BDS+QZSS双系统组合PPP性能评估

张玉英，谭荣建，布金伟，李国柱，张东升

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 2.云南海钜地理信息技术有限公司，云南 昆明 650000)

1 引 言

北斗卫星导航系统(Beiou Satellite Navigation System，简称“BDS”)是我国正在实施的自主研发、 独立运行的全球卫星导航系统，预计将在2020年左右具备覆盖全球的导航定位能力，届时将与GPS、 GLONASS和Galileo系统一同为全球用户提供高精度、可靠的导航定位服务[1]。因而多系统组合导航定位也将是未来高精度定位的重要发展方向[2～5]。准天顶系统(Quasi-Zenith Satellite System，简称 “QZSS”)是由日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aero-space Exploration Agency，简称 “JAXA”)研发和实施的区域性卫星导航及增强系统[6～8]。

在截止高度角较大情况下，以及城市、建筑物密集区、山区、树林较多等区域，仅依靠单系统进行定位无法满足导航定位精度需求。在这些情况之下，单系统可见卫星数较少，定位精度和定位性能较差，为了克服此类问题，日本已经投入建设QZSS卫星系统，以增强其他系统卫星的定位服务能力。近年来，很多国内外学者对QZSS系统与其他系统卫星组合定位方面开展了很多研究工作并且取得了很多不错的研究成果[9～13]，但是QZSS系统对其他系统增强服务的评估主要集中在GPS系统，对其他系统的增强服务开展得还较少且不够具体。虽然目前QZSS/BDS组合定位的研究较少，但今后QZSS与其他系统的组合定位也将会成为一种必然趋势，因此评估QZSS导航系统对BDS在我国定位性能的增强作用具有重要意义。鉴于此，本文利用MGEX跟踪站的观测数据分别从可见卫星数、DOP值、静态PPP(Static PPP)和动态PPP(Kinematic PPP)几个方面对BDS+QZSS双系统组合PPP性能进行评估。

2 BDS+QZSS卫星导航系统星座结构

BDS卫星导航系统由35颗卫星构成，截至2012年底区域导航系统正式开通运行，共计发射卫星16颗，其中14颗组网并提供服务，包括5颗静止轨道GEO卫星、5颗倾斜同步轨道IGSO卫星和4颗中地球轨道MEO卫星，是第一个三轨混合的导航星座。预计到2020年，服务范围将覆盖全球，为全球用户提供更高精度的服务。目前，BDS在轨卫星数已经达到23颗，其中有21颗具有提供导航定位服务的能力。在时间系统方面，BDS卫星导航系统采用BDST，在坐标系统方面，采用CGCS2000坐标系[14]。BDS卫星系统向用户播发4种信号，即：B1(1 575.420 MHz)、B2(1 191.795 MHz)、B3(1 268.520 MHz)、Bs(2 492.028 MHz)，其中，Bs频点信号仅在I2-S和M1-S卫星上播发。

日本(Japan)的QZSS星座基本遵循了和BDS卫星导航系统类似的设计思路，QZSS卫星导航系统由分布在3个高倾斜椭圆轨道HEO上的3颗卫星组成[6]。目前，可观测到2颗准天顶卫星(QZS)，QZSS导航卫星的星下点轨迹呈大椭圆非对称“8”字形，在靠近日本附近的椭圆较大，在靠近澳大利亚附近的椭圆较小，在任何时间下，日本境内至少能接收1颗QZS卫星，QZS卫星能最大限度地减弱由于建筑物高大密集、树林、峡谷、山地等对导航信号的遮挡。

QZSS卫星向用户播发6种导航信号，即：L1C、L1-C/A、L1-SAIF、L2C、L5和LEX。L1C、L1-C/A、L1-SAIF(中心频率和频率宽带分别都为 1 574.42 MHz和24±12 MHz)，L2C(中心频率和频率宽带分别为 1 227.60 MHz和24±12 MHz)，L5(中心频率和频率宽带分别为 1 176.45 MHz和24.9±12.45 MHz)，LEX(中心频率和频率宽带分别为 1 278.75 MHz和39.0±19.5 MHz)。L1C、L1-C/A、L1-SAIF、L2C、L5信号在播发频点、扩频速率、调制和信号格式与GPS完全兼容，L1C、L5与Galileo系统播发的E1、E5a兼容。QZSS导航卫星改善了日本区域以及其他亚太地区定位的可用性和可靠性[10，15，16]。QZSS导航卫星共有2个发射信号的天线，LS-ANT天线在L1-SAIF频段播发dm级的广域差分增强信号，类似于目前SBAS的服务。L-ANT天线在Galileo E6频段上播发LEX信号用于提供高精度导航服务[12]。

在时间系统方面，QZSS导航卫星系统采用QZSST，时间系统与GPS一致，受控于GPST。坐标系统方面，QZSS导航卫星系统采用JGS，JGS坐标系统与GPS卫星系统采用的WGS-84之间的差异小于 2 cm，差异较小，对于一般的导航定位而言，这种差异可忽略不计。

3 定位性能评估

3.1 BDS+QZSS卫星可见性和DOP值分析

为了对BDS+QZSS卫星的可见性和DOP值进行评估和分析，试验采用2017年9月1日的3个测站(CUT0、JFNG和NNOR测站)的观测数据和广播星历数据，分别分析了3个测站在全天内BDS、BDS+QZSS导航卫星的Skyplot图(如图1所示)和卫星可见性情况(如图2所示)。图1(a-c)分别为测站CUT0、JFNG和NNOR在全天内BDS的Skyplot图，图1(d-f)分别为测站CUT0、JFNG和NNOR在全天内BDS+QZSS的Skyplot图。测站CUT0位于南半球上，其BDS可见卫星数为14颗，QZSS可见卫星数为2颗，呈不对称 “8”字形状。测站JFNG位于北半球上，BDS可见卫星数为14颗，QZSS可见卫星数为2颗。测站NNOR位于南半球上，BDS可见卫星数为16颗(C01-C14，C31-C32)，QZSS可见卫星数为2颗。3个测站均能观测到BDS卫星和QZSS卫星，在BDS+QZSS卫星均可见情况下便能实现增强覆盖，组合定位性能也将比单一系统卫星得到提升。

图1各个测站观测时段内BDS+QZSS卫星的Skyplot图

图2 各个测站观测时间内可见卫星情况

从图2(a)分析可知，在CUT0测站，1d内对于BDS卫星，C02、C03、C04、C05卫星全天均可见，C01、C06、C07、C08、C09、C11、C12、C13、C14卫星1d内部分时间可见。对于QZSS卫星，J01卫星全天可见，J02卫星1d内大约3h不可见；在JFNG测站，1d内对于BDS卫星，C02、C03、C04、C05卫星全天均可见，C01、C06、C07、C08、C09、C11、C12、C13、C14卫星1d内部分时间可见。对于QZSS卫星，J01卫星1d内大约4h不可见，J02卫星1d内大约5h不可见；在NNOR测站，1d内对于BDS卫星，C02、C03、C04、C05卫星全天均可见，C01、C06、C07、C08、C09、C11、C12、C13、C14、C31、C32卫星1d内部分时间可见。对于QZSS卫星，J01卫星和J02卫星全天均可见。

图3所示为CUT0测站的可见卫星数和DOP值时间序列，图中紫色、红色、蓝色、绿色和黑色分别表示可见卫星数、GDOP、PDOP、HDOP和VDOP的时间序列(截止高度角为30°)。从图3分析可知，随着高度角的增加，DOP值逐渐增大，可见卫星数逐渐较少，BDS+QZSS组合系统无论在何种截止高度角情形下，DOP值都比BDS单系统小且较稳定，可见卫星数则比BDS单系统多。在截止高度角为30°情况下，CUT0测站BDS+QZSS组合系统的DOP值波动比BDS单系统波动小，DOP均能保持在10以上，而BDS单系统达到12。

图3CUT0测站的可见卫星数、DOP值时间序列(截止高度角为30°)

3.2 PPP定位精度分析

(1)静态PPP分析

为了对BDS+QZSS导航卫星系统的定位性能进行评估和分析，选取了MGEX跟踪站的数据进行静态精密单点定位(Static PPP)和动态精密单点定位(Kinematic PPP)试验，数据采样率为30s。图4为JFNG测站的静态PPP时间序列(高度角为15°)，表1为NNOR测站不同截止高度角下dE、dN和dU的RMS值及改善率。

从图4可以看出，E方向上，BDS+QZSS组合系统定位收敛速度快于BDS单系统，收敛以后，BDS+QZSS与BDS单系统定位误差差异不大，N方向上，BDS+QZSS组合系统较BDS单系统改善不明显，U方向上，BDS+QZSS定位收敛速度明显比BDS单系统快，定位稳定性也优于BDS单系统，U方向上改善效果比E和N方向显著。

图4 JFNG测站静态PPP时间序列 NNOR测站不同截止高度角下dE、dN和dU的RMS值及改善率(Static PPP) 表1

从表1可以看出，E方向上，BDS+QZSS组合系统静态PPP结果较BDS单系统有一定改善，高度角小于30°情况下，改善率达到5%，当高度角为40°时，改善效果较为明显，改善率为11%；N方向上，当高度角小于30°时，改善率达到19%，当高度角为40°时，改善效果比E方向明显，改善率为23%；U方向上，当高度角为7°和15°时，BDS+QZSS组合系统静态PPP结果改善情况较BDS单系统差，高度角为30°时，较BDS单系统改善好，改善率为9%，高度角为40°时，改善率达到17%。综上分析，BDS+QZSS组合系统静态PPP结果N方向改善效果最好，U方向次之。然而在高度角较大时(40°)，U方向上，BDS+QZSS组合系统比BDS单系统在低高度角情形下改善较为明显。

图5NNOR测站不同时段长度解的静态PPP定位精度及收敛速度

图5给出了NNOR测站不同时段长度解的静态PPP定位精度及收敛速度，从图中可知，BDS+QZSS组合系统静态PPP的定位精度高于BDS单系统且收敛速度快于BDS单系统。E方向上，RMS值若要获得 1 m的结果，BDS+QZSS组合系统需要 50 min，而BDS单系统需要 60 min。N方向上，观测 120 min时段，BDS+QZSS组合系统和BDS单系统的RMS值分别为 0.17 m和 0.18 m。U方向上，RMS值若要得到 0.4 m的结果，BDS+QZSS组合系统需要 60 min，而BDS单系统则需要 120 min。

(2)动态PPP分析

为了分析BDS+QZSS卫星导航系统动态精密单点定位的性能，图6给出了NNOR测站动态PPP、可见卫星数和PDOP值时间序列(截止高度角分别为15°和40°)，表2给出了NNOR测站不同截止高度角下(分别为7°、15°、30°和40°)BDS+QZSS组合系统与BDS单系统定位结果的改善率统计。从图6中可以看出，从定位误差方面看，当截止高度角为15°时，NNOR测站E、N和U三个方向的BDS+QZSS组合动态PPP定位误差与BDS单系统差异不大，当截止高度角为40°时，E、N和U三个方向BDS单系统全天内的可用历元下降，一天仅有50%左右可用历元，而BDS+QZSS组合可用历元较多，此时两种模式的定位误差都较大，各个方向的离散程度都较差，BDS+QZSS组合对定位精度的改善有限，但BDS+QZSS组合与BDS单系统相比仍能有一定的改善效果。从可见卫星数和PDOP方面看，当截止高度角为15°时，BDS+QZSS组合与BDS单系统的可见卫星数全天均能保持在6颗以上，PDOP值均小于6且波动稳定。当截止高度角为40°时，BDS+QZSS组合全天可见卫星数在5颗左右，BDS单系统在4颗左右，此时BDS单系统的PDOP值比BDS+QZSS组合较大，波动比BDS+QZSS组合大。这说明BDS+QZSS组合能有效改善卫星分布的空间几何构型。

图6 NNOR测站动态PPP、可见卫星数和PDOP值时间序列(截止高度角分别为15°和40°) NNOR测站不同截止高度角下dE、dN和dU的RMS值及改善率(Kinematic PPP) 表2

从表2分析得出，在高度角为40°时，E、N和U方向上，BDS+QZSS组合系统改善效果较BDS单系统明显。当高度角为7°时，E、N和U方向改善率分别为0.5%、3%和9%。当高度角为15°时，E、N和U方向改善率分别为-7%、11%和11%，BDS+QZSS组合系统E方向上改善比BDS单系统差。当高度角为30°时，E、N和U方向改善率分别为19%、9%和5%。

图7给出了不同测站BDS和BDS+QZSS模式动态PPP解算的dE、dN和dU的RMS值统计结果。从图中分析可知，JFNG、NNOR和CUT0 3个测站的E、N和U方向，无论何种高度角情况下，BDS+QZSS组合系统的RMS值均小于BDS单系统。综合对比来看，3个测站截止高度角为40°情况下，BDS+QZSS组合系统的定位精度较BDS单系统改善显著。由此可见，QZSS卫星的加入，能够增强BDS卫星的定位精度、可靠性和稳定性。

图7不同测站BDS和BDS+QZSS模式dE、dN和dU的RMS对比图(KinematicPPP)

4 结 论

本文利用MGEX跟踪站的观测数据分别从可见卫星数、DOP值、静态PPP和动态PPP几个方面对BDS+QZSS双系统组合PPP性能进行评估，得到以下几点结论：

(1)BDS+QZSS组合系统定位比BDS单系统定位具有较优的空间几何构型分布，无论在何种高度角情况下，可见卫星数都多于BDS单系统，DOP值小于BDS单系统。

(2)静态PPP方面，E、N和U方向上，BDS+QZSS定位收敛速度比BDS单系统快，定位稳定性也优于BDS单系统，U方向上改善效果比E和N方向显著。在高度角较大时(40°)，U方向上改善率达到17%以上，BDS+QZSS组合系统比BDS单系统在低高度角情形下改善较为明显。对于NNOR测站而言，E方向上，RMS值若要获得 1 m的结果，BDS+QZSS组合系统需要 50 min，而BDS单系统需要 60 min。N方向上，观测 120 min时段，BDS+QZSS组合系统和BDS单系统的RMS值分别为 0.17 m和 0.18 m。U方向上，RMS值若要得到 0.4 m的结果，BDS+QZSS组合系统需要 60 min，而BDS单系统则需要 120 min。

(3)动态PPP方面，当截止高度角为40°时，E、N和U三个方向BDS单系统全天内的可用历元下降，一天仅有50%左右可用历元，而BDS+QZSS组合可用历元较多，此时两种模式的定位误差都较大，各个方向的离散程度都较差，BDS+QZSS组合对定位精度的改善有限，但BDS+QZSS组合与BDS单系统相比仍能有一定的改善效果。可见，QZSS卫星的加入，能够增强BDS卫星的定位精度、可靠性和稳定性。