Galileo三频非组合PPP相位小数偏差估计与模糊度解算

欧洲的Galileo目前已经有28颗在轨可用卫星,具备全球精密定位能力,并且所有卫星均能够播发多频信号,多频信号融合有望进一步改善精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定解性能.本文研究了Galileo三频非组合PPP相位小数偏差(fractional cycle bias,FCB)估计与模糊度解算(ambiguity resolution,AR)方法,并将其结果同双频非组合PPP模糊度固定解与浮点解结果进行了对比分析.结果表明:利用155个全球分布的地面跟踪站数据进行FCB估计,单个频率上的FCB估值序列标准差(standard deviation,STD)优于0.04周;双频PPP浮点解在E、N、U方向收敛时间分别为32.0 min、10.0 min、43.5 min,双频PPP固定解收敛时间分别减少到30.5 min、8.5 min、32.0 min,三频PPP固定解收敛时间分别进一步缩短到16.5 min、8.0 min、32.0 min.

Galileo高精度定位服务的空间信号误差及精密单点定位评估

Galileo高精度定位服务(high accuracy service,HAS)利用E6B信号向全球用户播发免费精密卫星轨道、钟差和码偏差改正信息,在卫星高精度实时应用领域有重要意义.评估其空间信号误差及精密单点定位(precise point positioning,PPP)性能是用好HAS的重要前提.基于2023年12月1日至31日的HAS轨道钟差产品进行评估测试,Galileo卫星轨道产品在径向(R)、切向(A)和法向(C)的均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为3.24 cm、7.40 cm和6.85 cm,GPS分别为4.52 cm、8.19 cm和6.71 cm;Galileo钟差产品的标准差(standard deviation,STD)为0.16 ns,GPS为0.26 ns.基于欧洲10个测站PPP的实验结果表明:Galileo在E、N、U方向的定位精度分别为6.44 cm、4.65 cm和11.36 cm,GPS分别为7.42 cm、5.78 cm和12.04 cm,联合定位分别为4.11 cm、3.10 cm和7.56 cm,HAS可以满足高精度定位需求.

Galileo三频精密单点定位精度分析

基于IGS多个跟踪站多天数据,采用三频无电离层两两组合模型,对比分析了等权、高度角、信噪比3种定权方式下Galileo系统E1E5aE5b、E1E5E5b、E1E6E5b静态与动态精密单点定位精度。实验结果表明,播发E1、E5、E5a、E5b、E6信号的Galileo卫星数与空间几何分布均较优,静态精密单点定位精度均在cm级,而动态精密单点定位E1E5aE5b、E1E5E5b水平精度在cm级,高程精度在dm级。静态精密单点定位高度角定权方式下定位精度最优,E1E5aE5b三频组合定位精度最优。动态精密单点定位高度角定权方式下定位精度最优,等权定权方式下E1E5aE5b定位精度最优,其余两种定位方式下E1E5E5b定位精度最优。

BDS-3/GPS/Galileo兼容频率紧组合短基线性能分析

针对紧组合模型在短基线相对定位中的应用问题,基于MGEX跟踪站组成的短基线连续多天实测数据,对比分析了BDS-3/GPS、BDS-3/Galileo和BDS-3/GPS/Galileo兼容频率紧组合短基线相对定位精度。实验结果表明,3种组合短基线相对定位精度均在厘米级,且三系统组合定位精度优于双系统组合定位精度。紧组合短基线相对定位精度相比松组合模型有较明显提升,BDS-3/Galileo组合E方向精度最大提升量达到18.04%,其余提升精度均在10%以下。

BDS-3/GPS/Galileo超长基线解算性能评估

由于当前对BDS-3超长基线单历元解算性能研究较少,为进一步详细分析BDS-3超长基线定位性能,将IGS站组成的一组超长基线作为实验数据,以BDS-3系统B1C/B2a组合为基础,分别进行了与GPS系统L1/L5、Galileo系统E1/E5a双组合和三系统组合解算实验。实验结论表明,双系统和三系统组合卫星可见数与PDOP相比BDS-3单系统改善量约为2倍左右,在定位性能方面相比BDS-3单系统也有明显提升。BDS-3超长基线定位性能较差,而其他系统的加入能有效改善这一情况,可为今后超长基线单历元解算研究提供参考。

基于Galileo HAS服务的全球PWV反演验证分析

基于实时精密单点定位PPP的大气可降水量PWV反演技术近年来受到广泛研究,但目前该技术大多需利用网络通讯接收改正信息,这使其在通讯网络不能覆盖及因灾通讯受限地区的使用受到限制。2023年1月开通服务的Galileo系统高精度定位服务HAS(High Accuracy Service)为实现不依赖额外通讯手段的实时PWV反演提供了新手段。本文首先分析验证了Galileo系统HAS服务的卫星轨道和钟差改正信息精度,并将基于武汉大学IGS分析中心产品的PWV反演结果作为内部对比参考值、将基于ERA5数据及探空数据结果作为PWV结果对比的外部参考值,验证了基于HAS服务的PWV反演精度。结果表明HAS服务反演得到的PWV与两类参考值均具有较高的一致性。其中HAS服务计算得出的结果与IGS事后产品PWV解算结果的两序列差的RMS为2.91 mm,与探空数据的序列差的RMS为2.51 mm。初步验证了HAS可用于降雨的短时预报可行性。

北斗+Galileo多频单历元精密单点定位性能分析

精密单点定位(PPP)需数十分钟才能实现厘米级定位,充分利用多频多模观测数据可加速PPP收敛。本文基于大洋洲区域基准站数据,研究和分析了北斗+Galileo多频单历元精密单点定位性能。结果表明,多频观测值构建的超宽巷和宽巷模糊度对窄巷模糊度的固定有显著增益。相较于双频PPP整数解(PPP-AR),三频PPP-AR模糊度瞬时固定率由27.6%提升至69.2%,四频和五频则进一步提升至78.9%和76.9%。北斗+Galileo四频在东、北、天方向瞬时定位精度分别可达7.1、7.8、23.9 cm。

GPS/Galileo/BDS-3广播星历精度分析

为了分析当前GPS(Global Positioning System)、Galileo(Galileo Navigation Satellite System)和BDS-3(Beidou Navigation Satellite System with Global Coverage)广播星历的精度,详细分析研究了各种偏差改正及消除方法,并尽可能地消除了系统误差和粗差对评估结果的影响。选取2021-11-01/12-31共61天MGEX(multi-GNSS experiment)发布的多系统混合广播星历与武汉大学分析中心发布的事后精密星历数据进行实验,对GPS、Galileo和BDS-3近期广播星历精度进行对比分析,实验结果表明:3个系统广播星历整体精度由高到低依次是Galileo、BDS-3和GPS,其空间信号测距误差的RMS(root mean square)分别优于0.17、0.25和0.37 m,整体轨道精度的RMS分别优于0.17、0.12和0.25 m,BDS-3广播星历的轨道精度最高,钟差误差的RMS分别优于0.15、0.23和0.27 m,Galileo广播星历的钟差精度最高。对于GPS卫星的广播星历,blockⅢA卫星钟差和轨道精度均优于其他GPS类型卫星。

Galileo伪距硬件延迟对双频单点定位的影响分析

差分码偏差(Differential Code Bias,DCB)是高精度定位和电离层建模的主要影响因素之一。为探讨Galileo系统卫星端DCB改正对双频单点定位的影响,本文推导了Galileo 4种不同频点无电离层组合卫星端DCB改正公式。选取4个MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站连续7 d的观测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,分析改正与不改正DCB对Galileo定位性能的影响。结果表明:DCB改正对SPP定位精度和PPP收敛时间均有提升,但对PPP收敛后的定位精度几乎没有影响。其中,E1/E5b和E1/E5(a+b)组合提升较小,SPP精度提升为亚厘米至厘米级,PPP收敛速度提升率约为2.0%和5.2%;E1/E6组合提升较大,SPP精度提升为米级,PPP收敛速度提升率约为32.3%。E1/E5a、E1/E5b和E1/E5(a+b)组合SPP定位精度和PPP定位性能基本相当,优于E1/E6组合。

BDS-3/Galileo四频精密单点定位模型及性能分析

北斗三号系统(BDS-3)与欧盟伽利略系统(Galileo)都能提供四频及以上的卫星信号。为充分利用多频信号数据,提高定位精度和可靠性,建立了BDS-3/Galileo四频精密单点定位模型并进行了性能分析。首先在传统双频模型基础上推导了两个四频无电离层组合模型(QF1和QF2)和一个四频非差非组合模型(QF3),并给出了各模型组合系数、电离层和噪声放大系数等参数。其次分析了各模型参数对定位性能的影响。最后通过静态和仿动态PPP实验评估了各模型的定位性能,实验结果表明:提出的四频模型QF1、QF2、QF3静态PPP收敛时间相较于双频模型IF12缩短了约50%、57%、25%,收敛后定位精度分别提升约44%、44%、41%;动态PPP实验中,QF1、QF2、QF3模型所用收敛时间较IF12模型分别缩短约26%、26%、3%,收敛后定位精度分别提升约23%、22%、13%。QF1和QF2模型性能相当,优于QF3模型。

Galileo导航电文认证服务性能测试分析

近年来频发的全球卫星导航系统(GNSS)欺骗事件,引起了各国对GNSS信号欺骗防护的关注,导航电文认证(NMA)作为民用信号系统级的解决方案,对生成式欺骗攻击具有较好的防护效果。伽利略(Galileo)卫星导航系统在2016年首次提出导航电文认证方案,并于2021年正式发布了公开服务导航电文认证(OSNMA)测试信号。针对OSNMA服务的性能测试,首先对Galileo导航电文认证技术和终端的认证流程进行了阐述,然后利用GNSS接收机开展了关键性能指标的技术试验与仿真。结果表明,OSNMA服务各项指标符合预期,其交叉认证的选星策略具有一定的参考性。研究成果可为中国北斗导航系统(BDS)未来电文认证服务的设计提供支持。

高纬地区BDS-3/GPS/Galileo长基线单历元解算分析

分别进行了北半球高纬度地区BDS-3、BDS-3/GPS、BDS-3/GPS/Galileo长基线单历元解算实验。结果表明,高纬度地区BDS-3长基线单历元定位性能较优,定位精度可达厘米级,模糊度固定率可达91%以上;随着GPS和Galileo的加入,不仅改善了BDS-3单独定位的卫星可见数和PDOP值,还较大程度地提升了BDS-3单独定位的精度与模糊度固定率,水平最优精度优于1 cm,高程最优精度优于3 cm,模糊度固定率接近100%,可为今后高纬度地区的导航定位提供一些参考。

多频BDS-3/Galileo/GPS长基线相对定位性能分析

为充分发挥BDS-3和Galileo多频信号的定位优势,对BDS-3和Galileo四频宽巷组合进行优选,并基于优选后的组合构建适用于BDS-3单系统、Galileo单系统、BDS-3/Galileo双系统和BDS-3/Galileo/GPS三系统的多频定位模型,通过对多频长基线数据进行测试,对比分析4种定位模式下的定位精度和稳定性。结果表明,在对长度超过500 km的长基线进行定位解算时,BDS-3单系统定位精度优于Galileo单系统;水平和垂直方向上BDS-3/Galileo双系统组合定位精度均可达到dm级,较BDS-3单系统提升幅度分别在10%和25%以上,稳定性也有明显改善;BDS-3/Galileo/GPS三系统定位精度较双系统也有提升,提升幅度在10%左右;双系统和三系统的相对定位精度均达到1×10-9m量级,可以满足长基线精密定位要求。卫星系统的增加不仅可增大可视卫星数,还可增强卫星的几何结构,从而有效提高定位精度和稳定性。

NTSC时频比对中的Galileo E3总时延校准

为了提升时间传递链路的可靠性,国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)自2020年起将Galileo时间比对正式作为UTC(Coordinated Universal Time)计算的备份链路,因此对接收机Galileo信号时延校准是全球各守时实验室参与UTC链路的必要工作.以德国物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)和中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)已校准的GPS(GlobalPositioning System)链路为参考,将PT09接收机设为参考站,对NTSC的NT02和NT05两台不同型号接收机的GalileoE3(GalileoE1&E5a)总时延进行校准并验证.结果表明:NT02和NT05GalileoE3总时延分别为74.6ns和46.5ns,校准不确定度均为3.5ns,且校准时延比较稳定;NT02和NT05校准后与其他守时实验室已校准接收机的GPSP3和GalileoE3链路的共视比对结果基本一致;以NTP3与其他实验室接收机GPSP3链路的共视比对结果为参考,其偏差均值均小于1.5ns,在校准不确定度范围内.

Galileo长基线定位中四频电离层延迟改正方法分析

针对电离层延迟会对长基线定位精度造成影响的问题,提出一种采用Galileo四频信号的四频弱电离层组合方法,通过构造弱电离层相位组合观测值建立定位方程,进而采用最小二乘平差方法实现弱电离层组合模糊度和三维基线坐标参数的解算。采用Galileo四频数据对比分析了四频IR组合方法和基于FCAR模型的电离层延迟参数估计方法的长基线定位精度,实验结果表明,当基线长度超过500 km时,四频IR组合方法在水平和垂直方向的定位精度均可达到dm级,相较于电离层延迟参数估计方法,可以有效改善水平和垂直方向的定位结果,定位精度提升幅度可分别达到15%和30%以上。相对定位精度达到1×10^(-9)m,满足高精度相对定位要求。

BDS-3/Galileo重叠频率短基线紧组合相对定位性能初步评估

为评估松组合和紧组合模型在BDS-3/Galileo短基线相对定位的适用性,本文以自采集短基线实测数据为例,分别进行了双频、单频紧组合和松组合短基线解算实验。实验结果表明,紧组合在一定程度上可以改善松组合卫星可见数与卫星空间几何构型,2种模型下B1CB2a/E1E5a和B1C/E1短基线相对定位水平精度都优于1 cm,高程精度都优于2 cm,模糊度固定率都在95%以上,而紧组合模型相比松组合模型在这几方面略有提升,提升量在5%以内。

Galileo数和Eötvös数对剪切稀化流体内气泡非稳态运动特性的影响

为了探究气泡在剪切稀化流体内的非稳态运动特性,笔者利用VOF方法结合连续表面张力模型研究了Galileo数和Eötvös数对气泡水动力学特性的影响。结果表明:气泡在剪切稀化流体内运动时的水动力学特性与Galileo数和Eötvös数密切相关;当流变指数和特征时间给定时,Galileo数和Eötvös数的增大(即表面张力和零剪切黏度的减弱)均会导致气泡非稳定运动的出现。因此,提高Galileo数和Eötvös数能够促进剪切稀化流体内气泡非稳态运动的发生,有利于相间的质量和热量传递。

中国及周边区域BDS-3不同星座与Galileo组合SPP、PPP、RTK性能分析

为分析BDS-3不同星座对Galileo定位系统的影响,本文基于中国及周边区域多个IGS跟踪站,对比分析了BDS-3不同星座与Galileo组合SPP、PPP、RTK性能。实验结果表明,IGSO卫星和GEO卫星都能提升Galileo定位性能,但MEO卫星优于数量优于IGSO卫星,因此提升效果优于IGSO卫星;MEO卫星使Galileo系统SPP定位精度提升量在分米级,使PPP和RTK定位精度提升量在厘米级;GEO卫星加入解算没有影响,原因有待进一步分析。

基于Hatch载波相位平滑算法的Galileo双频精密单点定位性能研究

为评估Hatch载波相位平滑算法对精密单点精度的影响,以多个MGEX跟踪站数据为解算数据,进行了滤波前后Galileo双频精密单点定位解算实验。实验结果表明,E1/E5a、E1/E5b双频组合精密单点定位精度可以达到厘米级,而E5a/E5b双频组合精密单点定位精度较差,不适合进行组合定位。Hatch载波相位平滑算法能在一定程度上提升Galileo双频精密单点定位精度,但提升程度较小,提升量都在10%以内。

中国区域内单Galileo卫星导航系统定位性能评估

随着欧盟伽利略(Galileo)卫星系统的全面完成组网建设,其在中国区域定位性能需进一步进行评估。本文利用中国及周边区域的6个多全球导航卫星系统(GNSS)实验系统(MEGX)测站分别从卫星可视数、定位位置精度因子(PDOP)值和静态精密单点定位技术(PPP)方面对单Galileo卫星系统在中国区域内的定位性能进行了研究。结果表明:当卫星高度角设置为7°时,24 h内各测站可接收到的平均卫星数约为7.3颗,定位PODP约为2.2,能较好地满足中国区域全天候单点定位;对于单天静态解和4 h静态解,无论是非差非组合还是无电离层组合,均可实现在水平方向小于2.3 cm,高程方向小于4.5 cm的定位精度,且6个测站的平均收敛时间约为36.4 min;根据卫星可视数和PDOP值分布可知,中国的东部、中部和南部卫星可视数和PDOP值最好,Galileo定位服务性能在该区域相对更优。