一种改进的北斗导航卫星伪距偏差修正策略

针对北斗第二代导航卫星系统的伪距观测值中存在与卫星相关的系统性伪距偏差的问题,该文提出采用加权分段曲线建模方法建立北斗IGSO/MEO卫星观测数据三频改正模型。试验表明,改正后IGSO与MEO卫星的伪距偏差明显削弱。针对GEO卫星伪距偏差问题,提出了一种基于Tikhonov正则化的建模方法;修正后的GEO卫星MP序列的RMS在B1、B2、B3频率上分别下降了35.9%、29.6%、35.8%。为了验证策略的可行性,设计了3套单频PPP定位方案,结果表明:通过改正IGSO/MEO卫星伪距偏差,N、E方向定位精度平均提高了20.2%和13.4%,U方向定位精度平均提高了62.8%;同时改正GEO/IGSO/MEO卫星的伪距偏差时,U方向的定位精度将进一步提高至70%左右。因此本研究提出的BDS-2卫星伪距观测值的修正模型,能有效减弱这些伪距偏差的影响。     

北斗系统星源伪距偏差特性分析及改正

北斗卫星伪距观测值存在一类与卫星相关的系统误差，称为星源伪距偏差，MEO和IGSO卫星可以通过其与高度角的关系建立改正模型，而GEO卫星由于其静止特性难以建立基于高度角的改正模型。据此，本文在分析GEO卫星伪距偏差特性的基础上，提出了一种基于奇异谱分析（SSA）的修正方法，并通过双频无电离层组合伪距单点定位（SPP）对比试验来验证修正效果。结果表明：修正后GEO卫星伪距观测值基本上消除了伪距偏差，MP观测值精度在B1、B2、B3频率上分别提高了39.9%、17.9%、29.4%，MW观测值精度提高了41.3%；传统改正模型修正IGSO和MEO卫星伪距偏差对SPP影响很小，而奇异谱分析方法修正GEO卫星伪距偏差使SPP的精度在平面、高程方向上分别提高了11.1%、21.1%。     

BDS伪距多路径效应误差分析及修正

北斗星座包含3类卫星,即GEO、IGSO和MEO,GEO卫星高度角变化微小,伪距多路径观测序列系统偏差较明显;IGSO、MEO卫星随多路径序列系统偏差随卫星高度角变化,多路径误差对单个接收机定位结果影响较大.本文针对GEO卫星伪距观测值偏差问题提出了一种基于卡尔曼滤波的修正方法,利用3 d的多路径效应误差观测序列进行拟合后,利用拟合值修正,修正后的GEO卫星多路径观测序列标准差下降了31％.     

北斗二号卫星伪距偏差分析与建模

北斗二号系统伪距观测值中存在一种星源性的系统性偏差,也称为伪距偏差。文中基于全球10个IGS跟踪站的观测数据对伪距偏差进行分析,通过观察不同系统、不同卫星在不同时间、不同测站的MP组合,验证仅北斗二号系统存在伪距偏差,其中IGSO和MEO卫星的伪距偏差与高度角呈负相关,与观测时间和观测地点无关;GEO卫星的伪距偏差存在周期性规律,但不同站、不同时间差异较大。使用10个IGS站2020和2021两年的观测数据对伪距偏差进行建模,使用该模型修复伪距偏差后,发现伪距中与高度角相关的系统性误差被消除,PPP试验高程方向上平均精度提升31.7%,说明模型可以有效修复伪距偏差。     

联合GEO/IGSO/MEO的北斗PPP模糊度固定方法与试验分析

由于北斗地球静止轨道（geostationary earth orbiting,GEO）卫星轨道精度较低且其观测值受多路径误差和伪距偏差影响严重,目前各分析中心尚未针对北斗GEO卫星提供长期稳定的相位小数偏差（uncalibrated phase delay,UPD）产品,北斗精密单点定位（precise point positioning,PPP）模糊度固定技术研究主要针对倾斜轨道（inclined geosynchronous orbiting,IGSO）和中地球轨道（medium earth orbiting,MEO）卫星。本文采用Wanninger和Beer的高度角模型消除了IGSO/MEO观测值伪距偏差,并通过小波变换提取低频分量修正伪距观测值的方法削弱了GEO卫星多路径和伪距偏差的影响。由于窄巷UPD估值受未模型化误差影响较大,本文改进了窄巷UPD估计的策略,该策略利用上一历元成功估计的窄巷UPD对当前历元的浮点模糊度进行改正,剔除了残差较大的浮点模糊度,修正固定错误的整周模糊度,从而提高了窄巷UPD的精度和稳定性。利用估计得到的UPD产品,本文实现了联合GEO、IGSO和MEO卫星的北斗非差PPP模糊度固定,并对其定位性能进行分析。结果表明：联合GEO、IGSO和MEO卫星的PPP固定解的首次固定时间和收敛时间均可以缩短到30 min以内;6 h后的E、N、U方向的定位误差由（1.35、0.35、2.75）cm减少到（1.07、0.26、2.24）cm,分别减少了20%、27%和18%。     

北斗卫星伪距码偏差特性及其影响分析

在北斗导航卫星伪距码偏差特性分析的基础上,建立了倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中轨卫星（MEO）的伪距码偏差多项式改正模型;并利用星间单差宽巷小数周一致性,分析建立北斗地球同步轨道卫星（GEO）卫星伪距码偏差改正模型。采用武汉大学北斗试验网、中国陆态网络和MGEX网不同位置、不同类型接收机观测数据进行分析验证,结果表明,北斗卫星伪距码偏差特性与观测值频率、卫星类型相关,所有GEO和IGSO卫星变化规律相同,所有MEO卫星变化规律相同,与接收机类型、测站位置和观测时间无关,偏差值大小随卫星高度角变化,其变化规律稳定,可以采用建立的两类改正模型（GEO/IGSO和MEO）进行修正。通过偏差修正后的伪距无电离层组合的残差、双频SPP以及单频PPP三个方面验证了伪距码偏差改正模型的正确性。     

北斗卫星伪距偏差模型估计及其对精密定位的影响

现阶段北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）的同步地球轨道（geostationary orbits,GEO）卫星、中倾斜地球同步轨道（inclined geo-synchronous orbits,IGSO）卫星和中圆地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星均存在伪距偏差,该伪距偏差的存在对精密定位的研究及其应用产生了较大的影响。根据北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差与高度角和频率相关的误差特性,本文分析了测站数目及分布,以及观测时长对建模的影响,选择18个测站2015年全年的数据作为MEO卫星的建模数据,其中可以连续观测到全弧段IGSO卫星的4个测站用于IGSO卫星的建模,采用加权分段线性拟合联合抗差估计的方法建立了北斗卫星伪距偏差改正模型。模型改正后,北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差得到明显的削弱,相比于传统的伪距偏差改正模型,精密单点定位（precise point positioning,PPP）的定位精度和收敛时间均得到提升。     

陆态网络数据的北斗观测值特性分析

为了进一步分析北斗卫星观测值的相关特性,文章对比北斗卫星与GPS卫星、以及不同类型北斗卫星之间观测值特性的差异,提出了用站间差分考察伪距多路径组合和GFIF组合观测值的方法。陆态网络数据实验结果显示,北斗卫星B1频率观测值的信噪比最低;高度角较低时,北斗卫星伪距多路径组合绝对值和离散度均较大,约为1.5m,且IGSO和MEO卫星的伪距多路径组合值随高度角增大而明显降低;北斗GEO和IGSO卫星的相位GFIF组合有日周期性,变化范围约为±2cm,伪距GFIF组合的变化范围可达±2m;站间差分可明显减弱伪距多路径组合的变化趋势和相位GFIF组合的周期性,表明这两个组合中可能包含与卫星相关的误差,为北斗观测数据误差处理提供参考。     

GEO/IGSO/MEO卫星对北斗伪距差分定位精度的作用分析

分析了GEO/IGSO/MEO 3种卫星在BDS伪距差分定位中对精度的影响,先只添加4颗GEO卫星参与定位,再在4颗GEO卫星均参加定位的条件下,逐次增加一颗高度角最大的IGSO卫星参与定位,最后在4颗GEO卫星和3颗IGSO卫星均参加定位的条件下,逐次增加一颗高度角最大的MEO卫星参与定位。分析3次实验HDOP、VDOP值和定位精度的变化。实验表明,在北斗卫星星座(5GEO+6IGSO+3MEO)条件下,只有GEO卫星参与定位时精度较差,当加入IGSO卫星和MEO卫星时能显著改善空间结构并提高定位精度。     

顾及GEO卫星伪距偏差的BDS-2非组合PPP模型与算法

针对BDS系统GEO卫星存在伪距长周期多路径效应引起的系统性偏差LPME(Long Period Multipath Effect)的特点,提出顾及LPME的BDS非组合PPP数学模型。其中,为简化运算和提高法方程结构强度,将LPME参数在1 d内视为常数估计,对GEO卫星和MEO/IGSO卫星观测值赋予相同的权重。选取2015年年积日为150的29个MEGX跟踪站数据进行验证,并设置两组实验对比模型。结果表明:相较于降低GEO卫星观测值权重或者直接忽略GEO卫星的定位模型,新提出模型能够有效减少PPP的伪距残差、增加数据利用率、缩短收敛时间,并能在E、N、U方向带来10%左右的定位精度方面的提升。     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案。该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精密定轨形成有效约束,然后固定GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,最后单独对北斗GEO卫星进行强约束下的轨道解算。利用实测数据进行了精密定轨试验,试验结果表明:采用本文提出的方法,北斗GEO卫星和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度分别为0.688 m和0.042 m,比传统方法分别提高了54.2%和72.4%。另外,采用激光测距检核和测站坐标静态精密单点定位的方法对轨道精度进行了验证,激光检核精度提高了44.3%,测站坐标在水平和高程方向上精度分别平均提升了21.5%和20.7%。     

星蚀期北斗卫星轨道性能分析——SLR检核结果

星蚀期北斗卫星的轨道性能是北斗卫星导航系统性能分析的重要部分。了解北斗卫星导航系统星历中星蚀期轨道的精度,不仅可为系统服务性能评估提供支持,还有助于了解星蚀期精密定轨中相关模型可能存在的问题,进而为精密定轨函数模型改进提供参考。本文基于2014年1月至2015年7月的卫星激光测距资料,重点分析了星蚀期对北斗不同类型卫星轨道的影响,同时也对北斗广播星历和精密星历中整体轨道径向精度进行检核。结果表明:星蚀期内(尤其是偏航机动期间),IGSO/MEO卫星的广播星历和精密星历轨道均存在明显的精度下降;广播星历轨道径向误差达1.5~2.0m,精密星历轨道径向误差超过10.0cm。但仅从轨道径向残差序列中难以发现星蚀期对GEO卫星轨道是否有显著影响。非星蚀期间,IGSO/MEO卫星和GEO卫星的广播星历轨道径向精度分别优于0.5 m和0.9 m。IGSO/MEO卫星的精密星历轨道径向精度优于10.0cm,GEO卫星的轨道径向精度约50.0cm,且存在40.0cm左右的系统性偏差。     

Spatial–temporal characteristic of BDS phase delays and PPP ambiguity resolution with GEO/IGSO/MEO satellites

GPS precise point positioning (PPP) ambiguity resolution (AR) can improve the positioning accuracy and shorten the convergence time. However, for the BeiDou Satellite Navigation System (BDS), the problems of satellite-induced code bias, imperfections in the error models and the inadequate accuracy of orbit products limit the applications of the BDS PPP AR system, which requires more than 6 h to achieve the first ambiguity-fixed solution. In this study, the accuracy of a wide-lane (WL) uncalibrated phase delay (UPD) is improved after careful consideration of the code bias and multipath. Meanwhile, the accuracy of the BDS float ambiguity is also improved by multi-GNSS fusion and improved precise orbit and clock products, which are critical for high-quality narrow-lane (NL) UPD estimations. With three tracking networks of different scales, including Hong Kong, the Crustal Movement Observation Network of China (CMONOC) and the multi-GNSS experiment (MGEX) networks, the spatial–temporal characteristics of WL and NL UPDs for BDS GEO/IGSO/MEO satellites are analyzed, and the PPP AR is performed. Numerous results show that WL and NL UPDs with a standard deviation (STD) of less than 0.15 cycles can be achieved for BDS GEO satellites, while a STD of less than 0.1 cycles can be obtained for IGSO and MEO satellites. With the precise UPD estimation, for the first time, the BDS PPP rapid ambiguity resolution for GEO/IGSO/MEO satellites is achieved. We found that the average time to first fix (TTFF) of the BDS PPP AR is shortened significantly, to approximately 40 min for Hong Kong and the CMONOC, while the TTFF was 57.4 min for the MGEX networks. With ambiguity resolution, the accuracy of the daily BDS PPP in the east, north and vertical directions improves from 1.74 cm, 1.08 cm, and 5.52 cm to 0.72 cm, 0.54 cm, and 3.21 cm for the Hong Kong network, 2.24 cm, 2.31 cm, and 5.64 cm to 1.18 cm, 0.79 cm, and 3.30 cm for the CMONOC, and 2.71 cm, 1.80 cm, and 6.00 cm to 1.58 cm, 1.15 cm, and 4.33 cm for the MGEX networks. Significant improvement is also achieved for kinematic PPP, with improvements of 40.41%, 34.33% and 37.17% in the east, north and vertical directions for the MGEX networks, respectively.     

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

目前,北斗全球卫星导航系统有5颗试验卫星发射试验信号。试验卫星数据质量分析是北斗全球系统信号体制验证的重要内容。基于单测站北斗试验卫星观测数据,采用伪距相位差组合和伪距多径组合方法,初步分析了试验卫星民用信号以及Bs频点信号伪距测量噪声和多径误差。结果表明,倾斜同步轨道卫星伪距测量精度优于中轨道卫星;在各导航信号中,B2a+b信号伪距测量精度最高,具有最优的抗多径性能;B1C信号伪距测量精度最低,抗多径性能最差;Bs信号伪距测量精度较差,但优于B1C信号,且其伪距多径存在一个与高度角相关的系统误差,在高度角最大时可达0.5 m。     

北斗IGSO/MEO卫星伪距码偏差精化建模方法研究

北斗倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbit,IGSO）卫星和中轨（medium earth orbit,MEO）卫星的伪距码观测值存在系统性偏差,针对该偏差的现有建模方法（两步法）包含模糊度消除策略的误差,提出了一种基于历元间差分的一步建模方法,建立了同类型卫星整体的伪距码偏差三次多项式改正模型,并与现有的离散点改正模型进行对比。同时,针对每颗IGSO/MEO卫星的独特性,利用一步法逐卫星建模并评估其改正效果。结果表明,相对于现有的离散点改正模型,精化模型将IGSO/MEO卫星的Melbourne-Wübbena（MW）值的稳定性平均提高了23.88%,C08卫星的提高幅度最大,约为32.26%。     

北斗卫星轨道预报精度分析及改进

针对北斗GEO、IGSO、MEO的3种卫星类型和动态偏航、零偏航两种姿态控制模式,进行了以ECOM光压模型为基础的轨道预报精度分析。确定了北斗3类卫星的短期、中期、长期预报光压参数选择策略。采用光压参数修正法,通过对北斗卫星光压参数长期变化规律建模,有效提升了地影段轨道长期预报精度。研究结果可同时服务于北斗卫星轨道确定及历书参数生成。