北斗系統廣域差分性能評估技術研究

任 暉,辛 潔,趙金賢,薛 峰

(北京衛星導航中心,北京 100094)

北斗系統廣域差分性能評估技術研究

任 暉,辛 潔,趙金賢,薛 峰

(北京衛星導航中心,北京 100094)

針對北斗系統廣域差分服務性能測試評估難題,提出基于高精度BDS用戶機構建的評估平臺,對單頻偽距、單頻偽距差分、雙頻偽距和雙頻偽距差分等多種定位模式的數據進行采集、分析,進而得出相關結論。結果表明,北斗系統提供的廣域差分服務進一步提升了系統服務性能。北京地區測試評估結果顯示,單頻差分服務精度優于5 m,比普通單點定位精度提升了近30%,雙頻差分服務精度優于3 m,比普通雙頻定位精度提升了近40%。

北斗系統;廣域差分;BDS用戶機;雙頻差分

0 引言

2012年底,最后1顆地球靜止軌道衛星(geostationary orbit,GEO)完成入網,北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system, BDS)宣告建成。BDS由14顆在軌衛星組成,包括5顆GEO衛星,5顆傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)衛星和4顆中圓地球軌道(medium Earth orbit,MEO)衛星。BDS發播3個頻點的導航信號,頻率分別為1 561.098 MHz (fB1),1 207.14 MHz(fB2)和1 268.52 MHz(fB3),其中B1I和B2I是民用信號,碼速率均為2.046 Mbps。隨著BDS的快速發展,對BDS的定位、導航和授時服務性能提升和指標的評估工作相繼展開[1]。

衛星導航系統的定位服務能力的提高可從以下兩方面入手:一是提高導航衛星數及優化空間構型,即改善地面終端的衛星幾何觀測條件;另一方面,提高衛星星歷、鐘差及相關電離層模型參數的精度,即提高導航系統的空間信號精度。在衛星數有限的條件下,獲取導航衛星的差分(軌道、鐘差)改正數和電離層改正數是提升衛星導航系統性能的關鍵[2]。

BDS是集基本導航服務和增強導航服務一體的衛星導航系統。為所有頻點及支路提供差分改正數信息(含B1I和B2I的民用信號),使廣大用戶可以參與到BDS增強服務性能評估工作中。

文獻[3-4]給出了GPS(global positioning system,GPS)衛星導航系統建成運行后的導航定位性能評估方法,包括衛星可見性、位置精度衰減因子、偽距和載波相位觀測量精度、單點定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等,但未給出BDS定位性能評估方法。文獻[5-7]闡述了多徑效應對衛星導航系統的影響,提出了3種多徑抑制技術,但并未給出在BDS的應用情況。

高精度BDS用戶機是衡量和評估BDS性能的關鍵設備,多次參與BDS性能評估工作。針對以上問題,本文采用高精度BDS用戶機的實測數據和數據處理軟件,實現了B1I單頻偽距(普通單頻)、B1I單頻偽距差分(B1ID:單頻+差分改正數+電離層改正數)、B1I/B2I雙頻偽距(普通雙頻) 和B1I/B2I雙頻偽距差分(B1B2ID:雙頻+差分改正數)定位模式。結果表明,B1I/B2I雙頻偽距差分定位精度最優,其它依次為雙頻偽距、單頻偽距差分和單頻偽距,實現了BDS增強服務性能的評估[8]。

1 BDS廣域差分性能評估試驗設計

為開展BDS增強服務測試評估技術研究,通過采用抗多徑天線和Double-Delta基帶處理算法,極大的改善了高精度BDS用戶機的多徑抑制性能[3,5-7]。該機型(國星北斗增強型接收機)支持BDS所有定位模式,其載波相位觀測精度達到mm級。

基于高精度BDS用戶機,設計了BDS廣域差分性能評估試驗。該試驗通過高精度BDS用戶機,實時采集B1I和B2I偽距觀測信息,接收BDS地面系統播發的差分改正數(軌道、鐘差)和電離層改正數。進行各種定位模式解算,比對各種模式定位精度。試驗流程如圖1所示。

圖1中,單頻偽距定位精度是指B1I普通單點定位精度;單頻偽距差分定位精度(B1ID)是指應用了差分改正數和電離層改正數后的B1I單頻定位精度;雙頻偽距定位精度是指B1B2I組合雙頻定位精度;雙頻偽距差分定位精度是指應用了差分改正數后的B1B2I雙頻定位精度。

2 數據采集

根據上述BDS廣域差分性能評估試驗設計方案,在已知位置站點放置高精度BDS用戶機天線(同時加裝了吸波材料),并在定位精度比對軟件中設置已知位置值。實時采集單頻、雙頻等各種定位模式下的定位結果,并記錄各種原始觀測數據。將已知位置值與定位測試結果進行實時比對,確認測試操作和測試結果的合理性[9]。

圖1 BDS廣域差分性能評估試驗設計圖

使用高精度BDS用戶機,在北京地區進行24 h的靜態數據采集,即從2013-01-27 T 0:00:00～2013-01-28 T 0:00:00(北京時間),采樣間隔為1 s,以均方根(root mean square,RMS)作為精度評定指標。

高精度BDS用戶機B1I單頻及B1ID單頻差分定位精度比對見表1。從表1統計結果可知,B1I單頻水平定位精度3.9 m,B1ID單頻差分水平定位精度為3.5 m,B1ID單頻差分水平定位精度優于B1I單頻水平定位精度10.26%;B1I單頻高程定位精度5.4 m,B1ID單頻差分高程定位精度為3.4 m,B1ID單頻差分高程定位精度優于B1I單頻高程定位精度37.04%;B1I單頻三維定位精度6.7 m,B1ID單頻差分三維定位精度為4.9 m, B1ID單頻差分三維定位精度優于B1I單頻三維定位精度26.87%。

表1 高精度BDS用戶機B1I單頻和B1ID單頻差分24 h定位精度比對(RMS)

高精度BDS用戶機B1I單頻和B1ID單頻差分24 h三維定位精度曲線見圖2,從圖2統計結果可知,24 h的絕大多數時間段內,B1ID單頻差分三維定位精度優于B1I單頻三維定位精度[10]。

圖2 高精度BDS用戶機B1I單頻和B1ID單頻差分24 h三維定位精度曲線圖

圖3 高精度BDS用戶機B1B2I雙頻和B1B2ID雙頻差分24 h三維定位精度曲線圖

高精度BDS用戶機B1B2I雙頻及B1B2ID雙頻差分定位精度比對見表2。從表2統計結果可知,B1B2I雙頻水平定位精度2.9 m,B1B2ID雙頻差分水平定位精度為2.0 m,B1B2ID雙頻差分水平定位精度優于B1B2I雙頻水平定位精度31.03%;B1B2I雙頻高程定位精度3.7 m,B1B2ID雙頻差分高程定位精度為2.1 m,B1B2ID雙頻差分高程定位精度優于B1B2I雙頻高程定位精度43.24%;B1B2I雙頻三維定位精度4.7 m,B1B2ID雙頻差分三維定位精度為2.9 m,B1B2ID雙頻差分三維定位精度優于B1B2I雙頻三維定位精度38.30%。

表2 高精度BDS用戶機B1B2I雙頻和B1B2ID雙頻差分24 h定位精度比對(RMS)

高精度BDS用戶機B1B2I雙頻和B1B2ID雙頻差分24 h三維定位精度曲線見圖3,從圖3統計結果可知,24 h時間段內,B1B2ID雙頻差分三維定位精度優于B1B2I雙頻三維定位精度。

根據對上述測試數據統計,得出以下結論:

(1)北京地區24 h內絕大多數時間段,B1I單頻三維定位精度優于7 m,B1ID單頻差分三維定位精度優于5 m,單頻差分服務比普通單點定位精度提升了近30%。

(2)北京地區24 h內基本所有時間段,B1B2I雙頻三維定位精度優于5 m,B1B2ID雙頻差分三維定位精度優于3 m,雙頻差分服務精度比普通雙頻定位精度提升了近40%。

(3)北京地區單、雙頻差分定位精度均比非差分定位精度有較大提升。

在表1和表2數據統計的基礎上,進一步分析得出表3,表3是高精度BDS用戶機B1I單頻、B1ID單頻差分、B1B2I雙頻和B1B2ID雙頻差分24 h定位精度比對。

通過表3可以看出,在上述四種定位模式中, B1B2ID雙頻差分定位精度最優,其它依次為B1B2I雙頻定位、B1ID單頻差分定位和B1I單頻定位。其中,B1B2I雙頻定位和B1ID單頻差分定位精度基本相當。

表3 高精度BDS用戶機B1I、B1ID、B1B2I和B1B2ID24 h定位精度比對(RMS)

3 數據分析

根數上述試驗數據及初步分析結果,進一步進行了分析。依據傳統GPS經驗,雙頻定位中可利用雙頻電離層消除技術幾乎完全消除由電離層延遲引入的誤差(由于采用了多徑抑制技術,多徑誤差可忽略),一個無電離層的偽距可以表示為:

式(1)中,ρ無電離層為無電離層影響的偽距值;ρB1為B1頻點的偽距測量值;ρB2為B2頻點的偽距測量值;fB1為B1頻點的頻率1 561.098 MHz;fB2為B2頻點的頻率1 207.14 MHz。

雙頻差分(雙頻+差分改正數),既消除了電離層誤差的影響,又通過使用差分改正數降低了軌道和鐘誤差的影響,定位精度最高。

單頻定位(普通單點定位),既未使用差分(軌道、鐘差)改正數,又未使用電離層改正數進行誤差修正,定位精度最低。

雙頻定位(普通雙頻),僅消除了電離層誤差的影響,未采用差分改正數降低軌道和鐘誤差的影響,定位精度介于雙頻差分和單頻定位之間。

單頻差分定位(單頻+差分改正數+電離層改正數),既使用差分(軌道、鐘差)改正數,降低了軌道和鐘誤差的影響,又使用電離層改正數降低了電離層誤差影響,定位精度介于雙頻差分和單頻定位之間。

根據上述分析可得到表4。通過表4可知,普通雙頻定位和單頻差分定位精度之間的優劣,取決于消除電離層影響的程度和差分改正數、電離層改正數修正程度之間的優劣。

表4 不同定位模式誤差影響分析

4 結束語

BDS區域系統于2012-12-27開通運行后,為亞太地區用戶提供獨立的導航定位和位置報告服務。本文基于高精度BDS用戶機實施了廣域差分性能評估試驗,通過對北京地區的實測數據進行分析得出以下結論:

(1)BDS提供的廣域差分服務進一步提升了系統服務性能。北京地區單頻差分服務比普通單點定位精度提升了近30%,雙頻差分服務精度比普通雙頻定位精度提升了近40%。

(2)北京地區的B1 ID單頻偽距差分精度優于5 m,B1B2 ID雙頻偽距差分精度優于3 m。

需要指出的是,本文的計算與分析僅使用了北京地區24 h的采集的數據,更科學客觀的評估廣域差分服務性能,還需進行大量的覆蓋不同地區、不同季節的試驗。

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Estimation Technology Research of BDS Wide Area Differential Performance

REN Hui,XIN Jie,ZHAO Jinxian,XUE Feng
(Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China)

Aiming at the testing estimate problem of BDS wide area differential performance,the paper constructed a testing platform based on BDS receivers,which could collect and analyze the data of multiple positioning models,such as singlefrequency pseudo range,single-frequency pseudo range differential,dual-frequency pseudo range and dual-frequency pseudo range differential,and then draw corresponding conclusions.The results prove that wide area differential service provided by BDS could further improve the system service performance.With the testing estimate results in Beijing as example,it’s easy to find that the accuracy of single-frequency pseudo range differential is superior to 5 m,improving near 30%than normal singlefrequency position accuracy;the accuracy of dual-frequency pseudo range differential is superior to 3 m,improving near 40% than normal dual-frequency position accuracy.

BDS;wide area differential;BDS receivers;dual-frequency differential

P228

A

2095-4999(2015)04-0007-04

2014-10-16

任暉(1978—),男,山東濟南人,工程師,博士,現主要從事衛星導航測試評估方向研究。引文格式:任暉,辛潔,趙金賢,等.北斗系統廣域差分性能評估技術研究[J].導航定位學報,2015,3(4):7-10.REN Hui,XIN Jie,ZHAO Jinxian,et al.Estimation Technology Research of BDS Wide Area Differential Performance[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):7-10.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150402