单频GPS接收机定位中的电离层延迟改正

针对单频GPS接收机受电离层影响较大的特点，从定性的角度比较、分析了两种常用经验电离层模型的使用特点和改正精度。利用4个IGS测站的多天GPS实测数据，采用单点定位的方法，从定量的角度，研究了两种常用经验电离层模型应用于单频GPS用户定位时的改正效果，为单频GPS用户修正电离层延迟，选择合适的电离层模型提供了参考性建议。     

利用GPS双频数据进行区域电离层TEC提取

从利用GPS提取区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)的基本原理出发,解决了伪距观测值优化以及硬件延迟(DCB)处理问题,并将提取的TEC信息与欧洲定轨中心(CODE)计算的全球电离层(GIM)模型内插值应用在单频精密单点定位中,进行电离层延迟改正实验。结果表明,利用本文提取的TEC值进行单频精密单点定位电(PPP)离层延迟改正时,点位精度能提高到0.2~0.4m左右,明显优于利用GIM内插值的改正精度。     

单频精密单点定位中电离层延迟改正方法

在单频精密单点定位中,电离层延迟是降低定位精度的一个重要因素.本文利用基准站上的双频接收机测定每颗卫星运动轨迹通过电离层的部分,然后通过曲面拟合函数来对各个卫星轨迹通过的电离层建立模型,并对单频精密单点定位进行电离层延迟改正.实验分析表明,用该电离层延迟模型进行单频精密单点定位能够获得较好的精度要求,收敛速度得到了很大的提高.     

中国区域CODE全球电离层地图精度分析

电离层延迟是精密单点定位的主要误差源,双频用户可利用组合观测值消除其影响,单频用户只能利用电离层模型对其加以改正.因此电离层模型的精度对单频精密单点定位(single-frequency precise point positioning,SF-PPP)的精度至关重要.为分析欧洲轨道确定中心(Center Orbit Determination Europe,CODE)提供的全球电离层地图(global ionospheric map,GIM)在中国区域内的精度,在不同纬度范围内选取25个均匀分布的陆态网基准站,从STEC(slant total electron content,STEC)精度及单频动态定位精度两个角度对CODE GIM进行精度评估.结果表明STEC均方根(root mean square,RMS)7天内的平均值为6.38 TECU,应用CODE GIM进行单频动态精密单点定位的精度在水平方向达到亚米级,高程方向达到米级,在高纬度地区CODE GIM精度更高.     

山东区域电离层模型的建立及精度评估

针对电离层延迟改正对单频接收机用户带来误差较大的问题,该文基于球谐函数借助山东区域CORS双频观测数据建立山东区域电离层模型,并对硬件延迟偏差(DCB)和电子含量进行可靠性、稳定性分析,进一步使用单频精密单点定位(PPP)验证山东区域电离层模型的有效性。实验结果表明:测站DCB解算精度稳定在0.4ns内,解算卫星DCB与欧洲定轨中心(CODE)的偏差总体稳定在0.5ns内,区域电离层模型与CODE解算VTEC差值的均方根为1.22TECU,STD为0.93TECU,对山东区域单频PPP而言,山东区域电离层模型比CODE发布全球电离层模型在N、E、U方向精度明显提高。同时,建立的山东区域电离层模型从时间分辨率、空间分辨率上均优于CODE中心发布全球电离层模型。     

几种电离层模型对单频单点定位的影响分析

针对实时GNSS单频定位中电离层延迟改正问题,本文采用可用于实时GNSS单频定位的几种电离层模型对电离层延迟进行改正并分析其对GNSS单频单点定位性能的影响。其中,对单频SPP的电离层延迟采用模型直接进行改正,采用Klobuchar模型、CODE的预报产品c1pg、原国家测绘地理信息局的实时球谐电离层产品cosong和CODE事后产品codg计算的电离层精度依次提高;采用不同电离层模型作为电离层估计的先验约束进行单频PPP定位。结果表明:采用精度较好的电离层产品作为先验约束可加快单频PPP收敛。     

不同Klobuchar模型参数的性能比较

对于GPS单频用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从370组常数中选取。目前全球分布的GPS测站可以获得高精度的全球电离层监测结果,GPS为什么不发播采用实测数据计算得到的Klobuchar模型参数呢？本文针对这一问题进行分析。首先对欧洲定轨中心CODE提供的全球电离层图GIM预报COPG电离层进行精度评估,然后根据COPG电离层进行Klobuchar模型参数拟合并利用IGS提供的事后高精度电离层图进行精度分析,最后将不同的电离层模型参数应用于单点定位以评估其对单频用户的影响。分析结果表明：受8参数的Klobuchar模型本身结构限制,采用全球实测数据计算的电离层模型参数与导航电文中发播的电离层模型精度相当,为55%左右。而仅采用地磁纬度45oS以北的数据拟合得到的模型参数,其电离层改正精度有明显提升,可达65%左右,但其对单频用户定位精度改善不明显。本文研究结果为我国全球电离层建模提供参考。     

单频精密单点定位观测模型和电离层处理方法比较

利用单频码、相位和GRAPHIC组合3个观测量的两两组合可以构造3种单频精密单点定位观测模型:基于码和GRAPHIC观测量的C-G模型,基于GRAPHIC和相位观测量的G-P模型和基于码和相位观测量的C-P模型。针对电离层延迟改正问题,考虑了最高精度的模型改正方法——IGS格网电离层改正和估计电离层延迟参数两种方案。采用全球分布的15个IGS监测站16d的数据和一组机载动态GPS数据进行解算实验。结果表明,不同观测模型和不同的电离层延迟处理方法,定位效果有明显差异。     

北斗电离层模型改正精度分析

电离层误差是影响单频用户机定位精度的主要误差源。卫星导航系统播发电离层模型改正参数供用户使用,模型改正精度会对定位结果产生直接影响。北斗卫星导航系统根据连续监测站实测数据,计算并发播地理坐标系下8参数Klobuchar电离层模型参数,且每2 h更新一次。为了科学评估北斗电离层模型改正效果,文中基于北斗最新观测数据,首先,以CODE提供的GIM模型作为比对基准,详细分析了不同纬度地区、不同时间段内的电离层模型改正精度;其次,分别按照以下定位模式进行计算:1)北斗单频不加电离层改正,2)北斗单频+北斗K8模型,3)北斗单频+GPS K8模型,并分析了电离层改正残差对定位结果影响大小。结果表明,北斗电离层模型改正精度在北半球优于南半球,中纬度地区改正效果最好,其改正残差RMS均值在0.6 m左右,往低纬和高纬度地区呈递减趋势;北京地区北斗单频+北斗K8模型定位精度优于GPS K8模型。     

基于实时Kalman滤波的电离层建模及精度分析

文中使用CORS实时数据,基于Kalman滤波建立区域电离层TEC球谐函数模型。使用CORS相位平滑伪距电离层观测值,逐历元滤波求解电离层模型参数,分离卫星与接收机硬件延迟,并应用于单双频PPP定位中。实验结果表明,区域电离层模型精度约为1.9 TECU,较IGS发布的电离层格网数据(GIM)提高58.8%;采用区域电离层模型改正后单频PPP定位精度约为0.2 m,较GIM提高60.3%;模型提供的高精度电离层改正信息能够有效提升双频PPP收敛速度及初始定位精度。     

多系统广播电离层模型精度评估

电离层误差是导航定位主要的误差源之一,广播电离层模型为单频用户修正电离层延迟提供了简便有效的方法。本文采用CODE提供的GIM产品作为评估的基准,对4大广播电离层模型进行了多方面精度评估,旨在为后续的模型改进及应用提供参考。结果表明：各个模型北半球改正率高于南半球,白天改正率高于晚间;NeQuick模型在中低纬度服务性能一般,但在高纬度地区明显高于BDSK8、GPSK8模型,改正率高出BDGIM模型约5%,BDSK8、GPSK8、BDGIM模型在中低纬度改正率较高,高纬度带改正率稍差;BDGIM模型性能总体优于其他模型,全球范围改正率可达76.91%。     

单频GPS实时定位精度分析

电离层延迟误差是单频GPS实时/事后定位误差的一个重要来源,目前尚无有效的方法来削弱其影响。针对这一状况,该文首先介绍了单频GPS改正电离层延迟误差的常用方法,通过分析说明了电离层格网数据能够有效改善单频GPS实时/事后定位误差。给出了电离层格网数据的建立、预报方法,并详细介绍了刺入点地心经纬度VTEC值的计算方法、四点格网法内插刺入点天顶方向的总电子含量以及单层模型投影函数。结合算例,分析比较了不同类型电离层改正数据与卫星星历数据对单频GPS实时/事后定位精度的影响。实验结果表明,利用电离层格网预报数据能够显著改善单频GPS的实时/事后导航定位精度,对提高单频GPS定位精度具有一定实用价值。     

非差非组合精密单点定位提取区域电离层延迟及精度评定

电离层延迟是GNSS定位中最难处理,也是很重要的的误差来源之一,目前常用线性组合的方式处理电离层延迟,这些方法都会引入多余噪声,在不同程度上影响了模糊度的整数特性,同时也造成了某些有用数据丢失。本文提出了一种基于非差非组合精密单点定位的方式提取区域参考站电离层延迟的方法,再将提取得到的区域电离层延迟内插至仿用户站,在仿用户站实施单频PPP,最后检验得到定位的精度。实验结果表明:仿用户站单频PPP的定位精度平面方向约为4—5 cm,在高程方向低于1 dm,与全球电离层格网模型和半和改正等模型相比,采用非差非组合的方法提取电离层延迟后的定位精度更高。     

新的区域电离层模型及单频长基线精度分析

电离层延迟是影响GPS精密定位的主要因素,对单频接收机的影响尤为明显。介绍了一种新的基于区域双频观测网构建电离层模型的方法,并选取德国境内平均基线超过300 km(最长基线为461 km)的一个长距离观测网连续10 d的数据对模型进行了检测分析。实验证明,基于该电离层模型,网内单频接收机用户可获得接近双频观测数据的解算精度,即使对于200 km的长距离基线,单频数据的基线解算结果都能够达到平面方向6 mm,高程方向2.5 cm。区域电离层延迟模型构造方法可被有效应用于GPS、GLONASS和GALILEO等各类卫星导航定位系统,满足事后、实时或准实时单频接收机精密数据处理的需要。     

GNSS全球广播电离层模型精度分析

单频用户主要采用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)广播电离层模型来修正电离层延迟,GPS、Galileo和BDS-2均播发广播电离层参数。BDS-3试验卫星也播发了应用于全球电离层延迟修正的BDGIM(BeiDou global ionospheric delay correction model)模型参数。以国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS) GIM (global ionosphere maps)产品和全球140余个GNSS观测站GPS双频观测量为基准,从全球范围、不同纬度、不同区域等系统分析了GPS、Galileo和BDS-3的全球广播电离层模型改正精度,并与IGS预报电离层产品(IGS P1和IGS P2)进行比较。分析认为,IGS P1和IGS P2产品的改正精度总体最优,BDGIM参数优于Gal NeQuick和GPS K8。对于BDS-3新发布的BDGIM参数,分析认为,在全球范围的改正精度(均方根)约为3.58 TECU,改正率约77.2%,在全球不同区域的改正精度相当。     

GPS伪距改正及精密动态单点定位精度分析

给出了GPS伪距定位在动态模式下的改正模型：对流层折射延迟、电离层延迟改正、地球自转改正、相对论效应改正、卫星天线和接收机天线改正、固体潮改正。并针对单频GPS接收机进行动态伪距定位的试验，分析了各项改正对GPS伪距定位的精度影响及综合改正后的精度分析。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

GPS单频精密单点定位的研究实现

本文研究建立了电离层参数估计的单频精密单点定位的数学模型,并综合考虑各项误差模型改正,运用卡尔曼滤波算法,开发了单频精密单点定位程序,最后利用实测数据进行实验。实验结果表明:静态平面、高程方向精度均优于0.15m,动态精度优于0.3m。     

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。     

确定卫星与接收机信号延迟偏差的新方法及其应用

单频ＧＰＳ接收机用户通常需要进行电离层延迟改正,电离层延迟改正量通常来源于电离层延迟改正模型或双频ＧＰＳ基准站信息,后者即是利用双频ＧＰＳ观测值估计电子含量总数,求解电离层延迟改正量。利用双频ＧＰＳ观测值估计电子含量总数,一个关键总是是去掉卫星与接收信号延迟偏差。