BDS-3 B2b-PPP URA评估精化与播发方法

用户距离精度指数(URAI)作为导航系统定位服务完好性标识,在提供卫星可用性信息的同时,也反映了卫星的轨道钟差精度。本文提出将B2b电文中随轨道改正数播发的URAI信息恢复为用户距离精度(URA),并用于B2bPPP的随机模型构建。对其进行定位性能评估,发现B2b自身播发的URA精度较差。针对该问题,利用分布在中国及周边区域的多个全球卫星导航系统(GNSS)监测站对B2b的URA参数进行重估计。实验结果表明:精化后的URA能显著提升B2b-PPP的服务性能。相比于仅考虑观测噪声和高度角的随机模型,使用精化后的URA作为随机模型,动态和静态定位模式下的收敛时间提升分别达到18.9%、14.5%;收敛后定位精度提升分别达到11.2%、8.9%。在此基础上,进一步结合北斗卫星导航系统(BDS)短报文,提出一种精化后URA的播发方法,结合现有短报文通信效率进一步分析了精化URA的用户使用性能。

ISB参数估计在BDS-2/BDS-3单点定位应用中的分析

BDS-2和BDS-3之间存在的系统间偏差是影响其组合定位性能的重要因素,基于多个MGEX跟踪站数据,分析了随机游走ISB模型在BDS-2/BDS-3伪距单点定位与精密单点定位中的应用。实验结果表明:是否估计ISB对BDS-2/BDS-3 B1I和B3I单频伪距单点定位精度影响较小,最大影响量不到5%;是否估计ISB对BDS-2/BDS-3 B1I/B3I双频静态与动态精密单点定位精度影响较大;估计ISB相比未估计ISB在E、N、U 3个方向精度的提升量均在14%以上,其中E方向定位精度提升效果最为明显,静态精密单点定位最大提升量达到了44.9%。

BDS-3新信号B1C/B2a动态零基线观测噪声评估

为评估动态模式下BDS-3新信号B1C和B2a的接收机观测噪声,通过动态零基线实验测量BDS-3新频点的观测噪声,并与其他GNSS信号进行比较,同时将动态实验与静态实验进行对比分析。动态实验结果表明,BDS-3在B1C和B2a频点上MEO卫星的伪距噪声RMS值分别为8 cm和4 cm,载波相位噪声分别为0.061 cm和0.082 cm,IGSO卫星的观测噪声略有增加,四星座各频率的伪距噪声差异明显,但载波相位噪声相差不大。相比于静态实验,尽管动态观测数据质量下降,但整体上B1C和B2a频点的伪距噪声差异不大,而载波相位噪声的差异较为显著。

BDS-2和BDS-3系统间伪距分层及其技术对策

BDS-2和BDS-3卫星不仅存在与其他导航系统一样的星间伪距偏差问题,还存在两个系统之间的分米级伪距分层现象。为了最大限度降低伪距分层影响,本文选用两台环路参数可配置的接收机进行试验分析,分析了接收机环路参数设计与伪距分层的影响关系。结果表明,当接收机选择0.3 chip及以上的相关器码间距来跟踪B1I信号时,能使BDS-2和BDS-3之间B1I信号的伪距分层由分米级降低到厘米级;对于B3I信号而言,则需要采用0.6 chip及以下的相关器码间距来进行跟踪。根据本文研究可知,通过配置合理的接收机相关器码间距值跟踪B1I/B3I信号,可以使BDS-2和BDS-3之间的伪距分层现象得到明显改善,同时也能提高接收机定位精度的一致性。本文研究对推进北斗导航接收机和芯片的发展与完善具有参考意义。

BDS-3 PPP-B2b精密轨道辅助非差非组合PPP-RTK

BDS-3通过其高轨道卫星的B2b信号向亚太地区用户免费提供了标准精密单点定位服务,但PPP近半小时的收敛时间和分米级的实时定位精度不利于其后续应用推广。因此,本文提出了融合PPP-B2b精密卫星轨道产品与区域稀疏参考站观测数据的增强定位方法,即基于PPP-B2b的非差非组合精密单点实时动态定位技术,并采用站间单差电离层伪观测值对其进行约束,以实现电离层延迟等参数的严密估计。此外,本文还重点设计了区域电离层斜延迟及其精度信息的单星实时建模方案,有效压缩播发数据量的同时提高了PPP-RTK的应用性能。在此基础上,利用京津区域参考网对上述方法进行了近实时验证。结果表明:本文方法提供的电离层斜延迟修正精度可达2.2 cm(BDS-3)/2.4 cm(GPS);超95%BDS-3+GPS定位样本的绝对误差可在2 s内收敛到水平2 cm与垂直5 cm,而且定位误差收敛后可实现水平毫米级与垂直厘米级的定位精度。

基于BDS-3/GPS的RTK/B2b-PPP融合切换定位技术

针对远海、沙漠等网络实时动态(real-time kinematic,RTK)载波相位差分技术通讯信号容易中断的应用场景,提出了一种基于北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)/GPS双系统的RTK/B2b-PPP融合切换定位技术.充分利用网络RTK收敛快、定位精度高和B2b-PPP单站定位、覆盖范围广的特点,将网络RTK获取的高精度位置坐标作为先验信息,与B2b-PPP融合以辅助B2b-PPP快速收敛.通过分时段多组数据的采样分析,结果表明:RTK固定解与B2bPPP融合定位精度在东(east,E)、北(north,N)、天顶(up,U)方向分别为2.57 cm、0.90 cm、2.83 cm,较独立B2b-PPP定位大幅提高;RTK固定解与B2b-PPP融合1 s后,便可帮助B2b-PPP瞬时收敛,RTK中断后初期精度达到厘米级,0.5 h后逐渐过渡到B2b-PPP独立定位精度水平,表明B2b-PPP可作为网络RTK的有效补充手段,在RTK差分中断后,能够有效维持高精度定位水平.

BDS-3新频点信号双频精密单点定位精度分析

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite System,BDS)已于2020年7月正式建成并开通,北斗三号(BDS-3)在旧信号B1I和B3I的基础上,增加了B1C、B2a新信号.为了全面评估BDS-3的新信号B1C、B2a的定位性能,试验了GPS (Global Positioning System)、BDS-3、BDS-2/BDS-3新旧信号的定位性能和BDS系统不同频点与GPS组合定位性能,对BDS (B1I+B3I、B1C/B2a)+GPS (L1+L2)组合静态PPP (Precise Point Positioning)定位性能进行分析,并与单卫星系统对比分析.试验结果表明:BDS-3 (B1C/B2a)在East (E)、North (N)、Up (U)方向的定位精度优于1.25 cm、0.89 cm、1.67 cm,BDS-3新旧频点在E、N方向上定位精度与GPS L1/L2在同一水平上,U方向上新频点定位精度高于GPS L1/L2和BDS-3旧频点,较旧频点定位精度提升了34.2%,新频点收敛时间25.9 min比旧频点提升了12.7%;相较于BDS、GPS单系统,组合系统BDS/GPS定位精度和收敛时间有了明显的提高,BDS-3 (B1C/B2a)+GPS在E、N方向上与BDS-3 (B1I/B3I)+GPS定位精度相当,在U方向上定位精度前者较后者有了明显的提升,提升了17.2%,组合系统新频点收敛时间20.1 min比旧频点提升了17.6%.

无频间钟偏差改正的BDS-2三频非组合PPP随机模型优化

针对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)频间钟偏差(IFCB)导致多频精密单点定位(PPP)解算结果产生系统性偏差的问题,本文提出了一种适用于BDS-2无IFCB改正的三频非组合PPP随机模型优化方案,通过亚太地区分布的30个监测站数据客观评估和分析了最优随机模型建立方法。结果表明,当无IFCB改正时,BDS-2第三频率载波相位观测值方差应被放大为原始方差的2.0~4.0倍。为了进一步验证该随机模型的可用性,以放大3.0倍为例,实施了额外6个连续测站BDS-2三频观测数据非组合PPP静态和动态解。定位精度和收敛时间方面均表明,当将第三频频率载波相位观测值方差放大3.0倍后与采用真实IFCB改正具有同等性能改善效果,且均优于未顾及IFCB影响的BDS-2三频非组合PPP。

附加先验信息约束的BDS-3精密授时算法

考虑到高性能原子钟的高稳定性及对应站钟钟差序列历元间强相关等特点,对接收机钟差附加先验信息约束进行精密单点定位授时测试。基于BDS-3的B1C/B2b观测信息测试结果表明,相比于传统授时模型,附加先验信息的精密授时模型具有更高的授时性能,尤其是短期稳定性提升效果可达60%。此外,BDS-3的B1I/B3I和B1C/B2b组合观测值PPP精度基本相当,均可获得水平方向优于0.5 cm、高程方向约2 cm的定位精度;得益于B1C/B2b更高的观测数据质量,其定位精度较B1I/B3I组合提高13.8%。

不同对流层模型对B1C/B2a组合PPP的影响分析

对流层延迟是GNSS定位主要的误差源之一,因此分析不同对流层模型对BDS-3系统B1C/B2a组合PPP的影响是非常必要的。本文结合多个MGEX测站数据,进行了GPT、GPT2、GPT2w 3种对流层模型静态与动态PPP解算实验。实验结果表明,3种对流层模型解算得到的B1C/B2a组合静态与动态PPP定位误差与精度一致性较好,定位精度可以达到厘米级,但3种模型解算得到的定位精度差异在亚毫米级,整体来说,GPT2w模型解算得到的定位精度最优,其次为GPT2模型,GPT模型略低于其他两种模型。

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.

BDS-2和BDS-3卫星伪距多路径偏差特性比较

通过分析2016-07-01JFNG测站BDS-2卫星伪距多路径组合(MP组合)的特征,证实BDS-2卫星的伪距观测值存在与卫星高度角有关的伪距多路径偏差,且该偏差与卫星类型和信号频率有关。利用SGG0站2017-07-10~07-20的数据计算BDS-3卫星的MP序列,通过三次多项式拟合建立每一颗卫星在各个频率上的高度角模型发现,对应的系数接近0,说明BDS-3卫星伪距观测值几乎不存在伪距多路径偏差。

BDS-2卫星钟设计年限末期阶段性能评估与分析

为探究BDS-2卫星钟在当前阶段的运行状态及性能情况,采用国际GNSS监测评估系统(iGMAS)2018年共365 d的精密钟差数据,将Score检验量引入钟差异常探测,并结合中位数法进行数据质量控制,弥补了中位数法部分粗差漏探的缺陷;再从频率准确度、频率漂移率、频率稳定度、模型拟合残差、周期特性、噪声类型等6个方面对BDS-2卫星钟的相关性能进行全面评估。结果表明,现阶段BDS-2在轨卫星钟的运行状态良好,各项性能指标均正常,可继续提供相应的系统服务。其中,BDS-2卫星钟的频率准确度为3.15×10^-11,日漂移率为1.59×10^-13,万秒稳为5.72×10^-14,模型拟合残差平均精度为0.596 ns;GEO、IGSO和MEO三类卫星的钟差序列周期特性显著,第1、2主周期与其各自卫星轨道周期相关,分别为其轨道周期的0.5倍或1倍左右;不同平滑时间下的BDS-2卫星钟主要受调频白噪声(WFM)、调频闪烁噪声(FFM)和调频随机游走噪声(RWFM)的影响。

基于BDS-2/BDS-3联合处理的北斗超快速钟差预报优化策略

针对北斗卫星导航系统(BDS)钟差预报产品无法满足高精度快速服务需求的现状,提出了一种基于BDS-2/BDS-3联合估计的超快速卫星钟差预报优化策略。区别于传统两步法预报模型,利用稀疏建模方法一步求解所有模型项,并通过BDS-2/BDS-3星间相关性实现了模型系数解的增强;为进一步降低模型残差的影响,基于残差序列时空相关性,利用半变异函数重构了模型估计的权阵。为验证提出的钟差预报模型,设计了12套对比方案,实验结果表明:基于稀疏建模的钟差模型参数一步估计可略微提高钟差预报精度;通过引入星间相关性对随机模型进行精化,钟差序列一步建模可分别将BDS-2与BDS-3卫星钟差18h预报精度提升28.6%与27.2%;基于半变异函数建模的模型残差相关性提取,可实现BDS-2与BDS-3预报钟差精度8.0%与11.1%的提升。因此,提出的优化策略对当前北斗超快速卫星钟差预报产品精化具有重要意义。

BDS-3/BDS-2多频伪距单点定位模型研究

针对目前BDS-3/BDS-2多频单点定位技术研究较少,本文对单、双、多频伪距单点定位模型进行了简要介绍,并基于抗差理论利用MEGX多站观测数据对BDS-3/BDS-2单、双、多频伪距定位性能进行详细对比分析,实验结果表明:①单频伪距单点定位ENU方向精度为0.631,0.863,4.279 m。双频伪距单点定位ENU方向精度为1.257,1.221,3.097 m。三频伪距单点定位ENU方向精度2.102,2.380,4.612 m;②在电离层延迟误差较大的情况下,双频伪距单点定位能够有效抵抗电离层误差影响,提高U方向定位精度;③由于伪距单点定位误差模型简单,三频消电离层组合模型扩大噪声影响降低定位精度。

BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo双频精密单点定位精度分析与评价

由于北斗卫星导航系统(BDS)已完成正式组网,有必要对BDS的定位性能进行精度评估与分析.本文主要通过在MGEX(Multi-GNSS Experiment)选取8个测站5天的观测数据,以北斗二号/北斗三号(BDS-2/BDS-3)为主分析BDS-2/BDS-3、BDS-2/BDS-3/Galileo、BDS-2/BDS-3/GPS、BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo四种不同组合卫星系统静态精密单点定位(PPP)性能,试验结果表明:BDS-2/BDS-3静态PPP在东(E)、北(N)、天顶(U)方向上的定位精度和收敛速度分别优于2.49 cm、2.27 cm、4.04 cm和34.6 min、19.3 min、28.1 min;BDS-2/BDS-3/Galileo静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.81 cm、1.65 cm、2.94 cm和20.4 min、13.0 min、18.6 min;BDS-2/BDS-3/GPS静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.67 cm、1.62 cm、2.82 cm和18.3 min、10.2 min、16.1 min;BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.46 cm、1.40 cm、2.45 cm和14.5 min、9.3 min、14.5 min.

BDS-2/BDS-3/QZSS组合短基线相对定位精度分析

针对日本准天顶卫星系统(QZSS)对北斗二号(BDS-2)和北斗三号(BDS-3)短基线相对定位性能的影响,本文基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站组成的5 km和10 km两条短基线,分析了QZSS、BDS-2、BDS-3不同组合短基线相对定位精度.经研究发现,QZSS能有效改善BDS-2和BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,而BDS-2/BDS-3组合下的卫星可见数与卫星空间几何构型优于任一单系统.在定位精度方面,QZSS与数据缺失情况下BDS-3组合定位精度与BDS-2相当,同时QZSS能有效提升BDS-2和BDS-2/BDS-3相对定位精度,而BDS-3对BDS-2定位精度的提升要优于QZSS.

北斗三号PPP-B2b服务实时动态定位性能分析

为了进一步提高精密单点定位的精度,对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)提供的实时精密单点定位增强(PPP-B2b)服务进行实时动态定位性能分析:介绍基于PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位模型和数据处理流程;然后在城市环境下进行基于BDS-3PPP-B2b服务的实时动态精密单点定位性能的车载实验,对不同频点组合B1C+B2a、B1I+B3I模式下的动态定位性能进行评估和分析。实验结果表明,实时动态PPP的城市开阔环境试验中利用B2b服务的电文改正信息后B1C+B2a、B1I+B3I频点组合模式下东向、北向和天向上定位精度分别为11.6、18.8、28.6 cm,以及13.3、19.4、32.5 cm,B1C+B2a组合方式在定位精度和收敛速度方面略优于B1I+B3I;复杂城市环境下GNSS信号发生中断后,信号恢复后PPP-B2b重新收敛的定位精度能够达到40.6、33.2、60.1cm;可知,BDS-3PPP-B2b产品精度较高,且城市环境下基于该服务的实时动态精密单点定位能够实现分米级定位,可用于正常生产生活中。

BDS-2/BDS-3联合精密单点定位性能分析

为了综合评估北斗导航卫星系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)北斗二号(BDS-2)与北斗三号(BDS-3)的数据质量以及BDS-2/BDS-3联合(BDS-2/3)定位性能,文章根据多卫星系统试验网(Multi-GNSS Experiment,MGEX)跟踪站的观测数据,从信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、多路径(multi-path,MP)效应、卫星可见性和位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)方面,对BDS-2和BDS-3卫星数据质量进行分析,并将BDS-3与美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)在兼容互操作频点上进行对比,进一步分析比较BDS-2和BDS-2/3的静态精密单点定位(precise point positioning,PPP)精度和收敛速度。结果表明:在SNR、MP效应方面,BDS-3的观测数据质量表现较好,在兼容互操作频点上BDS-3的SNR和MP效应表现也较优于GPS,BDS-3的卫星可见性和PDOP值表现较BDS-2差;静态PPP精度方面,BDS-2在E、N、U方向定位误差平均均方根(root mean square,RMS)值分别为3.9、3.6、7.0 cm,其平均收敛时间在E、N、U方向分别为73.1、69.0、73.3 min,BDS-2/3在E、N、U方向定位误差平均RMS值分别为2.3、1.3、4.8 cm,其平均收敛时间在E、N、U方向分别为28.2、25.5、38.0 min;相比于BDS-2,BDS-2/3在收敛速度与定位精度上都有明显改善。

BDS-2/BDS-3/GPS精密单点定位精度分析

为进一步对比分析BDS-2、BDS-3、GPS不同组合间的精密单点定位精度,选取了5个IGS连续跟踪站连续7 d的实测数据,分析了BDS-2、BDS-3、GPS等7种不同情况下静态与动态精密单点定位精度。经研究发现,当前BDS-2精密单点定位精度低于BDS-3低于GPS,而BDS-2/BDS-3组合定位精度与GPS相当,三者任意组合定位精度较任一单系统都有较明显提升。其中BDS-2/BDS-3/GPS组合定位精度最高,较BDS-2单系统定位精度提升在60%以上,较BDS-3单系统定位精度提升在50%以上,较GPS单系统定位精度提升在40%以上。