劉 贊，荊世怡

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國為全球用戶提供定位、導航和授時服務的重要空間基礎設施[1]。北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS-3)于2020年7月31日正式開通。

BDS-3的信號體制設計在原有BDS-2的基礎上進行了較大更新，在保留原有B1I/B3I信號作為過渡信號的基礎上新增B1C/B2a/B2b三個民用信號，新信號均采用全新的信號調制方式，其中，B1C采用QMBOC調制，與GPS L1C、Galileo E1同為互操作信號，B2a、B2b聯合信號B2a+b采用ACE-BOC調制，其中B2a與GPS L5、Galileo E5a為互操作信號[2]?；ゲ僮餍盘枌O大降低接收機設計的復雜度，有利于成本控制，同時方便組合系統(tǒng)的數據處理，因此，各GNSS系統(tǒng)均在積極推進互操作信號的設計。BDS-3全新的信號設計帶來了更高的測距精度與更強的抗多徑性能。之后，隨著BDS-2衛(wèi)星的逐漸退役，B1C和B2a將取代原有的B1I和B3I，成為未來北斗系統(tǒng)最主要的公開服務信號，因此，其定位性能有待進一步研究。

1 BDS-3新信號PPP基本原理

1.1 PPP原理

精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)是GNSS高精度定位領域中的重要技術路線，它僅需單臺接收機，使用高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產品，通過模型改正或參數估計的方法，確定接收機的絕對精確坐標。PPP技術具有機動靈活、服務范圍廣、作業(yè)效率高、成本低、數據處理簡單等特點，除了獲得高精度的點位坐標，還可同時解算得到電離層延遲、對流層延遲等產品，已成為衛(wèi)星導航定位技術領域的研究熱點之一[3]。

無電離層組合模型是PPP使用最為廣泛的模型，它使用雙頻無電離層組合觀測值，消除了一階電離層延遲，減少了待估參數，在PPP中應用廣泛，其觀測方程可表示為：

pIF=α12p1+β12p2

(1)

lIF=α12l1+β12l2

(2)

(3)

(4)

1.2 BDS-3新信號衛(wèi)星端頻間偏差改正

目前，BDS-3精密軌道和鐘差產品一般通過B1I/B3I無電離層組合觀測值估計得到。因此，要使用B1C/B2a新信號組合進行定位，需要改正新舊兩組合信號觀測碼之間的時延，即頻間偏差(Inter-Frequency Code Bias，IFCB)，這一偏差包含衛(wèi)星端IFCB和接收機端IFCB兩部分。其中，接收機IFCB可直接吸收至接收機鐘差參數中。對于衛(wèi)星端IFCB可以使用差分碼偏差產品(Differential Code Bias，DCB)或絕對偏差(Observable-specific Signal Bias，OSB)產品進行改正。

DCB產品提供衛(wèi)星端兩觀測碼之間的硬件延遲，已經過長期使用驗證，整體性能穩(wěn)定。使用DCB產品將B1C和B2a信號改正至基準鐘差B1I/B3I組合下的公式為：

(5)

OSB產品是為了方便用戶端使用由IGS全新推出的產品。IGS于2016年制定了SINEX_BIAS規(guī)范文件[4]，用于統(tǒng)一GNSS原始觀測值偏差改正文件格式，用戶可直接在原始觀測值上進行改正。對于偽距觀測碼，通過選定某一信號的觀測碼作為基準(例如BDS的B1IB3I無電離層組合)，其余觀測碼時延可以通過DCB組合的形式進行計算，得到相對于基準觀測碼的絕對時延，即OSB產品。除了直接采用DCB產品計算得到外，在產品服務端往往通過將基準碼作為約束加入產品估計，從而估計得到最終的OSB產品。使用OSB產品將B1C和B2a信號改正至基準鐘差B1I/B3I組合下的公式為：

(6)

對比2種改正方案可以發(fā)現，OSB產品表達形式上更為簡便，易于理解，在程序實現中同樣易于實現，這也是IGS推薦使用OSB產品進行PPP數據處理的重要原因。因此本文選用OSB產品進行后續(xù)改正。

2 OSB產品長期時間序列穩(wěn)定性分析

本文選取了中科院CAS提供的多系統(tǒng)OSB產品進行衛(wèi)星端IFCB改正，CAS OSB產品中直接提供了C1P、C1X、C5P和C5X 4種改正信息。由于OSB產品的穩(wěn)定性對于PPP性能有一定影響，首先對上述信號的OSB長期時間序列穩(wěn)定性做了分析，選用的OSB產品數據時間為2022年年積日060-090 d共30 d。

圖1給出了與上述4種信號的OSB改正值在2022年年積日060-090 d的時間序列變化。從中可以看出，同頻點的OSB整體偏差數值保持一致，例如C1P和C1X分別對應B1C信號，C5P和C5X分別對應B2a信號。4種信號偏差值主要分布在-100～150 ns之間，換算至距離延遲為-30～45 m，延遲量較大，在PPP解算中不能忽略，需要進行單獨改正。對于單顆衛(wèi)星，整體的長期變化均保持平穩(wěn)，基本在0.5 ns范圍內。

圖1 CAS BDS-3衛(wèi)星端OSB產品2022年3月時間序列

3 PPP實驗分析

3.1 實驗數據與處理策略

為了評估BDS-3新信號PPP性能，本文選取了2022年3月1日共7個MGEX站點的GNSS觀測數據進行仿動態(tài)PPP測試，選取的站點包括：ABPO、JFNG、MAYG、MIZU、NNOR、SEYG、USUD。對各站點PPP收斂時間及收斂后的定位精度進行了分析。收斂時間定義為當前歷元及后20個歷元均小于0.1 m[5]。具體的數據處理策略如表1所示。

表1 數據處理策略

3.2 偽距殘差分析

對OSB改正效果進行驗證，定位解算后的偽距殘差可反映出偽距相關的誤差情況，因此可用偽距殘差的水平驗證IFCB的改正效果。此處以HOB2站為例，對其BDS-3老信號和新信號PPP結果進行分析，統(tǒng)計加入OSB產品進行頻間偏差改正前后的偽距殘差變化，結果如圖2所示?？梢钥闯?，IFCB改正前，偽距殘差分布在-10～10 m之間，各顆衛(wèi)星的殘差分布不具備零均值特性，而在改正后，偽距殘差分布在-2～2 m之間，總體RMS由10.42 m降低至0.79 m，殘差分布接近零均值特性，其殘差水平已優(yōu)于B1IB3I組合，這說明使用OSB產品后，新信號衛(wèi)星端偽距頻間偏差得到較好地改正。

圖2 BDS-3新舊信號PPP偽距殘差對比

3.3 PPP性能驗證

圖3給出了BDS-3新舊2種信號組合PPP仿動態(tài)定位時間序列對比，選取了ABPO站作為示例，由上至下分別為東-北-天三方向上的定位誤差。從中可以看到，2種方案在收斂初期有一定差異，收斂后整體精度保持一致。

圖3 ABPO站定位序列對比

表2和表3分別給出了各站點新舊信號PPP的收斂時間和定位誤差對比。從中可以看出，新信號在東-北-天三方向上的收斂時間分別為39.57 min、18.36 min和36.79 min，東方向優(yōu)于舊信號。新信號在東-北-天三方向上的定位誤差分別為0.036 m、0.021 m和0.055 m，與舊信號處于同一水平。

表2 各站點PPP收斂時間/min

表3 各站點PPP定位誤差/m

4 結 語

本文對BDS-3新信號B1C/B2a無電離層組合PPP模型及其定位性能進行了研究。針對新信號的頻間偏差問題，分別給出了采用DCB和OSB產品進行改正的方案，并選取了更為簡便的OSB產品進行改正。通過長時序分析驗證了OSB產品的穩(wěn)定性，同時說明了改正的必要性。最后，對比了改正后的新信號PPP和舊信號PPP的定位性能，實驗表明，兩者處于同一水平。