一种全球导航卫生系统钟差估计优化方案的量化研究

摘要：针对卫星钟差解算策略的优化问题,本文基于BERNESE GNSS数据处理软件,设计了卫星估计钟差解算方案。提出了“单位时间误差梯度”的概念,量化了解算精密钟差的效率。采用基于TIN的选站法选取参考站,利用历元参数在历元间的独立性,分步解算各类参数。既减少了因大量历元参数存在引起的时间迟滞,又消除了单历元观测离群值对非历元参数估计的影响,从而提高了GNSS卫星钟差估计效率。利用IGS跟踪站作为参考站对以上解算过程进行实验,结果表明估计钟差与IGS精密钟差的符合精度达到0.1ns,陆态网精密单点定位（PPP）动态解最大偏差小于10cm,能够满足动态定位厘米级的精度要求,为估计钟差时参考站的数量和几何分布的选择提供了参考。     

基于局域参考站网络伪距观测的钟差估计及应用

系统地推导了基于局域参考站网络伪距观测进行实时钟差的运算公式,并讨论了以估计得到的钟差进行实时单站定位的数学模型.采用所推导的公式及数学模型,以上海参考站网络和同济大学GPS基准站的伪距观测数据,进行了GPS卫星钟差的实时估计和实时动态单点定位解算.结果表明,单历元伪距观测动态定位结果在北、东、上三个方向的均方根(RMS)值可达到0.444 2,0.522 7,1.110 9m.     

GPS/BDS精密高频卫星钟差计算及应用

为了获得高采样率的GPS/BDS卫星钟差,对基于相位历元间差分的精密钟差加密方法进行了改进,并利用IGS MGEX观测站数据和GFZ提供的5 min采样率卫星钟差生成30 s采样率的GPS/BDS卫星钟差.分析结果表明:与GFZ提供的30 s采样率的精密钟差相比,二者差异在10 ps以内,且测站数量对钟差结果的影响不大;加密得到的30 s钟差与5 min钟差的Allan方差保持高度一致;移动历元动态PPP证实加密钟差并未损失原始钟差的精度.动态PPP统计结果表明加密后的钟差大大缩短了PPP收敛时间,并提高了定位精度.该方法计算效率高,可应用于更高采样率的卫星钟差估计中.     

GPS单历元精密单点定位精度分析

普通精密单点定位主要是针对多历元观测数据,本研究重点关注单历元精密单点定位及其精度分析.在分析GPS单历元观测量误差源基础上,讨论了单历元非差精密单点定位误差;给出了单历元非差精密单点定位的解算流程,对Bjfs、Mizu、Wuhn和Lhaz等4个IGS站1天的实际观测数据分别进行了处理,单历元精密单点定位精度达到了4.5 cm,与GPS RTK结果精度一致.单历元精密单点定位只需一个测站的单一历元观测就可以进行精确定位,而GPS RTK至少需要两台仪器.     

基于CAPS的双天线共接收机无电离层影响的混合差分定位新方法

针对转发式中国区域卫星导航定位系统（CAPS）的构思与设计,给出了基于CAPS的导航定位解算的3种基本模式,并进行比较分析．根据电离层延迟与频率平方成反比,提出双天线共接收机的无电离层延迟影响的混合差分导航定位新方法,给出其基本原理,导出混合差分观测量,具体推导了单历元和多历元的解算公式和算法．该方法消除了CAPS导航信息发射、传播、转发和接收等环节的电离层延迟、硬件延迟、时钟误差等公共误差,方便于实现单历元解算和多历元导航定位,可有效提高CAPS的导航定位精度和实时性．该方法不但能同时对CAPS星座的GEO和IGSO卫星进行几何定轨和导航定位解算,而且还可以求解对流层天顶延迟,用于研究大气中水汽含量的变化．在有限时间间隔内,利用多项式表示天顶延迟和CAPS卫星轨道,可有效减少未知参数个数,提高解算速度和实时性．     

随机模型在GPS卫星钟差估计中的应用

卫星钟差是影响定位精度的重要误差源之一。针对不同接收机评估其伪距观测精度，选择相应的相位观测方差，构建合理的随机模型。采用56个IGS（International GNSS Service）跟踪站观测数据解算卫星钟差，并进行定位验证。结果表明：基于该方法的钟差估计结果与传统的钟差估计方法的结果在定位精度上改进约为5%。使用IGS卫星钟差，将该随机模型用于定位解算，10个测站中，7个测站收敛时间与定位精度有明显改进，收敛时间相较于传统定权方式的解算结果改进最高可达78%、定位精度改进最高可达86.55%。     

基于不等间隔接收机钟差组合预报模型的辅助定位方法

在典型城市或室内应用等情况下,卫星导航信号由于被频繁遮挡变而变得微弱甚至不可用,使得传统的定位模式难以满足连续定位的要求。针对此问题,分析接收机钟差辅助定位的可行性,建立原点插值条件下使残差平方和最小的多项式钟差预报模型和改进的非等间距灰色系统钟差预报模型,并提出一种基于不等间隔接收机钟差解算值序列的动态加权组合预测模型及相应的钟差辅助定位算法。该模型通过权值的合理选取可实现单一模型的最优组合,具有更高的预测精度和稳健性。实测结果表明:该组合模型对钟差解算值序列的预测是可行和有效的;对于50 s内的短时钟差辅助定位,定位误差与连续正常定位接近,仅降低2.76%,可有效提高可见卫星不足4颗时的定位连续性。     

一种基于位置修正和卡尔曼滤波的姿态角推算算法

在动态载体如汽车、船舶或静态载体如桥梁,房屋的姿态推算中,使用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)进行载体测向比起使用惯性传感器成本较低,且随时间不会累积误差。针对在多天线基线解算时存在的接收机时钟不同步造成基线解算精度下降,以及载体运动过程中多径和周跳等造成的误差问题,本文提出了一种基于参考天线位置修正的扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)算法,根据载体移动速度和接收机之间的时钟差对每一历元载体参考天线位置矫正,提高基线解算的精度,从而提高姿态角精度。基线解算采用实时动态定位技术(real time kinematic,RTK),根据接收机给出的载波相位观测量,在参考天线和其他天线之间做双差建立观测方程,求解出基线向量。将得到的多组基线向量利用最小二乘法求解出姿态角。根据实际测试表明,该方法在基线长度不超过1.5米的情况下,静态航向角和俯仰角精度达到0.2°,低动态情况下航向角精度达到0.2°,俯仰角精度达到0.3°。     

不同卫星星历和钟差对精密单点定位影响研究

为研究不同星历类型和采样率的钟差产品对精密单点定位的影响,本文利用bjfs站2018年5月6日-12日连续一周的观测数据,采用RTKLIB软件分别进行静态PPP和静态模拟动态PPP解算。研究结果表明,不论是静态PPP还是动态PPP,IGS和IGR精密星历定位结果精度相当,IGU星历精度稍差,需要时可以使用IGR星历代替IGS星历。此外,高采样率的钟差产品对静态PPP定位精度的改善并不明显。动态PPP试验中,采用5s和30s采样率钟差产品的定位精度明显优于300s采样率的钟差产品,说明适当提高钟差采样率可以提高动态PPP的定位精度。     

几种GPS卫星钟差预报方法比较及精度分析

精密单点定位技术在高精度的坐标框架维持、地球动力学研究及区域性或全球性的科学考察及低轨卫星定轨、海陆空间导航等动态应用方面都有不可估量的前景.但是IGS现在还不能提供实时和外推的精密卫星钟差,GPS卫星钟差仍然是实现PPP技术实时应用的瓶颈问题,制约了实时PPP技术的应用.本文分别利用二次多项式模型、灰色模型和线性模型进行了大量卫星钟差资料分析,总结了它们的优点与不足,为GPS卫星钟差预报研究提供借鉴与参考.     

BDS/GPS双模静态PPP定位精度与收敛性分析

随着仪表引导系统(instrument guidance system,IGS)精密星历实时化计划的推进,全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)精密单点技术已成为精密定位领域的一个热点。文章实现了北斗卫星导航系统/全球定位系统(BeiDou Navigation Satellite System/Global Positioning System,BDS/GPS)双模静态精密单点定位(precise point positioning,PPP)算法,并采用武汉大学发布的15 min精密卫星轨道与5min钟差产品对亚太地区多个测站实测数据进行BDS/GPS单模与双模静态PPP精度与时间收敛性的分析。从亚太地区多个测站的分析结果得出:BDS静态PPP充分收敛后的水平精度优于5cm,且北向精度优于东向,高程精度略差,优于10cm;对于收敛性,水平方向收敛速度快于高程方向,整体上为70~250个历元,BDS静态PPP定位结果逐渐收敛,但是天向存在收敛不充分现象;相对于GPS,目前BDS的PPP精度和收敛性比GPS略差,但充分收敛后目前可实现厘米级的绝对定位;BDS/GPS双模静态PPP收敛性优于单模,定位精度与GPS单模相当。     

BDS多频非组合伪距单点定位方法

针对北斗卫星导航系统多频伪距单点定位研究较少的现状,利用北斗卫星导航系统B1、B2和B3频率伪距观测值,提出了一种基于非组合方式的北斗卫星导航系统多频伪距单点定位方法,将三频伪距观测值作为相互独立的观测值信息进行最小二乘参数估计.采用单历元多频伪距单点定位和多历元多频伪距单点定位的数据处理模式进行用户的单点定位,多历元多频伪距单点定位采用参数消去法消掉接收机钟差,并进行法方程叠加.利用实测数据进行算法实验,结果表明基于非组合方式的北斗卫星导航系统多频伪距单点定位能达到米级至亚米级的定位精度,较北斗卫星导航系统标准定位服务的精度有明显改善.     

基于组合载波相位的飞行器姿态确定

为解决全球导航卫星系统(GNSS)姿态测量中整周模糊度的快速求解问题,提出一种基于组合载波相位的短基线整周模糊度解算方法,利用单个历元的观测数据解算整周模糊度.根据多颗卫星的单频载波相位整周模糊度解算结果,应用最小二乘原理对基线向量进行精确求解,进而由基线向量确定出飞行器的姿态角.仿真结果表明,该模糊度解算方法在单个历元内至少能够解算出8颗卫星的载波相位整周模糊度,解决了GNSS动态测姿领域的一个关键性问题.测姿结果显示,偏航角和俯仰角的测量误差均小于0.2°.该研究成果可以为GNSS姿态测量系统在航空、航天等对实时性要求较高的领域中的应用创造条件.     

北斗系统长期空间信号测距精度评估及精度提升分析

基于后处理精密产品,评估了2015-06-01—2018-06-30北斗广播星历的性能精度.对北斗系统性能精度评估的基准问题进行了讨论,统计分析了北斗系统不同星座卫星的轨道差值与星钟差值的长期变化趋势,表明北斗系统空间信号测距精度有逐年提升的趋势.还发现北斗广播星历在2017-01-17前后做出的调整具有较好的效果,不同卫星轨道径向产生一个非零均值的偏差,分析表明该径向偏差更好地实现了轨道径向与卫星星钟参数的自洽,进而大大提高了北斗系统空间信号测距精度.并且北斗系统在2017-07-22对广播星历TGD参数进行了更新,提高了卫星钟差精度.采用4个MGEX测站数据的伪距单点定位验证北斗空间信号精度提升对北斗系统基本导航定位服务的影响,结果表明北斗系统在2017年2次更新后,北斗基本导航定位精度在NEU三个方向分别提升41%、49%和39%.2018年1—6月的统计结果表明,目前北斗系统的IGSO卫星空间信号测距精度最高,优于0.8 m,GEO与MEO卫星次之,约为1 m.     

基于人工鱼群优化LS-SVM的卫星钟差预报

针对导航卫星短期钟差预报精度不高的问题,提出了一种基于人工鱼群(AFSA)优化最小二乘支持向量机(LS-SVM)的卫星钟差预报方法。利用人工鱼群算法较强的全局寻优能力优化LS-SVM模型的惩罚参数和核宽度参数,避免人为选择参数的盲目性,提高了LS-SVM的泛化能力和预报精度。选取IGS产品中4颗典型卫星的钟差数据,分别采用人工鱼群优化LS-SVM模型、神经网络模型和灰色系统模型进行短期钟差预报,计算结果表明:人工鱼群优化LS-SVM模型的预报精度优于其它2种模型,尤其是在铷钟方面,预报误差在0.5 ns内,运行时间在5 min内。     

GPS变形监测信息单历元解算的抗差估计方法研究

根据高精度GPS变形监测的特点,介绍了单历元解算监测点变形量的似单差数学模型及其算法．该算法不涉及周跳的探测与修复、双差整周未知数的解算等棘手问题,适用于同步观测卫星数不少于2颗的情况．为提高单历元解算变形信息的可靠性,在分析算法的基础上,构造了实现对卫星进行自动选择的抗差估计模型．3个不同测区的试验数据计算结果表明,本文建立的似单差模型是正确的,采用抗差估计方法来选择卫星也是可行的．     

基于陆态网络的远距离在航潮位提取方法研究

远距离在航潮位测量是采用后处理差分相对定位或精密单点定位方法获取流动站天线三维坐标,并通过一系列改正获得最终潮位结果的方法。远距离在航潮位测量方法克服了现有RTK验潮模式作用距离短(20 km)的缺点。由于差分站间基线解算参数质量直接影响流动站的定位结果精度,流动站相对定位时采用中国大陆构造环境监测网络基准站数据,避免差分观测时架设基准站时的人为误差,提高了测量效率和数据解算精度,进而提高潮位测量精度。     

小区域GPS网GAMIT解算结果与IGS站选取的关系

在江苏省全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统(JSCORS)网中选择5个站点组成一个小区域全球定位系统(GPS)网,利用GAMIT软件解算2008年年积日为第196~202日的数据,分析在解算过程中选取全球定位系统服务(IGS)基准站南北半球分布、数量分布(0～10个)对解算结果精度的影响.结果表明,使用GAMIT软件处理该类小区域GPS网观测数据时,最好选取IGS站提供参考框架,但可不必选择位于南半球的IGS站;选取的IGS站空间分布要尽量均匀,数量上选取6～7个即可.     

基于边长约束网平差的微型GNSS阵列高精度定位方法

针对目前全球导航卫星系统(GNSS)动态观测中存在短时间内难以得到较为精确坐标的现象,提出由相距极短的GNSS天线\接收机组成且空间分布已知的微型GNSS阵列定位的方法。载波相位双差观测可以消除载波信号中的接收机钟差和卫星钟钟差,对流层延迟误差、电离层延迟误差、卫星星历误差经过双差观测后也可以忽略不计,从而得到高精度的动态基线向量。本研究以经过载波相位双差观测后得到的高精度动态基线向量为观测量,并通过激光跟踪仪进行距离测量确定阵列天线之间的边长,以边长为约束,对微型GNSS阵列进行边长约束网平差,进而得到阵列中天线的精确坐标。结果显示:对微型GNSS阵列中所有独立基线的边长进行约束是所有约束网平差中精度最高的方案,微型GNSS阵列中的天线经过平差解算后比不添加约束的网平差的精度提高了20%以上。     

DS/CDMA接收机高精度时钟同步及其校准技术

介绍了以卫星导航系统时钟为参考时间基准，通过时间比对的方法，实现对卫星接收机高精度频率源OCXO的时钟同步及校准，成功地解决了卫星导航系统与卫星接收机时钟同步的问题，为卫星导航定位电文解算提供可靠的时序．正确地解算导航电文，以保证后续的位置定位的精度要求．