BDS-3单双频RTK定位性能初步分析| 袁运斌
Initial assessment of single- and dual-frequency BDS-3 RTK positioning
Yunbin Yuan*, Xiaolong Mi and Baocheng Zhang
Satellite Navigation(2020)1:31
引用文章:
Yuan, Y. B., Mi, X. L. & Zhang, B. C. Initial assessment of single- and dual-frequency BDS-3 RTK positioning. Satell Navig 1, 31(2020). https://doi.org/10.1186/s43020-020-00031-x.
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Editorial Summary
GNSS: BDS-3 RTK positioning
The BeiDou navigation satellite system with global coverage (BDS-3) has been fully operational since July 2020 and provides comprehensive services to global users. BDS-3 transmits several new navigational signals based on the signals inherited from the BeiDou navigation satellite (regional) system (BDS-2). Previous studies focused on the positioning performance of BDS-2 plus BDS-3 and that of combining BDS-3 and other Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), but there was no in-depth discussion on the positioning performance of the BDS-3-only. In this contribution, the BDS-3-only Real-Time Kinematic (RTK) positioning is analysed using the data collected in zero and short baselines in Wuhan, China. The RTK model based on Single-Differenced (SD) is first presented, and the BDS-3-only RTK positioning in cases of single and dual-frequencies is evaluated with the model in terms of the empirical integer ambiguity resolution success rates and positioning accuracy. Our numerical tests suggest two major findings. First, the positioning performance for the B1I and B3I retained from BDS-2 and the new frequency B1C is comparable, while that for the new frequency B2a is poorer. Second, the positioning performance of the new frequency combination of the B1C+B2a is not as good as that of the B1C only, owing to the unrealistic stochastic model used.
本文亮点
提出了基于站间单差的RTK算法并利用消秩亏理论建立了满秩模型，该模型可以适用于单频至多频、单系统至多系统等各类场景。
对BDS-3的四个公开频率的单频RTK性能进行了分析，发现新频率B2a信号的噪声要比其他几个频率的都要大。
对BDS-3的新老频率的双频RTK性能进行了分析，发现不同频率采用等权处理，B1C+B2a双频组合的性能不仅不如B1I+B3I双频组合甚至不如单频B1C，这启示我们要建立合理的BDS-3随机模型。
内容简介
北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3）从2020年7月起全面建成并开始向全球用户提供服务。在继承北斗二号区域卫星导航系统（BDS-2）老频率的基础上，BDS-3调制了和其它全球卫星导航系统重叠的频率。以往的研究主要集中于分析BDS-3+BDS-2组合以及BDS-3与其他GNSS组合的性能，然而关于BDS-3单系统特别是BDS-3新频率的性能分析却十分的少。为了兼容BDS-3系统从单频到多频的场景，我们首先提出了基于站间单差的RTK算法并基于消秩亏理论建立了满秩模型。为了详细研究BDS-3的定位性能，我们利用几台可跟踪BDS-3新信号的接收机采集了一周数据，并通过模糊度固定成功率以及定位精度评估了BDS-3单双频RTK定位性能。
对采集的BDS-3的数据进行了分析，结果表明，BDS-3继承于BDS-2的老频率B1I和B3I与新频率B1C的模糊度固定成功率和定位精度大致相当而新频率B2a的模糊度固定成功率和定位精度相比其它三个频率都差。在采用不同频率等权处理的情况下，B1C+B2a的新频率双频组合的定位性能不仅不如B1I+B3I的老频率双频组合，甚至不如B1C单频的定位性能，这启示我们要建立合理的BDS-3随机模型，更好的利用多频率观测值的优势。
I.可见BDS-3卫星的数目
IGG01和IGG03装备了Trimble ALLOY接收机，该接收机可跟踪BDS-3的所有卫星，而IGG04和IGG05装备了Sepentrio X5接收机，该接收机仅可跟踪PRN小于37的BDS-3卫星。因此，可以从图1中看到IGG01可跟踪的BDS-3卫星数目要远多于IGG04可跟踪的BDS-3卫星数目。
II.零基线BDS-3 RTK定位性能
零基线条件下BDS-3 B1I和B3I以及B1C三个频率的模糊度固定成功都是100%而B2a则为99.51%。由于IGG01-IGG03是一条零基线，卫星端误差和大气误差可以被充分消除，所以我们认为B2a定位性能相对较差是由于信号质量造成的。通过对四个单频信号的定位精度分析验证了上述猜测，我们发现B2a的噪声水平是远大于B1I、B3I以及B1C三个频率的。此外，我们分析了老频率B1I+B3I组合和新频率B1C+B2a组合的定位性能，虽然B1C+B2a组合的模糊度固定成功率也可以达到100%，但由于频率间采用了等权处理，所以B1C+B2a组合的定位精度不仅不如B1I+B3I组合，甚至不如单频B1C。这启示我们要针对BDS-3不同的频率建立合理的随机模型从而合理地利用多频观测值。
表一 IGG01-IGG03基线BDS-3单双频模糊度固定成功率
图 2 IGG01-IGG03基线单频B1C、B2a、B1I、B3I在截止高度角为15°时的定位结果
图3 IGG01-IGG03基线双频B1C+B2a和B1I+B3I在截止高度角为15°时的定位结果
III.短基线BDS-3 RTK定位性能
IGG04和IGG05仅可观测到PRN小于37的BDS-3卫星，因此部分历元可观测的BDS-3卫星数目不足四颗。我们对可以观测到四颗及更多卫星数目的历元进行了分析。单频B1I、B3I以及B1C的定位性能要比单频B2a的好，B1I+B3I组合的定位性能要比B1C+B2a的好。这些结果印证了我们之前从短基线分析中得出的结论，同样也启示我们需要针对BDS-3不同频率建立合理的随机模型。表二 IGG04-IGG05基线BDS-3单双频模糊度固定成功率 （2682个历元可以观测不少于四颗BDS-3卫星）
图 4 IGG04-IGG05基线单频B1C、B2a、B1I、B3I在截止高度角为15°时的定位结果
图5 IGG04-IGG05基线单频B1C、B2a、B1I、B3I在截止高度角为15°时的定位结果
作者简介
袁运斌 教授
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院
▍作者简介袁运斌，1971年12月生，籍贯江西；中科院精密测量科学与技术创新研究院测量与导航部主任、研究员、博士生导师，大地测量与地球动力学国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划领军人才和中科院百人计划入选者；现聘为全球华人导航定位协会（CPGPS）主席、Satellite Navigation期刊副主编和J.Geodesy、EPP、测绘学报、导航定位等期刊编委。主要从事大地测量与导航领域卫星精密定位定轨、大气效应控制等研究。建立了有特色的北斗/GNSS空间大气效应控制理论与方法；提出和研制了北斗全球电离层延迟广播改正模型（BDGIM）；主持研究了我国空间交会对接高动态卫星精密定位及其综合测试理论与方法；领衔建成了国家北斗分析中心（首批之一）、中科院国际IGS电离层分析中心及联合国亚太参考网分析中心等平台。主持了北斗重大专项项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金（杰出、重点、面上、青年）项目及载人航天重大专项专题等科研任务；负责完成的科研成果获国家科技进步二等奖与省部级科技进步一等奖各2项、省部级及军队科技进步二等奖3项；获中科院青年科学家奖、中国青年科技奖、中科院院长特别奖、全国百篇优秀博士论文等荣誉；发表学术论文200余篇(其中120余篇被SCI收录)，被他引4000余次。
撰稿：糜晓龙
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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