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基于北斗卫星导航系统非组合精密单点定位算法的精密授时精度研究

马祥泰 史增凯 钱昭勇 胡彦逢 董绪荣

马祥泰, 史增凯, 钱昭勇, 胡彦逢, 董绪荣. 基于北斗卫星导航系统非组合精密单点定位算法的精密授时精度研究[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(9): 3203-3211. doi: 10.11999/JEIT210629
引用本文: 马祥泰, 史增凯, 钱昭勇, 胡彦逢, 董绪荣. 基于北斗卫星导航系统非组合精密单点定位算法的精密授时精度研究[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(9): 3203-3211. doi: 10.11999/JEIT210629
MA Xiangtai, SHI Zengkai, QIAN Zhaoyong, HU Yanfeng, DONG Xurong. Accuracy of Precise Timing Based on Uncombined Precise Point Positioning Algorithm in BeiDou Navigation Satellite System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(9): 3203-3211. doi: 10.11999/JEIT210629
Citation: MA Xiangtai, SHI Zengkai, QIAN Zhaoyong, HU Yanfeng, DONG Xurong. Accuracy of Precise Timing Based on Uncombined Precise Point Positioning Algorithm in BeiDou Navigation Satellite System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(9): 3203-3211. doi: 10.11999/JEIT210629

基于北斗卫星导航系统非组合精密单点定位算法的精密授时精度研究

doi: 10.11999/JEIT210629
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(41631072),国家自然科学青年基金(41574034)
详细信息
    作者简介:

    马祥泰:男,博士生,研究方向为GNSS精密定位

    史增凯:男,博士生,研究方向为导航定位技术与应用

    钱昭勇:男,博士生,研究方向为智能算法与应用

    胡彦逢:男,博士,研究方向为GNS信号抗干扰

    董绪荣:男,教授,博士生导师,研究方向为卫星导航原理、技术与应用

    通讯作者:

    史增凯 zkshi1213@sina.com

  • 中图分类号: TN967.1

Accuracy of Precise Timing Based on Uncombined Precise Point Positioning Algorithm in BeiDou Navigation Satellite System

Funds: The Key Program of the National Natural Science Foundation of China (41631072), The National Natural Science Youth Foundation of China (41574034)
  • 摘要: 全球导航卫星系统(GNSS)精密单点定位(PPP)技术具有操作简单、成本低廉、定位精度高等优点,在精密授时领域得到了广泛应用。针对现有研究中消电离层PPP模型的组合噪声大、卫星系统多采用全球定位系统(GPS)及实时动态场景少等问题,该文采用非组合PPP模型对北斗卫星导航系统(BDS)精密授时精度开展了研究,并利用Kalman滤波静态模型和动态加速模型进行参数估计。给出了静态和实时动态场景PPP处理策略,并利用超快速预报星历保证动态实时性。结果表明:在静态和实时动态条件下,非组合PPP模型精密授时精度均优于消电离层组合PPP模型;在静态条件下,考虑到BDS和GPS定位精度相当,且亚太地区BDS定位精度更高,BDS授时精度略高于GPS;在实时动态条件下,BDS和GPS精密授时精度在2 ns以内,但BDS授时精度略低于GPS,这是由于空间位置精度因子(PDOP)、载体速度突变和环境因素等的影响,而当完成收敛后,两种系统的授时精度相当,其钟差项中误差均在0.3 m以内。
  • 图  1  BDS/GPS中经典PPP、非组合PPP模型解算的钟差误差

    图  2  KZN2, WUH2在观测期间的卫星数量(NSAT)和PDOP

    图  3  BDS,GPS有效卫星数量(NSAT), PDOP, TDOP及解算的车辆运行速度

    图  4  BDS, GPS不同PPP模型解算出的钟差误差与钟差项中误差

    表  1  静态实验所用IGS监测站的基本信息

    监测站位置接收机类型天线类型
    GMSD日本TRIMBLE NETR9TRM59800.00
    KARR澳大利亚TRIMBLE NETR9TRM59800.00
    KZN2俄罗斯TRIMBLE ALLOYTRM59800.00
    MAYG法国TRIMBLE NETR9TRM59800.00
    URUM中国JAVAD TRE_3JAVRINGANT
    WUH2中国JAVAD TRE_3JAVRINGANT
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    表  2  静态消电离层组合PPP模型处理策略

    误差项处理策略
    卫星星历IGS提供的精密星历
    卫星钟差IGS提供的精密钟差
    对流层延迟Saastamoinen模型改正干分量,
    估计湿分量
    电离层延迟消电离层组合
    卫星天线相位中心改正IGS提供的PCO, PCV产品
    接收机天线相位中心改正IGS提供的PCV产品
    相位缠绕模型改正
    相对论效应模型改正
    地球自转模型改正
    参数估计与质量控制处理策略
    参数估计(1)接收机坐标,SPP结果作为初始值,初始标准差为1000 m
    (2)接收机钟差,SPP结果作为初始值,初始标准差为1000 m
    (3)天顶对流层湿分量,初始值0.5 m,初始标准差0.01 m
    (4)模糊度初始值为$\phi _{{\rm{IF}}}^s - P_{{\rm{IF}}}^s$,
    标准差为1000 m
    数据质量控制标准卡尔曼滤波
    观测值随机模型高度角定权
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    表  3  BDS/GPS各测站E, N, U方向RMS值(m)

    监测站BDSGPS
    ENUENU
    GMSD0.0080.0060.0210.0070.0080.040
    KARR0.0210.0030.0160.0320.0070.011
    KZN20.0160.0040.0430.0080.0060.021
    MAYG0.0120.0190.0530.0070.0040.035
    URUM0.0160.0190.0150.0140.0050.027
    WUH20.0170.0090.0490.0150.0110.045
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    表  4  BDS/GPS各测站E, N, U方向的STD(m)

    监测站BDSGPS
    ENUENU
    GMSD0.0060.0050.0150.0040.0040.001
    KARR0.01000030.0090.0130.0030.015
    KZN20.0030.0020.0060.0080.0030.004
    MAYG0.0070.0030.0370.0060.0030.018
    URUM0.0030.0050.0120.0110.0020.012
    WUH20.0090.0030.0410.0090.0020.016
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    表  5  GPS静态PPP钟差误差的RMS值(ns)

    监测站GPS
    消电离层组合PPP非组合PPP
    GMSD0.2570.187
    KARR0.2450.147
    KZN20.2310.161
    MAYG0.3230.258
    URUM0.1860.222
    WUH20.2780.187
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    表  6  BDS/GPS静态PPP钟差解误差的STD(ns)

    监测站BDSGPS
    消电离层组合非组合消电离层组合非组合
    GMSD0.1810.1830.2460.174
    KARR0.0890.0700.1970.147
    KZN20.2030.1310.1670.150
    MAYG0.2170.1500.3180.171
    URUM0.1240.0750.1980.112
    WUH20.1030.1480.2050.103
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    表  7  动态PPP中参数估计处理策略

    参数估计处理策略
    接收机坐标SPP结果作为初始值,初始标准差为100 m
    接收机速度原始多普勒解为初始值,初始标准差5 m/s,
    动态噪声为10 m/s
    接收机加速度初始值为1×10–6 m/s2,初始标准差为5 m/s2
    动态噪声为1×10–2 m/s2
    接收机钟差SPP结果作为初始值,初始标准差为1000 m
    天顶对流层湿分量初始值0.5 m,初始标准差为0.01 m
    模糊度初始值为$\phi _{{\rm{IF}}}^s - P_{{\rm{IF}}}^s$,标准差为1000 m
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    表  8  动态PPP钟差误差RMS, STD和均值(ns)

    评估指标GPSBDS
    非组合消电离层组合非组合消电离层组合
    RMS1.1541.8801.2442.088
    STD1.0791.3091.2372.079
    均值–0.409–1.3490.135–0.193
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-28
  • 修回日期:  2021-08-12
  • 网络出版日期:  2021-09-01
  • 刊出日期:  2022-09-19

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