顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法

BDS-3高稳定星载原子钟作为北斗星座的显著技术优势,在GNSS数据处理中尚未得到充分利用。针对严格时效性限制下GNSS超快速轨道钟差参数精度受限问题,本文提出顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法。首先,以GNSS轨道钟差参数间相关性为基础,构建顾及BDS-3星钟参数特性的GNSS定轨模型;然后,基于GNSS精密钟差产品,分析星钟约束对GNSS轨道钟差参数精度的影响规律;最后,为克服预报钟差精度与约束筛选对定轨影响,建立BDS-3星钟建模与GNSS超快速轨道钟差估计的同步处理方法。试验结果表明,在BDS-3星钟参数最优约束下,BDS-3与GPS轨道钟差精度可分别提升27.5%、5.1%和20.2%、5.2%;且较传统BDS-3星钟单历元处理策略,基于BDS-3星钟建模与GNSS超快速定轨同步处理方法,GNSS超快速轨道钟差精度可分别提升至4.8%与34.2%,轨道精度实现了毫米级改善。因此,顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法可有效对BDS-3高稳星钟信息模型化,并实现GNSS超快速轨道钟差精度的优化处理。

BDS-3新频点信号双频精密单点定位精度分析

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite System,BDS)已于2020年7月正式建成并开通,北斗三号(BDS-3)在旧信号B1I和B3I的基础上,增加了B1C、B2a新信号.为了全面评估BDS-3的新信号B1C、B2a的定位性能,试验了GPS (Global Positioning System)、BDS-3、BDS-2/BDS-3新旧信号的定位性能和BDS系统不同频点与GPS组合定位性能,对BDS (B1I+B3I、B1C/B2a)+GPS (L1+L2)组合静态PPP (Precise Point Positioning)定位性能进行分析,并与单卫星系统对比分析.试验结果表明:BDS-3 (B1C/B2a)在East (E)、North (N)、Up (U)方向的定位精度优于1.25 cm、0.89 cm、1.67 cm,BDS-3新旧频点在E、N方向上定位精度与GPS L1/L2在同一水平上,U方向上新频点定位精度高于GPS L1/L2和BDS-3旧频点,较旧频点定位精度提升了34.2%,新频点收敛时间25.9 min比旧频点提升了12.7%;相较于BDS、GPS单系统,组合系统BDS/GPS定位精度和收敛时间有了明显的提高,BDS-3 (B1C/B2a)+GPS在E、N方向上与BDS-3 (B1I/B3I)+GPS定位精度相当,在U方向上定位精度前者较后者有了明显的提升,提升了17.2%,组合系统新频点收敛时间20.1 min比旧频点提升了17.6%.

中国地震科学实验场BDS-3定位精度和地壳运动初步分析

我国BDS-3卫星导航系统于2020年7月建成,并为全球用户提供服务,自此开始,中国地震科学实验场(简称“实验场”)的GNSS测站相继接收BDS-3卫星数据,目前已经积累了2年多的观测数据,为BDS-3应用于川滇地区地壳运动监测提供了重要平台和数据保障。为评估实验场BDS-3观测数据的精度及其应用于地壳监测的可行性,本文首先根据各测站所记录的BDS-3的B1I和B3I两个频点的多路径效应和信噪比与卫星高度角之间的关系,对BDS-3的数据质量进行评价。然后,基于高精度数据处理软件GAMIT/GLOBK (10.7版)对各测站同期记录的BDS-3和GPS数据分别进行处理,得到BDS-3和GPS坐标时间序列。基于包括线性项、年周期项和半年周期项等分量的函数模型,利用极大似然法分别对BDS-3和GPS时间序列进行拟合估计,得到各测站的线性速度、年周期和半年周期信号,并对拟合结果对比分析,评定BDS-3和GPS的定位精度。最后,讨论BDS-3定位精度的影响因素和BDS-3水平速度场的区域性特征。研究表明:实验场BDS-3与GPS原始数据质量相当,BDS-3坐标时间序列的均方根残差(RMS)的平均值在N、E、U方向上分别为4.42、4.25和8.34 mm,稍大于GPS的结果。BDS-3与GPS速度场在E方向存在约2.0 mm/a系统性差异。在区域分布特征方面,BDS-3和GPS的速度场、周年期和半年信号没有明显差别。认为目前影响BDS-3定位精度的因素主要为卫星轨道产品不够完善,经验型太阳光压模型和卫星天线相位中心改正模型等欠缺。造成BDS-3和GPS速度场差异的原因主要为两者的定位基准不一致。随着实验场BDS-3观测数据的积累和数据解算模型的改进,BDS-3可望达到GPS的定位精度,并形成独立于GPS的监测系统,为该区地壳运动监测和地震预测提供优质的大地测量产品。

多路径误差对BDS-3变形监测精度的影响

为定量分析BDS-3观测值多路径误差对变形监测精度的影响,选取包含7个站点的某水利工程2022年共128 d的BDS-3监测数据,对监测站点周围树木裁剪树枝前后BDS-3观测值多路径误差、变形监测精度及二者的相关性进行研究。结果表明:1)多路径误差与BDS-3变形监测精度间存在强相关性,与其平面和高程精度的相关系数分别大于0.93和0.81;2)监测站点周围树枝裁剪后,使用B1I和B3I观测值的平均多路径误差从0.676 m、0.426 m降低至0.329 m、0.230 m,N、E、U方向的平均监测精度分别达0.9 mm、0.8 mm、1.7 mm和1.1 mm、1.0 mm、2.2 mm,较裁剪树枝前分别提高63%、69%、58%和52%、61%、48%;3)改变周围观测环境削弱多路径误差的影响后,使用B1I观测值的精度优于使用B3I观测值的精度,因此在BDS-3短基线变形监测的应用中推荐使用B1I观测值。

BDS-3 PPP-B2b实时精密时间同步方法探讨

针对传统实时精密单点定位(PPP)时间同步方法需要连接互联网,以及对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)精密单点定位服务信号(PPP-B2b)用于长基线实时时间同步的研究较少的问题,提出一种将PPP-B2b信号用于PPP时间同步的实时时间同步方法:将高精度铷原子钟作为全球卫星导航系统(GNSS)接收机外频标输入,通过GNSS接收机实时接收PPP-B2b改正数,解算接收机钟差并实时调整铷原子钟,输出与时间基准同步的秒脉冲(1PPS)信号,较之传统GNSS接收机输出1PPS有更佳的频率稳定性;设计PPP-B2b时间同步硬件测试平台对提出的PPP-B2b时间同步方法进行测试。结果表明,通过PPP-B2b时间同步方法进行时间传递的精度优于0.2 ns;短基线实测实时时间同步精度优于0.95 ns;卫星模拟器仿短基线精度优于0.87 ns,仿长基线精度优于0.9 ns。

BDS-3 B2b-PPP URA评估精化与播发方法

用户距离精度指数(URAI)作为导航系统定位服务完好性标识,在提供卫星可用性信息的同时,也反映了卫星的轨道钟差精度。本文提出将B2b电文中随轨道改正数播发的URAI信息恢复为用户距离精度(URA),并用于B2bPPP的随机模型构建。对其进行定位性能评估,发现B2b自身播发的URA精度较差。针对该问题,利用分布在中国及周边区域的多个全球卫星导航系统(GNSS)监测站对B2b的URA参数进行重估计。实验结果表明:精化后的URA能显著提升B2b-PPP的服务性能。相比于仅考虑观测噪声和高度角的随机模型,使用精化后的URA作为随机模型,动态和静态定位模式下的收敛时间提升分别达到18.9%、14.5%;收敛后定位精度提升分别达到11.2%、8.9%。在此基础上,进一步结合北斗卫星导航系统(BDS)短报文,提出一种精化后URA的播发方法,结合现有短报文通信效率进一步分析了精化URA的用户使用性能。

不同IGS分析中心BDS-3实时精密轨道和钟差产品精度评估

以2022-11连续7 d的精密星历作为参考,对5家机构(CAS、CNES、GFZ、SHA和WHU)提供的BDS-3实时精密产品进行精度评估。结果表明,目前CAS可提供的BDS-3卫星实时精密产品数量最多,但MEO卫星钟差精度最低,超过0.4 ns;GFZ播发的IGSO卫星产品质量最差,径向轨道误差超过30 cm,钟差精度大于0.8 ns;WHU的产品数据质量最好,径向轨道误差优于4 cm,钟差精度约0.16 ns,但其可用卫星数仅19颗。在定位端,对各机构的实时精密产品进行双频无电离层动态实时PPP定位性能对比,结果显示,CNES、SHA、WHU实时产品定位精度处于同一水平,水平、高程方向总体定位误差约为0.2 m。综合考虑可用卫星数及实时产品数据质量,推荐实时PPP用户使用CNES或SHA实时产品。

BDS-3全球短报文2种低轨卫星几何法定轨

针对低轨卫星实时在线精密定轨难以获取实时改正数问题,提出基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)全球短报文播发距离改正数和状态空间表达(SSR)改正数的低轨卫星精密定轨方法。基于提出的距离改正数和SSR改正数编码播发方案,利用Swarm A卫星7 d星载全球卫星导航系统(GNSS)数据进行验证,从定轨精度以及处理效率2方面进行分析,结果表明:基于BDS-3全球短报文播发的改正数可以实现低轨卫星几何法定轨精度约为0.1 m,且基于SSR改正数的低轨卫星定轨精度优于距离改正数。非差非组合模型的定轨精度略优于无电离层(IF)组合定轨精度;当BDS-3全球短报文通信成功率为90%时,定轨精度下降约15%。在处理效率上,IF组合较非差非组合提升明显,2种方法在主频为1.6 GHz的个人笔记本上单历元处理时间均小于0.003 s。

BDS-3单频三种差分定位方法的性能初步评估

为进一步分析北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)B3I、B1C、B2a和B1I单频差分定位精度,利用全球14个MGEX测站构成基线长度在30km以下的7条基线2022-09-01到2022-09-30共30d观测数据,在评估可视卫星数和信噪比基础上,初步评估了BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I单频伪距差分、载波平滑伪距差分和载波相位差分定位精度。结果表明:数据质量方面,BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I可见卫星数和信噪比基本符合解算需求;差分性能方面,B1C和B2a相当,B3I和B1I略差;伪距差分E、N、U方向优于0.6m,点位精度优于0.8m,单频平滑效果B1C优于B3I、B1I和B2a,在E、N、U方向分别平均提升21.34%、22.2%和17.17%。设置平滑值和原始伪距阈值定位精度得到较好的提升;BDS-3载波相位差分B3I定位精度优于7 cm,B1C定位精度优于5 cm,B2a定位精度优于6 cm,B1I定位精度优于5cm。总体定位精度随着基线长度逐渐下降,单频伪距差分定位精度达到分米级,载波平滑伪距中短基线定位精度相较于伪距差分能够提升40%,长基线提升20%,载波相位差分为用户提供厘米级定位精度。

BDS-3卫星钟差改正数短期预报方法研究

针对RTS实时数据流产品在网络传输中存在的延迟以及数据中断等问题,文中结合BDS-3卫星钟差改正数的特点,分析实时数据流中BDS-3卫星钟差改正数的完整率和精度,提出一种基于一次差分和滑动时间窗口的残差修正钟差改正数短期预报模型。利用文中模型与一次多项式模型、基于一次差分的一次多项式模型和灰色模型进行BDS-3卫星钟差改正数预报精度的对比实验,结果表明,文中模型的预报精度最高,5 min、10 min、15 min和20 min的平均预报精度分别达到0.12 ns、0.14 ns、0.19 ns和0.20 ns,有效降低误差累积效应对预报精度的影响,对于RT-PPP的研究和应用具有重要的意义。

不同纬度GPS/BDS-3精密单点定位性能分析

为分析不同纬度区域GPS/BDS-3组合精密单点定位精度及其收敛时间,实验选取了MGEX(Multi-GNSS experiment)7个测站连续14 d的观测数据,对GPS/BDS-3组合进行精密单点定位(PPP)技术定位性能分析,并与GPS、BDS-3单系统进行对比。结果表明,无论是静态定位还是动态定位模式下,由于低纬度地区电离层较为活跃,导致数据质量较差,测站的收敛时间比高纬度测站长。此外,在静态定位模式下,GPS/BDS-3组合在水平方向定位精度优于0.8 cm,高程方向优于1.4 cm;GPS/BDS-3组合对于BDS-3单系统而言在水平方向定位精度提高了26.3%,高程方向提高了42.9%。在动态定位模式下,GPS/BDS-3组合在水平方向定位精度优于1.8 cm,高程方向优于3.8 cm;GPS/BDS-3组合对于BDS-3单系统而言在水平方向定位精度提高了35.59%,高程方向提高了56.10%。

附加先验信息约束的BDS-3精密授时算法

考虑到高性能原子钟的高稳定性及对应站钟钟差序列历元间强相关等特点,对接收机钟差附加先验信息约束进行精密单点定位授时测试。基于BDS-3的B1C/B2b观测信息测试结果表明,相比于传统授时模型,附加先验信息的精密授时模型具有更高的授时性能,尤其是短期稳定性提升效果可达60%。此外,BDS-3的B1I/B3I和B1C/B2b组合观测值PPP精度基本相当,均可获得水平方向优于0.5 cm、高程方向约2 cm的定位精度;得益于B1C/B2b更高的观测数据质量,其定位精度较B1I/B3I组合提高13.8%。

复杂环境下GPS+BDS-3 PPP/INS紧组合算法性能分析

针对城市复杂环境下精密单点定位(PPP)连续高精度定位受限的问题,本文基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)与全球定位系统(GPS)双系统,利用PPP与惯性导航系统(INS)紧组合算法来改善城市复杂环境下定位性能。通过构建GPS+BDS-3双系统PPP/INS紧组合滤波模型,分别对GPS PPP、GPS+BDS-3 PPP、GPS PPP/INS紧组合、GPS+BDS-3PPP/INS紧组合4种方案在城区开阔、复杂环境下的定位、测速、定姿性能进行了分析和评估。实验结果表明,开阔环境下PPP/INS紧组合相比PPP定位精度略有提升;而在复杂环境下PPP/INS紧组合可显著解决PPP定位结果连续性和有效性较差的问题;引入BDS-3后,PPP/INS紧组合导航性能进一步提升,GPS+BDS-3 PPP/INS紧组合相比GPS PPP/INS紧组合,在东、北、天方向上,开阔环境下定位精度分别提升18.5%、32.7%、43.2%,复杂环境下定位精度分别提升35.9%、49.1%、56.5%。

基于BDS-2/BDS-3的精密单点定位方法与结果分析

目前,北斗三号全球卫星导航系统全面开通,支持BDS-3导航芯片、模块等的关键技术已经全面突破。作为一种高精度定位技术,精密单点定位(PPP)已经被广泛应用,与此相关的是,基于BDS-3的PPP定位研究已经成为当前研究的热点。本文选用MGEX跟踪站的实测数据,对比分析了BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3和GPS等4种不同PPP定位解算模式下的静态和动态PPP定位精度,结果表明,BDS-3卫星的加入明显提高了PPP定位精度,静态和动态PPP 3个方向的定位精度均有较大提升。

南极地区BDS-3新频率性能评估

针对BDS-3新频率B1C和B2a在南极地区定位性能评估问题,本文基于南极地区CAS1站连续7 d数据,分别进行了BDS-3新频率伪距与精密单点定位实验。实验结果表明,南极地区BDS-3新频率单点定位性能较优,B1C频率和B2a频率伪距单点定位精度可以达到米级,B1C/B2a静态精密单点定位精度可以达到厘米级,仿动态精密单点定位水平精度在厘米级,高程精度在分米级,可为今后研究BDS-3在南极地区的定位性能提供一定的参考。

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。

ISB参数估计在BDS-2/BDS-3单点定位应用中的分析

BDS-2和BDS-3之间存在的系统间偏差是影响其组合定位性能的重要因素,基于多个MGEX跟踪站数据,分析了随机游走ISB模型在BDS-2/BDS-3伪距单点定位与精密单点定位中的应用。实验结果表明:是否估计ISB对BDS-2/BDS-3 B1I和B3I单频伪距单点定位精度影响较小,最大影响量不到5%;是否估计ISB对BDS-2/BDS-3 B1I/B3I双频静态与动态精密单点定位精度影响较大;估计ISB相比未估计ISB在E、N、U 3个方向精度的提升量均在14%以上,其中E方向定位精度提升效果最为明显,静态精密单点定位最大提升量达到了44.9%。

基于粒子群算法优化小波神经网络的BDS-3钟差预报研究

针对目前对于BDS-3钟差预报研究较少、BDS-3钟差预报模型不足的问题,提出利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化小波神经网络(Wavelet Neural Network,WNN)的BDS-3钟差预报模型,粒子群算法可以有效解决小波神经网络的权值和阈值的选择问题。该模型符合BDS-3钟差数据的特点,并且可以充分发挥粒子群算法优化的小波神经网络在非线性数据预报方面的优势。同时,利用IGS数据构建粒子群算法优化的小波神经网络BDS-3钟差预报模型,通过和GM(1,1)钟差预报模型、小波神经网络预报模型进行对比,说明了本研究的粒子群算法优化小波神经网络BDS-3预报模型具有较高的预报精度、模型稳定性更好、预报使用时间更少。由此证明,利用粒子群算法优化小波神经网络模型进行BDS-3钟差预报是具有可行性的。

铁路连续运行基准站BDS-3信号质量及PPP性能分析

为评价当前铁路沿线建立的连续运行基准站网的北斗三号卫星导航系统(BDS-3)信号的可靠性,使用G-Nut/Anubis对BDS-3的B1I/B3I和B1C/B2a信号进行观测数据质量分析,并基于无电离层组合精密单点定位(PPP)观测模型,分别采用欧洲定轨中心(CODE)、欧洲航天局(ESA)和德国地学研究中心(GFZ)的精密轨道和钟差产品进行B1I/B3I、B1C/B2a两种BDS-3双频组合静态PPP解算。与全球定位系统(GPS)对比的结果表明,BDS-3采用CODE产品和B1I/B3I组合模型可以达到最优的定位性能,结果精度与GPS相当。因此,在铁路连续运行基准站网测量应用中可以使用单北斗卫星导航系统(BDS)。