北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估

目前,我国北斗卫星导航系统已完成星座区域组网,系统每2h提供一组电离层延迟Klobuchar模型参数。利用欧洲定轨中心(CODE)的高精度电离层格网数据作为参考,对北斗卫星导航系统电离层参数性能进行了精度评估分析,并进行了定位分析。数据表明,其修正精度一般在70%以上,北半球的修正误差在1.5m左右,而南半球的修正误差在3.5m左右;在北半球中纬度地区的修正精度比高纬度、低纬度地区高;北斗单频伪距定位采用北斗Klobuchar模型在平面上的精度为3m左右,高程上为7m左右,与采用GPS的Klobuchar模型相比较,定位精度提高了约10%,高程方向尤为明显。     

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。     

3种GPS+BDS组合PPP模型比较与分析

无电离层组合和非组合模型是GNSS精密单点定位(PPP)常用的两种函数模型。本文通过详细分析PPP的两种函数模型各类参数间的相关特性,建立了参数独立的函数模型。对非组合PPP模型的电离层参数引入虚拟观测方程进行约束,有效提高了PPP的收敛速度。最后,从定位精度和收敛时间两方面分析不同函数模型的GPS单系统和GPS+BDS组合PPP静态、模拟动态定位效果。结果表明:GPS单系统和GPS+BDS组合PPP定位精度相当,静态的无电离层组合与非组合PPP均可达到厘米至毫米级精度,动态PPP精度的平面优于3cm,高程优于5cm;无电离层组合PPP收敛时间优于非组合的PPP,电离层加权非组合PPP的收敛时间最短。动态定位中,电离层加权模型相比于无电离层组合模型,可减少约15%的收敛时间,相比于非组合模型,可减少约34%。     

GNSS基本服务性能评估

针对现有全球卫星导航系统性能评估无规范的评估标准问题,该文提出了以统一模型和算法为评估体系的方法,较详细的评估了全球卫星导航系统公开服务信号的基本性能,主要评估了空间信号误差、广播电离层模型改正效率及伪距单点定位精度等。结果表明:空间信号误差方面,伽利略最优、GPS和北斗三号相当;广播电离层模型方面,北斗全球广播电离层模型改正效果最优,GPSK8与NeQuick模型在低中纬度改正效果相当,北斗区域电离层模型在其服务区内具有较高改正效果;定位方面,北斗、GPS和伽利略静态伪距单点定位的三维位置均方根误差优于5m,格洛纳斯优于10 m;动态伪距单点定位方面,北斗在中国境内定位精度最高;基于统一评估体系下,可以直观对比得到目前各卫星导航系统的性能差异,同时也为后续的建设提供相应的参考。     

北斗与GPS组合伪距单点定位精度分析

主要介绍了北斗与G PS组合单点定位时的原理和模型,根据自编程序,利用同济大学TJA站的数据进行计算及分析比较GPS伪距、北斗伪距、北斗/GPS组合伪距单点定位的精度。结果表明：北斗伪距单点定位的精度平面方向上达到3m以内,高程方向优于8 m ,满足普通导航定位的需求。北斗/G PS组合伪距单点定位精度明显优于单系统。在单系统观测条件差时,组合系统可以减少对单一系统的依赖性,而且还可以增强卫星定位的稳定性和可靠性。     

不同函数模型的精密单点定位性能分析

针对精密单点定位常用的无电离层组合模型、非组合模型和Uofc函数模型的静态和仿动态精密单点定位定位性能问题,该文利用2015年10月27日MGEX 94个跟踪站点的静态观测数据,分别从观测残差、收敛时间和定位精度3个方面对其进行了对比分析。实验结果表明:(1)非组合的观测残差最小,内符合精度最高,收敛时间最长;(2)无电离层组合观测残差最大,内符合精度最差,收敛时间最短。3种函数模型无论是静态还是仿动态精密单点定位,都具有相当的定位精度,静态精密单点定位在水平方向的定位精度优于1cm,高程方向的偏差优于3cm;仿动态精密单点定位在水平方向的定位精度优于1.5cm,高程方向优于4cm。     

北斗三频精密单点定位模型比较及定位性能分析

在Trip软件的基础上实现了北斗三频无电离层两两组合、三频消电离层组合和三频非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）算法。利用12个陆态网观测站的北斗三频观测数据对3种三频PPP定位模型及传统的双频无电离层组合PPP模型的定位性能进行分析。试验结果表明,对大多数测站,3种三频PPP模型静态定位精度水平方向优于1 cm,高程方向优于2 cm,动态定位精度水平方向优于4 cm,高程方向优于6 cm;3种三频PPP模型静态收敛时间约为120 min,动态收敛时间约180 min;相比于传统的双频PPP模型,三频PPP模型的定位精度有所提高,其中,三频非组合模型静态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高36.1%和6.3%,动态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高9.1%和6.3%。     

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%。     

利用单频GPS／Galileo组合观测值的导航性能分析

针对不同观测值的初始方差比值,对比GPS／Galileo组合单点定位的结果。利用不同测站的观测数据和广播星历数据进行单频GPS／Galileo组合单点定位试验。结果表明,组合GPS／Galileo单点定位的平面方向精度优于2m,高程方向精度优于4m,点位精度优于5m;相比于GPS单系统,GPS／Galileo组合系统在平面方向的定位精度略有提高,高程方向的定位精度改善率为11％。同时给出基于4颗IOV卫星的Galileo单点定位结果。     

几种附电离层约束GNSS单频PPP性能评估

针对单频精密单点定位(PPP)两种常用的定位模型:非组合模型和附加电离层约束模型,同时综合考虑电离层约束模型三种不同约束策略(常数约束,时空约束,逐步松弛),对比分析了其使用GPS单系统及GPS+BDS双系统观测值的定位收敛时间,定位精度及其优缺点. 实验结果表明:使用GPS单系统,附加不同电离层约束对单频PPP收敛时间缩短效果显著,其中逐步松弛约束平均收敛时间最短,其平均收敛时间为32.36 min,四种定位模型收敛后的定位精度基本相当. 加入北斗卫星导航系统(BDS)后,四种定位模型的收敛时间均有不同程度的缩短,其中时空约束模型缩短最为显著,收敛时间缩短为单系统的59.22%. 在定位精度方面,加入BDS观测值后水平方向定位精度可提升0.5～1.3 cm,垂直方向定位精度略有下降.      

基于非差非组合PPP-RTK的大气改正模型及其性能验证

高精度的大气改正是加快PPP-RTK收敛的重要前提。本文以区域跟踪网台站数据为基础,基于非差非组合PPP提取斜路径电离层和天顶对流层延迟,作为PPP-RTK大气建模的数据源。电离层延迟采用基于斜路径星间单差的改正模型,对流层采用非差天顶对流层模型,设计了相关的服务端和用户端软件系统。在系统设计上,通过服务端提取数据构建大气模型并播发,用户端接收参数并用于实时PPP-RTK定位。对上海区域进行服务端和用户端的试验,服务端计算的参数表明：GPS、GALILEO、BDS系统的电离层、对流层模型内符合精度为6~7 mm。用户端的646组PPP-RTK伪动态试验表明：水平方向30 s内收敛的占比为89.16%、1 min内收敛的占比为91.80%、2 min内收敛的占比为95.98%;三维方向收敛结果中,上述收敛时间尺度分别占总数的86.22%、88.70%和93.34%。附加大气约束后,模糊度固定率为95.59%,收敛后水平方向和三维方向定位RMSE分别为2.35和4.63 cm。实时动态试验表明,PPP首次固定时间为36 s,水平和三维定位精度分别达到了1.13和3.21 cm。     

北斗天线相位中心偏差改正对精密单点定位的影响

利用厂商模型、MGEX模型和ESA模型对BDS卫星天线相位中心偏差进行改正，结果表明，3种模型对BDS精密单点定位精度均有所提升，其中，水平方向提升1～2 cm，高程方向定位精度由1 dm提升为厘米级，ESA模型优于另外两种模型。利用GPS接收机天线相位中心偏差改正值对BDS接收机天线相位中心偏差进行改正，其精度改善情况随天线类型的不同而存在差异，水平方向精度影响为毫米级，高程方向与天线类型有关，精度影响最大可达厘米级。     

基于载波相位差分的多频多GNSS测速精度评估

基于载波相位历元间差分测速方法,建立了全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）单点测速的数学模型,分析了其误差源,并结合实测数据对多GNSS系统各频点及其无电离层组合、不同系统组合的测速精度进行了对比分析。实验结果表明：不同系统不同频点的测速精度有所差异,BDS(BeiDou navigation satellite system)的B1I、B1C、B3I、B2a频点和Galileo(Galileo positioning system)的E1、E5a、E6、E5b、E5频点的测速精度相当,水平方向优于1.5 mm/s,高程方向优于3 mm/s;BDS的B2I和GPS的L1、L2、L5频点的测速精度相当,水平方向在1.5～2 mm/s,高程方向在3～4mm/s;GLONASS(globalnavigationsatellitesystem)的G1、G2频点测速精度最差,水平方向在3～4 mm/s,高程方向在5～5.5 mm/s;双频无电离层组合由于放大了观测值噪声,其测速精度低于单频。此外,多GNSS组合增加了可见卫星数,降低...     

基于DREAMNET的GPS/BDS/GLONASS多系统网络RTK定位性能分析

随着BDS系统完成亚太地区组网、GLONASS系统再次实现满星座部署以及GPS系统的现代化,多系统集成已逐步成为网络RTK技术的发展趋势。本文结合笔者所在课题组自主研发的网络RTK数据处理系统DREAMNET,对不同卫星系统组合模式下的定位精度进行比较分析。试验结果表明,GPS/BDS/GLONASS网络RTK和GPS/BDS网络RTK的定位精度最高,GPS、BDS单系统网络RTK次之。此外,随着高度角的增加,GPS单系统网络RTK的可用性显著降低,而GPS/BDS/GLONASS网络RTK在高度角为40°时依然可以在99.84%的时间里提供水平精度0.01 m、高程精度0.025 m的定位服务。最后,对15 d的定位结果进行统计,包括不依赖GPS系统的BDS和BDS/GLONASS在内的6种组合方式皆可达到水平0.01 m、高程0.025 m的定位精度,其中GPS/BDS/GLONASS网络RTK则可以得到水平0.006 m、高程0.015 m的定位精度,证明DREAMNET的定位精度和稳定性完全可以满足测绘作业的需要。     

Klobuchar电离层模型精化进展

电离层延迟是卫星导航定位的重要误差源之一。采用合适的电离层延迟模型可以有效地减弱电离层延迟误差对定位结果的影响。目前在导航定位中运用最广泛的是Klobuchar模型,但Klobuchar模型的修正率只有50%~60%。为了满足日益增长的导航定位精度的需求,不同的精化模型被提出。本文介绍了Klobuchar模型在GPS和BDS系统中的应用,比较了在两个系统应用时的差异。回顾概括了文献在Klobuchar模型的参数精化和模型精化两个方面的研究,并对各种精化模型进行了对比总结。模型精化的结果优于参数精化,未来对于Klobuchar模型的精化更趋向于模型精化。     

北斗导航系统精密单点定位在地壳运动监测中的应用分析

主要基于7个台站观测到的BDS/GPS双模连续观测数据,时间跨度在2 a以上,利用武汉大学自主研发的PANDA软件的精密单点定位模式,对比分析了BDS/GPS双模观测数据的单系统定位精度,并探讨了BDS在地壳运动监测中的能力。通过对这些观测数据的解算及分析,结果表明,BDS在水平向的定位精度约为17 mm,垂向定位精度约为40 mm;GPS在水平向的定位精度要优于10 mm,垂向定位精度约为14 mm。基线统计结果显示,BDS检测弱信号的能力要低于GPS,但仍能够准确反映站点间基线长度和变化率特征。对比分析BDS和GPS得到的速度场,结果显示,两套速度场在水平向之间差值约为1~2 mm/a,且不存在系统性的差异。总体来看,虽然目前BDS精密单点定位精度要低于GPS,但是BDS目前仍可以用于监测形变量较大的地区地壳运动。     

多GNSS系统组合PPP定位精度评估

采用MGEX网提供的GPS、GLONASS、BDS、GALILEO四系统双频观测数据,以CODE、GBM、WUM、GRG精密产品进行了静/准动态模式下多系统组合无电离层延迟PPP浮点解与整数钟法固定解实验。结果表明多系统的组合提升了定位精度,尤其是GLONASS的加入效果最明显,CODE与GBM产品的解算精度优于WUM、GRG产品。部分模糊度固定相比全模糊度固定的效果显著,模糊度固定明显缩短了PPP收敛时间,在静态模式下相对浮点解精度提升10%以内,动态模式下E方向与U方向精度提升效果最好。