BDS-3多频精密单点定位模型及性能分析

针对北斗三号(BDS-3)精密单点定位(PPP)在不同模型不同频率组合中的定位精度问题，选取14个MGEX测站连续7 d观测数据，综合分析了双频非组合UC12、双频无电离层组合IF12、三频非组合UC123、三频无电离层两两组合IF1213这4种模型下BDS-3精密单点定位的静态和动态定位性能。实验结果表明：BDS-3静态IF-PPP、UC-PPP收敛后在E、N、U方向上的平均定位精度分别优于0.86、0.66、1.70 cm和1.01、0.68、1.78 cm,平均收敛时间分别为29和36 min。BDS-3动态IF-PPP、UC-PPP收敛后在E、N、U方向上的平均定位精度分别优于1.86、1.57、2.92 cm和2.1、1.78、3.08 cm,平均收敛时间分别为56和74 min。BDS-3双频解算模式下，B1CB3I、B1IB3I两种频率组合定位精度较好，三频解算模式下，B1CB2aB3I和B1IB2aB3I精度较为接近，三频与双频精密单点定位的定位性能和收敛时间基本相当。     

北斗双/三频精密单点定位性能分析

针对北斗三频定位性能,本文基于IGS连续跟踪站分析了北斗双/三频精密单点定位性能,包括定位精度、收敛时间以及模糊度固定率.经研究发现,B1/B2组合与B1/B3组合的精密单点定位精度、收敛时间与模糊度固定率一致,而B2/B3组合由于噪声较大,相比于前两种北斗双频组合,精密单点定位性能较差;北斗B1/B2/B3三频组合下的精密单点定位性能相比于双频组合有了很大的提升,为今后的北斗高精度定位提供了一种新的思路.     

北斗三号精密单点定位精度分析研究

2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)正式开通.BDS-3增加播发B1C、B2a新信号,结合原有北斗二号(BDS-2)的B1I、B2I、B3I信号,5个频点形成7种消电离层组合,进行双频精密单点定位(PPP)研究,结果表明所有组合PPP定位精度在厘米级.     

BDS-3新频点单点定位研究

针对目前有关北斗卫星导航系统（BDS-3）中MEO卫星（BDS-3M）增加的B1C、B2a新频点单点定位研究较少的现状,本文开展了基于新频点B1C、B2a的双频单点定位试验,结合国际GNSS监测评估系统（iGMAS）5个跟踪站连续10 d的数据,对BDS-3的新频点进行数据质量分析、双频伪距单点定位（SPP）和双频静态精密单点定位（PPP）研究,并与GPS的L1、L2频点和BDS-3的B1I、B3I频点进行对比。试验结果表明：在伪距单点定位方面,BDS-3新信号在E、N、U 3方向的精度分别优于10、12、11 m,低于GPS的L1、L2双频伪距单点定位和BDS-3的旧频点双频伪距单点定位精度;在精密单点定位方面,BDS-3新频点在收敛速度方面略低于GPS的收敛速度,BDS-3新信号在E、N、U 3方向都能达到分米级精度。     

针对消电离层组合FCB的非组合PPP部分模糊度固定方法

非差模糊度经过未校准硬件延迟小数部分(fractional cycle bias,FCB)产品改正后恢复整周特性,能够显著缩短精密单点定位(precise point positioning,PPP)的初始化时间。服务端采用非组合模型估计FCB产品时,由于电离层误差的影响,原始频点L1和L2的FCB无法准确分离,因此提出一种基于消电离层组合FCB产品的非组合PPP部分模糊度固定方法。由于传统服务端消电离层组合FCB产品算法与用户端非组合模糊度固定算法具有一致性,可采用星间单差的宽巷和原始频点模糊度构建窄巷模糊度,利用消电离层组合FCB产品进行分步模糊度固定。采用全球120个MGEX(multi-GNSS experiment)测站作为服务端生成消电离层组合FCB和非组合FCB产品,再选取全球未参与服务端解算的10个测站进行评估验证。实验结果表明,相对于使用传统非组合FCB的模糊度固定方法,静态情况下,所提方法收敛精度平均提升25.0%,收敛时间缩短21.1%;仿动态条件下,所提方法收敛精度平均提升26.7%,收敛时间缩短17.9%。     

探究PPP-AR在轨道交通控制网中的应用

采用最新的精密单点定位模糊度固定软件PRIDE PPP-AR解算轨道交通工程控制测量实例数据,实际对比分析PPP-AR算法和GAMIT/GLOBK软件解算结果,两者存在1 cm左右偏差,主要原因在于PPP模糊度固定率有待提高.     

顾及电离层延迟的BDS-3四频长基线定位算法

针对长基线定位中电离层延迟对定位精度造成的影响,本文提出了一种基于BDS-3四频信号(B1C/B1I/B2a/B3I)的四频消电离层(IF)组合方法,采用消电离层组合观测值消除电离层延迟误差,联合模糊度改正后的超宽巷或宽巷组合观测值构建定位方程,从而实现原始窄巷模糊度和基线位置坐标的解算。试验采用BDS-3四频数据对四频IF组合方法和基于GB-FCAR模型的电离层延迟参数估计方法的定位精度进行对比分析。结果表明,在对长度超过500 km的长基线进行定位解算时,四频IF组合方法可以实现电离层延迟误差消除。与电离层延迟参数估计方法相比,四频IF组合方法水平和垂直方向的定位精度均达分米级,提升幅度分别达35%和40%以上,定位精度显著提高,其相对定位精度可达1×10^-9 m,满足长基线相对定位的要求。     

基于整数钟的PPP非差模糊度固定方法

非差模糊度固定能够有效提高精密单点定位(PPP)的定位精度和收敛速度,是国内外卫星导航定位领域的研究热点。基于整数钟实现了PPP非差模糊度固定,在非差模糊度逐级固定中分别估计接收机宽巷偏差和窄巷偏差;对宽巷和窄巷模糊度进行改正,从而消除了接收机硬件延迟对模糊度的影响;同时采用取整成功率检验和ratio值检验,保证模糊度固定的可靠性。将以上方法应用到动态精密单点定位中,实验结果表明:仿动态条件下,模糊度正确固定后,东、北向定位精度达到mm级、天向定位精度优于5 cm;动态解算条件下,采用1 s采样间隔数据16 min左右即可实现模糊度的首次固定。PPP固定解在东、北、天3个方向的定位精度分别为1.5、2.7和1.3 cm,相比于浮点解分别提升了61%、40%和38%。     

精密单点定位模糊度快速固定算法

精密单点定位非差模糊度解算和收敛时间是制约其应用和发展的主要因素。本文从基本观测模型出发,将消电离层模糊度分解为宽巷和窄巷分别固定,并对固定方法做了改进,削弱了初始历元相关性对收敛速度的影响;提出非差相位延迟估计(PDE)解算模型,在不利用区域或全球参考站的前提下解算卫星与接收机相位延迟。通过对中国6个IGS站数据处理结果显示,93%的模糊度可以在20 min内固定。固定后定位精度在E,N和U方向上分别提高了63%,53%和24%;定位精度可以达到毫米至厘米级。对于数据质量较好的站点(如上海站)平面精度可达3 mm,模糊度固定后精密单点定位有了很大提高。     

3种PPP模型的统一模糊度固定方法

精密单点定位(PPP)的模糊度经未校准硬件延迟小数部分(FCB)产品改正后,可恢复整周特性,能够显著缩短PPP的初始化时间。然而由于用户端模糊度固定模型需与服务端FCB产品保持一致,不仅造成了用户端面临不同FCB产品无法使用的问题,而且加重了服务端的链路传输压力。本文提出一种基于用户端3种PPP模型(消电离层组合、无电离层约束的非组合以及先验电离层约束的非组合模型)的统一模糊度固定方法,不同用户端可采用同一种FCB产品实现模糊度的快速固定。选取全球116个MGEX测站作为服务端生成3种FCB产品,选取未参与服务端解算的50个测站作为用户端进行验证。试验结果表明,本文方法解决了用户端面临不同FCB产品的PPP模糊度固定问题,在定位精度、收敛时间、固定率方面与传统方法保持一致。     

北斗/GNSS机载动态PPP性能分析

针对基于机载动态场景下的实测数据,使用开源的PRIDE PPP-AR软件,采用伪距和载波相位观测值构建双频的消电离层组合(IF)进行了动态精密单点定位(PPP)实验,并对比了单北斗卫星导航系统(BDS)以及BDS/GNSS在进行机载大动态PPP定位方面的性能. 结果表明:多系统组合在卫星数、卫星几何构型以及位置精度衰减因子(PDOP)等方面均优于单系统,且对比单GPS而言,平面(东(E)、北(N)、高程(U))方向的定位精度分别提升了10%和12%;此外将开源软件PRIDE PPP-AR的解算结果与商业软件WayPoint进行了对比,结果表明前者的定位精度在E和U方向分别提升了46%和36%,N方向提升最多,提升了近2倍,因而PRIDE PPP-AR具备更高的动态解算精度与可靠性.      

附加GGOS对流层产品约束的PPP-AR模型及精度分析

针对因估计对流层延迟导致固定模糊度的精密单点定位(PPP-AR)收敛时间长的问题，该文基于全球大地测量观测系统(GGOS)格网产品，利用双线性二次内插的方法构建了顾及高程补偿的对流层延迟虚拟观测值，提出了一种顾及高程补偿附加对流层约束的PPP-AR方法。将其与传统估计对流层延迟值的PPP-AR及附加国际GNSS服务(IGS)对流层产品约束的PPP-AR进行对比，分别从定位精度、收敛时间和模糊度固定率3个方面进行了分析。结果表明：与传统估计对流层延迟相比，该文提出的方法在U方向定位精度提升明显，平均可提升2.94 cm,提升11.2%;收敛时间平均缩短14.5%;模糊度固定率平均提升1.9%。     

附加历元间约束的滑动窗单频实时精密单点定位算法

针对同时估计电离层延迟导致的单频精密单点定位解算秩亏问题,提出了一种附加历元间约束的多历元递推算法。该算法根据无周跳时前后历元模糊度不变的特性,在每一组多历元联合数据解算时,每颗卫星只设置一个模糊度参数,不需要外部先验信息约束即可解决秩亏问题。另外,本文算法同时考虑了参数及观测值之间的时间相关性,采用附加约束的平方根信息滤波对部分参数进行历元间约束,克服多历元算法的病态性,提高了算法的可靠性。试验采用全球分布的15个IGS跟踪站14 d的数据,静态定位精度优于3 cm,仿动态解约为1.5 dm。与同时估计电离层延迟的单频PPP方法相比,收敛速度提高了24%,与双频无电离层组合PPP的收敛速度基本一致,定位精度提高了30%,高程分量定位精度提高更为明显。     

北斗双频／三频静态精密单点定位性能比较与分析

针对目前仅北斗全星座提供三频观测数据,而不同线性组合模型影响精密单点定位(PPP)精度和收敛速度的问题,本文着重推导了北斗三频无电离层最优组合精密单点定位数学模型,以此为基础,采用大量实测数据进行北斗双频、三频静态PPP实验。结果表明,相比于北斗双频静态PPP,北斗三频静态PPP在收敛速度和定位精度上有所提高,绝对定位精度可达2～3 cm,与GPS双频精密单点定位水平相当。      

单频精密单点定位中电离层延迟改正方法

在单频精密单点定位中,电离层延迟是降低定位精度的一个重要因素.本文利用基准站上的双频接收机测定每颗卫星运动轨迹通过电离层的部分,然后通过曲面拟合函数来对各个卫星轨迹通过的电离层建立模型,并对单频精密单点定位进行电离层延迟改正.实验分析表明,用该电离层延迟模型进行单频精密单点定位能够获得较好的精度要求,收敛速度得到了很大的提高.     

一种基于BDS三频观测量的精密单点定位算法

针对传统双频BDS精密单点定位收敛速度及定位精度如何进一步提高的问题,该文提出了一种基于两组消电离层组合的BDS新三频精密单点定位(PPP)定位算法,并且对由于引入第3个频段观测量所导致的函数和随机模型与传统双频PPP模型存在的差异进行了公式推导。最后利用实测数据以动态和静态模式对新三频PPP模型进行了测试,以传统双频PPP解算结果为参照,对新三频PPP模型的收敛速度及定位精度进行了评估分析。基于实测数据的测试结果表明,新三频算法有利于提升定位解算的精度并有效缩短初始收敛过程,而且这一改善效果在动态模式下较静态模式更为显著。     

利用固定模糊度的动态精密单点定位算法

首先,采用序贯最小二乘法计算无电离层组合观测值的模糊度;然后,固定宽巷组合模糊度;再固定窄巷组合模糊度;最后,得到无电离层组合观测值的模糊度最终解。谱密度的取值影响状态参数预测值的协方差矩阵元素的大小,因此,采用自适应滤波进行处理。利用机载GPS数据进行验证,结果表明,与其他方案相比,利用固定模糊度的自适应滤波加快了收敛速度,提高了动态精密单点定位的解算精度;无论谱密度取何值,自适应滤波都能够得到较稳定的解。     

多频Galileo精密单点定位瞬时模糊度固定性能评估

随着Galileo卫星系统的全面建成,多频Galileo观测值提供了更低噪声和更长波长的观测值组合,从而为Galileo瞬时精密单点定位（precise point positioning,PPP）模糊度固定（ambiguity resolution,AR）提供良好的条件。从三频无电离层组合观测模型出发,重点分析了Galileo各个频点观测值组合的噪声放大因子,并基于15个MGEX(multi-GNSS experiment)测站10天的观测数据评估了不同频率组合的Galileo瞬时PPP-AR定位精度。结果表明：在位置精度衰减因子（position dilution of precision,PDOP）较差时（PDOP=2.3）,采用Galileo E1/E5a/E6频率的瞬时PPP-AR在东、北和天方向的均方根（root mean square,RMS）分别为0.16 m、0.19 m和0.45 m,与Galileo E1/E5a/E5b瞬时PPP-AR定位解相比,在3个方向分别提高了约40%、38%和32%。以上结果表明,采用Galileo E1/E5a/E6组合对瞬时PPP-A...     

MGEX差分码偏差产品对BDS-3伪距单点定位的影响研究

为研究不同差分码偏差(differential code bias,DCB)产品对BDS-3伪距单点定位的影响,推导了BDS-3单频和双频无电离层组合伪距单点定位卫星端DCB改正模型,基于多模全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）实验跟踪网发布的中国科学院(Chinese Academy of Sciences, CAS)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt,DLR)两种DCB产品,并结合全球不同纬度均匀分布的国际GNSS服务测站连续7天的BDS-3实测数据对B1I、B1C和B2a单频与B1C/B2a、B1I/B3I两种常用无电离层组合伪距单点定位精度进行对比分析。实验结果表明,在B1I、B1C、B2a 3种频率和B1C/B2a、B1I/B3I两种组合中,CAS产品改正后的定位精度整体上优于DLR产品,具体来说,定位精度的平均值在E、N、U 3个方向上分别提高了3 cm、1 cm和6 cm。     

PPP-RTK模糊度快速固定算法研究

将网络RTK（NRTK）与精密单点定位（PPP）技术优势融合的PPP-RTK技术，已经成为目前精密定位研究的热点. 本文提出一种将模糊度快速固定的解决方案，优化了PPP-RTK的模糊度固定解的算法，使得模糊度估计可靠性提高. 在实验中，利用国际GNSS服务（IGS）测站的实测数据进行了PPP-RTK定位解算. 结果统计表明:利用该算法对静态数据进行定位处理，其中数据收敛时间达到厘米级需要20 min，其中在平面位置方向的定位精度优于3 cm，在高程方向上的定位精度优于5 cm.