北斗導航定位服務性能時空特性分析

車戰武,常志巧,范媚君,王強

(北京衛星導航中心,北京100094)

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北斗導航定位服務性能時空特性分析

車戰武,常志巧,范媚君,王強

(北京衛星導航中心,北京100094)

為了對北斗導航系統開通服務以來的定位服務性能進行全面評估,首先給出了B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強定位和B1/B3雙頻增強定位4種定位觀測模型,設計了顧及星歷和鐘差齡期IODE/IODC的定位策略,利用中國區域內監測網的連續觀測數據對4種定位模式的時間特性和空間特性進行了比較分析與評估。得出北京地區連續3年的測試結果和海南及新疆三地的測試結果。

北斗衛星導航系統;基本定位;增強定位;定位精度

0 引 言

北斗衛星導航系統(BDS)已于2012年12月底正式提供服務,可為中國及亞太地區用戶提供全天時、全天候的公開服務[1]。通過覆蓋亞太地區的服務信號監測評估表明,系統服務性能滿足指標要求,部分地區服務性能優于10m[2]。定位精度是衛星導航系統服務性能的最終評定標準,為實現GPS服務性能的評估,GPS運行中心從2005年開始每年發布運行情況年報,從服務精度、可用性等角度對系統指標進行評估[3]?，F有評估北斗服務性能的文獻較多[1,4],大多只是針對短期觀測,往往選擇星座較穩定如衛星無機動、調頻調相、衛星姿態調整等操作的時段進行測試,并不能代表北斗定位服務性能的總體情況。BDS同時提供開放服務和授權服務兩種定位服務模式[5]。開放服務通過向用戶提供包含廣播星歷和衛星鐘差的導航電文滿足用戶基本導航需求;授權服務通過向授權用戶提供實時廣域差分改正和完好性信息滿足用戶增強導航需求。本文將對北斗導航系統開通服務以來的基本和增強兩種定位模式進行全面性能評估,評估結果以期全面反映北斗定位服務性能的綜合情況。

1 北斗定位模型和策略

1.1 北斗四種定位模型比較

利用北斗導航系統進行絕對定位,認為導航電文中的衛星星歷和鐘差精確,接收機的坐標和鐘差是未知參數,單頻基本導航的偽距觀測方程可以表示為

Pi=ρ+dtrop+dscal+drel+c(dt-dT)+

i=1,2,3，

(1)

對于雙頻(B1/B3組合,消除電離層影響)用戶,其觀測組合為

(2)

式中:PB1/B3為B1、B3雙頻無電離層組合觀測量; 雙頻基本導航的偽距觀測方程可以表示為

PB1/B3= ρ+dtrop+dscal+drel+c(dt-dT)+

i=1,2,3,

(3)

在單頻差分模式下,設三個頻點的等效鐘差分別為Δt1,Δt2,Δt3,則對三個頻率的觀測方程可以寫為

Pi= ρ+dtrop+dscal+drel+c(dt-dT)-

i=1,2,3,

(4)

式中，Δti為頻率Bi的等效鐘差， 其余各符號定義同式(1)。

上式中dion為B1頻率上的電離層延遲量,利用電離層格網內插獲取穿刺點垂直延遲,通過穿刺點傾斜因子Fiono,將垂直延遲轉換到觀測方向電離層延遲。

dion=Fiono·Ionodelayp,

(5)

式中: Fiono為穿刺點傾斜因子; Ionodelayp為電離層格網內插獲取穿刺點垂直延遲。

若要進行雙頻組合定位,可以利用改正等效鐘差后的觀測量進行組合。

在雙頻頻差分模式下,對于雙頻(B1/B3組合,消除電離層影響)用戶,其觀測組合為

(6)

式中: PB1/B3為B1、B3雙頻無電離層組合觀測量;Δti為頻率Bi的等效鐘差; 偽距觀測方程參見式(3)。

1.2 定位策略

衛星導航系統的實時導航用戶通過測量衛星天線相位中心到接收機相位中心距離以及衛星發播的導航電文實現實時定位、導航和授時(PNT)服務。北斗基本導航信息每小時發布一次?；緦Ш叫畔ㄕ苡嫈?WN)、用戶距離精度(URAI)、衛星自主健康標識(SatH1)、星上設備時延(TGD1)、星歷參數和星歷數據齡期(IODE)、鐘差參數和鐘差參數齡期(IODC)等[6]; 數據齡期是本時段參數參考時刻與計算參數所做測量的最后觀測時刻之差,IODE/IODC的具體含義如表1所示。

表1 IODE/IODC具體內容說明

顧及衛星健康標識、星歷齡期、星鐘齡期、截止高度角的選星衛星策略如圖1所示,首先判斷衛星是否健康; 然后判斷IODE和IODC是否為1,大于1則表示星歷或鐘差參數未及時更新或衛星不能被區域監測網觀測; 最后判斷高度角是否大于截止角。

增強導航信息包括:等效鐘差改正數Δt、用戶差分距離誤差指數(UDREI)、格網電離層垂直延遲(dτ)、格網電離層垂直誤差指數(GIVEI)以及完好性及差分信息健康標識SatH2[6]。對于增強導航,其選星策略在基本導航基礎上去除IODE/IODC限制,增加相應判斷。在SATH1判斷基礎上增加SatH2字段是否為0的判斷; 當UDREI為14或15時,則該顆衛星不參與差分定位; 若某顆衛星的穿刺點周圍無3個有效的格網點,則該顆衛星不參與單頻差分定位(格網點GIVEI為14或15時,該格網點不參與單頻差分計算)。

2 定位性能時間特性分析

試驗評估采用位于北京地區的某測量型接收機的B1、B3偽距觀測數據,試驗時間為2013年1月1日至2016年7月19日,采樣間隔為1 min.該接收機的真實位置坐標采用靜態精密單點定位的方法獲取。共進行4種定位模式的計算,分別為B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強定位、B1/B3雙頻增強定位。每種定位組合都在已知衛星鐘差和廣播星歷的前提下,對衛星TGD及其余誤差修正后,對單歷元的測站坐標和鐘差進行最小二乘估計。以天為單位對1 440個歷元的定位誤差進行RMS統計,并將2013年1月1日以來的定位RMS序列繪制于以下兩圖,圖2是基本導航定位精度序列圖,圖3是增強導航定位精度序列圖。由于春/秋分期間GEO衛星由于太陽入射方向與軌道面接近平行,造成衛星本體太陽受照的復雜變化,導致UERE相比于其它時段顯著增大。文獻[7]綜合利用北斗系統獨特的獨立時間同步測量體制,實現了星地鐘差約束下的多星定軌研究,改善了定軌精度,下面將近幾年春秋分定位精度與正常情況下的定位精度進行比較。

圖中,橫坐標示出4次春分點和3次秋分點的具體日期,無論基本導航、增強導航、單頻定位、雙頻定位,都未出現春秋分定位精度下降的現象。資料顯示,北斗系統在春秋期間對GEO衛星采用了特殊的處理模式,來彌補光壓攝動建模的誤差[7]。

表2示出了四種模式的水平、高程和三維定位精度。可以看出,無論哪種定位模式水平定位精度高于高程方向。B3基本導航位置誤差RMS平均值為4.293 m; B1/B3雙頻基本導航,由于雙頻消除了電離層延遲誤差,精度提高至3.233 m; B3增強導航,由于采用了等效鐘差快變改正信息,改正了衛星軌道和鐘差的大部分誤差,電離層延遲誤差采用格網電離層內插方式計算,精度較高,定位精度提高至2.302 m; B1/B3雙頻增強導航,采用雙頻消除了電離層延遲誤差,電離層修正精度比采用格網的方式更高,因此定位精度進一步提高至2.210 m.

表2 北京地區定位誤差RMS平均值統計

表3示出了以年為單位統計了各年的定位位置誤差RMS平均值,總體上看,各種定位模式各年定位精度變化不大,增強導航各年幾乎無變化,基本導航定位精度有變高的趨勢。

表3 北京地區各年定位位置誤差RMS平均值統計 單位:m

3 定位性能空間特性分析

在北京、新疆和海南地區各選取一個測試點,試驗時間為2016年5月8日全天,采樣間隔為1 min,所有接收機的真實位置坐標采用靜態精密單點定位的方法獲取。與上文一樣共進行4種定位模式的定位計算。表4示出了2016年5月8日全天不同區域定位位置誤差的RMS統計; 可以看出對于基本導航代表服務區中部的北京整體定位精度最高,南部地區的海南其次,西北部地區的新疆定位精度最低; 對于增強導航北京和海南地區其定位精度高于基本導航,兩個測試點定位精度相當,且B3增強和B1/B3雙頻增強兩種模式的定位精度也相當; 對于新疆地區,B3增強定位模式反而比B3基本導航模式的定位精度低,RMS達到29.467 m.

表4 不同區域定位位置精度比較RMS 單位:m

北斗衛星相位中心具有與質心不重合,且不同頻點相位中心也不重合的特點。目前北斗導航系統發播電文時采用衛星鐘差參數a0修正B3頻點相位中心的大部分誤差[8]。由于天線相位中心偏差引起的用戶距離誤差(URE)具有各向異性特性,必然標定點北京URE更小,基本導航的定位精度更高。增強導航由于采用了表征服務區的平均URE誤差的等效鐘差,因此在服務區內的定位精度更均勻。

在新疆地區,由于可視衛星較少,定位幾何構型較差,導致PDOP值較大,定位誤差最大,如圖4所示,新疆地區B3基本定位模式下PDOP全天平均值為6.170,海南和北京地區PDOP平均值分別為2.504和2.733.B3增強定位模式的PDOP如圖5所示,海南和北京地區PDOP平均值分別為2.481和2.490,略低于B3基本定位模式,原因為B3增強定位模式,可用衛星未采用IODE/IODC為1的限制; 在新疆地區PDOP平均值增大至17.677,某些時段甚至出現缺少觀測衛星導致PDOP迅速增大的情況,進一步分析原因,區域監測網在西北地區布站較稀疏,導致西北地區部分格網點存在不可解的情況,導致單頻廣域差分可用的衛星個數減少,定位幾何構型變差,PDOP增大,甚至出現可用衛星少于4顆的現象。

4 結束語

本文利用北斗區域監測網的連續觀測對北斗衛星導航系統定位性能進行B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強定位、B1/B3雙頻增強定位共4種定位模式的時空性能評估,獲得以下結論:

總體上看,各種定位模式各年定位精度變化不大,增強導航各年幾乎無變化,基本導航定位精度有變高的趨勢。在服務區的中北部地區,B3單頻定位、B1/B3雙頻定位、B3單頻增強定位、B1/B3雙頻增強定位精度依次提高,大約為5 m、3 m、2 m、2 m的誤差水平。定位誤差在時間尺度上較平穩,在每年的春秋分時期,未出現定位精度下降的現象。

在空間尺度上,基本導航定位精度分布不均勻。中部地區整體定位精度最高,南部地區其次,西北部地區由于PDOP值較大,定位精度最低; 對于增強導航,中部和南部地區其定位精度高于基本導航,且兩個區域增強定位精度相當; 對于新疆地區,B3增強定位模式由于西北地區部分電離層格網點解算可用度低,在某些時段,反而比B3基本導航模式的定位精度低。

[1] 楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J].中國科學: 地球科學, 2014(44): 72-81.

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[3] WILLIAM J. Hughes technical center (2012), Global Positioning System (GPS) Standard Positioning Service (SPS) performance analysis report, Report No 76[R].2012.

[4] 施闖,趙齊樂,李敏,等,北斗衛星導航系統的精密定軌與定位研究[J].中國科學 地球科學G輯:地球科學, 2012, 42(6):854-861.

[5] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號(2.0版)[R].2013.

[6] LI X, ZHOU J H, HU X G,etal. Orbit determination and prediction for Beidou GEO satellites at the time of the spring/autumn equinox[J]. Science China, Physics, Mechanics & Astronomy,2015,58(8): 1-9.

[7] 劉利,時鑫,栗靖,等.北斗基本導航電文定義與使用方法[J]. 中國科學: 物理學 力學 天文學, 2015, 45(7)，079509.doi:10.1360/SSPMA2015-00124.

The Time and Spatial Characteristics Analysis for Beidou Navigation and Positioning Service Performance

CHE Zhanwu,CHANG Zhiqiao,FAN Meijun,WANG Qiang

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094)

In order to make a comprehensive assessment of service performance for Beidou Satellite Navigation System since the service in operation formally, four positioning models which are B3 single-frequency positioning, B1/B3 dual-frequency positioning, B3 single-frequency differential positioning and B1/B3 dual-frequency differential positioning are given in this paper firstly, and then positioning strategy is designed to take into account IODE/IODC ephemeris and clock age, and last the time and the spatial characteristics of 4 kinds of positioning model are analyzed and evaluated using the continuous monitoring network data in the Chinese region. The continuous three year results of Beijing area,Hainan and Xinjiang area is presented.

Beidou Satellite Navigation System; fundamental positioning; differential positioning; positioning accuracy

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.001

2016-10-02

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0001-05

車戰武 (1964-)，男,高級工程師,主要從事衛星導航系統總體設計、信號體制設計研究。

常志巧 (1981-),女,博士,主要從事GNSS數據處理理論和方法研究。

范媚君 (1983-),女,博士,主要從事GNSS廣域差分與完好性技術研究。

王強 (1966-),男,高級工程師,主要從事衛星導航用戶設備測試研究。

聯系人： 常志巧 E-mail: zhiqiaochang@163.com