GNSS非组合精密单点定位模型算法与应用

为了进一步发展全球卫星导航系统(GNSS)非组合精密单点定位技术(PPP),研究其算法和应用:构建非组合PPP从单频到多频、从单系统到多系统的满秩函数模型,并介绍各类非组合PPP模型的秩亏消除策略及待估参数形式;然后结合非组合PPP技术特色,论述其在对流延迟和电离层延迟提取、差分码偏差估计和精密授时方面的典型应用;最后针对最新发展动态,展望非组合PPP技术今后的发展趋势。

BDS/GLONASS非组合精密单点定位模型与算法

在GPS非组合精密单点定位(PPP)模型的基础上,针对BDS和GLONASS系统各自的特点,分别提出了适用于BDS和GLONASS系统的非组合PPP模型,并在此基础上构建了BDS/GLONASS联合处理的函数模型.新模型中考虑了BDS系统GEO卫星伪距长周期多路径效应引起的系统性偏差(BDS GEO Multipath Bias,BGMB),将其作为参数进行估计;另外,新模型中还考虑了GLONASS系统伪距频间偏差(inter-frequency-biase,IFB),将其参数化为卫星频率号的线性函数,并通过参数重组得到了满秩的函数模型和可估参数的形式.选取了2015年年积日200~230共一个月的11个MGEX跟踪站数据来验证新模型与算法的正确性和有效性,结果表明:将BDS系统伪距BGMB当作参数估计能够显著提高BDS单系统非组合PPP的收敛速度,并能减小伪距残差;通过线性函数来模型化GLONASS伪距IFB能够显著提高GLONASS单系统PPP的收敛速度,并能在一定程度上减小伪距残差;1个月BDS/GLONASS非组合PPP定位误差RMS在北、东、高三个方向分别为6.9 mm、9.1 mm和19.3 mm,表明提出的BDS/GLONASS非组合PPP模型与算法具有良好的定位性能.

非差非组合精密单点定位提取区域电离层延迟及精度评定

电离层延迟是GNSS定位中最难处理,也是很重要的的误差来源之一,目前常用线性组合的方式处理电离层延迟,这些方法都会引入多余噪声,在不同程度上影响了模糊度的整数特性,同时也造成了某些有用数据丢失。本文提出了一种基于非差非组合精密单点定位的方式提取区域参考站电离层延迟的方法,再将提取得到的区域电离层延迟内插至仿用户站,在仿用户站实施单频PPP,最后检验得到定位的精度。实验结果表明:仿用户站单频PPP的定位精度平面方向约为4—5 cm,在高程方向低于1 dm,与全球电离层格网模型和半和改正等模型相比,采用非差非组合的方法提取电离层延迟后的定位精度更高。

BDS-3/GNSS非组合精密单点定位

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3)全球组网工作全面建成,标志着BDS-3迈入全球定位、导航和授时服务的新时代。为了全面比较BDS-3系统与其余全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)性能,重点分析不同分析中心BDS-3精密轨道和钟差产品的一致性、BDS-3/GNSS卫星可用性、BDS-3/GNSS单系统及多系统融合PPP定位性能。结果表明,基于5个分析中心的精密轨道和钟差产品,BDS-3静态PPP三维均方根误差约为2.31~4.00 cm,其单系统收敛时间明显慢于其余GNSS系统,GPS系统的加入对BDS-3/GNSS双系统融合PPP改善效果最为明显,且四系统融合能够有效地缩短收敛时间,并提高动态PPP定位精度。随着BDS-3系统的发展以及轨道和钟差产品的进一步完善,BDS-3同样具备其余GNSS系统提供优质导航定位服务的潜力。

GPS非差非组合精密单点定位算法研究

首先介绍了非差非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)算法,分析了它与传统PPP的差异;处理了300个IGS跟踪站连续7d的数据,分析了接收机伪距硬件延迟偏差(difference code bias,DCB)和先验电离层精度对非差非组合PPP收敛速度的影响。统计结果表明,对于非差非组合PPP,利用IGS提供的全球电离层延迟模型GIM,静态定位精度N/E方向均收敛到10cm以内,估计接收机DCB的PPP平均收敛速度为13.12min,比不估计接收机DCB的PPP快5.36min,与传统的LC PPP相当。在获得高精度电离层先验数据的条件下,估计接收机DCB的非差非组合PPP平面精度收敛10cm的速度约为8.67min,比传统PPP收敛速度平均快约3.26min。

利用非组合精密单点定位提取区域电离层延迟及其精度评定

提出了一种利用非组合精密单点定位（PPP）提取区域电离层延迟的方法,并将区域电离层延迟内插至用户站实施单频仿动态PPP,以检验电离层延迟的提取精度。结果表明,电离层延迟内插精度受电离层活动变化影响较小,2 d内均能保证优于1 dm;单频仿动态PPP的定位精度在平面方向约为4~5 cm,高程方向优于1 dm;为便于比较分析,在仿用户站分别采用半和改正模型和全球电离层格网模型实施单频仿动态PPP,其定位精度分别为平面4~7 dm,高程1 m左右。

跟踪站分布对非组合精密单点定位提取GPS卫星差分码偏差的影响

提出利用非组合精密单点定位获取跟踪站和卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)的电离层观测量,并结合"IGGDCB(institute of geodesy and geophysics DCB)两步法"精确分离电离层斜延迟与DCB参数的新思路。为了研究跟踪站的分布对上述方法提取卫星DCB的影响,本文分别选取欧洲区域集中分布和全球均匀分布的不同数量IGS(international GNSS service)跟踪站,利用太阳活动高峰期间连续15d的实测数据进行卫星DCB的提取实验,并将结果与CODE(center for orbit determination in Europe)发布的DCB当月产品进行比较。实验结果表明,本文提出的方法可以精确提取卫星DCB,其精度优于载波相位平滑码方法,其中,采用欧洲区域的跟踪站提取差异的RMS优于0.2ns,而全球分布的跟踪站提取差异的RMS优于0.1ns,全球布站有利于同时提高RMS和单天解稳定性,并且随着跟踪站数量的增加,卫星DCB单天解的稳定性将会得到提高。

全球精密单点定位性能评估

随着中国北斗三号卫星导航系统(BDS-3)全面建成与开通,北斗卫星导航系统已步入了新发展阶段,基于BDS-3实现全方位、多层次、高精度应用已成为地学研究中一项基本任务。利用全球最新均匀分布的10个MGEX跟踪站,分别从24 h内接收到的卫星数、卫星位置精度因子(PDOP)、卫星数据解算完整率和双频非组合精密单点定位(PPP)静态/动态定位精度等方面系统深入地评估了BDS-3在全球范围内的可用性。结果表明,测站对卫星跟踪能力与配备的接收机类型和区域位置有强相关性,单BDS-3卫星在全球范围内具有较强的连续定位能力,当使用SEPT POLARX5和JAVAD TRE_(3)接收机的情况下,数据解算完整率可达100%。此外,水平方向和高程方向定位精度分别优于2 cm和3 cm,并且在联合使用BDS-2和BDS-3定位的条件下,可使得静态定位精度在东、北和高程方向进一步提升37.6%,25.3%和38.9%。

不同系统间偏差模型对GPS/BDS/Galileo精密单点定位的影响

基于双频非组合PPP模型,采用常量模型、白噪声模型和随机游走模型对ISB参数进行处理,利用7个MGEX测站10 d的数据进行静态和仿动态实验,并分析3种模型的收敛时间和定位精度。结果表明,在收敛时间方面,随机游走模型和白噪声模型效果一致,总体优于常量模型,静态和仿动态下分别提升15.4%和29.4%;在定位精度方面,随机游走模型和白噪声模型效果相当,较常量模型在E、U方向上精度提升最为明显,静态下E和U方向的精度分别提升约77.7%和32.2%,在仿动态定位中E和U方向的精度分别提升约66%和43.5%。

非组合PPP算法估计天顶对流层延迟及精度分析

为提高天顶对流层延迟的估计精度和可靠性,利用非组合精密单点定位(UPPP)模型估计了WUHN和BJFS站的天顶对流层延迟,将结果与传统的精密单点定位(PPP)模型的计算结果进行对比,结果表明:UPPP计算的天顶对流层延迟的内符合精度为2.75 mm,偏差为0.19 mm,该结果与IGS产品一致,外符合精度分别为8.58 mm,6.51 mm;以IGS的高精度对流层产品为真值,传统PPP模型和非组合PPP模型估计ZTD的精度(STD)分别为7.7 mm和5.9 mm;UPPP方法不仅在精度上和传统PPP方法保持相当甚至更高的精度,而且它还提供电离层产品以减弱噪声影响,提高数据利用率。

基于RTS滤波的GPS+BDS 非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。

北斗三号PPP-B2b差分码偏差对UPPP解算的影响

通过北斗三号精密单点定位服务信号(Precise Point Positioning B2b,PPP-B2b)差分码偏差(Differential Code Biases,DCB)对实时非组合精密单点定位(Uncombined Precise Point Positioning,UPPP)解算参数的影响进行研究。基于PPP-B2b服务的UPPP模型,分析了DCB对UPPP定位、收敛时间、对流层、钟差及斜向电离层解算的影响。在非组合模型下,采用北斗三号PPP-B2b实时精密单点定位(Real-Time Precise Point Positioning B2b,RTPPP-B2b)软件对接收机实测数据进行实验分析。实验结果表明:载波与伪距观测值权比为103∶1时,DCB对定位精度和收敛时间影响均较小,载波与伪距观测值权比为102∶1时,无DCB校正的UPPP定位误差收敛时间会变长;DCB对解算对流层天顶总延迟的影响可以忽略,对接收机钟差影响在亚纳秒级别;在使用UPPP提取斜向电离层过程中,DCB主要影响斜向电离层的计算精度。

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。

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间过长的问题,提出了利用低轨卫星(LEO)几何结构变化快的优势,增强GNSS非差非组合PPP(UPPP)的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据,比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明:混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时,各测站收敛时间减少60%~80%,70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时,CL和GCL组合系统的收敛时间相当,ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10~20 min下降至3 min以内,原因是混合LEO增强BDS定位时,大大改善了卫星的空间结构。

利用北斗GEO卫星观测监测深圳市周围地区电离层空间环境

采用非差非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)反演北斗GEO卫星穿刺点位置的垂直方向电子总含量(vertical total electron content,VTEC),利用GEO卫星在时域上穿刺点位置近似固定的特性,反演、分析了深圳市2020年的电离层空间环境参数,并详细评估了该区域VTEC实测值与国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)组织提供的全球电离层模型(global ionosphere model,GIM)电离层产品间的差异。结果表明:在深圳市,北斗GEO卫星的VTEC实测值与GIM产品具有较好的一致性,全年差值的日均值和标准差分别为-0.87 TECU和3.24 TECU,各月份差值的日间时段均值略小于夜间时段,差值的标准差呈现明显的季节性特性,其中,6月、7月、8月份较低。整体上,GIM的VTEC日峰值比实测值的小,全年差值的均值和标准差分别为3.51 TECU和5.98 TECU。