Galileo三频非组合PPP相位小数偏差估计与模糊度解算

欧洲的Galileo目前已经有28颗在轨可用卫星,具备全球精密定位能力,并且所有卫星均能够播发多频信号,多频信号融合有望进一步改善精密单点定位(precise point positioning,PPP)模糊度固定解性能.本文研究了Galileo三频非组合PPP相位小数偏差(fractional cycle bias,FCB)估计与模糊度解算(ambiguity resolution,AR)方法,并将其结果同双频非组合PPP模糊度固定解与浮点解结果进行了对比分析.结果表明:利用155个全球分布的地面跟踪站数据进行FCB估计,单个频率上的FCB估值序列标准差(standard deviation,STD)优于0.04周;双频PPP浮点解在E、N、U方向收敛时间分别为32.0 min、10.0 min、43.5 min,双频PPP固定解收敛时间分别减少到30.5 min、8.5 min、32.0 min,三频PPP固定解收敛时间分别进一步缩短到16.5 min、8.0 min、32.0 min.

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.

GPS/Galileo FCB估计方法与数值分析

为了进一步研究不同分析中心精密产品对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)中卫星端硬件延迟小数周偏差(FCB)的影响,对GNSSFCB估计算法进行分析:介绍GNSSFCB估计的流程和算法;然后采用2021年共51d分布在全球221个测站的数据估计全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)卫星端的FCB;最后分析使用德国地学中心(GBM)和欧洲定轨中心(COD)精密产品对GNSS FCB结果的影响。研究结果表明:使用不同分析中心的精密产品对与宽巷(WL)FCB没有影响,并且在51 d之内,绝大部分GPS卫星的WL FCB非常稳定,几乎都在0.1周(1周载波长度=1倍波长)之内,所有Galileo卫星的WLFCB均在0.05周以内;对于窄巷(NL)FCB,大多数GPS和Galileo卫星的CODNLFCB和GBMNLFCB数值在0.1周之内变化,少部分卫星变化在0.15周左右,GPSNLFCB残差分布在±0.15和±0.25周以内的占比超过91.6%和94.2%,而GalileoNLFCB残差分布在±0.15和±0.25周以内的占比超过92.6%和95.1%;整体看来,Galileo卫星的WL和NL FCB要优于GPS,COD NL FCB要优于GBM NLFCB,采用GBM改变策略之后得到的NLFCB要优于改变策略之前的NLFCB,且所有改变策略之后的GalileoNL FCB均为0,而大部分GPS卫星的NL FCB并不为0。

基于Von Mises分布的PPP宽巷相位偏差计算方法

针对相位偏差小数对精密单点定位(PPP)模糊度固定的影响,给出宽巷相位偏差小数的估计方法;采用统计假设检验理论对其分布特性进行验证,结果表明其更好地服从Von Mises分布;进一步基于Von Mises分布给出相位偏差小数的计算公式,最后以IGS跟踪站双频GPS观测值为数据来源进行算例分析,结果表明单站相位偏差小数估计的最大标准差为0.060周,并且具有较好的空间一致性,可用于PPP模糊度的相位偏差改正。

小数偏差产品质量评估及固定性能分析

为了评估不同小数偏差产品的数据质量和模糊度固定效果,比较了2016年全年的SGG FCB产品和CNES产品,结果表明两种产品具有很高的一致性,SGG FCB产品的数据完整性更好。应用两种产品进行精密单点定位(PPP)固定解的静态结果平面位置精度可以达到1 cm以内,高程位置精度可以达到1~2 cm,采用两种产品获得的PPP模糊度固定率十分接近,动态模式下处理静态数据的位置结果可以达到平面2~3 cm,高程5 cm以内的精度,两组固定解的位置误差结果差异不超过5 mm,模糊度固定成功率分别为92. 37%和92. 14%,两种小数偏差产品在23分钟左右完成首次固定,能够有效提高PPP的收敛速度。使用两种小数偏差产品得到的机载动态数据结果也非常相近。

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)。

卫星端宽巷载波相位小数偏差估计方法研究与结果分析

提出了一种估计星间单差宽巷载波相位FCB的新方法——区间均化法。利用2010年全球约120个IGS测站的数据,估计出所有星间单差宽巷载波相位的FCB,详细比较分析了星间单差宽巷FCB的估计精度。结果表明,使用区间均化法获得的卫星宽巷载波相位的FCB与法国CNES中心发布的FCB产品具有很好的一致性,较差均小于0.1周,94%小于0.05周。不同测站数量和测站分布估计相同卫星组星间单差宽巷载波相位的FCB结果具有较好的一致性,但测站数越多,FCB估值的可靠性越高。绝大部分星间单差宽巷载波相位的FCB在1a内具有较好的稳定性,其时间序列的标准差小于0.01周。卫星工作状态的变化会使FCB重新赋值。

低轨增强北斗PPP-RTK定位方法与实验分析

低轨星座具有卫星数目多、几何构型变化快等优势,有利于精密单点定位(PPP)中模糊度参数的快速收敛,从而提升其收敛速度与定位精度.但由于未能精确消除大气误差的影响,难以实现瞬时厘米级定位.提出一种低轨增强北斗PPP-实时动态(RTK)方法,结合高精度大气增强信息与模糊度固定方法(AR),进一步改进北斗快速精密定位性能.首先设计了包含192颗低轨卫星的极轨星座,仿真了22个地面测站的观测数据,在估计相位小数偏差与精密大气延迟改正数后,分别测试了低轨增强北斗PPP、PPP-AR与PPP-RTK的定位性能.结果表明:在低轨星座增强下,可视卫星数目增加6~8颗,22个测站北斗PPP的平均初始化时间由552.1 s缩短至102 s,提升了81.52%.模糊度固定后,初始化时间进一步缩短至1 min以内.通过180 km地面参考网增强后,低轨增强北斗PPP-RTK可以实现瞬时厘米级定位,定位精度相较于PPP提升98.5%.将地面参考网扩大至500 km后,低轨增强北斗PPP-RTK仍可以实现约10 s的快速收敛.

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%。

LEO星座增强GNSS PPP模糊度浮点解与固定解性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间较长问题,提出利用低轨(LEO)星座进行增强,达到位置解快速收敛的目的。实验结果表明,LEO卫星相位小数偏差(FCB)估计残差99.8%在0.15个周期以内,标准差统计值为0.033个周期;相比于LEO增强PPP浮点解,当全球定位系统(GPS)和LEO卫星相位观测值的模糊度均被固定时,基于10min观测时长数据的东、北、高三个方向定位精度分别提升了81.3%、75.0%和45.0%,达到0.003、0.002和0.011 m;对于GPS单系统PPP和GPS、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)及北斗卫星导航系统(BDS)四系统PPP浮点解,在LEO星座的增强下,二者收敛时间分别为2.6和2.3 min,差异并不明显。

基于伪距/相位OSB的多频多模PPP-AR及其性能评估

在进行多频多模全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)精密单点定位(precise point positioning,PPP)时,以相对形式表达的伪距差分码偏差(differential code bias,DCB)和相位小数周偏差(fractional cycle bias,FCB)种类繁多且修正方法较为复杂。基于此,首先给出了相对形式的伪距/相位偏差与原始观测值上的绝对偏差(observable-specific signal bias,OSB)的转换方法,以及利用该偏差进行非差模糊度固定的具体流程;然后通过实测数据分析不同偏差形式下的PPP模糊度解算(PPP-ambiguity resolution,PPP-AR)定位性能。结果表明,无论是多系统PPP还是多频PPP,其基于OSB的PPP-AR定位精度、收敛时间及固定率均与相对形式DCB/FCB的PPP-AR定位结果相当。其中,三频PPP-AR的动态和静态收敛时间均优于双频,多系统PPP-AR定位的初始化时间和定位精度也均优于单系统。伪距/相位OSB可直接用于修正对应的观测值,减少偏差处理中的组合与转换,并简化GNSS PPP数据处理流程,提高了频率选择的灵活性,使用户端算法更简单方便。

BDS-3精密单点定位模糊度解算及性能评估

基于国际GNSS服务(IGS)提供的MGEX(Multi-GNSS Experiment)的观测数据,对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)相位小数偏差(UPD)进行估计,进一步开展基于精密单点定位(PPP)的浮点/固定解试验,分析评估其定位性能.结果表明:北斗卫星导航系统(BDS)定位精度与GPS大致相当;BDS-3 PPP在东(E)、北(N)、天顶(U)三个方向上浮点解的平均均方根(RMS)分别为1.4cm、1.0cm、1.6cm;通过模糊度固定算法,可将三个方向的定位精度提升至0.9cm、0.7cm、1.4 cm.

实时模式下UPD产品计算及PPPAR定位性能分析

针对目前实时精密单点定位(PPP)收敛速度还相对较慢的问题,该文提出了一种适用于实时模式的宽巷及窄巷相位小数偏差(UPD)估计算法。采用180个全球均匀分布的多模实验跟踪网(MGEX)站,分析了基于实时轨道钟差产品进行实时UPD解算及实时精密单点定位模糊度固定(PPPAR)定位的可行性。实验结果表明,GPS和BDS-3的相邻两天宽巷UPD相减所得偏差的均值以及标准差基本上在0.025周左右,因此采用宽巷UPD预报值进行后续解算是可靠的。GPS浮点PPP和PPPAR定位结果表明,PPPAR的定位误差相较于浮点解PPP在E、N、U方向分别提升了36.4%、25.0%和22.2%,定位收敛时间也从31.9 min下降到24.8 min。GPS+BDS-3的PPPAR定位结果表明,定位时加入BDS-3可以缩短PPPAR的首次固定时间,最终的三维定位误差也从单GPS系统的2.55 cm下降到了GPS+BDS-3的2.17 cm。基于实时模式UPD解算和PPPAR定位实验结果表明,该文提出的UPD实时估计算法是可靠的,估计出的实时UPD产品应用于PPPAR可以获得较好的定位效果。

模糊度固定技术的GPS/BDS-2/BDS-3精密单点定位性能分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)卫星端相位小数周偏差(FCB)难以有效分离而导致模糊度固定较为困难的问题,该文通过构建基于原始频率观测值上的双频非组合FCB估计模型,实现了全球定位系统(GPS)、北斗二号(Beidou-2,BDS-2)和北斗三号(Beidou-3,BDS-3)卫星端FCB精确估计,并在此基础上实现了GPS、GPS/BDS-2和GPS/BDS-2/BDS-3不同系统融合的静态和动态非组合精密单点定位(PPP)模糊度固定解。结果表明,GPS FCB稳定性最优,BDS-3FCB稳定性略差于BDS-2;相对于单GPS和GPS/BDS-2系统,GPS/BDS-2/BDS-3融合的PPP固定解在定位精度、收敛时间和模糊度固定率等方面得到显著改善。