附加原子钟物理模型的PPP时间传递算法

传统精密单点定位(PPP)时间传递算法通常把接收机钟差当作相互独立的白噪声逐历元进行估计,而忽略了钟差参数历元间的相关性。针对这一问题,本文提出了一种附加原子钟物理模型的PPP时间传递算法。该算法通过利用Kalman滤波对高稳定度的原子钟钟差进行建模,拓展传统PPP时间传递模型中的接收机钟差参数,并给出了Kalman滤波过程噪声协方差和初始状态向量的确定方法。试验结果表明:该算法可以有效避免传统算法时间传递结果需要一定收敛时间的问题,使解算结果更加符合原子钟的物理特性,能够显著提高时间传递结果的精度和稳定性,可将单站时间传递精度平均提高58%,站间时间传递精度平均提高51%。     

高性能原子钟钟差建模及其在精密单点定位中的应用

鉴于当前许多IGS跟踪站均配置有高性能原子钟的现状,本文首先采用修正Allan方差法分析了不同IGS跟踪站的接收机钟随机噪声的时域特性,进而评估了不同类型接收机的短期稳定度及钟差建模的可行性,然后利用IGS站配有氢原子钟的观测数据,在精密单点定位算法中,通过对钟差参数进行短时建模约束接收机钟差的随机变化,进而改进精密单点定位(PPP)的定位性能。试验结果表明钟差建模方法显著降低了高程分量参数、天顶对流层延迟参数与接收机钟差参数之间的相关性,GNSS高程分量的精度可提高50%。该方法对于提升PPP技术在地壳形变监测、低轨卫星定轨、水汽监测及预报等高精度GNSS地学领域的应用水平具有一定意义。     

实时卫星钟差基准精化方法

在基于精密单点定位(PPP)的授时方法中,卫星钟差产品的高精度时间基准至关重要. 针对实时卫星钟差产品时间基准不够稳定的问题,本文采用一组具有原子钟外部输入的国际全球卫星导航系统(GNSS)服务(IGS)跟踪站建立了顾及原子钟变化特性的基准精化方法. 该方法首先采用阿伦方差对不同的IGS跟踪站外接原子钟进行稳定度分析,挑选出一组稳定度高的原子钟用以精化时间基准. 在此基础上,利用阿伦方差分析各台原子钟的噪声参数特征,并确定不同原子钟之间的权比关系. 最终,建立时间基准改正量的随机模型,并计算出精化后的时间基准. 通过实例验证表明:与IGS事后精密钟差产品定义的时间基准比较,改正后的实时钟差基准单天内的标准差(STD)优于0.1 ns,相比于改正前最高提升了93％. 同时,基准改正后的天内万秒稳达到10-15量级,实现了一个量级的提高. 此外,通过相对钟差精度的分析,表明钟差基准修正不影响PPP的定位精度.      

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。     

利用接收机钟差建模提升PPP收敛速度及精度

提出了一种利用接收机钟差建模提升精密单点定位PPP收敛速度及精度的方法。传统PPP模型中通常将接收机钟差与位置同时作为参数逐历元估计。这种处理方法带来了两种参数之间的高度相关性,从而限制了PPP收敛速度及精度。利用Kalman滤波对接收机钟差进行建模,实验结果表明该方法建立的钟差模型更为准确,并降低了钟差与位置参数的相关性,PPP收敛速度加快了约67%;北方向和东方向精度分别提高了18%和22%,天顶方向精度提高了43%。     

利用参考站增强信息进行精密单点定位

提出一种基于参考站增强信息的精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP)新算法。与其它方法的不同在于采用星间历元间差分技术,消除了模糊度和接收机钟差,避免模糊度参数的收敛或固定。应用基于参考站的增强信息 ,以减弱残余对流层延迟和潜在偏差对定位结果的影响。与传统PPP处理方法相比较,提出的新方法可以改善位置参数的收敛速度,定位精度也有一定程度的提高。     

北斗广域高精度时间服务原型系统

基于精密单点定位(precise point positioning,PPP)的时间传递技术以其精度高、覆盖范围广的优点成为性能最优的GNSS时间传递方法之一。随着广域差分产品时效性的提高,实时PPP时间传递开始应用于精密授时的研究。本文在PPP时间传递技术的基础上,结合实时卫星钟差估计、接收机时钟调控及硬件延迟标校技术,建立了基于北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的广域高精度时间服务(wide-area precise timing,WPT)系统,可为用户实时提供准确、稳定、可溯源的时间。WPT系统分为时间服务平台和用户终端两个部分。时间服务平台引入高精度的时间作为系统的参考时间基准,并提供广域实时差分改正数;用户终端基于实时PPP时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异,并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。为了验证系统的实时授时性能,本文进行了零基线、短基线及广域环境下的性能测试和评估。试验结果表明,该系统零基线、短基线时间同步精度优于0.5 ns,广域条件下单天的授时精度均优于1 ns,为基于北斗系统的精密授时技术发展提供了参考。     

时频传递的改进整数相位钟方法

整数相位钟法是精密单点定位（PPP）中应用最广泛的模糊度固定方法之一。利用整数相位钟法进行频率传递的稳定度优于传统PPP，但该方法的钟差计算结果包含系统性偏差，影响时间传递精度。本文介绍了整数相位钟法基本原理，分析了钟差计算结果所包含的系统性偏差成因，提出一种基于星间单差模糊度固定与原子钟精化模型的改进整数相位钟法，并检验改进整数相位钟法的模糊度固定性能与时频传递性能。试验结果表明，改进算法能够有效消除该系统性偏差，利用改进整数相位钟法进行时间传递精度能够达到0.1~0.2 ns，频率传递稳定度达到1.1×10^-15/d。     

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%.      

利用GPS精密单点定位进行时间传递精度分析

利用静态精密单点定位技术(PPP),分别采用IGS5min和30s间隔的精密卫星钟差产品进行单站时间传递实验。实验结果表明,无论是利用5min间隔的卫星钟差产品,还是利用30s间隔的卫星钟差产品,静态PPP都可以实现0.1～0.2ns的时间传递以及半天内稳定度达到1×10-15～2×10-15的频率传递。在短期内,相比于5min间隔的卫星钟差产品,利用30s间隔的卫星钟差产品能较明显地提高静态PPP钟差解所体现的频率稳定度,PPP钟差解的精度略有提高;在长期内,使用这两种钟差产品获得的PPP钟差解的精度及其所体现的频率稳定度相当。     

单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用

全球导航卫星系统(GNSS)已发展至多频多系统时代,特别以我国北斗卫星导航系统(BDS)为代表的四大全球导航卫星系统可全天时、全天候播发十几个频率的伪距、相位和多普勒等观测信息。多频多系统GNSS为用户提供更多的观测数据和组合选择,为精密定位、导航和授时(PNT)应用带来了新的机遇,如高精度位置服务、大地测量、空间天气和灾害监测等。但多频多系统GNSS观测为精密单点定位(PPP)组合模型和系统偏差及大气延迟估计等带来诸多问题和挑战。本文给出了单频到五频多系统GNSS精密单点定位(PPP)模型,估计和评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位精度、接收机钟差、对流层延迟、卫星和接收机硬件延迟,以及频间偏差。给出了GNSS PPP最新应用进展,包括GNSS气象学、电离层模拟、时间频率传递、建筑物安全和地震监测及其应用。结果表明,多频多系统极大地提高了GNSS PPP参数估计的精度和可靠性,具有重要的应用价值。最后给出了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。     

估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型

在传统多系统非差非组合精密单点定位（precise point positioning，PPP）模型中，电离层延迟会吸收部分接收机码硬件延迟，其估计值可能为负数。提出了一种估计接收机差分码偏差（differential code bias，DCB）参数的GPS（Global Positioning System）/BDS（BeiDou Navigation Satellite System）非组合PPP模型，将每个系统第1个频率上的接收机码硬件延迟约束为零，对接收机DCB进行参数估计，达到了分离电离层延迟和接收机码硬件延迟的目的，降低了接收机钟差和电离层延迟的相关程度。利用4个多星座实验（multi-GNSS experiment，MGEX）跟踪站的GPS/BDS数据进行了静态和动态PPP试验，结果表明，与不估计DCB参数的PPP模型相比，采用估计DCB参数PPP模型后，静态模式下定位精度和收敛速度平均提高了29.3%和29.8%，动态模式下定位精度和收敛速度平均提高了15.7%和21.6%。     

一种基于IGS超快星历的区域性实时精密单点定位方法

实时GPS精密单点定位需要实时的卫星轨道和钟差产品,为此提出一种利用区域GPS连续运行参考站和IGS发布的IGU超快轨道进行实时精密单点定位的方法.该方法首先利用连续运行参考站观测数据与IGU超快轨道预报部分进行实时GPS卫星钟差的估计,然后利用估计得到的实时GPS卫星钟差产品和IGU超快轨道预报部分,进行用户GPS接...     

Maintaining real-time precise point positioning during outages of orbit and clock corrections

The precise point positioning (PPP) is a popular positioning technique that is dependent on the use of precise orbits and clock corrections. One serious problem for real-time PPP applications such as natural hazard early warning systems and hydrographic surveying is when a sudden communication break takes place resulting in a discontinuity in receiving these orbit and clock corrections for a period that may extend from a few minutes to hours. A method is presented to maintain real-time PPP with 3D accuracy less than a decimeter when such a break takes place. We focus on the open-access International GNSS Service (IGS) real-time service (RTS) products and propose predicting the precise orbit and clock corrections as time series. For a short corrections outage of a few minutes, we predict the IGS-RTS orbits using a high-order polynomial, and for longer outages up to 3 h, the most recent IGS ultra-rapid orbits are used. The IGS-RTS clock corrections are predicted using a second-order polynomial and sinusoidal terms. The model parameters are estimated sequentially using a sliding time window such that they are available when needed. The prediction model of the clock correction is built based on the analysis of their properties, including their temporal behavior and stability. Evaluation of the proposed method in static and kinematic testing shows that positioning precision of less than 10 cm can be maintained for up to 2 h after the break. When PPP re-initialization is needed during the break, the solution convergence time increases; however, positioning precision remains less than a decimeter after convergence.     

Estimation of Clock Stability Using GPS

The recent development of low-cost, high-precision oscillators has allowed many applications in various fields to become financially feasible. The stability of an oscillator is ultimatively what determines its usefulness for a certain application, and is therefore desirable to quantify. Current methods of evaluating stability require a direct comparison of the oscillator under test (OUT) with amore stable reference oscillator, the cost of which often offsets the initial benefit of a low-cost device. However, a relatively inexpensive Global Positioning System (GPS) receiver is capable of exploiting the highly stable GPS time scale, thus obviating the need for an expensive reference oscillator. By allowing the OUT to drive a GPS receiver, and processing the data with precise GPS orbits and clock corrections to eliminate the effects of selective availability (SA), the time series of computed clock offsets provides a measure of the oscillator's stability relative to GPS time. The use of GPS for assessing clock stability in the time domain is evaluated herein via the computation of Allan variance values. Performance of one rubidium and three ovenized crystal oscillator are investigated. Results show the method is limited to time intervals less than about two seconds or longer than about 300 seconds, where the effects of measurement noise and residual SA is less pronounced. ? 2000 John Wiley & Sons, Inc.     

Impact of GLONASS pseudorange inter-channel biases on satellite clock corrections

GLONASS carrier phase and pseudorange observations suffer from inter-channel biases (ICBs) because of frequency division multiple access (FDMA). Therefore, we analyze the effect of GLONASS pseudorange inter-channel biases on the GLONASS clock corrections. Different Analysis Centers (AC) eliminate the impact of GLONASS pseudorange ICBs in different ways. This leads to significant differences in the satellite and AC-specific offsets in the GLONASS clock corrections. Satellite and AC-specific offset differences are strongly correlated with frequency. Furthermore, the GLONASS pseudorange ICBs also leads to day-boundary jumps in the GLONASS clock corrections for the same analysis center between adjacent days. This in turn will influence the accuracy of the combined GPS/GLONASS precise point positioning (PPP) at the day-boundary. To solve these problems, a GNSS clock correction combination method based on the Kalman filter is proposed. During the combination, the AC-specific offsets and the satellite and AC-specific offsets can be estimated. The test results show the feasibility and effectiveness of the proposed clock combination method. The combined clock corrections can effectively weaken the influence of clock day-boundary jumps on combined GPS/GLONASS kinematic PPP. Furthermore, these combined clock corrections can improve the accuracy of the combined GPS/GLONASS static PPP single-day solutions when compared to the accuracy of each analysis center alone.