广播星历旋转误差对低轨星载BDS-3/GPS实时精密定轨影响分析

基于LT-01A卫星星载BDS-3/GPS观测值进行了星载实时精密定轨研究,并重点分析了广播星历旋转误差对实时定轨精度的影响。通过赫尔默特转换评估了所选时段内GPS和BDS-3广播星历轨道旋转误差,显示BDS-3广播星历旋转误差可达-8.7 mas,平均量级较GPS大约2.5倍。BDS-3广播星历经旋转改正后,轨道切向、法向均方根(RMS)误差从25 cm左右提升至10 cm量级,提升幅度超过50%。因此,基于星载BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨精度受BDS-3星历旋转误差影响严重,且主要作用于切向和法向。经过旋转改正后,单独BDS-3实时定轨在切向、法向、径向RMS分别为21.0 cm、10.7 cm及11.2 cm,其切向和法向精度比改正前分别提升15.0%和31.8%;BDS-3与GPS联合定轨进一步提升切向精度至19.4 cm。得益于BDS-3广播星历较高的精度,单BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨在旋转改正前的三维RMS分别为31.9 cm和29.2 cm,较单GPS实时定轨分别提升9.1%和16.8%;添加旋转改正后,其定轨精度分别提升至26.7 cm和25.0 cm,较单GPS实时定轨分别提升22.6%和27.5%。

BDS-3 PPP-B2b实时精密时间同步方法探讨

针对传统实时精密单点定位(PPP)时间同步方法需要连接互联网,以及对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)精密单点定位服务信号(PPP-B2b)用于长基线实时时间同步的研究较少的问题,提出一种将PPP-B2b信号用于PPP时间同步的实时时间同步方法:将高精度铷原子钟作为全球卫星导航系统(GNSS)接收机外频标输入,通过GNSS接收机实时接收PPP-B2b改正数,解算接收机钟差并实时调整铷原子钟,输出与时间基准同步的秒脉冲(1PPS)信号,较之传统GNSS接收机输出1PPS有更佳的频率稳定性;设计PPP-B2b时间同步硬件测试平台对提出的PPP-B2b时间同步方法进行测试。结果表明,通过PPP-B2b时间同步方法进行时间传递的精度优于0.2 ns;短基线实测实时时间同步精度优于0.95 ns;卫星模拟器仿短基线精度优于0.87 ns,仿长基线精度优于0.9 ns。

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。

BDS-3全球短报文2种低轨卫星几何法定轨

针对低轨卫星实时在线精密定轨难以获取实时改正数问题,提出基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)全球短报文播发距离改正数和状态空间表达(SSR)改正数的低轨卫星精密定轨方法。基于提出的距离改正数和SSR改正数编码播发方案,利用Swarm A卫星7 d星载全球卫星导航系统(GNSS)数据进行验证,从定轨精度以及处理效率2方面进行分析,结果表明:基于BDS-3全球短报文播发的改正数可以实现低轨卫星几何法定轨精度约为0.1 m,且基于SSR改正数的低轨卫星定轨精度优于距离改正数。非差非组合模型的定轨精度略优于无电离层(IF)组合定轨精度;当BDS-3全球短报文通信成功率为90%时,定轨精度下降约15%。在处理效率上,IF组合较非差非组合提升明显,2种方法在主频为1.6 GHz的个人笔记本上单历元处理时间均小于0.003 s。

GPS/Galileo/BDS-3广播星历精度分析

为了分析当前GPS(Global Positioning System)、Galileo(Galileo Navigation Satellite System)和BDS-3(Beidou Navigation Satellite System with Global Coverage)广播星历的精度,详细分析研究了各种偏差改正及消除方法,并尽可能地消除了系统误差和粗差对评估结果的影响。选取2021-11-01/12-31共61天MGEX(multi-GNSS experiment)发布的多系统混合广播星历与武汉大学分析中心发布的事后精密星历数据进行实验,对GPS、Galileo和BDS-3近期广播星历精度进行对比分析,实验结果表明:3个系统广播星历整体精度由高到低依次是Galileo、BDS-3和GPS,其空间信号测距误差的RMS(root mean square)分别优于0.17、0.25和0.37 m,整体轨道精度的RMS分别优于0.17、0.12和0.25 m,BDS-3广播星历的轨道精度最高,钟差误差的RMS分别优于0.15、0.23和0.27 m,Galileo广播星历的钟差精度最高。对于GPS卫星的广播星历,blockⅢA卫星钟差和轨道精度均优于其他GPS类型卫星。

BDS-3单频三种差分定位方法的性能初步评估

为进一步分析北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)B3I、B1C、B2a和B1I单频差分定位精度,利用全球14个MGEX测站构成基线长度在30km以下的7条基线2022-09-01到2022-09-30共30d观测数据,在评估可视卫星数和信噪比基础上,初步评估了BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I单频伪距差分、载波平滑伪距差分和载波相位差分定位精度。结果表明:数据质量方面,BDS-3B3I、B1C、B2a和B1I可见卫星数和信噪比基本符合解算需求;差分性能方面,B1C和B2a相当,B3I和B1I略差;伪距差分E、N、U方向优于0.6m,点位精度优于0.8m,单频平滑效果B1C优于B3I、B1I和B2a,在E、N、U方向分别平均提升21.34%、22.2%和17.17%。设置平滑值和原始伪距阈值定位精度得到较好的提升;BDS-3载波相位差分B3I定位精度优于7 cm,B1C定位精度优于5 cm,B2a定位精度优于6 cm,B1I定位精度优于5cm。总体定位精度随着基线长度逐渐下降,单频伪距差分定位精度达到分米级,载波平滑伪距中短基线定位精度相较于伪距差分能够提升40%,长基线提升20%,载波相位差分为用户提供厘米级定位精度。

BDS-3 B1C/B2a长基线相对定位研究

为了验证北斗三号卫星导航系统(BDS-3)B1C/B2a长基线相对定位的精度,本文首先对2023年DOY(304~313)澳大利亚地区8个MGEX测站连续10 d观测数据进行质量分析;然后使用改进的GAMIT10.76软件对观测数据进行长基线相对定位解算;最后评估BDS-3和GPS不同频点信号组合数据质量和双频无电离层线性组合基线解算,以及网平差的精度。试验结果表明,B1C/B2a、B1C/B2b和B1C/B3I频点信号组合数据质量、载噪比和伪距多路径误差基本相当,优于L1/L2;B1C/B2a的标准化均方根(NRMS)略优于B1C/B2b和L1/L2,显著优于B1C/B3I;B1C/B2a和B1C/B2b模糊度固定率基本相当,显著优于B1C/B3I,差于L1/L2。试验结果进一步表明,B1C/B2a相对于B1C/B3I的基线分量东(E)、北(N)和天顶(U)3方向标准差(STD)均值和三维点位误差均值分别降低了29.4%、27.0%、30.0%和41.0%。

BDS-3/Galileo四频精密单点定位模型及性能分析

北斗三号系统(BDS-3)与欧盟伽利略系统(Galileo)都能提供四频及以上的卫星信号。为充分利用多频信号数据,提高定位精度和可靠性,建立了BDS-3/Galileo四频精密单点定位模型并进行了性能分析。首先在传统双频模型基础上推导了两个四频无电离层组合模型(QF1和QF2)和一个四频非差非组合模型(QF3),并给出了各模型组合系数、电离层和噪声放大系数等参数。其次分析了各模型参数对定位性能的影响。最后通过静态和仿动态PPP实验评估了各模型的定位性能,实验结果表明:提出的四频模型QF1、QF2、QF3静态PPP收敛时间相较于双频模型IF12缩短了约50%、57%、25%,收敛后定位精度分别提升约44%、44%、41%;动态PPP实验中,QF1、QF2、QF3模型所用收敛时间较IF12模型分别缩短约26%、26%、3%,收敛后定位精度分别提升约23%、22%、13%。QF1和QF2模型性能相当,优于QF3模型。

复杂环境下GPS+BDS-3 PPP/INS紧组合算法性能分析

针对城市复杂环境下精密单点定位(PPP)连续高精度定位受限的问题,本文基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)与全球定位系统(GPS)双系统,利用PPP与惯性导航系统(INS)紧组合算法来改善城市复杂环境下定位性能。通过构建GPS+BDS-3双系统PPP/INS紧组合滤波模型,分别对GPS PPP、GPS+BDS-3 PPP、GPS PPP/INS紧组合、GPS+BDS-3PPP/INS紧组合4种方案在城区开阔、复杂环境下的定位、测速、定姿性能进行了分析和评估。实验结果表明,开阔环境下PPP/INS紧组合相比PPP定位精度略有提升;而在复杂环境下PPP/INS紧组合可显著解决PPP定位结果连续性和有效性较差的问题;引入BDS-3后,PPP/INS紧组合导航性能进一步提升,GPS+BDS-3 PPP/INS紧组合相比GPS PPP/INS紧组合,在东、北、天方向上,开阔环境下定位精度分别提升18.5%、32.7%、43.2%,复杂环境下定位精度分别提升35.9%、49.1%、56.5%。

复杂测量环境下BDS-3/GPS组合RTK测量性能分析

为比较分析城市道路观测环境下BDS-3/GPS组合RTK测量性能,探讨一种基于卡尔曼滤波算法的RTK测量模型。在统一BDS-3/GPS组合RTK测量时空基准的基础上,建立RTK观测方程模型,利用LAMBDA算法快速确定双差整周模糊度,并基于卡尔曼滤波算法求解RTK观测方程模型测量结果;基于Visual Studio 2020平台,运用C/C++编程语言,设计和开发RTK数据处理软件(KalRTK),并比较分析BDS-3/GPS组合RTK测量结果。通过城市道路实测数据分析结果表明,BDS-3系统沿东西向跟踪卫星能力要略弱于GPS系统;BDS-3/GPS组合RTK测量的平面精度与高程精度均优于1.6cm,点位精度优于2.2cm,与GPS双频RTK测量精度基本相当,但优于BDS-3双频RTK测量精度。

铁路连续运行基准站BDS-3信号质量及PPP性能分析

为评价当前铁路沿线建立的连续运行基准站网的北斗三号卫星导航系统(BDS-3)信号的可靠性,使用G-Nut/Anubis对BDS-3的B1I/B3I和B1C/B2a信号进行观测数据质量分析,并基于无电离层组合精密单点定位(PPP)观测模型,分别采用欧洲定轨中心(CODE)、欧洲航天局(ESA)和德国地学研究中心(GFZ)的精密轨道和钟差产品进行B1I/B3I、B1C/B2a两种BDS-3双频组合静态PPP解算。与全球定位系统(GPS)对比的结果表明,BDS-3采用CODE产品和B1I/B3I组合模型可以达到最优的定位性能,结果精度与GPS相当。因此,在铁路连续运行基准站网测量应用中可以使用单北斗卫星导航系统(BDS)。

不同方法的BDS-3多频单点测速对比分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)不同测速方法在不同环境下的测速性能缺乏全面评估的问题,提出一种BDS-3多频单点测速对比分析方法:利用BDS-3静态和动态数据,对比分析基于载波相位差分、多普勒、伪距差分方法的BDS-3不同频点静态和动态测速性能。实验结果表明:静态环境下,载波相位差分测速精度最好,可达到mm/s量级,伪距差分测速精度最差,为cm/s至dm/s量级;动态环境下,多普勒和载波相位差分测速的精度较好,水平方向可达到cm/s量级,高程方向约为1 dm/s,伪距差分测速误差较大;对不同频点的测速结果分析表明,BDS-3系统B1I、B1C、B2a、B2b、B3I等5个频点的测速精度基本在同一个量级。

BDS-3 PPP/INS紧组合周跳探测及修复方法

针对载波相位观测值在实际测量中存在整周数跳变的问题,提出一种BDS-3PPP/INS紧组合周跳探测及修复方法:在北斗三号卫星导航系统(BDS-3)精密单点定位(PPP)/惯性导航系统(INS)紧组合模型基础上,构建星间历元差分宽巷检测量及星间差分电离层残差检测量,以实现INS辅助BDS-3周跳探测与修复;分析可知,星间历元差分宽巷检测量利用INS短时间高精度特性,求得卫星—接收机几何距离,但无法探测等周周跳,而星间差分电离层残差检测量可消除几何距离误差,但无法探测特殊比例周跳,所以将2种方法联合实现优势互补,可以实现对所有周跳的探测以及探测后的瞬时修复。实验结果表明,所提方法在连续历元或一定中断时长内能够探测大、小、等比、特殊比例周跳,同时在中断10 s内可以实现周跳探测后的完全修复,20 s内实现部分修复。

BDS-3 PPP/INS紧组合定位性能分析

随着我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的全面建成,基于BDS-3的高精度定位定姿应用需求日益迫切.推导了无电离层组合模式BDS-3精密单点定位(PPP)模型及地心地固坐标系下的惯性导航系统(INS)误差方程,构建了BDS-3 PPP/INS紧组合定位滤波模型,分别针对BDS-3 PPP、BDS-3 PPP/INS松组合、BDS-3 PPP/INS紧组合三种模式进行了定位性能评估.实验结果表明:BDS-3 PPP/INS松组合与BDS-3 PPP位置精度基本一致;BDS-3 PPP/INS紧组合在东(E)、北(N)、天顶(U)方向位置精度为分别7.9 cm、9.3 cm、9.4 cm,较BDS-3 PPP/INS松组合位置精度分别提升了38.3%、33.1%、35.6%,速度精度分别提升了27.3%、45.8%、12%,姿态精度相当.

BDS-3观测评估及其PPP随机模型构建

针对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)精密单点定位(PPP)数据处理中传统随机模型存在局限性的问题,在评估BDS-3观测值精度的基础上,提出一种构建BDS-3 PPP随机模型的方法:采用单站BDS-3观测进行其相位、伪距观测精度评估;然后根据评估结果设定BDS-3 PPP中观测的权重比,并考虑BDS-3观测时空差异以及BDS-3不同类卫星观测精度差异;最后利用100个国际全球卫星导航系统(GNSS)服务组织(IGS)测站的观测数据进行了实验验证。结果表明,应用该方法的精密单点定位收敛时间平均可缩短8~10 min,1 h平均三维定位精度可提升4.6 cm,2 h平均三维定位精度可提升3.4 cm,能够有效提高BDS-3静态精密单点定位的性能。

iGMAS BDS-3观测数据质量建模与应用

针对目前已有全球导航卫星系统(GNSS)数据质量分析软件模型中存在的可视化和批处理问题,提出了利用公式翻译器(Fortran)语言开发一款全球连续监测评估系统(iGMAS)多GNSS数据质量分析软件(MGQA)。该软件拥有可视化操作界面和批处理功能,可对多GNSS卫星信号数据从数据完整率、信噪比、多路径效应误差、电离层延迟变化率、周跳五个方面进行质量分析。采用该软件和GNSS数据预处理软件(TEQC)分别对全球定位系统(GPS)卫星观测数据质量进行评价,以TEQC的GPS数据质量分析结果为准确值,对比MGQA与TEQC软件质量分析结果,数据完整率中误差为0.27、信噪比中误差为0.85 dB、多路径效应误差中误差为0.046 m、电离层延迟变化率中误差为0.01 m/min、周跳中误差为1.67,二者结果具有高度一致性,验证了MGQA软件的有效性。基于iGMAS跟踪站观测数据,利用该软件对iGMAS各跟踪站接收BDS-3卫星信号的能力进行评价。结果表明:GNSS-GGR接收机在数据完整率方面表现的不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收机,CETC-54-GMR-4016接收机抗多路径能力较差,UB4B0-13478接收机削弱电离层延迟能力较差,GNSS-GGR接收机与CETC-54-GMR-4011接收机易发生周跳,且4种类型接收机对BDS-3卫星B2a频点信号的接收能力要强于B1C频点。

不同截止高度角的BDS-2/BDS-3融合PPP定位性能分析

为探究融合的北斗二号卫星导航系统(BDS-2)和北斗三号卫星导航系统(BDS-3)在亚太地区不同截止高度角下精密单点定位(PPP)性能,基于多GNSS实验系统(MGEX)中8个连续跟踪站24h观测数据,分别从卫星接收数量、卫星位置精度因子(PDOP)和双频非组合PPP静态解方面分析和评估了9种不同截止高度角方案下的BDS-2/BDS-3融合定位性能。结果表明:当卫星截止高度角设置为0°~10°时,卫星接收数量呈现逐渐降低的趋势,而PDOP值变化并不显著,但当卫星截止高度角设置超过15°时,定位连续性方面将受到一定影响;不同卫星截止高度角对24 h PPP解水平方向定位精度影响非常小,特别是北方向,但对高程方向定位精度和三个方向(东、北和高程)的收敛时间影响较为显著。因此,在遮挡严重环境中,可通过长时间观测获取测站水平方向高精度坐标解,而对于高程方向可通过进一步融合其他卫星系统。

北斗三号系统卫星自主完好性监测技术

完好性对于全球卫星导航系统(GNSS)来说至关重要,关乎到其能否被放心应用。卫星自主完好性监测(SAIM)技术,是完好性监测技术发展的前沿趋势,国内外卫星导航系统均竞相发展。介绍了北斗三号系统SAIM技术设计与实现的重要意义,从功能设计和实现原理两个方面,阐述了北斗三号SAIM技术体制。针对SAIM实际在轨监测数据的正态分布特性服从程度和长期稳定性等问题,随机选取某一颗中圆轨道(MEO)卫星自2020年7月31日北斗三号系统正式开通服务以来至2021年7月31日连续1年期间的监测数据,得到真实在轨监测数据的分布特性。最后,提出了告警门限优化、分级告警策略设计、星历完好性自主监测等方面的后续发展必要性建议,旨在为北斗系统更好地为全球用户提供更优质的完好性服务提供参考。

导航卫星新形势下卫星定位课程教学方法探讨——以同济大学卫星导航定位原理与应用课程为例

当前全球及区域导航卫星系统蓬勃发展,尤其是我国北斗导航卫星系统BDS(BeiDou Navigation Satellite System)的建成,进一步提升全球导航卫星系统的服务能力。另一方面,随着高等教育中课程思政的不断深入,以立德树人为根本任务的高等教育也在经历新的变革。针对导航卫星系统发展的新局面及目前课程思政的发展,有必要改进卫星定位课程的教学方法。针对同济大学卫星导航定位原理与应用课程教学开展的现状,为贯彻三全育人、思政育人理念,探讨卫星导航定位原理与应用课程的教学新方法。

不同分析中心产品精密单点定位性能评估

为了进一步帮助用户及时了解各分析中心发布的精密轨道和钟差产品质量,改善精密单点定位(PPP)结果的精度和收敛时间,评估分析国际全球卫星导航系统(GNSS)监测评估系统(IGMAS)和国际GNSS服务组织(IGS)不同分析中心的精密产品:针对北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)提供的新频点B1C和B2a,建立BDS卫星端差分码偏差(DCB)改正模型;然后采用北斗卫星导航系统(BDS)B1I/B3I和B1C/B2a组合以及GPS L1/L2组合,针对不同分析中心精密产品选取15个多模GNSS实验跟踪网(MGEX)测站5 d采集数据进行静态和仿动态PPP性能分析。实验结果表明,新频点B1C/B2a组合相较于传统B1I/B3I组合具有更高的定位精度,在静态PPP中,E和N方向上的定位精度可分别提高4.4%和4.3%;此外,不同分析中心精密产品下的BDS/GNSS PPP定位性能存在差异,具体而言,COD、GFZ和WUM产品下的定位性能较好,IAC产品下的定位精度存在波动情况而不太稳定,IGMAS产品定位精度略差于其他分析中心,可能与其轨道产品采样间隔较大有关,SHAO产品在动态PPP中的定位误差较大。