基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度,传统几何定轨法精度受限,只能达到亚米级,而基于精密单点定位(PPP)模式的几何定轨法一般采用浮点解,定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位稍差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能,利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品,对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号(HY-2)和资源三号(ZY-3)进行固定模糊度PPP的定轨解算,与事后精密轨道结果进行比较,分析其外符合精度。结果表明:仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据,切向与径向的定轨精度可达2cm左右,法向为5cm左右,较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨需要。

固定模糊度的GRACE-FO卫星简化动力学定轨精度分析

对GRACE-FO卫星进行精密定轨研究,利用简化动力学方法处理其14 d的星载GPS数据并进行精度分析。通过载波相位残差分析、重叠弧段比较、参考轨道比较以及KBR检核,对比通过UPD方法固定模糊度参数的简化动力学轨道与浮点解轨道。结果表明,GRACE-FO卫星固定解轨道的载波相位残差约为1 cm,比浮点解大1~2 mm。3 d固定解重叠弧段差异的RMS值在R、T、N方向上均小于等于9.4 mm,优于浮点解的12.4 mm。与GFZ提供的精密科学轨道相比,GRACE-C卫星简化动力学固定解轨道在各方向上差异的RMS均值均小于1 cm,表明解算得到的轨道与PSO具有较高的一致性。固定模糊度后K波段测距(K-band ranging)检核残差的RMS均值从9.6 mm下降到6.7 mm,说明固定解能够进一步提升GRACE-FO卫星间的相对位置精度。因此,模糊度固定能够改善GRACE-FO卫星的定轨精度,提供更可靠的轨道服务。

基于固定模糊度技术的精密单点定位性能分析

模糊度固定是影响精密单点定位精度和快速收敛的主要问题之一,而相位偏差的有效分离是模糊度固定的关键因素,采用包含相位偏差的钟差和与之耦合的轨道来完成模糊度的固定,基于全球分布的5个IGS连续跟踪站5 d的观测数据,采用采样间隔为30 s的高精度精密钟差产品,研究精密单点定位(PPP)的整周模糊度在固定解模式和浮点解模式下的定位精度,并对这2种模式的定位结果进行比较试验。验证结果表明,模糊度固定模式下,定位精度在X,Y两个方向的RMS平均提高59%,38%,Z方向的提升幅度相比X,Y两个方向较小,为13%,且固定模式下模糊度的固定率都在95%以上。

基于不同模糊度固定产品的PPP-AR定位性能评估

基于CODE、GFZ、CNES、武汉大学PRIDE实验室和内部估计的模糊度固定产品,从收敛时间、首次固定时间及定位精度等方面进行PPP-AR固定性能的研究。实验选用2022年40个IGS测站7 d的观测数据和各模糊度固定产品配套使用的精密产品,结果表明,在置信度为95%的静态解算模式下,5种产品在解算时间为1 h时固定解较浮点解定位精度提升最明显,分别提升46.58%(3.4 cm)、41.10%(3.0 cm)、45.21%(3.3 cm)、34.25%(2.5 cm)和41.10%(3.0 cm)。仿动态解算模式下,5种产品E、N方向的定位精度都能达到mm级,U方向较浮点解精度提升较小,其中使用GBM产品的精度提升最小,E、N、U方向分别提高72.73%(2.4 cm)、47.37%(0.9 cm)、5.41%(0.2 cm);提升效果较好的是WUM和COM产品,分别为81.82%(2.7 cm)、63.16%(1.2 cm)、24.32%(1.1 cm)和81.82%(2.7 cm)、63.16%(1.2 cm)、15.58%(0.8 cm)。

BDS-3 PPP模糊度固定实现及精度评估

精密单点定位(PPP)模糊度固定(AR)能够显著提升精密定位的收敛速度和精度。通过在BDS-2和BDS-3之间添加系统间偏差的方法实现BDS-3的模糊度固定,并基于全球MGEX测站静态、仿动态数据和车载实验数据全面评估了BDS-3模糊度固定的效果。结果表明,相对于浮点解,BDS-3 PPP模糊度固定能够显著提升PPP的精度,在东北天3个方向上静态解算精度提升依次为37.4%、26.2%和20.1%;仿动态解算精度提升依次为38.3%、27.2%和11.1%;车载动态实验BDS-3模糊度固定精度在三维方向上综合提升为40.4%。此外,模糊度固定后,以浮点解稳定后的两倍定位精度为基准,在东北天方向上,静态定位时间提升程度依次为63.5%、64.0%和40.3%;仿动态定位时间提升程度依次为58.7%、56.8%和25.4%;车载实验在三维方向的收敛时间为30.0 min。以上结果证明了所提方法的有效性及BDS-3模糊度固定的性能提升。

基于IGGⅢ抗差估计的GNSS部分模糊度固定改进算法

针对滑坡等复杂环境下GNSS观测数据受高遮挡、多路径等因素影响,易使模糊度固定成功率降低进而导致定位可靠性变差的问题,提出一种基于IGGⅢ抗差估计的GNSS部分模糊度固定改进算法。通过引入抗差估计算法,削弱粗差对参数估计的影响,提升浮点模糊度精度;此外,为避免残余误差对后续整周模糊度解算产生影响,采用基于条件方差矩阵法的部分模糊度固定改进策略,进一步提升模糊度固定成功率。实验结果表明,相比于全模糊度固定方法,该算法可显著提高模糊度固定率,3个测站分别提升5.9%、52.7%、48.0%;同时,相比于传统的卡尔曼滤波算法,改进的抗差估计算法可明显改善模糊度固定错误的情况,极大提升GNSS定位精度,水平方向RMS优于1cm,高程方向RMS优于2cm。

城市环境下惯性信息辅助GNSS精密定位模糊度固定方法研究

随着无人驾驶技术的兴起及无人机、无人车、移动机器人行业的井喷式发展,以移动测量为代表的行业应用和以位置服务为代表的大众应用都将高度依赖连续、可靠、稳定的导航定位技术。由于GNSS与INS具有互补特性,两者通过优势互补可以显著改善复杂城市环境下的导航定位性能,提高组合系统的连续定位能力。

GPS/BDS-3/Galileo精密单点定位模糊度固定

为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)多系统组合精密单点定位(PPP)精度和收敛速度,提出一种GPS/BDS-3/Galileo精密单点定位模糊度固定(AR)方法:利用武汉大学发布的多系统相位小数偏差产品(FCB),采用无电离层组合PPP模型,实现全球定位系统(GPS)/北斗三号卫星导航系统(BDS-3)/伽利略卫星导航系统(Galileo)三系统组合精密单点定位模糊度解算(PPP-AR);并通过对PPP收敛速度以及定位精度等方面进行分析来评估组合后的定位结果。实验结果表明,在数据观测质量方面,地面观测站同时观测三系统卫星总数可以达到31颗;三系统各频点的多路径误差基本在0.3 m以内,三系统各频点的信噪比基本在37 dB·Hz以上;在采用FCB产品进行PPP-AR方面,定位收敛时间优于11.25 min,东、北、天(E、N、U)3个方向的定位精度分别优于1.5、1.1、4.7 cm;相对于PPP浮点解的结果,三系统组合PPP-AR在定位收敛时间和定位结果方面分别提升21%和20%左右。

LEO增强的GPS、Galileo、BDS-3非差PPP模糊度固定性能分析

本文主要研究了GPS、Galileo、北斗三号(BeiDou-3 Global Satellite Navigation System,BDS-3)的未校准相位延迟(uncalibrated phase delays,UPD)稳定性以及低地球轨道(low earth orbit,LEO)增强的非差精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定.基于全球分布的126个测站2022年001—007共一周的观测数据进行GPS、Galileo、BDS-3的UPD估计分析.宽巷UPD每天作为一组常数估计,窄巷UPD每15 min作为一组常数估计.结果表明:宽巷UPD在一周之内具有较好的稳定性,平均标准差小于0.05周;窄巷UPD在一天之内具有较好的稳定性,平均标准差小于0.06周.使用估计的UPD产品进行PPP模糊度固定并对其性能进行分析,GPS、Galileo、 BDS-3各系统静态PPP的平均收敛时间分别由20.75 min、 23.78 min、 30.60 min缩短至10.69 min、18.27 min、24.80 min;平均模糊度固定率分别为90.41%、77.22%、67.21%;东(east,E)、北(north,N)、天顶(up,U)三个方向均方根误差(root mean square error,RMSE)的平均值分别由(1.59 cm、0.91 cm、3.30 cm)、(1.58 cm、0.93 cm、3.24 cm)、(1.61 cm、0.98 cm、3.39 cm)减小至(0.90 cm、0.89 cm、2.98 cm)、(1.33 cm、0.85 cm、2.90 cm)、(1.47 cm、1.18 cm、2.94 cm).利用仿真的LEO星座观测数据,研究不同LEO卫星数量的增强效果,当LEO可视卫星数量愈多时,增强效果愈加显著,当LEO可视卫星数量为10颗时,GPS、Galileo、BDS-3各系统的静态PPP固定解的平均收敛时间分别由10.69 min、18.27 min、24.80 min缩短至1.53 min、1.71 min、1.94 min;模糊度固定率分别由90.41%、77.22%、67.51%提高至93.43%、79.99%、72.00%.

Galileo精密单点定位模糊度固定模式下定位性能评估

模糊度固定是提升精密单点定位精度和快速收敛的主要因素之一,相位偏差、硬件延迟与模糊度参数无法正确分离是导致模糊度非整数特性的主要原因。采用德国地学研究中心(GFZ)公开发布的包含相位偏差的整数钟产品GBM,并基于全球分布的5个MGEX连续跟踪站年积日290~296的观测数据,对比分析单伽利略卫星导航系统(Galileo)精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)在固定解模式和浮点解模式下的定位精度和模糊度固定率。实验结果表明,模糊度固定模式下的定位精度,5个测站E方向提升都在83%以上,N方向提升在55%以上,U方向除了MATG测站,其他在65%以上,模糊度固定率方面,除了MATG站以外都优于60%。

精密单点定位零基准非差模糊度固定方法

精密单点定位作为一种全球卫星导航系统高精度定位方法,模糊度固定是决定其定位精度和收敛时间的关键因素,也是实现精密单点定位完好性监测的前提条件。传统的精密单点定位模糊度固定方法采用星间差分的形式,忽略了卫星端相位偏差的快速变化特性,当切换基准卫星时导致用户计算复杂度增加,甚至需要重新固定模糊度。针对上述问题,设计了一种零基准非差相位模糊度固定方法:服务端采用零基准条件估计卫星端硬件偏差小数部分,用户端使用服务端产品固定非差载波相位模糊度,从而得到精密单点定位模糊度固定的坐标解。创新设计一种偏差零基准精密单点定位模糊度固定策略,实现了非差形式的模糊度固定,从而避免参考星的切换所带来的精密单点定位模糊度重新固定问题,并且能够为精密单点定位完好性监测提供算法基础。实验验证结果表明,零基准模糊度固定方法的坐标估计精度优于3 cm,相比浮点解精密单点定位方法提高30%~44%,并且能够改善E方向与N方向的精度差异。

第二代星基增强系统GATBP的PPP服务模糊度固定效果

为验证第二代星基增强系统GATBP PPP服务的模糊度固定效果,使用与观测值相关的信号偏差改正数对卫星硬件延迟进行改正,利用LAMBDA方法分别固定宽巷和窄巷模糊度,获得固定的单差无电离层组合模糊度。使用GATBP精密产品对10个MGEX测站7 d的观测数据进行PPP解算,并与CODE精密产品解算结果对比。结果表明,使用GATBP产品的宽巷和窄巷模糊度固定率平均值分别为95%和30.2%,水平方向定位误差RMS优于10 cm,三维定位误差RMS优于15 cm,相位观测值残差RMS优于3 cm,对流层估计误差RMS优于1.5 cm;使用CODE产品的宽巷和窄巷模糊度固定率平均值均在95%以上,相位观测值残差、定位误差和对流层估计误差均显著小于GATBP产品。

多系统多频非组合PPP模型优化及模糊度固定方法研究

相对于传统的无电离层组合模型,近年发展起来的非组合PPP可直接利用GNSS原始观测值,在未放大观测噪声的前提下,保留了电离层延迟等有效信息,且更适合当前及未来多系统多频率数据融合解算。然而,国内外对于非组合PPP的研究还比较有限,特别是在当前多系统多频率的大背景下,如何建立更为精确的函数模型和随机模型,如何高效地改正各类型观测值上的硬件延迟偏差和不同系统间的基准偏差。

固定模糊度的精密单点定位几何定轨方法及结果分析

传统的基于PPP(precise point positioning)模式的定轨方法采用浮点解,导致其定轨精度及可靠性较双差固定解稍差。为了进一步提高PPP模式事后定轨的精度和可靠性,利用2012年1月2～7日全球IGS跟踪站数据计算出当天所有卫星的宽巷和窄巷FCB产品,实现了GRACE卫星固定PPP整数模糊度的精密定轨。并将定轨结果分别与GFZ事后精密轨道、K波段测距结果进行比较,分析其内外符合精度。实验结果表明:与GFZ提供的事后精密轨道相比,GRACE-A卫星单天轨道固定解的精度为R方向2～3cm,T方向大部分优于2cm,N方向优于2cm,较之浮点解的定轨结果3个方向分别改善了约19%、30%、50%;GRACE-B卫星3个方向精度分别为2～3cm、2cm左右、1～2cm,较之浮点解各方向也有同等程度的改善。与K波段测距结果相比,浮点解的KBR残差STD均值为22.6mm,固定解为16.4mm,比浮点解提高了约28%。可见,PPP模糊度固定解明显改善了低轨卫星的定轨精度,能提供更可靠的轨道服务。

联合GEO/IGSO/MEO的北斗PPP模糊度固定方法与试验分析

由于北斗地球静止轨道(geostationary earth orbiting,GEO)卫星轨道精度较低且其观测值受多路径误差和伪距偏差影响严重,目前各分析中心尚未针对北斗GEO卫星提供长期稳定的相位小数偏差(uncalibrated phase delay,UPD)产品,北斗精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定技术研究主要针对倾斜轨道(inclined geosynchronous orbiting,IGSO)和中地球轨道(medium earth orbiting,MEO)卫星。本文采用Wanninger和Beer的高度角模型消除了IGSO/MEO观测值伪距偏差,并通过小波变换提取低频分量修正伪距观测值的方法削弱了GEO卫星多路径和伪距偏差的影响。由于窄巷UPD估值受未模型化误差影响较大,本文改进了窄巷UPD估计的策略,该策略利用上一历元成功估计的窄巷UPD对当前历元的浮点模糊度进行改正,剔除了残差较大的浮点模糊度,修正固定错误的整周模糊度,从而提高了窄巷UPD的精度和稳定性。利用估计得到的UPD产品,本文实现了联合GEO、IGSO和MEO卫星的北斗非差PPP模糊度固定,并对其定位性能进行分析。结果表明:联合GEO、IGSO和MEO卫星的PPP固定解的首次固定时间和收敛时间均可以缩短到30 min以内;6 h后的E、N、U方向的定位误差由(1.35、0.35、2.75)cm减少到(1.07、0.26、2.24)cm,分别减少了20%、27%和18%。

精密单点定位整周模糊度快速固定

提出利用GPS参考网估计电离层延迟、卫星相位偏差的算法,用于实现区域内精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)的整周模糊度快速固定.利用站间距约为100～200km的参考网进行实验,结果表明:电离层延迟的内插和外推精度均优于1dm,卫星相位偏差估值的日内变化不超过0.2周;此外,单天内不同时刻始,固定PPP整周模糊度所需时长最多不超过10min,且当模糊度成功固定后,三维位置解较之相应浮点解的精度改善优于80%.新算法可望解决PPP普遍存在的收敛时间过长问题,增强了PPP技术的实用性.

卫星钟差解算及其星间单差模糊度固定

整数相位模糊度解算可以显著提高GNSS精密单点定位(PPP)的精度。本文提出一种解算卫星钟差的方法,通过固定星间单差模糊度恢复出能够支持单台接收机进行整数模糊度解算的卫星钟差,即所谓的"整数"钟差。为了实现星间单差模糊度固定,分别通过卫星端宽巷FCB解算和模糊度基准的选择与固定恢复出宽巷和窄巷模糊度的整数性质。为了证明本文方法的可行性,采用IGS测站的GPS数据进行卫星钟差解算试验。结果表明,在解算钟差时,星间单差模糊度固定的平均成功率为73%。得到的卫星钟差与IGS最终钟差产品相比,平均的RMS和STD分别为0.170和0.012ns。448个IGS测站的星间单差宽巷和窄巷模糊度小数部分的分布表明本文得到的卫星钟差和FCB产品具备支持PPP用户进行模糊度固定的能力。基于以上产品开展了模拟动态PPP定位试验,结果表明模糊度固定之后,N、E、U和3D的定位精度(RMS)分别达到0.009、0.010、0.023和0.027m,与不固定模糊度或采用IGS钟差的结果相比,分别提高了30.8%、61.5%、23.3%和37.2%。

GLONASS频间码偏差特性分析及其在宽巷模糊度固定中的应用

受接收机类型、固件版本和天线的影响,GLONASS IFCB变化规律复杂且难以有效改正,导致GLONASS HMW组合包含系统性偏差,无法用于GLONASS宽巷模糊度固定。本文提出一种基于GLONASS HMW组合观测值残差的站间IFCB估计方法,并对站间IFCB变化特性进行分析。结果表明,站间IFCB长期稳定,少数相同类型硬件(包括接收机类型、固件版本和天线)站间IFCB可达0.5m。为削弱伪距多路径效应对站间IFCB估值的影响,基于一个轨道重复周期的观测数据求得一组站间IFCB对实时观测值进行补偿,实现HMW组合平滑序列直接用于GLONASS宽巷模糊度实时固定。进行站间IFCB补偿后,基线宽巷模糊度固定正确率均在98%以上。

精密单点定位部分模糊度固定方法

提出一种新的模糊度固定方法,并把算法应用到精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)中,将模糊度进行选择固定,以实现恶劣环境下快速、有效获得较高PPP固定解的目的。该方法以模糊度固定成功率和Ratio因子为约束条件,基于最小方差优先固定的模糊度子集选取方法实现PPP中模糊度的部分固定。算例从模糊度固定可靠性、收敛速度以及PPP固定解精度等方面对部分模糊度固定方法进行了分析。结果表明,该方法使得PPP模糊度固定的平均可靠性比传统固定方法提高了近一倍、参数解算的平均收敛时间缩短了1/4左右。因此,更适合在初始阶段观测信息较少或残余误差较大而难以固定全部模糊度的时候,快速获得较高精度的PPP固定解。

利用固定模糊度的动态精密单点定位算法

首先,采用序贯最小二乘法计算无电离层组合观测值的模糊度;然后,固定宽巷组合模糊度;再固定窄巷组合模糊度;最后,得到无电离层组合观测值的模糊度最终解。谱密度的取值影响状态参数预测值的协方差矩阵元素的大小,因此,采用自适应滤波进行处理。利用机载GPS数据进行验证,结果表明,与其他方案相比,利用固定模糊度的自适应滤波加快了收敛速度,提高了动态精密单点定位的解算精度;无论谱密度取何值,自适应滤波都能够得到较稳定的解。