Message Board

Respected readers, authors and reviewers, you can add comments to this page on any questions about the contribution, review,        editing and publication of this journal. We will give you an answer as soon as possible. Thank you for your support!

Name
E-mail
Phone
Title
Content
Verification Code
Volume 44 Issue 2
Feb.  2019
Turn off MathJax
Article Contents

ZHANG Yize, CHEN Junping, YANG Sainan, CHEN Qian. Analysis of PPP Performance Based on BDS Comprehensive Zone Corrections[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 159-165. doi: 10.13203/j.whugis20170044
Citation: ZHANG Yize, CHEN Junping, YANG Sainan, CHEN Qian. Analysis of PPP Performance Based on BDS Comprehensive Zone Corrections[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 159-165. doi: 10.13203/j.whugis20170044

Analysis of PPP Performance Based on BDS Comprehensive Zone Corrections

doi: 10.13203/j.whugis20170044
Funds:

The National Natural Science Foundation of China 11403112

The National Natural Science Foundation of China 11673050

the Opening Project of Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Techniques KFKT_201706

More Information
  • Author Bio:

    ZHANG Yize, PhD, specializes in the GNSS precise positioning and GNSS augmentation.E-mail: zhyize@163.com

  • Corresponding author: CHEN Junping, PhD, professor. E-mail:junping@shao.ac.cn
  • Received Date: 2017-12-05
  • Publish Date: 2019-02-05
  • Comprehensive zone correction is a new type of differential corrections for BeiDou wide area augmentation system. As broadcasted together with the equivalent satellite clock and orbit corrections by BDS satellites, they enable user decimeter-level real-time positioning capability using the carrier-phase observations. In this paper, we give a brief introduction of comprehensive zone corrections, and the function model of precise point positioning (PPP) for dual-and single-frequency users using the comprehensive zone corrections. Tracking data of 30 stations in mainland China are used to evaluate the PPP performance, including convergence time, positioning accuracy and its relation with the user's distance from the zone center. Results show that the dual-frequency PPP convergences to 0.5 m in 25 minutes and the positioning accuracy are 0.15 m in horizontal and 0.2 m in vertical, respectively. As for single frequency PPP, the positioning accuracy convergences to 0.8 m in 20 minutes, while the positioning accuracy is 0.3 m in horizontal and 0.5 m in vertical. We conclude that the BDS PPP accuracy using the broadcasted wide area differential corrections reaches decimeter level within the distance of 1 000 km around zone center, and the accuracy becomes slightly worse with the user's distance from the zone center increasing.
  • [1] Zhou Shanshi, Hu Xiaogong, Wu Bin, et al. Orbit Determination and Time Synchronization for a GEO/IGSO Satellite Navigation Constellation with Regional Tracking Network[J]. Sci China-Phys Mech Astron, 2011, 54(6):1089-1097 doi:  10.1007/s11433-011-4342-9
    [2] Zhou Shanshi, Cao Yueling, Zhou Jianhua, et al. Positioning Accuracy Assessment for the 4GEO/5IGSO/2MEO Constellation of COMPASS[J]. Sci China-Phys Mech Astron, 2012, 55(12):2290-2299 doi:  10.1007/s11433-012-4942-z
    [3] Tang Chengpan, Hu Xiaogong, Zhou Shanshi, et al. Improvement of Orbit Determination Accuracy for BeiDou Navigation Satellite System with Two-Way Satellite Time Frequency Transfer[J]. Advance in Space Research, 2016, 58(7):1390-1400 doi:  10.1016/j.asr.2016.06.007
    [4] He Feng, Zhou Shanshi, Hu Xiaogong, et al. Sate-llite-Station Time Synchronization Information Based Real-Time Orbit Error Monitoring and Correction of Navigation Satellite in BeiDou System[J]. Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57(7):1395-1403 doi:  10.1007/s11433-014-5412-6
    [5] Yang Yuanxi, Li Jinlong, Xu Junyi, et al. Contribution of the COMPASS Satellite Navigation System to Global PNT Users[J]. Science Bulletin, 2011, 56(26):2813-2819 doi:  10.1007/s11434-011-4627-4
    [6] Wu Xiaoli, Zhou Jianhua, Wang Gang, et al. Multipath Error Detection and Correction for GEO/IGSO Satellites[J]. Sci China-Phys Mech Astron, 2012, 55(7):1297-1306 doi:  10.1007/s11433-012-4741-6
    [7] Cao Yueling, Hu Xiaogong, Wu Bin, et al. The Wide -Area Difference System for the Regional Satellite Navigation System of COMPASS[J]. Sci China-Phys Mech Astron, 2012, 55(7):1307-1315 doi:  10.1007/s11433-012-4746-1
    [8] Chen Junping, Zhang Yize, Yang Sainan, et al. A New Approach for Satellite Based GNSS Augmentation System: From Sub-meter to Better than 0.2 Meter Era[C]. Proceedings of the ION 2015 Pacific PNT Meeting, Honolulu, Hawaii, 2015
    [9] 李浩军, 朱卫东.北斗导航系统卫星频间钟差偏差[J].测绘学报, 2014, 43(11):1127-1131

    Li Haojun, Zhu Weidong. Inter Frequency Clock Bias of BeiDou[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(11):1127-1131
    [10] China Satellite Navigation Office. BeiDou Navigation Satellite System Signal in Space Interface Control Document Open Service Signal (Version 2.)[OL].http://www.wendangku.net/doc/oobc206125c52cc58bd6becf.html, 2013
    [11] Wu Xiaoli, Hu Xiaogong, Wang Gang, et al. Evaluation of COMPASS Ionospheric Model in GNSS Positioning[J]. Advance in Space Research, 2013, 51(6):959-968 doi:  10.1016/j.asr.2012.09.039
    [12] Wu Xiaoli, Zhou Jianhua, Tang Bo, et al. Evaluation of COMPASS Ionospheric Grid[J]. GPS Solutions, 2014, 18(4):639-649 doi:  10.1007/s10291-014-0394-4
    [13] Gao Yang, Shen Xiaobing. A New Method of Carrier Phase Based Precise Point Positioning[J]. Journal of Navigation, 2002, 49(2):109-116 doi:  10.1002/navi.2002.49.issue-2
    [14] Yang Yuanxi, Li Jinlong, Wang Aibing, et al. Preliminary Assessment of the Navigation and Positioning Performance of BeiDou Regional Navigation Satellite System[J]. Science China-Earth Sciences, 2014, 57(1):144-152 doi:  10.1007/s11430-013-4769-0
    [15] Montenbruck O, Steigenberger P, Khachikyan R, et al. IGS-MGEX: Preparing the Ground for the Multi-Constellation GNSS Science[C]. 4th International Colloquium on Scientific and Fundamental Aspects of the Galileo System, Prague, CZ, 2013
    [16] Deng Zhiguo, Mathias F, Uhlemann M, et al. Reprocessing of GFZ Multi-GNSS Product GBM[C]. IGS workshop, Sydney, Australia, 2016
  • 加载中
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

Figures(6)  / Tables(2)

Article Metrics

Article views(1192) PDF downloads(413) Cited by()

Related
Proportional views

Analysis of PPP Performance Based on BDS Comprehensive Zone Corrections

doi: 10.13203/j.whugis20170044
Funds:

The National Natural Science Foundation of China 11403112

The National Natural Science Foundation of China 11673050

the Opening Project of Shanghai Key Laboratory of Space Navigation and Positioning Techniques KFKT_201706

  • Author Bio:

  • Corresponding author: CHEN Junping, PhD, professor. E-mail:junping@shao.ac.cn

Abstract: Comprehensive zone correction is a new type of differential corrections for BeiDou wide area augmentation system. As broadcasted together with the equivalent satellite clock and orbit corrections by BDS satellites, they enable user decimeter-level real-time positioning capability using the carrier-phase observations. In this paper, we give a brief introduction of comprehensive zone corrections, and the function model of precise point positioning (PPP) for dual-and single-frequency users using the comprehensive zone corrections. Tracking data of 30 stations in mainland China are used to evaluate the PPP performance, including convergence time, positioning accuracy and its relation with the user's distance from the zone center. Results show that the dual-frequency PPP convergences to 0.5 m in 25 minutes and the positioning accuracy are 0.15 m in horizontal and 0.2 m in vertical, respectively. As for single frequency PPP, the positioning accuracy convergences to 0.8 m in 20 minutes, while the positioning accuracy is 0.3 m in horizontal and 0.5 m in vertical. We conclude that the BDS PPP accuracy using the broadcasted wide area differential corrections reaches decimeter level within the distance of 1 000 km around zone center, and the accuracy becomes slightly worse with the user's distance from the zone center increasing.

ZHANG Yize, CHEN Junping, YANG Sainan, CHEN Qian. Analysis of PPP Performance Based on BDS Comprehensive Zone Corrections[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 159-165. doi: 10.13203/j.whugis20170044
Citation: ZHANG Yize, CHEN Junping, YANG Sainan, CHEN Qian. Analysis of PPP Performance Based on BDS Comprehensive Zone Corrections[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(2): 159-165. doi: 10.13203/j.whugis20170044
  • 北斗卫星轨道参数利用区域监测网的观测数据,进行精密定轨(precise orbit determination, POD),经广播星历拟合后得到[1-3];卫星钟差参数则是基于星地双向时间比对(two-way satellite time transfer, TWTT),并进行参数拟合得到[1, 3-4]。目前中国北斗系统能满足亚太地区用户平面10 m、高程10 m、授时精度10 ns以内的定位导航授时服务[5]

    为了提供更高精度的用户增强定位服务,中国建设了北斗广域星基增强系统,其广域差分信息是指利用CNMC(code noise and multipath correction)算法进行实时相位平滑伪距[6],通过中国境内北斗监测站实时计算卫星等效钟差(equivalent satellite clock, ESC)[7],并通过广播D2导航电文实时播发给用户。研究表明,基于北斗广播星历和广域差分信息能使双频用户定位精度提高50%,单频用户定位精度提高30%[7]。然而,以上广域差分信息并没有完全利用高精度相位信息,用户差分距离误差(user differential range error, UDRE)仍然达到0.5 m,这必然限制高精度用户实时定位的应用。

    基于此,中国改造的北斗广域分米级星基增强系统提出了分区综合改正数的概念,利用高精度相位观测值计算分区综合改正数[8]。为了验证分区综合改正数的精度和可靠性,本文在介绍基于分区综合改正数的用户定位模型的基础上,对其定位性能进行全面而系统的评估,为广域分米级星基增强系统的性能和应用提供参考和依据。

  • 北斗广域星基增强系统基于平滑后的伪距计算广域差分改正信息,由于伪距没有模糊度信息,这种方法计算量小,也比较可靠。然而,受伪距噪声或者平滑后的残余误差的影响,经广域差分后的UDRE达到了0.5 m[7],无法为高精度用户定位提供服务。

    北斗广域分米级星基增强系统提出了分区综合改正数的概念[8],该方法认为在一定距离范围内,用户在卫星端和传播路径上的误差是相关的。因此将中国区域划分成若干区域,利用该区域内的监测站和广播星历及等效钟差和轨道改正数实时计算包含接收机钟差和模糊度残余项的双频相位观测值残差,同时对同一区域内的多站相位观测值进行综合,获得包含接收机钟差残差和恒定的模糊度残差的相位综合改正数,并将其实时播发给用户,实现导航用户的实时高精度定位。分区综合改正数的计算流程如下。

    1) 计算同一分区各个站的双频无电离层组合相位观测值残差

    式中,L为分区内第i个监测站在历元t的相位无电离层组合观测值; ρ为利用广播星历计算得到的监测站至卫星的几何距离;δrec为由伪距计算得到的监测站近似接收机钟差;δsat为由广播星历计算得到的卫星钟差;δtrop为对流层延迟误差;δrela为相对论改正;δamb为利用伪距相位观测值得到的卫星模糊度近似值;δESC为卫星等效钟差改正;δorb为卫星轨道改正;ε包含相位缠绕、接收机相位中心改正、固体潮、海潮等误差及观测噪声。需要注意的是,由于卫星各频点之间存在频间差[9],而目前广播星历卫星钟差是以B3频点为基准[10],因而在计算非B3频点的卫星钟差时,需要进行TGD(timing group delay)改正。

    从式(1)中可以看出,相位观测值残差除了观测噪声及卫星轨道残差、卫星钟差残差、对流层模型残差等一些共性误差外,还包含了接收机钟差的残余项及模糊度残余项。

    2) 计算同一分区各个站的相位观测值残差历元间变化

    3) 计算分区相位综合改正数

    式中,f为相位改正数综合函数。一般情况下,f为各个站的加权平均,但当不同站卫星消失或出现,个别卫星发生周跳,或某些站发生钟跳时,需要进行周跳/钟跳修复或数据取舍。

  • 用户获得分区综合改正数后,即可利用广播星历,结合等效钟差和轨道改正进行实时精密单点定位。

    1) 双频用户

    对于B1B2或B1B3用户,采用无电离层组合消除电离层误差,其定位模型为:

    式中,PCLC为B1B2或B1B3无电离层组合伪距和相位观测值,其他符号与式(1)相同。比较式(1)和式(4),可以发现,相位观测值中,虽然卫星轨道和钟差由于使用广播星历计算存在误差,但经等效钟差和轨道改正后的残余项误差被分区综合改正数dL吸收了。分区综合改正数中包含的监测站钟差误差由于对所有卫星都相同,可以被用户站钟差参数吸收;监测站各卫星模糊度残差可以被用户站模糊度参数吸收。由于一个播发频率时间范围内(90 s或180 s)卫星轨道和误差变化非常小,当用户站和计算分区综合改正数使用的广播星历及等效钟差轨道改正数相同时,用户的UDRE主要表现为观测噪声和因地区差异造成的对流层模型误差的差异。对于伪距观测值,由于分区综合改正数中包含监测站各卫星的模糊度残差,无法直接使用,只能通过等效钟差和轨道改正数进行修正,因此相比于一般的精密轨道和钟差定位,伪距残差中除了观测值噪声,还包含了经等效钟差和轨道改正后的残余轨道和钟差误差。

    2) 单频用户

    对于单频用户,电离层误差是影响其定位精度的重要原因。目前北斗广播星历为基本导航用户提供8参数电离层模型,为增强导航用户提供14参数电离层模型和格网电离层信息,其改正精度为0.5 m左右[11-12]。Gao于2002年提出了UofC模型(又称为半合法)[13],利用伪距和相位电离层延迟相反的特性,对单频伪距相位进行组合,以消除电离层误差。基于这种方法,建立单频伪距相位用户的定位模型:

    式中,PL为单频伪距和相位观测值;δiono为利用14参数模型或格网电离层信息计算得到的电离层延迟;其他参数与式(1)的定义一致。需要注意的是,δamb实际上是单频相位模糊度的一半。

  • 理论上,分区范围越小,区内各站的误差相关性越大,但北斗GEO卫星星上广播资源有限,因此经综合取舍后,北斗广域分米级星基增强系统将中国范围划分成18个分区。利用全国分布的监测站在每个分区按照§1.1介绍的方法计算各分区的相位综合改正数,并通过GEO卫星实时广播给用户。目前北斗分区综合改正数计划按照Ⅰ支路180 s(重点区域可提高采样率)进行播发。由于分区改正数中包含模糊度残差,因此为验证分区综合改正数的精度和可靠性,需通过用户定位结果进行分析。

    图 1显示了各个分区所定义的中心示意图,图 1中紫色、青色、黄色范围为距离分区中心300 km、600 km、1 000 km时的覆盖范围。从图 1中可以看出,当距离分区中心600 km时,可以覆盖90%以上的中国国土;当距离分区中心1 000 km时,可以辐射到周围邻近国家。

    Figure 1.  Zone Area and Test Stations

    选取中国范围内约30个北斗观测站,测站分布见图 1蓝色和红色点位,所有测站坐标已知,且精度优于2 cm。观测站伪距测量精度约为33 cm,相位测量精度约为2 mm[14]。对于每个测站,首先根据其概略位置,进行1 000 km以内最近的分区的匹配。经过统计,所有用户站至分区中心的平均距离为597 km。在此基础上,利用该分区实时计算的分区综合改正数对每个测站进行精密单点定位(precise point positioning, PPP)。表 1给出了定位时的处理策略和参数估计方法。计算选取了2016年年积日(day of year, DOY)346~348共3 d的数据,每6 h截取一段数据,每个测站共计算12个时段的结果。每个时段内分别按照B1B2、B1B3、B1、B2、B3频点进行用户静态、动态分区综合改正定位。

    估计方法 卡尔曼滤波
    卫星轨道和钟差 广播星历
    广域差分改正信息 等效钟差,轨道改正,分区综合改正
    数据采样率/s 30
    卫星截止高度角/(°) 10
    电离层误差 双频:无电离层组合单频:北斗广播星历改正模型
    对流层误差 GPT2w+SAAS+VMF1
    固体潮、海潮 IERS协议
    测站坐标 估计,先验约束10 000 m
    测站钟差 估计,先验约束0.001 s
    模糊度 估计

    Table 1.  Settings for Zone-Divided PPP

  • 按照§2所述方法,对3 d所有时段的分区综合改正定位结果进行统计,将每个时段第4~6 h的定位结果作为最终结果,统计其均方根误差(root mean square, RMS)。表 2为不同频点静态和动态模式下所有测站的分区综合改正定位统计结果的平均值。从表 2中可以看出,对于双频用户,静态定位平均精度在平面小于等于0.10 m,高程小于等于0.15 m;动态定位平均精度在平面小于0.15 m,高程小于0.20 m。而对于单频用户,其静态平均定位精度在平面小于等于0.16 m,高程小于等于0.45 m;动态平均定位精度在平面小于0.30 m,高程小于等于0.46 m。单频在静态或动态模式下都比双频用户定位结果稍差,这主要受伪距电离层改正和伪距观测噪声的影响。由于用户站到分区中心的平均距离为597 km,因此表 2中的结果可认为是600 km内用户分区综合改正定位所能达到的精度。

    频点 静态 动态
    平面 高程 平面 高程
    B1B2 0.07 0.13 0.11 0.18
    B1B3 0.10 0.15 0.14 0.19
    B1 0.13 0.36 0.22 0.43
    B2 0.14 0.41 0.23 0.43
    B3 0.16 0.45 0.27 0.46

    Table 2.  RMS of Zone-Divided PPP Results for Different Modes/m

    为了对照比较,下文主要以动态用户定位结果为例进行进一步分析。

    为观察定位误差的分布,图 2统计了B1B2组合和B1频点分区综合改正动态定位结果在平面和高程方向的误差分布情况。从图 2中可以看出,双频用户动态定位在平面上87%优于0.2 m,高程上83%优于0.6 m;单频用户动态定位在平面上81%优于0.3 m,高程上88%优于0.7 m。

    Figure 2.  RMSs of Zone-Divided Kinematic PPP Results for Horizontal and Vertical Components for B1B2 and B1

  • 对于实时动态用户,更关心的是精密定位收敛情况,因此本小节对分区综合改正动态定位收敛情况进行分析。

    图 3是一组典型的B1B2组合和B1频点分区综合改正动态定位结果,该测站距离分区中心696 km。可以看到,双频数据在0.5 h内迅速收敛至0.5 m以内,单频数据在1 h内收敛至0.5 m以内。统计1 h后的定位误差,双频定位精度在N、E、U 3个方向分别约为0.02 m、0.05 m、0.19 m,而单频定位精度在N、E、U 3个方向分别约为0.06 m、0.11 m、0.44 m。

    Figure 3.  Typical Zone-Divided Kinematic PPP Results for B1B2 and B1

    为了观察全部数据的收敛情况,对所有结果第1 h的分区动态定位结果进行统计。图 4给出了B1B2组合和B1频点动态定位收敛情况。对于双频用户,定义收敛时间为三维定位误差小于0.5 m(limerr=0.5 m);对于单频用户,定义收敛时间为三维定位误差小于0.8 m(limerr=0.8 m)。统计三维误差收敛在不同时间内收敛至limerr的百分比,并计算平均三维定位误差。从图 4中可以看出,双频用户平均在25 min内三维误差可收敛至0.5 m以内,单频用户在20 min内三维误差可收敛至0.8 m以内。

    Figure 4.  Convergence Statistics of Zone-Divided Kinematic PPP for B1B2 and B1

  • IGS于2012年提出了MGEX(multi GNSS experiment)计划[15],致力于提供多GNSS系统服务。目前共有CODE、GFZ、WHU 3个分析中心持续提供北斗事后精密产品,其中GFZ从2016年开始,每隔3 h发布一次包含GPS+GLONASS+Galileo+BDS +QZSS在内的超快速精密轨道和钟差产品gbu[16](ftp://ftp.gfz-potsdam.de/GNSS/products/mgex/),包含24 h观测部分和24 h预报部分。

    分别利用分区综合改正信息和gbu精密轨道和钟差进行B1B2用户动态定位,比较二者的定位效果。由于gbu预报部分的钟差精度较差,本文只选用其观测部分的轨道和钟差。图 5给出了二者在动态定位1 h后的三维误差分布情况。从图中可以看出,使用gbu产品时,其三维误差RMS为0.34 m,95%小于0.52 m,而分区综合改正动态定位三维误差RMS为0.17 m,其95%小于0.36 m。统计采用gbu超快速星历3 d所有时段所有用户站的B1B2动态定位结果,其平面和高程误差分别为0.15 m、0.28 m。与表 2的结果相比,基于分区综合改正数的定位结果在平面和高程上均有明显提高,且高程上改善更明显,这是由于分区综合改正数不仅改正了轨道和钟差误差,还改正了区域内对流层延迟残差等一些共性误差。这说明在服务范围内,分区综合改正数较gbu超快速星历定位精度更高。

    Figure 5.  Statistics of Kinematic PPP using gbu Products and BDS Zone Corrections

  • 前面分析了分区综合改正定位的效果及优势,本节对所有数据的结果进行进一步统计,图 6给出了DOY 346这天不同观测时长(第1~2 h、第2~4 h、第4~6 h)下观测站至分区中心的距离与B1B2组合分区综合改正动态定位RMS的关系。由图 6中可以看出,2 h后用户定位实际上已经趋于稳定,随着用户站距离分区中心越远,定位效果总体呈现变差的趋势。总体上,当用户在分区中心1 000 km范围内时,分区综合改正数都能实现分米级定位服务。

    Figure 6.  Relationship Between Zone-Divided PPP Performance and the User's Distance to Zone Center (B1B2 Kinematic PPP)

  • 本文介绍了北斗广域分米级星基增强系统中分区综合改正数的原理,给出了基于分区综合改正数的用户定位模型,同时利用半合法将分区综合改正数应用于单频用户定位,并给出了其定位模型。利用中国范围内不同地区的北斗观测数据和分区综合改正信息,对单频和双频用户分区综合改正定位性能进行了评估,为中国广域分米级增强系统的应用提供了参考和依据。

    分区综合改正数通过广播电文播发给用户,未来只要对用户接收机软件进行升级改造,当收到分区综合改正数时,就可以在服务区范围内实现实时分米级精密定位,这将为中国北斗导航系统的推广和应用提供重大支持。

Reference (16)

Catalog

    /

    DownLoad:  Full-Size Img  PowerPoint
    Return
    Return