GPS/BeiDou/Galileo/GLONASS实时精密卫星钟差估计

基于GNSS(global navigation satellite system)非差观测量,利用双线程钟差加密的方法,本文实现了导航卫星实时钟差的逐秒更新。通过选取全球均匀分布的76个参考站对四系统钟差进行联合估计,并从实时轨道精度,解算效率,钟差精度和精密单点定位(precision point positioning,PPP)定位结果对该系统进行分析和评估。结果表明,GPS预报轨道径向精度为2.3 cm,GLONASS和Galileo预报轨道径向精度为3 cm和3.5 cm,北斗GEO、IGSO、MEO卫星预报轨道径向精度分别为31 cm,17 cm和5.3 cm;钟差统计结果表明,GPS实时钟差精度优于0.2 ns,GLONASS钟差精度优于0.4 ns,Galileo钟差精度优于0.3 ns,受轨道影响,北斗GEO实时钟差精度为0.6～1.0 ns,IGSO钟差精度为0.4～0.7 ns,MEO钟差精度为0.3～0.4 ns;PPP定位结果表明,解算钟差定位精度与事后钟差定位结果相当,平面精度在3 cm以下,高程精度在5 cm以下。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

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卫星钟差特性分析

北斗全球导航卫星系统(简称北斗三号系统,BDS-3)载有高精度的国产新型铷钟和被动型氢原子钟,相比于北斗二号系统(BDS-2),其性能得到了极大的提升。为了分析BDS-3卫星钟的性能,首先采用中国矿业大学北斗数据处理与分析中心定轨软件估计了BDS-3的卫星钟差,其重叠弧段标准差精度优于1 ns。然后针对常用卫星钟差异常值探测方法的缺点,改进了Baarda粗差探测法,使其能够有效地处理北斗卫星钟差数据中存在的粗差、钟跳等异常值。最后采用处理后的钟差数据,分析了北斗卫星钟差的周期特性和频率稳定性。结果表明,加入两个周期项后,拟合残差序列更加稳定,拟合精度得到了很大的提升;BDS-3卫星的频率稳定性和BDS-2相比,提升了20.85%～75.09%;北斗中圆地球轨道(medium earth orbit, MEO)卫星的频率稳定性要优于倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星;氢原子钟频率稳定性高于铷原子钟40.16%～65.60%,且氢原子钟的长期稳定性要明显优于铷原子钟。     

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成，可为用户提供公开、免费的高精度服务，对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品，并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后，以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考，评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm，钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后，利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证，结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当，可满足单站实时高精度定位与导航的...     

GNSS增强系统中精密实时钟差高频估计及应用研究

GNSS星基差分增强系统依赖于实时轨道及钟差增强信息。本文主要研究多GNSS实时精密钟差估计模型,在传统非差基础上优化待估参数,实现了一种高效的Multi-GNSS实时钟差简化估计模型。基于PANDA软件开展了实时轨道数据处理与分析,经过验证可获得的GPS/北斗MEO/Galileo实时轨道径向精度1~5cm,北斗GEO/IGSO卫星径向精度约10cm。分析发现本文优化的实时钟差简化估计模型单历元解算效率较高,可应用于实时钟差增强信息高频(如1Hz)更新,且解算获得的实时钟差不存在常偏为绝对钟差;基于实时轨道,通过该模型可获得实时钟差精度GPS约0.22ns,北斗GEO约0.50ns、IGSO/MEO约0.24ns,Galileo约0.32ns。在此基础上,利用目前所获取的MultiGNSS实时数据流搭建了Multi-GNSS全球实时增强原型系统,并基于互联网实时播发增强信息,可初步实现实时PPP厘米级服务、伪距米级导航定位服务。     

GNSS实时精密轨道快速计算方法及服务

多系统全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）精密轨道确定及其预报是实现高精度实时精密定位的前提。针对多GNSS系统超快速轨道解算时效性及轨道预报精度随时间下降的问题,提出一种基于分块递推最小二乘配置方法,该方法通过对动力学和几何学待估参数松弛、连接以及轨道状态参数转移递推,能够同时兼容事后及实时滤波定轨方法。该方法能够有效地提高多GNSS系统轨道解算效率,缩短实时轨道更新时间。基于全球实测数据验证了该方法的可靠性和有效性,轨道精度优于国际GNSS服务组织发布的GPS超快速轨道及德国地学研究中心发布的超快速轨道,实验结果表明,采用该方法,GPS/GLONASS/Galileo/BDS四系统120个地面测站精密定轨可以实现1 h更新,延迟30 min发布,统计GPS/GLONASS/Galileo/BDS实时轨道可用部分3D均方根分别为2.8 cm、8.5 cm、5.0 cm及11.5 cm（IGSO/MEO）。目前,1 h更新多GNSS系统轨道及实时产品服务系统已业务化发布,较之前发布的3 h更新及6 h更新轨道分别有20%~40%的精度提升。     

多GNSS融合精密轨道确定与精度分析

采用MGEX和IGS跟踪网数据,基于PANDA软件实现了同一时空基准框架下的GPS/GLONASS/BDS/Galileo四系统融合精密定轨,采用单天解边界不符值评定轨道精度。对2014年7月至12月6个多月的GNSS融合精密定轨精度、各单系统独立定轨精度进行比较,结果表明:GPS轨道精度与单系统定轨精度基本相当;GLONASS和BDS轨道精度均优于各单系统定轨精度,尤其是BDS卫星,其GEO、IGSO、MEO卫星平均三维轨道精度分别提高了24%、42%、63%;在多GNSS融合精密定轨中,Galileo卫星径向、法向、切向平均精度分别为9.53、8.20、20.17 cm。动态PPP验证结果表明:相比于单系统解算,多系统组合解可以显著加快收敛速度,同时提高了定位精度。     

北斗/GPS实时精密卫星钟差融合解算模型及精度分析

实时GNSS精密单点定位(PPP)技术必须使用实时的高精度卫星精密轨道和钟差。本文研究了精密卫星钟差融合解算模型及策略,并利用滤波算法实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法。仿真实时试验结果显示:获得的北斗/GPS实时钟差与GFZ事后多GNSS精密钟差(GBM)的标准差在0.15 ns左右;使用该钟差进行GPS动态PPP试验,收敛后水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm;使用仿真实时钟差进行的北斗动态PPP与使用GFZ事后多GNSS精密钟差开展的试验相比精度相当,可实现分米级定位。     

亚太地区BDS-3/GNSS组合系统单频单点定位性能分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)向全球提供定位、导航和授时(PNT)服务后的定位性能评估问题,基于MGEX (Multi-GNSS Experiment) WHU2站7天实测数据,从可视卫星数、几何精度衰减因子(GDOP)、定位精度、定位成功率和伪距残差方面分析了BDS-3及BDS/GNSS组合伪距单点定位(SPP)性能. 结果表明:在亚太地区,BDS-3具有比美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo更优的SPP性能,其水平、垂直和三维精度分别为1.19 m、2.34 m、2.38 m,三维精度比北斗二号卫星导航系统(BDS-2)、GPS、GLONASS和Galileo 的SPP精度分别提升了54.8%、27.2%、86.4%和1.2%. 此外,BDS/GPS/Galileo组合能获得最优的SPP精度,其水平、垂直和三维精度分别为0.96 m、1.66 m、1.77 m,相较于BDS-2/BDS-3 SPP分别提升了18.6%、19.4%和17.3%.      

Multi-GNSS phase delay estimation and PPP ambiguity resolution: GPS,BDS, GLONASS,Galileo

This paper focuses on the precise point positioning (PPP) ambiguity resolution (AR) using the observations acquired from four systems: GPS, BDS, GLONASS, and Galileo (GCRE). A GCRE four-system uncalibrated phase delay (UPD) estimation model and multi-GNSS undifferenced PPP AR method were developed in order to utilize the observations from all systems. For UPD estimation, the GCRE-combined PPP solutions of the globally distributed MGEX and IGS stations are performed to obtain four-system float ambiguities and then UPDs of GCRE satellites can be precisely estimated from these ambiguities. The quality of UPD products in terms of temporal stability and residual distributions is investigated for GPS, BDS, GLONASS, and Galileo satellites, respectively. The BDS satellite-induced code biases were corrected for GEO, IGSO, and MEO satellites before the UPD estimation. The UPD results of global and regional networks were also evaluated for Galileo and BDS, respectively. As a result of the frequency-division multiple-access strategy of GLONASS, the UPD estimation was performed using a network of homogeneous receivers including three commonly used GNSS receivers (TRIMBLE NETR9, JAVAD TRE_G3TH DELTA, and LEICA). Data recorded from 140 MGEX and IGS stations for a 30-day period in January in 2017 were used to validate the proposed GCRE UPD estimation and multi-GNSS dual-frequency PPP AR. Our results show that GCRE four-system PPP AR enables the fastest time to first fix (TTFF) solutions and the highest accuracy for all three coordinate components compared to the single and dual system. An average TTFF of 9.21 min with \(7{^{\circ }}\) cutoff elevation angle can be achieved for GCRE PPP AR, which is much shorter than that of GPS (18.07 min), GR (12.10 min), GE (15.36 min) and GC (13.21 min). With observations length of 10 min, the positioning accuracy of the GCRE fixed solution is 1.84, 1.11, and 1.53 cm, while the GPS-only result is 2.25, 1.29, and 9.73 cm for the east, north, and vertical components, respectively. When the cutoff elevation angle is increased to \(30{^{\circ }}\), the GPS-only PPP AR results are very unreliable, while 13.44 min of TTFF is still achievable for GCRE four-system solutions.     

GPS,Galileo, QZSS and IRNSS differential ISBs: estimation and application

Knowledge of inter-system biases (ISBs) is essential to combine observations of multiple global and regional navigation satellite systems (GNSS/RNSS) in an optimal way. Earlier studies based on GPS, Galileo, BDS and QZSS have demonstrated that the performance of multi-GNSS real-time kinematic positioning is improved when the differential ISBs (DISBs) corresponding to signals of different constellations but transmitted at identical frequencies can be calibrated, such that only one common pivot satellite is sufficient for inter-system ambiguity resolution at that particular frequency. Recently, many new GNSS satellites have been launched. At the beginning of 2016, there were 12 Galileo IOV/FOC satellites and 12 GPS Block IIF satellites in orbit, while the Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) had five satellites launched of which four are operational. More launches are scheduled for the coming years. As a continuation of the earlier studies, we analyze the magnitude and stability of the DISBs corresponding to these new satellites. For IRNSS this article presents for the first time DISBs with respect to the L5/E5a signals of GPS, Galileo and QZSS for a mixed-receiver baseline. It is furthermore demonstrated that single-frequency (L5/E5a) ambiguity resolution is tremendously improved when the multi-GNSS observations are all differenced with respect to a common pivot satellite, compared to classical differencing for which a pivot satellite is selected for each constellation.     

多模GNSS精密卫星钟差估计与分析

对基于历元间差分相位和非差伪距观测值的混合差分卫星钟差估计方法进行了改进,实现了多模全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）卫星钟差联合快速估计。选择了全球分布的50个跟踪站进行实验,对卫星钟差精度进行了分析和精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）验证。结果表明:多模卫星钟差与武汉大学提供的最终精密卫星钟差互差优于0.2 ns,精密单点定位结果与武汉大学发布的最终精密卫星轨道和钟差产品的定位精度相当。     

多系统GNSS卫星轨道快速积分方法

快速高效且高精度的轨道数值积分算法是多系统GNSS卫星联合快速精密定轨的重要基础。本文从自适应变换Admas积分步长和多卫星同步积分两方面研究了多系统GNSS卫星轨道快速积分方法。为了验证该方法的精度和效率,利用武汉大学(WHU)与欧洲定轨中心(CODE)发布的事后精密星历进行轨道动力学拟合。试验结果表明:GPS/GLONASS/BDS/Galileo 4个系统卫星平均三维RMS均优于20mm;在不损失传统方法精度的前提下,单颗卫星平均积分与拟合耗时仅需0.09s,较传统逐颗卫星固定步长积分算法提升了14倍,并且随着卫星数的增加,效率提升越明显。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

区域监测站与低轨卫星数据联合测定MEO卫星轨道

我国北斗二代系统(BDS)地面运控监测站数量较少且为区域分布,短期内难以实现全球建站,因此对全球运行的中圆地球轨道卫星(MEO)难以形成连续多重覆盖观测,导致BDS的MEO实时轨道精度偏低。基于上述问题,本文考虑到低轨卫星星载GNSS数据可以有效弥补区域监测站在空间覆盖及几何结构上的不足,设计了一种将星载GNSS接收机作为高动态天基监测站,联合地面区域监测站数据对卫星导航系统的MEO卫星轨道进行实时解算预报的方法。算例结果显示:7个区域监测站联合1至3个天基监测站,其定轨精度可分别提升约21%、34%和55%,这也表明,地面区域监测站联合天基低轨卫星数据可有效提高MEO卫星的轨道精度。建议我国BDS在区域测站分布阶段可采用联合低轨卫星数据方法提高北斗MEO卫星实时轨道精度。     

GNSS技术在GEO、IGSO航天器中的导航精度与适用性分析

现阶段高轨道航天器导航主要依靠地基测控系统,为了研究全球卫星导航系统(GNSS)技术用于高轨道航天器导航的可行性,对GNSS技术在地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星航天器中的导航精度及适用性展开了分析研究. 采用2021年11月9日的两行轨道数据(TLE)仿真GNSS星座,以不同星下点的GEO卫星和不同倾角的IGSO卫星作为目标星展开导航仿真试验. 实验结果表明:为了满足GNSS解算所需的卫星数量,须通过接收旁瓣信号来增加可见卫星数目. 对GEO目标星而言,当接收机灵敏度高于?169 dB时,导航精度可达30 m;利用GPS对7个不同的GEO或IGSO轨道目标星进行导航实验表明,GPS对目标星导航的位置误差约为35 m;北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS、Galileo的导航位置误差均值分别为28.03 m、21.16 m、37.15 m、25.09 m,具有良好的内符合精度,其中GPS精度最高,GLONASS精度最低,但大部分时段也在45 m内.