北斗新频点B1C/B2a精密单点定位综合性能

为对比北斗三号卫星导航系统新老信号的定位性能,利用连续两周17个MGEX测站观测数据对BDS-3新频点B1C/B2a消电离层组合精密单点定位(PPP)服务进行全面评估。结果表明,单系统BDS-3 B1C/B2a静态PPP在E、N、U三方向的精度分别为1.3 cm、0.8 cm、1.9 cm,仿动态E、N、U三方向的精度分别为2.6 cm、1.8 cm、4.2 cm;与BDS-3 B1I/B3I组合相比,静态E、N两方向精度相当,U方向提升13.6%,仿动态三方向精度相当,差值在1 mm以内。BDS-3 B1C/B2a静态PPP三维精度40 min可达cm级,仿动态PPP三维精度5 min达到dm级。双系统BDS-3 B1C/B2a+GPS L1/L2静态PPP三维精度20 min达到cm级,仿动态PPP三维精度30 min达到cm级;与双系统BDS-3 B1I/B3I+GPS L1/L2对比,两者定位精度和收敛速度基本一致。综上所述,可以证明B1C/B2a信号的定位性能优于B1I/B3I信号。

一种LM-BP加速搜索的周跳探测与修复方法

针对传统三频周跳探测与修复方法中的不敏感、漏检以及效率较低等问题,提出一种基于莱文伯格-马夸特(LM)-反向传播(BP)神经网络加速搜索法的伪距相位组合与电离层残差组合联合周跳探测与修复方法:利用2个伪距相位组合以减少不敏感周跳数量,利用1个电离层残差组合以提高小周跳探测敏感度;在构成3个线性无关的组合观测值后,使用LM-BP加速搜索算法进行周跳探测与修复。实验结果表明,相对常规的伪距相位组合与电离层残差组合联合方法,该方法能够提高周跳探测与修复性能,可探测小至1个的周跳,探测与修复整体时效有较大提升。

卫星导航中电离层误差校正技术现状与发展

电离层误差严重影响着GNSS的定位精度,GPS、BDS、Galileo、GLONASS有不同的电离层误差校正方法.全文概述了电离层误差校正方法,综述了单频电离层误差校正、双频电离层误差校正及多频电离层误差校正等技术的原理与发展现状.在单频电离层误差校正技术中总结了增强系统中的电离层误差校正技术、北斗全球电离层延迟修正模型(BeiDou global ionospheric delay correction model,BDGIM)、Klobuchar模型、单频电离层误差校正技术的优化—附加国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)约束模型和NeQuick-G模型;在双频电离层误差校正技术中重点总结了双频消电离层误差、无电离层组合模型及PPP-RTK技术中电离层误差校正方法;在多频电离层误差校正技术中介绍了高阶项改正和地磁场建模对电离层误差校正技术的优化与改进.最后,对电离层误差校正技术及其改进方法进行了分析,总结了其发展趋势与方向.

基于滑窗初始点dSTEC定权的全球实时电离层综合

自2017年起,国际GNSS服务组织(IGS)部分电离层分析中心先后提供全球实时电离层校正服务。针对实际应用中单一分析中心实时电离层产品存在的可靠性差问题,本文提出了基于滑窗初始点差分斜向总电子含量(dSTEC)定权的全球实时电离层综合方法。以中国科学院(CAS)、法国空间研究中心(CNES)、西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)及武汉大学(WHU)实时产品为基础,实现了实时全球电离层地图(RT-GIM)产品的例行综合。从电离层延迟误差修正、单频标准单点定位(SF-SPP)及单频精密单点定位(SF-PPP) 3个方面,分析2022年2月15日至2022年3月15日综合RT-GIM产品的应用性能。以IGS事后GIM为参考,本文综合RT-GIM与UPC综合RT-GIM对应的RMS为分别为3.30和3.20 TECU,二者精度相当;以定位残差95%分位数为统计量,与IGS事后GIM产品相比,综合RT-GIM对应的SF-SPP及SF-PPP精度分别低7.7%和4.9%;与北斗三号广播电离层模型BDGIM相比,综合RT-GIM对应的SF-SPP及SF-PPP精度分别提升了15.9%和9.5%。自2022年起,CAS综合RT-GIM产品已例行提交至IGS。

双频载波相位变化率与电离层残差法联合探测周跳

针对双频定位高精度数据处理过程中观测值含有周跳的问题,提出一种联合改进后的双频载波相位变化率与电离层残差的组合探测方法:首先在原始载波相位变化率法的基础上计算双频观测值的探测量,用以探测并修复大部分周跳;然后采用电离层残差作为检验量继续对双频观测值进行探测,实现对探测盲点下漏检周跳的修复。实验结果表明,该算法可以较全面、准确地探测出双频数据中存在的周跳,且探测过程较为迅速。

顾及电离层延迟的BDS-3四频长基线定位算法

针对长基线定位中电离层延迟对定位精度造成的影响,本文提出了一种基于BDS-3四频信号(B1C/B1I/B2a/B3I)的四频消电离层(IF)组合方法,采用消电离层组合观测值消除电离层延迟误差,联合模糊度改正后的超宽巷或宽巷组合观测值构建定位方程,从而实现原始窄巷模糊度和基线位置坐标的解算。试验采用BDS-3四频数据对四频IF组合方法和基于GB-FCAR模型的电离层延迟参数估计方法的定位精度进行对比分析。结果表明,在对长度超过500 km的长基线进行定位解算时,四频IF组合方法可以实现电离层延迟误差消除。与电离层延迟参数估计方法相比,四频IF组合方法水平和垂直方向的定位精度均达分米级,提升幅度分别达35%和40%以上,定位精度显著提高,其相对定位精度可达1×10^(-9)m,满足长基线相对定位的要求。

一种非差非组合PPP估计卫星DCB的改进算法

提出一种基于非差非组合PPP估计卫星DCB的改进算法,该算法同时利用非差非组合PPP和载波相位平滑伪距提取斜向电离层观测值,基于单站电离层建模分离电离层观测值中的垂向电离层延迟,并假设卫星DCB之和为0以消除秩亏,最后基于加权最小二乘平差方法同时估计DCB和电离层延迟等参数。由于两类电离层观测值的精度存在差异,随机模型会出现权比失调问题。对此,引入方差分量估计方法,基于方差分量估计的残差向量,利用后验估计的方式迭代调整两类电离层观测量权比,从而达到优化随机模型的目的。利用MGEX测站数据验证算法的有效性,结果表明,本文方法卫星DCB估值精度为0.32 ns,相比传统载波相位平滑伪距方法和等权比融合两类观测值方法分别提升52.24%和43.86%。

BDS实时精密动态定位最优观测值弹性选取方法

传统的BDS精密动态定位的处理方法通常是根据基线长度的经验阈值来确定采用原始观测值或无电离层(IF)组合观测值,而不同区域、不同时间的电离层延迟是不同的,在基线长度阈值固定的情况下很难得到最优解,尤其是在基线长度连续变化的动态定位中。本文提出了一种最优观测值弹性选取(FOS)方法用于动态基线的BDS实时定位,新方法基于不同观测值的测量噪声和双差观测值电离层残差的关系确定基线解的最优观测值。当电离层残差大于IF观测值测量噪声时,IF方法将优于原始B1观测值,反之,B1观测值将更优。静态测试结果表明,FOS方法的定位结果相对于B1方法在E、N、U方向上分别提高了约9.6%、7.5%和11.4%,相对于IF方法,精度分别提高了8.6%、9.9%和12.2%;相对于B1和IF方法,FOS方法在动态测试E、N、U方向上分别提高了11.1%、13.7%、17.0%和8.3%、10.7%、13.8%,模糊度固定率分别提高了16.9%和10.2%。

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。

不同模式下BDS动态PPP精度分析

针对接收机可能存在解码差异,导致北斗卫星导航(区域)系统(BDS-2)与北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)间存在系统偏差(ISB)的问题,分析不同模式下北斗卫星导航系统(BDS)动态精密单点定位(PPP)精度:通过2种组合4种ISB处理场景下的BDS动态PPP实验,给出分析结果。结果表明,B1I/B3I信号可见卫星数和位置精度因子(PDOP)均最优,B1C/B2a和L1/L2信号可见卫星数和PDOP均相当;在无电离层组合模式下,大多数测站采用白噪声ISB估计更易加速收敛,与不估计ISB相比,在东(E)、北(N)、天(U)方向的收敛时间分别提升了-0.47%、3.18%和0.94%,收敛精度分别为1.90、1.70、5.44 cm;与无电离层组合模式相比,非差非组合受不同ISB估计的影响差异更大,因此,在使用非差非组合时,一定要选择合适的ISB估计策略;B1C/B2a组合在BDS-2服务范围外,表现出更好的动态PPP定位性能。

基于不同PPP模型的北斗三号相位小数偏差估计与新特性分析

相位小数偏差(UPD)的精确估计是实现精密单点定位(PPP)非差模糊度固定的重要前提.常用的PPP模型主要分为无电离层组合(IF)模型与非差非组合模型两类,针对两类模型所采用的UPD估计方法有所不同.首先从理论上推导证明了在采用相同处理策略的前提下,基于IF模型与非差非组合模型UPD估计的一致性;进一步采用全球均匀分布的45个国际GNSS服务(IGS)测站观测数据估计了北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)UPD产品,并分析两种估计模型获得的UPD产品的时间稳定性与一致性.结果表明:BDS-3宽巷(WL)UPD与窄巷(NL)UPD均保持较高的稳定性,10日WL UPD的平均标准差为0.0607,单日NL UPD平均标准差为0.0599.针对北斗二号卫星导航系统(BDS-2),两种模型估计得到的UPD结果具有较高的一致性;然而,BDS-3卫星的UPD结果出现与卫星轨道类型和生产厂家的相关特性,不同轨道类型、不同生产厂家之间的卫星UPD存在0.5周左右的显著差异,同一轨道类型、同一生产厂家的北斗卫星之间具有一致性,推测BDS-3不同轨道类型、不同生产厂家生产的卫星对应的接收机端硬件延迟存在系统性偏差.通过估计不同轨道类型、不同生产厂家卫星对应的接收机端硬件延迟偏离进一步验证了该结论,同时探讨了该新特性对于PPP与模糊度固定的影响.

BDS、GPS、Galileo两种三频SPP模型对比分析

针对当前BDS、GPS、Galileo多种三频组合,利用全球多个MGEX测站数据,对比分析了BDS、GPS、Galileo三频非差非组合和三频无电离层两两组合模型下的SPP精度。结果表明,BDS-2/3卫星可用性最优,BDS-2三频组合SPP精度最差,但其三频非差非组合SPP精度优于三频无电离层两两组合精度;其余三频非差非组合SPP精度相当,但三频无电离层两两组合SPP精度优于三频非差非组合精度,且提升量在米级,除BDS-3 B1I/B2b/B3I组合外,BDS-3、BDS-2/3、GPS、Galileo三频无电离层两两组合SPP水平精度优于1 m,高程精度优于2 m。

GPS现代化后电离层折射误差高阶项的三频改正方法

研究了电离层对GPS观测信号的主要影响及电离层折射误差模型,总结了电离层双频改正模型。针对GPS现代化中增加的第三频率,系统推导了三个频率的电离层改正模型及相位观测值无电离层组合(LC组合)模型。该模型将电离层折射误差模型改正至二阶项,可进一步提高GPS定位精度,同时,为GPS定位中其他误差的改正及分离、周跳的探测等提供了有力的技术手段。

三频GNSS电离层周跳处理

在分析三频无几何无电离层组合特性的基础上,构造了3个线性无关的三频无几何无电离层组合作为周跳探测检验量,以解决电离层延迟活跃期时的周跳处理问题。为保证周跳修复的准确性,提出采用两次历元差分后的电离层残差值对周跳修复值进行验证与确认。通过高电离层延迟条件下的三频观测数据对本文算法进行了验证分析。试验结果表明,该方法可实现高电离层延迟条件下对周跳的探测与修复,并可适用于三频实时、非差导航定位的周跳处理。

基于GAMIT的GPS长基线解类型分析及应用

GPS基线解算是高精度GPS相对定位数据处理过程中的一个重要环节。针对GPS长基线中如何有效消除电离层折射影响,GAMIT软件提供了两种长基线解算模型LC_AUTCLN和LC_HELP。本文通过对两种模型的理论分析与实验验证,结果表明在电离层稳定阶段进行10h的GPS连续观测,两种模型的基线解基本收敛且精度相当,若在电离层活跃的赤道附近建议采用LC_AUTCLN基线解。

一种GNSS网络RTK改进的综合误差内插方法

在全球导航卫星系统(GNSS)网络RTK综合误差内插法(CBI)的基础上,提出了一种改进的综合误差内插方法(MCBI)。该方法把综合误差分为对流层模型改正、一阶电离层影响和除一阶电离层影响外的其他综合影响3个部分。实例证明了该方法不仅在精度上比综合误差内插法要高,而且更利于流动站的应用。

中长基线三频GNSS模糊度的快速算法

通过研究三频最优组合观测值,分析制约中长基线三频模糊度快速解算的主要因素是残留对流层延迟。在此基础上,提出一种中长基线三频模糊度快速解算新方法,该方法先以较高成功率快速固定两个超宽巷模糊度,然后用这两个模糊度固定的超宽巷组合与任一窄巷组合构成无几何误差和无电离层延迟的新组合。由于该组合只受随机噪声的影响,通过对多历元浮点模糊度平均值舍入取整即可准确地固定中长基线的窄巷模糊度。最后基于GPS双频观测数据生成的三频数据,验证了本文观点的正确性和新算法的有效性。

一种新的中长基线BDS三频模糊度快速解算方法

虽然TCAR能够实现短基线三频模糊度单历元解算,但由于电离层延迟及观测噪声等的影响,中长基线三频模糊度快速解算仍然是导航定位的一大难点。本文提出了一种新的无几何无电离层三频模糊度解算方法。该方法通过对伪距观测值赋予不同的权重,辅助宽巷及窄巷消除电离层残差的影响,使宽巷及窄巷求解只受观测噪声的影响;然后通过多历元的平滑获取宽巷及窄巷模糊度值。通过实测BDS三频长基线数据表明,相比经典TCAR算法,该方法可大大改善中长基线模糊度的求解精度,经过数据平滑并验证基本可以实现中长基线模糊度的快速解算。

两种长基线模糊度解算方法在北斗三频应用中的比较

以三频模糊度解算TCAR算法为基础,利用北斗三频实测数据,对比分析了基于TCAR算法改进后的电离层改正法和无几何无电离层组合法解算北斗三频长基线模糊度的效果。结果表明,两种方法均能提高长基线模糊度固定的准确性,且经一定历元数据平滑后均可实现长基线模糊度的快速解算,从而有利于实现长距离北斗三频精密快速导航定位。

基于双频载波和高次差法的周跳探测与修复

采用载波无几何组合和星间单差无电离层组合的历元间高次差作为周跳检验量,因组合观测值中不包含伪距,其理论噪声与波长相比几乎可以忽略。利用两种组合观测值联合进行周跳探测,可避免各自的探测盲点。将两个载波组合联立进行周跳的求解,由于组合噪声较小,直接取整即可求得周跳的大小。提出的方法在一定程度上克服了传统周跳探测与修复算法中,由于引入伪距带来的探测能力不强、修复精度不高等问题。通过对IGS站观测数据模拟周跳探测与修复情况的统计,新提出算法的周跳探测成功率为99%,周跳修复成功率为94%。