技术干货 | 司南导航北斗三号精密单点定位(PPP-B2b)技术及应用

      司南导航www.sinognss.com:PPP-B2b是北斗系统首次对外发布的高精度信号,由北斗三颗地球同步轨道(GEO)卫星播发,为用户提供公开、免费的高精度服务。司南导航率先开展PPP-B2b信号研究,并将PPP-B2b技术和实时精密单点定位(PPP)算法应用于高精度产品,在不依赖于通信网络的情况下实现实时高精度定位,对北斗在科研、国土测绘、海洋开发等领域的高精度应用具有重要意义。

PPP-B2b技术是什么?

      北斗三号(BDS-3)是北斗系统建设发展的第三个阶段,星座设计由30颗卫星组成,包括3颗地球同步轨道(GEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和24颗中圆地球轨道(MEO)卫星。北斗三号系统可以为全球用户提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救服务;同时,还能为中国及周边地区用户提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信等四种区域服务。

      BDS-3 PPP服务使用PPP-B2b信号作为数据广播信道,由北斗三号的三颗GEO卫星在我国及周边地区播发北斗三号系统和其他全球卫星导航系统的轨道和钟差等改正信息,可以为用户提供公开、免费的高精度服务。

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图1  PPP-B2b服务系统示意

      PPP-B2b服务系统示意如图1所示。地面监测站对GNSS的所有可见卫星进行连续监测,生成伪距和载波观测信息,并收集气象数据,预处理后将原始数据通过网络发送给地面主控站;地面主控站对原始数据进行验证和评估,解算卫星轨道和时钟校正,根据协议生成改正数和其他相关参数的增强信息,由上行链路站传输给GEO卫星,GEO卫星再通过PPP-B2b信号进行广播;用户接收改正信息后即可进行实时精密单点定位。

PPP-B2b当中有什么?

      PPP-B2b信号电文数据的基本帧结构如图2所示,每个电文数据帧由486个比特构成。其中,最高6比特表示信息类型,最低24比特为循环冗余校验位(CRC),中间的456比特是数据域,当中的具体内容由它对应的信息类型决定,每种类型的电文数据也定义了各自的编排标准,方便解码和使用。

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2 PPP-B2b信号电文数据的基本帧结构

      电文数据帧经过64进制LDPC信道编码后为972个符号,与长度为16个符号的同步头、6个符号的本星PRN号、6个符号的预留标识位共同构成1000个符号的电文帧。

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1 PPP-B2b信息类型定义

      已有定义的信息类型如表1所示,但目前实际播发的只有前四种,并且只针对BDS-3和GPS卫星。为了保证不同信息类型所播发信息内容之间的关联性,以及改正数信息与广播星历之间的关联性,通过IOD SSR、IOD P、IOD N和IOD Corr四个版本号对信息进行了标识,方便匹配使用。

PPP-B2b信号怎么用?

      司南EVK-K8评估套件支持以载波频率1207.14MHz为中心的20.46MHz带宽内的PPP-B2b信号。在此基础上,我们进行了PPP-B2b技术研发工作,利用PPP-B2b服务,实现实时精密单点定位。

      理论方法

      精密单点定位 精密单点定位PPP技术,是指利用精密卫星轨道和钟差等产品,对各种误差项进行改正后,通过单台接收机的非差观测数据进行单点定位,获取高精度的定位结果。在PPP中,需要对GNSS导航定位过程中各种误差项进行精密处理,表2归纳了GNSS测量中的主要误差源及对应采取的处理策略。

2 GNSS测量主要误差源

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      精密单点定位中,主要采用伪距和载波相位两种观测量,根据GNSS导航定位的几何原理和各类观测误差源,其观测方程可以表示为:

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      式中,各参数含义如下:

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      算法实现

      基于PPP-B2b服务的实时精密单点定位算法流程如图3所示,大致分五步实现:

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3 基于PPP-B2b服务的实时精密单点定位算法流程

      数据输入:除了最基本的观测数据和广播星历信息之外,还需要接收卫星播发的PPP-B2b电文;

      数据预处理:PPP-B2b电文进行解码得到具体的改正信息;还需要进行版本号匹配,包括基本导航数据和改正数的匹配,以及不同类型改正数之间的匹配,来确保改正数能够进行精准有效的误差修正;

      数据处理:就是对导航数据中各种各样的误差进行处理。目前PPP-B2b提供的改正数可以对卫星轨道和卫星钟差进行校正,在PPP中电离层误差一般是通过消电离层组合进行抵消,其他的一些误差可以采用一些标准的模型进行修正。经过这些就可以计算得到相对精密的卫星位置以及误差校正后的伪距和载波相位观测值,同时还需要进行一些粗差剔除和周跳探测的工作;

      参数估计:使用扩展卡尔曼滤波,未知参数包括站点的三维坐标值,以及上一步中无法进行校正的误差项,有对流层延迟湿分量、接收机钟差,和载波相位观测量中的整周模糊度;

      结果输出:除了最基本的站点坐标,对定位精度、DOP值,残差等辅助信息也可以进行计算输出。

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      将上述算法用EVK-K803套件进行了实测,图4和表3展示了一组10h长数据采用动态解算模式时定位结果。可以看到,约13分钟后收敛完成,收敛后的平面精度是6cm,垂向精度8cm,满足高精度定位要求。

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图4 动态解算结果

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3 定位结果统计

PPP-B2b好在哪里?

      基于PPP-B2b服务的实时精密单点定位技术的主要优势体现在三个方面:

      首先,和传统的商业PPP相比它是公开、免费的;

      其次,它可以达到广域分米级的定位精度,也就是说在服务范围内的任何一个点都可以提供高精度服务,不会受到基站距离、差分数据完整性和质量等因素的限制,从而可以替代部分RTK作业;

      技术实现全程由我们国家的北斗系统提供服务支持,完全自主可控。同时,在算法实现中它只需要接收北斗卫星播发的电文数据,不需要依赖网络主动接收其他外部信息,使得整个定位过程更加稳定可靠。

      从具体的应用场景来看,基于PPP-B2b服务的精密单点定位技术可以在一些RTK服务无法覆盖或覆盖不稳定的环境和场景中替代用户提供高精度服务,解决戈壁、矿山、海上等区域CORS服务无法覆盖且基站架设困难等问题。

      目前,司南导航K803、K803S高精度定位模块、K803_EVK评估套件已经支持上述高精度服务后续也将陆续在K802、K823等高精度模块上实现,用户在集成这些模块后,可轻松获得和使用PPP-B2b功能。

      司南导航官网www.sinognss.com

      参考文献

      [1] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B2b(1.0版)[DB/OL]. 2019.

(正文已结束)

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