北斗实时精密单点定位与精度分析.doc

北斗实时精密单点定位与精度分析 刘行波 苏春循 湖北华中电力科技开发有限责任公司 武汉大学卫星导航定位技术研究中心 摘 要： 基于武汉大学卫星导航定位技术研究中心播发的北斗实时轨道和钟差产品, 采用攀达时空北斗双频手持接收机, 通过实测数据分析了单北斗实时 PPP 的收敛时间和定位精度测试结果表明, 北斗双频手持机实时 PPP 收敛时间比 GPS 长约 0.5h, 但收敛后, 可以达到分米级甚至厘米级的动态定位精度, 与 GPS 实时PPP 的定位精度相当关键词： 北斗卫星导航; 精密单点定位; 定位精度; 收敛时间; 作者简介：刘行波, 硕士, 工程师, 主要从事遥感及电力时空信息应用方面的研究工作E-mail:hb_lxb@收稿日期：2015-12-21基金：武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室开放课题基金资助项目 (2016070204010149) Accuracy Analysis for BDS Real-Time Precise Point PositioningLIU Xingbo SU Chunxun Hubei Central China Electric Power Technology Development Co., Ltd.; GNSS Research Center, Wuhan University; Abstract： With the help of Panda dual-frequency handheld receiver, we analyze the convergence time and the positioning precise of the BDS real-time PPP by actual test data based on precise satellite orbits and clocks provided by GNSS Research Center, Wuhan University.Test results show that the convergence time of the BDS dual-frequency handheld receiver real-time PPP is about half an hour comparing longer than GPS, but its dynamic positioning accuracy can reach decimeter even centimeter level after it has converged, which is equal to GPS real-time PPP.Keyword： BDS; precise point positioning; accuracy; convergence time; Received： 2015-12-21精密单点定位 (precise point positioning, PPP) 由美国喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory, JPL) 的 Zumberge 等人提出, 该技术利用国际GNSS 服务组织 (International Global Navigation Satellite System Service, IGS) 提供的精密轨道和钟差产品, 采用相位观测值单台接收机便可实现高精度导航定位服务[1]。

近年来, 实时 PPP 成为国内外研究的热点, 被广泛应用于实时导航与位置服务[2]2012 年底, 我国北斗卫星导航系统 (BeiDou navigation satellite system, BDS) 实现了对亚太区域的定位服务, 是继全球定位系统 (global positioning system, GPS) 和全球卫星导航系统 (global navigation satellite system, GLONASS) 之后第 3 个可独立运行的卫星导航定位系统计划在 2020 年, BDS 可在全球范围内全天候为各类用户提供高精度、高可靠的导航定位、授时服务, 并具短报文通信功能[3]为实现北斗实时精密定位服务, 国内外开展了北斗广域实时精密单点定位服务应用研究, 本文基于武汉大学卫星导航定位技术研究中心播发的北斗实时精密轨道和钟差产品, 采用北斗实时双频手持机, 进行实时 PPP 定位, 并对定位的收敛时间和精度进行分析1 精密单点定位模型为消除电离层延迟对定位的影响, 双频 PPP 采用无电离层组合观测值 (LC 组合观测值) , 其观测方程可表示为:式中, l p和 lφ 分别为无电离层组合伪距和相位观测值;dt 和 dT 分别为接收机和卫星钟差;c 为真空中的光速;amb 为无电离层组合模糊度;m 为对流层投影函数;ZTD 为天顶方向对流层延迟;ε p和 ε φ 分别为观测噪声和多路径误差;ρ 为测站 (X r, Yr, Zr) 和卫星 (X s, Ys, Zs) 间的几何距离, 包括相对论效应、固体潮、天线相位中心及相位绕转等误差, 即将式 (2) 线性化, 则有误差方程:式中, A 为系数矩阵;δX 为待估计参数, 包括测站三维坐标、接收机钟差、无电离层组合模糊度及对流层天顶湿延迟;W 为常数项矩阵。

2 北斗精密单点定位策略由于 BDS 空间星座的不同特性, 与 GPS 的 PPP 数据处理比较, 需要考虑观测值定权策略、与卫星姿态有关的误差模型、天线相位中心模型等问题1) 观测值定权策略GPS 精密单点定位中, 通常依据卫星高度角来确定不同卫星观测值间的权比关系但是 BDS 卫星星座包括地球静止轨道 (geostationary earth orbit, GEO) 卫星、倾斜地球同步轨道 (inclined geosynchronous satellite orbit, IGSO) 卫星和中地球轨道 (medium earth orbit, MEO) 卫星[4], GEO、IGSO 和 MEO 轨道与钟差的精度不一致, 因此采用与 GPS 一样的定权策略不合理, 本文根据不同卫星星座分别确定其相应的权比关系[5]2) 与卫星姿态有关的误差改正BDS 卫星与 GPS 卫星姿态控制模式不同, 北斗IGSO、MEO 卫星采用了动态偏航和零偏航两种控制模式, 而 GEO 卫星全弧段采用零偏航控制模式[6], 控制模式的不同会影响到天线相位中心改正和天线相位缠绕改正的不同, 需要针对不同的姿态模型进行相应的改正。

3) 天线相位中心模型北斗系统天线相位中心改正目前主要有 3 种策略: (1) 北斗卫星制造商提供的改正参数仅改正天线相位中心偏差 (phase center offset, PCO) 部分, 不改正天线相位中心变化 (phase center offset variation, PCV) ; (2) 国际多模 GNSS 实验工程 (multi-GNSS experiment, MGEX) 采用的方法也仅改正 PCO; (3) 欧空局 (European Space Agency, ESA) 采用的方法同时改正 PCV 和 PCO[7]由于本文北斗实时轨道及钟差解算时采用了 ESA 提供的天线相位中心模型改正, 因此, 实时 PPP 中也采用该天线相位中心改正模型通过无电离层组合观测值消除电离层一阶项影响后, 相对论效应、地球固体潮和相位绕转等误差采用 IGS 提供的高精度模型进行改正, 天顶对流层延迟干分量用 Saastamoinen 模型[8]改正, 湿分量采用随机游走方法进行估计, 对流层投影函数采用 GMF (graphical modeling framework) 模型, 因此, PPP 待估参数包括测站三维坐标、接收机钟差、模糊度以及天顶对流层湿延迟。

本文在数据预处理阶段首先进行钟跳探测与修复, 然后联合使用 GeometryFree 与Melbourne-Wübbena 组合观测值探测周跳[9]具体数据处理策略如表 1 所示其中, GMF 模型提供了图形化编辑器的开发环境和运行时的框架表 1 北斗实时 PPP 数据处理策略 Tab.1 Strategy of the BDS Real-Time PPP Data Processing 下载原表 3 测试及精度分析本文采用实测数据对北斗 PPP 定位进行分析, 测试地点在武汉大学教学实验大楼, 所用手持机为攀达时空北斗双频手持机, 通过连接转发器接收北斗观测信号测试时, 采用内置天线和外置天线两种方式, 2015 年 6 月 26 日采用内置天线, 静态观测时间约为 8h34min;2015 年 8 月 2 日采用外置天线, 静态观测时间约为 8h6min手持机所测的真值坐标通过事后实时动态测量 (real-time kinematic, RTK) 解算的方法获得, 误差时间序列如图 1 所示, 其中, N、E、U 构成以测量点为原点的站心坐标系, N 表示北方向, E 表示东方向, U表示天顶方向。

图 1 双频实时 PPP 误差时间序列图 Fig.1 Time Series of the Error for BDS Dual Frequency Real-Time PPP 下载原图分析图 1 可以得出: (1) 以平面收敛精度优于 5dm、高程精度优于 1m 为标准, 6 月 26 日的收敛时间约为 70min, 8 月 2 日约为 30min; (2) 若平面优于 3dm、高程优于 5dm, 则 6 月 26 日的收敛时间约为 100min, 8 月 2 日约为 40min; (3) 当平面优于 2dm、高程优于 2dm 时, 则 6 月 26 日的收敛时间约为 120min, 8 月2 日约为 50min从以上分析可以看出, 8 月 2 日的收敛时间明显小于 6 月 26日, 这是因为 6 月 26 日测试时使用内置天线, 而 8 月 2 日使用了外置天线, 观测值数据质量更好另外, 虽然大部分时间北斗卫星数多于 GPS, 但由于目前北斗的 MEO 卫星数较少, 总体上北斗的位置精度强弱度 (position dilution of precision, PDOP) 反而不如 GPS 的 PDOP。

此外, 北斗几何图形变化不如GPS 星座的显著当前由于北斗跟踪站数量有限, 北斗精密轨道的精度相对较低, 从而导致北斗实时 PPP 的收敛时间要比 GPS 收敛时间 (约 0.5h[10]) 长单北斗 PPP 的定位精度如表 2 所示可以看出, 基于北斗系统的实时动态 PPP收敛后可以达到分米至亚分米级的定位精度, 与 GPS 实时动态 PPP 定位精度相当比较分析测试结果的均方根 (root mean square, RMS) 值发现, 8 月 2 日测试结果明显优于 6 月 26 日, 这同样是因为 8 月 2 日测试使用了外置天线, 观测值质量较好的结果另外, 北分量的精度要高于东分量, 这是因为实时 PPP中模糊度采用浮点解, 未将其固定为整数[11]表 2 定位结果统计 Tab.2 Statistics of the Positioning Results 下载原表 4 结束语本文基于武汉大学卫星导航定位技术研究中心播发的实时轨道和钟差产品, 采用攀达时空北斗双频手持机进行实时精密单点定位测试, 对其收敛时间和定位精度进行分析从测试结果中可以看出, 北斗双频手持机实时 PPP 可以达到分米级甚至是厘米级的动态定位精度, 与 GPS 实时 PPP 的定位精度相当。

当前由于北斗的全球跟踪站有限, 精密轨道和钟差精度不如 GPS 等原因, 北斗的收敛时间较 GPS 长约 0.5h另外, 使用外置天线的北斗。