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。

BDS实时精密单点定位性能分析

以GFZ事后精密轨道与钟差产品为参考,评估CNES实时轨道与钟差精度。基于CNES实时轨道和钟差,对18个MGEX地面站进行了实时精密单点定位(Real-Time Precise Point Positioning, RT PPP)测试,以GPS为参考分别对比分析了BDS3、BDS2+3的RT PPP的性能。结果表明,GPS实时轨道三维精度优于11 cm,实时钟差精度约为0.02~0.06 ns, BDS非GEO卫星实时轨道三维精度优于33 cm,钟差精度约为0.05~0.29 ns。BDS与GPS三维定位精度基本相当,约为5~6 cm。GPS平均收敛速度约为59 min, BDS平均收敛时间约为124 min。相对于BDS3、BDS2+3在E、N、U三方向的定位精度分别提升9.9%、6.7%、2.6%,3D定位精度提升5.8%,收敛速度提升20.2%。

北斗三号实时精密定位授时系统设计与实现

针对传统定位授时设备单机作业能力弱、定位授时精度低、GNSS动态授时接收机研究少等问题,设计实现了基于北斗三号精密单点定位服务信号(PPP-B2b)的实时精密定位与授时设备,所设计的设备通过全球卫星导航系统(GNSS)接收机接收北斗卫星信号,将卫星观测值、卫星广播星历以及PPP-B2b改正数输出给ZYNQ信号处理平台,ZYNQ的ARM端进行PPP-B2b接收机位置与钟差解算,输出接收机钟差到FPGA端,FPGA端通过外接的高精度10 MHz铷钟,结合实时精密钟差解算结果,生成驯服后同步到北斗时间基准的秒脉冲(1PPS)。通过设计实现静态、动态测试系统对设备进行性能测试。实验结果表明,设计的定位授时设备可以实现静态厘米级、动态分米级的定位精度,静态授时精度优于1 ns,动态授时精度优于3 ns。

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.

基于服务系统的实时精密单点定位技术及应用研究

讨论了实时精密单点定位的若干关键技术,着重研究了实时精密钟差估计算法;利用全球40个IGS跟踪站连续、实时的观测数据流进行实时精密卫星钟差估计,解算出的实时精密钟差与CODE事后精密钟差具有较好的一致性,二者互差的RMS优于0.2 ns.采用实时估计的卫星钟差和IGS发布的超快速精密卫星轨道进行实时精密单点定位模拟实验,结果表明:经过大约15～30 min初始化后,实时精密单点定位滤波收敛之后水平方向的定位精度优于5 cm,高程方向的精度优于10 cm,能满足在该精度级别的实时用户的定位需求.处理汶川地震期间震区的GPS观测数据,结果表明实时精密单点定位能够探测地震发生期间的地面同震位移.

基于实时精密单点定位技术的暴雨短临预报

提出了一种将实时精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术用于暴雨短临预报的新方法.该方法首先基于GPS连续运行参考站网(Continuously Operating Reference Stations,CORS)实时估计的精密卫星钟差完成PPP解算,再以实时获取的对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay,ZTD)及其增量变化为依据进行暴雨短临预报.研究结果表明:一般雷暴天气来临之前的2～6h,ZTD增量表现为先后突破±5mm/5min,且后续记录到的实际降水量大小与ZTD维持在高水平阶段的时间长短有较好的对应关系;就热带气旋而言,在强风作用下,ZTD增量变化表现的异常活跃和复杂,规律性较弱,但对短临预报强降雨仍有一定的指示作用.

基于GNSS网络的实时精密单点定位及精度分析

基于局域GNSS网络,以历元间、星间差分技术实时估计了GPS卫星相对钟差的历元间差值;针对所估计实时精密钟差的特征,推导了实时精密单点定位的估计模型.对所估计得到的相对钟差的历元间差值、实时定位结果分别进行了比较、分析.结果表明,相对钟差的历元间差值与IGS的最终星历相比其精度可以达到0.08 ns;每小时观测的实时静态定位结果在N、E、U 三个方向的精度分别为1.47、3.62、4.09 cm.动态模式,实时结果在N、E、U三个方向的精度分别为2.63、3.82、5.20 cm.与采用IGS最终轨道和钟差解算的结果相比较,实时计算结果优于采用精密轨道和精密钟差计算结果.

实时精密单点定位精度与收敛性分析

介绍了目前国际全球定位系统服务(IGS)组织提供的实时精密轨道和精密钟差改正系数(ROCC)的基本参数以及能够进行实时精密单点定位软件(BNC)(即BKG NtripClient,由BKG开发的一款用于实时同步接收、解码及转换的GNSS数据流管理软件)。选取了25个全球IGS跟踪站,并基于BNC软件分析了IGS提供的15种ROCC产品对测站实时精密单点定位精度与收敛性的影响。实验结果表明:采用BNC软件,15种ROCC产品均能在平均15min的时间收敛,并且在N、E方向达到6～8cm,U方向10～20cm的定位精度;且不同ROCC产品其收敛时间和定位精度都存在一定的差异。

基于单个GPS/BDS信标台增强的实时精密单点定位

随着IGS实时服务的推广,实时轨道、钟差产品可用于实时PPP;然而,在一些通讯条件差的地方,如偏远山区和广袤的海洋,差分信号的播发与接收仍然是实时PPP的障碍。文中提出一种基于单个GPS/BDS信标台的实时PPP定位方法:基站采用广播星历和无电离层伪距、相位观测值,实时估计耦合轨道、钟误差;单向通讯的方式播发给用户端,减小通讯量,提高用户端的定位性能。经过分别距参考站约200km和300km的流动站进行验证,通过约10~12min收敛,GPS/BDS组合可得到水平优于20cm的定位精度。本案验证了采用广播星历进行实时PPP的可行性,为海洋和偏远地区提供一种高精度定位方法。

实时PPP离岸潮位遥测方法与试验

为降低离岸潮位实时遥测成本,提高适用性,提出了基于实时精密单点定位的离岸潮位数据获取与提取方法,利用小型浮标搭载具有实时PPP和远程通讯功能的GNSS接收机进行离岸潮位遥测,原始观测数据经粗差剔除、均值化处理、S-G滤波后,较好地剔除了风、浪、流等引起浮标姿态变化所带来的测量误差。研发了相应软硬件,并在天津港外海进行了试验,测试结果优于±8cm,整体中误差为±3.7cm,满足海洋观测规范要求。相较基于压力式传感器加声学通信的现行数据采集方式,该方法具有建设成本较低、观测方式简单、后期维护方便、产业化前景好等特点,可进一步在实际项目中推广使用。

基于预报星历和基准站辅助的BDS实时精密单点定位

基于预报星历的常规实时精密单点定位存在相位模糊度难以收敛、定位精度低等问题。文中采用附加基准站改正信息的PPP算法,消除与卫星有关误差影响。依托香港卫星定位参考站网,采用WHU预报星历获取实时卫星轨道和钟差改正,开展基于预报星历和基准站辅助的中国北斗卫星导航系统实时PPP应用研究,并对其定位性能进行分析。试验结果表明,基准站辅助的BDS实时静态PPP单天解的重复测量精度在水平方向优于1 cm,高程方向优于2 cm;基准站辅助的BDS实时动态PPP相位模糊度能够快速收敛,收敛后的定位精度大幅提升,其重复测量精度在水平方向优于4 cm,高程方向优于10 cm,相对于参考坐标的外符合精度在水平方向优于7 cm,高程方向优于15 cm。

基于北斗短报文的远海实时精密单点定位

针对远海精密导航与定位费用高昂的问题,提出利用北斗短报文传输多模全球导航卫星系统的实时服务数据,实现远海实时精密单点定位。为了降低通信成本和硬件成本,本研究对实时服务数据进行简化,弥补了北斗短报文带宽的不足;为了克服北斗短报文频率低的缺点,采取了实时精密星历预报的方法,来获取分钟间隔以外时刻的卫星轨道位置和钟差改正。对基于北斗短报文的远海实时精密单点定位的数据处理过程进行了仿真模拟。后期处理实测海洋观测数据,对定位性能进行测试,可实现水平方向厘米级定位,竖直方向精度为10~20 cm。该方法为低成本的远海实时定位提供了技术参考。

BDS-3实时精密单点定位精度分析

基于武汉大学自主研发的GNSS高精度数据处理软件PANDA,本文采用MGEX网测站BDS-2/BDS-3连续一周的观测数据,通过仿实时处理BDS-3精密轨道与钟差产品进行BDS-3卫星实时精密轨道产品重叠弧段评估,实时轨道径向精度优于10 cm,实时钟差STD优于0.3 ns。在此基础上验证分析了BDS-2、BDS-3及BDS-2+BDS-3融合的实时静态PPP与实时动态PPP定位。试验结果表明:BDS-3静态PPP定位精度水平优于2 cm,高程优于4 cm;BDS-2+BDS-3联合实时动态PPP收敛时间相较BDS-2分别提升了约38.2%、75.0%、49.7%;收敛后E方向精度优于3 cm,N方向精度优于2 cm,平均提升了38.2%,高程方向精度优于6 cm,平均提升了64%。

实时精密单点定位技术在石油重力勘查中的应用

以松辽盆地西缘开展的石油重力勘查为例,分析了实时精密单点定位技术实施控制测量的全过程以及精度评价方法。利用Trimble R10型测量仪在测区进行了实时精密单点定位测量,在已知GNSS控制点进行了观测试验,获取了3 d不同时段共38个观测数据。研究表明:该技术测量精度(平面中误差为±0.012 m,高程中误差为±0.035 m)满足石油重力勘查控制测量精度要求,避免了大范围GNSS控制网联测,经济可靠。

Galileo高精度定位服务初始服务性能评估

从服务改正数可用性、轨道钟差精度等方面综合分析高精度定位服务(high accuracy service,HAS)的性能,同时利用全球各区域的多模GNSS实验跟踪网(multi-GNSS experiment,MGEX)测站分析HAS PPP的性能。结果表明,大部分卫星改正数的可用性在80%以上;GPS和Galileo的空间信号测距误差(signal-in-space ranging error,SISRE)分别为0.163 m、0.097 m;MGEX测站水平方向定位精度均小于0.2 m,垂直方向均小于0.4 m。

不同ISB模型对PPP-B2b多系统实时定位性能的影响

PPP-B2b服务播发的钟差改正数存在GPS系统钟差基准随时间变化的现象,而BDS系统无此现象。此项钟差基准变化会造成ISB参数出现跳变,影响ISB时变模型选择。基于PPP-B2b服务,分析白噪声模型、随机游走模型以及常数模型在动静态定位模式下的实际定位性能。实验结果表明,静态模式下白噪声与随机游走模型在收敛时间和定位精度方面均优于常数模型;动态模式下白噪声模型以及设置合适过程噪声的随机游走模型不会出现重收敛情况,且定位精度较常数模型在E、N、U三个方向上分别提升86.7%、89.2%、85.3%。因此对于PPP-B2b服务,多系统实时PPP采用白噪声模型或设置合适过程噪声的随机游走模型能够得到较好的定位性能。

BNC/RTKLIB/PPPWIZARD实时精密单点定位服务性能评估

为综合评估目前应用广泛的3款GNSS开源软件BNC、RTKLIB和PPPWIZARD的RTPPP服务性能,均匀选取9个全球IGS-MGEX观测站实时GPS、GLONASS、Galileo三系统数据,对比分析3款软件接收数据流的完整率,并评估不同软件的收敛速度、定位精度和数据有效率。结果显示:1)3款软件的实时数据完整率基本都保持在96%以上,但相比较而言PPPWIZARD软件实时数据的完整率最优,BNC次之,RTKLIB相对较差;2)三系统中BNC、RTKLIB和PPPWIZARD软件分别在14 min、82 min和12 min左右收敛至三维点位精度优于0.5 m;3)在实时定位精度方面,BNC、RTKLIB和PPPWIZARD软件在水平和高程方向定位精度依次为9 cm和12 cm、16 cm和20 cm、7 cm和12 cm,其中PPPWIZARD软件采用了模糊度固定解;4)3款软件在数据有效率指标上存在差别,其中BNC和PPPWIZARD软件数据的有效率均达到95%,RTKLIB软件低于73%。总体而言,BNC与PPPWIZARD软件的实时PPP服务性能指标基本相当,RTKLIB软件稍差。

嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位方法

实时性和动态性是精密单点定位面临的关键问题。本文基于实时轨道钟差改正产品,讨论了GPS/BDS实时精密单点定位数学模型及误差处理方法。搭建嵌入式软硬件平台,研制出一套具有实时GPS/BDS双系统高精度定位功能的嵌入式设备。测试结果表明,对于嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位,静态条件下平面方向优于3 cm,高程方向优于8 cm;动态条件下平面方向优于12 cm,高程方向优于15 cm。

GPS/Galileo实时精密单点定位精度分析

在组合PPP函数模型分析的基础上,采用CNES提供的多系统实时轨道和钟差信息,实现GPS/Galileo组合单双频实时静动态PPP,并选取10个MGEX站10d的观测数据进行解算分析。结果表明,单双频实时静态PPP中,GPS/Galileo组合的定位精度略优于单纯的GPS;单双频实时动态PPP中,GPS/Galileo组合具有较好的定位效果。相较于单纯的GPS,GPS/Galileo组合单频PPP在E、N、U方向平均精度为10.6cm、9.8cm、22.5cm,分别提高了5.4%、4.9%、10.4%;双频PPP在E、N、U方向平均精度为4.3cm、2.9cm、7.0cm,分别提高了6.5%、6.5%、5.4%。同时,GPS/Galileo组合PPP较GPS在收敛时间方面也有一定的改善。

应用iGMAS超快速星历的实时精密单点定位研究

中国主导建设的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)相比国际上比较成熟的IGS系统在产品精度等方面存在差别,目前实时精密单点定位应用多采用IGS实时、近实时产品。为改变这一现状,针对iGMAS产品特性以及实时精密单点定位对超快速精密星历的需求,对iGMAS超快速星历的精度和稳定性方面进行评估,设计了iGMAS产品实时/事后下载应用程序,开展了基于iGMAS超快速星历的实时精密单点定位研究,并结合NovAtel OEM617双频接收机进行了GPS实时精密单点定位试验。实验结果表明,在连续观测23 min后定位误差即可收敛到分米级,较接收机原始定位精度高一个量级,且稳定性好,最终在E/N/U方向定位误差均方根分别为7.2 cm、6.4 cm、15.2 cm,与应用IGS超快速星历实时PPP试验取得相近的结果。研究实现了iGMAS数据获取、评估和实时PPP应用的一整套方案,验证了iGMAS超快速产品的性能,对推进iGMAS产品的应用提供了借鉴。