北斗三号PPP-B2b信号精密单点定位服务可用性分析

针对北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)PPP-B2b信号精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务可用性,以改正参数的可用性比例、平均可用卫星数和改正参数匹配性为指标进行了系统分析.结果表明:在中国及周边地区,BDS-3 PPP-B2b信号改正参数的可用性在71%~95%,且在北京地区达到最大,GPS改正参数可用性在68.5%~88.6%,差于BDS-3.中国及周边地区用户缺少PPP-B2b信号改正参数的卫星观测弧段主要集中在低高度角时段,其改正参数的可用性随着截止高度角的增大而增大;BDS-3、GPS和BDS-3/GPS在中国及周边地区的改正数可用平均卫星数分别约为8颗、7颗和15颗,可以确保有效的实时PPP(real time PPP,RT-PPP)服务性能,但平均约有1颗BDS-3卫星和2颗GPS卫星因为缺少PPP-B2b信号改正参数而无法参与RT-PPP服务;对于赤道以南地区,单个系统基本无法提供有效的PPPB2b服务,其改正参数的平均可用性低于50%,但BDS-3/GPS双系统在部分低纬度地区可提供约7~11颗的可用卫星;由于轨道改正参数和钟差改正参数更新频率不一致,在钟差改正数版本号(IOD Corr)参数更新时,会出现短暂的改正参数不匹配情况.

北斗三号系统PPP-B2b空间信号性能评估

评估北斗三号系统B2b播发的实时精密改正数,对系统精密单点定位服务能力的提升具有促进作用,将改正数恢复成精密轨道和钟差产品,采用事后精密产品对广播星历、BDS-3和CNES实时精密产品的空间信号进行了系统的量化评估。结果表明.BDS-3卫星实时精密轨道径向、切向和法向分别为8.2 cm、27.9 cm、22.4 cm,稍优于广播轨道的精度,而GPS实时精密轨道3个方向的精度为11.0 cm、45.2 cm、34.6 cm,同时段的CNES轨道精度相对较好。BDS-3卫星钟差误差的均方根为55.6 cm,标准差为4.1 cm,GPS对应精度为112.3 cm和5.9 cm,两个系统的标准差明显优于广播钟差。受实时精密钟差较大的RMS影响,BDS-3和GPS卫星空间信号测距误差的均方根为54.0 cm和114.9 cm,但相应标准差仅为3.8 cm和5.1 cm。

BDS-3 B2b-PPP URA评估精化与播发方法

用户距离精度指数(URAI)作为导航系统定位服务完好性标识,在提供卫星可用性信息的同时,也反映了卫星的轨道钟差精度。本文提出将B2b电文中随轨道改正数播发的URAI信息恢复为用户距离精度(URA),并用于B2bPPP的随机模型构建。对其进行定位性能评估,发现B2b自身播发的URA精度较差。针对该问题,利用分布在中国及周边区域的多个全球卫星导航系统(GNSS)监测站对B2b的URA参数进行重估计。实验结果表明:精化后的URA能显著提升B2b-PPP的服务性能。相比于仅考虑观测噪声和高度角的随机模型,使用精化后的URA作为随机模型,动态和静态定位模式下的收敛时间提升分别达到18.9%、14.5%;收敛后定位精度提升分别达到11.2%、8.9%。在此基础上,进一步结合北斗卫星导航系统(BDS)短报文,提出一种精化后URA的播发方法,结合现有短报文通信效率进一步分析了精化URA的用户使用性能。

基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递

面向精密可靠的远程时间传递需求,提出一种基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递方法。该方法利用北斗三号精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务提供的精密轨道改正数,根据实时载波相位单差技术估算异地接收机的相对钟差,实现高精度时间传递。基于中国及周边地区6个跟踪站连续多天的北斗三号系统观测数据开展试验,验证了该时间传递方法的性能。试验结果表明:零基线时间传递结果的标准差优于0.03 ns。与事后PPP时间传递相比,长基线时间传递结果差值的标准差优于0.3 ns,时间传递天边界连续性更好。基于北斗三号PPP-B2b轨道的实时精密共视时间传递方法,不依赖精密卫星钟差,能实现亚纳秒量级的时间传递精度,具有易于实现、连续性好的优势。试验结果可为北斗精密时间服务提供一定的参考。

北斗三号PPP-B2b服务实时动态定位性能分析

为了进一步提高精密单点定位的精度,对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)提供的实时精密单点定位增强(PPP-B2b)服务进行实时动态定位性能分析:介绍基于PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位模型和数据处理流程;然后在城市环境下进行基于BDS-3PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位性能的车载实验,对不同频点组合B1C+B2a、B1I+B3I模式下的动态定位性能进行评估和分析。实验结果表明,实时动态PPP的城市开阔环境试验中利用B2b服务的电文改正信息后B1C+B2a、B1I+B3I频点组合模式下东向、北向和天向上定位精度分别为11.6、18.8、28.6 cm,以及13.3、19.4、32.5 cm,B1C+B2a组合方式在定位精度和收敛速度方面略优于B1I+B3I;复杂城市环境下GNSS信号发生中断后,信号恢复后PPP-B2b重新收敛的定位精度能够达到40.6、33.2、60.1cm;可知,BDS-3PPP-B2b产品精度较高,且城市环境下基于该服务的实时动态精密单点定位能够实现分米级定位,可用于正常生产生活中。

基于高动态环境下B2a信号的双通道跟踪算法

在北斗三号B2a信号中,针对在高动态环境下信号多普勒变化较大,导致导航接收机跟踪环路收敛速度较慢、稳定性差等问题,基于北斗B2a信号传统跟踪环路算法设计出基于三阶锁频辅助四阶锁相的双通道联合跟踪载波跟踪环,并对此跟踪算法进行仿真分析。实验结果表明双通道联合跟踪算法对信号的利用率明显提升且环路收敛速度快,在信号较差的情况下也能实现稳定跟踪,并且稳定性和准确度明显提升。

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成,可为用户提供公开、免费的高精度服务,对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品,并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后,以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考,评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm,钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后,利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证,结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当,可满足单站实时高精度定位与导航的应用需求.

北斗三号PPP-B2b服务的卫星定轨精度评估

随着北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的成功组网,新启用的B2b信号由于承载着精密单点定位(PPP)服务而备受关注,但该信号的应用尚未普及,为探究PPP-B2b信号的服务性能,针对自研板卡接收的B1C和PPP-B2b导航电文数据,以德国地学研究中心(GFZ)提供的精密星历产品及其插值结果为参考基准,计算卫星定轨结果与参考基准的互差序列和均方根误差(RMSE),评估广播星历和PPP-B2b精密改正轨道的轨道精度.结果表明:广播轨道在径向(R)、切向(T)、法向(N)的精度均值分别为0.19 m、0.65 m和0.89 m;精密改正轨道在R、T、N的精度均值分别为0.13 m、0.32 m和0.29 m;自研板卡接收的PPP-B2b信号满足PPP的应用要求,为下一步开发基于PPP-B2b信号的相关产品提供数据参考.

基于“北斗”三号PPP-B2b的定位与时间传递

随着“北斗”三号的建成以及通过GEO卫星进行播发的PPP-B2b信号的公布,“北斗”卫星的定位与定时精度再一次得到提升。为了研究PPP-B2b的定位精度以及时间传递性能,开展了对“北斗”三号的PPP-B2b相关实验。首先选取亚太地区的6个测站静态与动态精密单点定位E(East)、N(North)、U(Up)方向上的误差分析,然后又选取了NTSC与USUD测站进行时间传递稳定度分析。定位结果表明,B1I/B3I组合与B1C/B2a组合的PPP-B2b静态定位E方向、N方向、U方向RMS值分别在4.58 cm,5.34 cm,2.2 cm与4.18 cm,4.97 cm,2.22 cm,B1I/B3I组合与B1C/B2a组合的PPP-B2b动态定位E方向、N方向、U方向RMS值分别在17.99 cm,19.41 cm,12.72 cm与22.47 cm,21.61 cm,15.11 cm,两种组合表现出定位精度的一致性。PPP-B2b零基线共钟的时间传递普遍在1 ns内波动,时间传递的STD为0.203,10^(5) s的稳定度达到了5.336×10^(-15);PPP-B2b长基线的时间传递普遍在5 ns内波动,时间传递的STD为1.585,10^(4) s稳达到了3.55×10^(-14)。因此,B2b产品能够满足亚太地区厘米级定位以及纳秒级授时的要求。

北斗三号PPP-B2b信号跟踪环路的极点分布法设计

2020年7月,北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件精密单点定位服务信号PPP-B2b(1.0版)正式公布,PPP-B2b可以实现中国及其周边地区静态厘米级、动态分米级的高精度定位,其播发的BDS、GPS增强信息可用性分别达到97.5%和91.5%。为解决PPP-B2b接收机跟踪环路参数设置复杂的问题,从PPP-B2b信号接收处理的层面入手,采用极点分布法进行信号跟踪环路设计,将传统跟踪环路的多个参数统一到一个参数。通过实时采集卫星播发的PPP-B2b信号,对比分析极点分布法和经典理想锁相环数字化设计的环路。结果表明:与经典理想锁相环数字化方法相比,极点分布法跟踪环路只需设置环路噪声带宽B_(L)就可实现PPP-B2b信号的快速解扩与解调,物理意义明确且简单易行,利于PPP-B2b接收机的工程实现。

基于北斗3号PPP-B2b信号的精密单点定位精度分析

选取IGMAS中国区域的5个测站2020年年积日(doy)112~116期间的观测数据,分析北斗3号PPP-B2b信号静态、动态精密单点定位(PPP)精度。结果表明,B2b轨道产品R、A、S方向精度分别优于0.07 m、0.33 m、0.24 m,钟差STD优于0.08 ns;在中国区域内,利用北斗3号PPP-B2b信号,静态PPP定位N、E、U方向精度RMS分别达到0.8 cm、1.5 cm、1.6 cm,动态PPP定位精度RMS分别达到3.6 cm、6.0 cm、12.2 cm,可满足导航与位置服务、大地测量等应用服务需求。

北斗三号PPP-B2b信号精度及精密单点定位性能评估

PPP-B2b是北斗三号系统首次对外发布的高精度信号,可为中国和周边地区用户提供实时的精密单点定位(PPP)服务.本文围绕PPP-B2b改正信息精度、服务范围、PPP定位性能等问题进行了研究.结果表明:在改正信息精度方面,PPP-B2b将广播星历的轨道精度在径向、法向和切向上平均提升了4.3%、6.2%和16.1%;钟差误差从1.18 ns降至0.22 ns,精度提升了1个数量级.在服务覆盖范围方面,PPP-B2b服务在中国的可用性优于80%,在亚洲地区基本达到70%以上.在定位性能方面,使用PPP-B2b信号进行PPP解算,静态PPP精度达到厘米级,动态PPP精度为分米级;动态PPP收敛时间平均为22.9 min.

基于BDS-2/BDS-3联合处理的北斗超快速钟差预报优化策略

针对北斗卫星导航系统(BDS)钟差预报产品无法满足高精度快速服务需求的现状,提出了一种基于BDS-2/BDS-3联合估计的超快速卫星钟差预报优化策略。区别于传统两步法预报模型,利用稀疏建模方法一步求解所有模型项,并通过BDS-2/BDS-3星间相关性实现了模型系数解的增强;为进一步降低模型残差的影响,基于残差序列时空相关性,利用半变异函数重构了模型估计的权阵。为验证提出的钟差预报模型,设计了12套对比方案,实验结果表明:基于稀疏建模的钟差模型参数一步估计可略微提高钟差预报精度;通过引入星间相关性对随机模型进行精化,钟差序列一步建模可分别将BDS-2与BDS-3卫星钟差18h预报精度提升28.6%与27.2%;基于半变异函数建模的模型残差相关性提取,可实现BDS-2与BDS-3预报钟差精度8.0%与11.1%的提升。因此,提出的优化策略对当前北斗超快速卫星钟差预报产品精化具有重要意义。

基于B1C/B2a观测数据的北斗卫星精密定轨及广播星历轨道分析

利用开通全球服务以来近2 a的iGMAS和MGEX观测数据,确定并分析北斗三号卫星B1C/B2a数据的长时序定轨性能,以评估广播星历轨道对用户定位的影响。结果表明,基于新频点B1C/B2a观测数据的北斗三号MEO卫星精密轨道径向精度约为3 cm, IGSO约为8 cm。除GEO外,北斗三号IGSO/MEO卫星的广播星历轨道在径向、法向和切向的平均精度约为0.11 m、0.36 m和0.38 m,均优于GPS卫星;卫星轨道引起的用户测距误差(SISRE)约为14.5 cm。然而,广播星历轨道的激光测卫(SLR)检核残差结果显示,其轨道径向存在明显系统性偏差,最大可达近10 cm。

基于BDS-3/GPS的RTK/B2b-PPP融合切换定位技术

针对远海、沙漠等网络实时动态(real-time kinematic,RTK)载波相位差分技术通讯信号容易中断的应用场景,提出了一种基于北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)/GPS双系统的RTK/B2b-PPP融合切换定位技术.充分利用网络RTK收敛快、定位精度高和B2b-PPP单站定位、覆盖范围广的特点,将网络RTK获取的高精度位置坐标作为先验信息,与B2b-PPP融合以辅助B2b-PPP快速收敛.通过分时段多组数据的采样分析,结果表明:RTK固定解与B2bPPP融合定位精度在东(east,E)、北(north,N)、天顶(up,U)方向分别为2.57 cm、0.90 cm、2.83 cm,较独立B2b-PPP定位大幅提高;RTK固定解与B2b-PPP融合1 s后,便可帮助B2b-PPP瞬时收敛,RTK中断后初期精度达到厘米级,0.5 h后逐渐过渡到B2b-PPP独立定位精度水平,表明B2b-PPP可作为网络RTK的有效补充手段,在RTK差分中断后,能够有效维持高精度定位水平.

一种基于北斗三号B2b信号的精密单点授时方法

授时是卫星导航系统的基本服务之一,在先进电子设备研制和智能时空信息服务中具有重要作用.针对当前全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)授时方法存在的受地面共视观测站和通信网络限制的问题,本文提出一种基于北斗三号B2b信号的精密单点授时方法(B2b signal based Precise Point Timing,B2b-PPT).该方法利用北斗三号地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星播发的B2b信号,结合双频伪距和载波相位观测值,根据精密单点定位算法实时估算接收机钟差.经过世界协调时(Universal Time Coordinated,UTC)偏差改正和硬件延迟校准后,B2b-PPT接收机对本地时钟进行驯服,从而实现高精度时频同步.基于iGMAS(international GNSS Monitoring and Assessment System)观测站的实验结果表明:使用B2b-PPT方法的单站授时精度为0.58 ns,10 h的频率稳定度为6.9E-15;站间模式的授时精度为0.33 ns,10 h的频率稳定度为1.1E-14.与传统的精密单点授时方法相比,B2b-PPT方法授时精度更高,并且具有成本低、不依赖地面通信网络和分析中心的优势.

北斗三号卫星B2b信号解析

随着北斗三号卫星建设即将完成,北斗服务平稳过渡为由北斗三号系统为主提供。2019年12月27日B2b信号接口文件公布,公开了两种B2b信号,提供基础导航服务的B2b信号和提供精密单点定位服务的PPP-B2b信号。基于B2b信号接口控制文件,介绍了B2b信号信息结构、信息类型以及天空中卫星信号解析结果,并给出了B2b信号的定位精度结果,对天空的PPP-B2b信息进行了解析。对B2b的Q支路信号也进行了探索。

北斗三号新信号B2a和B2(B2a+b)质量分析及星座几何性能评估

在最新的能接收到北斗三号新信号B2a及B2(B2a+b)的MGEX测站数据基础上,分析BDS-3信号的载噪比、多路径及卫星的三维位置精度因子(PDOP)。结果表明,与GPS相比,BDS的载噪比B2(B2a+b)>B2a≈L5>B3≈B2b>B1≈L1>L2,多路径误差B2(B2a+b)<B2a≈L5<B3≈B2b<L2<L1<B1;PDOP值BDS-2+3与GPS相近,且与GPS组成多系统后PDOP显著减小,并较为稳定。

基于北斗三号PPP-B2b信号的海上精密定位试验分析

北斗三号PPP服务在海洋环境调查和海洋工程建设等方面有着广阔的应用前景。为了评估PPP-B2b信号在海上的服务性能,利用船载北斗三号接收机采集到的PPP-B2b信号改正数,评估了PPP-B2b信号的轨道和钟差精度,并开展了海上PPP定位试验。研究显示,PPP-B2b改正数对不同轨道卫星改正精度不同,修正后的轨道R、A、C、钟差精度最高可达0.35 m、0.32 m、0.43 m、1.14 ns;不同GEO卫星的改正数精度不同,修正后的轨道R、A、C、钟差精度最高可达0.46 m、0.33 m、0.38 m、3.05 ns;北斗三号海上PPP的首次收敛时间为32.5 min,稳定后N、E、U精度达到0.058 m、0.069 m、0.114 m。结果表明,北斗三号MEO卫星的改正效果整体优于IGSO卫星,C61卫星播发的改正数精度整体优于C59,PPP服务在收敛稳定后能够满足海洋高精度位置服务需求。

北斗2/3号卫星组合定位性能与质量研究分析

为探究北斗卫星导航系统全球组网成功后的实际定位性能,对卫星连续跟踪情况、GDOP和PDOP值以及4 h PPP坐标解的残差以及北斗2号(BDS2)星座和北斗2/3(BDS2/3)组合星座进行研究分析。该研究肯定了北斗的定位性能,并认为完整的全星座北斗卫星系统的定位性能将会优于GPS卫星系统。