不同时期的BDS-3精密单点定位性能分析

崔 阳,陈正生,魏佼琛

(1. 陆军勤务学院,重庆 401331; 2. 火箭军工程大学,陕西 西安 710025)

精密单点定位技术(precise point positioning, PPP)是利用高精度卫星轨道及钟差产品,通过单台GNSS接收机载波相位和伪距观测,实现毫米至分米级高精度定位[1-2],在GNSS精密定位与定轨、精密授时、地球动力学等诸多领域具有独特的应用价值[3-5]。2020年7月31日,中国自主建设、独立运行的北斗三号卫星导航系统(BDS-3)正式宣布开通,标志着北斗迈进全球服务新时代,基于BDS-3的PPP技术在国内外引起广泛关注。针对BDS-3服务性能的相关研究表明,BDS-3信号质量总体上优于BDS-2[6-10]。

新一代BDS-3卫星的加入,对亚太地区的BDS-2精密单点定位有明显的增强效果[11-12]。随着BDS-3在轨卫星经过测试并投入全球化应用,相关科研机构生成了更多的BDS-3卫星的精密产品,MGEX地面测站也在逐步更新接收机或固件版本升级等,使其观测到的BDS-3可用卫星数目不断发生变化。不同时期BDS-3卫星数目变化对精密单点定位影响缺少关注。基于此,本文通过分析全球范围内23个MGEX测站分别在2021年DOY 1和2022年DOY 1接收BDS-3卫星数目的变化情况,采用武汉大学精密轨道和钟差产品进行BDS-3静态和仿动态PPP试验,探究BDS-3卫星数目变化对PPP定位性能的影响。

1 数据情况与解算策略

为分析不同时期地面站接收BDS-3卫星数目的变化情况及其对PPP的影响分析,筛选出23个全球分布的MGEX测站2021年DOY 1和2022年DOY 1两天的数据,测站分布如图1所示。

图1 MGEX测站分布

表1为23个测站2022年DOY 1的接收机与天线类型,除了ASCG、CPVG采用的是美国Trimble公司的接收机产品,其他测站采用的都是比利时Septentrio公司的产品,与2021年DOY 1相比,只有ASCG、CPVC两个测站接收机类型由“Trimble NETR9”更换为“Trimble ALLOY”,其他测站的接收机类型没有变化。

表1 接收机与天线信息(2022年DOY 1)

分析23个全球MGEX测站在2021年DOY 1和2022年DOY 1接收到的BDS-3卫星数目情况,平均观测到的卫星数目如图2所示,统计可知2021年DOY 1各个测站平均观测到BDS-3卫星有6.2颗,到2022年DOY 1则已增加到11.1颗。以MAL2测站为例,如图3所示,该站在2021年DOY 1平均观测到BDS-3有6.7颗,到2022年DOY 1增加到13.2颗。

图2 全球23个MGEX测站接收BDS-3卫星情况

图3 MAL2测站接收BDS-3卫星情况

为分析不同时期BDS-3卫星数目变化对精密单点定位的影响效果,基于GNSSer软件的改进版本[13-14],采用表2中的处理策略进行分析。其中,观测值类型选用B1I+B3I的无电离层组合,消除了电离层的一阶项影响,待估参数仅包含测站坐标、对流层天顶延迟、接收机钟差、卫星的模糊度等。观测值采样率为30 s,截止高度角为7°,卫星轨道和钟差分别采用WUM的精密轨道和钟差产品。影响在厘米级以上的观测误差,如相对论效应、潮汐、相位缠绕等利用经验模型进行改正。对流层干延迟采用Saastamonen模型改正,湿延迟采用随机游走模型估计,模糊度为浮点解。BDS-3卫星端天线相位中心改正采用官方提供的相位中心改正值[15],而接收机端信息尚未精确提供,按照IGS14天线文件中GPS卫星L1/L2值进行改正。

表2 精密单点定位处理策略

2 算例分析

按照表2的解算策略,对图1中的23个MGEX测站数据分别进行静态与仿动态精密单点定位解算和分析,包括收敛时间和计算精度。其中,坐标参考值选IGS发布的周解坐标产品,收敛时间定义为从第1个历元开始至判定收敛的第1个历元之间的时长,收敛定义为平面与高程偏差均小于0.1 m,并保持60个历元(30 min);计算精度为最后一个历元坐标值与坐标参考值偏差的中误差。

2.1 静态PPP分析

对2021年DOY 1和2022年DOY 1两天的观测数据进行PPP解算后,分析可视卫星数变化对静态PPP定位精度及收敛时间的影响。

以测站MAL2为例,图4为2021年DOY 1和2022年DOY 1的静态精密单点定位的坐标偏差时间序列,在初始阶段2022年DOY 1的收敛比2021年DOY 1明显更快,可见更多BDS-3卫星的加入,有利于减少静态PPP的收敛时间,提高定位精度。

图4 MAL2测站BDS-3静态精密单点定位偏差序列

进一步统计23个测站静态PPP在E、N、U方向及点位的偏差,如图5所示。23个MGEX测站在E、N、U方向的平均偏差和收敛时间统计结果见表3。由图5和表3可知,对23个测站不同时期的定位结果进行分析,2021年DOY 1的平均定位精度在E、N、U方向上分别为0.46、0.40、1.74 cm,点位平均偏差为1.84 cm;而2022年DOY 1的平均定位精度分别为0.44、0.34、1.54 cm,点位平均偏差为1.63 cm。静态PPP定位精度在E、N、U方向上分别提升了4.3%、15%、11.5%,点位平均偏差降低了11.4%,可见卫星数量的增加有利于改善卫星的空间分布结构,对静态PPP定位精度有所改善。在收敛时间上,2021年DOY 1静态PPP的平均收敛时间为32.7 min,2022年DOY 1的平均收敛时间为26.8 min,收敛时间缩短了18.1%。

表3 不同时期BDS-3静态PPP定位平均误差与收敛时间

图5 不同时期BDS-3静态PPP定位偏差

2.2 动态PPP分析

由于动态PPP没有可靠的外部坐标作参考,因此,本文采用静态模拟动态的试验分析BDS-3可视卫星数变化对动态定位精度和收敛时间的影响。仿动态定位时将测站坐标作为白噪声进行估计,其余参数的处理方法与静态定位相同。为分析BDS-3可视卫星数变化对动态定位精度和收敛时间的影响,以MAL2测站为例,图6为该站2021年DOY 1和2022年DOY 1的动态精密单点定位的坐标偏差时间序列,在初始阶段2022年DOY 1的收敛比2021年DOY 1明显更快,整体坐标偏差更稳定,可见更多BDS-3卫星的加入,有利于减少动态PPP的收敛时间,提高定位精度。

图6 MAL2测站BDS-3动态精密单点定位偏差序列

进一步统计23个测站动态PPP在E、N、U方向及点位的偏差,如图7所示。在E、N、U方向的动态平均偏差和收敛时间统计结果见表4。

表4 不同时期BDS-3动态PPP定位平均误差与收敛时间

图7 不同时期BDS-3动态PPP定位偏差

由图7和表4可知,对23个测站不同时期的定位结果进行分析,2021年DOY 1的平均动态定位精度在E、N、U方向上分别为3.3、2.1、4.8 cm,点位平均偏差为6.1 cm;而2022年DOY 1的平均定位精度分别为2.4、1.6、3.4 cm,点位平均偏差为4.4 cm。动态PPP定位精度在E、N、U方向上分别提升了27.2%、23.8%、29.2%,点位平均偏差降低了28.0%,可见卫星数量的增加有利于改善卫星的空间分布结构及动态PPP定位精度。

在收敛时间上,2021年DOY 1动态PPP的平均收敛时间为69.9 min,2022年DOY 1动态PPP的平均收敛时间则为47.6 min,收敛时间缩短了31.9%。

3 结 论

本文利用全球分布的23个MGEX测站在2021年DOY 1和2022年DOY 1两个不同时期的BDS-3数据进行静态与仿动态PPP精定位解算,通过对定位精度与收敛时间进行性能评估,进一步研究BDS-3为全球用户带来的性能变化,试验结果表明:

(1)全球23个MGEX测站在2021年DOY 1平均观测到的BDS-3卫星数量为6.2颗,2022年DOY 1平均BDS-3卫星数量约为11.1颗。

(2)在静态PPP模式下,BDS-3在E、N、U方向的精度分别由0.46、0.40、1.74 cm提高至0.44、0.34、1.54 cm,平均点位精度提高了11.4%,收敛时间缩短了18%。

(3)在仿动态PPP模式下,BDS-3在E、N、U方向的精度分别由3.3、2.1、4.8 cm提高为2.4、1.6、3.4 cm,平均点位精度提高了28.0%,收敛时间缩短了31.9%。

综上所述,BDS-3经过两年多的稳定运行,特别是在地面用户逐步更新可接收BDS-3信号的软硬件后,用户实际可用BDS-3卫星数目不断增加,有利于提高定位的可靠性与精度。未来随着BDS-3的不断发展及地面站的升级改造,BDS定位性能与用户体验必将进一步提升。