王春陽

(重慶市勘測院,重慶 401121)

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其全天候、全天時、高精度的特點而廣泛應(yīng)用于交通運輸、減災(zāi)救災(zāi)、電子商務(wù)、移動智能終端等國家安全和國民經(jīng)濟建設(shè)領(lǐng)域。2020年7月我國北斗三號系統(tǒng)正式開通,標志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式完成“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略,向全球用戶提供定位導(dǎo)航授時服務(wù)。此外,在提供區(qū)域短報文通信服務(wù)和星基增強服務(wù)的基礎(chǔ)上,北斗三號系統(tǒng)還提供了特色服務(wù),如精密單點定位服務(wù),全球短報文服務(wù)和國際搜救服務(wù)[1-4]。

實時精密單點定位主要依賴于高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品,BDS-3通過地球靜止衛(wèi)星B2b下行信號向亞太及周邊地區(qū)播發(fā)精密軌道、鐘差等改正信息,實現(xiàn)星基精密單點定位服務(wù)。目前B2b信號僅播發(fā)BDS-3和GPS兩個系統(tǒng)的精密改正信息,另外兩個系統(tǒng)GLONASS和Galileo的衛(wèi)星精密改正信息將由后續(xù)靜止衛(wèi)星播發(fā)。除了精密軌道和鐘差改正信息,B2b信號中還包括衛(wèi)星掩碼、碼偏差以及用戶測距精度指數(shù)信息和數(shù)據(jù)版本信息。其中,衛(wèi)星掩碼主要給出有效期內(nèi)播發(fā)的衛(wèi)星編號,而用戶測距精度指數(shù)用來體現(xiàn)改正數(shù)的可靠性和精度,如該值超過一定閾值如 0.7 m時,一般不建議用戶使用當前精密改正信息。B2b信號播發(fā)的精密鐘差改正信息的更新間隔正常情況下為6秒,其他信息的更新間隔則為48秒[5-7]。

針對北斗B2b信號的精密單點定位服務(wù),國內(nèi)學(xué)者對精密改正數(shù)和精密定位的服務(wù)能力進行了初步驗證,結(jié)果表明北斗三號系統(tǒng)可以提供厘米級的精密定位服務(wù)能力[8-10],但是這些研究基于系統(tǒng)早期的測試數(shù)據(jù),并非所有北斗三號衛(wèi)星投入穩(wěn)定服務(wù),而對系統(tǒng)的服務(wù)能力測試是一個長期持續(xù)的工作,尤其是隨著北斗三號系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定運行,對系統(tǒng)近期提供的精密定位服務(wù)能力進行評估有助于用戶更新對系統(tǒng)定位服務(wù)水平的認識,可為用戶在生產(chǎn)實踐中選擇北斗精密單點定位服務(wù)提供參考。

1 PPP-B2b精密單點定位模型

精密單點定位中常用無電離層組合模型消除一階電離層延遲影響,忽略高階殘余誤差,得到雙頻偽距和相位觀測值組合:

(1)

1.1 精密軌道恢復(fù)

精密軌道改正信息描述衛(wèi)星坐標系下徑向、切向和法向的衛(wèi)星位置改正數(shù),用戶使用中需要將其轉(zhuǎn)換到空間直角坐標系:

(2)

(3)

Xpre=Xbrd-δX

(4)

式中,Xpre為改正后的衛(wèi)星精密位置,Xbrd為廣播衛(wèi)星位置。

1.2 精密鐘差恢復(fù)

與精密軌道類似,鐘差改正參數(shù)也是相對于廣播鐘差的改正值,改正方法如下:

(5)

式中,tpre為恢復(fù)的精密鐘差,tbrd為廣播鐘差,C0表示PPP-B2b信號播發(fā)的鐘差改正數(shù),c為光速。此外,北斗三號PPP-B2b信號提供了B1I-B3I,B1C-B3I,B2a-B3I和B2b-B3I等頻點的碼偏差改正,方便單頻或雙頻用戶根據(jù)需要改正實際使用的鐘差產(chǎn)品。本文將B3I頻點鐘差改正到了B1I和B3I無電離層組合頻點,GPS鐘差無須DCB改正。

2 定位結(jié)果

本文利用飛納經(jīng)緯公司設(shè)計的接收機采集2021年12月25日—31日共7天的PPP-B2b的軌道、鐘差和碼偏差信息,為保證結(jié)果的廣泛度,收集我國境內(nèi)及周邊6個IGS觀測站(CUSV,GAMG,JFNG,ULAB,URUM,WUH2)的觀測數(shù)據(jù),具體分布情況如圖1所示。

圖1 測站分布示意圖

將精密改正信息恢復(fù)成精密產(chǎn)品后,利用開源軟件RTKLIB進行仿動態(tài)精密單點定位。考慮到目前B2b信號僅播發(fā)北斗和GPS精密改正信息,因此定位試驗中只考慮單北斗以及北斗和GPS聯(lián)合定位,具體定位處理策略如表1所示。

表1 PPP數(shù)據(jù)處理策略

以平面精度收斂到20 cm,高程精度收斂到40 cm(記為目標精度)且保持 5 min為收斂條件,然后統(tǒng)計24小時定位弧段收斂后的精度,具體各個測站的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。考慮到收斂之后定位精度趨于穩(wěn)定,因此BDS-3單系統(tǒng)的定位精度和BDS-3/GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合定位的精度差異并不明顯,雙系統(tǒng)定位精度在平面和高程方向的改善幅度僅為 6 mm,定位精度分別為 5.3 cm和 9.9 cm。

表2 基于PPP-B2b信號的精密定位精度

對PPP-B2b精密產(chǎn)品進行BDS-3單系統(tǒng)和GPS+BDS-3雙系統(tǒng)定位,每隔一個小時重新啟動定位程序,一天可以得到24個定位序列,每個序列的定位時長為1小時,然后統(tǒng)計所有測站不同時長的定位誤差序列的中位數(shù),記為不同時長的定位精度。表3給出不同時長的單/雙系統(tǒng)定位精度。

表3 不同定位時長的PPP-B2b精密定位精度

結(jié)果表明:不同定位模式收斂速度差異明顯,PPP-B2b雙系統(tǒng)組合定位需要 20 min才能收斂的目標精度,而單系統(tǒng)則需要 60 min才能收斂到目標精度。收斂速度與衛(wèi)星數(shù)以及軌道、鐘差精度密切相關(guān),考慮到單BDS-3定位衛(wèi)星數(shù)最少,收斂較慢。在定位精度方面,PPP-B2b單BDS-3定位收斂后的平面和高程精度分別為 13.8 cm和 14.9 cm,PPP-B2b雙系統(tǒng)定位盡管衛(wèi)星數(shù)目相對于單系統(tǒng)有所增加,不過定位開始時段受GPS鐘差精度影響,定位效果并不理想,但是收斂速度明顯快于單BDS-3系統(tǒng),且定位收斂后的精度明顯優(yōu)于單BDS-3系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

本文針對北斗PPP-B2b服務(wù)提供的精密星歷,精密鐘差和碼偏差等產(chǎn)品進行了定位實驗。從筆者測試的結(jié)果來看:雖然北斗三號系統(tǒng)正式運行已有兩年,但是在具體B2b信號的精密定位中,由于實際可用的衛(wèi)星數(shù)目不穩(wěn)定,BDS-3單系統(tǒng)動態(tài)定位出現(xiàn)較為頻繁的跳變或重收斂情況,因此在定位半小時的精度仍然在 30 cm左右。得益于增多的多系統(tǒng)組合衛(wèi)星數(shù),雙系統(tǒng)組合定位的收斂速度明顯快于單系統(tǒng),一小時定位收斂之后的BDS-3單系統(tǒng)平面和高程精度分別為 13.8 cm和 14.9 cm,雙系統(tǒng)定位精度則分別可到 6.1 cm和8.7 cm,建議用戶使用雙系統(tǒng)精密定位服務(wù)。