基于北斗导航系统的精密单点定位外文翻译资料

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基于北斗导航系统的精密单点定位

Min Li, Lizhong Qu , Qile Zhao, Jing Guo, Xing Su and Xiaotao Li

GNSS研究中心,湖南大学,Luoyu路129号, 湖南430079, 中国;

摘要：截止2012年底，中国已经发射了16颗北斗-2导航卫星，其中包括6颗地球同步轨道卫星，5颗倾斜地球同步轨道卫星，5颗中地球轨道卫星，这为亚太地区首次提供了导航和精确定位能力。为了评估北斗-2系统的导航和定位水平，武汉大学在全世界建立了北斗实验跟踪站网络（BETS），并对定位导航数据分析软件（PANDA）进行了修改，以确定北斗卫星的轨道，并为用户提供来自北斗卫星系统的精密轨道和卫星钟差产品。本文利用北斗实验跟踪站的北斗/GPS观测数据，实现了单北斗和北斗/GPS的静态和动态精密定位（PPP）。结果表明，北斗静态和动态精密定位的精度可达到厘米级。与单北斗或单GPS动态定位的解决方案相比，北斗/GPS动态单点定位解决方案的精度有了显著提高。随着北斗与GPS全球定位系统数据的联合使用，精密单点定位收敛时间也会缩短。

关键词：北斗卫星导航系统，定位导航数据分析软件（PANDA），北斗实验跟踪站（BETS），精密单点定位（PPP）

Precise Point Positioning with the BeiDou Navigation

Satellite System

Min Li, Lizhong Qu *, Qile Zhao, Jing Guo, Xing Su and Xiaotao Li

GNSS Research Center, Wuhan University, No.129 Luoyu Road, Wuhan 430079, China;

Abstract: By the end of 2012, China had launched 16 BeiDou-2 navigation satellites that include six GEOs, five IGSOs and five MEOs. This has provided initial navigation and precise pointing services ability in the Asia-Pacific regions. In order to assess the navigation and positioning performance of the BeiDou-2 system, Wuhan University has built up a network of BeiDou Experimental Tracking Stations (BETS) around the World. The Position and Navigation Data Analyst (PANDA) software was modified to determine the orbits of BeiDou satellites and provide precise orbit and satellite clock bias products from the BeiDou satellite system for user applications. This article uses the BeiDou/GPS observations of the BeiDou Experimental Tracking Stations to realize the BeiDou and BeiDou/GPS static and kinematic precise point positioning (PPP). The result indicates that the precision of BeiDou static and kinematic PPP reaches centimeter level. The precision of BeiDou/GPS kinematic PPP solutions is improved significantly compared to that of BeiDou-only or GPS-only kinematic PPP solutions. The PPP convergence time also decreases with the use of combined BeiDou/GPS systems.

Keywords: BeiDou navigation satellite system; Position and Navigation Data Analyst(PANDA); BeiDou Experimental Tracking Stations (BETS); Precise Point Positioning (PPP)

1. 绪论

作为一款与其它世界卫星导航系统一致的全球导航系统，北斗系统由中国自主建设与运营，预计将在2020年为各类用户全世界，全天候，24小时的提供高精度高可靠性的定位、导航和定时（PNT）服务。截止2012年底，北斗卫星导航系统的卫星星座由16颗卫星组成，包括6颗地球同步轨道卫星，5颗倾斜地球同步卫星，5颗中轨道卫星，以及14颗卫星，其中包括5颗地球同步轨道卫星，5颗倾斜地球同步卫星，4颗中轨道卫星。北斗系统空间信号接口控制文件（ICD）测试版于2011年12月27日发布。这表明北斗系统开始提供初步的运行服务。2012年12月27日，ICD的正式版本发布，并为中国及其周边地区提供了全面的运营服务。这表明区域导航卫星系统已经建立。国内外企业也被鼓励参与北斗系统应用终端的研发（见http://www.beidou.gov.cn）。

自北斗二号系统第一颗卫星M01成功发射以来，人们对北斗二号系统的信号结构、精确定轨、精密定位性能等方面已有了多方面的研究。这其中有对M01的信号进行了追踪，分析了e2（b1）、e5b（b2）和e6（b3）频段伪随机噪声（PRN）码的结构^[1,2]。北斗M01卫星的信号功率比GPS卫星和伽利略的GIOVE-B卫星大。也有研究者以“BETS”和PANDA软件为基础，研究了利用精确轨道和卫星钟差产品对北斗卫星进行精确轨道确定与精密单点定位。径向分量误差的均方根值达到10 cm，而北斗系统每天的静态精密定位精度水平分量达到2cm，垂直分量达到7cm^[3]。还有人利用卫星激光测距（SLR）跟踪数据确定了7天北斗M01的轨道。三维重叠误差的均方根值在所选周期内从11 cm到50 cm不等^[4]。静态和动态精密相对定位的精度同样得到了研究。其中静态定位解的精度达到了毫米级，而动态定位解的精度则在厘米级^[5]。值得一提的是，上述定位结果是在仅有6颗北斗卫星的情况下获得的。随着卫星数量的增加，对北斗系统的研究成果也将会越来越多。由于跟踪站数量少，北斗轨道数据和钟差精度低，静态精密单点定位水平分量和垂直分量的误差达到12厘米^[6]。德国地球科学研究中心（GFZ）的EPOS-RT软件包获得了与PANDA软件相似的结果^[7]。与单GPS的精密单点定位相比，基于6个站点的北斗定位结果提高了几厘米精度^[8]。有研究为了提高北斗区域系统的卫星轨道数据精度，分析了轨道几何结构的影响、中轨道卫星的参与以及整数模糊度分辨率的影响^[9]。同时，有研究对北斗系统对流层遥感能力进行了评估。实验表明，利用各种不同的软件包计算得到的BDS天顶对流层延迟（ZTD）与由GPS计算得到的ZTD接近^[10]。

单个全球导航卫星系统（GNSS）性能的提高主要可以由增加导航卫星的数量、优化空间几何配置和提高系统空间信号的精度，包括提高精密轨道和卫星钟差的精度来实现。但同时，多个卫星导航系统数据的联合使用使得观测卫星的数量得以显著增加，空间几何结构得以显著优化，定位的连续性和可靠性显著提高^[11]。然而，在过去，多全球导航卫星系统的数据处理主要集中在GPS和GLONASS的融合^[11-14]。我们通过对模拟数据的处理，分析了北斗导航卫星系统数据对全球PNT用户的贡献，结果表明，引入北斗导航卫星系统有利于全球用户的卫星可见度和精度的提升。对单北斗定位与北斗/GPS联合定位的研究明显将有利于北斗系统的应用和推广。有研究利用北斗基于分布在亚太地区的六个站点组成的小网络得出的轨道和卫星钟差数据，结合北斗/GPS数据实现了厘米级的精密单点定位^[16]。有研究在使用多个GNSS接收机来确定载波姿态时，分析了“星间类型偏差”（ISTB）的影响^[17]。在这项研究中，我们还利用武汉大学开发的PANDA软件，对BETS站提供的北斗/GPS数据在北斗静态、动态精密单点定位、GPS静态、动态精密单点定位、北斗/GPS静态、动态精密单点定位模式下进行处理。

1. 对北斗测量数据的质量分析

为了获得北斗卫星的精确轨道和卫星时钟偏差，以评估精确定位的性能，武汉大学自2011年以来建立了一个连续的全球观测参考网络，称为北斗实验跟踪站（BETS），其中包括中国的9个跟踪站和6个在国外的跟踪站。所有台站均配备北京Unicore公司生产的UB240-CORS接收机，可获取双频双系统的伪距、相位观测值。网络采用单芯UA240双频双系统高增益天线。相位观测精度可达毫米级^[6]。地球同步轨道卫星C02和中轨道卫星 C30不起作用，故放弃其数据^[18]。中轨道卫星 C13和C14也不包括在我们要分析的数据内，因为它们仍在进行在轨测试。同步轨道卫星 C15也在进行在轨测试，并计划替换C02。因此，共11颗北斗卫星被用于这一研究的数据处理。包括四个地球同步轨道卫星，包括C01、C03、C04和C05；五个倾斜同步轨道卫星，包括C06–C10；两个中轨道卫星，包括C11和C12。图1显示了全球BETS的分布和北斗系统卫星追踪的点轨迹。如图1所示，五个北斗倾斜地球同步卫星的地面轨道限制在约55°S至55°N和102°E至135°E。它们的轨道为两个“8”形环，平均经度差约为30°，可以有效地覆盖中国东部和西部以及邻近地区。在印度洋和太平洋赤道上空分布有四个地球同步轨道卫星，作为倾斜地球同步卫星的补充，以确保亚太地区的用户能够观测到足够的卫星。它们分别位于58.75°E、80.0°E、140.0°E和160°E。北斗中轨道卫星的轨道倾角约为55°，轨道高度介于GPS和伽利略卫星的轨道高度之间^[19]。旋转周期约773分钟，每天旋转1.86圈，卫星地面轨道每七天循环一次^[4]。

图1：BETS站的分布，以及所使用的北斗的4颗地球同步轨道卫星，5颗倾斜地球同步卫星，2颗中轨道卫星的轨道

2.1 卫星可见度

图2显示了2012年9月24日CHDU站北斗卫星的可见度。从图中可以看出，四颗同步卫星C01、C03、C04和C05全天都在跟踪，而五颗倾斜同步卫星C06–C10在24小时内在未被打断的情况下地未能连续跟踪。所有倾斜同步卫星的数据间隔长度约为4.5小时。两颗中轨道卫星（C11和C12）的跟踪时间比地球同步轨道卫星和倾斜地球同步卫星要短。这同样也可以看出每一时刻至少有三颗倾斜地球同步卫星被追踪，所以至少有7颗北斗卫星出现在每一个历元中，这保证了北斗精密单点定位的实现。

图 2:2012年9月24日CHDU站北斗卫星的可见时间分布（掩角为7°）

图3显示了5颗倾斜地球同步卫星和4颗地球同步轨道卫星使用方位角和高度角所表示的天空轨迹图。可以看出，C01的高度角和方位角分别在30-45°和120-135°之间，而C03的高度角和方位角分别在45-60°和210-225°之间。C04和C05的高度角低于C01和C03，因为它们离观测站较远。同时，由于五颗倾斜地球同步卫星的高度角低于观测掩角的数据部分被剔除，它们的地面轨迹为不完整的“8”形。此外，我们还发现，对于中国大陆来说，北斗地球同步轨道卫星（GEO）和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)大部分时间只覆盖南半球。

图 3：使用2012年9月24日数据得到的由高度角和方位角表示CHDU站观测的5颗倾斜同地球步卫星，4颗同步卫星的天空轨迹图

2.2 对多路径误差及测量噪声的分析

多路径组合（MPC）通常用于评估接收器的多路径误差和码噪声水平^[4–6]。MPC消除了电离层一阶误差和卫星与台站之间的几何距离影响。与码观测得到的结果相比，系统误差和载波相位噪声通常可以忽略不计。并且MPC包含恒定的载波相位模糊项、系统硬件误差和热噪声误差加上码观测带来的噪声误差。接收器和各卫星在两个频率上的MPC组合值可表示为^[4–6]：

(1)

其中,,P和B分别表示北斗的编码与相位观测值，而f1和f2则分别表示北斗载波B1和B2的频率。

我们对CHDU站2012年9月24日的数据进行了处理，分析了多路径误差和噪声误差。该站配有Unicore UB240-CORS接收机和UA240天线。观测掩角为7°且数据接收间隔为30 s。图4显示了B1和B2载波的MPC以及2012年9月24日CHDU卫星C01高度角的变化。

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