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。

基于LSTM的北斗三号卫星差分码偏差分析及预测

当卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)约束条件和基准发生变化时,其值会出现比较大的差异,影响导航定位的精度.本文分析了2021年的北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3) DCB的时序变化,综合太阳辐射通量和地磁指数,利用长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)神经网络对卫星DCB进行预测和精度分析.实验结果表明,LSTM神经网络模型预测效果优于多项式拟合法的预测结果,其平均绝对误差(mean absolute deviation,MAE)小于0.2 ns,均方根误差(root mean squared error,RMSE)小于0.5 ns;其未来多天的预测结果各项误差也均小于0.2 ns,LSTM神经网络可以有效对卫星DCB进行预报,为缺失的DCB产品提供参考.

北斗三号PPP-B2b信号精密单点定位服务可用性分析

针对北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)PPP-B2b信号精密单点定位(precise point positioning,PPP)服务可用性,以改正参数的可用性比例、平均可用卫星数和改正参数匹配性为指标进行了系统分析.结果表明:在中国及周边地区,BDS-3 PPP-B2b信号改正参数的可用性在71%~95%,且在北京地区达到最大,GPS改正参数可用性在68.5%~88.6%,差于BDS-3.中国及周边地区用户缺少PPP-B2b信号改正参数的卫星观测弧段主要集中在低高度角时段,其改正参数的可用性随着截止高度角的增大而增大;BDS-3、GPS和BDS-3/GPS在中国及周边地区的改正数可用平均卫星数分别约为8颗、7颗和15颗,可以确保有效的实时PPP(real time PPP,RT-PPP)服务性能,但平均约有1颗BDS-3卫星和2颗GPS卫星因为缺少PPP-B2b信号改正参数而无法参与RT-PPP服务;对于赤道以南地区,单个系统基本无法提供有效的PPPB2b服务,其改正参数的平均可用性低于50%,但BDS-3/GPS双系统在部分低纬度地区可提供约7~11颗的可用卫星;由于轨道改正参数和钟差改正参数更新频率不一致,在钟差改正数版本号(IOD Corr)参数更新时,会出现短暂的改正参数不匹配情况.

北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位性能评估

针对海洋油气勘探、海洋应急救援等应用依赖海洋实时高精度定位,而目前主要采用的商用精密单点定位(PPP)技术的设备与服务成本较高的问题,提出利用我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3,文中简称北斗三号)提供的免费实时精密单点定位(PPP-B2b)服务在海洋环境中开展实时精密单点定位的方法:分析北斗三号PPP-B2b导航电文信息格式,并给出北斗三号PPP-B2b精密轨道、钟差计算及伪距偏差改正方法;然后建立基于北斗三号PPP-B2b服务的海洋实时精密单点定位模型;最后采用海洋实测数据评估基于北斗三号PPP-B2b服务的实时精密单点定位精度,并与NavCom公司的Starfire星站差分PPP定位精度进行对比。结果表明,北斗三号PPP-B2b水平定位精度为7.62 cm,垂直定位精度为13.10 cm,定位精度略低于Starfire星站差分PPP。

北斗三号PPP-B2b服务实时动态定位性能分析

为了进一步提高精密单点定位的精度,对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)提供的实时精密单点定位增强(PPP-B2b)服务进行实时动态定位性能分析:介绍基于PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位模型和数据处理流程;然后在城市环境下进行基于BDS-3PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位性能的车载实验,对不同频点组合B1C+B2a、B1I+B3I模式下的动态定位性能进行评估和分析。实验结果表明,实时动态PPP的城市开阔环境试验中利用B2b服务的电文改正信息后B1C+B2a、B1I+B3I频点组合模式下东向、北向和天向上定位精度分别为11.6、18.8、28.6 cm,以及13.3、19.4、32.5 cm,B1C+B2a组合方式在定位精度和收敛速度方面略优于B1I+B3I;复杂城市环境下GNSS信号发生中断后,信号恢复后PPP-B2b重新收敛的定位精度能够达到40.6、33.2、60.1cm;可知,BDS-3PPP-B2b产品精度较高,且城市环境下基于该服务的实时动态精密单点定位能够实现分米级定位,可用于正常生产生活中。

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。

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。

北斗三号码观测值评估及定位精度分析

随着北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)完成全球组网,北斗三号(BDS-3)3个新频段观测值和定位精度需要评估。文章选取全球范围20个国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)组织的监测站数据,从信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、伪距多路径(multipath,MP)误差和伪距定位误差方面综合对比BDS-3的6个频段码观测值数据。结果表明:6个频段的SNR从大到小依次为B2a+b、B3I、B2a、B2b、B1C、B1I;6个频段的伪距MP误差从小到大依次为B2a+b、B2a、B3I、B1C、B2b、B1I;B3I频段观测值定位精度最高,B2a+b、B2a频段定位精度相当,且优于B1C频段;目前接收机跟踪BDS-3新频段的可见卫星数相对较少,独立解算时误差较大,稳定性较差。研究结果可为BDS-3应用和发展提供参考。

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成,可为用户提供公开、免费的高精度服务,对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品,并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后,以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考,评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm,钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后,利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证,结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当,可满足单站实时高精度定位与导航的应用需求.

北斗三号新频点(B1C/B2a)单历元RTK定位性能分析

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a有效增加了北斗卫星导航系统(BDS)多频组合定位的多样性,并提升了定位性能.为系统地评估BDS-3新频点实时动态(RTK)定位性能,选取6个MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站构成三条基线,设计了BDS-3 B1I/B3I/B1C/B2a/B2b五种单频方案,BDS-2 B1I+B2I、BDS-2 B1I+B3I、BDS-3 B1C+B2a、BDS-3 B1I+B3I、BDS-2/BDS-3 B1I+B3I五种双频非组合方案和BDS-3 B1I+B3I+B1C+B2a+B2b五种频非组合方案进行RTK解算试验.试验结果表明:当基线长度不超过25 km时,在静态模式下,东(E)、北(N)和天顶(U)方向的BDS-3新频点B1C/B2a单频定位精度分别优于2.85 cm、1.67 cm和4.02 cm,双频定位精度分别优于1.63 cm、1.33 cm和3.26 cm,五频定位精度分别优于2.04 cm、1.12 cm和3.17 cm;在动态模式下,E、N和U方向的新频点单频定位精度分别优于3.03 cm、1.45 cm和6.49 cm,双频定位精度分别优于1.92 cm、0.95 cm和6.71 cm,五频定位精度分别优于2.32 cm、0.91 cm和4.89 cm.两种模式下BDS-3新频点B1C+B2a与旧频点B1I+B3I双频定位精度相当,均优于BDS-2 B1I+B2I与B1I+B3I双频定位精度,同时BDS-3五频非组合方案定位精度与稳定性均优于单频和双频非组合方案.

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%。

北斗三号PPP-B2b服务的卫星定轨精度评估

随着北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的成功组网,新启用的B2b信号由于承载着精密单点定位(PPP)服务而备受关注,但该信号的应用尚未普及,为探究PPP-B2b信号的服务性能,针对自研板卡接收的B1C和PPP-B2b导航电文数据,以德国地学研究中心(GFZ)提供的精密星历产品及其插值结果为参考基准,计算卫星定轨结果与参考基准的互差序列和均方根误差(RMSE),评估广播星历和PPP-B2b精密改正轨道的轨道精度.结果表明:广播轨道在径向(R)、切向(T)、法向(N)的精度均值分别为0.19 m、0.65 m和0.89 m;精密改正轨道在R、T、N的精度均值分别为0.13 m、0.32 m和0.29 m;自研板卡接收的PPP-B2b信号满足PPP的应用要求,为下一步开发基于PPP-B2b信号的相关产品提供数据参考.

北斗三号PPP-B2b信号时间同步性能分析

针对目前对北斗卫星导航系统(BDS)PPP-B2b信号用于时间同步服务研究较少的问题,提出一种北斗三号卫星导航系统(BDS-3,简称北斗三号)PPP-B2b信号时间同步性能分析方法:采用精密单点定位(PPP)方法对BDS-3PPP-B2b的时间同步性能进行分析;然后利用中国区域内20条不同长度的基线进行验证。实验结果表明,目前PPP-B2b的北斗三号和全球定位系统(GPS)的卫星钟差标准差(STD)基本优于0.2ns;基于PPP-B2b改正数的北斗三号和GPS时间同步精度分别可以达到0.28和0.46 ns,其中PPP-B2b的北斗三号时间同步精度与使用法国国家空间研究中心(CNES)的实时产品精度相当。因此,基于BDS PPP-B2b的服务可以实现中国及周边地区亚纳秒级的时间同步。

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.

基于省级区域地基增强系统的北斗三号系统卫星数据评估分析

导航卫星观测数据质量是影响地面增强系统定位精度的直接因素,北斗地基增强系统经过北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)适配性改造后能够获取的卫星观测值数量相较北斗二号卫星导航系统(BDS-2)适配改造提升了30%~50%,对这些观测数据的质量评估和分析尤为重要.本文利用数据完整率、多路径误差等基准站观测值质量评估方法,使用零基线测试和精密单点定位(PPP)测试两种方法,提出一种综合区域地基增强系统的BDS-3数据分析方法.对研究区域进行实证试验,结果表明:BDS-3卫星在亚太地区的数据质量已经与GPS相当;由于BDS-3卫星空间分布结构更优,地面测站可以获得的高仰角(高度角>50°)可用观测值较单GPS提升了200%以上.

BDS-3新频率与Galileo单频组合伪距单点定位精度分析

为对比分析北斗三号(BDS-3)/Galileo相同频率伪距单点定位精度,基于MGEX(Multi-GNSS Experiment)分布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3、Galileo以及BDS-3/Galileo单系统单频、双系统相同频率组合和非相同频率组合伪距单点定位精度.经研究发现,BDS-3/Galileo相比单系统有效提升了卫星可见数与卫星空间分布几何结构,在单系统定位方面,BDS-3系统B1C和B2a伪距单点定位精度优于Galileo对应相同频率的伪距单点定位精度,在双系统定位方面,BDS-3/Galileo相同频率组合伪距单点定位精度优于非相同频率组合,双系统组合定位对Galileo单系统定位精度提升优于BDS-3,表明BDS-3相同频率的设计有效地提升了与Galileo系统的兼容性.

不同方法的BDS-3多频单点测速对比分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)不同测速方法在不同环境下的测速性能缺乏全面评估的问题,提出一种BDS-3多频单点测速对比分析方法:利用BDS-3静态和动态数据,对比分析基于载波相位差分、多普勒、伪距差分方法的BDS-3不同频点静态和动态测速性能。实验结果表明:静态环境下,载波相位差分测速精度最好,可达到mm/s量级,伪距差分测速精度最差,为cm/s至dm/s量级;动态环境下,多普勒和载波相位差分测速的精度较好,水平方向可达到cm/s量级,高程方向约为1 dm/s,伪距差分测速误差较大;对不同频点的测速结果分析表明,BDS-3系统B1I、B1C、B2a、B2b、B3I等5个频点的测速精度基本在同一个量级。

北斗三号卫星钟差短期预报与稳定性分析

针对北斗三号(BDS-3)卫星钟短期预报问题,在分析卫星原子钟频率稳定性的基础上,选用时间序列模型(ARIMA)、灰色模型(GM)、一次多项式(LP)以及二次多项式(QP)四种钟差预报模型对30天的数据进行拟合预报分析.实验结果表明:1)相对于北斗二号(BDS-2),BDS-3原子钟具有更高的稳定性.其中BDS-3氢钟的千秒稳定性、万秒稳定性和日稳定性分别达到了4.2×10^(-14)、1.89×10^(-14)、4.14×10^(-15);2)BDS-3氢钟和BDS-3新型铷钟的预报稳定性和精度相对于BDS-2铷钟有明显提高,并且BDS-3氢钟在3 h、6 h和12 h下的预报精度分别达到了0.12 ns、0.18 ns和0.30 ns;3)在四种模型中,时间序列模型的预报精度最高,在3 h、6 h和12 h下精度分别为0.26 ns、0.47 ns和0.96 ns.

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡,北斗三号系统(BDS-3)通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息,包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后,等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征,并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差(UDRE)进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据,对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差(UERE)约为1 m,经过等效钟差改正数后,用户差分距离误差约为0.3 m;BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m,经过等效钟差改正数后,用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差,显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型,广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比,BDS-2/BDS-3卫星联合条件下,基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%;广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m,双频用户定位精度为1.7 m,单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。

北斗三号全球卫星导航系统空间信号精度评估

针对北斗三号(BDS-3)正式开通后的空间信号精度情况,选取2020-08-01—2021-07-31共1 a的混合广播星历数据,以德国波茨坦地学研究中心(GFZ)和武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心(WHU)提供的精密星历为参考分别从轨道精度、钟差精度和空间信号测距误差(SISRE)来进行BDS-3的空间信号精度评估.结果表明:BDS-3的轨道精度在径向(R)、切向(A)、法向(C)三个方向上分别优于0.100 m、0.405 m、0.547 m,钟差精度优于1.926 ns,仅受轨道影响的SISRE(orb)为0.134m,SISRE为0.612 m.地球静止轨道(GEO)卫星的SISRE为1.137 m,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星的SISRE相比GEO卫星分别减少36.3%、51.3%.