王 翔，聶志喜，王振杰，徐曉飛，張遠帆

北斗三號PPP-B2b服務的海洋實時精密單點定位性能評估

王 翔，聶志喜，王振杰，徐曉飛，張遠帆

（中國石油大學（華東） 海洋與空間信息學院，山東 青島 266580）

針對海洋油氣勘探、海洋應急救援等應用依賴海洋實時高精度定位，而目前主要采用的商用精密單點定位（PPP）技術的設備與服務成本較高的問題，提出利用我國北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS-3，文中簡稱北斗三號）提供的免費實時精密單點定位（PPP-B2b）服務在海洋環(huán)境中開展實時精密單點定位的方法：分析北斗三號PPP-B2b導航電文信息格式，并給出北斗三號PPP-B2b精密軌道、鐘差計算及偽距偏差改正方法；然后建立基于北斗三號PPP-B2b服務的海洋實時精密單點定位模型；最后采用海洋實測數據評估基于北斗三號PPP-B2b服務的實時精密單點定位精度，并與NavCom公司的Starfire星站差分PPP定位精度進行對比。結果表明，北斗三號PPP-B2b水平定位精度為7.62 cm，垂直定位精度為13.10 cm，定位精度略低于Starfire星站差分PPP。

北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS-3）；實時精密單點定位（RT-PPP）；海洋定位；精度評估

0 引言

精密單點定位（precise point positioning，PPP）技術是當前全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）領域的研究熱點，也是實現高精度定位的關鍵技術之一[1-3]。它利用單臺接收機GNSS觀測值及精密星歷進行數據處理，定位精度可達到分米級乃至厘米級[4-5]。

隨著實時高精度定位需求的日益增長，文獻[6]提出了實時精密單點定位（real-time precise point positioning，RT-PPP）技術，即利用實時精密衛(wèi)星鐘差和軌道產品進行實時定位。此外，國際GNSS服務組織（International GNSS Service，IGS）通過國際互聯網提供實時服務（real-time service，RTS）數據，公開播發(fā)實時衛(wèi)星鐘差、軌道等改正數。RTS實時軌道精度優(yōu)于5 cm，鐘差精度在0.3 ns以內[7-9]，水平方向定位精度約為10 cm，垂直方向定位精度在20 cm以內[10-11]?；赗TS數據的實時精密單點定位依賴于穩(wěn)定的網絡通信服務，一旦網絡通信服務中斷，用戶將無法接收RTS改正數，這制約了基于RTS 服務的RT-PPP技術在海洋等網絡通信困難環(huán)境下的應用和發(fā)展。國際上一些商業(yè)公司開發(fā)了商用PPP服務，為用戶提供實時高精度的單點定位結果。目前商用PPP服務主要包括OmniStar系統(tǒng)[12]、NavCom公司的Starfire系統(tǒng)[13]、Trimble公司的RTX系統(tǒng)[14]、Fugro公司的StarFix系統(tǒng)[15]等。商用PPP服務依賴于衛(wèi)星通信，設備成本高、服務價格昂貴。

北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou global navigation satellite system，BDS-3，下文簡稱“北斗三號”）于2020年7月正式開通，為我國及周邊地區(qū)用戶提供公開、免費、高精度的精密單點定位（PPP-B2b）服務[16-19]。目前北斗三號PPP-B2b服務通過北斗三號地球靜止軌道（geostationary orbit，GEO）衛(wèi)星播發(fā)BDS-3和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）精密軌道、鐘差等改正數，且不受網絡通信的影響。北斗三號PPP-B2b精密軌道、鐘差改正數結合廣播星歷可實時計算出北斗三號PPP-B2b精密軌道與鐘差，基于精密軌道與鐘差可進行實時精密單點定位。目前基于北斗三號PPP-B2b服務的研究大多是基于陸地等常規(guī)環(huán)境[16-22]，海洋環(huán)境中的定位方法研究較少，而海洋對GNSS實時高精度定位的需求卻非常廣泛[23-24]；因此研究基于北斗三號PPP-B2b服務的海洋實時精密單點定位具有重要意義。

本文通過分析北斗三號PPP-B2b導航電文信息格式，給出北斗三號PPP-B2b精密軌道、鐘差計算及偽距偏差改正方法，建立基于北斗三號PPP-B2b服務的海洋實時精密單點定位模型，采用海洋實測數據，評估并分析海洋環(huán)境中的北斗三號PPP-B2b服務定位性能，并與商用PPP服務的定位精度進行對比。

1 北斗三號PPP-B2b導航電文內容與精密星歷計算

在使用北斗三號PPP-B2b服務進行精密定位時，實時精密衛(wèi)星軌道、鐘差的計算是必不可少的。本節(jié)首先介紹北斗三號PPP-B2b導航電文內容，在此基礎上，給出北斗三號PPP-B2b精密衛(wèi)星軌道、鐘差計算及偽距偏差改正方法。

1.1 北斗三號PPP-B2b導航電文內容

根據北斗三號PPP-B2b導航電文信息格式，每條電文加載數據大小為486 bit，包括6 bit信息類型、456 bit信息數據和24 bit循環(huán)冗余校驗位。采用數據版本號（issue of data，IOD）來保證不同信息類型所播發(fā)信息內容的關聯性，IOD包括狀態(tài)空間描述數據的版本號（issue of data of space state representation，IOD SSR）、衛(wèi)星掩碼的數據版本號（issue of data of pseudo-random noise mask，IODP）、GNSS下行信號播發(fā)的星鐘與星歷的數據版本號（issue of the navigation data，IODN）、軌道改正數和鐘差改正數的版本號（issue of data of orbit and clock correction，IOD Corr）。如表1所示總結了北斗三號PPP-B2b導航電文信息類型與信息內容[25]，目前實際播發(fā)的信息類型為1、2、3、4及63，且僅播發(fā)BDS-3和GPS衛(wèi)星的改正數信息。

表1 信息類型定義

1.2 北斗三號PPP-B2b精密星歷計算

其中

北斗三號PPP-B2b所播發(fā)的鐘差改正數是相對于廣播星歷鐘差的改正參數，北斗三號PPP-B2b精密衛(wèi)星鐘差的計算方法[25]為

1.3 GNSS衛(wèi)星碼間偏差改正

在處理衛(wèi)星觀測數據時，會用到多種頻率的信號，各觀測值中包含著一個與衛(wèi)星信號跟蹤模式有關的偏差，因此在進行各類信號同步處理時，需要消除衛(wèi)星碼間偏差。GNSS衛(wèi)星碼間偏差改正公式[25]可以表示為

2 北斗三號PPP-B2b精密定位模型

GNSS原始偽距和載波相位觀測值可以表示為[26]：

為消弱電離層延遲的影響，采用雙頻偽距和載波相位的消電離層（ionospheric-free，IF）組合觀測值。雙頻消電離層組合觀測值可以表示為[4]：

由于采用了北斗三號PPP-B2b精密軌道與精密衛(wèi)星鐘差，衛(wèi)星的軌道誤差和鐘誤差可認為已被消除，衛(wèi)星偽距硬件偏差采用PPP-B2b服務播發(fā)的GNSS衛(wèi)星碼間偏差進行改正。此外，對流層延遲可分為干延遲和濕延遲，其中天頂對流層干延遲一般用薩斯塔莫寧（Saastamonien）模型進行修正，而天頂對流層濕延遲分量則需要進行估計。因此，式（8）、式（9）可線性化為：

3 實驗與結果分析

目前，北斗三號PPP-B2b服務僅播發(fā)BDS-3和GPS衛(wèi)星改正參數，NavCom SF-3050接收機支持GPS、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）和歐盟伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation system，Galileo）的衛(wèi)星信號。本次實驗的北斗三號PPP-B2b定位與Starfire星站差分定位的可用衛(wèi)星數如圖1所示，可知可用衛(wèi)星數均可滿足定位要求。北斗三號PPP-B2b定位可用衛(wèi)星數平均為10顆，而Starfire星站差分定位可用衛(wèi)星數平均為14顆，稍多于前者的可用衛(wèi)星數。

圖1 北斗三號PPP-B2b/ Starfire星站差分定位可用衛(wèi)星數

北斗三號PPP-B2b定位誤差曲線如圖2所示，可知，經過20 min的收斂后，水平方向定位誤差在8 cm以內，垂直方向定位誤差在14 cm以內。Starfire星站差分定位誤差曲線如圖3所示，可知，經過20 min的收斂后，水平方向定位誤差約為4 cm，垂直方向定位誤差在9 cm以內。偏差（Bias）表示經過20 min的收斂后，定位結果與真值之差的平均值。如表2所示為北斗三號PPP-B2b定位收斂后各方向的定位精度，東（East）、北（North）、天（Up）3個方向的偏差分別為1.43、5.04與10.10 cm，3個方向的均方根誤差分別為4.94、5.80與13.10 cm。如表3所示為Starfire星站差分收斂后各方向的定位精度，東、北、天3個方向的偏差分別為1.03、0.64與4.69 cm，3個方向的均方根誤差分別為2.90、2.58與8.01 cm。實驗結果表明，海洋環(huán)境中，北斗三號PPP-B2b水平定位精度優(yōu)于10 cm，垂直定位精度優(yōu)于15 cm，略低于Starfire星站差分定位精度。

圖2 北斗三號PPP-B2b定位誤差

表2 北斗三號PPP-B2b定位精度統(tǒng)計 cm

表3 Starfire星站差分定位精度統(tǒng)計 cm

4 結束語

北斗三號為中國及周邊地區(qū)用戶提供公開、免費、高精度的PPP-B2b服務，可在網絡通信困難環(huán)境下實現實時高精度定位。本文開展了基于北斗三號PPP-B2b服務的海洋實時精密單點定位方法研究，用海洋實測數據評估了基于北斗三號PPP-B2b服務的實時精密單點定位精度，并與NavCom公司的Starfire星站差分定位精度進行了對比。結果表明：北斗三號PPP-B2b水平定位精度為7.62 cm，垂直定位精度為13.10 cm；Starfire星站差分水平定位精度為3.88 cm，垂直定位精度為8.01 cm；北斗三號PPP-B2b定位精度略低于Starfire星站差分定位。北斗三號PPP-B2b定位精度在水平方向上優(yōu)于10 cm，在垂直方向上優(yōu)于15 cm，可滿足水平方向厘米級、高程方向分米級的海上實時高精度定位要求。北斗三號PPP-B2b服務與其他商用PPP服務進行對比還須進一步深入研究。

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Initial assessment of offshore real-time precise point positioning based on BDS-3 PPP-B2b service

WANG Xiang, NIE Zhixi, WANG Zhenjie, XU Xiaofei, ZHANG Yuanfan

（College of Oceanography and Space Informatics, China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580, China）

Aiming at the problem that the application of marine oil and gas exploration, marine emergency rescue, etc. relies on the offshore real-time high-precision positioning, while currently the commercial precision point positioning (PPP) technology mainly used for the offshore real-time high-precision positioning have high costs of equipment and services, the paper proposed a method that uses Beidou global navigation satellite system (BDS-3) provided freely accessible real-time precise point positioning (PPP-B2b) service to carry out the real-time PPP in the marine environment: the recovery methods of PPP-B2b precise satellite orbit, clock offset and pseudo-range differential code bias correction with PPP-B2b messages were discussed; and the offshore real-time PPP model based on BDS-3 PPP-B2b service was constructed; then the accuracy of real-time PPP based on BDS-3 PPP-B2b service was evaluated by using marine measured data; finally, the accuracy was compared with the differential PPP positioning accuracy of NavCom's Starfire satellite station. Results showed that the horizontal positioning accuracy of BDS-3 PPP-B2b would be 7.62 cm and the vertical positioning accuracy 13.10 cm, which could be slightly lower than the PPP positioning accuracy of Starfire service.

Beidou global navigation satellite system (BDS-3); real-time precise point positioning (RT-PPP); offshore positioning; accuracy assessment

王翔, 聶志喜, 王振杰, 等. 北斗三號PPP-B2b服務的海洋實時精密單點定位性能評估[J]. 導航定位學報, 2023, 11(4): 18-23.（WANG Xiang, NIE Zhixi, WANG Zhenjie, et al. Initial assessment of offshore real-time precise point positioning based on BDS-3 PPP-B2b service[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 18-23.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230403.

P228

A

2095-4999(2023)04-0018-06

2022-12-12

國家自然科學基金項目（42174020）；國家自然科學基金青年基金項目（42104011）；山東省自然科學基金青年基金項目（ZR2021QD069）。

王翔（1997—），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向為GNSS導航定位。

聶志喜（1988—），男，湖南漣源人，博士，副教授，研究方向為GNSS/INS多傳感器導航定位。