基于区域参考站网络的精密卫星钟差估计及其在实时精密单点定位中的应用

基于区域GNSS网络,提出了一种基于IGU实时预报星历和星间差分技术的GPS卫星钟差实时估计新方法,并对其精度及精度主要影响因素进行了分析.在此基础上,利用IGU实时预报星历和实时估计的钟差产品对钟差估计区域站(重庆GNSS站)及跨区域站(江苏CORS站)进行了实时精密单点定位解算实验.实验结果表明,估计得到的相对钟差产品与IGS最终钟差产品的平均RMS值可达0.08 ns,卫星可视高度角是影响钟差估计精度的主要因素.对重庆GNSS站及距重庆约1 200 km的江苏CORS站进行PPP解算,平均收敛时间分别达到11.5和14.1 min;静态PPP定位时,N/E/U三个方向的定位精度在1 h内均可达到厘米级.

GNSS实时卫星钟差估计技术进展

不依赖实体基准站增强信息的GNSS实时精密单点定位服务将逐渐成为主流定位模式。实时卫星钟差产品作为实时精密单点定位的关键先决条件之一,其精度直接决定实时精密定位服务的性能。计算实时卫星钟差的GNSS实时卫星钟差估计技术成为实时精密定位的核心技术之一,其主要包括两种解算模式:非差解算模式和差分解算模式。由于对卫星模糊度等未知参数处理策略的不同,卫星钟差估计技术又可细分为非差、历元差分、星间差分、混合差分等策略类型。针对不同实时卫星钟差估计技术的原理方法、算法效率、适用性等问题,综合目前已有相关研究成果的基础上,对GNSS实时卫星钟差估计的研究现状、关键技术和面临的挑战进行了较为系统的总结综述,并对未来卫星钟差预报产品和实时估计产品的关系进行了展望。

GPS精密卫星钟差估计研究

随着精密单点定位技术的发展,对于精确的卫星坐标以及卫星钟差改正精度的要求越来越高,精密卫星星历以及精密卫星钟差的求解成为制约精密单点定位技术发展的瓶颈。本文基于修复周跳的载波相位观测值与相位平滑伪距观测值,采用无电离层延迟星间单差精密卫星钟差估计模型,在先估计出整周模糊度后,进行了精密卫星钟差的估计,并采用与IGS事后精密钟差作二次差的方法进行精度分析,这对于提高精密单点定位精度具有一定的意义。

实时钟差估计算法实现及精度分析

研究并实现了基于非差相位和伪距的实时钟差估计方法，对未知参数采用不同噪声方差的随机游走模型进行约束并采用Kalman滤波进行估计。采用64个IGS监测站的GPS观测数据进行模拟实时钟差解算实验验证算法的正确性和有效性，结果表明，实时钟差的首次收敛时间约需3～4h。收敛之后的卫星钟差相对于IGS最终产品的RMS和STD分别为约0．1ns和优于0．04ns，这一结果与IGS分析中心最终产品的精度相当。

北斗三频数据的两个无电离层组合轨道钟差估计及其应用

本文针对全球连续监测评估系统(iGMAS)和国际多系统GNSS试验计划(MGEX)两个观测网接收到不同频率北斗卫星数据的情况,提出了一种北斗卫星(BDS)3个频率(B1I、B2I、B3I)的两种无电离层组合(B1/B3和B1/B2)数据精密定轨(POD)和钟差估计(CE)方法。该方法可以统一处理上述两个观测网收到的北斗二代(BDS-2),北斗三代试验系统(BDS-3e)和北斗三代全球系统(BDS-3g)3个频率的观测数据,并在一次程序运行中对所有北斗卫星进行联合处理,可有效提高一次运行的数据使用率,从而提高参数估计精度。采集了多天iGMAS、MGEX的GPS和BDS数据进行试验。结果表明,对BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨时,采用三频两组合方法后由于增强了观测几何,BDS轨道重叠RMS为15.9 cm,比传统双频法定轨精度提高11.3%。新方法引入了与卫星端3个频率相关的码偏差,该量多天估计结果稳定,证明了模型和方法可靠。将新方法用于BDS-3g+BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨,6颗BDS-3g的MEO卫星轨道重叠RMS为14.5 cm,钟差重叠RMS为0.43 ns,与BDS-3e的15.1 cm和0.49 ns相当。开展了北斗卫星精密单点定位(PPP)试验,结果显示增加了BDS-3g的6颗MEO的精密轨道和钟差后,测站定位精度水平为39.6 mm,天顶为37.8 mm,比仅用BDS-2和BDS-3e卫星定位精度提高了11.1%。

BDS/GPS实时钟差估计中ISB分析与函数模型设计

实时钟差产品是高精度广域差分位置服务(亚米级、分米级、厘米级)的基础产品,通过研究BDS/GPS融合的ISB,研究了各类型接收机BDS GEO/IGSO/MEO ISB差异,提出了在BDS/GPS联合的实时钟差估计中引入3个ISB参数的函数模型,在此基础上基于非差法实现了BDS/GPS联合的实时钟差估计。采用MGEX和湖南CORS实时观测数据进行了实时钟差解算,利用i GMAS产品综合中心提供的事后精密钟差产品作为基准,对比分析了新方法与原有方法的实时钟差产品的精度差异。结果表明,该方法与原方法估计的GPS钟差精度相当,对BDS实时钟差精度改进显著,尤其对BDS IGSO/MEO卫星,改进幅度在20%以上,验证了算法的有效性。

基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计精度分析

通过分析实时钟差估计的解算过程,实现了基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计,利用区域和全球数据、最终和实时轨道分别求解实时钟差,并将其结果与IGS实时钟差产品进行对比,分析GPS卫星实时钟差产品的精度。算例表明:采用IGS最终轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.2ns;采用IGS实时轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.25ns;IGS实时钟差产品平均钟差精度达到0.2ns以内。实时估计的钟差和IGS实时钟差产品精度差异有很大一部分是由于双方采用的钟差解算策略不同造成的,IGS实时钟差产品和IGS实时轨道产品是同一软件求解得到,符合性更好,且两种实时钟差产品在精度评定时选择IGS最终钟差产品为参考,这对IGS实时钟差产品的评估也会有利。

两种预报轨道的BDS实时钟差估计与分析

基于iGMAS与武汉大学提供超快速轨道产品,以Geoscience Australia机构开源的GNSS处理软件ACS为平台,进行了BDS实时钟差估计实验,并对生成的产品进行了分析。实验结果表明,使用全球具有实时数据流的监测站,在以武汉大学最终钟差产品为参考钟差进行评估的情况下,基于武汉大学小时轨道估计的BDS实时钟差精度为0.25/0.67 ns(MEO/IGSO),而使用iGMAS超快速产品估计的钟差的精度为0.37/2.51 ns(MEO/IGSO),MEO卫星优于IGSO卫星,BDS-2与BDS-3均无明显分群差异。两类实时钟差产品的差异主要来自于轨道切换时产生的跳变。

区域测站数对BDS实时卫星钟差估计的影响分析

地面测站的数量及分布会影响实时卫星钟差估计的精度和可靠性。鉴于目前BDS主要为亚太地区提供服务,均匀选取中国区域内8~24个实时监测站,分析区域测站数与BDS实时卫星钟差估计精度的关系。结果表明,当测站数小于16个,IGSO/MEO卫星在中国区域内被观测的弧长不全,实时钟差精度和定位精度较差;当测站数达到16个,中国区域内可观测的BDS卫星弧长覆盖饱和;当测站数达到17个及以上,实时钟差精度达到0.15ns,平面定位精度达到0.3m以内,高程定位精度达到0.4m以内,且钟差和定位精度随着测站数的增加不再明显提高。

基于广播星历轨道区域钟差估计的非差实时精密定位分析

提出一种通过固定广播星历轨道估计精密卫星钟差,实现在一定区域范围内高精度单点定位的方法。基于PANDA软件分析了钟差估计中不同基准站的分布策略,给出我国范围内一组优化的基准站分布策略。实验表明,在此策略下,使用广播星历轨道通过钟差估计能达到静态1 cm、动态6 cm的定位精度。

一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法

为了提高实时卫星钟差估计的精度和稳定性,提出了一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法。基于超快速轨道产品,分析了轨道标准差与绝对轨道误差的相关性。通过线性插值获得实时轨道误差信息,以优化先验残差的随机模型。基于先验轨道标准差阈值,采用分段方式剔除实时轨道异常卫星对应的观测值。实验结果表明:轨道标准差和轨道误差的相关性高达0.82。与常用的高度角相关的随机模型相比,GPS卫星钟差估计精度最大提高了15.2%,平均提高了8.1%,钟差误差的时间序列更加平稳,所有GPS卫星的平均钟差STD均在0.15ns以内。因此,超快速轨道产品中提供的轨道标准差与绝对轨道误差表现出较强相关。采用顾及轨道误差的实时钟差估计方法可提高GPS卫星钟差估计精度,准确识别并剔除GPS实时轨道异常的卫星,从而提高GPS实时钟差估计的稳定性。

区域实时双系统精密卫星钟差估计及PPP精度分析

针对精密单点定位对国际全球卫星导航系统服务组织(IGS)钟差产品过度依赖的问题,联合区域测站使用非差和历元间差相结合的方法,解算出区域实时全球定位系统(GPS)及格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)钟差产品作为自估钟差;将自估钟差和IGS实时钟差分别与欧洲定轨中心(CODE)最终5 s精密钟差产品进行比较分析。试验结果表明,自估的区域实时钟差产品与CODE最终5s精密钟差产品具有良好的一致性,可以满足实时卫星钟差精度的要求。在使用自估区域实时钟差产品的情况下,动态精密单点定位精度在北(N)、东(E)方向达到了5 cm,在天(U)方向达到了10 cm。自估区域钟差估计算法利用小区域测站,便可以获得与IGS全球实时钟差精度相当的实时区域钟差产品,这对自主区域高精度定位具有一定的实用价值。

GNSS卫星钟差估计与结果分析

探讨了GNSS卫星钟差估计的基本原理、处理方法及数据处理中的一些关键技术,利用全球56个IGS跟踪站的观测数据进行钟差估计,比较分析了钟差产品的精度与定位性能。以GPS系统解算结果为例,其钟差产品与IGS最终精密卫星钟差符合较好,精度优于0.04ns(约0.012m),多系统钟差解算结果互差优于亚纳秒级。基于钟差产品进行精密单点定位解算试验,试验结果表明,在定位收敛之后,静态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0582m、0.0466m、0.1188m;动态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0671m、0.0640m、0.3200m。定位结果与IGS最终精密钟差解算结果符合较好,表明两者之间差异较小,进一步验证了解算得到的卫星钟差产品的定位性能。

北斗三号实时精密轨道钟差估计及精度效率评定

作为中国自主研发的全球卫星导航系统,北斗卫星导航系统的建设从一开始就确定了三步走的战略。围绕精度和效率等性能指标,进行了几项试验以确定一个合适的地面跟踪网。结果表明,在已有60个测站的情况下,增加跟踪站的数量并不能继续提高北斗三号轨道和钟差产品的精度。进一步的精度提升应该更依赖于天线相位中心改正缺失和太阳光压模型不完善等模型缺陷问题的解决。

BDS/GPS实时钟差估计及其精度分析

全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)实时精密单点定位(precise point positioning, PPP)具有实时、广域定位的优点,目前在应用中存在实时钟差估计精度低的问题。文章利用平方根信息滤波(square root information filter, SRIF)实现实时卫星钟差滤波估计,采用全球80个国际GNSS服务(International GNSS Service, IGS)和多模GNSS试验跟踪网(Multi-GNSS Experiment, MGEX)的测站数据进行实时估钟,估钟结果与德国地球科学研究中心(GeoForschungsZentrum, GFZ)事后钟差进行对比,GPS钟差精度约为0.27 ns,北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星为1.37 ns,倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO)卫星为0.47 ns,中地球轨道(Medium Earth Orbit, MEO)卫星为0.39 ns。基于精密轨道和估计的实时钟差对6个IGS/MGEX测站进行定位实验,结果表明,GPS和BDS+GPS组合2种模式在定位收敛后达到cm级的定位精度,满足实时定位的要求。

GNSS钟差估计中的两种测站选取策略分析

格网控制概率选站方法和不规则三角网(TIN)选站方法均可同时顾及测站的几何分布和数据质量,现有研究仅采用其中一种方法对单一系统测站进行选取,缺少对两种方法的比较分析和多系统测站选取的研究。鉴于此,将两种方法应用于四系统钟差估计的测站选取。一周实验结果表明,在一定数量范围内,测站数增加,测站几何构型改善明显,当超过60个测站时,两种方法选站的加权GDOP值和解算的钟差精度变化缓慢。两种选站方法解算的GPS/Galileo卫星钟差精度相当,选取30~50个测站时,前者解算的GLONASS卫星钟差精度优于后者5.3%~13.2%;选取30~70个测站时,前者解算的BDS-3卫星钟差精度优于后者10.3%~26.2%,因此选取测站数量不超过70个时,应优先采用格网控制概率选站方法,测站数量超过70个时,两种方法均可选用。

星间单差GPS实时精密卫星钟差估计及精度分析

GPS实时精密卫星钟差是实现实时精密单点定位(RT-PPP)技术的关键,国际GNSS服务组织(IGS)提供的超快速(Ultra-Rapid)实时预报卫星钟差的精度(3ns)较差,不能满足RT-PPP的精度要求。首先利用GNSS区域参考站网数据,建立基于星间单差的观测模型,对GPS卫星钟差进行实时解算,并对钟差解算精度及影响因素进行分析;将解算的GPS卫星钟差用于不同站点的RT-PPP中,对定位结果进行精度分析。分析结果表明,实时解算的GPS卫星钟差的标准差均在0.16 ns以内。从定位结果来看,随着PPP站点与钟差估计区域参考站网距离的增加,其定位精度并没有明显降低,各站点的水平分量精度优于6 cm,高程分量精度优于7 cm,可满足厘米级精度实时精密单点定位的应用要求。

基于IGU预报轨道实时估计精密卫星钟差

针对目前实时精密单点定位中,GPS卫星实时钟差服务所存在的精度问题,提出了一种基于IGU轨道的实时钟差估计方法。该方法基于IGU轨道,采用全球参考站非差载波相位观测值,进行实时钟差估计。数值结果表明：实时估计的卫星钟差与IGS最终产品的偏差大部分小于0.3 ns,平均优于0.2 ns;采用估计所得的实时钟差进行PPP静态定位,其精度可达12 cm,同时也可得到毫米级精度的天顶对流层延迟。

非差导航卫星实时/事后精密钟差估计

研究了导航卫星精密钟差的估计算法,实现了基于非差载波相位观测值的实时和事后精密卫星钟差的解算,并与IGS分析中心提供的精密钟差产品进行了比较。结果表明,采用自编软件解算的事后精密卫星钟差与IGS最终精密钟差产品具有较好的一致性,其互差仅为0.05ns左右;实时估计结果与CODE提供的事后钟差产品符合较好,二者差异为0.1ns左右。

基于非差与历元差分两种观测模型估计精密卫星钟差的方法比较

研究了非差与历元差分两种观测模型估计精密卫星钟差的方法,评价了分别利用两类观测模型估钟的特点。通过实际算例分析了两种观测模型估钟的处理速度与精度。计算结果表明:基于非差观测模型估计卫星钟差精度高、观测信息没有损失、可靠性高、可以实现模糊度固定,但由于未知参数多,解算速度较慢,且需要经过一段时间的收敛才能达到所需精度;而历元差分模型估计卫星钟差待求参数较少,计算效率高,且不存在收敛过程,但估钟精度比非差模型估钟收敛后的精度略低,且得不到钟差初值,需从导航电文中提取或通过其他方式获取,不过由此引起的系统性偏差,在定位时可被模糊度和接收机钟差吸收,不影响最终的定位结果。