司南導航PPP-B2b是北斗系統首次對外發布的高精度信號，由北斗三顆地球同步軌道（GEO）衛星播發，為用戶提供公開、免費的高精度服務。司南導航率先開展PPP-B2b信號研究，并將PPP-B2b技術和實時精密單點定位（PPP）算法應用于高精度產品，在不依賴于通信網絡的情況下實現實時高精度定位，對北斗在科研、國土測繪、海洋開發等領域的高精度應用具有重要意義。
PPP-B2b技術是什么？
北斗三號（BDS-3）是北斗系統建設發展的第三個階段，星座設計由30顆衛星組成，包括3顆地球同步軌道（GEO）衛星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和24顆中圓地球軌道（MEO）衛星。北斗三號系統可以為全球用戶提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救服務；同時，還能為中國及周邊地區用戶提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信等四種區域服務。
BDS-3 PPP服務使用PPP-B2b信號作為數據廣播信道，由北斗三號的三顆GEO衛星在我國及周邊地區播發北斗三號系統和其他全球衛星導航系統的軌道和鐘差等改正信息，可以為用戶提供公開、免費的高精度服務。
圖1 PPP-B2b服務系統示意
PPP-B2b服務系統示意如圖1所示。地面監測站對GNSS的所有可見衛星進行連續監測，生成偽距和載波觀測信息，并收集氣象數據，預處理后將原始數據通過網絡發送給地面主控站；地面主控站對原始數據進行驗證和評估，解算衛星軌道和時鐘校正，根據協議生成改正數和其他相關參數的增強信息，由上行鏈路站傳輸給GEO衛星，GEO衛星再通過PPP-B2b信號進行廣播；用戶接收改正信息后即可進行實時精密單點定位。
PPP-B2b當中有什么？
PPP-B2b信號電文數據的基本幀結構如圖2所示，每個電文數據幀由486個比特構成。其中，最高6比特表示信息類型，最低24比特為循環冗余校驗位（CRC），中間的456比特是數據域，當中的具體內容由它對應的信息類型決定，每種類型的電文數據也定義了各自的編排標準，方便解碼和使用。
圖2 PPP-B2b信號電文數據的基本幀結構
電文數據幀經過64進制LDPC信道編碼后為972個符號，與長度為16個符號的同步頭、6個符號的本星PRN號、6個符號的預留標識位共同構成1000個符號的電文幀。
表1 PPP-B2b信息類型定義
已有定義的信息類型如表1所示，但目前實際播發的只有前四種，并且只針對BDS-3和GPS衛星。為了保證不同信息類型所播發信息內容之間的關聯性，以及改正數信息與廣播星歷之間的關聯性，通過IOD SSR、IOD P、IOD N和IOD Corr四個版本號對信息進行了標識，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帶寬內的PPP-B2b信號。在此基礎上，我們進行了PPP-B2b技術研發工作，利用PPP-B2b服務，實現實時精密單點定位。
理論方法
精密單點定位 精密單點定位PPP技術，是指利用精密衛星軌道和鐘差等產品，對各種誤差項進行改正后，通過單臺接收機的非差觀測數據進行單點定位，獲取高精度的定位結果。在PPP中，需要對GNSS導航定位過程中各種誤差項進行精密處理，表2歸納了GNSS測量中的主要誤差源及對應采取的處理策略。
表2 GNSS測量主要誤差源
精密單點定位中，主要采用偽距和載波相位兩種觀測量，根據GNSS導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，各參數含義如下：
算法實現
基于PPP-B2b服務的實時精密單點定位算法流程如圖3所示，大致分五步實現：
圖3 基于PPP-B2b服務的實時精密單點定位算法流程
數據輸入：除了最基本的觀測數據和廣播星歷信息之外，還需要接收衛星播發的PPP-B2b電文；
數據預處理：將PPP-B2b電文進行解碼得到具體的改正信息；還需要進行版本號匹配，包括基本導航數據和改正數的匹配，以及不同類型改正數之間的匹配，來確保改正數能夠進行精準有效的誤差修正；
數據處理：就是對導航數據中各種各樣的誤差進行處理。目前PPP-B2b提供的改正數可以對衛星軌道和衛星鐘差進行校正，在PPP中電離層誤差一般是通過消電離層組合進行抵消，其他的一些誤差可以采用一些標準的模型進行修正。經過這些就可以計算得到相對精密的衛星位置以及誤差校正后的偽距和載波相位觀測值，同時還需要進行一些粗差剔除和周跳探測的工作；
參數估計：使用擴展卡爾曼濾波，未知參數包括站點的三維坐標值，以及上一步中無法進行校正的誤差項，有對流層延遲濕分量、接收機鐘差，和載波相位觀測量中的整周模糊度；
結果輸出：除了最基本的站點坐標，對定位精度、DOP值，殘差等輔助信息也可以進行計算輸出。
將上述算法用EVK-K803套件進行了實測，圖4和表3展示了一組10h長數據采用動態解算模式時定位結果。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 動態解算結果
表3 定位結果統計
PPP-B2b好在哪里？
基于PPP-B2b服務的實時精密單點定位技術的主要優勢體現在三個方面：
首先，和傳統的商業PPP相比它是公開、免費的;
其次，它可以達到廣域分米級的定位精度，也就是說在服務范圍內的任何一個點都可以提供高精度服務，不會受到基站距離、差分數據完整性和質量等因素的限制，從而可以替代部分RTK作業；
技術實現全程由我們國家的北斗系統提供服務支持，完全自主可控。同時，在算法實現中它只需要接收北斗衛星播發的電文數據，不需要依賴網絡主動接收其他外部信息，使得整個定位過程更加穩定可靠。
從具體的應用場景來看，基于PPP-B2b服務的精密單點定位技術可以在一些RTK服務無法覆蓋或覆蓋不穩定的環境和場景中替代用戶提供高精度服務，解決戈壁、礦山、海上等區域CORS服務無法覆蓋且基站架設困難等問題。
目前，司南導航K803、K803S高精度定位模塊、K803_EVK評估套件已經支持上述高精度服務，后續也將陸續在K802、K823等高精度模塊上實現，用戶在集成這些模塊后，可輕松獲得和使用PPP-B2b功能。
參考文獻
[1] 中國衛星導航系統管理辦公室. 北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B2b(1.0版)[DB/OL]. 2019.
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