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        技術(shù)干貨 | 司南導(dǎo)航北斗三號精密單點(diǎn)定位(PPP-B2b)技術(shù)及應(yīng)用

        來源:時(shí)間:2021-08-05 13:50:10 閱讀:-

              司南導(dǎo)航www.sinognss.com:PPP-B2b是北斗系統(tǒng)首次對外發(fā)布的高精度信號,由北斗三顆地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星播發(fā),為用戶提供公開、免費(fèi)的高精度服務(wù)。司南導(dǎo)航率先開展PPP-B2b信號研究,并將PPP-B2b技術(shù)和實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位(PPP)算法應(yīng)用于高精度產(chǎn)品,在不依賴于通信網(wǎng)絡(luò)的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位,對北斗在科研、國土測繪、海洋開發(fā)等領(lǐng)域的高精度應(yīng)用具有重要意義。

        PPP-B2b技術(shù)是什么?

              北斗三號(BDS-3)是北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的第三個(gè)階段,星座設(shè)計(jì)由30顆衛(wèi)星組成,包括3顆地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星和24顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星。北斗三號系統(tǒng)可以為全球用戶提供定位導(dǎo)航授時(shí)、全球短報(bào)文通信和國際搜救服務(wù);同時(shí),還能為中國及周邊地區(qū)用戶提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報(bào)文通信等四種區(qū)域服務(wù)。


              BDS-3 PPP服務(wù)使用PPP-B2b信號作為數(shù)據(jù)廣播信道,由北斗三號的三顆GEO衛(wèi)星在我國及周邊地區(qū)播發(fā)北斗三號系統(tǒng)和其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的軌道和鐘差等改正信息,可以為用戶提供公開、免費(fèi)的高精度服務(wù)。



        圖1  PPP-B2b服務(wù)系統(tǒng)示意


              PPP-B2b服務(wù)系統(tǒng)示意如圖1所示。地面監(jiān)測站對GNSS的所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,生成偽距和載波觀測信息,并收集氣象數(shù)據(jù),預(yù)處理后將原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面主控站;地面主控站對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和評估,解算衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘校正,根據(jù)協(xié)議生成改正數(shù)和其他相關(guān)參數(shù)的增強(qiáng)信息,由上行鏈路站傳輸給GEO衛(wèi)星,GEO衛(wèi)星再通過PPP-B2b信號進(jìn)行廣播;用戶接收改正信息后即可進(jìn)行實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位。

        PPP-B2b當(dāng)中有什么?

              PPP-B2b信號電文數(shù)據(jù)的基本幀結(jié)構(gòu)如圖2所示,每個(gè)電文數(shù)據(jù)幀由486個(gè)比特構(gòu)成。其中,最高6比特表示信息類型,最低24比特為循環(huán)冗余校驗(yàn)位(CRC),中間的456比特是數(shù)據(jù)域,當(dāng)中的具體內(nèi)容由它對應(yīng)的信息類型決定,每種類型的電文數(shù)據(jù)也定義了各自的編排標(biāo)準(zhǔn),方便解碼和使用。

        2 PPP-B2b信號電文數(shù)據(jù)的基本幀結(jié)構(gòu)

              電文數(shù)據(jù)幀經(jīng)過64進(jìn)制LDPC信道編碼后為972個(gè)符號,與長度為16個(gè)符號的同步頭、6個(gè)符號的本星PRN號、6個(gè)符號的預(yù)留標(biāo)識位共同構(gòu)成1000個(gè)符號的電文幀。


        1 PPP-B2b信息類型定義

              已有定義的信息類型如表1所示,但目前實(shí)際播發(fā)的只有前四種,并且只針對BDS-3和GPS衛(wèi)星。為了保證不同信息類型所播發(fā)信息內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性,以及改正數(shù)信息與廣播星歷之間的關(guān)聯(lián)性,通過IOD SSR、IOD P、IOD N和IOD Corr四個(gè)版本號對信息進(jìn)行了標(biāo)識,方便匹配使用。

        PPP-B2b信號怎么用?

              司南EVK-K8評估套件支持以載波頻率1207.14MHz為中心的20.46MHz帶寬內(nèi)的PPP-B2b信號。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)行了PPP-B2b技術(shù)研發(fā)工作,利用PPP-B2b服務(wù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位。

              理論方法

              精密單點(diǎn)定位 精密單點(diǎn)定位PPP技術(shù),是指利用精密衛(wèi)星軌道和鐘差等產(chǎn)品,對各種誤差項(xiàng)進(jìn)行改正后,通過單臺接收機(jī)的非差觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)定位,獲取高精度的定位結(jié)果。在PPP中,需要對GNSS導(dǎo)航定位過程中各種誤差項(xiàng)進(jìn)行精密處理,表2歸納了GNSS測量中的主要誤差源及對應(yīng)采取的處理策略。

        2 GNSS測量主要誤差源


              精密單點(diǎn)定位中,主要采用偽距和載波相位兩種觀測量,根據(jù)GNSS導(dǎo)航定位的幾何原理和各類觀測誤差源,其觀測方程可以表示為:

              

              式中,各參數(shù)含義如下:

              

              

              

              算法實(shí)現(xiàn)

              基于PPP-B2b服務(wù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位算法流程如圖3所示,大致分五步實(shí)現(xiàn):

        3 基于PPP-B2b服務(wù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位算法流程

              數(shù)據(jù)輸入:除了最基本的觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷信息之外,還需要接收衛(wèi)星播發(fā)的PPP-B2b電文;

              數(shù)據(jù)預(yù)處理:PPP-B2b電文進(jìn)行解碼得到具體的改正信息;還需要進(jìn)行版本號匹配,包括基本導(dǎo)航數(shù)據(jù)和改正數(shù)的匹配,以及不同類型改正數(shù)之間的匹配,來確保改正數(shù)能夠進(jìn)行精準(zhǔn)有效的誤差修正;

              數(shù)據(jù)處理:就是對導(dǎo)航數(shù)據(jù)中各種各樣的誤差進(jìn)行處理。目前PPP-B2b提供的改正數(shù)可以對衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差進(jìn)行校正,在PPP中電離層誤差一般是通過消電離層組合進(jìn)行抵消,其他的一些誤差可以采用一些標(biāo)準(zhǔn)的模型進(jìn)行修正。經(jīng)過這些就可以計(jì)算得到相對精密的衛(wèi)星位置以及誤差校正后的偽距和載波相位觀測值,同時(shí)還需要進(jìn)行一些粗差剔除和周跳探測的工作;

              參數(shù)估計(jì):使用擴(kuò)展卡爾曼濾波,未知參數(shù)包括站點(diǎn)的三維坐標(biāo)值,以及上一步中無法進(jìn)行校正的誤差項(xiàng),有對流層延遲濕分量、接收機(jī)鐘差,和載波相位觀測量中的整周模糊度;

              結(jié)果輸出:除了最基本的站點(diǎn)坐標(biāo),對定位精度、DOP值,殘差等輔助信息也可以進(jìn)行計(jì)算輸出。

              將上述算法用EVK-K803套件進(jìn)行了實(shí)測,圖4和表3展示了一組10h長數(shù)據(jù)采用動(dòng)態(tài)解算模式時(shí)定位結(jié)果。可以看到,約13分鐘后收斂完成,收斂后的平面精度是6cm,垂向精度8cm,滿足高精度定位要求。

        圖4 動(dòng)態(tài)解算結(jié)果

        3 定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)

        PPP-B2b好在哪里?

              基于PPP-B2b服務(wù)的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在三個(gè)方面:

              首先,和傳統(tǒng)的商業(yè)PPP相比它是公開、免費(fèi)的;

              其次,它可以達(dá)到廣域分米級的定位精度,也就是說在服務(wù)范圍內(nèi)的任何一個(gè)點(diǎn)都可以提供高精度服務(wù),不會受到基站距離、差分?jǐn)?shù)據(jù)完整性和質(zhì)量等因素的限制,從而可以替代部分RTK作業(yè);

              技術(shù)實(shí)現(xiàn)全程由我們國家的北斗系統(tǒng)提供服務(wù)支持,完全自主可控。同時(shí),在算法實(shí)現(xiàn)中它只需要接收北斗衛(wèi)星播發(fā)的電文數(shù)據(jù),不需要依賴網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)接收其他外部信息,使得整個(gè)定位過程更加穩(wěn)定可靠。

              從具體的應(yīng)用場景來看,基于PPP-B2b服務(wù)的精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以在一些RTK服務(wù)無法覆蓋或覆蓋不穩(wěn)定的環(huán)境和場景中替代用戶提供高精度服務(wù),解決戈壁、礦山、海上等區(qū)域CORS服務(wù)無法覆蓋且基站架設(shè)困難等問題。

              目前,司南導(dǎo)航K803、K803S高精度定位模塊、K803_EVK評估套件已經(jīng)支持上述高精度服務(wù),后續(xù)也將陸續(xù)在K802、K823等高精度模塊上實(shí)現(xiàn),用戶在集成這些模塊后,可輕松獲得和使用PPP-B2b功能。

              司南導(dǎo)航官網(wǎng)www.sinognss.com

              參考文獻(xiàn)

              [1] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號B2b(1.0版)[DB/OL]. 2019.

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