基于QZSS信息增强的GNSS精密单点定位性能分析
赵得荣1,2 安士凯1,2 赵琦琦2 苗 伟2 詹绍奇2 薛 博2
(1. 安徽省煤矿绿色低碳发展工程研究中心, 安徽 淮南 232001;2. 平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司, 安徽 淮南 232001)
摘 要：目前研究多集中在准天顶卫星系统(QZSS)播发的定位导航和授时(PNT)信息的定位表现,而对其播发的增强信息的精密单点定位(PPP)研究较少,因此文章对比评估了QZSS播发的PNT信息与增强信息的PPP表现。分别选择以上两种信息进行静态PPP和动态PPP,采用QZSS PNT信息与QZSS增强信息分别和全球导航卫星系统(GNSS)数据组合进行PPP解算,评估指标选取定位精度和收敛时间。结果表明:使用QZSS PNT信息,组合后静态PPP定位精度小于4.50 cm,收敛时间小于92.00 min,动态PPP定位精度小于5.40 cm,收敛时间小于290.00 min。使用QZSS增强信息,静态PPP定位精度小于2.00 cm,收敛时间小于61.00 min;动态PPP定位精度小于6.50 cm,收敛时间小于162.00 min。与PNT信息相比,使用QZSS增强信息进行PPP定位的收敛时间要至少缩短三分之一,定位精度在静态PPP模式下提高约一倍,在动态PPP模式下略微下降,总体精密定位表现更佳。
0 引言
为了改善日本自身多山地理环境以及高楼林立造成的城市峡谷效应,再结合全球卫星导航系统(global position system,GPS)在军事和民用领域的巨大应用价值,日本政府和企业联合建立了区域卫星导航系统—准天顶卫星系统(Quasi-Zenith satellite system,QZSS)。2010—2018年期间,日本完成地面控制系统以及第1期空间星座(4颗卫星)系统建设,具备初始运行能力;并预计在2023年前全面建成7星座系统,可具备独立提供导航定位服务的能力。QZSS共在L1、L2、L5、L6和S频段上播发8种信号,其中L1、L2和L5频段用于传统的定位导航和授时(positioning navigation and timing,PNT)服务,L6E和L1S信号用于增强服务,L1S信号和S波段传输的信号用于危机管理信息服务[1]。
李作虎等[2]就QZSS对GPS导航在精度、完好性以及可用性增强方面进行了仿真计算研究,结果表明在日本和中国中东部地区可有效增强定位性能。文献[3]使用IGS数据分析了QZSS信号的信噪比、多路径以及频间偏差特征,并与GPS和伽利略卫星导航系统(Galileo sa-tellite navigation system,GALILEO)进行差异比较。文献[4-5]使用QZSS播发的包含天线参数、几何和光学特征等的元数据评估了QZSS精密轨道和钟差产品的精度。
江永生[6]通过把QZSS增强信号与GPS信号结合,分析了其对GPS定位的增强效果。文献[7]根据近1 000 d的精确卫星时钟偏移产品详细分析了QZSS 4颗卫星时钟的特点和性能变化。郝茂森等[8]以伪距单点定位为基础对QZSS增强服务在日本境内和中国周边地区进行了定位结果比较。黎国军等[9]研究了GPS/QZSS/GALILEO 3个系统兼容频率L1和L5的数据质量以及不同组合的伪距单点定位精度,发现QZSS与GALILEO兼容频率间的噪声较大。朱云等[10]融合北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)BDS-2、BDS-3、QZSS数据进行了伪距单点定位精度分析,结果表明能有效提升伪距单点定位精度。文献[11-14]使用自测短基线数据与基于国际GNSS服务(international GNSS ser-vice,IGS)跟踪站组成的中长基线,分析了QZSS与GPS、GALILEO、BDS重叠频率组合相对定位精度,结果表明相对定位精度均得到了不同程度的提升。何旭蕾等[15]对QZSS增强电文以及QZSS官方网站数据进行解析,发现QZSS增强信号提供GPS、GALILEO以及QZSS的修正信息。
上述研究基本集中在使用QZSS PNT信息进行单点定位研究或者相对定位研究,但对QZSS增强信息的PPP定位表现研究较少。为了对比评估QZSS增强信息与PNT信息对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)精密单点定位(precise point positioning,PPP)性能增强的表现,本文使用QZSS增强信息与PNT信息分别进行静态与动态PPP,就定位精度、收敛时间指标进行对比分析,进而确定QZSS增强信息与PNT信息对GNSS PPP性能增强的表现。
1 PPP定位原理
1.1 观测模型
在卫星定位与导航系统中,对任意一颗卫星j而言,其i(i=1,2)频率上的伪距观测值和载波相位观测值,公式为
(1)
(2)
式中,Pi为第i个频率上的伪距观测值;ρj为测站到j卫星的几何距离;c为真空中的光速;dt为接收机钟差;dTj为卫星钟差;
为卫星的轨道误差;
为对流层误差;
为第i个频率上的电离层延迟;
为第i个频率上测距伪码钟的硬件延迟偏差;
为伪距观测时的其他观测噪声;φi为第i个频率上的载波相位观测值;
为第i个频率上载波相位观测值的模糊度;
为第i个频率上接收机端和卫星端初始相位偏差以及载波相位硬件延迟偏差;
载波相位观测值的其他观测噪声。
1.2 无电离层组合模型
根据电离层误差和信号频率成反比特性来消除电离层延迟。通过把两种不同频率的原始观测值组合成电离层无关组合观测值,来消除电离层误差一阶项的影响。对伪距观测值和载波相位观测值而言,其组合后的无电离层数学模型,公式为
(3)
(4)
式中,PIF为不同频率伪距观测值的组合无电离层虚拟观测值;ΦIF为不同频率的载波相位观测值的组合无电离层虚拟观测值;f1、f2为频率值;P1、P2为两个频率上的原始伪距观测值;Φ1、Φ2为两个频率上的原始载波相位观测值。
2 QZSS+GNSS PNT信息PPP定位
QZSS的建立初衷就是为了提高在亚太地区,尤其是日本区域城市峡谷内的GNSS定位可用性与定位精度,故QZSS设计了特殊的轨道来提升不同GNSS在高截止高度角下的定位表现,鉴于此,本次定位在截止高度角25°下选取QZSS/QZSS+BDS、QZSS/QZSS+GPS、QZSS/QZSS+GALILEO 3种组合模式。
2.1 数据准备与处理策略
测站选取分布在亚太区域的DARW、JFNG、MIZU以及PNGM测站。本节实验采用的数据为2022年1月1日的观测数据和广播星历,精密产品使用多GNSS实验系统(the multi-GNSS experiment,MGEX)中心提供的精密星历与精密钟差产品,其余所需改正文件见表1。
表1 PPP处理策略
在静态模式和动态模式下分别进行PPP定位,使用RTKLIB软件进行定位解算,参考真值参照IGS发布的SNX文件,采用双频消电离层组合模型,相关误差处理及定位策略详见表1。分析指标选取各组合定位模式下4测站统计的收敛后各方向上的定位精度以及收敛时间(各方向上误差均小于10 cm)。
2.2 静态PPP定位分析
(QZSS+BDS/QZSS+GPS/QZSS+GALILEO)
为了更清晰直观地展示静态PPP定位结果,上述分析指标的必要统计数据见表2(表中C表示BDS,G表示GPS,E表示GALILEO,Q表示QZSS,E、N、U表示北、东、天方向)。其中,RMSE均值为4测站RMSE的统计平均值,收敛时间均值为定位误差首次收敛到给定阈值(小于10 cm)的统计平均值。
表2 分析指标统计数据
2.2.1 定位精度分析
定位精度表示定位结果与参考真值的偏离程度,以均方根误差(root mean square error,RMSE)R作为分析指标,其计算如式(5)所示。
(5)
式中,xi为第i历元下各坐标的计算值;
为相应坐标的参考真值。
图1为静态PPP下QZSS与三系统分别组合后定位误差统计。
图1 静态PPP下QZSS与三系统分别组合后定位误差统计值
根据表2和图1可以看出:
1)组合前后在各个方向上的定位误差均小于4.50 cm,且定位精度基本相当,在各方向上的定位误差在1.00 cm左右。
2)组合前后各系统在E、N、U方向上的定位精度保持一致性。即在U方向上定位误差最大,E方向上定位误差次之,N方向上定位误差最小,精度最佳。
3)组合后3系统在各方向上的定位误差变化不同。U方向上定位误差均在增大;E方向上BDS和GALILEO定位误差在变小,GPS在变大;N方向上BDS和GPS定位误差在变小,GALILEO在变大。
2.2.2 收敛时间分析
收敛时间为定位误差首次收敛到给定阈值(小于10.00 cm)的时间,其值大小表示导航系统成功定位的响应速度。图2为静态PPP下QZSS与三系统分别组合后收敛时间统计。
图2 静态PPP下QZSS与三系统分别组合后收敛时间统计值
根据表2和图2可以看出:
1)QZSS的加入对BDS、GPS和GALILEO系统的定位收敛时间影响不同。其中,对BDS和GALILEO系统而言,使其定位收敛时间缩短,收敛时间在80.00 min和92.00 min以下;使GPS定位收敛时间基本不变或略微延长,最大延长时间不超过4.00 min,收敛时间在44.00 min以下。
2)总体来说,QZSS的加入使得GPS系统的定位收敛时间基本不变,对GALILEO系统的定位收敛时间有所改善,对BDS系统各的定位收敛时间改善最为明显。
2.3 动态PPP定位分析
(QZSS+BDS/QZSS+GPS/QZSS+GALILEO)
动态PPP定位结果的相应分析指标必要统计数据均在表3中列出。
表3 分析指标统计数据
2.3.1 定位精度分析
图3为动态PPP下QZSS与三系统分别组合后定位精度统计。
图3 动态PPP下QZSS与三系统分别组合后定位精度统计值
根据表3和图3可以看出:
1)组合前后3系统在各方向上的RMSE值均小于5.40 cm,且各系统的定位精度基本相同,同方向上的定位误差基本在1.00 cm以内。
2)组合后3系统在U方向上的RMSE值均变大,表明在U方向上的定位精度均最差;而RMSE在E、N方向上三系统具有差异性,即BDS均减小,GPS均增大,GALILEO在E方向上减小,在N方向上增大。
2.3.2 收敛时间分析
图4为动态PPP下QZSS与三系统分别组合后收敛时间统计图。
图4 动态PPP下QZSS与三系统分别组合后收敛时间统计值
根据表3和图4可以看出:
1)QZSS加入后对三系统在E、N、U方向上收敛时间的影响趋势基本相同。即在U方向上使得收敛时间略微增大,在E、N方向上使得收敛时间几乎均在减小。在E方向上收敛时间缩短幅度BDS最大,GALILEO次之,GPS最小。在N方向上收敛时间缩短幅度BDS最大,GPS次之,GALILEO最小。
2)QZSS加入后各系统的收敛时间有所差异,总体而言在E、N方向上收敛时间在103.00 min以内,在U方向上收敛时间在288.00 min以内。
3 QZSS增强信息+GNSS PPP定位
3.1 数据准备与处理策略
QZSS增强信息中的数据以状态空间表达(state space representation,SSR)形式给出,SSR文件只包含GPS、GALILEO和QZSS的卫星轨道改正、钟差改正、对流层改正、电离层改正、码偏差改正、相位偏差改正等改正信息,与广播星历和观测文件结合后可用于PPP实验。
与QZSS+GNSS PNT信息进行PPP试验所需sp3、clk、erp、blq、atx等改正文件不同的是,本次实验所需文件仅为SSR文件、广播星历文件和观测文件,直接采用SSR文件中的改正信息对相应误差进行改正,采用双频消电离层组合模型。SSR文件从日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)官方网址ftp://mgmds01.tksc.jaxa.jp/下载,广播星历和观测文件来源于MGEX官方网址,上述数据日期为2021年1月1日,所选测站为分布在日本区域附近的CHOF、GMSD、NCKU以及USUD测站,截止高度角为25°,卫星系统选择QZSS+GPS(因SSR信息限制,只选取了QZSS+GPS)分别在动态和静态模式下进行PPP,采用RTKLIB软件进行解算。
3.2 定位分析
按照上述实验策略进行PPP定位解算,CHOF、GMSD、NCKU以及USUD测站的定位精度以及收敛时间详见表4。以USUD测站为例,给出了静态和动态PPP收敛图,如图5和图6所示。
表4 4测站定位精度和收敛时间
图5 USUD测站静态PPP下收敛图
图6 USUD测站动态PPP下收敛图
依据表4、图5和图6可知:
1)就4测站而言,静态PPP定位精度在0.92～1.64 cm之间,收敛时间在22.00～88.00 min之间;动态PPP定位精度在4.26～7.59 cm之间,收敛时间在95.50～182.50 min之间。
2)总体来说,在E、N、U的3个方向上,相同定位模式下的E、N方向定位精度基本相当,U方向的定位精度相较两者要降低约20%;静态PPP模式下收敛时间U方向最长,N方向次之,E方向最短,动态PPP模式下收敛时间U方向最长,E方向次之,N方向最短。
3)就定位精度而言,动态PPP的误差值是静态PPP的4倍左右;就收敛时间而言,动态PPP是静态PPP的2.5～5倍,与方向相关。
3 结论
为了对比评估QZSS PNT信息与QZSS增强信息对GNSS PPP的精密定位性能表现,结合QZSS轨道的特殊性,本文在25°截止高度角下使用QZSS+GNSS PNT信息、QZSS增强信息与GNSS广播星历和观测文件进行PPP解算,并分别在静态和动态模式下对相应测站进行了PPP实验。主要结论如下:
1)在使用QZSS增强信息的情况下,在各方向上定位结果表明:静态PPP的平均定位精度小于1.60 cm,平均收敛时间在61.00 min以下;动态PPP的平均定位精度小于6.70 cm,平均收敛时间在162.00 min以下。
2)QZSS PNT信息与BDS、GPS和GALILEO分别组合后,定位结果表明:静态PPP下定位精度小于4.50 cm,收敛时间在92.00 min以下;动态PPP下定位精度小于5.40 cm,收敛时间在E、N方向上小于103.00 min,在U方向上小于290.00 min。
3)使用QZSS增强信息与PNT信息均使GNSS精密单点定位性能得到一定程度的增强。其原因在于:QZSS增强信息中包含了GNSS轨道改正、钟差改正、对流层改正、电离层改正等改正信息,故只需结合GNSS广播星历和观测文件就可进行高精度的PPP解算;QZSS PNT信息对GNSS精密单点定位性能的增强主要是自身信息质量较好且增加了可用卫星数。
4)使用QZSS增强信息与PNT信息的定位结果表明,无论是在静态PPP还是动态PPP模式下,总体收敛时间前者要优于后者;定位精度在静态PPP模式下前者较后者提升1.81倍,在动态PPP模式下前者较后者降低19.40%,降低幅度较小。总体而言,QZSS增强信息与GNSS广播星历和观测文件进行的精密定位表现要优于QZSS+GNSSPNT信息的精密定位表现。
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引文格式: 赵得荣,安士凯,赵琦琦,等.基于QZSS信息增强的GNSS精密单点定位性能分析[J].北京测绘,2023,37(5):631-637.
基金项目：安徽省自然资源厅公益性地质项目(2021-g-1-7)
作者简介：赵得荣(1996—),男,安徽宿州人,硕士,工程师,研究方向为GNSS卫星导航。
E-mail:171614483@qq.com
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