BDS单频到四频精密单点定位模型(PPP)及其性能| 金双根
PPP models and performances from single- to quad-frequency BDS observations
Shuanggen Jin*, Ke Su
Satellite Navigation(2020)1:16
引用文章:
Shuanggen Jin, Ke Su (2020), PPP models and performances from single- to quad-frequency BDS observations, Satellite Navigation, 1(1), 16, doi: 10.1186/s43020-020-00014-y.
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Editorial Summary
GNSS: Precise Point Positioning
Nowadays, China BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been developed well and provided global services for highly precise positioning, navigation and timing (PNT) as well as unique short-message communication, particularly global system (BDS-3) with higher precision multi-frequency signals. The precise point positioning (PPP) can provide the precise position, receiver clock, and zenith tropospheric delay (ZTD) with a stand-alone receiver compared to the traditional double difference drelative positioning mode, which has been widely used in PNT, geodesy, meteorology and so on. However, it has a lot of challenges for multi-frequency BDS PPP with different strategies and more unknown parameters. In this paper, the detailed PPP models using the single-, dual-, triple-, and quad-frequency BDS observations are presented and evaluated. Firstly, BDS system and PPP method are introduced. Secondly, the stochastic models of time delay bias (TDB) in BDS-2/BDS-3 PPP including the neglection, random constant, random walk and white noise are presented. Then, three single-frequency, four dual-frequency, four triple-frequency and four quad-frequency BDS PPP models are provided. Finally, the BDS PPP models progress and performances including theoretical comparison of the models, positioning performances, precise time and frequency transfer, ZTD, inter-frequency bias (IFB) and differential code bias (DCB) are presented and evaluated as well as future challenges. The results show that the multi-frequency BDS observations will greatly improve the PPP performances.
本文亮点
介绍了北斗卫星导航系统（BDS）发展现状和BDS-2/BDS-3 精密单点定位（PPP）时间延迟偏差（TDB）的几种处理策略。
给出了BDS单频、双频、三频和四频PPP模型，从模型特性和待估参数等角度分析和比较了各种BDS PPP模型。
分析了BDS PPP模型定位、精密时间传递、天顶对流层延迟（ZTD）、接收机频内偏差（IFB）和差分码偏差（DCB）等性能。
内容简介
如今BDS可提供全球、全天候、全天时和高精度的定位、导航、授时（PNT）服务，并具备短报文通信能力。精密单点定位（PPP）能够灵活高效地获取全球范围内的绝对位置信息，同时可以估计接收机钟差、大气延迟等信息，因此已被广泛应用于精密定位、授时、大气监测、地震和海啸预警及其它相关地球科学应用（图1）。然而多频BDS信号给PPP数据处理带来了诸多挑战，如不同频率PPP模型、频内和码偏差、对流层延迟和电离层参数估计等。为此，本文详细介绍了BDS单频、双频、三频和四频PPP模型，给出了BDS-2/BDS-3 PPP时间延迟偏差（TDB）的随机模型，包括忽略该参数、常数估计、随机游走和白噪声。最后，从理论上对几种模型进行了比较，并给出了各种PPP模型定位性能、精密时频传递、ZTD、IFB和DCB等性能，结果表明多频BDS观测极大提高PPP性能。
I.BDS四频信号质量.
首先分析和比较了BDS四频信号质量。图2给出了iGMAS站XIA3观测到的BDS C01、C06、C12、C19和C20卫星的B1I、B3I、B1C和B2a多路径组合振幅（MPC）。从图中可以看出，不同信号间的MPC差异较小，因此，本文假设BDS B1I、B3I、B1C和B2a信号权重比为1:1:1:1。II.BDS PPP模型定位结果.
详细给出了BDS单频、双频、三频和四频PPP模型，并分析了不同BDS频率PPP模型定位结果。图3给出了2019年1月16日iGMAS台站KUN1站单频、双频、三频和四频PPP模型静态观测误差，可以看出BDS多频信号可以提高PPP定位性能。BDS双频、三频和四频PPP定位在收敛后定位精度可以达到厘米级。
图 3 2019年1月16日iGMAS台站KUN1站单频，双频单频、双频、三频和四频PPP模型静态观测误差（DOY16，2019）
III.BDS PPP时间传递.
BDS PPP能够应用于时间传递。图4给出了2019年1月17日BRCH-XIA3台站间BDS单频、双频、三频和四频PPP接收机钟差之差，并进一步估计了其Allan方差，结果表明BDS PPP模型时间传递10000 s稳定度好于1.6×10-14。
图 4 2019年1月17日BRCH-XIA3台站间BDS单频、双频、三频和四频PPP接收机钟差之差（DOY17，2019）
IV.BDS PPP估计ZTD.
BDS PPP可以估计天顶总对流层延迟(ZTD)，应用于对流层延迟建模和气象学等。图5给出了2019年1月17日BDS单频、双频、三频和四频PPP估计的XIA3站ZTD时间序列，XIA3站单频、双频、三频和四频PPP ZTD均方根误差（RMS）分别为（6.8, 6.8和5.2）cm，（2.1, 2.2, 2.1和2.1）cm，（2.0, 2.0, 2.0, 2.0）cm和（1.6, 1.6, 1.6, 1.6）cm。不同双频、三频和四频PPP模型之间估计的ZTD精度基本一致。
V.BDS接收机DCB.
接收机硬件延迟（DCB）是PPP误差源之一，通常可当作常数或随机游走估计。图6给出了2019年1月14日XIA1站和BRCH站BDS Q4模型估计的DCB时间序列。其中 DCB作为随机游走被估计，从图中可以看出，DCB时间序列稳定。为进一步验证BDS-2和BDS-3接收机DCB之间是否存在系统偏差，利用超过100个MGEX测站和全球电离层格网模型（GIM）分别采用BDS-2和BDS-2/BDS-3观测解算接收机DCB，结果表明接收机DCB标准差小于0.4，且BDS-2和BDS-3接收机DCB之间不存在明显的系统偏差。
作者简介
金双根 教授
本文第一和通讯作者中国科学院上海天文台
南京信息工程大学
▍通讯作者简介金双根，1974年9月生，籍贯安徽，欧洲科学院院士，欧洲人文和自然科学院院士，俄罗斯自然科学院外籍院士，IUGG会士，IAG会士，中科院"百人计划"，上海市“领军人才”，中科院上海天文台研究员，南京信息工程大学遥测院院长，教授，博士生导师。1999年获武汉大学学士，2003年获中国科学院大学博士，之后分别在澳大利亚、韩国、美国等工作十余年。主要从事卫星导航、卫星遥感、大地测量和空间行星探测及应用，做出了多项系统性原创成果，如揭示了 GNSS 反射测量散射机理，突破了GNSS遥感技术难题，推动了相关研究和应用。在国际地学顶尖或重要期刊发表论文300余篇，出版著作和教科书10余部，被Nature等引用5000余篇次，H指数大于40，获国家发明专利和软件著作权10余项。担任国际IUGG委员会主席，全球华人导航定位协会主席(2016)，国际行星科学协会(IAPS)主席，以及10余本国际期刊主编、副主编和编委，并获省部级科技进步一等奖1项和二等奖4项，中国侨联贡献奖一等奖等。
撰稿：本文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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