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陈俊平研究员团队:北斗系统星基增强模型与定位| SANA佳文速递

张益泽 卫星导航国际期刊 2022-07-28

标题:北斗系统星基增强模型与定位

作者:陈俊平,张益泽*,于超,王阿昊,宋子远,周建华

主题词星基增强(SBAS);北斗系统(BDS);空间状态表达(SSR);观测状态表达(OSR);精密单点定位(PPP

                           

(图片来自作者)


Models and performance of SBAS and PPP of BDSJunping Chen, Yize Zhang* , Chao Yu, Ahao Wang, Ziyuan Song and Jianhua ZhouSatellite Navigation (2022) 3: 4

引用文章:

Chen, J. P., Zhang, Y. Z., Yu, C. et al. Models and performance of SBAS and PPP of BDSSatell Navig 3, 4 (2022). https://doi.org/10.1186/s43020-022-00065-3

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https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-022-00065-3

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Editorial Summary

BDS SBAS

Satellite Based Augmentation System (SBAS) is one of the services provided by the BeiDou Navigation Satellite System (BDS). The algorithms generating these SBAS differential parameters are not introduced in previous researches, and the user SBAS positioning performance with the contribution of BDS-3 has not been evaluated.

In this paper, we present the processing algorithms BDS SBAS differential parameters. Four types of Precise Point Positioning (PPP) function models for BDS Dual-Frequency (DF) and Single-Frequency (SF) users using the SBAS differential parameters are also proposed, and their performance is evaluated and compared. It demonstrated that decimeter positioning accuracy can be achieved for dual-frequency and single-frequency BDS data. This research aims to promote the high-precision application of BDS SBAS.



本文亮点

  1. 详细介绍了北斗星基增强系统中卫星轨道改正、卫星钟差改正、格网电离层改正、分区综合改正等四重改正数的具体生成算法。


  2. 对基于北斗星基增强系统中四重改正数的北斗三号(BDS-3)和北斗二号(BDS-2)的单频和双频PPP服务性能进行了比较和分析。


  3. 使用实测动态数据分析了基于北斗星基增强中四重改正数的PPP定位效果。


内容简介

星基增强是北斗系统的几大公开服务之一,也是北斗系统的一大特色。然而,北斗系统星基增强服务在信息处理中的具体算法目前没有相关文献详细进行介绍。另外,随着北斗三号系统的全面建成,基于北斗三号的星基增强服务性能也需要进一步评估。为促进北斗星基增强服务的认识和应用,本文对北斗星基增强服务中卫星轨道改正、卫星钟差改正、格网电离层改正、分区综合改正等参数计算中涉及的系统端和用户端算法进行了全面介绍

在北斗系统星基增强服务处理的基础上,介绍了用户端定位的单双频及不同组合的数学模型。利用北斗星基增强改正参数和北斗二号及北斗三号实测用户数据,从不同频点、不同定位模型、不同类型数据、不同星座等方面全面评估了北斗星基增强PPP的用户定位性能。同时也对实测动态数据进行了评估。比较结果表明北斗星基增强PPP无论单频和双频均能收敛至分米级定位精度,北斗三号卫星相较北斗二号在定位精度和收敛时间上均有提高


  图文导读 

北斗星基增强改正数生成

目前北斗星基增强改正数包括卫星轨道改正、卫星钟差改正、格网电离层改正和分区综合改正。轨道和钟差改正基于区域站,采用非差伪距和历元间差的相位观测进行估计。格网电离层采用平滑后的伪距进行估计并格网化。根据一定区域内残余误差具有强相关性的特点,将轨道和钟差改正后的残余误差进行区域化,形成分区综合改正这些改正经过量化后按照数据接口定义通过北斗GEO卫星进行播发,目前各参数的更新频率见表1

      

表 1 北斗星基增强参数更新频率

II 用户定位性能评估

采用20205月份在中国境内20个测站上采集的一周观测站数据,对北斗星基增强PPP定位效果进行评估1BJDN站(115.3°E,38.9°N双频(B1/B3)无电离层组合、双频非差非组合和单频(B1)非差非组合下BDS-2BDS-2/BDS-3的星基增强静态PPP定位误差。结果表明两种双频组合均能在6小时后达到平面优于5cm,高程优于10cm的精度。BDS-3卫星数据的加入加速了坐标在东方向和高程方向上的收敛速度。单频PPP性能则差于双频PPP,这符合预期图 1 BJDN站双频和单频用户静态定位误差比较。2BJDN站不同组合下BDS-2BDS-2/BDS-3的星基增强动态PPP定位误差,二者差异与静态情况类似,即北斗三号卫星数据的加入提高了用户定位精度

图 2 BJDN站双频和单频用户动态定位误差比较


3为所有站的三维平均动态定位误差收敛情况。对于BDS-2/BDS-3双频用户,三维误差可在10分钟内收敛至0.5m,单频用户收敛至0.5m则需要30分钟左右
图 3 所有测站单频和双频三维平均动态定位误差收敛情况比较
2为所有测站动态和静态的定位精度统计结果。结果表明双频静态定位精度在平面和高程上优于20cm,动态优于30cm单频用户则略差一些。总体上,北斗三号卫星数据的加入对动态用户定位的改善更为明显

 

表 2 所有测站动态和静态定位精度统计


4为双频和单频用户的动态定位误差分布情况。对于北斗二号双频数据,85%的动态解结果在平面上优于0.3m90%的在高程上优于0.5m随着北斗三号卫星数据的加入,对应的比例分别为88%94%对于北斗二号单频数据,69%的动态解结果在平面上优于0.3m67%的在高程上优于0.5m随着北斗三号卫星数据的加入,对应的比例分别为83%75%
图 4 双频及单频用户动态定位精度误差


52020年约2.5小时的实测动态数据双频和单频用户的动态定位误差分布情况。对于双频数据,各个方向收敛至1.0米和0.5米需要16.5分钟和27.8分钟。收敛后的定位精度在NEU三个方向上分别为0.14, 0.250.03米。对于单频数据,约需要半个小时收敛至分米级,收敛后的定位精度在NEU三个方向上分别为0.20, 0.270.07

图 5 实测动态数据双频及单频定位误差

III 结论与展望本文对北斗星基增强系统中四类增强改正数的生成算法进行了详细介绍,同时介绍了基于这些参数的用户精密定位模型,并采用实测北斗二号及北斗三号数据对定位性能进行了评估,结果表明基于目前的北斗星基增强参数,对单频和双频用户可实现收敛后分米级定位精度。未来,为促进北斗星基增强在不同接收机及不同场景中的应用,优化数据质量控制并改善定位收敛时间是需要进一步研究的方向。同时,为进一步提高服务性能,标定卫星相位偏差并实现用户PPP模糊度固定也是下一步的研究目标


作者简介


    陈俊平 研究员

    本文第一作者     中国科学院上海天文台作者简介

陈俊平中国科学院上海天文台研究员、博士生导师。从事卫星导航(GNSS)数据处理技术、北斗地面运控信息处理技术研究,已发表论文150余篇,出版专著3部,授权专利9项(包括3项国际专利)。兼任国际大地测量协会(IAG)中国委员会委员,《天文学报》、《武汉大学学报(信息科学版)》、Journal of GPS, Geodesy and Geodynamics等学术期刊编委


 张益泽 博士

 本文通讯作者

  中国科学院上海天文台

作者简介

张益泽中国科学院上海天文台天副研究员、硕士生导师。目前主要研究方向为GNSS实时产品生成,PPP/RTK/PPP-RTK高精度定位算法及车载导航应用,开发了GNSS精密定位软件Net_Diff。发表SCI/EI学术论文20余篇,专著一部。


撰稿:本文作者

编辑:星航

校对:陈教授


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