测绘学报 | 毛飞宇，龚晓鹏，辜声峰，等：北斗三号卫星导航信号接收机端伪距偏差建模与验证

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本文内容来源于《测绘学报》2021年第4期（审图号GS（2021）1699号）
北斗三号卫星导航信号接收机端伪距偏差建模与验证
1211. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北武汉 430079;
2. 北方信息控制研究院集团有限公司, 江苏南京 211153
基金项目：国家自然科学基金（41904016；42004026）；中国博士后科学基金（2019M662714）
摘要：接收机端伪距偏差是指非理想的卫星导航信号在接收机前端带宽和相关器间隔不同时产生的伪距测量系统性偏差。研究表明，北斗二号、GPS和Galileo系统均存在与接收机类型相关的伪距偏差，影响基于混合类型接收机站网的精密数据处理。本文基于iGMAS网和MGEX网观测数据，采用MW组合、伪距残差和伪距无几何距离无电离层组合3种方法分析北斗三号接收机端伪距偏差特性。试验结果表明，北斗三号同样存在与接收机类型相关的伪距偏差，且无电离层组合的伪距偏差可以达到6 ns 。根据偏差特性，按接收机类型建立了8类伪距偏差改正模型。将上述模型应用于卫星差分码偏差（DCB）估计与单频伪距单点定位，结果表明，模型改正后可以显著提升不同接收机类型估计的卫星DCB一致性，其中基于iGMAS网和MGEX网两个不同接收机站网估计得到的北斗三号C2Ⅰ-C6Ⅰ、C1P-C5P和C2Ⅰ-C7D DCB差值分别平均降低了91.6%、64.7%和71.9%；模型改正后单频伪距单点定位水平方向和高程方向精度分别提升了13.9%和11.0% 。
关键词：北斗三号全球导航卫星系统伪距偏差混合类型接收机 DCB估计
引文格式：毛飞宇, 龚晓鹏, 辜声峰, 等. 北斗三号卫星导航信号接收机端伪距偏差建模与验证[J]. 测绘学报， 2021 ， 50(4)：457-465. DOI: 10.11947/j.AGCS.2021.20200584
MAO Feiyu, GONG Xiaopeng, GU Shengfeng, et al. Receiver pseudorange biases of BDS-3 satellite navigation signal: modeling and validation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2021, 50(4): 457-465. DOI: 10.11947/j.AGCS.2021.20200584
北斗三号全球导航卫星系统(BDS-3)由中国自主建设运行，是北斗系统建设三步走中的最后一个阶段，于2020年7月31日宣布正式开通，包括24颗中圆地球轨道(MEO)卫星， 3颗地球同步轨道(GEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星[1-3] 。与北斗二号相比， BDS-3不仅向下兼容B1Ⅰ和B3Ⅰ信号，还增加了B1C、B2a、B2b和B2(B2a+B2b)这4个新信号[4-5]为了简化GNSS数据处理，通常认为硬件延迟较为稳定，且对于码分多址(CDMA)的导航卫星系统，硬件延迟为卫星端和接收机端硬件延迟之和，其中卫星端对所有接收机相同，而接收机端则对同一系统内所有卫星相同[6] 。但是相关研究表明，上述硬件延迟处理方法忽略了硬件延迟时空变化以及与接收机类型相关的偏差。一方面，在北斗二号卫星中发现了由卫星星内多路径引起的与高度角相关的群延迟变化，其幅度可以超过1m[7-8] 。针对这一问题，文献[9-11]相继提出几种不断优化的改正模型，经验证，模型改正可以显著提升宽巷小数周偏差(FCB)解算精度[12] 。文献[13]对新一代BDS-3信号进行了初步评估，结果表明，所有信号均不存在与高度角相关的群延迟变化问题。另一方面，接收机的不同硬件配置(例如相关器间隔、前端带宽等)会使GNSS信号在码元对齐时引入偏差，进而导致不同类型接收机、不同卫星的伪距观测值产生系统性偏差(即伪距偏差)[14-18] 。该偏差无法被卫星钟差或接收机钟差吸收，会影响基于混合类型接收机网的GNSS精密数据处理，如卫星差分码偏差(DCB)估计[19]、卫星钟差估计[20]、模糊度固定和精密定位等[21-22] 。针对该偏差的建模改正，文献[20]的研究表明，对不同类型接收机B1Ⅰ/B2Ⅰ无电离层组合的伪距偏差进行按接收机类型建模改正，可以显著提升初始钟差估计结果及双频伪距定位精度。在此基础上，文献[21]分别计算了B1Ⅰ、B2Ⅰ和B3Ⅰ这3个频率上与接收机相关的伪距偏差，并验证了其可以提升模糊度固定成功率、定位精度及收敛时间。然而，对于BDS-3卫星，还缺乏对其伪距偏差建模的相关研究。为了进一步提升基于混合类型接收机网的BDS-3多频精密数据处理性能，有必要研究不同接收机类型间BDS-3的伪距偏差特性。本文首先对偏差建模方法进行了简单介绍；然后对BDS-3与接收机类型相关的伪距偏差进行了特性分析与建模；最后通过卫星DCB估计与单频伪距定位对改正模型的有效性进行了验证。