北斗卫星钟差近实时估计模型及其实现

为更快地获取高可靠性、高精度的天顶对流层延迟,提出了选择历元间差分与非差组合模型为函数模型,对BDS/GPS钟差参数采用近实时方式进行估计。为此,从全球范围内均匀选取45个MGEX跟踪站,使用GFZ的超快速轨道产品为钟差估计提供初始轨道信息,并以事后产品为参考值。试验结果表明,GPS实时钟差的精度优于0.06 ns,略低于事后钟差估计精度,三类BDS卫星的实时钟差估计精度均在0.04~0.08 ns,其中GEO卫星的准实时钟差精度略低于IGSO和MEO卫星,满足近实时天顶对流层延迟估计的需求。     

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.     

GPS/BeiDou/Galileo/GLONASS实时精密卫星钟差估计

基于GNSS(global navigation satellite system)非差观测量,利用双线程钟差加密的方法,本文实现了导航卫星实时钟差的逐秒更新。通过选取全球均匀分布的76个参考站对四系统钟差进行联合估计,并从实时轨道精度,解算效率,钟差精度和精密单点定位(precision point positioning,PPP)定位结果对该系统进行分析和评估。结果表明,GPS预报轨道径向精度为2.3 cm,GLONASS和Galileo预报轨道径向精度为3 cm和3.5 cm,北斗GEO、IGSO、MEO卫星预报轨道径向精度分别为31 cm,17 cm和5.3 cm;钟差统计结果表明,GPS实时钟差精度优于0.2 ns,GLONASS钟差精度优于0.4 ns,Galileo钟差精度优于0.3 ns,受轨道影响,北斗GEO实时钟差精度为0.6～1.0 ns,IGSO钟差精度为0.4～0.7 ns,MEO钟差精度为0.3～0.4 ns;PPP定位结果表明,解算钟差定位精度与事后钟差定位结果相当,平面精度在3 cm以下,高程精度在5 cm以下。     

GNSS增强系统中精密实时钟差高频估计及应用研究

GNSS星基差分增强系统依赖于实时轨道及钟差增强信息。本文主要研究多GNSS实时精密钟差估计模型,在传统非差基础上优化待估参数,实现了一种高效的Multi-GNSS实时钟差简化估计模型。基于PANDA软件开展了实时轨道数据处理与分析,经过验证可获得的GPS/北斗MEO/Galileo实时轨道径向精度1~5cm,北斗GEO/IGSO卫星径向精度约10cm。分析发现本文优化的实时钟差简化估计模型单历元解算效率较高,可应用于实时钟差增强信息高频(如1Hz)更新,且解算获得的实时钟差不存在常偏为绝对钟差;基于实时轨道,通过该模型可获得实时钟差精度GPS约0.22ns,北斗GEO约0.50ns、IGSO/MEO约0.24ns,Galileo约0.32ns。在此基础上,利用目前所获取的MultiGNSS实时数据流搭建了Multi-GNSS全球实时增强原型系统,并基于互联网实时播发增强信息,可初步实现实时PPP厘米级服务、伪距米级导航定位服务。     

北斗/GPS实时精密卫星钟差融合解算模型及精度分析

实时GNSS精密单点定位(PPP)技术必须使用实时的高精度卫星精密轨道和钟差。本文研究了精密卫星钟差融合解算模型及策略,并利用滤波算法实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法。仿真实时试验结果显示:获得的北斗/GPS实时钟差与GFZ事后多GNSS精密钟差(GBM)的标准差在0.15 ns左右;使用该钟差进行GPS动态PPP试验,收敛后水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm;使用仿真实时钟差进行的北斗动态PPP与使用GFZ事后多GNSS精密钟差开展的试验相比精度相当,可实现分米级定位。     

顾及轨道误差BDS/GPS实时钟差融合估计的观测权函数设计

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,本文针对BDS/GPS轨道精度差异,设计了一种顾及轨道精度差异观测权函数,优化了实时钟差估计的随机模型,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iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实时钟差解算,并与iGMAS产品综合中心提供的事后精密钟差产品进行了比较分析。结果表明:基于该方法估计的钟差精度对单GPS、单BDS和BDS/GPS融合都有提高,其中BDS钟差精度整体较GPS更为显著,提高幅度约12.8%,其中IGSO/MEO更为突出,提高幅度约20%,验证了方法的有效性。     

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iGMAS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。     

利用非差观测量估计北斗卫星实时精密钟差

研究并实现了基于非差观测量的北斗卫星实时钟差估计算法,利用全球53个多模全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)实验跟踪网(multi-GNSS experiment,MGEX)站的北斗与全球定位系统(global positioning system,GPS)观测数据进行实时钟差估计,分析了实时钟差产品的精度与定位性能。多天统计结果表明,本文生成的GPS实时钟差与事后钟差符合较好,精度优于0.07ns,略低于事后钟差产品,验证了基于非差观测量的实时钟差估计软件的处理精度。本文解算的北斗实时钟差的精度为0.1~0.15ns,略低于GPS卫星。基于实时钟差进行模拟动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)实验,北斗与GPS在水平方向的定位精度为0.041m和0.058m,高程方向的精度为0.069m和0.037m,定位结果分别与事后钟差解算的结果符合较好,表明实时钟差与事后钟差差异不大。     

MGEX钟差产品精度分析

IGS的多GNSS实验项目MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的精密钟差产品广泛应用于高精度导航定位领域。本文研究了卫星钟差精度评估的方法,以IGS最终钟差作为GPS卫星基准,以北斗星地双向时间频率传递钟差作为北斗卫星基准,对GFZ、CODE和WHU这3个分析中心的MGEX钟差产品精度进行了分析。研究结果表明:MGEX实验的GPS最终钟差RMS优于0.30 ns;超快速钟差实测部分RMS优于0.16 ns;24 h预报误差RMS优于3.5 ns。各分析中心北斗GEO卫星最终钟差互差RMS为0.75 ns;IGSO卫星为2.27～3.8 ns;MEO卫星为0.6～1.2 ns。北斗星地双向时间频率传递检核GEO卫星最终钟差RMS为2.6～2.7 ns;IGSO和MEO卫星为1～1.5 ns。北斗卫星超快速钟差实测部分RMS优于1 ns;24 h预报误差RMS为7～9 ns。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

Joint estimation of GPS/BDS real-time clocks and initial results

We present the joint estimation model for Global Positioning System/BeiDou Navigation Satellite System (GPS/BDS) real-time clocks and present the initial satellite clock solutions determined from 106 stations of the international GNSS service multi-GNSS experiment and the BeiDou experimental tracking stations networks for 1 month in December, 2012. The model is shown to be efficient enough to have no practical computational limit for producing 1-Hz clock updates for real-time applications. The estimated clocks were assessed through the comparison with final clock products and the analysis of post-fit residuals. Using the estimated clocks and corresponding orbit products (GPS ultra-rapid-predicted and BDS final orbits), the root-mean-square (RMS) values of coordinate differences from ground truth values are around 1 and 2–3 cm for GPS-only and BDS-only daily mean static precise point positioning (PPP) solutions, respectively. Accuracy of GPS/BDS combined static PPP solutions falls in between that of GPS-only and BDS-only PPP results, with RMS values approximately 1–2 cm in all three components. For static sites, processed in the kinematic PPP mode, the daily RMS values are normally within 4 and 6 cm after convergence for GPS-only and BDS-only results, respectively. In contrast, the combined GPS/BDS kinematic PPP solutions show higher accuracy and shorter convergence time. Additionally, the BDS-only kinematic PPP solutions using clock products derived from the proposed joint estimation model were superior compared to those computed using the single-system estimation model.     

GNSS实时精密轨道快速计算方法及服务

多系统全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）精密轨道确定及其预报是实现高精度实时精密定位的前提。针对多GNSS系统超快速轨道解算时效性及轨道预报精度随时间下降的问题,提出一种基于分块递推最小二乘配置方法,该方法通过对动力学和几何学待估参数松弛、连接以及轨道状态参数转移递推,能够同时兼容事后及实时滤波定轨方法。该方法能够有效地提高多GNSS系统轨道解算效率,缩短实时轨道更新时间。基于全球实测数据验证了该方法的可靠性和有效性,轨道精度优于国际GNSS服务组织发布的GPS超快速轨道及德国地学研究中心发布的超快速轨道,实验结果表明,采用该方法,GPS/GLONASS/Galileo/BDS四系统120个地面测站精密定轨可以实现1 h更新,延迟30 min发布,统计GPS/GLONASS/Galileo/BDS实时轨道可用部分3D均方根分别为2.8 cm、8.5 cm、5.0 cm及11.5 cm（IGSO/MEO）。目前,1 h更新多GNSS系统轨道及实时产品服务系统已业务化发布,较之前发布的3 h更新及6 h更新轨道分别有20%~40%的精度提升。     

顾及码频间偏差的GPS/GLONASS实时卫星钟差估计

在进行GPS/GLONASS联合卫星钟差估计时,GLONASS码频间偏差（inter-frequency bias,IFB）因卫星频率间的差异而无法被测站接收机钟差参数吸收,其一部分将进入GLONASS卫星钟差估值中。通过引入多个"时频偏差"参数（inter-system and inter-frequency bias,ISFB）及附加基准约束对测站GLONASS码IFB进行函数模型补偿,实现其与待估卫星钟差参数的有效分离,并对所估计实时卫星钟差和实时精度单点定位（real-time precise point positioning,RT-PPP）进行精度评估。结果表明,在卫星钟差估计观测方程中忽略码IFB,会明显降低GLONASS卫星钟差估值精度;新方法能有效避免码IFB对卫星钟差估值的影响,所获得GPS、GLONASS卫星钟差与ESA（European Space Agency）事后精密钟差产品偏差平均均方根值分别小于0.2 ns、0.3 ns。利用实时估计卫星钟差进行静态RT-PPP,当观测时段长为2 h时,GPS单系统、GPS/GLONASS组合系统的3D定位精度优于10 cm,GLONASS单系统3D定位精度约为15 cm;三种模式24 h单天解的3D定位精度均优于5 cm。     

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

BDS/GPS精密单点定位收敛时间与定位精度的比较

采用武汉大学卫星导航定位技术研究中心发布的北斗精密卫星轨道和钟差,在TriP 2.0软件的基础上实现了BDS PPP定位算法,并利用大量实测数据进行了BDS/GPS静态PPP和动态PPP浮点解试验。结果表明,BDS静态PPP的收敛时间约为80min,动态PPP的收敛时间为100min;对于3h的观测数据,静态PPP收敛后定位精度优于5cm,动态PPP收敛后水平方向优于8cm,高程方向约12cm;与GPS PPP类似,东分量上定位精度较北分量稍差。当前由于BDS的全球跟踪站有限,精密轨道和钟差精度不如GPS,因此BDS PPP的收敛时间较GPS长,但收敛后可实现厘米至分米级的绝对定位。     

风云3C增强北斗定轨试验结果与分析

首次搭载GPS/BDS双模接收机全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)的风云三号C星于2013年9月23日的成功发射,为研究低轨卫星对BDS定轨增强提供了便利。本文首先对低轨卫星GNOS搭载的GPS/BDS双模接收机的观测数据进行统计,并分析了伪距测量精度。然后在全球测站、区域测站两种布局情况下,对无GNOS的BDS单系统定轨、无GNOS的GPS/BDS双系统定轨、有GNOS的BDS单系统定轨增强、有GNOS的GPS/BDS双系统定轨增强4种方案进行北斗轨道及钟差比较分析。结果表明,GNOS对北斗卫星轨道增强在全球测站下,GEO卫星切向精度提升最为显著,提升程度达60%,其次是法向和其他类型卫星切向,部分弧段个别GEO卫星径向精度稍有下降。双系统定轨增强中可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.1ns量级改善。7个国内测站区域监测网的定轨试验中对轨道进行了预报,结果表明GNOS对北斗GEO卫星轨道预报精度切向提升达85%,其余方向及卫星有较大改善,平均21.7%。可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.5ns量级改善。     

顾及频率间偏差的GPS/GLONASS卫星钟差实时估计

GPS/GLONASS卫星钟差联合估计过程中，由于GLONASS系统采用频分多址技术区分卫星信号，因而会产生频率间偏差（IFB）^[1]。本文在GPS/GLONASS卫星定轨过程中的IFB参数特性分析的基础上，引入IFB参数，实现顾及频率间偏差的GPS/GLONASS卫星钟差实时估计。同时，为解决实时估计中待估参数过多导致的实时性较弱等问题，基于非差伪距观测值和历元间差分相位观测值改进实时估计数学模型，实现多系统卫星钟差的联合快速估计。结果表明：GPS/GLONASS联合估计时需引入IFB参数并优化其估计策略，采用MGEX和iGMAS跟踪站的实测数据进行实时钟差解算，快速估计方法可实现1.6 s逐历元快速、高精度估计，与GBM提供的最终精密卫星钟差相比，GPS卫星钟差实时精度约为0.210 ns，GLONASS卫星约为0.298 ns。     

广域实时精密定位与时间服务系统

广域实时精密定位与时间服务已成为GNSS应用领域研究热点,目前国内外学者围绕其模型算法已展开大量的研究。本文重点论述广域实时精密定位与时间服务数据的处理方法和服务系统,给出了基于不同基准约束的卫星钟差解算数学模型,提出通过引入外接原子钟测站、标准时间源(UTC/BDT)等不同时间基准,构建卫星拟稳基准、外接原子钟跟踪站拟稳基准及标准时间源等约束下的钟差解算模型,分析了时间基准对精密单点定位和精密单点授时的影响。本文采用实时卫星轨道、钟差、相位偏差、电离层延迟等服务产品及跟踪站实时数据,验证了系统产品可靠性及终端定位与时间服务性能。实测结果表明:GPS轨道径向精度1.8 cm,钟差STD精度约0.05 ns;BDS-3轨道径向精度6.7 cm,钟差STD精度优于0.1 ns;GPS和BDS-2电离层改正精度分别为0.74 TECU与1.03 TECU。基于该产品实现了用户端PPP、PPP-RTK及PPT、PPT-RTK服务,满足了用户实时厘米级定位和优于0.5 ns的单站时间传递服务,当采用GPS+BDS-2 PPP-RTK解算时,平面收敛至5 cm约需要12 min。     

广播星历更新对实时测速的影响分析

实时获取高精度的载体速度信息在科学研究和生产应用中都具有重要意义。采用TDCP方法可实时获取载体高精度的速度信息。利用传统就近原则选择广播星历数据块,会使得相邻历元所采用的星历数据块不统一,从而导致卫星轨道和钟差不连续。本文首先介绍了TDCP方法的基本原理;然后分析了星历更新引起的卫星轨道和钟差跳变的大小及其对参数估计的影响,并提出了改进的数据处理策略;最后通过实测数据验证了本文方法的可行性,结果表明静态模拟动态模式下单频实时测速精度可达1~3mm/s。