wù)[1]。通過覆蓋亞太地區(qū)的服務(wù)信號監(jiān)測評估表明,系統(tǒng)服務(wù)性能滿足指標(biāo)要求,部分地區(qū)服務(wù)性能優(yōu)于10m[2]。定位精度是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能的最終評定標(biāo)準(zhǔn),為實(shí)現(xiàn)GPS服務(wù)性能的評估,GPS運(yùn)行中心從2005年開始每年發(fā)布運(yùn)行情況年報,從服務(wù)精度、可用性等角度對系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行評估[3]。現(xiàn)有評估北斗服務(wù)性能的文獻(xiàn)較多[1,4],大多只是針對短期觀測,往往選擇星座較穩(wěn)定如衛(wèi)星無機(jī)動、調(diào)頻調(diào)相、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整等操作的時段進(jìn)行測試,并不能代表北斗定位服務(wù)性能的總體情況。BDS同時提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種定位服務(wù)模式[5]。開放服務(wù)通過向用戶提供包含廣播星歷和衛(wèi)星鐘差的導(dǎo)航電文滿足用戶基本導(dǎo)航需求;授權(quán)服務(wù)通過向授權(quán)用戶提供實(shí)時廣域差分改正和完好性信息滿足用戶增強(qiáng)導(dǎo)航需求。本文將對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)開通服務(wù)以來的基本和增強(qiáng)兩種定位模式進(jìn)行全面性能評估,評估結(jié)果以期全面反映北斗定位服務(wù)性能的綜合情況。

1 北斗定位模型和策略

1.1 北斗四種定位模型比較

利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行絕對定位,認(rèn)為導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷和鐘差精確,接收機(jī)的坐標(biāo)和鐘差是未知參數(shù),單頻基本導(dǎo)航的偽距觀測方程可以表示為

Pi=ρ+dtrop+dscal+drel+c(dt-dT)+

i=1,2,3，

(1)

對于雙頻(B1/B3組合,消除電離層影響)用戶,其觀測組合為

(2)

式中:PB1/B3為B1、B3雙頻無電離層組合觀測量; 雙頻基本導(dǎo)航的偽距觀測方程可以表示為

PB1/B3= ρ+dtrop+dscal+drel+c(dt-dT)+

i=1,2,3,

(3)

在單頻差分模式下,設(shè)三個頻點(diǎn)的等效鐘差分別為Δt1,Δt2,Δt3,則對三個頻率的觀測方程可以寫為

Pi= ρ+dtrop+dscal+drel+c(dt-dT)-

i=1,2,3,

(4)

式中，Δti為頻率Bi的等效鐘差， 其余各符號定義同式(1)。

上式中dion為B1頻率上的電離層延遲量,利用電離層格網(wǎng)內(nèi)插獲取穿刺點(diǎn)垂直延遲,通過穿刺點(diǎn)傾斜因子Fiono,將垂直延遲轉(zhuǎn)換到觀測方向電離層延遲。

dion=Fiono·Ionodelayp,

(5)

式中: Fiono為穿刺點(diǎn)傾斜因子; Ionodelayp為電離層格網(wǎng)內(nèi)插獲取穿刺點(diǎn)垂直延遲。

若要進(jìn)行雙頻組合定位,可以利用改正等效鐘差后的觀測量進(jìn)行組合。

在雙頻頻差分模式下,對于雙頻(B1/B3組合,消除電離層影響)用戶,其觀測組合為

(6)

式中: PB1/B3為B1、B3雙頻無電離層組合觀測量;Δti為頻率Bi的等效鐘差; 偽距觀測方程參見式(3)。

1.2 定位策略

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時導(dǎo)航用戶通過測量衛(wèi)星天線相位中心到接收機(jī)相位中心距離以及衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù)。北斗基本導(dǎo)航信息每小時發(fā)布一次?；緦?dǎo)航信息包括整周計數(shù)(WN)、用戶距離精度(URAI)、衛(wèi)星自主健康標(biāo)識(SatH1)、星上設(shè)備時延(TGD1)、星歷參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)齡期(IODE)、鐘差參數(shù)和鐘差參數(shù)齡期(IODC)等[6]; 數(shù)據(jù)齡期是本時段參數(shù)參考時刻與計算參數(shù)所做測量的最后觀測時刻之差,IODE/IODC的具體含義如表1所示。

表1 IODE/IODC具體內(nèi)容說明

顧及衛(wèi)星健康標(biāo)識、星歷齡期、星鐘齡期、截止高度角的選星衛(wèi)星策略如圖1所示,首先判斷衛(wèi)星是否健康; 然后判斷IODE和IODC是否為1,大于1則表示星歷或鐘差參數(shù)未及時更新或衛(wèi)星不能被區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)觀測; 最后判斷高度角是否大于截止角。

增強(qiáng)導(dǎo)航信息包括:等效鐘差改正數(shù)Δt、用戶差分距離誤差指數(shù)(UDREI)、格網(wǎng)電離層垂直延遲(dτ)、格網(wǎng)電離層垂直誤差指數(shù)(GIVEI)以及完好性及差分信息健康標(biāo)識SatH2[6]。對于增強(qiáng)導(dǎo)航,其選星策略在基本導(dǎo)航基礎(chǔ)上去除IODE/IODC限制,增加相應(yīng)判斷。在SATH1判斷基礎(chǔ)上增加SatH2字段是否為0的判斷; 當(dāng)UDREI為14或15時,則該顆衛(wèi)星不參與差分定位; 若某顆衛(wèi)星的穿刺點(diǎn)周圍無3個有效的格網(wǎng)點(diǎn),則該顆衛(wèi)星不參與單頻差分定位(格網(wǎng)點(diǎn)GIVEI為14或15時,該格網(wǎng)點(diǎn)不參與單頻差分計算)。

2 定位性能時間特性分析

試驗(yàn)評估采用位于北京地區(qū)的某測量型接收機(jī)的B1、B3偽距觀測數(shù)據(jù),試驗(yàn)時間為2013年1月1日至2016年7月19日,采樣間隔為1 min.該接收機(jī)的真實(shí)位置坐標(biāo)采用靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的方法獲取。共進(jìn)行4種定位模式的計算,分別為B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強(qiáng)定位、B1/B3雙頻增強(qiáng)定位。每種定位組合都在已知衛(wèi)星鐘差和廣播星歷的前提下,對衛(wèi)星TGD及其余誤差修正后,對單歷元的測站坐標(biāo)和鐘差進(jìn)行最小二乘估計。以天為單位對1 440個歷元的定位誤差進(jìn)行RMS統(tǒng)計,并將2013年1月1日以來的定位RMS序列繪制于以下兩圖,圖2是基本導(dǎo)航定位精度序列圖,圖3是增強(qiáng)導(dǎo)航定位精度序列圖。由于春/秋分期間GEO衛(wèi)星由于太陽入射方向與軌道面接近平行,造成衛(wèi)星本體太陽受照的復(fù)雜變化,導(dǎo)致UERE相比于其它時段顯著增大。文獻(xiàn)[7]綜合利用北斗系統(tǒng)獨(dú)特的獨(dú)立時間同步測量體制,實(shí)現(xiàn)了星地鐘差約束下的多星定軌研究,改善了定軌精度,下面將近幾年春秋分定位精度與正常情況下的定位精度進(jìn)行比較。

圖中,橫坐標(biāo)示出4次春分點(diǎn)和3次秋分點(diǎn)的具體日期,無論基本導(dǎo)航、增強(qiáng)導(dǎo)航、單頻定位、雙頻定位,都未出現(xiàn)春秋分定位精度下降的現(xiàn)象。資料顯示,北斗系統(tǒng)在春秋期間對GEO衛(wèi)星采用了特殊的處理模式,來彌補(bǔ)光壓攝動建模的誤差[7]。

表2示出了四種模式的水平、高程和三維定位精度?？梢钥闯?無論哪種定位模式水平定位精度高于高程方向。B3基本導(dǎo)航位置誤差RMS平均值為4.293 m; B1/B3雙頻基本導(dǎo)航,由于雙頻消除了電離層延遲誤差,精度提高至3.233 m; B3增強(qiáng)導(dǎo)航,由于采用了等效鐘差快變改正信息,改正了衛(wèi)星軌道和鐘差的大部分誤差,電離層延遲誤差采用格網(wǎng)電離層內(nèi)插方式計算,精度較高,定位精度提高至2.302 m; B1/B3雙頻增強(qiáng)導(dǎo)航,采用雙頻消除了電離層延遲誤差,電離層修正精度比采用格網(wǎng)的方式更高,因此定位精度進(jìn)一步提高至2.210 m.

表2 北京地區(qū)定位誤差RMS平均值統(tǒng)計

表3示出了以年為單位統(tǒng)計了各年的定位位置誤差RMS平均值,總體上看,各種定位模式各年定位精度變化不大,增強(qiáng)導(dǎo)航各年幾乎無變化,基本導(dǎo)航定位精度有變高的趨勢。

表3 北京地區(qū)各年定位位置誤差RMS平均值統(tǒng)計 單位:m

3 定位性能空間特性分析

在北京、新疆和海南地區(qū)各選取一個測試點(diǎn),試驗(yàn)時間為2016年5月8日全天,采樣間隔為1 min,所有接收機(jī)的真實(shí)位置坐標(biāo)采用靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的方法獲取。與上文一樣共進(jìn)行4種定位模式的定位計算。表4示出了2016年5月8日全天不同區(qū)域定位位置誤差的RMS統(tǒng)計; 可以看出對于基本導(dǎo)航代表服務(wù)區(qū)中部的北京整體定位精度最高,南部地區(qū)的海南其次,西北部地區(qū)的新疆定位精度最低; 對于增強(qiáng)導(dǎo)航北京和海南地區(qū)其定位精度高于基本導(dǎo)航,兩個測試點(diǎn)定位精度相當(dāng),且B3增強(qiáng)和B1/B3雙頻增強(qiáng)兩種模式的定位精度也相當(dāng); 對于新疆地區(qū),B3增強(qiáng)定位模式反而比B3基本導(dǎo)航模式的定位精度低,RMS達(dá)到29.467 m.

表4 不同區(qū)域定位位置精度比較RMS 單位:m

北斗衛(wèi)星相位中心具有與質(zhì)心不重合,且不同頻點(diǎn)相位中心也不重合的特點(diǎn)。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)播電文時采用衛(wèi)星鐘差參數(shù)a0修正B3頻點(diǎn)相位中心的大部分誤差[8]。由于天線相位中心偏差引起的用戶距離誤差(URE)具有各向異性特性,必然標(biāo)定點(diǎn)北京URE更小,基本導(dǎo)航的定位精度更高。增強(qiáng)導(dǎo)航由于采用了表征服務(wù)區(qū)的平均URE誤差的等效鐘差,因此在服務(wù)區(qū)內(nèi)的定位精度更均勻。

在新疆地區(qū),由于可視衛(wèi)星較少,定位幾何構(gòu)型較差,導(dǎo)致PDOP值較大,定位誤差最大,如圖4所示,新疆地區(qū)B3基本定位模式下PDOP全天平均值為6.170,海南和北京地區(qū)PDOP平均值分別為2.504和2.733.B3增強(qiáng)定位模式的PDOP如圖5所示,海南和北京地區(qū)PDOP平均值分別為2.481和2.490,略低于B3基本定位模式,原因?yàn)锽3增強(qiáng)定位模式,可用衛(wèi)星未采用IODE/IODC為1的限制; 在新疆地區(qū)PDOP平均值增大至17.677,某些時段甚至出現(xiàn)缺少觀測衛(wèi)星導(dǎo)致PDOP迅速增大的情況,進(jìn)一步分析原因,區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)在西北地區(qū)布站較稀疏,導(dǎo)致西北地區(qū)部分格網(wǎng)點(diǎn)存在不可解的情況,導(dǎo)致單頻廣域差分可用的衛(wèi)星個數(shù)減少,定位幾何構(gòu)型變差,PDOP增大,甚至出現(xiàn)可用衛(wèi)星少于4顆的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文利用北斗區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)的連續(xù)觀測對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能進(jìn)行B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強(qiáng)定位、B1/B3雙頻增強(qiáng)定位共4種定位模式的時空性能評估,獲得以下結(jié)論:

總體上看,各種定位模式各年定位精度變化不大,增強(qiáng)導(dǎo)航各年幾乎無變化,基本導(dǎo)航定位精度有變高的趨勢。在服務(wù)區(qū)的中北部地區(qū),B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強(qiáng)定位、B1/B3雙頻增強(qiáng)定位精度依次提高,大約為5 m、3 m、2 m、2 m的誤差水平。定位誤差在時間尺度上較平穩(wěn),在每年的春秋分時期,未出現(xiàn)定位精度下降的現(xiàn)象。

在空間尺度上,基本導(dǎo)航定位精度分布不均勻。中部地區(qū)整體定位精度最高,南部地區(qū)其次,西北部地區(qū)由于PDOP值較大,定位精度最低; 對于增強(qiáng)導(dǎo)航,中部和南部地區(qū)其定位精度高于基本導(dǎo)航,且兩個區(qū)域增強(qiáng)定位精度相當(dāng); 對于新疆地區(qū),B3增強(qiáng)定位模式由于西北地區(qū)部分電離層格網(wǎng)點(diǎn)解算可用度低,在某些時段,反而比B3基本導(dǎo)航模式的定位精度低。

[1] 楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評估[J].中國科學(xué): 地球科學(xué), 2014(44): 72-81.

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The Time and Spatial Characteristics Analysis for Beidou Navigation and Positioning Service Performance

CHE Zhanwu,CHANG Zhiqiao,FAN Meijun,WANG Qiang

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094)

In order to make a comprehensive assessment of service performance for Beidou Satellite Navigation System since the service in operation formally, four positioning models which are B3 single-frequency positioning, B1/B3 dual-frequency positioning, B3 single-frequency differential positioning and B1/B3 dual-frequency differential positioning are given in this paper firstly, and then positioning strategy is designed to take into account IODE/IODC ephemeris and clock age, and last the time and the spatial characteristics of 4 kinds of positioning model are analyzed and evaluated using the continuous monitoring network data in the Chinese region. The continuous three year results of Beijing area,Hainan and Xinjiang area is presented.

Beidou Satellite Navigation System; fundamental positioning; differential positioning; positioning accuracy

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.001

2016-10-02

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0001-05

車戰(zhàn)武 (1964-)，男,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計、信號體制設(shè)計研究。

常志巧 (1981-),女,博士,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理理論和方法研究。

范媚君 (1983-),女,博士,主要從事GNSS廣域差分與完好性技術(shù)研究。

王強(qiáng) (1966-),男,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備測試研究。

聯(lián)系人： 常志巧 E-mail: zhiqiaochang@163.com