卫星观测值精度分析及随机模型精化

通过MGEX观测网CUT0测站连续10天的观测数据,采用零基线单差模型方法求解单差残差序列,并推导出北斗GEO／IGSO／MEO卫星观测值噪声。统计观测值噪声随高度角变化的情况,采用最小二乘拟合的方法建立精化的高度角随机模型。结果表明:北斗三类卫星的观测精度略有差别,精度从高到低依次为MEO、IGSO、GEO;B1频率相位观测精度约为伪距的129倍,B2频率约为118倍;北斗卫星伪距观测值的精度要稍优于GPS,相位观测值的精度与GPS相当。最后,基线测试结果表明,精化后的随机模型提高了单历元动态定位的精度,平均点位精度提高了42.1％,N、E、U方向各分量RMS改善的百分比分别为:31.6％、15.3％、31.4％。      

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。     

利用等价消去原理实现实时动态单点定位快速可靠收敛

无人机、自动驾驶等领域的快速发展对全球卫星导航系统实时动态定位提出了更高的精度要求,而传统基于多普勒测速的常速滤波模型和基于载波时间差分的位置变化滤波模型的定位精度难以实现动态目标位置信息的实时、准确、稳定获取。根据等价消去原理移除动态坐标参数,采用历元间差分观测值并充分顾及模型残差的影响,构建准静态卡尔曼滤波模型。利用滤波得到的模型残差对位置信息进行修正,极大削弱了直接采用相位时间差分获取位置变化量带来的模型残差累积。利用无人机和车辆平台采集的数据分别进行了GPS和北斗卫星导航系统（BeiDou satellite navigation system,BDS）的单频动态定位实验,结果显示,基于等价消去原理的滤波模型能实现优于30 s的定位收敛,相对首历元位置的三维定位偏差的标准差基本在10 cm以内,平面精度可达3 cm。另外,由于卫星数的差异,基于BDS的收敛速度和稳定性均优于GPS。     

同时估计电离层延迟的单频精密单点定位方法

提出一种基于单频码和相位观测量的单频精密单点定位方法,将每个观测量的电离层延迟量与接收机钟差、对流层天顶延迟、接收机位置、相位模糊度一起作为未知参数。采用约化参数的平方根信息滤波与平滑算法进行参数解算。该方法适用于实时定位和事后处理,且不需要外部的电离层模型。采用全球分布的32个IGS监测站16 d实测数据进行静态解算试验,结果表明E、N、U方向的RMS分别为0.023 m、0.018 m、0.059 m;基于一组机载GPS数据进行动态解算试验,得到E、N、U方向的RMS(与载波相位动态相对定位结果比较)分别为0.168 m、0.151 m、0.172 m。     

北斗卫星伪距多路径系统偏差的修正方法及其对单频PPP的影响分析

北斗伪距观测值存在特有的多路径系统性偏差,偏差的数量级达到几个分米到米。该系统偏差可分为两类:一类是IGSO/MEO卫星随高度角变化的伪距系统性偏差;另一类是GEO卫星(高度角仅微小变化)明显的伪距系统性偏差。系统性的伪距偏差导致GEO卫星MP序列的标准偏差较大,本文针对GEO卫星伪距偏差问题提出了一种基于卡尔曼滤波的修正方法,修正后的GEO卫星MP序列的标准偏差下降了10%~16%。基于伪距相位组合的单频PPP技术的伪距权重较大,会受到北斗伪距偏差的影响,分析表明该系统性偏差将导致单频PPP定位结果高程方向产生约1m的偏差。对GEO伪距偏差采用提出的卡尔曼滤波修正方法进行修正,并应用Wanninger和Beer的高度角模型消除IGSO/MEO观测值伪距偏差,本文对修正后的单频精密单点定位精度进行了分析。4个multi-GNSS experiment(MGEX)站10d观测数据的分析结果表明:仅改正和卫星多路径误差,高程方向定位结果精度可改善65%左右;采用本文方法对GEO卫星的多路径修正后,该方向定位结果精度改善比例将进一步提高至75%左右。     

北斗二号对北斗三号伪距单点定位精度影响分析

针对当前BDS-2/BDS-3组合定位性能,基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站对BDS-2/BDS-3的组合定位实测数据,分析了北斗二号(BDS-2)不同类型卫星对北斗三号(BDS-3)卫星B1I、B3I与B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响. 经研究发现,BDS-2不同类型星座卫星都能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在20%以内,而全部BDS-2卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在30%以内,整体提升关系为:BDS-2全部卫星>IGSO卫星>GEO卫星>MEO卫星.      

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。     

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%。     

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%。     

BDS/GPS超短基线相对定位分析

北斗卫星导航定位系统作为我国自主建设研发的定位系统,将在各领域建设中发挥重要作用,相对定位技术是当前精密定位技术之一,被广泛应用于很多领域。针对相对定位在变形监测领域中的应用,以IGS连续跟踪站组成的111 m超短基线为基础,分析了BDS/GPS组合的超短基线相对定位精度。经研究发现,BDS和GPS单系统双频和三频相对定位水平向精度优于1 cm,竖直向精度优于2 cm,且三频定位精度优于双频,BDS/GPS组合增加了卫星可见数,有效改善了卫星空间分布结构,定位精度相比于单系统有了很大提升,E方向最大提升43%,N方向最大提升36%,U方向最大提升48%。