留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

北斗三号系统广域差分服务精度评估

田秋凝 曹月玲 胡小工 唐成盼 郭睿 杨宇飞

田秋凝, 曹月玲, 胡小工, 等 . 北斗三号系统广域差分服务精度评估[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(5): 967-976. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0108
引用本文: 田秋凝, 曹月玲, 胡小工, 等 . 北斗三号系统广域差分服务精度评估[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(5): 967-976. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0108
TIAN Qiuning, CAO Yueling, HU Xiaogong, et al. Accuracy evaluation of wide-area differential service for BDS-3[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(5): 967-976. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0108(in Chinese)
Citation: TIAN Qiuning, CAO Yueling, HU Xiaogong, et al. Accuracy evaluation of wide-area differential service for BDS-3[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(5): 967-976. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0108(in Chinese)

北斗三号系统广域差分服务精度评估

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0108
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFB0501900

国家自然科学基金 41674041

国家自然科学基金 11203059

国家自然科学基金 41804030

国家自然科学基金 41874039

详细信息
    作者简介:

    田秋凝  女, 博士研究生。主要研究方向: 卫星导航与定位、GNSS星基增强、GNSS完好性

    曹月玲  女, 博士, 副研究员, 博士生导师。主要研究方向: 卫星导航与定位、GNSS星基增强、GNSS完好性

    胡小工  男, 博士, 高级工程师。主要研究方向: 飞行器轨道力学及其在卫星导航、深空探测中的应用

    唐成盼  男, 博士, 助理研究员。主要研究方向: 飞行器轨道力学及其在卫星导航、深空探测中的应用

    郭睿  男, 博士, 高级工程师。主要研究方向: 卫星导航、精密定轨与时间同步

    杨宇飞  男, 博士, 工程师。主要研究方向: 卫星导航、精密定轨

    通讯作者:

    曹月玲, E-mail: caoyueling@shao.ac.cn

  • 中图分类号: P228.1

Accuracy evaluation of wide-area differential service for BDS-3

Funds: 

National Key R & D Program of China 2016YFB0501900

National Natural Science Foundation of China 41674041

National Natural Science Foundation of China 11203059

National Natural Science Foundation of China 41804030

National Natural Science Foundation of China 41874039

More Information
  • 摘要:

    为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡,北斗三号系统(BDS-3)通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息,包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后,等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征,并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差(UDRE)进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据,对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差(UERE)约为1 m,经过等效钟差改正数后,用户差分距离误差约为0.3 m;BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m,经过等效钟差改正数后,用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差,显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型,广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比,BDS-2/BDS-3卫星联合条件下,基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%;广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m,双频用户定位精度为1.7 m,单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。

     

  • 图 1  2019年等效钟差改正数的时间序列图

    Figure 1.  Time series of equivalent clock correction in 2019

    图 2  C20卫星的等效钟差改正数与导航电文误差序列

    Figure 2.  Time series of equivalent clock correction and navigation message error of satellite C20

    图 3  C23卫星的等效钟差改正数与其广播钟差预报误差的比较

    Figure 3.  Comparison of equivalent clock correction and prediction error of broadcast clock of satellite C23

    图 4  C20卫星B1I/B3I频点UERE与UDRE对比

    Figure 4.  Comparison of UERE and UDRE on B1I/B3I frequency point of satellite C20

    图 5  三种模式下基于C01卫星B1I频点伪距解算的电离层误差

    Figure 5.  Ionospheric error calculated based on the B1I pseudorange of C01 satellite in three modes

    图 6  两种模式下的C01卫星的UERE

    Figure 6.  UERE of C01 satellite in two modes

    图 7  四川某站观测北斗卫星空间几何分布

    Figure 7.  Geospatial distribution of BDS satellite observed in one station of Sichuan

    图 8  四种模式下B1I单频定位精度

    Figure 8.  Accuracy statistics of single-frequency positioning on B1I in four modes

    图 9  四种模式下B1I

    Figure 9.  Accuracy statistics of dual-frequency positioning on B1I/B3I in 4 modes

    表  1  北斗二号协议广域差分服务的信息类别及更新周期[12]

    Table  1.   Information types and update period of the wide area differentiated services of BDS-2 protocol[12]

    北斗系统增强信息 更新周期/s 参数范围
    等效钟差改正数Δt 18 -409.6~819.2 m
    用户差分距离误差指数(UDREI) 3 0~15
    格网点电离层信息(Ion) 180 0~63.625 m(覆盖范围为东经70°~145°,北纬7.5°~55°,按经纬度5°×2.5°进行划分)
    格网点电离层垂直延迟改正数误差指数(GIVEI) 180 0~15
    下载: 导出CSV

    表  2  北斗二号协议广域差分服务所增强的卫星信息

    Table  2.   Information of satellites enhanced by the wide area differential services of BDS-2 protocol

    卫星编号 归属 卫星类型 卫星编号 归属 卫星类型
    C01 BDS-2 GEO C02 BDS-2 GEO
    C03 BDS-2 GEO C04 BDS-2 GEO
    C05 BDS-2 GEO C06 BDS-2 IGSO
    C07 BDS-2 IGSO C08 BDS-2 IGSO
    C09 BDS-2 IGSO C10 BDS-2 IGSO
    C11 BDS-2 MEO C12 BDS-2 MEO
    C13 BDS-2 IGSO C14 BDS-2 MEO
    C16 BDS-2 IGSO C18 BDS-2 GEO
    C19 BDS-3 MEO C20 BDS-3 MEO
    C21 BDS-3 MEO C22 BDS-3 MEO
    C23 BDS-3 MEO C24 BDS-3 MEO
    C25 BDS-3 MEO C26 BDS-3 MEO
    C27 BDS-3 MEO C28 BDS-3 MEO
    C29 BDS-3 MEO C30 BDS-3 MEO
    C32 BDS-3 MEO C33 BDS-3 MEO
    C34 BDS-3 MEO C35 BDS-3 MEO
    C36 BDS-3 MEO C37 BDS-3 MEO
    C38 BDS-3 IGSO C39 BDS-3 IGSO
    C40 IGSO MEO C43 BDS-3 MEO
    C41 BDS-3 MEO C45 BDS-3 MEO
    C44 BDS-3 MEO C59 BDS-3 GEO
    下载: 导出CSV

    表  3  C1C2常量取值

    Table  3.   Constant values of C1 and C2

    卫星类型 MEO GEO/IGSO
    C1 0.981 0.992
    C2 0.136 0.088
    下载: 导出CSV

    表  4  北斗卫星UERE和UDRE统计

    Table  4.   Statistics of UERE and UDRE for BDS satellites

    卫星编号 UERE/m UDRE/m 精度提升比例/% 卫星编号 UERE/m UDRE/m 精度提升比例/%
    C01 0.77 0.25 67.5 C19 0.24 0.1 58.3
    C02 0.62 0.12 80.6 C20 0.69 0.15 78.3
    C03 0.28 0.33 -17.9 C21 0.43 0.13 69.8
    C04 0.63 0.25 60.3 C22 0.32 0.18 43.8
    C05 1.97 0.44 77.7 C23 0.33 0.09 72.7
    C06 1.21 0.37 69.4 C24 0.35 0.12 65.7
    C07 0.85 0.46 45.9 C25 0.46 0.19 58.7
    C08 0.97 0.26 73.2 C26 0.43 0.16 62.8
    C09 0.98 0.29 70.4 C27 0.55 0.14 74.5
    C10 1.02 0.17 83.3 C28 0.41 0.19 53.7
    C11 0.67 0.19 71.6 C29 0.38 0.19 50.0
    C12 1.61 0.2 87.6 C30 0.3 0.14 53.3
    C13 1.42 0.16 88.7 C32 0.26 0.1 61.5
    C14 1.56 0.61 60.9 C33 0.45 0.17 62.2
    C16 1.09 0.23 78.9 C34 0.32 0.13 59.4
    C35 0.54 0.29 46.3
    C36 0.28 0.15 46.4
    C37 0.39 0.22 43.6
    均值 1.04 0.29 66.65 均值 0.40 0.16 58.94
    下载: 导出CSV

    表  5  仅BDS-2和BDS-2/BDS-3的基本导航与广域差分单频定位结果统计

    Table  5.   Statistics of single-frequency positioning results on two modes of basic navigation and wide-area differential for single BDS-2 and combination of BDS-2/BDS-3   m

    测站编号 BDS-2 BDS-2 & BDS-3
    基本导航 广域差分 基本导航 广域差分
    水平 高程 水平 高程 水平 高程 水平 高程
    STA1 1.98 3.83 1.20 2.27 1.27 2.88 0.83 2.03
    STA2 1.66 3.31 1.12 2.04 1.09 2.68 0.75 1.96
    STA3 1.13 3.34 1.82 1.80 0.84 2.80 1.12 2.27
    STA4 1.76 3.35 1.21 2.21 1.77 2.96 0.83 1.98
    STA5 2.14 2.87 1.55 2.12 1.43 2.53 1.25 2.00
    STA6 1.55 4.15 1.33 2.53 0.99 3.19 0.98 2.54
    STA7 1.34 3.93 1.00 2.87 0.93 3.21 0.77 2.88
    STA8 1.39 4.29 1.09 3.13 0.94 3.25 0.77 2.62
    STA9 1.77 3.22 1.30 1.79 1.01 2.35 0.74 1.58
    STA10 2.86 4.87 1.78 3.07 1.47 2.34 1.47 2.07
    均值 1.76 3.72 1.34 2.38 1.17 2.82 0.95 2.19
    下载: 导出CSV

    表  6  仅BDS-2和BDS-2/BDS-3的基本导航与广域差分双频定位结果统计

    Table  6.   Statistics of dual-frequency positioning results on two modes of basic navigation and wide-area differential for single BDS-2 and combination of BDS-2/BDS-3   m

    测站编号 BDS-2 BDS-2/BDS-3
    基本导航 广域差分 基本导航 广域差分
    水平 高程 水平 高程 水平 高程 水平 高程
    STA1 3.27 4.29 2.37 3.24 1.76 2.19 1.05 1.42
    STA2 2.13 3.02 0.95 1.57 1.12 1.93 0.50 0.96
    STA3 1.50 2.66 1.30 2.25 1.10 2.04 0.79 1.58
    STA4 1.42 2.58 0.79 2.29 1.01 2.09 0.51 1.94
    STA5 3.10 4.98 2.04 3.48 1.59 3.14 1.21 2.22
    STA6 2.04 4.20 1.22 2.55 1.11 2.59 0.70 1.54
    STA7 2.00 3.54 0.95 1.87 1.25 2.19 0.64 1.36
    STA8 2.13 4.56 1.14 3.17 1.26 2.61 0.73 1.74
    STA9 2.53 3.31 1.30 1.93 1.21 2.40 0.57 1.28
    STA10 3.45 5.98 1.42 3.53 1.28 2.36 0.69 1.60
    均值 2.36 3.91 1.35 2.59 1.27 2.35 0.74 1.56
    下载: 导出CSV
  • [1] PALMA V, SALVATORI P, NERI A, et al. Augmentation and integrity monitoring network and EGNOS performance comparison for train positioning[C]//Proceedings of the IEEE European Signal Processing. Piscataway: IEEE Press, 2014: 186-190.
    [2] HEßELBARTH A, WANNINGER L. SBAS orbit and satellite clock corrections for precise point positioning[J]. GPS Solutions, 2013, 17(4): 465-473. doi: 10.1007/s10291-012-0292-6
    [3] ENGE P, WALTER T, PULLEN S, et al. Wide area augmentation of the global positioning system[J]. Proceedings of the IEEE, 2002, 84(8): 1063-1088. http://ieeexplore.ieee.org/document/533954/
    [4] KIM E, WALTER T, POWELL J D. Wide area augmentation system-based flight inspection system[J]. Journal of Aircraft, 2008, 45(2): 614-621. doi: 10.2514/1.32531
    [5] MANABE H. Status of MSAS: MTSAT satellite-based augmentation system[C]//Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2008: 1032-1059.
    [6] SAKAI T, TASHIRO H. MSAS status[C]//Proceedings of the 26th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2013: 2343-2360.
    [7] GREWAL M S. Space-based augmentation for global navigation satellite systems[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2012, 59(3): 497-503. doi: 10.1109/TUFFC.2012.2220
    [8] FELSKI A, NOWAK A. On EGNOS monitoring in local conditions[J]. Artificial Satellites, 2013, 48(2): 85-92. doi: 10.2478/arsa-2013-0007
    [9] FELSKI A, NOWAK A, WOŹNIAK T. Accuracy and availability of EGNOS-results of observations[J]. Artificial Satellites, 2011, 46(3): 111-118. http://www.oalib.com/paper/1319586
    [10] NANDULAL S, RAO C B, INDI C L, et al. Evaluation of real-time position accuracy and LNAV/VNAV service availability of GAGAN SBAS (wide area differential GPS) over Indian region[C]//Tyrrhenian International Workshop on Digital Communications-enhanced Surveillance of Aircraft & Vehicles. Piscataway: IEEE Press, 2008: 1-6.
    [11] 陈金平, 潘艳, 高为广. 日本和印度区域卫星导航系统进展与分析[J]. 导航, 2008, 44(1): 6-10.

    CHEN J P, PAN Y, GAO W G. Progress and analysis of Japan and Indian regional navigation and satellite system[J]. Navigation, 2008, 44(1): 6-10(in Chinese).
    [12] 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B3I (3.0版)[EB/OL]. (2019-02-27)[2020-01-08]. http://www.beidou.gov.cn.CSNO.

    BeiDou navigation satellite system signal in space interface control document open service signal B3I(Version 3.0)[EB/OL]. (2019-02-27)[2020-01-08]. http://www.beidou.gov.cn (in Chinese).
    [13] ZHOU S S, HU X G, WU B, et al. Orbit determination and time synchronization for a GEO/IGSO satellite navigation constellation with regional tracking network[J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2011, 54(6): 1089-1097. doi: 10.1007/s11433-011-4342-9
    [14] CAO Y L, HU X G, WU B, et al. The wide-area difference system for the regional satellite navigation system of COMPASS[J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2012, 55(7): 1307-1315. doi: 10.1007/s11433-012-4746-1
    [15] WU X, ZHOU J, TANG B, et al. Evaluation of COMPASS ionospheric grid[J]. GPS Solutions, 2014, 18(4): 639-649. doi: 10.1007/s10291-014-0394-4
    [16] KLOBUCHAR J A, KUNCHES J M. Eye on the ionosphere: Correction methods for GPS ionospheric range delay[J]. GPS Solutions, 2001, 5(2): 91-92. doi: 10.1007/PL00012892
    [17] 常志巧, 胡小工, 郭睿, 等. CNMC与Hatch滤波方法比较及其在北斗相对定位中的精度分析[J]. 中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(7): 48-56. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGXK201507008.htm

    CHANG Z Q, HU X G, GUO R, et al. Comparison between CNMC and hatch filter & its precision analysis for BDS precise relative positioning[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astraunomics, 2015, 45(7): 48-56(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGXK201507008.htm
    [18] YANG Y, YANG Y, HU X, et al. Inter-satellite link enhanced orbit determination for BeiDou-3[J]. Journal of Navigation, 2019, 13(1): 115-130. http://www.researchgate.net/publication/333757358_Inter-Satellite_Link_Enhanced_Orbit_Determination_for_BeiDou-3
    [19] TANG C, HU X, ZHOU S, et al. Improvement of orbit determination accuracy for Beidou navigation satellite system with two-way satellite time frequency transfer[J]. Advances in Space Research, 2016, 58(7): 1390-1400. doi: 10.1016/j.asr.2016.06.007
    [20] 曹月玲. BeiDou区域导航系统广域差分及完好性监测研究[D]. 上海: 中国科学院上海天文台, 2014: 47-49.

    CAO Y L. Studies on the wide-area differential correction and integrity monitoring for the regional satellite navigation system of BeiDou[D]. Shanghai: Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, 2014: 47-49(in Chinese).
  • 加载中
图(9) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  630
  • HTML全文浏览量:  46
  • PDF下载量:  89
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-23
  • 录用日期:  2020-04-26
  • 网络出版日期:  2021-05-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答