基于BDS PPP-B2b和Galileo高精度服务的多频段多GNSS PPP技术

《Advances in Space Research》：Multi-frequency and multi-GNSS PPP based on BDS PPP-B2b and Galileo high accuracy service

本研究提出整合Galileo HAS与BeiDou PPP-B2b的融合处理策略，通过Helmert坐标变换解决轨道框架差异，采用约束最小二乘估计统一时间基准，并开发多频无组合PPP模型。基于中国及周边20个GNSS站点的静态与动态测试验证，融合方案在水平（2.57cm）和垂直（2.17cm）精度上分别提升8%-35%，且收敛速度显著加快。相比单一服务，集成方案在复杂城市环境下利用多频多系统观测数据效果更优，为全球高精度定位应用提供新方法。

　　

郭瑞晓|张吉祥|魏浩鹏|肖正阳|王凌轩|郭建航|李培功|刘家林|王冰|张勇

信息工程大学，中国郑州450052

摘要

随着北斗系统的PPP-B2b服务和伽利略系统的HAS服务等实时精密点定位（PPP）服务的部署，用户现在有多种基于卫星的PPP增强方案可供选择。然而，这些服务独立运行，且支持的星座不同，限制了多GNSS系统的潜力充分发挥。本研究提出了一种集成处理策略，结合HAS和PPP-B2b的轨道和时钟数据，以提高多GNSS定位性能。具体而言，采用Helmert坐标变换方法进行轨道合并，以消除不同卫星服务之间的坐标框架差异；同时使用约束最小二乘估计法进行时钟合并，以解决不同卫星服务之间的时间数据差异。除了利用多GNSS系统外，还开发了一种多频率非组合PPP模型，以充分利用多频率观测数据。为了验证所提出的算法，收集了2023年309日至315日期间中国郑州地区的HAS和PPP-B2b数据。在评估了这两种服务的可用性、轨道和时钟质量后，进行了静态和动态PPP测试以验证集成产品的性能。使用来自中国及邻近地区的20个GNSS站的数据，结果表明，单独使用HAS和PPP-B2b的解决方案平均水平/垂直精度分别为（3.99, 3.33厘米）和（3.06, 2.37厘米）。集成策略显著提高了性能，达到2.57厘米（水平）和2.17厘米（垂直），相比单独使用这些服务分别提升了8%至35%。此外，在所有方向（东、北、上和三维）上，集成策略的收敛速度也明显更快。在典型的城市环境中进行的动态车辆测试中，分别使用标准的双频率无电离层（IF）组合方法和多频率非组合（UC）方法处理GNSS数据。采用IF处理的集成产品，其水平精度达到0.52米，垂直精度达到1.06米，分别比HAS提高了81.5%和84.5%，比PPP-B2b提高了56.3%和60.7%。与IF解决方案相比，基于UC的解决方案在水平方向上的精度进一步提高12.1%至26.5%，在垂直方向上提高了23.4%至36.6%。这些结果表明，集成策略显著提升了PPP的定位性能。此外，UC解决方案更有效地利用了集成产品中的多频率和多系统观测数据，尤其是在具有挑战性的城市环境中。

引言

在过去十年中，全球导航卫星系统（GNSS）取得了显著进展，中国的北斗导航卫星系统（BDS）和欧盟的伽利略系统已全面投入运行，此外还有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS（Yang等人，2020年）。为了满足实时高精度GNSS定位的需求，出现了实时差分和增强系统，其中实时动态（RTK）和精密点定位（PPP）是其核心技术。RTK技术可以实现厘米级的定位精度，但它高度依赖于基站网络（Chen等人，2025年）。PPP技术仅使用单个接收器即可实现厘米级的定位精度（Malys和Jensen，1990年；Zumberge等人，1997年）。传统的PPP解决方案主要是后处理的，无法满足实时工业应用的需求。国际GNSS服务（IGS）于2013年正式推出了实时服务（RTS）系统（Elsobeiey和Al-Harbi，2016年）。该服务通过互联网广播实时的卫星精确轨道和时钟校正数据（Kazmierski等人，2020年），但偏远地区的用户仍然面临可访问性挑战。因此，基于卫星的PPP解决方案展示了广阔的应用前景。

中国卫星导航办公室（CSNO）于2020年7月正式宣布北斗-3星座的全面建成，并开始提供全球服务（CSNO，2021年；CSNO，2020年）。这项免费服务通过实时PPP技术，在动态场景中实现了分米级的定位精度，在静态应用中实现了厘米级的精度（Ren等人，2021年）。一些研究人员发现，PPP-B2b服务在中国表现出良好的可靠性，可用率超过80%，有效缓解了广播星历轨道和时钟参数更新的不连续性问题（Xu等人，2021年）。Sun等人（2023年）发现校正信息中存在不连续弧段和时钟误差。经过校正后，BDS-3和GPS的收敛时间分别减少了48.7%和65.9%，这验证了时钟偏差对定位收敛的显著影响。Liu等人（2025年）提出了一种基于PPP-B2b服务的预测历元校正方法，使得无人机动态定位能够在17分钟内收敛，平均精度分别为东、北和上方向0.064米、0.047米和0.123米。PPP-B2b还扩展到了与大气水汽相关的研究中。例如，Ge等人（2026年）使用PPP-B2b服务获取了海洋区域的实时大气可降水量数据，冬季的平均均方根误差为1.3毫米，夏季为1.6毫米。这表明，即使在网络覆盖有限的海洋区域，PPP-B2b服务也能实现高精度、实时的大气可降水量监测。

2023年1月，欧盟正式宣布伽利略高精度服务（HAS）的初始运行能力启动（EUSPA，2022年；EUSPA，2023年）。该服务为其服务区域内的用户提供厘米级的静态定位精度和分米级的动态定位精度；尽管在服务区域外的亚太地区性能略有下降，HAS仍具有有效的全球服务能力（Ren等人，2025年）。Fernandez-Hernandez等人（2023年）系统评估了欧洲伽利略系统开发的伽利略高精度服务（HAS）的全球用户性能，并对其基本功能和初始运行性能进行了全面分析。Naciri等人（2023年）对伽利略高精度服务的定位性能进行了实验评估，证明其在动态模式下的定位精度可以达到分米级别。Sun等人（2025年）使用伽利略高精度服务（HAS）实验评估了低地球轨道卫星的实时精确轨道确定性能，表明轨道确定精度达到了厘米级别，并且与广播星历相比，三维RMS误差提高了45%至65%。Xiao等人（2025年）证明，在HAS服务覆盖范围内实施伽利略精密点定位歧义消除（PPP-AR）后，静态模式下的三维定位精度提高了16.2%，动态模式下的精度提高了7.6%。

根据处理电离层的方式，PPP模型可以分为三种类型：无电离层线性组合模型（IF）、卡尔加里大学（UofC）模型和非组合（UC）模型（Salam和Salam，2005年）。近年来，非组合PPP（UC-PPP）模型发展迅速。这种方法直接使用原始观测方程，并将电离层延迟视为可估计参数（Zhang等人，2013年；Liu等人，2019年）。Yang等人（2024年）发现，使用多频率UC-PPP模型结合PPP-B2b校正后，与传统的双频率解决方案相比，收敛性能和定位精度显著提高。

上述研究表明，这两种基于卫星的PPP服务具有不同的服务覆盖特性和支持不同的GNSS星座，这限制了用户充分利用多GNSS观测数据的优势。Wei等人（2025年）通过Helmert坐标变换结合了HAS和PPP-B2b服务，证明这种集成解决方案通过协同使用GPS、伽利略和BDS-3的轨道和时钟校正显著提高了定位精度。然而，组合产品的GPS轨道和时钟校正的数据完整性率仍然相对较低。此外，在复杂的城市环境中，多频率、多GNSS观测数据的利用效果并不理想。本研究提出了一种集成方法来解决数据完整性低的问题，并提高基于卫星的增强数据的利用率。此外，还引入了UC-PPP模型以进一步利用多频率和多GNSS观测数据。

为了实现上述研究目标，本文首先介绍了轨道和时钟集成方法的原理以及基于卫星的多频率UC-PPP模型。随后，从服务可用性、轨道确定精度和时钟校正精度三个方面对HAS、PPP-B2b和集成产品进行了系统的质量评估。最后，通过静态和动态PPP实验，比较、分析了在IF和UC两种不同PPP解决方案模型下PPP-B2b、HAS和集成产品的定位性能，并进行了总结。

方法论

基于通过Helmert坐标变换结合HAS和PPP-B2b的方法，本章提出了一种约束最小二乘估计方法，以进一步整合它们的轨道和时钟产品。随后，介绍了一种基于卫星的多频率UC-PPP模型。

HAS、PPP-B2b和集成产品的质量评估

本研究使用自开发的基于MATLAB的软件来整合基于卫星的产品。该软件能够融合HAS和PPP-B2b校正数据，生成组合产品并估计必要的变换参数。使用2023年309日至315日一周内的HAS和PPP-B2b产品，本节从数据可用性以及轨道和时钟质量两个方面评估了这两种服务。

集成产品的PPP性能评估

选择了20个MGEX站和车载实时动态数据来评估HAS、PPP-B2b和集成产品。本研究的所有实验数据均收集于亚太地区。主要的集成产品将HAS服务产品整合到PPP-B2b服务框架中。为了进行更详细的比较分析，本章还实施了反向集成策略，将PPP-B2b服务产品整合到HAS服务框架中。表1

结论

本研究重点关注北斗PPP-B2b和伽利略HAS增强服务。我们使用Helmert坐标变换方法整合轨道产品，并提出了一种约束最小二乘时钟统一方法，显著提高了多系统卫星增强数据的完整性率。为了解决复杂城市环境中的信号遮挡问题，我们进一步引入了一种多频率非组合PPP方法，该方法充分利用了多频率、多系统的数据。

未引用的参考文献

Hu（2025）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本项工作得到了河南省自然科学基金（项目编号232300421105）、国家自然科学基金（项目编号42274045、42330113、42204041和41904039）以及中国博士后科学基金（项目编号2023M733285和2024T170851）的资助。我们衷心感谢欧盟提供伽利略高精度服务（HAS），以及中国卫星导航办公室提供PPP-B2b服务。我们还要感谢