北斗系统广域差分性能评估技术研究

任 晖,辛 洁,赵金贤,薛 峰

(北京卫星导航中心,北京 100094)

北斗系统广域差分性能评估技术研究

任 晖,辛 洁,赵金贤,薛 峰

(北京卫星导航中心,北京 100094)

针对北斗系统广域差分服务性能测试评估难题,提出基于高精度BDS用户机构建的评估平台,对单频伪距、单频伪距差分、双频伪距和双频伪距差分等多种定位模式的数据进行采集、分析,进而得出相关结论。结果表明,北斗系统提供的广域差分服务进一步提升了系统服务性能。北京地区测试评估结果显示,单频差分服务精度优于5 m,比普通单点定位精度提升了近30%,双频差分服务精度优于3 m,比普通双频定位精度提升了近40%。

北斗系统;广域差分;BDS用户机;双频差分

0 引言

2012年底,最后1颗地球静止轨道卫星(geostationary orbit,GEO)完成入网,北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)宣告建成。BDS由14颗在轨卫星组成,包括5颗GEO卫星,5颗倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星和4颗中圆地球轨道(medium Earth orbit,MEO)卫星。BDS发播3个频点的导航信号,频率分别为1 561.098 MHz (fB1),1 207.14 MHz(fB2)和1 268.52 MHz(fB3),其中B1I和B2I是民用信号,码速率均为2.046 Mbps。随着BDS的快速发展,对BDS的定位、导航和授时服务性能提升和指标的评估工作相继展开[1]。

卫星导航系统的定位服务能力的提高可从以下两方面入手:一是提高导航卫星数及优化空间构型,即改善地面终端的卫星几何观测条件;另一方面,提高卫星星历、钟差及相关电离层模型参数的精度,即提高导航系统的空间信号精度。在卫星数有限的条件下,获取导航卫星的差分(轨道、钟差)改正数和电离层改正数是提升卫星导航系统性能的关键[2]。

BDS是集基本导航服务和增强导航服务一体的卫星导航系统。为所有频点及支路提供差分改正数信息(含B1I和B2I的民用信号),使广大用户可以参与到BDS增强服务性能评估工作中。

文献[3-4]给出了GPS(global positioning system,GPS)卫星导航系统建成运行后的导航定位性能评估方法,包括卫星可见性、位置精度衰减因子、伪距和载波相位观测量精度、单点定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等,但未给出BDS定位性能评估方法。文献[5-7]阐述了多径效应对卫星导航系统的影响,提出了3种多径抑制技术,但并未给出在BDS的应用情况。

高精度BDS用户机是衡量和评估BDS性能的关键设备,多次参与BDS性能评估工作。针对以上问题,本文采用高精度BDS用户机的实测数据和数据处理软件,实现了B1I单频伪距(普通单频)、B1I单频伪距差分(B1ID:单频+差分改正数+电离层改正数)、B1I/B2I双频伪距(普通双频) 和B1I/B2I双频伪距差分(B1B2ID:双频+差分改正数)定位模式。结果表明,B1I/B2I双频伪距差分定位精度最优,其它依次为双频伪距、单频伪距差分和单频伪距,实现了BDS增强服务性能的评估[8]。

1 BDS广域差分性能评估试验设计

为开展BDS增强服务测试评估技术研究,通过采用抗多径天线和Double-Delta基带处理算法,极大的改善了高精度BDS用户机的多径抑制性能[3,5-7]。该机型(国星北斗增强型接收机)支持BDS所有定位模式,其载波相位观测精度达到mm级。

基于高精度BDS用户机,设计了BDS广域差分性能评估试验。该试验通过高精度BDS用户机,实时采集B1I和B2I伪距观测信息,接收BDS地面系统播发的差分改正数(轨道、钟差)和电离层改正数。进行各种定位模式解算,比对各种模式定位精度。试验流程如图1所示。

图1中,单频伪距定位精度是指B1I普通单点定位精度;单频伪距差分定位精度(B1ID)是指应用了差分改正数和电离层改正数后的B1I单频定位精度;双频伪距定位精度是指B1B2I组合双频定位精度;双频伪距差分定位精度是指应用了差分改正数后的B1B2I双频定位精度。

2 数据采集

根据上述BDS广域差分性能评估试验设计方案,在已知位置站点放置高精度BDS用户机天线(同时加装了吸波材料),并在定位精度比对软件中设置已知位置值。实时采集单频、双频等各种定位模式下的定位结果,并记录各种原始观测数据。将已知位置值与定位测试结果进行实时比对,确认测试操作和测试结果的合理性[9]。

图1 BDS广域差分性能评估试验设计图

使用高精度BDS用户机,在北京地区进行24 h的静态数据采集,即从2013-01-27 T 0:00:00～2013-01-28 T 0:00:00(北京时间),采样间隔为1 s,以均方根(root mean square,RMS)作为精度评定指标。

高精度BDS用户机B1I单频及B1ID单频差分定位精度比对见表1。从表1统计结果可知,B1I单频水平定位精度3.9 m,B1ID单频差分水平定位精度为3.5 m,B1ID单频差分水平定位精度优于B1I单频水平定位精度10.26%;B1I单频高程定位精度5.4 m,B1ID单频差分高程定位精度为3.4 m,B1ID单频差分高程定位精度优于B1I单频高程定位精度37.04%;B1I单频三维定位精度6.7 m,B1ID单频差分三维定位精度为4.9 m, B1ID单频差分三维定位精度优于B1I单频三维定位精度26.87%。

表1 高精度BDS用户机B1I单频和B1ID单频差分24 h定位精度比对(RMS)

高精度BDS用户机B1I单频和B1ID单频差分24 h三维定位精度曲线见图2,从图2统计结果可知,24 h的绝大多数时间段内,B1ID单频差分三维定位精度优于B1I单频三维定位精度[10]。

图2 高精度BDS用户机B1I单频和B1ID单频差分24 h三维定位精度曲线图

图3 高精度BDS用户机B1B2I双频和B1B2ID双频差分24 h三维定位精度曲线图

高精度BDS用户机B1B2I双频及B1B2ID双频差分定位精度比对见表2。从表2统计结果可知,B1B2I双频水平定位精度2.9 m,B1B2ID双频差分水平定位精度为2.0 m,B1B2ID双频差分水平定位精度优于B1B2I双频水平定位精度31.03%;B1B2I双频高程定位精度3.7 m,B1B2ID双频差分高程定位精度为2.1 m,B1B2ID双频差分高程定位精度优于B1B2I双频高程定位精度43.24%;B1B2I双频三维定位精度4.7 m,B1B2ID双频差分三维定位精度为2.9 m,B1B2ID双频差分三维定位精度优于B1B2I双频三维定位精度38.30%。

表2 高精度BDS用户机B1B2I双频和B1B2ID双频差分24 h定位精度比对(RMS)

高精度BDS用户机B1B2I双频和B1B2ID双频差分24 h三维定位精度曲线见图3,从图3统计结果可知,24 h时间段内,B1B2ID双频差分三维定位精度优于B1B2I双频三维定位精度。

根据对上述测试数据统计,得出以下结论:

(1)北京地区24 h内绝大多数时间段,B1I单频三维定位精度优于7 m,B1ID单频差分三维定位精度优于5 m,单频差分服务比普通单点定位精度提升了近30%。

(2)北京地区24 h内基本所有时间段,B1B2I双频三维定位精度优于5 m,B1B2ID双频差分三维定位精度优于3 m,双频差分服务精度比普通双频定位精度提升了近40%。

(3)北京地区单、双频差分定位精度均比非差分定位精度有较大提升。

在表1和表2数据统计的基础上,进一步分析得出表3,表3是高精度BDS用户机B1I单频、B1ID单频差分、B1B2I双频和B1B2ID双频差分24 h定位精度比对。

通过表3可以看出,在上述四种定位模式中, B1B2ID双频差分定位精度最优,其它依次为B1B2I双频定位、B1ID单频差分定位和B1I单频定位。其中,B1B2I双频定位和B1ID单频差分定位精度基本相当。

表3 高精度BDS用户机B1I、B1ID、B1B2I和B1B2ID24 h定位精度比对(RMS)

3 数据分析

根数上述试验数据及初步分析结果,进一步进行了分析。依据传统GPS经验,双频定位中可利用双频电离层消除技术几乎完全消除由电离层延迟引入的误差(由于采用了多径抑制技术,多径误差可忽略),一个无电离层的伪距可以表示为:

式(1)中,ρ无电离层为无电离层影响的伪距值;ρB1为B1频点的伪距测量值;ρB2为B2频点的伪距测量值;fB1为B1频点的频率1 561.098 MHz;fB2为B2频点的频率1 207.14 MHz。

双频差分(双频+差分改正数),既消除了电离层误差的影响,又通过使用差分改正数降低了轨道和钟误差的影响,定位精度最高。

单频定位(普通单点定位),既未使用差分(轨道、钟差)改正数,又未使用电离层改正数进行误差修正,定位精度最低。

双频定位(普通双频),仅消除了电离层误差的影响,未采用差分改正数降低轨道和钟误差的影响,定位精度介于双频差分和单频定位之间。

单频差分定位(单频+差分改正数+电离层改正数),既使用差分(轨道、钟差)改正数,降低了轨道和钟误差的影响,又使用电离层改正数降低了电离层误差影响,定位精度介于双频差分和单频定位之间。

根据上述分析可得到表4。通过表4可知,普通双频定位和单频差分定位精度之间的优劣,取决于消除电离层影响的程度和差分改正数、电离层改正数修正程度之间的优劣。

表4 不同定位模式误差影响分析

4 结束语

BDS区域系统于2012-12-27开通运行后,为亚太地区用户提供独立的导航定位和位置报告服务。本文基于高精度BDS用户机实施了广域差分性能评估试验,通过对北京地区的实测数据进行分析得出以下结论:

(1)BDS提供的广域差分服务进一步提升了系统服务性能。北京地区单频差分服务比普通单点定位精度提升了近30%,双频差分服务精度比普通双频定位精度提升了近40%。

(2)北京地区的B1 ID单频伪距差分精度优于5 m,B1B2 ID双频伪距差分精度优于3 m。

需要指出的是,本文的计算与分析仅使用了北京地区24 h的采集的数据,更科学客观的评估广域差分服务性能,还需进行大量的覆盖不同地区、不同季节的试验。

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Estimation Technology Research of BDS Wide Area Differential Performance

REN Hui,XIN Jie,ZHAO Jinxian,XUE Feng
(Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China)

Aiming at the testing estimate problem of BDS wide area differential performance,the paper constructed a testing platform based on BDS receivers,which could collect and analyze the data of multiple positioning models,such as singlefrequency pseudo range,single-frequency pseudo range differential,dual-frequency pseudo range and dual-frequency pseudo range differential,and then draw corresponding conclusions.The results prove that wide area differential service provided by BDS could further improve the system service performance.With the testing estimate results in Beijing as example,it’s easy to find that the accuracy of single-frequency pseudo range differential is superior to 5 m,improving near 30%than normal singlefrequency position accuracy;the accuracy of dual-frequency pseudo range differential is superior to 3 m,improving near 40% than normal dual-frequency position accuracy.

BDS;wide area differential;BDS receivers;dual-frequency differential

P228

A

2095-4999(2015)04-0007-04

2014-10-16

任晖(1978—),男,山东济南人,工程师,博士,现主要从事卫星导航测试评估方向研究。引文格式:任晖,辛洁,赵金贤,等.北斗系统广域差分性能评估技术研究[J].导航定位学报,2015,3(4):7-10.REN Hui,XIN Jie,ZHAO Jinxian,et al.Estimation Technology Research of BDS Wide Area Differential Performance[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):7-10.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150402