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%。     

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。     

GPS测站多路径效应建模研究

GPS伪距观测量由于不存在周跳和整周模糊度的问题,可用来实现动态导航定位,但受到多路径效应影响较为严重,定位精度较低。本文以BJFS站为例,计算了伪距多路径效应,首次大量采用单历元数据,以球谐函数的形式建立了伪距多路径效应、高度角和方位角间的函数模型。建模过程中用截断奇异值分解方法解决了单历元数据引起的的病态问题,求得了模型的最小二乘解。在伪距观测数据中加入模型计算的伪距多路径效应改正,用Bernese软件的动态单点定位功能进行伪距单点定位。对BJFS站的伪距动态定位结果进行统计分析,结果表明单点定位精度得到了改善。     

基于双差伪距/伪距率的GPS/SINS紧组合导航

GPS/SINS组合导航系统的观测模型直接关系着导航系统的精度。提出了一种基于双差伪距/伪距率的GPS/SINS紧组合观测模型。分析了采用双差伪距和采用双差伪距/伪距率两种观测模型对组合导航输出参数精度的影响。实测数据结果表明,采用双差伪距和采用双差伪距/伪距率作为观测值均能实现组合导航系统的收敛。引入双差伪距率观测值明显改善了系统的可观测性,不仅提高了组合导航中速度和姿态角的估计精度,也加快了速度误差和姿态角误差估计的收敛速度。     

一种顾及GEO卫星多路径效应影响的BDS长距离相对定位方法

提出了一种北斗卫星导航系统BDS长距离相对定位方法。在该方法的观测量随机模型中,考虑了BDS的GEO卫星伪距观测量中的系统性多路径变化趋势项的影响;并采用基于非组合观测值的DSOP(Double Station Observation Processing)方法进行数据解算。分别对BDS单系统和BDS/GPS组合相对定位解算结果进行了分析,实验结果都表明采用该方法能够显著提高定位结果的收敛速度。     

基于高度角的多路径误差改正方法

多路径效应是影响卫星定位的主要误差源之一,是GNSS领域研究的热点和难点问题。本文针对现有多路径误差改正方法存在通用性弱、计算结果受噪声影响大等不足,本文提出了基于卫星高度角的多路径误差改正方法,并通过实验验证了该方法对改正静态多路径误差具有可行性。结果表明,通过应用该模型,四系统组合伪距单点定位精度提升幅度可达15%左右,相较于基于周跳探测的双频伪距载波组合提取多路径误差的方法,基于高度角的方法运算简便,抗干扰能力更好。     

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%。     

基于小波分析提取单频GNSS伪距多路径误差及其对定位的影响

伪距多路径误差是影响GNSS导航定位精度的主要误差源之一。多路径误差与接收机周围环境有关,在实际应用中难以建立有效的多路径误差模型进行改正。对于多频GNSS接收机可以通过多频观测值组合估计伪距多路径,但该方法不适用于价格低廉的单频接收机,而导航中使用的大多数为单频接收机。因此,开展单频GNSS伪距多路径误差提取研究具有重要的工程应用价值。本文基于小波分析对单频GNSS接收机伪距多路径误差估计开展研究,首先验证了小波分析用于单频GNSS伪距多路径误差估计的可行性;其次,研究了采用不同的小波基和分解层次对多路径误差估计的影响;最后,研究了改正多路径误差对GNSS定位的影响。实验结果表明不同的小波基和分解层次对多路径误差提取效果没有明显的差别,但小波分解层次较低时定位误差分布相对更加集中,同时,经过多路径误差改正后在NEU3个方向RMS平均改善率达到20.4%、25.1%、16.4%。     

GPS/BDS组合系统伪距单点定位模型精度分析

合理确定观测值权阵对于应用GPS/BDS组合系统提高单点定位的精度和稳定性十分重要.文章对GPS/BDS常用的几种定权模型等权模型、高度角随机模型、基于Helmert验后方差估计模型、顾及PDOP值的定权模型等进行了实验与分析.结果表明:基于Helmert的定权方法精度最高,进一步对其观测值的分类根据高度角进行改进并利用PDOP值的选星思想后,模型精度再次提高.研究结果可以为提高GPS/BDS组合系统伪距单点定位的精度提供参考.     

智能手机多普勒平滑伪距单点定位精度分析

针对受手机芯片、工艺等限制,智能手机原始伪距观测值测量噪声大,易受多路径等误差影响,致使常规数据处理手段无法满足较高精度的定位需求等问题,该文提出了基于多普勒平滑伪距的方法。该方法综合利用多普勒观测值具有较好的观测精度,且不受多路径误差的干扰的优势,采用多普勒观测值对伪距进行平滑,研究确定了多普勒平滑策略和阈值,较好地改善了数据质量。实验数据表明:多普勒平滑伪距可较好地改善数据质量,提高定位精度,定位结果在E方向提高了67.8%、N方向提高了64.9%、U方向提高了65.6%。     

一种北斗星源伪距波动改正方法

北斗伪距观测值中存在与卫星相关的误差,这种误差称为星源伪距波动。为了进一步探究北斗星源伪距波动误差规律,提高定位精度及可靠性,对12个IGS multi-GNSS测站提供的三频数据进行了分析,并在此基础上建立了基于卫星高度角的多项式改正模型。实验表明,星源伪距波动主要存在于北斗IGSO和MEO卫星中,没有在GPS,GLONASS,GALILEO和北斗GEO卫星中发现类似的现象。经改正,自测测站三频伪距多路径组合的RMS分别减少了41.3%,37.2%及11.4%,与卫星高度角相关系数小于0.01。     

北斗三号卫星观测信息高度角相关随机模型统计特性分析

观测信息随机模型在参数估计、质量控制和精度评定过程中具有重要作用,准确的观测信息随机模型是北斗精密定位的基础。首先,利用简化的Helmert方差分量估计方法估计北斗三号卫星观测信息精度,并拟合模型系数;然后,利用全局检验和$\omega$检验对基于分段函数、正弦函数、余弦函数和指数函数的随机模型进行统计检验,分析随机模型统计特性;最后,利用精密单点定位（precise point positioning,PPP）检验各随机模型对定位性能的影响。实验结果表明,北斗三号卫星的伪距和载波相位观测值精度均与高度角相关,且观测类型不同,相关程度不同;基于指数函数的随机模型在拟合误差、全局检验和$\omega$检验中均表现出最优的性能,全局检验浮点解和固定解的误警率仅为5.1%和4.9%,$\omega$检验伪距和载波相位最大误警率分别为5.8%和6.8%,PPP收敛时间最短,定位精度最高。基于指数函数的随机模型能够准确描述北斗观测信息精度,提高北斗三号卫星精密定位结果的精度和可靠性。     

GEO卫星对BDS-3伪距单点定位性能定量提升分析

地球静止轨道（GEO）卫星是北斗卫星导航系统（BDS）星座的主要组成部分,为分析其对北斗三号（BDS-3）定位性能的影响,本文基于MGEX跟踪站实测数据,分析了GEO卫星对BDS-3伪距单点定位精度的影响．经研究发现,GEO卫星能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,能有效提升BDS-3伪距单点定位精度,北斗二号（BDS-2）／BDS-3 GEO卫星使BDS-3伪距单点定位精度的提升量优于任一单系统GEO卫星,GEO卫星对BDS-3伪距单点定位水平向定位精度提升在30％以内,对高程方向定位精度提升在20％以内．      

载波相位平滑时间常数对GBAS精度增强的影响

陆基增强系统(GBAS)是利用载波相位平滑伪距差分修正实现对导航辅助定位的. 其中,平滑时间常数是影响载波相位平滑伪距精度的关键参数. 本文分析研究了不同平滑时间下电离层时间梯度和空间梯度对Hatch滤波的影响. 在结合电离层时空梯度和多径效应引起的滤波总误差方差的基础上,推导出自适应的最优平滑时间常数. 分别对GBAS静态和动态两种环境下的定位误差进行实验,实验结果表明,采用本文推导出的自适应平滑时间常数降低了GBAS伪距测量误差,从而使定位精度得到增强.      

三频电离层延迟改正中多路径误差和观测噪声的削弱算法

多频测距系统可以借助多频观测数据削弱电离层延迟的影响,但多频改正算法在改正电离层延迟项的同时会不同程度地放大多路径误差、观测噪声等伪距误差的影响。其中利用三频数据可以将电离层延迟改正至二阶项,也可以只改正至一阶项,分别称为三频二阶改正和三频一阶改正。首次推导了利用三频观测数据削弱伪距中多路径效应和观测噪声等误差的算法,使三频电离层延迟改正中伪距误差的影响大大减小。通过对三频实测数据的处理和分析验证了算法的有效性并给出了一些有益的结论和建议:在利用三频观测数据进行电离层改正时,首先改正伪距中的多路径误差和观测噪声,然后采用三频二阶改正算法将电离层延迟改正至二阶项,将有效提高伪距改正精度。如果不能有效削弱这些误差的影响,宜采用三频一阶改正或双频改正。     

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％。      

北斗系统在南极中山站地区的基本定位性能评估

对北斗区域卫星导航系统（BDS）正式运行后在南极中山站地区的基本导航定位性能进行了评估,包括卫星可用性、位置精度因子（PDOP）、伪距观测值质量、电离层模型精度及单频伪距导航定位性能等方面。对南极中山站地区实测数据分析的结果表明,首先,北斗卫星导航系统的可用性与伪距观测值质量在总体上与GPS处于同一水平,并已初步具备了全天导航定位的能力,但存在卫星分布不够均匀、GEO卫星高度角较低、电离层模型精度较差等问题。其次,北斗单频伪距单点定位北、东方向的精度分别优于22 m和9 m,高程方向优于25 m;超短基线的单频伪距差分定位在北、东、高程三个方向的精度分别为3.6 m、2.3 m和3.3 m;总体而言与GPS相比有一定差距。最后,北斗/GPS组合定位相对于单一的GPS定位不仅增加了系统的可靠性,还对定位的精度有明显改善,对于单频伪距单点定位、伪距差分定位的三维点位精度可分别提高10%、22%。