摘要
为分析PPP-B2b的实际服务性能,采用为期30 d的PPP-B2b数据与国际全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)服务组织测站数据以及2021年12月16日的海上船载动态数据,进行了轨道与钟差的精度评估、实时精密单点定位(precise point positioning,PPP)的定位性能测试,并与采用法国国家太空中心(centre national d′etudes spatiales,CNES)存档产品CNT的相应结果进行比较。结果表明:PPP-B2b服务的北斗三号系统 (BeiDou navigation satellite system phase Ⅲ, BDS-3) 与全球定位系统(global positioning system,GPS)轨道的径向精度分别为0.07 m、0.089 m,低于CNT 0.041 m和0.025 m。而BDS-3的钟差精度为0.029 m,与GPS钟差精度接近,优于CNES BDS-3的钟差精度0.057 m。基于PPP-B2b服务的静态定位测试中,BDS-3和BDS-3+GPS平均收敛时间小于20 min,优于单GPS系统,且收敛后精度更高。而在动态测试中,BDS-3和BDS-3+GPS组合东北天 (north, east and up, NEU)方向均方根(root mean square,RMS)均优于11 cm,单GPS优于26 cm。在海上实际测试中,PPP-B2b的BDS-3+GPS组合NEU方向RMS分别为0.028 m、0.074 m、0.081 m,收敛时间为12.4 min。
关键词
Abstract
For analyzing PPP-B2b actual service performance, PPP-B2b data and International GNSS (global navigation satellite system)service data for a period of 30 days as well as offshore shipborne dynamic data on 16 December 2021 were used for evaluating orbit and clock offset accuracy and testing real-time PPP (precise point positioning)positioning performance. And compared with the corresponding results of CNT—archived products of CNES(centre national d′etudes spatiales,CNES). Results show that the radial accuracy of BDS-3 (BeiDou navigation satellite system phase Ⅲ) and GPS (global positioning system) track of PPP-B2b service are 0.07 m and 0.089 m respectively, which are below CNT 0.041 m and 0.025 m. The clock offset accuracy of BDS-3 is 0.029 m, close to GPS clock offset, better than 0.057m of CNES product accuracy. In the static positioning test based on PPP-B2b, BDS and BDS-3+GPS average convergence time is less than 20 minutes, better than that of GPS, and the convergence accuracy is higher than GPS. In the dynamic test, the RMS value of BDS-3 and BDS-3+GPS in the NEU (north, east and up)directions are better than 11 cm, GPS is better than 26 cm. In offshore positioning testing, the RMS value of BDS-3+GPS of PPP-B2b in the NEU directions are 0.028 m, 0.074 m, 0.081 m, and the convergence time is 12.4 min.
2020年7月31日,北斗三号系统正式开通服务,相较于北斗二号系统,北斗三号系统进一步提升性能[1],扩展功能[2],播发5个公开服务信号用于提供服务[3]。其中,北斗三号系统以3颗同步地球轨道卫星,通过PPP-B2b信号播发实时改正信息,实现在中国及周边地区的实时精密单点定位[4],标志着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的又一次重大突破,相较于国际GNSS服务组织(international GNSS service,IGS)的实时产品[5-8], PPP-B2b应用范围大大拓展。
PPP-B2b信号相较于基于网络链路播发的IGS实时流数据,在服务范围与抗干扰方面更具优势。当前国内外学者对于PPP-B2b信号进行了初步的研究,如Yang等[9]研究结果表明,以PPP-B2b水平方向达到0.3 m,垂直方向达到0.5 m为收敛标准时,所需要的收敛时间通常小于30 min,但总体精度逊色于IGS实时产品;Ren等[10]基于PPP-B2b数据进行评估,其轨道精度在径向、法向、切向三个方向分别在0.07 m、0.3 m、0.3 m左右,钟差的标准差(standard deviation,STD)误差值为BDS-3小于0.18 ns、GPS低于0.15ns;Nie等[11]基于PPP-B2b数据进行定位精度评估,得到了PPP-B2b静态精度的均方根误差(root mean square,RMS)在东北天(north,east and up,NEU)方向分别为2.4 cm、1.6 cm、2.3 cm,动态精度的均方根(root mean square,RMS)误差分别为8.1 cm、3.6 cm、8.0 cm。但目前的研究,多以短期为主(3~7 d),而对PPP-B2b中长期的定位性能研究较少;Xu等[12]基于PPP-B2b进行北斗双频组合B1C/B2a和B1I/B3I实时定位,其定位精度能够达到水平方向11 cm,垂直方向17 cm。同时也有部分学者[13]将PPP-B2b产品与法国国家太空中心(centre national d′etudes spatiales,CNES)(以下简称为CNT)产品进行比较,但北斗卫星部分只使用了BDS-3。
本文以德国地学研究中心(helmholtz-centre potsdam-German research centre for geosciences,GFZ)的最终精密星历(GBM产品)为参考,将2021年7月6日至8月4日共30 d PPP-B2b产品的轨道与钟差精度以及CNT的轨道与钟差精度,进行评估和比较;然后利用IGS测站数据,以CNT为对比,利用30 d的实测数据对基于PPP-B2b信号的精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务性能进行了测试和精度分析。考虑到在实际应用中,CNT还可以接收BDS-2的卫星,CNT的PPP将使用所有其能接收到的北斗卫星,而非仅使用BDS-3。
1 实时精密星历与钟差
1.1 卫星精密轨道改正
北斗三号系统能够通过PPP-B2b信号播发状态空间表示(state space representation,SSR)方法的改正信息,因此可以实现实时PPP。在使用者接收PPP-B2b信号后,根据中国卫星导航系统管理办公室提供的接口控制文件解码后,即可得到实时的SSR信息[14]。然后,将广播星历利用SSR信息改正,就能够提高轨道和钟差的精度。其中,在计算实时精密产品时,GPS系统卫星使用LNAV1广播星历,而北斗三号系统卫星则采用CNAV1广播星历。SSR信息改正广播星历公式如下[15-16]。
首先根据改正信息计算t时刻卫星位置改正向量δ:
(1)
其中,dr、da、dc均为t0时刻卫星位置改正向量,vr、va、vc为t0时刻卫星速度改正向量。而由广播星历可以算得t时刻卫星位置向量r,卫星速度向量v。则可以将改正向量δ从卫星轨道坐标系转换到地心地固坐标系,得到δxyz:
(2)
(3)
其中,为转换矩阵。最后如式(4)所示,可得到t时刻改正后的卫星位置向量,即
(4)
另外,PPP-B2b提供的改正信息的参考中心为卫星相位中心,而CNT产品和GBM产品则为卫星质心。因此,PPP-B2b轨道还需要进行卫星天线相位偏差(phase center offset,PCO)改正,转为卫星质心[11],即:
(5)
其中,为天线相位中心位置矢量,为卫星质心的位置矢量,A为卫星姿态矩阵,为卫星天线相位的偏差矢量。
1.2 卫星精密钟差改正
(6)
式中,c是光速,tsat是改正后的卫星钟差参数,tbrdc是广播星历卫星钟差参数,C0是PPP-B2b提供的钟差改正数。
2 实时精密星历精度评估
2.1 评估方法
对于精密轨道产品,将PPP-B2b产品和CNES CNT产品分别与GFZ的GBM产品比较,然后,将比较的结果转换到轨道坐标系上,用径向(radial)、切向(along)、法向(cross)表示。
对于精密钟差产品,与轨道相比,由于硬件延迟和GNSS特定的时间尺度的不同,两种不同类型的精密钟差产品不能直接对比。考虑到硬件延迟是卫星跟踪模式的不同造成的,因此,需要使用相应的差分码偏差校正(differential code bias,DCB),其修正算法见下式[9,11]:
(7)
其中,为信号修正后的观测值,lsig为接收机获得的观测值,DCBsig为对应信号的码间偏差。同时,由于基准钟的不同,一个星座的所有卫星会存在一个系统偏差,因此通常采用双差法来减小这一误差。双差法就是通过选择一颗参考卫星或同一个星座中卫星的平均值来纠正每个历元计算出的误差[13]:
(8)
其中:为双差值;-为卫星s的精密产品a与精密产品b的单差值,文中a为PPP-B2b或CNT,b为最终精密星历GBM产品;、分别为a、b产品当前历元卫星的平均值,M为当前历元卫星数。另外,PPP-B2b只能提供中国及周边区域内的卫星,而卫星相对于区域GNSS网上升或下降会使得卫星的双差值不连续。因此,在评估钟差时,还采用了文献[13]的方法对双差值进行平滑。
此外,式(9)、式(10)分别为RMS和STD的计算公式,其中N为历元数,Xi为某一历元数据,μ为平均值。分别计算每天的RMS和STD,并求两者30 d的平均值,即为平均RMS和STD。
(9)
(10)
对于钟差RMS和STD来说,钟差RMS的大小与两个星历的绝对偏差大小有直接关系,这个绝对偏差与它们时间参考基准的不同有关,而且这个绝对偏差在定位的时候会与模糊度融合到一起,不影响定位精度,因此,钟差中影响最后定位结果的收敛精度是钟差的STD。
2.2 分析结果
为了对PPP-B2b长时期内的精度进行评估,本文收集了2021年7月6日至8月4日共计30 d PPP-B2b信息并计算出相应的实时精密产品。
其时间序列如图1(a)~(d)所示,可以发现PPP-B2b产品的径向误差要优于切向和法向误差,此外,径向误差以及钟差波动呈现一定的规律性。另外,以2021年7月6日(年积日187)为例展示平滑前后结果,如图1(e)~(f)所示。可以看出,平滑后的钟差序列被分割为许多小弧段,分别计算同一卫星每条弧段的平均RMS和STD,然后求平均即为当天该卫星钟差平均RMS和STD。

图1精密产品时间序列
Fig.1Precision product time series
将PPP-B2b产品以及相同时间段内的CNT产品,分别与GFZ的最终精密星历GBM做比较。由于截至实验时间为止,CNT中的BDS-3卫星有C19~C37,因此,在比较时BDS-3卫星也以C19~C37(C31除外)为准。
图2、图3所示为PPP-B2b产品以及CNT的轨道误差。从图中可知,在PPP-B2b的轨道误差中,径向精度最高,可达亚分米级,而法向和切向精度与径向相差较大; CNT的轨道精度较好,径向、法向、切向皆可到达厘米级。这可能与PPP-B2b产品仅使用了中国区域GNSS网络的观测结果,而CNT则使用全球GNSS网络有关。此外,表1是30 d精密轨道和精密钟差的平均值,考虑到轨道和钟差的耦合性,在评估钟差时,实验中还计算了扣除轨道径向误差之后的钟差误差,记为Clkred。从表1中可以看出,BDS-3的PPP-B2b径向的精度要比GPS的好一些,这与PPP-B2b的BDS-3应用了星间链路的额外观测有关[13]。

图2BDS-3轨道误差
Fig.2Orbit error of BDS-3

图3GPS轨道误差
Fig.3Orbit error of GPS
表1精密产品精度
Tab.1 Accuracy of precise product

图4、图5是以GBM最终产品为参考的PPP-B2b产品和CNT钟差的RMS以及STD值;图6是PPP-B2b钟差的RMS和STD 30 d的变化情况。从图中可以发现,在STD方面,PPP-B2b产品的GPS和BDS-3相接近,且与CNT的GPS均能达到0.1 ns的水平,而CNT的BDS-3要差一些,为0.1~0.2 ns。而在RMS方面,CNT的GPS和BDS-3均要小于PPP-B2b产品,而PPP-B2b产品BDS-3的RMS则要好于GPS。此外,从表1可以看出,钟差和Clkred结果接近,因此对于PPP-B2b来说,钟差对精度影响较大。

图4卫星钟差平均RMS
Fig.4Average RMS values of satellite clock offset errors

图5卫星钟差平均STD值
Fig.5Average STD values of satellite clock offset errors

图6PPP-B2b钟差RMS和STD 30 d变化情况
Fig.630 days′ change of PPP-B2b′s clock offset errors RMS and STD values
总的来说,BDS-3的PPP-B2b产品的轨道精度要优于GPS,但是两者的钟差STD精度接近。除BDS-3钟差STD外,其他均要比CNT稍差一些,但其径向精度能够达到亚分米级,钟差STD能够到达0.1 ns以内,满足实时定位的精度要求。
3 实时PPP精度评估
为了准确评估PPP-B2b和CNT在实际生产应用中的精度,使用实际能接收到的卫星进行PPP解算,因此,BDS方面,CNT使用了C1~C37,PPP-B2b使用了C19~C46,GPS方面使用的卫星相同。使用IGS的JFNG和URUM测站于2021年7月6日至8月4日共计30 d的数据以及2021年12月16日的海上实测数据,进行定位实验。实验分别采用静态PPP和动态PPP两种模式,其中,数据处理软件采用了Net_Diff,参考坐标采用了IGS周解文件中提供的坐标。表2所示为实时动态PPP的处理策略。
表2处理策略
Tab.2 Processing strategies

3.1 静态PPP评估
在静态条件下,PPP-B2b产品与CNT的NEU方向30 d的收敛时间和误差平均RMS如表3~6所示。收敛时间的定义[2]为水平方向收敛至0.3 m,垂直方向收敛至0.6 m,连续5 min保持不变。定位精度则定义为收敛后最后3 h误差的平均RMS。
表3JFNG测站收敛时间
Tab.3 Convergence time of JFNG

表4URUM测站收敛时间
Tab.4 Convergence time of URUM

表5JFNG测站定位误差平均RMS(静态)
Tab.5 Positioning error′s average RMS value of JFNG (static)

表6URUM测站定位误差平均RMS(静态)
Tab.6 Positioning error′s average RMS value of URUM (static)

定位精度方面,对于PPP-B2b产品三种组合的PPP定位,N方向和E方向精度都在4 cm以内,U方向在8 cm以内。收敛时间方面, PPP-B2b产品的BDS-3以及BDS-3+GPS水平以及垂直方向收敛时间均在20 min以内,而GPS收敛时间则均在30 min以内。
图7、图8为测站JFNG在2021年7月12日的静态PPP结果。综合图和表中数据可以得到如下结论,在使用PPP-B2b产品时,与仅使用GPS定位相比,使用BDS-3定位的收敛时间有一定缩短,而双系统组合的定位精度和收敛时间与BDS-3定位精度接近。与使用CNT相比,PPP-B2b产品静态模式下的精度与CNT的BDS精度相当,而CNT的GPS和GPS+BDS的收敛时间与定位精度都要比PPP-B2b产品的所有结果更优秀。文献[13] 中PPP-B2b与CNT对应的GPS+BDS-3的静态PPP精度类似,然而,该部分长期评估结果表明,PPP-B2b的GPS+BDS-3静态精度要逊色于CNT GPS+BDS的精度。

图7JFNG测站PPP-B2b的静态PPP
Fig.7PPP-B2b static PPP of JFNG

图8JFNG测站CNT的静态PPP
Fig.8CNT static PPP of JFNG
3.2 动态PPP评估
图9、图10给出了以JFNG测站2021年7月12日PPP-B2b产品和CNT的PPP结果为例。由图10可以看出,PPP-B2b产品在NEU方向上,BDS-3的精度与BDS-3+GPS精度相当,明显优于GPS的精度,其中当天的RMS,BDS-3为0.022 m、0.064 m、0.051 m,GPS为0.103 m、0.155 m、0.346 m,BDS-3+GPS为0.025 m、0.064 m、0.047 m。这是由于PPP-B2b产品的GPS系统平均卫星数仅6.5颗,而CNT产品的GPS平均卫星数为8.4颗,PPP-B2b产品的GPS卫星数较少,因此其定位结果出现了跳点和中断,最终使得PPP-B2b产品的GPS系统定位精度较差。从图9、图10可以看出,PPP-B2b产品BDS-3的精度要好于CNT的BDS系统的精度,且PPP-B2b产品BDS-3的精度接近CNT的GPS系统的精度。
表7、表8为JFNG和URUM测站NEU方向30 d的平均误差RMS,可以看出,PPP-B2b的单BDS-3以及BDS-3+GPS组合在水平方向和垂直方向均能够达到厘米级定位,且双系统组合的定位精度要更高一些。但相比于CNT的单GPS定位,PPP-B2b的单BDS-3以及双系统定位在三个方向上的精度都要逊色一些。

图9JFNG测站PPP-B2b的动态PPP
Fig.9Dynamic PPP of PPP-B2b in JFNG

图10JFNG测站CNT的动态PPP
Fig.10Dynamic PPP of CNT in JFNG
表7JFNG测站定位误差平均RMS(动态)
Tab.7 Positioning error′s average RMS value of JFNG (dynamic)

表8URUM测站定位误差平均RMS(动态)
Tab.8 Positioning error′s average RMS value of URUM (dynamic)

3.3 海上实测评估
为了评估实际使用中PPP-B2b的定位精度,在2021年12月16日的02:16—06:00(GPS时)进行了海上实测实验。在青岛市黄岛区唐岛湾岸边架设一台司南接收机,与潍坊火车站旁架设的一台天宝ALLOY接收机进行同步观测,基线长度约128 km,此外,在唐岛湾海中以一台装有抑径圈的诺瓦泰PP7接收机进行船载实验,其中采样间隔为1 s。
利用Bernese5.2软件对潍坊的测站进行PPP,得到精确坐标;然后通过静态基线处理获得岸边测站的精确坐标;最后处理短基线获得海上船载数据固定模糊度后各历元的精确坐标。同时,海上船载数据分别采用动态PPP,对PPP-B2b的GPS+BDS-3组合和CNT的GPS+BDS组合精度进行评估。
实验结果如图11所示,其中PPP-B2b NEU方向平均RMS分别为0.028 m、0.074 m、0.081 m,收敛时间为12.4 min;CNT NEU方向平均RMS分别为0.017 m、0.078 m、0.057 m,收敛时间为4.7 min。可以看出,在实际使用中PPP-B2b的表现符合动态条件中的水平,其定位精度能达到厘米级,而收敛时间也能够在20 min之内。但是,无论是水平和垂直方向精度,还是收敛时间,CNT都要表现得比PPP-B2b优秀。

图11海上实测数据动态PPP
Fig.11Dynamic PPP of data acquired in offshore
4 结论
本文通过对PPP-B2b产品的实时精密轨道和钟差以及实时动态PPP的评估,还有与CNES CNT产品的对比,来全面了解PPP-B2b提供服务的性能。
总的来说,得到了如下结论:
1)精密轨道与钟差方面,PPP-B2b产品的BDS-3和GPS在径向精度(0.07 m、0.089 m)能够达到亚分米级,两者钟差STD接近,且均能够在0.1 ns以内,满足实时精密定位要求。但与CNES CNT产品相比,其轨道误差相差较大,而PPP-B2b产品的BDS-3的钟差则要优于CNES CNT产品的BDS-3钟差。
2)PPP定位方面,静态条件下,PPP-B2b产品BDS-3及双系统组合N方向和E方向精度都在4 cm以内,U方向在8 cm以内,且两者收敛时间都在20 min以内,和已有结果[13]相比,在长期观测中,PPP-B2b的BDS-3+GPS要逊色于CNT的BDS+GPS;动态条件下,其BDS-3和BDS-3+GPS组合NEU方向精度均优于11 cm,GPS优于26 cm。
3)海上实验中,PPP-B2b 的BDS-3+GPS组合NEU方向平均RMS分别为0.028 m、0.074 m、0.081 m,达到了厘米级;而收敛时间为12.4 min。这表明,PPP-B2b产品的BDS-3 和BDS-3+GPS的定位精度能够达到厘米级,而GPS能够达到分米级。但与CNES相比,两种模式在水平和垂直方向的精度都相对较差。
总的来说,PPP-B2b的性能满足实时动态PPP的要求,但与CNES CNT产品相比有一定差距。因此在能够获取IGS实时数据流时,应该优先使用IGS实时数据流。但在远海、部分山区等无法接收网络信号的偏远区域,能够使用PPP-B2b完成高精度动态定位,具有很强的应用性。