一種低軌衛(wèi)星星座增強(qiáng)北斗精密單點(diǎn)定位的算法

丁歡 潘慶芳 安秦

摘? 要：選取BDS與120顆LEO衛(wèi)星系統(tǒng)，采用STK仿真衛(wèi)星星座及觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)比BDS單系統(tǒng)與BDS+LEO系統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位差異。以BJFS站為例，分析LEO星座對(duì)BDS精密單點(diǎn)定位的增強(qiáng)作用。結(jié)果表明：與BDS單系統(tǒng)相比，BDS+LEO系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)均值從17.1提升至27.2，GDOP值均值從1.32下降至0.92;LEO增強(qiáng)BDS后，觀測(cè)值的關(guān)聯(lián)性大大降低，收斂速度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，LEO衛(wèi)星軌道誤差0.10 m/0.15 m/0.20 m相對(duì)的BDS+LEO精密單點(diǎn)定位平均收斂時(shí)間分別為3.6 min/3.9 min/4.5 min。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星;北斗與LEO聯(lián)合;精密單點(diǎn)定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301.6;P228.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）01-0052-03

An Algorithm for Enhancing BDS Precise Point Positioning by

LEO Satellite Constellation

DING Huan，PAN Qingfang，AN Qin

（Shanxi Institute of Energy，Jinzhong? 030600，China）

Abstract：This paper selects BDS and LEO satellite system including 120 satellites，uses STK to simulate satellite constellation and observation data，compares the difference of the precise point positioning between BDS single system and BDS+LEO system by using simulation data. Taking BJFS station as an example，enhancement effect of LEO constellation on BDS precise point positioning is analyzed. The results show that compared with BDS single system，the average number of visible satellites of BDS+LEO system increases from 17.1 to 27.2，and the GDOP average value decreases from 1.32 to 0.92;after enhancing BDS by LEO，the relevance of observed values is greatly reduced，the convergence speed is increased by an order of magnitude，and the corresponding average convergence time of BDS + LEO that the orbit error of LEO satellite 0.10 m/0.15 m/0.20 m are respectively 3.6 min/3.9 min/4.5 min.

Keywords：LEO satellite;BDS and LEO combination;precise point positioning

0? 引? 言

精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)只需一臺(tái)接收機(jī)，作業(yè)方式簡(jiǎn)便自由，成為GNSS應(yīng)用中的一項(xiàng)重要技術(shù)。但較長(zhǎng)的收斂時(shí)間制約了PPP技術(shù)的快速定位，從而限制了其應(yīng)用范圍的廣度[1]。這是由于GNSS使用的中地球軌道（MEO）衛(wèi)星軌道偏高，幾何變化慢，使得相近的歷元觀測(cè)值的相關(guān)性較強(qiáng)，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)PPP浮點(diǎn)解模糊度精度較差，需要30分鐘左右才能固定模糊度[2]。

地球軌道（LEO）衛(wèi)星具有軌道偏低、幾何變化快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此利用低軌衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。基于低軌衛(wèi)星增強(qiáng)的GNSS系統(tǒng)，可以明顯增強(qiáng)抗干擾能力[3]，能加快載波相位模糊度的解算與固定速度，并且提高GNSS系統(tǒng)的故障檢測(cè)能力[4，5]。

美國(guó)于2008年提出“高度完善全球定位系統(tǒng)（HIGPS）計(jì)劃”[6]，旨在利用“銥”星低軌衛(wèi)星星座對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星提供增強(qiáng)服務(wù)，包括縮短首次定位時(shí)間，獲取軍用P（Y）碼信號(hào)，提高定位精度及抗干擾能力等。一些學(xué)者也分析了銥星星座對(duì)GPS的增強(qiáng)作用[7，8]。

隨著“鴻雁”“鵲橋”星座的陸續(xù)發(fā)射，LEO增強(qiáng)北斗逐漸成為可能。本文利用STK軟件仿真的LEO星座，生成觀測(cè)衛(wèi)星文件，分別用BDS和BDS+LEO進(jìn)行PPP并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1? BDS/LEO星座仿真

BDS星座由5顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星以及27顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成。5顆GEO衛(wèi)星星下點(diǎn)分別位于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°及160°。3顆IGSO衛(wèi)星分布于3個(gè)傾角為55°的傾斜同步軌道面上，并且衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)為東經(jīng)118°。27顆MEO衛(wèi)星平均分布于軌道傾角為55°、軌道高度為21 500 km的3個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面包含9顆衛(wèi)星。

LEO采用Walker星座，該星座采用圓軌道，將衛(wèi)星均勻分布在各軌道面上，各軌道面的升交點(diǎn)圍繞赤道均勻分布，并且每個(gè)軌道面中的衛(wèi)星也均勻分布?；赪alker星座設(shè)計(jì)了一種軌道傾角為55°、軌道高度為1 000 km的衛(wèi)星星座。該星座一共由120顆衛(wèi)星構(gòu)成，平均分布于12個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面包含10顆衛(wèi)星。

本文采用STK軟件對(duì)BDS/LEO星座進(jìn)行仿真，并設(shè)立地面測(cè)站，生成觀測(cè)衛(wèi)星文件。

2? BDS/LEO聯(lián)合精密單點(diǎn)定位模型

假設(shè)BDS與LEO衛(wèi)星均可發(fā)射雙頻信號(hào)，且頻率B1= 1 561.098×106 Hz，B2=1 207.14×106 Hz。通過(guò)雙頻組合可以消除電離層誤差一階項(xiàng)，其組合模型由式（1）和式（2）表示：

（1）

（2）

其中，f1、f2為載波頻率，P1、P2、Φ1、Φ2分別為f1、f2對(duì)應(yīng)的偽距與載波觀測(cè)值，PIF、ΦIF分別為無(wú)電離層組合的偽距與載波觀測(cè)值。

用戶r與衛(wèi)星s的無(wú)電離層偽距及載波相位觀測(cè)值由式（3）表示：

（3）

其中，上標(biāo)B、L分別為BDS衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星，IF為無(wú)電離層組合，P和Φ分別為偽距與載波觀測(cè)值， 為用戶r到衛(wèi)星s的實(shí)際距離，c為光速，dtr和dts分別為接收機(jī)與衛(wèi)星鐘差，dtrop為對(duì)流層延遲，dorb為衛(wèi)星軌道誤差，λ1為載波頻率f1所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，N為載波的整周模糊度，ε（P）和ε（Φ）分別為偽距和載波的觀測(cè)噪聲誤差。

在進(jìn)行PPP解算時(shí)，需要估計(jì)的參數(shù)有以下幾個(gè)：

X=[x，y，z，dtr，NB，NL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，x、y、z為用戶位置三維坐標(biāo)。

本文采用遞推最小二乘方法對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)角速度快，其在測(cè)站視野內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間較短，因此只對(duì)BDS模糊度NB固定，LEO衛(wèi)星模糊度NL取浮點(diǎn)數(shù)。

3? 觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真

利用STK軟件生成北斗和低軌衛(wèi)星星座共155顆衛(wèi)星2020年1月1日的位置文件，并選取BJFS作為地面測(cè)站。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，不考慮電離層殘余項(xiàng)誤差及周跳，以及BDS/LEO系統(tǒng)間信號(hào)延遲及鐘差的影響，測(cè)距誤差僅受觀測(cè)噪聲影響，偽距測(cè)距誤差取σP=0.20 m，載波測(cè)距誤差取σΦ=2 mm。為了更好地分析低軌衛(wèi)星軌道誤差對(duì)定位的影響，北斗衛(wèi)星軌道誤差取0.20 m，低軌衛(wèi)星軌道誤差取0.10 m、0.15 m及0.20 m。電離層誤差采用由以上數(shù)據(jù)生成2020年1月1日0時(shí)至2時(shí)的偽距與載波相位觀測(cè)值，采樣間隔為1 s。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了更好地體現(xiàn)BDS+LEO精密單點(diǎn)定位（PPP）效果，本文分為2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一組是單BDS進(jìn)行PPP，另一組為BDS+LEO聯(lián)合PPP。其中，對(duì)BDS采用整數(shù)解，對(duì)LEO系統(tǒng)采用浮點(diǎn)解。

4.1? 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及GDOP值變化

圖1、圖2反映出加入低軌衛(wèi)星前后可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及GDOP值的變化情況。從圖1可以看出，BJFS站單BDS系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)一天內(nèi)的平均值為17.1，加入LEO星座后提升為27.2，提高了59.0%。從圖2中可以看出，BJFS站單BDS系統(tǒng)GDOP值一天內(nèi)的平均值為1.32，且波動(dòng)幅度較大，加入LEO星座后，GDOP值一天內(nèi)的平均值降低至0.92，縮小了30.3%。顯然，加入LEO星座后，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)及GDOP值均有顯著提高。

4.2? PPP浮點(diǎn)解結(jié)果

PPP通常先進(jìn)行最小二乘平差，得到浮點(diǎn)解，再通過(guò)一定的方法固定模糊度，從而得到固定解。浮點(diǎn)解精度的高低直接影響模糊度固定的精度。將截止高度角設(shè)置為10°，對(duì)上文仿真得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算。采用遞推最小二乘的方法求解出PPP浮點(diǎn)解。計(jì)算浮點(diǎn)解坐標(biāo)與測(cè)站坐標(biāo)真值的三維位置誤差，統(tǒng)計(jì)50次模擬結(jié)果并取均值。

圖3展示了單BDS下浮點(diǎn)解的三維位置誤差隨時(shí)間變化曲線，三維位置誤差隨時(shí)間增長(zhǎng)緩慢下降，可以看出，大約需要30 min三維位置誤差才能降低到0.10 m以下。

將LEO軌道誤差分別設(shè)為0.10 m、0.15 m、0.20 m，分別進(jìn)行PPP解算，解算結(jié)果如圖4所示。可以看出，BDS+LEO聯(lián)合PPP定位精度隨LEO軌道誤差增加而逐步下降，使三維位置誤差降至0.10 m以下，0.10 m軌道誤差需要200～250 s，0.15 m軌道誤差需要250～300 s，0.20 m軌道誤差需要300 s以上。

4.3? 收斂時(shí)間對(duì)比

本文收斂的定義為NEU各方向偏差均優(yōu)于0.10 m。并且，為了確保收斂的可靠性，在首次收斂后檢查后續(xù)30個(gè)歷元的偏差，當(dāng)全部偏差均在0.10 m以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為在當(dāng)前歷元收斂。本文統(tǒng)計(jì)了BDS單系統(tǒng)以及BDS+LEO系統(tǒng)50次模擬的平均收斂時(shí)間，如表1所示。

可以看出，BDS單系統(tǒng)PPP平均收斂時(shí)間為32.1 min，BDS+LEO聯(lián)合PPP，LEO衛(wèi)星軌道誤差0.10 m/0.15 m/0.20 m相對(duì)的收斂時(shí)間分別為3.6 min/3.9 min/4.5 min。收斂速度相較于BDS單系統(tǒng)有著數(shù)量級(jí)的優(yōu)勢(shì)，且隨著LEO衛(wèi)星軌道誤差的減小，收斂時(shí)間也隨之減少。

5? 結(jié)? 論

本文描述了BDS/LEO聯(lián)合精密單點(diǎn)定位的模型，利用STK軟件對(duì)BDS、BDS+LEO星座進(jìn)行仿真，并利用仿真觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬了50次單BDS系統(tǒng)、BDS+LEO系統(tǒng)PPP，結(jié)果為：

（1）相較于單BDS系統(tǒng)而言，BDS+LEO系統(tǒng)BJFS站可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)一天內(nèi)的平均值從17.1提升至27.2，提高了59.0%，GDOP值一天內(nèi)的平均值從1.32下降至0.92，縮小了30.3%。

（2）BDS+LEO比BDS單系統(tǒng)PPP位置誤差下降更快，三維位置誤差降到0.10 m以下只需要數(shù)分鐘的時(shí)間，而且時(shí)間還會(huì)隨著LEO衛(wèi)星軌道誤差的減少而縮短。

（3）單BDS系統(tǒng)PPP平均收斂時(shí)間為32.1 min，LEO衛(wèi)星軌道誤差0.10 m/0.15 m/0.20 m相對(duì)的BDS+LEO PPP平均收斂時(shí)間分別為3.6 min/3.9 min/4.5 min，相比較有了數(shù)量級(jí)的提升。

本文采用同等模型對(duì)比了單BDS系統(tǒng)、BDS+LEO系統(tǒng)PPP的差異，但并沒(méi)有對(duì)聯(lián)合PPP的一些問(wèn)題（如信號(hào)頻率、MEO、LEO衛(wèi)星權(quán)重等）進(jìn)行深入探討，今后將從這些方面入手，深入探究LEO星座對(duì)GNSS的增強(qiáng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZUNBERGER J F，HEFLIN M B，JEFFERSON D C，et al. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks [J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，1997，102（B3）：5005-5017.

[2] 張小紅，左翔，李盼，等.BDS/GPS精密單點(diǎn)定位收斂時(shí)間與定位精度的比較 [J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2015，44（3）：250-256.

[3] 鄧琳，李廣俠，田世偉，等.基于LEO增強(qiáng)的COMPASS導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力研究 [J].軍事通信技術(shù)，2012，33（2）：65-69+80.

[4] 趙金峰，于笑，馮少棟，等.基于LEO增強(qiáng)的COMPASS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析 [J].電訊技術(shù)，2013，53（2）：131-135.

[5] 趙興隆，鐘世明，歐吉坤，等.LEO星座增強(qiáng)GNSS的精密單點(diǎn)定位初步分析 [J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2020，40（6）：624-628.

[6] JOERGER M，GRATTON L，PERVAN B，et al. Analysis of Iridium-Augmented GPS for Floating Carrier Phase Positioning [J].Navigation，2010，57（2）：137-160.

[7] KE M X，LV J，CHANG J，et al. Integrating GPS and LEO to accelerate convergence time of precise point positioning [C]//2015 International Conference on Wireless Communications & Signal Processing（WCSP）.Nanjing：IEEE，2015：1-5.

[8] 張錫越，趙春梅，王權(quán)，等.低軌衛(wèi)星增強(qiáng)載波相位差分定位 [J].測(cè)繪科學(xué)，2017，42（10）：14-18.

作者簡(jiǎn)介：丁歡（1992.08—），男，漢族，北京人，助教，碩士研究生，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù);潘慶芳（1989.10 —），女，漢族，山東菏澤人，助教，碩士研究生，研究方向：攝影測(cè)量與遙感;安秦（1991.01—），女，漢族，山西忻州人，助教，碩士研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)遙感應(yīng)用。