估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型

张辉, 郝金明, 刘伟平, 周蕊, 田英国

张辉, 郝金明, 刘伟平, 周蕊, 田英国. 估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2019, 44(4): 495-500, 592. DOI: 10.13203/j.whugis20170119
引用本文: 张辉, 郝金明, 刘伟平, 周蕊, 田英国. 估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2019, 44(4): 495-500, 592. DOI: 10.13203/j.whugis20170119
ZHANG Hui, HAO Jinming, LIU Weiping, ZHOU Rui, TIAN Yingguo. GPS/BDS Precise Point Positioning Model with Receiver DCB Parameters for Raw Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 495-500, 592. DOI: 10.13203/j.whugis20170119
Citation: ZHANG Hui, HAO Jinming, LIU Weiping, ZHOU Rui, TIAN Yingguo. GPS/BDS Precise Point Positioning Model with Receiver DCB Parameters for Raw Observations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 495-500, 592. DOI: 10.13203/j.whugis20170119

估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型

详细信息
    作者简介:

    张辉, 博士生, 主要研究方向为多系统GNSS精密定位。zh_ljpd@163.com

  • 中图分类号: P228

GPS/BDS Precise Point Positioning Model with Receiver DCB Parameters for Raw Observations

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    Author Bio:

    ZHANG Hui, PhD candidate, majors in multi-constellation GNSS precise positioning. E-mail:zh_ljpd@163.com

  • 摘要: 在传统多系统非差非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)模型中,电离层延迟会吸收部分接收机码硬件延迟,其估计值可能为负数。提出了一种估计接收机差分码偏差(differential code bias,DCB)参数的GPS(Global Positioning System)/BDS(BeiDou Navigation Satellite System)非组合PPP模型,将每个系统第1个频率上的接收机码硬件延迟约束为零,对接收机DCB进行参数估计,达到了分离电离层延迟和接收机码硬件延迟的目的,降低了接收机钟差和电离层延迟的相关程度。利用4个多星座实验(multi-GNSS experiment,MGEX)跟踪站的GPS/BDS数据进行了静态和动态PPP试验,结果表明,与不估计DCB参数的PPP模型相比,采用估计DCB参数PPP模型后,静态模式下定位精度和收敛速度平均提高了29.3%和29.8%,动态模式下定位精度和收敛速度平均提高了15.7%和21.6%。
    Abstract: ue to ionospheric delays caused by the receiver code biases in the traditional multi-GNSS precise point positioning (PPP) using raw observations, the estimates can be negative values. An improved model of Global Positioning System/BeiDou Navigoction Satellite System (GPS/BDS) PPP with receiver differential code bias (DCB) parameters for raw observations is proposed in which receiver code biases on the first frequency of each system are constrained to zero and receiver DCB parameters are estimated. Ionospheric delays and receiver code biases are separated by the presented model. Additionally, the singularity between receiver clock offsets and ionospheric delays is reduced. GPS/BDS data from 4 stations of the Multi-GNSS experiment (MGEX) network are processed in static and kinematic modes. The results show that with the proposed PPP model, the average positioning accuracy and convergence time in static/kinematic mode are improved by 29.3% and 15.7%, 29.8% and 21.6%, respectively, in comparison with the traditional PPP model.
  • 目前,北斗导航卫星系统(BDS)已实现局域覆盖,随着系统建设的不断完善和应用的不断拓展,与之相关的各类数据处理软件的开发成为重要的研究内容。因此,自主开发北斗高精度数据处理软件,成为发展高精度位置服务的迫切任务[1-8]。因北斗导航卫星系统与GPS在星座构造、坐标框架、时间系统、信号频率等方面具有明显差异[9-15],现有的高精度GPS数据处理软件无法直接处理北斗数据。本文针对北斗高精度数据处理的系统设计、数据流、功能模块及高精度算法实现等进行了研究,研制开发了一套高精度北斗基线解算软件BGO(BeiDou Navigation Satellite System/Global Positioning System Office),并将其用于高速铁路高精度控制测量建网。通过与商业软件TGO(Trimble Geomatics Office)和TBC(Trimble Business Center),及高精度科研软件Bernese进行对比测试、性能分析,验证了该软件的正确性和有效性。

    北斗和GPS基线解算软件主要包含北斗基线处理、GPS基线处理及联合基线处理3大模块。各模块间相互独立,但使用相同的数据结构,且数据流基本一致。数据处理流程如图 1所示。

    图  1  BGO软件数据流
    Figure  1.  Data Stream of BGO Software

    基线解算之前,需选择有效双频观测数据,具体包含低高度角卫星剔除、观测值粗差剔除、星历未获取观测数据剔除等。剔除质量较差的观测数据可通过可视化的方式实现。通过双频数据组合有效消除电离层延迟影响,伪距消电离组合能算出测站精确至10 m内的概略位置,从而形成网络拓扑图,便于用户查看站点的平面分布。基线解算时,北斗与GPS独立系统数据处理算法相同;联合处理需选择统一的坐标和时间框架,随着多余观测数的增加,还需设置合理的模糊度固定限值。基线解算后,进行网平差,应剔除不合格基线,直至平差结果满足要求。

    高精度基线解算利用双差观测量建立误差方程,北斗双差观测量构造如式(1):

    $$ \mathit{\Delta} \nabla L^{{C_m}{C_n}}_{{S_i}{S_j}} = \left( {L^{{C_n}}_{{S_j}} - L^{{C_n}}_{{S_i}}} \right) - \left( {L^{{C_m}}_{{S_j}} - L^{{C_m}}_{{S_i}}} \right) $$ (1)

    式中,ΔL表示双差观测量;SiSj表示任意站点;CmCn表示任意北斗卫星。

    依据式(1)构建的双差观测量,建立误差方程,如式(2):

    $$ \left[ \begin{array}{l} \mathit{\Delta} \nabla \boldsymbol{\varPhi} \\ \mathit{\Delta} \nabla \boldsymbol{P} \end{array} \right] = \boldsymbol{BX} + \boldsymbol{A}\mathit{\Delta} \nabla \boldsymbol{N} + \boldsymbol{V} $$ (2)

    式中,ΔΦΔP分别表示卫星载波相位和伪距双差观测量;X表示基线向量;ΔN表示双差整周模糊度;BA为系数阵;V为残差向量。

    利用式(2)构建的误差方程,解算基线向量和双差整周模糊度浮点解。利用LAMBAD方法[16, 17]固定双差整周模糊度后去除。再利用载波相位观测值获取高精度基线向量结果。基线解算过程中,主要利用抗差估计的切比雪夫多项式拟合法[18]及MW-GF组合法[19]探测与修复周跳。

    对北斗和GPS双系统基线解算,只需将各系统的双差观测量误差方程叠加后平差计算,即可实现双系统联合基线解算。但需注意,星间差分需选择同一系统卫星,否则会引入系统间信号硬件延迟[20],影响双差整周模糊度的固定。另外,北斗和GPS在时间框架、坐标框架等存在一定差异,双系统联合解算需保证框架的统一。

    北斗和GPS时间转换公式如式(3):

    $$ {t_C} = {t_G}-14\;{\rm{s}} $$ (3)

    式中,tCtG分别表示北斗时和GPS时,两者均为原子时,起算原点不同[13]

    北斗和GPS坐标转换公式如式(4):

    $$ \begin{array}{c} \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_C}}\\ {{Y_C}}\\ {{Z_C}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_G}}\\ {{Y_G}}\\ {{Z_G}} \end{array}} \right] + \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{T_X}}\\ {{T_Y}}\\ {{T_Z}} \end{array}} \right] + \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} D&{ - {R_Z}}&{{R_Y}}\\ {{R_Z}}&D&{ - {R_X}}\\ { - {R_Y}}&{{R_X}}&D \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_G}}\\ {{Y_G}}\\ {{Z_G}} \end{array}} \right] \end{array} $$ (4)

    式中,北斗坐标(XCYCZC)与GPS坐标(XGYGZG)可通过七参数TXTYTZDRXRYRZ进行转换。北斗CGCS2000坐标系采用ITRF97框架2000历元的坐标和速度场,当前GPS WGS84坐标和ITRF08基本一致。因此,可利用ITRF97框架2000历元与ITRF08间转换的七参数(ITRF网站公布)实现北斗与GPS坐标框架的统一[11, 12]

    处理高速铁路CPI控制网时,通过读取观测文件和星历文件,单点定位生成控制网的基线网络拓扑图,如图 2所示。基线解算前,设置相关参数包括卫星截止高度角、误差限差参数、框架、对流层模型、电离层模型、模糊度Ratio值、同步最小观测历元数等。设置完成后,可选择北斗、GPS、联合3种模式进行基线解算。基线解算完成后,软件界面中将显示解算的基线分量及其精度,并可显示残差向量检核基线解算效果。

    图  2  BGO软件主界面
    Figure  2.  Software View of BGO

    为了测试BGO解算GPS基线的正确性,将其与TGO和Bernese软件处理结果进行了比较,得到57条GPS基线(基线最长6 667 m,最短446 m)的比较结果,如图 3所示。

    图  3  BGO、TGO、Bernese软件处理GPS基线分量比较
    Figure  3.  Comparing GPS Baseline Components from BGO, TGO and Bernese Software

    图 3(a)3(b)分别表示BGO软件与TGO、Bernese软件处理GPS基线分量的差值ΔX、ΔY、ΔZ图 3(a)中,BGO和TGO有52条基线在XYZ方向的分量差值均在2 cm内,有48条基线各分量差值在mm级。TGO解算少量基线验后方差分量超限,与BGO基线分量差值较大。图 3(b)中,BGO和Bernese有55条基线在XYZ方向的分量差值均在2 cm内,有49条基线各分量差值在mm级。

    图 4(a)~4(c)分别表示BGO、TGO、Bernese软件处理GPS基线的内符合精度σXσYσZ(BGO、TGO、Bernese软件基线解算精度分别精确至0.1 mm、1 mm和0.1 mm)。整体上,约90%的基线3个软件的解算精度相当。

    图  4  BGO、TGO、Bernese的GPS基线内符合精度比较
    Figure  4.  Comparing GPS Baseline Precision from BGO, TGO and Bernese Software

    为了测试BGO解算北斗与GPS联合基线的性能,本文选用美国Trimble的商业软件TBC与之进行比较。同上57条基线,每条基线观测数据均包含北斗与GPS观测数据。图 5展示了BGO和TBC处理北斗与GPS联合基线分量的差值ΔX、ΔY、ΔZ图 5可见,98%的基线分量差值分布在mm级,表明BGO软件处理联合基线能达到与TBC软件相当的水平。另外,两者内符合精度绝大部分均在mm级,故图 5中未加以比较。

    图  5  BGO与TBC软件处理北斗与GPS联合基线分量比较
    Figure  5.  Comparing BDS and GPS Combined Baseline Components from BGO and TBC Software

    由此可知,BGO软件处理GPS基线、北斗与GPS联合基线的内外符合精度能达到TGO、Bernese、TBC相当的水平。因此,以BGO软件处理GPS、北斗与GPS联合基线结果为参考值,分析该软件处理北斗基线结果的正确性和可靠性,如图 6图 7所示。图 6比较了北斗与GPS、联合基线分量的差值,图 7比较了北斗、GPS、联合基线解算的内符合精度。

    图  6  BGO软件处理北斗与GPS、联合基线分量比较
    Figure  6.  Comparing BDS, GPS and BDS/GPS Combined Baseline Components from BGO Software
    图  7  北斗、GPS、联合基线解的内符合精度统计
    Figure  7.  The Statistics of Precision of BDS, GPS and BDS/GPS Combined Baseline Solutions

    图 6(a)表示BGO软件处理北斗与GPS基线分量的差值ΔXΔYΔZ,其中有43条基线在XYZ方向上的分量差值ΔxΔyΔz在2 cm内,有31条基线在XYZ方向上的分量差值在mm级。图 6(b)表示BGO软件处理北斗与联合基线分量的差值,其中有54条基线在XYZ方向上的分量差值在2 cm内,有38条基线在XYZ方向上的分量差值在mm级(图 6中第6条基线北斗为浮点解,各分量差值结果较大,图中置为0)。

    图 7中,93%的联合基线在XYZ方向上的分量精度分别优于0.5 mm、1 mm、0.5 mm;约90%的北斗基线和95%的GPS基线在XYZ方向上的分量精度分别优于1 mm、2 mm、1 mm。由北斗、GPS、联合基线3者精度比较可知,在北斗试运行阶段,GPS基线内符合精度略优于北斗,北斗与GPS联合系统基线内符合精度明显高于独立系统。

    BGO具备网平差功能,根据网平差后的基线分量改正数、相对中误差、点位精度等判断基线解算结果的可靠性。对上述解算的北斗、GPS、联合基线分别进行无约束网平差。

    北斗、GPS、联合基线无约束网平差的平差改正数δXδYδZ绝大部分在±1 cm内,如图 8(a)~8(c)所示。最弱边相对中误差优于5.5 ppm(规范限值),具体见表 1。据图 8表 1及《高速铁路工程测量规范》[21]可知,BGO能合理稳定地解算北斗、GPS及联合基线,解算结果中的基线向量改正数、最弱边相对中误差、最弱点点位精度均满足CPI控制测量要求,各系统解算均能精确获得24个CPI控制点坐标。

    图  8  GPS、北斗、联合无约束网平差基线向量改正数
    Figure  8.  Baseline Vector Corrections from GPS, BDS and BDS/GPS Combined Unconstrained Adjustment
    表  1  GPS、北斗、联合无约束平差结果统计
    Table  1.  The Statistics of GPS, BDS and BDS/GPS Combined Unconstrained Adjustment Results
    解算模式 独立基线 多余观测数 控制点个数 最弱边相对中误差/ppm 最弱点点位精度/mm
    GPS 55 66 24 3.6 23.6
    北斗 51 57 24 3.1 26.9
    联合 57 72 24 3.7 17.9
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    本文系统地研究了北斗与GPS联合基线解算的算法,自主开发了北斗高精度基线解算软件BGO。通过实测高铁CPI控制网的数据处理测试表明:软件能进行高精度地处理北斗与GPS数据, 以及北斗与GPS联合数据处理;GPS基线解算性能与天宝TGO软件相当,能达到与Bernese软件一致的精度;北斗与GPS基线处理能达到与TBC相当的水平。BGO最大的优势在于能对北斗和GPS进行联合解算,从而提高北斗或GPS单系统的基线解算合格率和精度。经高速铁路CPI控制网实例测试,证明该软件处理基线结果可用于高精度北斗和GPS测量控制网的数据处理。

  • 图  1   静态PPP平均收敛时间

    Figure  1.   Convergence Time of PPP in Static Mode

    图  2   动态PPP平均收敛时间

    Figure  2.   Convergence Time of PPP in Kinematic Mode

    图  3   2016年021天MRO1站静态定位误差序列

    Figure  3.   Positioning Errors of PPP in Static Mode at Station MRO1 on Day 021 in 2016

    图  4   2016年021天MRO1站动态定位误差序列

    Figure  4.   Positioning Errors of PPP in Kinematic Mode at Station MRO1 on Day 021 in 2016

    图  5   无DCB参数模型2016年022天MRO1站的垂直电离层延迟

    Figure  5.   Vertical Ionospheric Delays for PPP Model Without DCB Parameters at Station MRO1 on Day 022 in 2016

    图  6   2016年021天MRO1站静态PPP接收机DCB序列

    Figure  6.   Receiver DCBs of PPP in Static Mode at Station MRO1 on Day 021 in 2016

    图  7   2016年021天MRO1站动态PPP接收机DCB序列

    Figure  7.   Receiver DCBs of PPP in Kinematic Mode at Station MRO1 on Day 021 in 2016

    表  1   数据处理策略

    Table  1   The Strategy of Data Processing

    类别 处理策略
    观测量 伪距和相位观测量;GPS:L1,L2;BDS:B1,B2
    估计方法 卡尔曼滤波
    截止高度角
    观测值加权 采用高度角定权模型
    卫星天线
    相位中心
    GPS的天线相位中心偏差(phase center offset,PCO)和相位中心变化(phase center variation, PCV)采用igs08.atx提供的改正值;BDS的PCO和PCV采用欧洲航天局提供的改正值
    接收机天线
    相位中心
    GPS的PCO和PCV采用igs08.atx提供的改正值;BDS采用与GPS相同的PCO和PCV改正值
    相位缠绕 改正
    潮汐效应 改正固体潮、海潮和极潮
    卫星轨道
    和钟差
    采用德国地学中心提供的精密轨道和精密钟差产品
    卫星差分
    码偏差
    采用MGEX提供的产品
    对流层延迟 Saastamoinen模型和随机游走过程
    电离层延迟 作为白噪声估计[15]
    接收机坐标 在静态/动态模型下作为常数/白噪声估计
    接收机钟差 作为白噪声估计
    接收机系统间
    偏差(inter
    system bias,ISB)
    在一天中作为常数估计[15]
    接收机DCB 在一天中作为常数估计
    模糊度 在连续弧段作为常数估计
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    表  2   静态平均定位误差RMS和收敛时间

    Table  2   The Average of RMS of Positioning Error and Convergence Time in Static Mode

    测站 模型 E/cm N/cm U/cm 收敛时间/min
    CUT0 无DCB 2.2 1.3 5.7 54.9
    估计DCB 1.6 1.1 2.7 25.8
    IF 1.2 0.6 1.8 24.8
    JFNG 无DCB 1.9 1.0 5.5 60.6
    估计DCB 2.6 0.7 1.7 56.4
    IF 0.9 0.5 2.7 22.4
    MAL2 无DCB 1.5 1.1 2.9 56.6
    估计DCB 1.5 1.1 2.9 32. 7
    IF 1.0 0.9 1.9 19.4
    MRO1 无DCB 1.8 1.4 5.4 31.1
    估计DCB 1.9 1.5 3.4 25.8
    IF 1.1 0.5 1.3 19.3
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    表  3   动态平均定位误差RMS和收敛时间

    Table  3   The Average of RMS of Positioning Error and Convergence Time in Kinematic Mode

    测站 模型 E/cm N/cm U/cm 收敛时间/min
    CUT0 无DCB 3.9 3.5 8.3 18.6
    估计DCB 3.9 2.2 7.4 17.8
    IF 2.8 1.5 4.4 16.8
    JFNG 无DCB 3.8 4.0 9.0 43.6
    估计DCB 4.6 2.7 5.4 29.3
    IF 2.9 1.8 3.6 23.9
    MAL2 无DCB 3.2 2.1 8.8 22.1
    估计DCB 2.9 2.0 8.5 12.5
    IF 2.1 1.5 4.5 10.1
    MRO1 无DCB 4.4 2.6 8.0 18.0
    估计DCB 3.6 1.7 6.7 16.9
    IF 3.2 1.6 5.1 15.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-05
  • 发布日期:  2019-04-04

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