融合GNSS兼容频率静态PPP对流层延迟评估_李彬彬.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2022-01-17作者简介:李彬彬(1989-),男,河北保定人,工程师,学士,主要从事工程测量工作。融合 GNSS 兼容频率静态 PPP 对流层延迟评估李彬彬1,王 笑2,秦海超2(1.雄安城市规划设计研究院有限公司,河北 容城 071700;2.建设综合勘察研究设计院有限公司,北京 100007)摘要:为进一步评估周边对流层延迟,本文基于中国境内以及周边 5 个 MGEX 跟踪站,对比分析 BDS-3 及与BDS-3 兼容频率组合静态精密单点定位精度以及评估对流层延迟结果。实验结果表明,双系统组合能有效改善卫星状况,BDS-3 以及其他情况静态精密单点定位水平精度优于 1.5 cm,高程定位精度优于 3 cm,评估对流层延迟结果较好,JFNG 站评估对流层延迟结果误差在 1 cm 以内,其余测站评估对流层延迟结果误差在 12 cm之间。关键词:GNSS;兼容频率;静态 PPP;对流层延迟中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0118-04Integrated GNSS Compatible Frequency Static PPPTropospheric Delay EvaluationLI Binbin1,WANG Xiao2,QIN Haichao2(1.Xiongan Academy of Urban Planning and Design,Co.,Ltd.,Rongcheng 071700,China;2.Comprehensive Institute of Geotechnical Investigation and Surveying,Co.,Ltd.,Beijing 100007,China)Abstract:In order to further evaluate the surrounding tropospheric delay,this paper compares and analyzes the static precision single-point positioning accuracy of BDS-3 and BDS-3 compatible frequency combination based on 5 domestic and foreign MGEX tracking stations,and evaluates the results of tropospheric delay.The experimental results show that the dual system combination can effective-ly improve the satellite status.The static precision single-point positioning accuracy of BDS-3 and other situations is better than 1.5 cm,and the altitude positioning accuracy is better than 3 cm.The evaluation result of tropospheric delay is good.JFNG station evalu-ates tropospheric delay,and the error of the result is within 1 cm.The error of the tropospheric delay evaluated by other stations is be-tween 1 and 2 cm.Key words:GNSS;compatible frequency;static PPP;tropospheric delay0 引 言当前全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)主要有美国全球定位系统(Global Positio-ning System,GPS)、中国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(GALILEO satellite navigation system,GALILEO)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)及日本的准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System,QZSS),其中 GPS、BDS、GALILEO、QZSS 都设计了相互兼容的频率,增加了多系统多频组合定位的兼容性1-4。GNSS 的定位精度受多方面影响,在信号通过大气层时会受到电离层和对流层的影响,而其中对流层产生的延迟值通常在 2 m 左右,而随着各系统在不同领域应用的扩展,用户对 GNSS 定位精度的要求不断提升,因此精确评估天顶对流层延迟非常重要5-7。Zumberge 等8在 20 世纪 90 年代后期提出了精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术,该技术中的参数估计含有对流层相关信息,因此可以通过精密单点定位技术评估天顶对流层延迟,随着精密单点定位技术的不断发展,其已经成为评估天顶对流层延迟的主要手段之一9-10。王旭科等11分析了不同对流层模型在我国西北地区的适应性,发现在实测气象数据模型中,Saastamoinen 模型精度最高,Hopfield 模型和 Black 模型精度相当;在非实测气象数据模型中,GPT2w1+Saastamoinen 模型精度最高,GPT2w5+Saastamoinen 模型次之,EGNOS 模型最低,而季节变化也会影响对流层延迟模型的精度。鄂盛龙等12评估了 BDS 全球定位性能以及对流层评估能力,发现BDS 静态精密单点定位性能与 GPS 相当,评估对流层延迟精度优于 1 cm,与 GPS 评估对流层延迟精度相差 1 mm以内。屈凯锋13建立了一种适合中国大陆的对流层延迟改正模型,该模型精度略好于 GPT2w(11)模型,相比UNB3m 模型精度提升了 36%。袁海军等14分析了 5 种在线精密单点定位服务系统特性,发现 5 种系统解算静态精密单点定位精度都在厘米级,APPS、magicGNSS、CSRS-PPP 和 NetDiff 服务系统动态定位动态精度可以达到分米级,APPS、magicGNSS 和 CSRS-PPP 评估的对流层延迟精度较优,与 IGS 发布的产品具有较高的一致性。毛玉辉等15对比分析了 GALILEO、GPS 和 GPS/GALILEO 组合实时精密单点定位评估对流层延迟性能,发现 GALILEO和 GPS 对流层延迟估值的相关系数绝大多数大于 0.9,二者估值符合性良好,组合评估精度较单系统评估精度都有较大提升。针对当前对流层延迟评估研究现状以及评估方法,本文基于中国境内以及周边 MGEX 跟踪站数据,采用双频无电离层组合模型,对比分析了 BDS-3、GALILEO、BDS-3/GPS、GALILEO/GPS、BDS-3/QZSS、GALILEO/QZSS兼容双频组合静态精密单点定位评估对流层延迟性能。1 数学模型双频无电离层组合模型一般表示如下16-17:Psr,IF=sr,IF+cdtr-cdts+Vtrop+br,IF-bsIF+sr,IFsr,IF=sr,IF+cdtr-cdts+Vtrop+IF(Nsr,IF+dr,IF-dsIF)+esr,IF(1)式中,IF 为双频无电离层组合频率;r 为接收机;s 为卫星;Psr,IF为双频无电离层组合伪距观测值;sr,IF为双频无电离层组合载波相位观测值;sr,IF为接收机至卫星间距离;c 为真空中光速;dtr为接收机钟差;dts为卫星钟差;Vtrop为对流层延迟误差;br,IF为接收机端码延迟;bsIF为卫星端码延迟;sr,IF为伪距观测噪声;IF为双频无电离层组合频率波长;Nsr,IF为整周模糊度;dr,IF为接收机端载波相位延迟;dsIF为卫星端载波相位延迟;esr,IF为载波相位观测噪声。根据式(1)可以进一步得到双系统组合无电离层组合精密单点定位观测方程,以 BDS-3/GPS 组合为例,表示如下18:PCIF=CIF+cd tr,IF,C+ISB+fCwTw+CIFCIF=CIF+cd tr,IF,C+ISB+CIF NCIF+fCwTw+eCIFPGIF=GIF+cd tr,IF,G+fGwTw+GIFGIF=GIF+cd tr,IF,G+GIF NGIF+fGwTw+eGIF(2)式中,C 为 BDS-3;G 为 GPS;d tr,IF,C为吸收了接收机端码延迟的卫星钟差;ISB 为以 GPS 为参考系统的系统间偏差;fCw为湿延迟映射函数;Tw为倾斜对流层延迟;NCIF为吸收了接收机端码延迟与载波相位延迟的整周模糊度;其余符号表示含义与上式相同,其余双系统组合观测方程同理。2 实验分析2.1 数据选取及解算方案实验数据为中国境内及周边 5 个 MGEX 跟踪站数据,数据采集时间为 2020 年 9 月 26 日,数据采用间隔为30 s。5 个 MGEX 跟踪站其中 3 个位于中国,分别为JFNG、WUH2、URUM;位于中国周边的跟踪站为 ULAB 和SGOC。每个跟踪站均能接收到 BDS-3(B)系统 B1C 频率、B2a 频率,GALILEO(E)系统 E1 频率、E5a 频率,GPS(G)系统 L1 频率、L5 频率,QZSS(J)系统 L1 频率、L5频率。本文采用 Net_Diff 软件18进行数据解算,解算模型为双频无电离层组合模型,高度角设置为 12,IGS 中心提供的各测站周解算坐标作为真实值。由于 GPS 系统播发L5 频率的卫星数较少,因此不单独进行 GPS 系统解算,只对 BDS-3、GALILEO、BDS-3/GPS、BDS-3/QZSS、GALI-LEO/GPS、GALILEO/QZSS 6 种情况进行解算,BDS-3 双频组合为 B1C/B2a、GALILEO 双频组合为 E1/E5a、GPS系统双频组合为 L1/L5、QZSS 系统双频组合为 L1/L5。2.2 静态精密单点定位分析图 1 和图 2 首先给出了卫星可用数与 PDOP 值随历元变化情况。图 1 卫星可见数随历元变化Fig.1 The number of satellites visible varies with epoch911第 1 期李彬彬等:融合 GNSS 兼容频率静态 PPP 对流层延迟评估如图 1 所示,双系统组合卫星可见数较单系统都有较大提升,其中 GALILEO 单系统卫星可用数比其他情况少,而 BDS-3/GPS 组合卫星可用数相比于其他情况最多。图 2 PDOP 值随历元变化Fig.2 PDOP value changes with epoch如图 2 所示,单系统 PDOP 值随历元变化跳变较大,而双系统组合 PDOP 值则有效改善了这一状况,随历元变化较为稳定,除 URUM 站外,其余测站双系统组合 PDOP值整体较优,大部分历元 PDOP 值小于 3。图 3 给出了各测站静态精密单点定位精度。图 3 各测站静态精密单点定位精度Fig.3 Static precision single-point positioning accuracy of each station如图 3 所示,除个别组合定位外,水平定位精度优于3 cm,高程定位精度优于 4 cm,3D 方向定位精度优于4 cm,而双系统组合定位精度较单系统定位精度略有提升。为进一步分析不同组合下精密单点定位性能,表 1 和表 2 进一步给出了不同组合精