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.     

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。     

误差模型对精密单点定位精度影响的研究

精密单点定位(PPP)对观测数据质量要求较高,且必须对各类误差进行精确的修正。为明确误差模型对定位精度的影响,更精确地实现PPP,在无电离层观测模型基础上,选取6个MGEX测站,采用全球分析中心提供的精密星历和RTKLIB对流层模型,实现事后PPP解算,评估解算后的收敛曲线和定位误差。结果表明:可见卫星超过6颗、DOP值小于3,MGEX测站数据质量较优;统计东、北、天定位精度平均值,对比IGS和JPL精密星历,在静态PPP中,两种精密星历对应的定位精度分别相差0.18%、0.53%、2.31%;在动态PPP中,分别相差6.23%、10.50%、9.91%。在静态PPP中,Saastamoinen模型的平均定位精度分别是2.213、0.209、0.533 cm,Estimate ZTD模型分别是0.553、0.101、0.27 cm,比Saastamoinen模型高300.6%、114.88%、97.22%;在动态PPP中,Saastamoinen模型的平均定位精度分别是36.368、23.683、68.043 cm,Estimate ZTD模型分别是9.243、5.741、14.553 cm,比Saastamoinen模型高293.45%、312.54%、367.54%。     

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。     

BDS-3广播星历轨道、钟差精度分析

文章针对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS),分析了北斗三号卫星(BDS-3)广播星历的轨道和钟差精度,给出了详细的精度评估方法;选取连续30 d的BDS广播星历数据,以精密星历为参考值从轨道偏差、钟差偏差、空间测距误差、单点定位(single point positioning, SPP)精度等方面对BDS-3广播星历精度进行分析评估。结果表明:BDS-3广播星历钟差精度优于0.686 ns,轨道精度径向优于0.289 m,切向和法向优于3.948 m,明显优于同类型北斗二号卫星(BDS-2);SPP定位精度方面,5个测站上BDS-2/BDS-3组合在E、N、U方向平均分别为0.634、0.714、3.495 m,相比于单BDS-2分别提高了23.2%、47.6%、9.1%。     

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.     

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TGD/DCB改正的BDS多频单点定位精度分析

文章研究不同频点的无电离层组合模型中时间群延迟(time group delay, TGD)和差分码偏差(differential code bias, DCB)对定位结果影响的差异,给出了北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)双频/三频无电离层组合TGD和DCB改正模型,利用IGS测站数据进行标准单点定位(standard point positioning, SPP)和精密单点定位(precise point positioning, PPP)实验。实验结果表明:对于SPP,定位精度平面方向小于5 m,U方向小于10 m,定位精度提升显著且精度改正为m级,经模型改正的平面方向精度提升大于70%,U方向精度提升大于28%,其中DCB改正效果略优于TGD改正;对于PPP,经模型改正后的定位精度提升并不明显,但加快了滤波的收敛速度;对于PPP,在未经模型改正的情况下,接收机钟差和模糊度参数吸收了绝大部分的误差改正,而对流层延迟参数受到的影响较小。     

北斗二号/三号融合的分米级星基增强算法与性能分析

北斗卫星导航系统星基增强服务通过地球静止卫星向用户播发等效钟差、轨道改正数、电离层格网改正数和分区综合改正数等四重广域差分改正数,用户在此基础上利用载波相位观测值实现实时分米级的定位性能.本文介绍了分米级星基增强服务的参数匹配算法以及单频、双频用户精密定位模型.将系统播发的四重差分改正数应用于北斗二号与三号融合的精密单点定位,分析了不同频点及定位模型的系统精密定位服务性能.18个测站7 d的结果表明:北斗二号/三号融合的星基增强服务双频组合动态精密单点定位平均12.42 min收敛至0.5 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.15 m,高程0.2 m;相比仅使用北斗二号系统,不同定位模型收敛时间平均缩短了56.7%;而基于非差非组合的分区定位收敛速度更快,并且能达到与无电离层组合模型相同的精度水平.使用北斗电离层格网信息改正的单频动态定位PPP平均11.74 min收敛至0.8 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.2 m,高程0.3 m;相比使用广播星历电离层模型改正的结果,静态和动态定位平均收敛时间分别缩减了21.4%和25.2%.     

MADOCA与MGEX产品定位性能对比分析

文章对比分析了精密全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)轨道和钟差估计系统(Multi-GNSS Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis,MADOCA)产品和多GNSS实验系统(The Multi-GNSS Experiment,MGEX)产品的定位性能。对2020年4月29日选取的4个测站分别下载了MADOCA产品和MGEX产品,使用全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、格洛纳斯(GLObal NAvigation Satellite System,GLONASS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system,GALILEO)及准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System,QZSS)的数据进行了标准单点定位(standard point positioning,SPP)、静态精密单点定位(static precise point positioning,PPP-S)及动态精密单点定位(kinematic precise point positioning,PPP-K),并对定位性能进行了分析。SPP定位性能选取不同截止高度角下参与解算的卫星数、位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)、定位解算成功率及定位精度4个指标,PPP定位性能选取收敛时间和定位精度2个指标。SPP实验结果表明:定位精度一般在m级到10 m级;随着截止高度角增大,各测站的PDOP值和定位误差均增大,而参与解算的卫星数和解算成功率均减小;与使用MADOCA产品相比,使用MGEX产品的定位表现更加优越。PPP实验结果表明:使用MGEX产品的PPP-S定位精度在5 cm以内,PPP-K定位精度在10 cm以内,且三维位置收敛到20 cm以内的时间均在15 min内;使用MADOCA产品的PPP-S定位精度在10 cm以内,收敛时间在30 min左右,而PPP-K定位精度在30 cm以内,三维位置收敛时间在120 min左右。     

卫星轨道完备性监测研究

为了解决高精度定位中的卫星轨道粗差判别问题,采用轨道积分方法和轨道拟合方法,重点分析了卫星精密星历SP3文件的轨道积分精度,利用对卫星轨道加入不同粗差的计算方案,讨论了轨道积分的精度以及其对定位的影响,研究了利用卫星轨道积分精度实现完备性监测的方法。结果表明:通过卫星轨道积分精度的方法,可以反映卫星的粗差信息并予以将粗差卫星剔除;当剔除粗差卫星后,精密单点定位精度提高;当对正常卫星加入粗差,且随着加入粗差的增大,卫星轨道积分精度越来越差。该成果对完备性监测的研究具有一定的参考价值和指导意义。     

GNSS导航电文空间信号测距误差分析

空间信号测距误差(Signal-In-Space Range Error,SISRE)描述卫星广播星历误差和钟差参数误差在用户平均星站方向的投影,是影响用户定位授时精度的关键因素.本文以事后精密轨道和钟差参数为基准,分别评估Galileo,GPS和BDS-3卫星的广播星历轨道用户测距误差(User Range Error,URE)、钟差参数误差、SISRE的大小和特征.结果表明,Galileo,GPS,BDS-3的SISRE分别为0.14,0.49,0.35 m.三者的广播星历轨道URE分别为0.14,0.27,0.09 m.三者的钟差参数误差分别为0.14,0.41,0.35 m.Galileo广播星历径向轨道误差和钟差参数误差之间具有很强的相关性.两者相互抵消,可有效降低Galileo卫星的SISRE.不同类型GPS卫星的钟差参数误差和SISRE有明显区别.随着GPS卫星的更新换代,其钟差参数误差和SISRE会逐步降低.BDS-3卫星具备与GPS和Galileo卫星显著不同的特征:(1)BDS-3卫星广播星历轨道径向误差和钟差参数误差的相关性较小,自洽性较差;(2)BDS-3卫星广播星历轨道URE较小,而钟差参数误差较大.其中,BDS-3卫星的广播星历轨道URE小于Galileo和GPS,但是其钟差参数误差对SISRE的贡献显著大于Galileo和GPS.通过比对上述卫星的SISRE大小及特征,指出提高钟差参数精度是提高BDS-3卫星空间信号精度的关键.     

北斗二号系统非核心区域定位精度影响因素分析

北斗二号系统作为一种区域定位系统在其服务核心区域内发挥了越来越重要的作用,对于北斗二号系统非核心区域定位精度影响因素的研究也变得越来越重要。本研究使用GAMIT/GLOBK软件解算由多GNSS实验项目(MGEX)提供的位于北斗二号系统非核心区的17个IGS站数据,研究了不同精密星历以及基线解算策略中的干湿映射函数、观测量选择、卫星高度截止角、对流层天顶延迟估计时间间隔对北斗二号系统在非核心区域定位精度的影响。实验结果表明:北斗二号系统非核心区域定位标准差精度达到分米级;利用GAMIT/GLOBK软件对实验区域北斗数据进行解算时,使用欧洲定轨中心(CODE)提供的精密星历,干湿映射函数采用NMF函数,观测量采用电离层约束求解宽巷模糊度,卫星高度截止角设置为12°,对流层天顶延迟估计时间间隔设置为1h,解算精度较高。制约北斗二号系统非核心区域定位精度的主要原因是非核心区域测站可观测到的北斗二号卫星数太少。研究表明,精密星历、干湿映射函数、观测量选择、卫星高度角设置和对流层天顶延迟估计时间间隔会影响北斗二号系统非核心区的定位精度,通过选择合适的精密星历和基线解算策略能够提高定位精度。     

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.     

北斗卫星星载原子钟的短期钟差预报模型参数选取分析

高精度实时卫星钟差改正数据的获取一直是实现精密单点定位技术的关键问题.针对短期钟差预报模型参数设定对预报精度的影响,详细分析了多项式模型和灰色模型的基本原理,通过对精密星历文件中钟差数据的计算,分析阶数和已知数据个数对2种预报模型精度的影响,评估了此2种预报模型的优劣.实验结果表明:多项式模型应采用的已知点数量和阶数分别为7和2,而灰色模型的已知点数量应设为11;灰色模型总体上优于多项式模型.     

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.     

GPS电文用户测距精度参数设计分析

为了研究卫星导航系统完好性参数设计对用户端完好性的影响,该文对GPS电文完好性参数中用户测距精度(URA)参数的分级方式及用户算法的变化进行了研究。采用实际国际GPS服务(IGS)广播电文数据与精密星历星钟数据进行仿真分析,证明了细化GPS用户测距精度分级方式的必要性。在此基础上,证明了采用相互独立的星历和星钟用户测距精度值能更好地描述卫星段误差。考虑传输段误差影响,利用广播星历构造卫星星座仿真分析了最坏用户位置处的测距误差,并采用加权法和最大方差法分别计算用户瞬时测距精度。对电文改进前后的两种区间划分标准和不同URA更新周期下的用户测距精度索引值进行比较分析。研究结果表明,导航电文采用5 bits将用户测距精度细化为32个区间能更好地区分不同卫星的测距误差,改善用户的完好性性能。     

基于灰色BP网络的卫星钟差预报

精密卫星钟差是精密定轨的重要因素之一.将BP神经网络模型引入卫星钟差预报,分别对少量及大量的卫星钟差数据进行预报,将其预报精度和灰色模型GM(1,1)预报结果进行分析比较,证明BP神经网络模型适于卫星钟差预报.通过对IGU超快速星历中的卫星钟差进行预报,发现前期预报精度很高,验证了其实际有效性.     

GPS接收机的定位误差分析

基于Superstar Ⅱ GPS接收机和MATLAB实验平台,实现了所有星座误差及信道误差的修正.重点分析了卫星钟差、电离层误差、对流层误差、地球自转效应等误差及修正方法.参照IGS精密星历,利用Klobuchar模型,电离层误差修正掉约14 m;利用高度角模型,对流层误差平均修正掉4.05 m;地球旋转效应误差最大修正掉约30 m;卫星钟差修正后不超过3.1 m.实验结果最终定位精度17 m,验证了误差修正方法的正确性,为今后进行的GPS接收机研制工作积累了经验.     

一种全球导航卫星系统钟差估计优化方案的量化研究

针对卫星钟差解算策略的优化问题,基于全球导航卫星系统数据处理软件BERNESE,设计了卫星估计钟差解算方案。提出"单位时间误差梯度"的概念,量化了解算精密钟差的效率。采用基于不规则三角网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,从而提高了卫星钟差估计效率。利用国际全球导航卫星系统服务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该机构精密钟差的符合精度达到0. 1 ns,陆态网精密单点定位动态解最大偏差小于10 cm,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。