(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(hào)(BDS-3)工程于2009 年正式啟動(dòng)，與北斗二號(hào)(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(diǎn)與iGMAS 站點(diǎn)，對(duì)BDS-3 進(jìn)行了定軌試驗(yàn).張小紅等[3]對(duì)BDS-3 產(chǎn)生的新信號(hào)(B1C、B2a、B2b)進(jìn)行了信噪比、多路徑、三頻消電離層、無(wú)幾何組合、組合殘差的統(tǒng)計(jì)等相關(guān)研究.葉飛等[4]利用B1C 和B2a 頻點(diǎn)信號(hào)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(diǎn)定位精度分析，發(fā)現(xiàn)BDS-3 相對(duì)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(duì)BDS-3 的三頻精密單點(diǎn)定位(PPP)精度進(jìn)行了分析.陳永貴等[8]對(duì)北極地區(qū)BDS-3 進(jìn)行了偽距單點(diǎn)定位精度分析.田先才等[9]對(duì)BDS-3 觀測(cè)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(duì)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(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(cè)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(duì)流層延遲這五類(lèi)參數(shù)，其觀測(cè)方程如下：

需要說(shuō)明的是，通過(guò)對(duì)應(yīng)的干延遲模型進(jìn)行改正，殘余的天頂對(duì)流層濕延遲分量作為未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì).由于?tj通過(guò)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(duì)于BDS，為B1I 與B2I)觀測(cè)值得到的，包括了消電離層組合的差分碼偏差項(xiàng),如式(2)所示

在本研究中，使用了中國(guó)科學(xué)院測(cè)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(gè)系統(tǒng)，其精度為0.2～0.6ns.

文章基于B1I、B2I、B3I、B1C、B2a5 個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(gè)站點(diǎn)進(jìn)行定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)研究，并得到相關(guān)結(jié)論.

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

表1 BDS-3 公開(kāi)服務(wù)信號(hào)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(hào)的跟蹤能力，文章選取4 個(gè)MGEX 站點(diǎn)(如圖1 所示)進(jìn)行坐標(biāo)解算.4 個(gè)站點(diǎn)分別為POTS、URUM、SGOC、GUAM.

圖1 實(shí)驗(yàn)選取4 個(gè)站點(diǎn)分布圖

數(shù)據(jù)選取的時(shí)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(kāi)服務(wù)數(shù)據(jù)(B1I、B2I、B3I、B1C、B2a).

2.2 策略設(shè)計(jì)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(duì)流層干延遲使用UNB3m 模型，濕對(duì)流層使用參數(shù)估計(jì)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(jì)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(cè)數(shù)據(jù)一起進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，對(duì)單個(gè)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(gè)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(cè)等質(zhì)量控制，進(jìn)行濾波估計(jì)，對(duì)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(jì).進(jìn)一步估計(jì)得到相關(guān)參數(shù)，包含坐標(biāo)、鐘差、對(duì)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(gè)站點(diǎn)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(cè)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(gè)站點(diǎn)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(cè)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(jiàn)圖

BDS-3 在全球各個(gè)區(qū)域的站點(diǎn)，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(guó)、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(gè)站點(diǎn)衛(wèi)星可見(jiàn)情況圖，最高編號(hào)可接收到BDS-3C46.除了位于歐洲的POTS，其他站點(diǎn)均可以全天觀測(cè)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(diǎn)在北、東、天(N、E、U)方向的7 個(gè)組合定位結(jié)果圖，可以看到，除了最后兩個(gè)組合B2a-B3I 和B2I-B3I 由于差分碼偏差沒(méi)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(shí)間均在2h 以?xún)?nèi)，定位精度收斂后均在5cm 以?xún)?nèi).

圖4 2020 年4 月9 日衛(wèi)星可見(jiàn)圖

3.3.2 定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖6 為4 個(gè)站點(diǎn)GUAM、POTS、SGOC、URUM的七組合三維方向統(tǒng)計(jì)圖.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，除了4 個(gè)站點(diǎn)的B2a-B3I 與B2I-B3I 組合，所有站點(diǎn)的其他組合，定位結(jié)果均保持在厘米級(jí)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(cè)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(cè)的衛(wèi)星數(shù)較多.

圖5 2020 年4 月9 日URUM 站點(diǎn)定位結(jié)果圖

圖6 定位結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文章基于BDS-3 衛(wèi)星的四種開(kāi)放服務(wù)信號(hào)(B1I、B1C、B2a、B3I)與當(dāng)前BDS-2 播發(fā)的B2I 信號(hào)，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(cè)到的所有BDS 衛(wèi)星，進(jìn)行了定位試驗(yàn).

結(jié)果表明：

1)4 個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)，不同頻點(diǎn)的組合PPP 結(jié)果均在厘米級(jí)；

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