北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位性能评估

王 翔，聂志喜，王振杰，徐晓飞，张远帆

北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位性能评估

王 翔，聂志喜，王振杰，徐晓飞，张远帆

（中国石油大学（华东） 海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580）

针对海洋油气勘探、海洋应急救援等应用依赖海洋实时高精度定位，而目前主要采用的商用精密单点定位（PPP）技术的设备与服务成本较高的问题，提出利用我国北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3，文中简称北斗三号）提供的免费实时精密单点定位（PPP-B2b）服务在海洋环境中开展实时精密单点定位的方法：分析北斗三号PPP-B2b导航电文信息格式，并给出北斗三号PPP-B2b精密轨道、钟差计算及伪距偏差改正方法；然后建立基于北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位模型；最后采用海洋实测数据评估基于北斗三号PPP-B2b服务的实时精密单点定位精度，并与NavCom公司的Starfire星站差分PPP定位精度进行对比。结果表明，北斗三号PPP-B2b水平定位精度为7.62 cm，垂直定位精度为13.10 cm，定位精度略低于Starfire星站差分PPP。

北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3）；实时精密单点定位（RT-PPP）；海洋定位；精度评估

0 引言

精密单点定位（precise point positioning，PPP）技术是当前全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）领域的研究热点，也是实现高精度定位的关键技术之一[1-3]。它利用单台接收机GNSS观测值及精密星历进行数据处理，定位精度可达到分米级乃至厘米级[4-5]。

随着实时高精度定位需求的日益增长，文献[6]提出了实时精密单点定位（real-time precise point positioning，RT-PPP）技术，即利用实时精密卫星钟差和轨道产品进行实时定位。此外，国际GNSS服务组织（International GNSS Service，IGS）通过国际互联网提供实时服务（real-time service，RTS）数据，公开播发实时卫星钟差、轨道等改正数。RTS实时轨道精度优于5 cm，钟差精度在0.3 ns以内[7-9]，水平方向定位精度约为10 cm，垂直方向定位精度在20 cm以内[10-11]。基于RTS数据的实时精密单点定位依赖于稳定的网络通信服务，一旦网络通信服务中断，用户将无法接收RTS改正数，这制约了基于RTS 服务的RT-PPP技术在海洋等网络通信困难环境下的应用和发展。国际上一些商业公司开发了商用PPP服务，为用户提供实时高精度的单点定位结果。目前商用PPP服务主要包括OmniStar系统[12]、NavCom公司的Starfire系统[13]、Trimble公司的RTX系统[14]、Fugro公司的StarFix系统[15]等。商用PPP服务依赖于卫星通信，设备成本高、服务价格昂贵。

北斗三号全球卫星导航系统（Beidou global navigation satellite system，BDS-3，下文简称“北斗三号”）于2020年7月正式开通，为我国及周边地区用户提供公开、免费、高精度的精密单点定位（PPP-B2b）服务[16-19]。目前北斗三号PPP-B2b服务通过北斗三号地球静止轨道（geostationary orbit，GEO）卫星播发BDS-3和全球定位系统（global positioning system，GPS）精密轨道、钟差等改正数，且不受网络通信的影响。北斗三号PPP-B2b精密轨道、钟差改正数结合广播星历可实时计算出北斗三号PPP-B2b精密轨道与钟差，基于精密轨道与钟差可进行实时精密单点定位。目前基于北斗三号PPP-B2b服务的研究大多是基于陆地等常规环境[16-22]，海洋环境中的定位方法研究较少，而海洋对GNSS实时高精度定位的需求却非常广泛[23-24]；因此研究基于北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位具有重要意义。

本文通过分析北斗三号PPP-B2b导航电文信息格式，给出北斗三号PPP-B2b精密轨道、钟差计算及伪距偏差改正方法，建立基于北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位模型，采用海洋实测数据，评估并分析海洋环境中的北斗三号PPP-B2b服务定位性能，并与商用PPP服务的定位精度进行对比。

1 北斗三号PPP-B2b导航电文内容与精密星历计算

在使用北斗三号PPP-B2b服务进行精密定位时，实时精密卫星轨道、钟差的计算是必不可少的。本节首先介绍北斗三号PPP-B2b导航电文内容，在此基础上，给出北斗三号PPP-B2b精密卫星轨道、钟差计算及伪距偏差改正方法。

1.1 北斗三号PPP-B2b导航电文内容

根据北斗三号PPP-B2b导航电文信息格式，每条电文加载数据大小为486 bit，包括6 bit信息类型、456 bit信息数据和24 bit循环冗余校验位。采用数据版本号（issue of data，IOD）来保证不同信息类型所播发信息内容的关联性，IOD包括状态空间描述数据的版本号（issue of data of space state representation，IOD SSR）、卫星掩码的数据版本号（issue of data of pseudo-random noise mask，IODP）、GNSS下行信号播发的星钟与星历的数据版本号（issue of the navigation data，IODN）、轨道改正数和钟差改正数的版本号（issue of data of orbit and clock correction，IOD Corr）。如表1所示总结了北斗三号PPP-B2b导航电文信息类型与信息内容[25]，目前实际播发的信息类型为1、2、3、4及63，且仅播发BDS-3和GPS卫星的改正数信息。

表1 信息类型定义

1.2 北斗三号PPP-B2b精密星历计算

其中

北斗三号PPP-B2b所播发的钟差改正数是相对于广播星历钟差的改正参数，北斗三号PPP-B2b精密卫星钟差的计算方法[25]为

1.3 GNSS卫星码间偏差改正

在处理卫星观测数据时，会用到多种频率的信号，各观测值中包含着一个与卫星信号跟踪模式有关的偏差，因此在进行各类信号同步处理时，需要消除卫星码间偏差。GNSS卫星码间偏差改正公式[25]可以表示为

2 北斗三号PPP-B2b精密定位模型

GNSS原始伪距和载波相位观测值可以表示为[26]：

为消弱电离层延迟的影响，采用双频伪距和载波相位的消电离层（ionospheric-free，IF）组合观测值。双频消电离层组合观测值可以表示为[4]：

由于采用了北斗三号PPP-B2b精密轨道与精密卫星钟差，卫星的轨道误差和钟误差可认为已被消除，卫星伪距硬件偏差采用PPP-B2b服务播发的GNSS卫星码间偏差进行改正。此外，对流层延迟可分为干延迟和湿延迟，其中天顶对流层干延迟一般用萨斯塔莫宁（Saastamonien）模型进行修正，而天顶对流层湿延迟分量则需要进行估计。因此，式（8）、式（9）可线性化为：

3 实验与结果分析

目前，北斗三号PPP-B2b服务仅播发BDS-3和GPS卫星改正参数，NavCom SF-3050接收机支持GPS、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）和欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system，Galileo）的卫星信号。本次实验的北斗三号PPP-B2b定位与Starfire星站差分定位的可用卫星数如图1所示，可知可用卫星数均可满足定位要求。北斗三号PPP-B2b定位可用卫星数平均为10颗，而Starfire星站差分定位可用卫星数平均为14颗，稍多于前者的可用卫星数。

图1 北斗三号PPP-B2b/ Starfire星站差分定位可用卫星数

北斗三号PPP-B2b定位误差曲线如图2所示，可知，经过20 min的收敛后，水平方向定位误差在8 cm以内，垂直方向定位误差在14 cm以内。Starfire星站差分定位误差曲线如图3所示，可知，经过20 min的收敛后，水平方向定位误差约为4 cm，垂直方向定位误差在9 cm以内。偏差（Bias）表示经过20 min的收敛后，定位结果与真值之差的平均值。如表2所示为北斗三号PPP-B2b定位收敛后各方向的定位精度，东（East）、北（North）、天（Up）3个方向的偏差分别为1.43、5.04与10.10 cm，3个方向的均方根误差分别为4.94、5.80与13.10 cm。如表3所示为Starfire星站差分收敛后各方向的定位精度，东、北、天3个方向的偏差分别为1.03、0.64与4.69 cm，3个方向的均方根误差分别为2.90、2.58与8.01 cm。实验结果表明，海洋环境中，北斗三号PPP-B2b水平定位精度优于10 cm，垂直定位精度优于15 cm，略低于Starfire星站差分定位精度。

图2 北斗三号PPP-B2b定位误差

表2 北斗三号PPP-B2b定位精度统计 cm

表3 Starfire星站差分定位精度统计 cm

4 结束语

北斗三号为中国及周边地区用户提供公开、免费、高精度的PPP-B2b服务，可在网络通信困难环境下实现实时高精度定位。本文开展了基于北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位方法研究，用海洋实测数据评估了基于北斗三号PPP-B2b服务的实时精密单点定位精度，并与NavCom公司的Starfire星站差分定位精度进行了对比。结果表明：北斗三号PPP-B2b水平定位精度为7.62 cm，垂直定位精度为13.10 cm；Starfire星站差分水平定位精度为3.88 cm，垂直定位精度为8.01 cm；北斗三号PPP-B2b定位精度略低于Starfire星站差分定位。北斗三号PPP-B2b定位精度在水平方向上优于10 cm，在垂直方向上优于15 cm，可满足水平方向厘米级、高程方向分米级的海上实时高精度定位要求。北斗三号PPP-B2b服务与其他商用PPP服务进行对比还须进一步深入研究。

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Initial assessment of offshore real-time precise point positioning based on BDS-3 PPP-B2b service

WANG Xiang, NIE Zhixi, WANG Zhenjie, XU Xiaofei, ZHANG Yuanfan

（College of Oceanography and Space Informatics, China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580, China）

Aiming at the problem that the application of marine oil and gas exploration, marine emergency rescue, etc. relies on the offshore real-time high-precision positioning, while currently the commercial precision point positioning (PPP) technology mainly used for the offshore real-time high-precision positioning have high costs of equipment and services, the paper proposed a method that uses Beidou global navigation satellite system (BDS-3) provided freely accessible real-time precise point positioning (PPP-B2b) service to carry out the real-time PPP in the marine environment: the recovery methods of PPP-B2b precise satellite orbit, clock offset and pseudo-range differential code bias correction with PPP-B2b messages were discussed; and the offshore real-time PPP model based on BDS-3 PPP-B2b service was constructed; then the accuracy of real-time PPP based on BDS-3 PPP-B2b service was evaluated by using marine measured data; finally, the accuracy was compared with the differential PPP positioning accuracy of NavCom's Starfire satellite station. Results showed that the horizontal positioning accuracy of BDS-3 PPP-B2b would be 7.62 cm and the vertical positioning accuracy 13.10 cm, which could be slightly lower than the PPP positioning accuracy of Starfire service.

Beidou global navigation satellite system (BDS-3); real-time precise point positioning (RT-PPP); offshore positioning; accuracy assessment

王翔, 聂志喜, 王振杰, 等. 北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位性能评估[J]. 导航定位学报, 2023, 11(4): 18-23.（WANG Xiang, NIE Zhixi, WANG Zhenjie, et al. Initial assessment of offshore real-time precise point positioning based on BDS-3 PPP-B2b service[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 18-23.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230403.

P228

A

2095-4999(2023)04-0018-06

2022-12-12

国家自然科学基金项目（42174020）；国家自然科学基金青年基金项目（42104011）；山东省自然科学基金青年基金项目（ZR2021QD069）。

王翔（1997—），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为GNSS导航定位。

聂志喜（1988—），男，湖南涟源人，博士，副教授，研究方向为GNSS/INS多传感器导航定位。