BeiDou B2/Galileo E5b短基线紧组合相对定位模型及性能评估

随着GPS和GLONASS系统的现代化以及Galileo和BeiDou卫星导航系统的建设,GNSS正朝多频多系统的方向发展。本文对BeiDou B2/Galileo E5b短基线紧组合相对定位的模型与算法进行了研究,详细推导了BeiDou B2/Galileo E5b短基线紧组合相对定位的模型与算法,并对其定位性能进行了分析。重点分析了BeiDou B2与Galileo E5b频点的接收机间差分系统间偏差的长期稳定性,结果表明:基线两端的接收机类型(包括固件版本)相同时,差分系统间偏差接近于0;基线两端的接收机类型不同时,差分系统间偏差较大,但具有长期稳定性,因此能够事先标定并作为改正数用于后续的定位中。最后基于BeiDou B2/Galileo E5b单频单历元相对定位试验对系统间紧组合模型的定位效果进行了比较验证。结果表明,相对于传统的松组合模型,使用改正系统间偏差的紧组合模型能够显著提高模糊度固定的成功率,尤其是在遮挡比较严重、单系统可观测到的卫星数较少的情况下,模糊度固定成功率可以提高10%~25%。     

BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析,测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能,并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比. 试验结果表明,BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率,但略差于GPS L5;相较于其它GNSS,BDS数据完整率相对较高,其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高;BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小,B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍,但不同频率相位观测值噪声处于同一量级;对于伪距多路径而言,BDS-3 B1C/B2a 信号略小于B2b 信号. 总体而言,GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强. 在动态PPP性能方面,BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优,其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m,相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP,其精度改善率分别为49%、56%、81%和42%.      

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卫星信号质量及RTK定位分析

为评估北斗三号卫星(BDS-3)信号质量及定位性能,针对BDS-3各频点,使用码减相位和双差相位两种组合观测值分析伪距和相位观测精度;评估了BDS-3和GPS同频观测值之间的系统间偏差;分析了BDS-3/GPS松紧组合单频RTK的定位性能。结果表明,同频条件下,BDS-3伪距观测噪声比GPS更低,相位观测噪声在同一水平;在同类型接收机间,BDS-3/GPS的ISB服从均值为0的正态分布;在RTK定位性能上,单系统仅可实现51～57%的模糊度固定率,多系统可实现90%以上的固定率,改正ISB后的紧组合RTK比松组合RTK在固定率和定位精度上有3.4%和3.2%的提升。总体而言,BDS-3信号质量较好,可与GPS兼容互操作,能够进一步提升GNSS的定位性能。     

BDS-3单频短基线相对定位性能初步评估

采集了一组10 km短基线,初步评估了BDS-3 B1C、B1I、B2A、B3I单频短基线相对定位性能,并与GPS系统L1频率、Galileo系统E1频率做对比。实验结果表明,建设完成后的BDS卫星可见数与空间几何构成较优,4个频率短基线相对定位精度都可以达到厘米级,模糊度固定率都接近100%左右,无论定位精度还是模糊度固定率都优于L1频率和E1频率,可为今后BDS-3相对定位研究提供一定的参考。     

BDS-3多频点伪距单点定位性能研究

针对目前有关北斗三号系统伪距单点定位研究较少，未对三号系统多个频点的定位性能进行对比分析的现状，本文利用实测数据对三号系统多个频点的定位性能进行了研究，并联合BDS-2、Galileo进行了同频伪距单点定位试验，统计分析了组合定位多个频点的同频定位结果。试验结果表明：目前三号系统单独定位能力有限，不适合单独定位；BDS-3/Galileo同频组合定位可以弥补BDS-3新频点单频定位时卫星个数不足、数据不完整导致的定位精度过差的情况，同时能够提高Galileo的定位精度；BDS-2/3的B3I频点与BDS/Galileo组合的B2b频点的定位精度均与GPS的L1频点的定位精度相当。     

BDS-3/Galileo重叠频率短基线紧组合相对定位性能初步评估

为评估松组合和紧组合模型在BDS-3/Galileo短基线相对定位的适用性,本文以自采集短基线实测数据为例,分别进行了双频、单频紧组合和松组合短基线解算实验。实验结果表明,紧组合在一定程度上可以改善松组合卫星可见数与卫星空间几何构型,2种模型下B1CB2a/E1E5a和B1C/E1短基线相对定位水平精度都优于1 cm,高程精度都优于2 cm,模糊度固定率都在95%以上,而紧组合模型相比松组合模型在这几方面略有提升,提升量在5%以内。     

北斗三号最简系统卫星信号质量分析

截至2018年5月,中国共发射了8颗北斗三号(BDS-3)中圆地球轨道(medium Earth orbit, MEO)卫星,组成北斗三号最简系统,播发了B1C、B2a和B2b新卫星信号,仅有17个国际全球导航卫星系统监测评估系统(international global navigation satellite system monitoring and assessment system, iGMAS)跟踪站能够接收到BDS-3卫星信号。选用17个iGMAS观测站10 d的观测数据,从数据完整率、信噪比、多路径效应、电离层延迟和周跳方面进行质量分析,并与GPS L1/L5和Galileo E1/E5a重叠频率对比,评价当前BDS-3卫星信号性能以及iGMAS测站的接收能力。结果表明,装有GNSS_GGR接收机的iGMAS测站的伪距观测值含有较大的粗差,个别装有CETC-54-GMR-4011接收机的跟踪站的周跳现象较严重。通过分析多路径效应可知,BDS-3卫星各个信号中不存在与高度角有关的系统偏差。BDS-3最简系统卫星观测数据质量与GPS L1/L5和Galileo E1/E5a相当,能够满足北斗卫星导航系统正常的工作需求。     

BDS三频长基线RTK定位性能分析

实时动态定位(real-timekinematic, RTK)技术作为不可替代的精密定位技术之一,在很多领域发挥着重要作用。BDS多频信号的播发将提供多种三频RTK组合定位方式,因此本文进行了多种BDS三频组合长基线RTK解算实验,并与GPS和Galileo系统三频组合进行对比。实验结果表明,BDS卫星可用性优于另外2种系统。BDS B1I/B2b/B3I三频组合长基线RTK定位性能最优,优于GPS和Galileo,模糊度固定率在90%以上,模糊度固定初始时间在60 min以内,定位精度可以达到厘米级;其余3种BDS-3三频组合长基线RTK定位性能低于GPS和Galileo,或者与其相当。     

BDS-3多频伪距定位性能分析

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation system, BDS）正式开通全球服务,为详细评估BDS-3全球定位性能,以全球16个MGEX跟踪站多天实测数据为基础,采用Net＿Diff软件进行了全球范围内BDS-3单频、双频无电离层组合与双频非组合模型下双频、三频非组合模型和三频无电离层两两组合模型三频伪距单点定位解算试验,并与GPS、Galileo部分频率进行对比。结果表明,在亚欧非地区,BDS-3卫星数与空间几何构型优于GPS和Galileo。BDS-3单频中,B1C、B1I、B2a、B3I的水平与高程定位精度均在米级,与GPS和Galileo对比的定位精度关系为B1C>B1I>L1>B3I> B2a>E1>L2>E5a;BDS-3双频组合中,B2aB3I定位精度较差,不适合进行定位,B1CB2a、B1CB3I、B1IB2a、B1IB3I定位精度较优,与GPS和Galileo对比的定位精度关系为B1CB2a>B1CB3I>L1L2>B1IB3I>B1IB2a>E1E5a>B2aB3I;BDS-...     

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新频率与Galileo单频组合伪距单点定位精度分析

为对比分析北斗三号（BDS-3）/Galileo相同频率伪距单点定位精度,基于MGEX（Multi-GNSS Experiment）分布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3、Galileo以及BDS-3/Galileo单系统单频、双系统相同频率组合和非相同频率组合伪距单点定位精度. 经研究发现,BDS-3/Galileo相比单系统有效提升了卫星可见数与卫星空间分布几何结构,在单系统定位方面,BDS-3系统B1C和B2a伪距单点定位精度优于Galileo对应相同频率的伪距单点定位精度,在双系统定位方面,BDS-3/Galileo相同频率组合伪距单点定位精度优于非相同频率组合,双系统组合定位对Galileo单系统定位精度提升优于BDS-3,表明BDS-3相同频率的设计有效地提升了与Galileo系统的兼容性.      

固定GEO卫星为参考的BDS与GPS紧组合定位方法

针对BDS二代系统与GPS没有重叠的频率,受其影响,差分系统间偏差DISB无法事先标定的问题,该文提出了固定BDS的GEO卫星为参考星的策略,详细推导了BDS与GPS短基线紧组合相对定位模型,分析了BDS-B1、BDS-B2与GPS-L1、GPS-L2频点的相同接收机与不同接收机间DISB值的稳定性。结果表明:即使是相同类型的接收机,BDS与GPS差分系统间偏差亦不为0。当BDS系统参考星固定为GEO卫星时,载波与伪距DISB值随时间变化稳定,可以事先进行标定。最后利用不同高度截止角对遮挡环境进行模拟,短基线实验结果表明,当卫星数目较少时,紧组合模型相较于传统的松组合,定位精度有20%以上的提升,并且使用改正DISB后的紧组合模型,能够显著缩短模糊度的初始化时间,从而提高在高遮挡环境下定位的性能以及可用性。     

Galileo/GPS组合观测值模糊度解算方法研究

Galileo和GPS的多个频率可形成有良好特性的组合观测值,利用这些组合观测值可以直接解算载波相位模糊度。本文选用不同波长的Galileo/GPS多频组合观测值,按不同组合方式分步固定整周模糊度,并计算出每步模糊度解算的成功率。本文研究表明,选用合理的观测值组合方式,Galileo/GPS组合观测值模糊度解算方法能以较高的成功率固定组合观测值模糊度及基本载波模糊度。     

BDS-3/BDS-2/GPS长距离非差RTK定位性能研究

针对单系统长距离实时差分(RTK)定位性能较差的问题，该文利用北斗三号(BDS-3)系统与BDS-2、全球定位系统(GPS)具有重叠频率的特性，分别对各个系统以及具有重叠频率系统组合的定位性能进行了研究。首先，通过误差改正模型对电离层、对流层延迟误差进行模型改正；然后，对大气延迟误差采用历元间随机游走约束来加快模糊度的收敛速度，使用最小二乘模糊度降相关平差法进行模糊度固定；最后，将固定后的模糊度反代回观测方程中进行位置参数的解算。该文选用长距离连续运行参考站(CORS)网的实测数据进行实验，结果表明，单系统中BDS-3的定位性能最优，采用长距离非差RTK算法能够实现流动站厘米级定位且适用性强。     

BDS-3/GPS/Galileo超长基线解算性能评估

由于当前对BDS-3超长基线单历元解算性能研究较少,为进一步详细分析BDS-3超长基线定位性能,将IGS站组成的一组超长基线作为实验数据,以BDS-3系统B1C/B2a组合为基础,分别进行了与GPS系统L1/L5、Galileo系统E1/E5a双组合和三系统组合解算实验。实验结论表明,双系统和三系统组合卫星可见数与PDOP相比BDS-3单系统改善量约为2倍左右,在定位性能方面相比BDS-3单系统也有明显提升。BDS-3超长基线定位性能较差,而其他系统的加入能有效改善这一情况,可为今后超长基线单历元解算研究提供参考。     

北斗三号双频长基线单历元解算性能评估

为详细评估北斗三号（BDS-3）长基线定位性能,以MGEX跟踪站组成的3条长基线为基础,进行BDS-3双频、BDS-3与Galileo兼容频率双频组合长基线解算实验。实验结果表明,123 km和209 km长基线水平定位精度均优于3 cm,高程精度均优于5 cm,模糊度固定率均在96%以上,模糊度固定初始时间均在40 min以内;248 km长基线整体水平定位精度优于5 cm,高程精度优于8 cm,模糊度固定率在93%以上,模糊度固定初始时间在60 min以内;BDS-3与Galileo兼容频率双频组合定位性能比BDS-3单独定位有所提升,水平定位精度优于2 cm,高程精度优于4 cm,模糊度固定率在99%以上,模糊度固定初始时间在7 min以内。     

BDS-3和Galileo组合的RTK定位性能分析

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）已全面建成并向全球用户提供可靠的定位、导航和授时（positioning, navigation and timing, PNT）服务。为了实现与其他全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）的兼容性和互操作性,BDS-3在BDS-2的基础上调制了B1C和B2a两个新信号,与伽利略系统（Galileo）的E1和E5a实现了频率的复用。系统间偏差（inter-system bias, ISB）对于实现不同GNSS之间的融合处理至关重要,为此提出了基于单差模型的ISB估计与应用算法,并对BDS-3与Galileo重叠频率之间的ISB进行了分析。基于可跟踪BDS-3新信号的几类接收机,揭示了BDS-3和Galileo之间的ISB的特性,在此基础上分析了BDS-3和Galileo组合的实时动态（real-time kinematic, RTK）定位性能。结果表明,基于相同类型的接收机B1C-E1和B2a-E5a之间是不存在ISB...     

利用Galileo多个载波观测值解算整周模糊度的方法研究

利用GNSS进行高精度导航定位的前提是正确固定载波相位观测值的整周模糊度。由Galileo系统的4个载波观测值可以形成诸多有良好特性的组合观测值,利用这些组合观测值,结合MCAR方法,可以有效地确定整周模糊度。MCAR方法是一种利用多个载波观测值及其组合直接解算整周模糊度的方法,通过一系列“层叠”步骤,最大化模糊度解算的成功率。利用Galileo组合观测值,采用五步层叠的MCAR方法,分析选用不同的观测值组合时模糊度解算的成功率。比较发现,如果选用适当的长波长观测值组合,MCAR方法能够以较高成功率固定Galileo E5a或E5b甚至是E2-L1-E1信号的模糊度。借助Galileo组合观测值和MCAR方法,Galileo信号能够提供稳定可靠的高精度导航定位服务。     

BDS/Galileo紧组合系统间偏差估计与模糊度固定效果分析

多个卫星导航系统采用相同频率播发信号,使得不同系统之间可以通过紧组合方式进行数据处理。文中简要介绍了不同系统紧组合双差观测模型;利用零短基线观测数据估计了BDS/Galileo间小数ISB(Inter-System Bias);对其时变稳定性进行了分析并利用单历元相对定位解算进行了验证。实验结果表明,小数ISB具有较好的时间稳定性,能够进行长期预报。相对于松组合相对定位模型,采用紧组合模型能够显著提高模糊度固定的成功率。