BDS-3不同模式下PPP對流層延遲性能評估

顧貫永

（1.河南省有色金屬地質(zhì)勘查總院，河南 鄭州 450052）

我國BDS-3已正式投入使用，將在我國國防、民生建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用，因此對其全球定位性能進(jìn)行評估是今后研究的熱點(diǎn)問題[1-4]。電離層延遲和天頂對流層延遲（ZTD）是影響B(tài)DS-3定位性能的主要誤差源，電離層延遲可用通過雙頻組合改正進(jìn)行消除，ZTD只能通過參數(shù)或模型進(jìn)行改正[5-6]。在高精度精密單點(diǎn)中，ZTD建模誤差將對定位性能產(chǎn)生很大影響，因此高精度的ZTD反演對氣象學(xué)研究具有重要意義[7-8]。利用GNSS估計(jì)ZTD的方法主要包括精密單點(diǎn)定位法（PPP）和雙差網(wǎng)解法。PPP方法因其操作簡單，只需單臺接收機(jī)即可獲得ZTD絕對量，成為常用的ZTD估計(jì)法[9-11]。

BDS靜態(tài)PPP性能與GPS相當(dāng)，其ZTD估計(jì)精度優(yōu)于1 cm，與GPS估計(jì)RMS值相差在1 mm以內(nèi)[12]。GPS系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)、固定坐標(biāo)3種模式下估計(jì)的ZTD結(jié)果相當(dāng)，靜態(tài)的相關(guān)性更好，靜態(tài)與動態(tài)時(shí)段解算精度與收斂速度相當(dāng)，且優(yōu)于固定坐標(biāo)模式[13]。數(shù)據(jù)融合估計(jì)ZTD方法較Saastamoinen模型和GPT2w+Saastamoinen模型都有明顯提升，提升值約為8 mm[14]。在華南沿海地區(qū)短基線GNSS-C級網(wǎng)解算中，ZTD不估計(jì)的解算策略U分量定位精度優(yōu)于ZTD估計(jì)策略，采用ZTD估計(jì)策略解算整網(wǎng)的基線重復(fù)性優(yōu)于ZTD不估計(jì)的解算策略[15]。四系統(tǒng)組合PPP實(shí)時(shí)ZTD估值的收斂時(shí)間、估計(jì)精度和可用性較單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)均有所改善，尤其是在遮擋觀測環(huán)境下，改善效果更加明顯[16]。采用Galileo、GPS和GPS/Galileo實(shí)時(shí)PPP估計(jì)ZTD的精度較優(yōu)，Galileo和GPS解的符合性良好，Galileo實(shí)時(shí)估計(jì)的ZTD精度滿足要求，GPS/Galileo組合精度較任一單系統(tǒng)都有較大提升[17]。本文均勻選取全球范圍內(nèi)8個(gè)MGEX跟蹤站數(shù)據(jù)，采用兩種雙頻PPP模型解算BDS-3靜態(tài)與動態(tài)雙頻PPP數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同解算方式評估ZTD。

1 數(shù)據(jù)選取與解算策略

本文選取全球范圍內(nèi)均勻分布的8個(gè)MGEX跟蹤站數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021-01-04—2021-01-08，觀測總時(shí)長24 h，采樣間隔為30 s。所選測站均能接收BDS-3大部分衛(wèi)星信號，且能接收BDS-3多頻信號，以滿足不同雙頻組合定位要求。測站分布如圖1所示。

圖1 MGEX站點(diǎn)分布

本文采用的PPP解算軟件和ZTD評估軟件均為上海天文臺GNSS分析中心的Net_Diff軟件，精密星歷與鐘差采用德國波茨坦地學(xué)中心發(fā)布的精密產(chǎn)品，各測站精密坐標(biāo)由IGS中心發(fā)布的SNX文件獲取。首先進(jìn)行BDS-3雙頻靜態(tài)PPP解算，定位模型采用雙頻無電離層組合模型和非差非組合模型，解算頻率為B1C/B2a和B1I/B3I雙頻組合；再根據(jù)解算得到的定位結(jié)果，評估不同解算策略BDS-3收斂后靜態(tài)PPP精度和ZTD精度，并與IGS發(fā)布的ZTD結(jié)果進(jìn)行比較，IGS發(fā)布的ZTD產(chǎn)品歷元為300 s；然后進(jìn)行BDS-3雙頻動態(tài)PPP解算，采用的定位模型和解算頻率與靜態(tài)一致，同樣對BDS-3收斂后動態(tài)PPP精度和ZTD精度進(jìn)行評估。具體解算策略與參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 解算策略以及參數(shù)設(shè)置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為詳細(xì)分析BDS-3雙頻全球定位性能以及評估ZTD性能，根據(jù)IGS中心提供的精確坐標(biāo)，本文首先計(jì)算得到不同測站E、N、U方向的靜態(tài)與動態(tài)PPP精度，然后對比不同情況不同測站ZTD與IGS產(chǎn)品隨歷元的變化，最后得到不同情況不同測站ZTD與IGS產(chǎn)品的RMS值。

2.1 靜態(tài)PPP

連續(xù)5天BDS-3各測站收斂后靜態(tài)PPP精度的平均值如圖2所示，可以看出，BDS-3系統(tǒng)B1C/B2a和B1I/B3I頻率組合各測站E方向的靜態(tài)PPP精度優(yōu)于3 cm，N方向除個(gè)別測站非差非組合B1C/B2a組合外，靜態(tài)PPP精度優(yōu)于2 cm，U方向除個(gè)別測站外，靜態(tài)PPP精度優(yōu)于5 cm。

圖2 BDS-3靜態(tài)PPP精度平均值

2021-01-04各測站靜態(tài)PPP的ZTD評估結(jié)果如圖3所示，可以看出，除WUH2測站外，4種BDS-3靜態(tài)PPP評估的ZTD與IGS結(jié)果一致性較好，而WUH2測站評估結(jié)果略高于IGS結(jié)果，主要與WUH2測站高程方向定位結(jié)果發(fā)散有關(guān)[12]。無論是B1C/B2a雙頻無電離層組合還是非差非組合，靜態(tài)PPP評估的ZTD結(jié)果開始波動較大，而B1I/B3I組合靜態(tài)PPP評估的ZTD結(jié)果收斂性較好，收斂后4種靜態(tài)PPP評估ZTD的一致性較好。

圖3 BDS-3靜態(tài)PPP估計(jì)ZTD結(jié)果

不同BDS-3靜態(tài)PPP評估得到的各測站連續(xù)5天RMS平均值與IGS結(jié)果RMS值如表2所示，可以看出，除WUH2測站外，各測站4種BDS-3靜態(tài)PPP評估的ZTD與IGS結(jié)果RMS值相差1 cm以內(nèi)，而WUH2測站評估結(jié)果與IGS結(jié)果RMS值相差大于1 cm，主要與該測站高程方向定位結(jié)果發(fā)散有關(guān)，與ZTD隨歷元變化結(jié)果一致。

表2 BDS-3靜態(tài)PPP評估各測站ZTD的RMS平均值/m

2.2 動態(tài)PPP

連續(xù)5天BDS-3各測站收斂后動態(tài)PPP精度平均值如圖4所示，可以看出，除個(gè)別測站外，BDS-3系統(tǒng)B1C/B2a和B1I/B3I頻率組合E方向的動態(tài)PPP精度優(yōu)于6 cm；除個(gè)別測站以及非差非組合B1C/B2a組合外，N方向動態(tài)PPP精度優(yōu)于5 cm；除個(gè)別測站外，U方向動態(tài)PPP精度優(yōu)于11 cm。

圖4 BDS-3動態(tài)PPP精度平均值

2021-01-04各測站動態(tài)PPP的ZTD評估結(jié)果如圖5所示，可以看出，除WUH2測站外，BDS-3系統(tǒng)B1I/B3I組合動態(tài)PPP評估的ZTD結(jié)果與IGS結(jié)果具有較好的一致性，而WUH2測站ZTD結(jié)果略高于IGS結(jié)果；除SUTM、NYA2、GODS測站外，其余測站B1C/B2a評估ZTD結(jié)果與IGS結(jié)果具有較好一致性，其原因可能與3個(gè)測站所處地理位置與觀測環(huán)境有關(guān)；B1C/B2a、B1I/B3I動態(tài)PPP評估ZTD結(jié)果的收斂性與靜態(tài)PPP評估結(jié)果一致。

圖5 BDS-3動態(tài)PPP估計(jì)ZTD結(jié)果

不同BDS-3動態(tài)PPP評估得到的各測站連續(xù)5天RMS平均值與IGS產(chǎn)品RMS平均值如表3所示，可以看出，BDS-3動態(tài)PPP評估各測站ZTD的RMS平均值與IGS結(jié)果存在較大偏差，差值大于等于1 cm，說明動態(tài)PPP評估ZTD的結(jié)果沒有靜態(tài)PPP評估ZTD的結(jié)果穩(wěn)定。

表3 BDS-3動態(tài)PPP評估各測站ZTD的RMS平均值/m

3 結(jié)語

為評估BDS-3雙頻PPP性能以及其評估ZTD的能力，本文基于8個(gè)MGEX跟蹤站數(shù)據(jù)，首先采用無電離層和非差非組合模型解算得到B1C/B2a和B1I/B3I靜態(tài)與動態(tài)PPP結(jié)果，然后提取ZTD結(jié)果，最后與IGS給出的ZTD結(jié)果進(jìn)行對比。本文得到的主要結(jié)論為：①B1C/B2a與B1I/B3I的靜態(tài)PPP水平和高程定位精度均在厘米級，動態(tài)PPP水平定位精度在厘米級，高程定位精度在分米級；②采用靜態(tài)PPP評估ZTD，除WUH2測站外，評估精度在毫米級，采用動態(tài)PPP評估ZTD的B1C/B2a組合結(jié)果不穩(wěn)定，評估B1I/B3I組合結(jié)果相對穩(wěn)定，評估精度均在厘米級，無論是靜態(tài)還是動態(tài)PPP評估ZTD，B1I/B3I組合評估結(jié)果的穩(wěn)定性優(yōu)于B1C/B2a組合。