BDS-3实时精密单点定位精度分析

基于武汉大学自主研发的GNSS高精度数据处理软件PANDA,本文采用MGEX网测站BDS-2/BDS-3连续一周的观测数据,通过仿实时处理BDS-3精密轨道与钟差产品进行BDS-3卫星实时精密轨道产品重叠弧段评估,实时轨道径向精度优于10 cm,实时钟差STD优于0.3 ns。在此基础上验证分析了BDS-2、BDS-3及BDS-2+BDS-3融合的实时静态PPP与实时动态PPP定位。试验结果表明：BDS-3静态PPP定位精度水平优于2 cm,高程优于4 cm;BDS-2+BDS-3联合实时动态PPP收敛时间相较BDS-2分别提升了约38.2%、75.0%、49.7%;收敛后E方向精度优于3 cm,N方向精度优于2 cm,平均提升了38.2%,高程方向精度优于6 cm,平均提升了64%。     

北斗三频数据的两个无电离层组合轨道钟差估计及其应用

本文针对全球连续监测评估系统（iGMAS）和国际多系统GNSS试验计划（MGEX）两个观测网接收到不同频率北斗卫星数据的情况,提出了一种北斗卫星（BDS）3个频率（B1I、B2I、B3I）的两种无电离层组合（B1/B3和B1/B2）数据精密定轨（POD）和钟差估计（CE）方法。该方法可以统一处理上述两个观测网收到的北斗二代（BDS-2）,北斗三代试验系统（BDS-3e）和北斗三代全球系统（BDS-3g）3个频率的观测数据,并在一次程序运行中对所有北斗卫星进行联合处理,可有效提高一次运行的数据使用率,从而提高参数估计精度。采集了多天iGMAS、MGEX的GPS和BDS数据进行试验。结果表明,对BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨时,采用三频两组合方法后由于增强了观测几何,BDS轨道重叠RMS为15.9 cm,比传统双频法定轨精度提高11.3%。新方法引入了与卫星端3个频率相关的码偏差,该量多天估计结果稳定,证明了模型和方法可靠。将新方法用于BDS-3g+BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨,6颗BDS-3g的MEO卫星轨道重叠RMS为14.5 cm,钟差重叠RMS为0.43 ns,与BDS-3e的15.1 cm和0.49 ns相当。开展了北斗卫星精密单点定位（PPP）试验,结果显示增加了BDS-3g的6颗MEO的精密轨道和钟差后,测站定位精度水平为39.6 mm,天顶为37.8 mm,比仅用BDS-2和BDS-3e卫星定位精度提高了11.1%。     

BDS-3/GNSS非组合精密单点定位

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）全球组网工作全面建成,标志着BDS-3迈入全球定位、导航和授时服务的新时代。为了全面比较BDS-3系统与其余全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）性能,重点分析不同分析中心BDS-3精密轨道和钟差产品的一致性、BDS-3/GNSS卫星可用性、BDS-3/GNSS单系统及多系统融合PPP定位性能。结果表明,基于5个分析中心的精密轨道和钟差产品,BDS-3静态PPP三维均方根误差约为2.31~4.00 cm,其单系统收敛时间明显慢于其余GNSS系统,GPS系统的加入对BDS-3/GNSS双系统融合PPP改善效果最为明显,且四系统融合能够有效地缩短收敛时间,并提高动态PPP定位精度。随着BDS-3系统的发展以及轨道和钟差产品的进一步完善,BDS-3同样具备其余GNSS系统提供优质导航定位服务的潜力。     

亚太区域北斗三号对北斗二号精密单点定位的增强效果分析

北斗二号卫星导航系统主要由GEO和IGSO星座卫星构成,其整体星座的几何结构变化缓慢,导致应用于精密单点定位（PPP）时需要较长收敛时间。而北斗三号卫星导航系统的建成将有利于缓解上述问题,获得更优的定位效果。为了探究北斗三号对北斗二号PPP的增强效果,本文选取10个位于亚太区域内的iGMAS测站3 d的观测数据,首先分析3家IGS分析中心对北斗三号卫星精密产品的支持情况;然后分别对静态和模拟动态两种模式的定位性能进行展开分析。结果表明：①亚太区域内北斗三号卫星数量达到9颗。②加入北斗三号卫星后,静态PPP的收敛时间缩短了40%,收敛后的精度提高了46.5%;模拟动态PPP的收敛时间缩短了42.8%,收敛后的精度提高了45.7%。     

BDS-3双频组合精密单点定位精度分析

针对BDS-2、BDS-3、BDS-2/BDS-3不同双频组合精密单点定位的性能差异,本文分析了BDS-3中7种不同双频组合的PPP精度,并与BDS-2、BDS-2/BDS-3相同频率双频组合PPP精度进行了对比。结果表明,BDS-2和BDS-3相同频率双频组合PPP精度与首次收敛时间相当,其中B2I/B3I组合的PPP精度与首次收敛时间最差,BDS-2/BDS-3组合的定位精度和首次收敛时间相比单一情况有了较大改善。在BDS-3双频组合的PPP方面,B2b/B3I组合的PPP精度和首次收敛时间是BDS-3中7种双频组合PPP精度中最差的,其他6种双频组合PPP定位性能相当。     

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。     

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-3基本系统的动态单点定位性能评估

为了评估BDS-3基本系统的动态单点定位性能,该文分别采用标准单点定位(SPP)和精密单点定位(PPP)法处理了2019年WUH2站第29～33 d共5 d的观测数据,将测站坐标作为白噪声参数模拟动态单点定位。结果表明,BDS-3基本系统较BDS-2系统增加了可用卫星数,明显增强了卫星几何构型;较BDS-2系统SPP分别提高了27.1%和31.2%;较BDS-2系统动态PPP分别提高了26.5%和38.3%。因此,BDS-3基本系统动态单点定位性能明显优于BDS-2系统。研究成果可为及时获得BDS-3基本系统定位性能提供参考。     

P1C1码偏差对精密单点定位收敛速度影响分析

本文分析卫星端差分码偏差(DCB)产生的原理,根据伪距观测方程推导了精密单点定位(PPP)的DCB改正公式。采用MGEX参考站数据及精密产品进行PPP解算,详细分析了P1C1码偏差对定位参数收敛时间的影响。结果表明,改正DCB对于提高PPP收敛速度效果明显,其中静态PPP收敛时间平均缩短10 min,动态PPP平均缩短20 min,改正P1C1-DCB对PPP精度影响一般在毫米级水平。      

实时模式下UPD产品计算及PPPAR定位性能分析

针对目前实时精密单点定位(PPP)收敛速度还相对较慢的问题，该文提出了一种适用于实时模式的宽巷及窄巷相位小数偏差(UPD)估计算法。采用180个全球均匀分布的多模实验跟踪网(MGEX)站，分析了基于实时轨道钟差产品进行实时UPD解算及实时精密单点定位模糊度固定(PPPAR)定位的可行性。实验结果表明，GPS和BDS-3的相邻两天宽巷UPD相减所得偏差的均值以及标准差基本上在0.025周左右，因此采用宽巷UPD预报值进行后续解算是可靠的。GPS浮点PPP和PPPAR定位结果表明，PPPAR的定位误差相较于浮点解PPP在E、N、U方向分别提升了36.4%、25.0%和22.2%,定位收敛时间也从31.9 min下降到24.8 min。GPS+BDS-3的PPPAR定位结果表明，定位时加入BDS-3可以缩短PPPAR的首次固定时间，最终的三维定位误差也从单GPS系统的2.55 cm下降到了GPS+BDS-3的2.17 cm。基于实时模式UPD解算和PPPAR定位实验结果表明，该文提出的UPD实时估计算法是可靠的，估计出的实时UPD产品应用于PPPAR可以获得较好的定位效果。     

融合GNSS兼容频率静态PPP对流层延迟评估

为进一步评估周边对流层延迟,本文基于中国境内以及周边5个MGEX跟踪站,对比分析BDS-3及与BDS-3兼容频率组合静态精密单点定位精度以及评估对流层延迟结果。实验结果表明,双系统组合能有效改善卫星状况,BDS-3以及其他情况静态精密单点定位水平精度优于1.5 cm,高程定位精度优于3 cm,评估对流层延迟结果较好,JFNG站评估对流层延迟结果误差在1 cm以内,其余测站评估对流层延迟结果误差在1—2 cm之间。     

BDS-3新频率单点定位性能评估

BDS-3已正式开通全球定位服务,会逐步取代GPS在我国各领域中的应用,因此评估BDS-3的定位性能具有一定的科学指导意义。本文基于多个MGEX跟踪站BDS-3实测数据,评估了BDS-3新频率单点定位性能。研究结果表明,BDS-3卫星可用情况良好,B1C和B2a伪距单点定位精度较优,整体水平精度优于1 m,高程精度优于2 m。B1C/B2a双频精密单点定位精度可以达到厘米级,最高精度达到1 cm左右。     

GPS/GLONASS精密单点定位加速收敛方法研究

精密单点定位(PPP)在获得稳态浮点模糊度时需要较长的收敛时间,为此,在采用GPS/GLONASS组合PPP缓解卫星几何变化缓慢造成的收敛时间过长基础上,采用将多路径组合修正值应用到PPP模型中和构建基于多路径修正值加权的随机模型两种方法来减少伪距中的多路径效应和观测噪声影响,以提高浮点模糊估计的准确性,进而提高PPP收敛速度和收敛稳定性。利用全球108个IGS测站的7天数据进行试验,结果表明,组合PPP可以在各系统伪距等权重情况下将收敛时间缩短32%,而基于TEQC多路径组合修正值加权的随机模型可以将收敛周期缩短25%。     

BDS-3三频精密单点定位精度分析

我国北斗卫星导航系统(BDS)处于最后阶段BDS-3的建设之中,其定位精度一直是国内外研究的热点．本文基于IGS连续跟踪站实测数据,阐述了BDS三频精密单点定位模型,初步对比分析了BDS-2与BDS-3的观测数据质量以及精密单点定位精度．经研究发现,BDS-3数据质量良好,相比BDS-2有所提高,单独利用BDS-3卫星进行精密单点定位精度相比于BDS-2略差,收敛时间也略慢,二者结合下的精密单点定位精度与收敛时间相比单独定位有很大的提升．      

BDS不同轨道卫星精密单点定位性能分析

为了分析北斗不同轨道卫星对定位结果的影响,从而更好地利用我国自主研发的北斗卫星导航系统。该文采用亚太地区7个MGEX测站12d观测数据,进行静态、后处理动态和模拟实时动态3种模式的精密单点定位实验。实验结果表明,在北斗3类轨道卫星等权的情况下,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星对定位结果贡献最大;北斗两类轨道卫星组合中,IGSO+MEO组合定位精度最高,其静态精密单点定位(PPP)在E、N、U方向的RMS分别为0.62、0.39、3.71cm,后处理动态和模拟实时动态PPP的RMS为分米级;北斗各类轨道卫星与GPS组合定位中,GPS+IGSO+MEO组合定位结果收敛速度最快,收敛时间为26.30min。     

BDS-3精密单点定位时间传递综合性能分析

我国北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的建设已基本完成,因而,充分利用当前BDS-3进行精密单点定位(PPP)的时间传递亟需深入研究. 本文从两方面来充分研究BDS-3 PPP时间传递:1)北斗二号卫星导航系统(BDS-2)、BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP时间传递;2)钟模型约束的BDS-3 PPP时间传递. 试验结果表明:相比BDS-2 PPP,BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP结果平滑残差的均方根(RMS)值可减少约为34.5%和38.23%,960 s的稳定度分别提高35.81%和37.75%;相比传统的白噪声(WN)模型,基于钟模型的BDS-3和BDS-2+BDS-3 PPP时间传递所得平滑残差RMS值分别减少65.17%和74.42%;频率稳定度最大可提高80%.      

多GNSS精密单点定位性能分析

在实现BDS/GPS/GLONASS组合精密单点定位的基础上,模拟多种遮挡环境;利用3个MGEX测站的数据进行三系统组合PPP试验;并在可见卫星数、PDOP值、定位精度、收敛时间和定位可用性等方面与GPS单系统PPP进行了比较分析。结果表明:在亚太地区,相比于GPS单系统PPP,三系统组合PPP可见卫星数增加了2~3倍,PDOP值显著减小。动态试验中,在无遮挡环境下,三系统组合PPP相较于GPS PPP收敛时间更短,且收敛后定位精度更高;在遮挡环境下,GPS PPP性能急剧下降,三系统组合PPP较好的保证了定位精度,提高了系统定位可用性。     

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。     

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。     

低轨增强北斗PPP-RTK定位方法与实验分析

低轨星座具有卫星数目多、几何构型变化快等优势，有利于精密单点定位(PPP)中模糊度参数的快速收敛，从而提升其收敛速度与定位精度.但由于未能精确消除大气误差的影响，难以实现瞬时厘米级定位.提出一种低轨增强北斗PPP-实时动态(RTK)方法，结合高精度大气增强信息与模糊度固定方法(AR)，进一步改进北斗快速精密定位性能.首先设计了包含192颗低轨卫星的极轨星座，仿真了22个地面测站的观测数据，在估计相位小数偏差与精密大气延迟改正数后，分别测试了低轨增强北斗PPP、PPP-AR与PPP-RTK的定位性能.结果表明：在低轨星座增强下，可视卫星数目增加6～8颗，22个测站北斗PPP的平均初始化时间由552.1 s缩短至102 s,提升了81.52%.模糊度固定后，初始化时间进一步缩短至1 min以内.通过180 km地面参考网增强后，低轨增强北斗PPP-RTK可以实现瞬时厘米级定位，定位精度相较于PPP提升98.5%.将地面参考网扩大至500 km后，低轨增强北斗PPP-RTK仍可以实现约10 s的快速收敛.