劉 贊，荊世怡

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國(guó)為全球用戶(hù)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]。北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)于2020年7月31日正式開(kāi)通。

BDS-3的信號(hào)體制設(shè)計(jì)在原有BDS-2的基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大更新，在保留原有B1I/B3I信號(hào)作為過(guò)渡信號(hào)的基礎(chǔ)上新增B1C/B2a/B2b三個(gè)民用信號(hào)，新信號(hào)均采用全新的信號(hào)調(diào)制方式，其中，B1C采用QMBOC調(diào)制，與GPS L1C、Galileo E1同為互操作信號(hào)，B2a、B2b聯(lián)合信號(hào)B2a+b采用ACE-BOC調(diào)制，其中B2a與GPS L5、Galileo E5a為互操作信號(hào)[2]。互操作信號(hào)將極大降低接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，有利于成本控制，同時(shí)方便組合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，因此，各GNSS系統(tǒng)均在積極推進(jìn)互操作信號(hào)的設(shè)計(jì)。BDS-3全新的信號(hào)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更高的測(cè)距精度與更強(qiáng)的抗多徑性能。之后，隨著B(niǎo)DS-2衛(wèi)星的逐漸退役，B1C和B2a將取代原有的B1I和B3I，成為未來(lái)北斗系統(tǒng)最主要的公開(kāi)服務(wù)信號(hào)，因此，其定位性能有待進(jìn)一步研究。

1 BDS-3新信號(hào)PPP基本原理

1.1 PPP原理

精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)是GNSS高精度定位領(lǐng)域中的重要技術(shù)路線(xiàn)，它僅需單臺(tái)接收機(jī)，使用高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，通過(guò)模型改正或參數(shù)估計(jì)的方法，確定接收機(jī)的絕對(duì)精確坐標(biāo)。PPP技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、服務(wù)范圍廣、作業(yè)效率高、成本低、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，除了獲得高精度的點(diǎn)位坐標(biāo)，還可同時(shí)解算得到電離層延遲、對(duì)流層延遲等產(chǎn)品，已成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3]。

無(wú)電離層組合模型是PPP使用最為廣泛的模型，它使用雙頻無(wú)電離層組合觀(guān)測(cè)值，消除了一階電離層延遲，減少了待估參數(shù)，在PPP中應(yīng)用廣泛，其觀(guān)測(cè)方程可表示為：

pIF=α12p1+β12p2

(1)

lIF=α12l1+β12l2

(2)

(3)

(4)

1.2 BDS-3新信號(hào)衛(wèi)星端頻間偏差改正

目前，BDS-3精密軌道和鐘差產(chǎn)品一般通過(guò)B1I/B3I無(wú)電離層組合觀(guān)測(cè)值估計(jì)得到。因此，要使用B1C/B2a新信號(hào)組合進(jìn)行定位，需要改正新舊兩組合信號(hào)觀(guān)測(cè)碼之間的時(shí)延，即頻間偏差(Inter-Frequency Code Bias，IFCB)，這一偏差包含衛(wèi)星端IFCB和接收機(jī)端IFCB兩部分。其中，接收機(jī)IFCB可直接吸收至接收機(jī)鐘差參數(shù)中。對(duì)于衛(wèi)星端IFCB可以使用差分碼偏差產(chǎn)品(Differential Code Bias，DCB)或絕對(duì)偏差(Observable-specific Signal Bias，OSB)產(chǎn)品進(jìn)行改正。

DCB產(chǎn)品提供衛(wèi)星端兩觀(guān)測(cè)碼之間的硬件延遲，已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，整體性能穩(wěn)定。使用DCB產(chǎn)品將B1C和B2a信號(hào)改正至基準(zhǔn)鐘差B1I/B3I組合下的公式為：

(5)

OSB產(chǎn)品是為了方便用戶(hù)端使用由IGS全新推出的產(chǎn)品。IGS于2016年制定了SINEX_BIAS規(guī)范文件[4]，用于統(tǒng)一GNSS原始觀(guān)測(cè)值偏差改正文件格式，用戶(hù)可直接在原始觀(guān)測(cè)值上進(jìn)行改正。對(duì)于偽距觀(guān)測(cè)碼，通過(guò)選定某一信號(hào)的觀(guān)測(cè)碼作為基準(zhǔn)(例如BDS的B1IB3I無(wú)電離層組合)，其余觀(guān)測(cè)碼時(shí)延可以通過(guò)DCB組合的形式進(jìn)行計(jì)算，得到相對(duì)于基準(zhǔn)觀(guān)測(cè)碼的絕對(duì)時(shí)延，即OSB產(chǎn)品。除了直接采用DCB產(chǎn)品計(jì)算得到外，在產(chǎn)品服務(wù)端往往通過(guò)將基準(zhǔn)碼作為約束加入產(chǎn)品估計(jì)，從而估計(jì)得到最終的OSB產(chǎn)品。使用OSB產(chǎn)品將B1C和B2a信號(hào)改正至基準(zhǔn)鐘差B1I/B3I組合下的公式為：

(6)

對(duì)比2種改正方案可以發(fā)現(xiàn)，OSB產(chǎn)品表達(dá)形式上更為簡(jiǎn)便，易于理解，在程序?qū)崿F(xiàn)中同樣易于實(shí)現(xiàn)，這也是IGS推薦使用OSB產(chǎn)品進(jìn)行PPP數(shù)據(jù)處理的重要原因。因此本文選用OSB產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)改正。

2 OSB產(chǎn)品長(zhǎng)期時(shí)間序列穩(wěn)定性分析

本文選取了中科院CAS提供的多系統(tǒng)OSB產(chǎn)品進(jìn)行衛(wèi)星端IFCB改正，CAS OSB產(chǎn)品中直接提供了C1P、C1X、C5P和C5X 4種改正信息。由于OSB產(chǎn)品的穩(wěn)定性對(duì)于PPP性能有一定影響，首先對(duì)上述信號(hào)的OSB長(zhǎng)期時(shí)間序列穩(wěn)定性做了分析，選用的OSB產(chǎn)品數(shù)據(jù)時(shí)間為2022年年積日060-090 d共30 d。

圖1給出了與上述4種信號(hào)的OSB改正值在2022年年積日060-090 d的時(shí)間序列變化。從中可以看出，同頻點(diǎn)的OSB整體偏差數(shù)值保持一致，例如C1P和C1X分別對(duì)應(yīng)B1C信號(hào)，C5P和C5X分別對(duì)應(yīng)B2a信號(hào)。4種信號(hào)偏差值主要分布在-100～150 ns之間，換算至距離延遲為-30～45 m，延遲量較大，在PPP解算中不能忽略，需要進(jìn)行單獨(dú)改正。對(duì)于單顆衛(wèi)星，整體的長(zhǎng)期變化均保持平穩(wěn)，基本在0.5 ns范圍內(nèi)。

圖1 CAS BDS-3衛(wèi)星端OSB產(chǎn)品2022年3月時(shí)間序列

3 PPP實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理策略

為了評(píng)估BDS-3新信號(hào)PPP性能，本文選取了2022年3月1日共7個(gè)MGEX站點(diǎn)的GNSS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿動(dòng)態(tài)PPP測(cè)試，選取的站點(diǎn)包括：ABPO、JFNG、MAYG、MIZU、NNOR、SEYG、USUD。對(duì)各站點(diǎn)PPP收斂時(shí)間及收斂后的定位精度進(jìn)行了分析。收斂時(shí)間定義為當(dāng)前歷元及后20個(gè)歷元均小于0.1 m[5]。具體的數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)處理策略

3.2 偽距殘差分析

對(duì)OSB改正效果進(jìn)行驗(yàn)證，定位解算后的偽距殘差可反映出偽距相關(guān)的誤差情況，因此可用偽距殘差的水平驗(yàn)證IFCB的改正效果。此處以HOB2站為例，對(duì)其BDS-3老信號(hào)和新信號(hào)PPP結(jié)果進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)加入OSB產(chǎn)品進(jìn)行頻間偏差改正前后的偽距殘差變化，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，IFCB改正前，偽距殘差分布在-10～10 m之間，各顆衛(wèi)星的殘差分布不具備零均值特性，而在改正后，偽距殘差分布在-2～2 m之間，總體RMS由10.42 m降低至0.79 m，殘差分布接近零均值特性，其殘差水平已優(yōu)于B1IB3I組合，這說(shuō)明使用OSB產(chǎn)品后，新信號(hào)衛(wèi)星端偽距頻間偏差得到較好地改正。

圖2 BDS-3新舊信號(hào)PPP偽距殘差對(duì)比

3.3 PPP性能驗(yàn)證

圖3給出了BDS-3新舊2種信號(hào)組合PPP仿動(dòng)態(tài)定位時(shí)間序列對(duì)比，選取了ABPO站作為示例，由上至下分別為東-北-天三方向上的定位誤差。從中可以看到，2種方案在收斂初期有一定差異，收斂后整體精度保持一致。

圖3 ABPO站定位序列對(duì)比

表2和表3分別給出了各站點(diǎn)新舊信號(hào)PPP的收斂時(shí)間和定位誤差對(duì)比。從中可以看出，新信號(hào)在東-北-天三方向上的收斂時(shí)間分別為39.57 min、18.36 min和36.79 min，東方向優(yōu)于舊信號(hào)。新信號(hào)在東-北-天三方向上的定位誤差分別為0.036 m、0.021 m和0.055 m，與舊信號(hào)處于同一水平。

表2 各站點(diǎn)PPP收斂時(shí)間/min

表3 各站點(diǎn)PPP定位誤差/m

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)BDS-3新信號(hào)B1C/B2a無(wú)電離層組合PPP模型及其定位性能進(jìn)行了研究。針對(duì)新信號(hào)的頻間偏差問(wèn)題，分別給出了采用DCB和OSB產(chǎn)品進(jìn)行改正的方案，并選取了更為簡(jiǎn)便的OSB產(chǎn)品進(jìn)行改正。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)序分析驗(yàn)證了OSB產(chǎn)品的穩(wěn)定性，同時(shí)說(shuō)明了改正的必要性。最后，對(duì)比了改正后的新信號(hào)PPP和舊信號(hào)PPP的定位性能，實(shí)驗(yàn)表明，兩者處于同一水平。