不同時期的BDS-3精密單點定位性能分析

崔 陽,陳正生,魏佼琛

(1. 陸軍勤務學院,重慶 401331; 2. 火箭軍工程大學,陜西 西安 710025)

精密單點定位技術(precise point positioning, PPP)是利用高精度衛星軌道及鐘差產品,通過單臺GNSS接收機載波相位和偽距觀測,實現毫米至分米級高精度定位[1-2],在GNSS精密定位與定軌、精密授時、地球動力學等諸多領域具有獨特的應用價值[3-5]。2020年7月31日,中國自主建設、獨立運行的北斗三號衛星導航系統(BDS-3)正式宣布開通,標志著北斗邁進全球服務新時代,基于BDS-3的PPP技術在國內外引起廣泛關注。針對BDS-3服務性能的相關研究表明,BDS-3信號質量總體上優于BDS-2[6-10]。

新一代BDS-3衛星的加入,對亞太地區的BDS-2精密單點定位有明顯的增強效果[11-12]。隨著BDS-3在軌衛星經過測試并投入全球化應用,相關科研機構生成了更多的BDS-3衛星的精密產品,MGEX地面測站也在逐步更新接收機或固件版本升級等,使其觀測到的BDS-3可用衛星數目不斷發生變化。不同時期BDS-3衛星數目變化對精密單點定位影響缺少關注?；诖?本文通過分析全球范圍內23個MGEX測站分別在2021年DOY 1和2022年DOY 1接收BDS-3衛星數目的變化情況,采用武漢大學精密軌道和鐘差產品進行BDS-3靜態和仿動態PPP試驗,探究BDS-3衛星數目變化對PPP定位性能的影響。

1 數據情況與解算策略

為分析不同時期地面站接收BDS-3衛星數目的變化情況及其對PPP的影響分析,篩選出23個全球分布的MGEX測站2021年DOY 1和2022年DOY 1兩天的數據,測站分布如圖1所示。

圖1 MGEX測站分布

表1為23個測站2022年DOY 1的接收機與天線類型,除了ASCG、CPVG采用的是美國Trimble公司的接收機產品,其他測站采用的都是比利時Septentrio公司的產品,與2021年DOY 1相比,只有ASCG、CPVC兩個測站接收機類型由“Trimble NETR9”更換為“Trimble ALLOY”,其他測站的接收機類型沒有變化。

表1 接收機與天線信息(2022年DOY 1)

分析23個全球MGEX測站在2021年DOY 1和2022年DOY 1接收到的BDS-3衛星數目情況,平均觀測到的衛星數目如圖2所示,統計可知2021年DOY 1各個測站平均觀測到BDS-3衛星有6.2顆,到2022年DOY 1則已增加到11.1顆。以MAL2測站為例,如圖3所示,該站在2021年DOY 1平均觀測到BDS-3有6.7顆,到2022年DOY 1增加到13.2顆。

圖2 全球23個MGEX測站接收BDS-3衛星情況

圖3 MAL2測站接收BDS-3衛星情況

為分析不同時期BDS-3衛星數目變化對精密單點定位的影響效果,基于GNSSer軟件的改進版本[13-14],采用表2中的處理策略進行分析。其中,觀測值類型選用B1I+B3I的無電離層組合,消除了電離層的一階項影響,待估參數僅包含測站坐標、對流層天頂延遲、接收機鐘差、衛星的模糊度等。觀測值采樣率為30 s,截止高度角為7°,衛星軌道和鐘差分別采用WUM的精密軌道和鐘差產品。影響在厘米級以上的觀測誤差,如相對論效應、潮汐、相位纏繞等利用經驗模型進行改正。對流層干延遲采用Saastamonen模型改正,濕延遲采用隨機游走模型估計,模糊度為浮點解。BDS-3衛星端天線相位中心改正采用官方提供的相位中心改正值[15],而接收機端信息尚未精確提供,按照IGS14天線文件中GPS衛星L1/L2值進行改正。

表2 精密單點定位處理策略

2 算例分析

按照表2的解算策略,對圖1中的23個MGEX測站數據分別進行靜態與仿動態精密單點定位解算和分析,包括收斂時間和計算精度。其中,坐標參考值選IGS發布的周解坐標產品,收斂時間定義為從第1個歷元開始至判定收斂的第1個歷元之間的時長,收斂定義為平面與高程偏差均小于0.1 m,并保持60個歷元(30 min);計算精度為最后一個歷元坐標值與坐標參考值偏差的中誤差。

2.1 靜態PPP分析

對2021年DOY 1和2022年DOY 1兩天的觀測數據進行PPP解算后,分析可視衛星數變化對靜態PPP定位精度及收斂時間的影響。

以測站MAL2為例,圖4為2021年DOY 1和2022年DOY 1的靜態精密單點定位的坐標偏差時間序列,在初始階段2022年DOY 1的收斂比2021年DOY 1明顯更快,可見更多BDS-3衛星的加入,有利于減少靜態PPP的收斂時間,提高定位精度。

圖4 MAL2測站BDS-3靜態精密單點定位偏差序列

進一步統計23個測站靜態PPP在E、N、U方向及點位的偏差,如圖5所示。23個MGEX測站在E、N、U方向的平均偏差和收斂時間統計結果見表3。由圖5和表3可知,對23個測站不同時期的定位結果進行分析,2021年DOY 1的平均定位精度在E、N、U方向上分別為0.46、0.40、1.74 cm,點位平均偏差為1.84 cm;而2022年DOY 1的平均定位精度分別為0.44、0.34、1.54 cm,點位平均偏差為1.63 cm。靜態PPP定位精度在E、N、U方向上分別提升了4.3%、15%、11.5%,點位平均偏差降低了11.4%,可見衛星數量的增加有利于改善衛星的空間分布結構,對靜態PPP定位精度有所改善。在收斂時間上,2021年DOY 1靜態PPP的平均收斂時間為32.7 min,2022年DOY 1的平均收斂時間為26.8 min,收斂時間縮短了18.1%。

表3 不同時期BDS-3靜態PPP定位平均誤差與收斂時間

圖5 不同時期BDS-3靜態PPP定位偏差

2.2 動態PPP分析

由于動態PPP沒有可靠的外部坐標作參考,因此,本文采用靜態模擬動態的試驗分析BDS-3可視衛星數變化對動態定位精度和收斂時間的影響。仿動態定位時將測站坐標作為白噪聲進行估計,其余參數的處理方法與靜態定位相同。為分析BDS-3可視衛星數變化對動態定位精度和收斂時間的影響,以MAL2測站為例,圖6為該站2021年DOY 1和2022年DOY 1的動態精密單點定位的坐標偏差時間序列,在初始階段2022年DOY 1的收斂比2021年DOY 1明顯更快,整體坐標偏差更穩定,可見更多BDS-3衛星的加入,有利于減少動態PPP的收斂時間,提高定位精度。

圖6 MAL2測站BDS-3動態精密單點定位偏差序列

進一步統計23個測站動態PPP在E、N、U方向及點位的偏差,如圖7所示。在E、N、U方向的動態平均偏差和收斂時間統計結果見表4。

表4 不同時期BDS-3動態PPP定位平均誤差與收斂時間

圖7 不同時期BDS-3動態PPP定位偏差

由圖7和表4可知,對23個測站不同時期的定位結果進行分析,2021年DOY 1的平均動態定位精度在E、N、U方向上分別為3.3、2.1、4.8 cm,點位平均偏差為6.1 cm;而2022年DOY 1的平均定位精度分別為2.4、1.6、3.4 cm,點位平均偏差為4.4 cm。動態PPP定位精度在E、N、U方向上分別提升了27.2%、23.8%、29.2%,點位平均偏差降低了28.0%,可見衛星數量的增加有利于改善衛星的空間分布結構及動態PPP定位精度。

在收斂時間上,2021年DOY 1動態PPP的平均收斂時間為69.9 min,2022年DOY 1動態PPP的平均收斂時間則為47.6 min,收斂時間縮短了31.9%。

3 結 論

本文利用全球分布的23個MGEX測站在2021年DOY 1和2022年DOY 1兩個不同時期的BDS-3數據進行靜態與仿動態PPP精定位解算,通過對定位精度與收斂時間進行性能評估,進一步研究BDS-3為全球用戶帶來的性能變化,試驗結果表明:

(1)全球23個MGEX測站在2021年DOY 1平均觀測到的BDS-3衛星數量為6.2顆,2022年DOY 1平均BDS-3衛星數量約為11.1顆。

(2)在靜態PPP模式下,BDS-3在E、N、U方向的精度分別由0.46、0.40、1.74 cm提高至0.44、0.34、1.54 cm,平均點位精度提高了11.4%,收斂時間縮短了18%。

(3)在仿動態PPP模式下,BDS-3在E、N、U方向的精度分別由3.3、2.1、4.8 cm提高為2.4、1.6、3.4 cm,平均點位精度提高了28.0%,收斂時間縮短了31.9%。

綜上所述,BDS-3經過兩年多的穩定運行,特別是在地面用戶逐步更新可接收BDS-3信號的軟硬件后,用戶實際可用BDS-3衛星數目不斷增加,有利于提高定位的可靠性與精度。未來隨著BDS-3的不斷發展及地面站的升級改造,BDS定位性能與用戶體驗必將進一步提升。