影响GPS测量的电离层延迟模型研究

GPS作为一种无线电导航系统,受到很多误差源的影响,如:卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径误差、接收机钟差和测量噪声等误差。其中,自从SA(Selected Availability)于2000年5月1日取消以后,电离层误差是最大的一项误差。为了消除电离层延迟的影响,GPS导航定位中采用了双频改正法、利用电离层延迟的空间相关性差分以及各种电离层模型来削弱其影响。本文探讨了常用的修正GPS电离层延迟的模型和经验改正公式:Bent模型,IRI模型,Klubuchar模型,双频改正法等,并详细论述了如何利用双频观测值建立电离层模型。     

GPS观测误差及其相应的处理方法研究

GPS测量含有多种误差,根据误差的来源可将其分为三类：与GPS卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收机有关的误差。根据误差的性质,这些误差又可分为系统误差和随机误差两类。系统性的误差主要包括：卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、接收机钟差和接收机位置误差。随机误差主要包括多路径效应误差和接收机噪声。     

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.     

GPS对流层延迟的历元间差分分析

GPS(Global Positioning System)观测难免受到各种因素的影响,虽然可以通过不同观测组合和改正模型予以消弱,但总有一定的残留误差对定位结果产生影响.基于精密单点定位理论,通过无电离层组合模型、高精度GPS卫星轨道、卫星钟差来削弱电离层延迟误差、轨道误差的影响,以不同采样间隔的观测数据,分析对流层延迟历元间差分结果的特性;分析不同采样间隔观测中,对流层延迟历元间差分值的变化,对流层延迟对历元间差分观测值的影响;残留误差对历元间差分结果、组合观测值的影响;残留误差在时间序列上的变化.     

一种实时双频电离层修正方法

电离层延迟是影响GPS绝对定位的重要因素。比较常用的电离层延迟修正方法有模型方法和双频方法。模型方法和使用双频码伪距的方法精度有限。使用双频载波相位进行电离层延迟计算需要求解整周模糊度,计算复杂。本文提出了一种同时使用GPS双频码和载波观测量进行电离层误差修正的方法。使用卫星信号模拟器生成信号并用接收机实时接收,用此方法计算出电离层延迟值,并与真值进行比较,计算误差为厘米级。最后,接收真实卫星信号并计算了真实电离层延迟,并与使用Klobuchar模型方法计算出的电离层延迟进行了比较。     

地面GPS双频非差观测值仿真

本文在系统研究GPS观测模型和各项误差模型的基础上,建立了地面GPS双频非差观测模型,设计了一套较完整的计算仿真程序。误差模型包括钟差、电离层延迟、对流层延迟、相对论效应、地球固体潮等,反映了测量环境条件。根据具体要求可在观测值中添加粗差和周跳,为利用GPS观测值探讨定位方案设计、周跳和粗差探测等问题提供了验证平台。最后,本文利用BERNESE定位软件给出了电离层延迟和对流层延迟分别对单点定位精度影响的实例,实验证明仿真结果与实际情况符合较好。     

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...     

利用精密星历进行伪距单点定位的精度研究

本文首先给出了GPS伪距单点定位的几种主要误差的改正模型:电离层延迟、对流层延迟、地球自转改正、相对论效应改正等,然后采用双频伪距改正电离层延迟影响并利用IGS精密星历,通过算例来分析双频P码伪距单点定位的精度。     

GPS与北斗广播星历TGD参数对单点定位影响比较分析

卫星群延时间参数(Timing Group Delay,TGD)表征了卫星不同频率信号通道之间的延迟偏差,一般作为重要的信息在卫星导航系统的广播星历中播发给用户.由于不同卫星导航系统广播星历中的钟差定义的不同,卫星TGD参数的含义也有所差异,用户在利用广播星历进行定位授时中必须正确理解并使用广播星历卫星钟差与各个频率信号的TGD改正参数.本文针对GPS和北斗卫星导航系统(BDS),分别使用无电离层组合和单频观测对TGD参数在定位中的影响进行计算和分析,通过比较分析指出了目前北斗广播星历中的TGD可能存在一些问题需要进一步调查.     

利用多参数估计法解算对流层延迟

由于对流层引起的真空光速、气温、气压和温度的变化使码和载波的观测值受到时延的影响,本文把电离层延迟、卫星和接收机钟差、整周模糊度作为未知参数,利用多参数估计法建立误差方程、法方程来解算对流层的延迟。     

北斗基本导航电文定义与使用方法

导航卫星发播的导航电文信息是用户导航定位的空间基准和时间基准.本文主要讨论了北斗卫星导航系统发展现状,介绍了北斗卫星导航系统发播信号特征与信息内容以及北斗系统时空基准与GPS(Global Positioning System)差异,在此基础上,详细给出了北斗基本导航电文中的卫星钟差与TGD(Time Group Delay)参数、卫星星历参数、电离层延迟模型参数的定义与使用方法,并结合实际应用,给出了用户使用北斗导航电文时需要特别注意的一些问题.     

基于GPS的双频电离层修正算法研究

电离层延迟是影响GPS卫星导航的重要误差源之一,为了有效消除该误差的影响,需要选择适当的电离层延迟修正的方法。本文在分析各修正方法优缺点的基础上,设计了一种利用双频点伪距及载波相位观测量来消除观测路径上的电离层延迟量方法,并在修正的过程中加入了检测和修复周跳的算法,提高了该方法的精度。     

低纬电离层闪烁对GPS观测值及其导航定位的影响

电离层闪烁对全球定位系统(GPS)的影响已经被认为是GPS现代化后面临的主要问题.利用低纬地区电离层闪烁监测接收机(18.34°N, 109.62°E)在2012-08-01～31的GPS闪烁数据和观测数据,开展了电离层闪烁对GPS观测值及单点定位的影响研究.研究结果表明,电离层闪烁可以导致GPS卫星信号发生衰减,最大衰减幅度达20 dB-Hz;相比于GPS L1观测值,电离层闪烁对GPS L2影响更大;电离层闪烁可导致周跳的发生,统计表明,每100个强电离层闪烁事件(S_40.5)可以导致21个周跳发生,而100个弱电离层闪烁事件(0.2S_4≤0.5)仅导致6个周跳发生;强电离层闪烁环境下,卫星信号会遭遇失锁现象,从而破坏卫星几何分布结构,导致GPS导航定位性能降低;相比正常的电离层环境,电离层闪烁活跃环境下的GPS单点定位精度降低了23%.     

GBAS中相位平滑伪距差分修正改进算法

针对卫星导航精度问题,提出一种载波相位平滑伪距差分修正算法的改进方案.通过无码载偏离平滑滤波技术来解决电离层对伪距和载波相位观测值带来的不一致性导致的电离层误差加剧问题.利用信号传播中误差模型预测值、载波信号和码伪距确定滤波器的衰减因子,把接收到的双频载波信号相位值和伪距值线性组合,输入滤波器滤波.同时用卫星修正信息对平滑伪距值中钟差进行修正.仿真结果表明通过该算法能够减少滤波后的信号残差,提高载波相位平滑伪距差分修正值标准差的可用性,减少电离层误差对星基导航精密进近阶段定位精度的影响.     

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.     

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。     

我国中低纬地区GPS定位中的电离层二阶项延迟影响分析与研究

基于消除电离层一阶项延迟的双频载波相位Lc线性组合观测量,利用中国地壳运动观测网络以及国际IGS（International GNSS Service）提供的6个跟踪站连续15天的观测数据,初步分析和研究了电离层二阶项延迟对我国中低纬地区全球定位系统（Global Positioning System,GPS）定位结果的影响.研究结果表明,在电离层二阶项延迟影响下,我国中低纬地区GPS定位结果呈普遍规律性南移的现象,且各地区南偏趋势差异甚微.     

GNSS软件接收机关键技术研究及实现

首先介绍了国内外GNSS软件接收机技术的研究现状,对软件接收机的架构进行了详细的分析,系统地总结了其优点,并就GPS软件接收机的关键技术部分进行了具体实现。对于前端的硬件部分采用了中频信号采样模块,具体包括天线模块、射频处理模块与FPGA控制模块,之后以纯软件实现,主要包括可设置12通道的中频信号处理模块、信号的捕获和跟踪、导航电文存储及转换,并针对伪距定位算法部分实现了单点静态定位,考虑的误差源主要包括卫星钟误差、对流层误差、电离层误差和地球自转引起的偏差等。系统具体的定位算法及定位结果精度都经过详细的实测分析。此外,整个系统设计也具有良好的灵活性和可扩展性。     

基于单站GPS数据的GPS系统硬件延迟估算方法及结果比较

从GPS数据中解算电离层总电子含量(TEC)的最大误差源是硬件延迟。作者介绍了两种解算电离层TEC和硬件延迟的方法。利用单站的GPS双频数据,计算了2004年电离层TEC和硬件延迟,对两种方法得到的硬件延迟进行了比较,并且和欧洲定轨中心的公布结果进行了对比,同时分析了不同纬度台站数据解算硬件延迟的误差特点。结果表明：这两种方法均可以解算TEC和硬件延迟,结果是可靠的。解算的硬件延迟的标准偏差与观测站的纬度有关,在中国区域,纬度越低,估算的硬件延迟偏差越大,对这一情况进行了分析。     

北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.